基于灰色關聯分析法綜合評價 不同干燥方式對山藥脆片品質的影響

高 琦,陳佳男,張建超,劉春菊,劉春泉,薛友林,,*

(1.遼寧大學輕型產業學院,遼寧沈陽 110036; 2.遼寧行政學院,遼寧沈陽 110161； 3.江蘇省農業科學院農產品加工研究所,江蘇南京 210014)

山藥(DioscoreaoppositaThunb.)又名薯蕷,屬于薯蕷科薯蕷屬植物[1]。山藥品種繁多,僅在中國就發現93種[2]。山藥不僅是常見食物,也是一味中藥材,對治療糖尿病,腹瀉,哮喘等疾病具有很好功效[3]。新鮮山藥不易儲存,容易在貯存期間變質,造成營養流失[4-5]。因此,希望開發一種較高保質期的山藥產品。干燥技術主要通過降低其水分活度和含水量并降低質量損失來穩定產品[6-7]。與在夏季只能保存幾個星期的新鮮產品相比,干燥產品可以儲存數月甚至數年,而不會有明顯的營養損失[8-9]。因此,干燥也可以創造新的產品形式,增加原材料的價值。

目前,國內外對干燥技術的研究有很多。最常見的干燥技術是熱風干燥。然而,由于食品材料的低導熱性和內部耐潮濕傳遞性,這種方法導致傳熱效率低,并且干燥產品的質量通常降低并且通常不令人滿意[10]。Kamilla等[11]發現了較低濃度糖漬處理及較低溫度的真空干燥處理更適用于加工pequi(巴西水果)脆片,能更好保持其中的抗壞血酸和類胡蘿卜等有益成分。Aneta等[12]通過對對流干燥、真空微波干燥、對流-真空微波干燥和真空冷凍干燥四種干燥方式對棗的化學成分,抗氧化能力和感官品質的影響研究發現,真空冷凍干燥的總酚類化合物的含量最高，并且硬度最適宜。YI等[13]研究了微波預干燥和變溫壓差膨化干燥對火龍果脆片細胞壁多糖的修飾作用,其有助于火龍果脆片形成良好的多孔結構和更脆的質感。變溫壓差膨化干燥產品由于高品質,備受關注。變溫壓差膨化干燥是通過預干燥將果蔬處理到較低水分含量,放入膨化罐,通過蒸汽加熱使內部水分蒸發,施加外部壓力,再打開泄壓閥,瞬間抽真空,使果蔬形成多孔結構。

針對這些特點,本實驗選取了較為熱門的變溫壓差膨化干燥、傳統的真空干燥、熱風干燥以及真空冷凍干燥進行非油炸山藥脆片的加工,通過變異系數法和灰色關聯分析法相結合對不同干燥方式加工的山藥脆片的物理性質、營養成分、微觀結構、感官評價等品質指標的影響來進行綜合評價,為非油炸山藥脆片的開發,以及山藥深加工提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白玉山藥 沈陽十二線蔬菜批發市場;無水亞硫酸鈉 分析純,天津市大茂化學試劑廠;2,6-二氯靛酚 分析純,合肥博美生物科技有限責任公司;福林酚 分析純,Solarbio公司。

SCIENTZ-10N型真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;QDPH1021型變溫壓差膨化干燥設備 天津市勤德新材料科技有限公司產品;DZF-6050型真空干燥箱 鞏義市子華儀器有限責任公司;GZX-BE型電熱鼓干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠;BCD-208GT型冷藏冷凍箱 江蘇雪龍電器有限公司;NR20XE型精密色差儀 深圳市三恩馳科技有限公司;CT3-25K型質構儀 美國Brookfield公司;JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡 日本電子公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 干燥工藝 參考文獻[26,31-32],將新鮮山藥經清洗、去皮、切成3 mm薄片,再經過熱燙(沸水煮1 min)、護色(浸入0.1%無水亞硫酸鈉溶液1 h)、預凍(-18 ℃冷凍12 h),分別進行真空冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥、真空干燥、熱風干燥。

真空冷凍干燥:真空度-60 Pa,溫度-40～-45 ℃,干燥時間14 h,干燥至水分含量8%以下;變溫壓差膨化干燥:將山藥片在70 ℃條件下熱風預干燥50 min后,在溫度80～85 ℃、壓力差為0.3 MPa條件下停滯5 min,在溫度70～75 ℃條件下抽空90 min(剛剛開始抽真空的瞬間即為膨化過程),全程干燥時間145 min,干燥至水分含量8%以下;真空干燥:真空度-0.025～-0.03 MPa,溫度70 ℃,干燥時間350 min,干燥至水分含量8%以下;熱風干燥:風速2.3 m/s,溫度70 ℃,干燥時間110 min,干燥至水分含量8%以下(注:實驗條件經過預實驗工藝優化得出,為了比較干燥方式的影響選取干燥溫度均為70 ℃左右,真空冷凍干燥為對照組)。

