響應面結合模糊評價優化青芋片熱風聯合微波脆化工藝

喻遠東，李清明,*，鄧潔紅

(1.湖南農業大學 國際學院，湖南 長沙 410128； 2.湖南農業大學 食品科技學院，湖南 長沙 410128)

青芋，別稱毛芋、芋艿，為天南星科、芋屬植物的塊莖，是我國傳統作物之一，口感細軟，綿甜香糯，富含各類營養素[1]，深受消費者喜愛，我國年產量已達188.74萬t，居全球前3位[2]。青芋可加工制成青芋脆片，加工時以鮮切芋片或芋粉、芋泥為原料，經硬化、烘干、油炸、脫油等工序加工而成[3-5]，加工工藝復雜，成品熱量高、油脂含量高、易氧化酸敗，長期食用有害人體健康。隨著生活水平的提高，人們愈加青睞健康食品，開發非油炸食品將會是未來的主要方向。熱風聯合微波脆化工藝是將熱風干燥和微波干燥2種方式優勢互補，對原料進行分階段的干燥[6]，該方法無需油炸便能使食物脆化、膨化，克服了傳統加工工藝油脂含量高、能耗大等缺點。目前關于鮮切芋片的研究多集中于干燥動力學模型及干燥特性的研究[7-12]，對非油炸青芋脆片的加工工藝研究較少。本研究在單因素試驗基礎上使用Design Expert 11.0進行Box-Behnken試驗設計并結合模糊數學感官評價模型，進行3因素3水平的響應面分析，旨在對青芋片熱風聯合微波脆化工藝參數進行優化，旨在為生產高品質的青芋脆片食品提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

青芋購自湖南農業大學湘樺超市。

WGL-230B電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；EG823LA6-NR微波脆化設備，廣東美的微波電器制造有限公司；CR-400型色差儀，日本KONICA MINOLTA有限公司；FA2004B型電子分析天平，上海平軒科學儀器有限公司；TP-3000E電子天平，湘儀天平儀器設備有限公司；C21-RT2140電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司。

1.2 制作工藝

選擇新鮮、無機械損傷的青芋塊莖，清水清洗，待晾干后削去表皮并切成長約2.7 cm、寬約1.8 cm、厚約2 mm的片狀物，沸水中漂燙20 s后流水冷卻，取出瀝干，并平鋪于鐵絲網上，電熱鼓風干燥箱中進行干燥，干燥后轉移至微波設備中進行脆化(微波功率640 W)，簡單包裝后待測。制作工藝見圖1。

1.3 單因素試驗

1.3.1 微波脆化時間優選

固定熱風干燥溫度為85 ℃、熱風干燥時間為40 min，考察不同微波脆化時間(30、60、90、120、150 s)對芋片品質的影響。

圖1 青芋片加工的工藝流程

1.3.2 熱風干燥溫度優選

固定微波脆化時間60 s、熱風干燥時間40 min，考察不同熱風干燥溫度(65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃)對芋片品質的影響。

1.3.3 熱風干燥時間優選

固定微波脆化時間60 s、熱風干燥溫度85 ℃，考察不同熱風干燥時間(20、30、40、50、60 min)對芋片品質的影響。

1.4 響應曲面試驗設計

根據單因素試驗結果，采用中心組合試驗Box-Behnken設計，對微波脆化時間(A)、熱風干燥溫度(B)、熱風干燥時間(C)進行響應曲面試驗設計，水平-1、0、1，A分別為30、60、90 s，B分別為75、85、95 ℃，C分別為30、40、50 min，共17個組合。

1.5 模糊感官評價模型的建立

1.5.1 因素集和評語集的確定

設模糊感官評價中的因素集向量和評語集向量分別為U和V，通過查閱文獻資料和對青芋脆片品質的研究確定選擇色澤(u1)、風味(u2)、口感(u3)作為感官評價因素，即U={u1，u2，u3}；同時確定每個因素有4個評價等級，分別為優(v1)、良(v2)、中(v3)、差(v4)，即V={v1，v2，v3，v4}。

1.5.2 權重的確定

設權重向量為D={d1，d2，d3}，3個因素分別對應色澤、風味、口感的權重，權重由用戶調查法[13]和對青芋脆片的綜合研究結果確定，即D={0.28，0.34，0.38}。

1.5.3 模糊評價模型的建立

1.5.4 評分標準的確立

參照GB/T 16291.1—2012《感官分析選拔、培訓與管理評價員一般導則》相關要求對每個處理中的15片青芋脆片樣品的色澤、風味、口感等3個方面進行評分。首先將樣品置于白紙上，在自然光線中觀察青芋脆片的色澤，同時聞其氣味，清水漱口后品評其滋味，評價員按感官評價標準對樣品進行評分。

青芋脆片感官評分標準：優(100分)，整體呈淡黃色，邊緣略有焦黃，有光澤，具有青芋脆片特有的風味，無焦味，有甜香味，松脆可口，無夾生感；