1.2.2 物理性質的測定

1.2.2.1 色澤的測定 參照Antonio等[14]的方法進行分析,將色差儀基于CIEL*，a*，b*模式下,用鮮山藥片作為色差衡量標準進行標樣測定。通過在每個山藥脆片的主軸上的三個等距點進行測定。測得L*,a*,b*值,ΔE。

1.2.2.2 復水率的測定 參照滕建文等[15]的方法分別測定山藥脆片在25 ℃下的復水率。將一片山藥脆片在25 ℃下水浴不同的時間,每經過一定的時間間隔進行一次測量(在25 ℃下水浴1～20 min,間隔時間3 min),用紙擦去表面多余水分然后稱重,直到前后兩次測量質量之差小于0.001 g。復水率按照如下公式計算:

RR(%)=Mr/M0×100

式(1)

式中,RR表示復水率,%;Mr表示復水后山藥脆片的質量,g;M0表示復水前山藥脆片的質量,g。

1.2.2.3 體積比和密度的測定 參照YI等[15]的方法測量山藥脆片體積比VR和密度ρ。

VR(cm3/cm3)=(Va-Vb)/Vb

式(2)

式中,Va和Vb分別表示干燥前和干燥后山藥脆片的體積,cm3。

1.2.2.4 質構的測定 采用CT3-25K型質構儀測定山藥脆片的硬度。測試過程中,出現的最大峰為樣品硬度H1,其值越大,產品越硬,單位為g;脆度的測定通過公式(3)計算得出:

C(g/g)=H1/HAV

式(3)

式中,C表示脆度(松脆性),松脆性成為硬度的一個函數;H1表示硬度,g;HAV表示得到的所有峰值平均值,g。得到的峰值平均值與初始硬度有關。比值越高,則表示松脆性越強[16]。

具體條件:采用質構儀TA7型探頭進行測試,探頭長度7.0 mm,預測試速度為2.0 mm/s,測試速度為2.0 mm/s,返回速度為2.0 mm/s,觸發點負載為10 g,負載單元為25000 g。

1.2.3 營養成分的測定 營養成分的測定包括:淀粉的測定:采用GB 5009.9-2016測定脆片中淀粉的含量[17];可溶性固形物的測定:采用黃雷松[18]方法，用手持糖度計測定脆片中可溶性固形物的含量,將脆片粉末配置成5%溶液,過濾,用手持糖度計測定;水分的測定:采用GB 5009.3-2016 直接干燥法測定脆片中水分的含量[19];蛋白質的測定:采用GB 5009.5-2016凱氏定氮法，測定脆片中蛋白質的含量[20];還原糖的測定:采用GB/T 5009.7-2016直接滴定法，測定脆片中還原糖的含量[21];總酚的測定:采用GB/T 8313-2008福林酚法，測定脆片中總酚含量[22];VC的測定:采用GB 5009.86-2016 2,6-二氯靛酚滴定法，測定脆片中VC的含量[23]。

1.2.4 觀察微觀結構 取山藥脆片樣品采用JFC01600型鍍金儀5 min噴金處理,將噴金后山藥脆片固定在掃描臺上,在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡放大到200倍進行觀察。

1.2.5 感官評價 選取10名有感官評價培訓經驗的人員,分別對四種不同方式干燥的山藥脆片進行色澤、氣味、口感、風味4個方面的評價并計算平均分,具體如表1所示。

表1 山藥脆片感官評價表Table 1 Criteria for sensory evaluation of Chinese yam chips

1.3 綜合評價

以變異系數法確定ΔE、體積比、密度、硬度、脆度、淀粉、可溶性固形物、水分、蛋白質、還原糖、總酚、VC和感官評價13個指標的影響因子權重,再經過灰色關聯分析的一系列數據處理計算各因子的加權關聯度,將加權關聯度作為綜合評價的最終結果。

1.3.1 因子權重賦予 采用變異系數法[24]確定影響因子的權重。何承剛等[25]發現各評價指標的變異系數越大,所賦予的權重應越大。為了更客觀的評價各項指標對品質影響的重要性,需要通過變異系數確定權重來反映相對差異程度[26]。公式如下:

式(4)

式(5)

1.3.2 灰色關聯模型分析 參照劉文靜等[27]灰色關聯法分析,通過數據無量綱化,參考序列與比較序列間的絕對差值計算,灰色關聯系數及李慧等[28]方法計算加權關聯度來進行綜合性評價。

1.4 數據分析

色澤、物理性質、營養成分的測定,均重復3次,取平均值(n=3)。采用DPS 7.5系統進行數據處理,作誤差及顯著性分析(p<0.05)。采用Execl 2007和Origin 75系統作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對山藥脆片物理性質的影響

2.1.1 不同干燥方式對山藥脆片色澤的影響 由表2可以看出,真空冷凍干燥亮度值L*均高于其他三種。此外,熱風干燥脆片的a*和b*明顯高于鮮山藥片樣品,且熱風干燥脆片偏暗黃色。由色差值ΔE可知,熱風干燥脆片色差值ΔE顯著高于真空冷凍干燥脆片(p<0.05),表明熱風干燥對山藥脆片顏色的改變較大,ΔE=11.28,可能由于熱風干燥直接與氧氣接觸,雖采取了護色處理,但護色效果較差[29]。真空冷凍干燥脆片色差值ΔE最小,這表明真空冷凍干燥溫度較低,對山藥脆片的原有色澤的損失最小。

表2 不同干燥方式對山藥脆片色澤的影響Table 2 Effects of different drying methods on the color of Chinese yam chips

2.1.2 不同干燥方式對山藥脆片復水率的影響 不同干燥方式對山藥脆片25 ℃的復水率的影響如圖1所示。由圖1可以看出,真空冷凍干燥產品25 ℃的復水率遠高于其他三種干燥產品,這可能是因為真空冷凍干燥會造成脆片微觀結構發生變化，并且形成疏松多孔蜂窩狀結構[30],空隙較大復水性更強,在8 min后無明顯變化,山藥脆片吸水量達到飽和。

圖1 不同干燥方式對山藥脆片在25 ℃下復水率的影響Fig.1 Effect of different drying methods on the rehydration rate of Chinese yam chips at 25 ℃

2.1.3 不同干燥方式對山藥脆片體積比和密度的影響 體積比和密度主要反映了山藥脆片的外觀形態的變化。由圖2可知,真空冷凍干燥山藥脆片的體積比最大,顯著優于其他三種干燥方法(p<0.05),表明真空冷凍干燥能更好保持山藥脆片的較為完整內部結構,支撐完整的外觀形態;另外,熱風干燥山藥脆片的體積比最小,說明熱風干燥對山藥脆片的造成了巨大形變,對外觀破壞較為明顯,干癟收縮。山藥脆片的體積比由大到小排序情況:真空冷凍干燥>變溫壓差膨化干燥>真空干燥>熱風干燥。密度的排序則與體積比的完全相反。

圖2 不同干燥方式對山藥脆片體積比和密度的影響Fig.2 Effect of different drying methods on the volume ratio and bulk density of Chinese yam chips注:同一指標內的點上的不同字母 表示差異顯著(p<0.05),圖3同。

2.1.4 不同干燥方式對山藥脆片硬度和脆度的影響 脆度是指切斷樣品時,內部多次斷裂產生的阻礙能力。對于山藥脆片,脆度越高其產品品質越好。如圖3所示,真空冷凍干燥樣品的硬度與脆度都最小,可能由于真空冷凍干燥未經過高溫處理,更好的保持了內部結構框架,形變較小,抵御外力能力較差。真空干燥樣品的硬度最大,長時間的高溫及真空處理使樣品發生了嚴重的收縮變形,緊湊的內壁使得抵御外力能力較強,但不易破碎。變溫壓差膨化干燥的樣品脆度最大,這可能內部膨化作用,使孔道擴充,質地更加酥脆[31]。從圖4微觀結構可以看出，真空干燥的樣品結構緊密,空隙較小,因此，造成了其產品高硬度、低脆度的質構特性。

2.2 不同干燥方式對山藥脆片營養成分的影響

如表3所示,真空冷凍干燥對淀粉、還原糖、蛋白質的保留效果顯著優于其他三種(p<0.05),這可以說明,70 ℃的溫度足以使淀粉中的可溶性糖類和可溶性蛋白受熱分解，形成水蒸氣和氨氣一起揮發出去,其中葡萄糖又是美拉德反應的主要物質之一,不穩定的高溫和較長時間的處理都會加劇糖類的損失[32]，但對可溶性固形物保持效果最好的是變溫壓差膨化干燥;真空干燥對總酚和VC的保留效果均最差,說明真空干燥對山藥脆片中總酚和VC破壞較大。從營養成分上看,真空冷凍干燥與變溫壓差膨化干燥優于真空干燥和熱風干燥。

表3 不同干燥方式對山藥脆片營養成分的影響Table 3 Effects of different drying methods on the nutritional components of Chinese yam chips

2.3 不同干燥方式對山藥脆片微觀結構的影響

從圖4中可以看出真空冷凍干燥和變溫壓差膨化干燥的山藥脆片結構較為相似,比較完整,真空冷凍干燥更均勻一些,有明顯蜂窩狀空隙。真空干燥和熱風干燥產品均干癟收縮,導致細胞收縮,可以觀察到淀粉粒輪廓。真空干燥產品外部雖由真空產生一定空隙,但空隙中有明顯粘連,凹凸不平。熱風干燥過程中,細胞受壓力收縮形成球狀結構,有明顯粘連,造成了皺縮和坍塌[33]。

圖4 山藥脆片掃描電鏡結果(×200)Fig.4 SEM of Chinese yam chips(×200)注:(A)真空冷凍干燥,(B)變溫壓差膨化干燥,(C)真空干燥,(D)熱風干燥的。

2.4 不同干燥方式山藥脆片的品質感官評價

真空冷凍干燥產品顏色偏白,口感偏軟,無嚼勁;變溫壓差膨化產品顏色微黃,口感適中,有酥脆感;真空干燥和熱風干燥產品顏色偏黃,口感較硬,脆性較差。如表4所示,山藥脆片的感官評價結果由高到低排序是:變溫壓差膨化干燥>真空干燥>真空冷凍干燥>熱風干燥。

表4 不同干燥方式對山藥脆片的品質感官評價Table 4 Sensory evaluation of Chinese yam chips dried by different methods

2.5 不同干燥方式山藥脆片品質影響的綜合評價

為了避免等權分配的不客觀性,消除各評價指標的量綱差異,采用了變異系數法將13個評價指標根據變異系數法確定不同權重,如表5所示。

表5 各項指標權重分析Table 5 Weights of various indicators for comprehensive evaluation of Chinese yam chips

表6 數據無量綱化結果Table 6 Results of dimensionless method

然后,用灰色關聯法根據公式(6)進行無量綱化:

式(6)

式中,Tn(i)表示Xn的第i項無量化值;Xn(i)表示Xn的第i項測量值;X0(i)表示X0的第i項標準值。

再根據公式(7),計算出參考數列X0與比較序列的絕對差值:

Δn(i)=|Tn(i)-T0(i)|

式(7)

式中,Δn(i)表示參考數列X0第i項無量綱化值與比較序列Xn第i項無量綱化值的絕對差值;Tn(i)表示Xn的第i項無量綱化值;T0(i)表示X0的第i項無量綱化值。

如表7所示,參考序列與比較序列間的絕對差值結果顯示:Δn(i)max=3.695,Δn(i)min=0.000。按公式(8)計算關聯系數:

表7 參考序列與比較序列間的絕對差值[Δn(i)]Table7 Absolute value[Δn(i)]between the reference sequence and the comparative sequence

式(8)

式中,λn(i)表示Xn中的第i項關聯系數;Δn(i)min和Δn(i)max分別表示Δn(i)在Xn中的最小值和最大值;δ表示分辨系數,按常規取值0.5。

表8和表9表明,綜合關聯度由大到小排序是:變溫壓差膨化干燥>真空冷凍干燥>真空干燥>熱風干燥。

表8 參考序列與比較序列的灰色關聯系數Table 8 Gray relational coefficient and grey correlation degree between reference sequence and comparative sequence

表 9 加權關聯度(rn)計算結果Table 9 Results of weighted correlation(rn)

3 結論

山藥脆片作為休閑食品,口味和口感成為了評價其品質的關鍵,根據質構特性及感官評價的研究剛好能反映出這兩個重要指標。如果能在口味和口感俱佳的基礎上具有較高的營養價值，則更能提高產品的品質。食品的外觀會影響人的食欲,較好的外觀也會增加產品受歡迎度。通過對真空冷凍干燥、變溫壓差膨化干燥、真空干燥、熱風干燥產品的色差變化、體積比等指標的測定,能精確的反映出山藥脆片的外型特征的變化情況,結果表明真空冷凍干燥對外型的保持效果最好。

通過微觀結構及硬度、脆度值直觀的反映了山藥脆片的口感。變溫壓差膨化和真空冷凍干燥的山藥脆片微觀結構保持的相對完整,真空干燥和熱風干燥的山藥脆片微觀結構破壞較大,會影響口感。

通過干燥方式對營養成分的影響可以發現,真空冷凍干燥對山藥脆片營養成分保留較好,淀粉、還原糖、蛋白質的保留效果顯著(p<0.05)優于其他三種,但是其產品硬度、脆度較差影響口感,并且真空冷凍干燥由于處理時間較長,需耗費大量能源;變溫壓差膨化干燥處理時間較短,耗能低;綜合多方面考慮,得出結論干燥方式對山藥脆片的品質會造成不同程度影響,變溫壓差膨化干燥加工非油炸山藥脆片較為適宜。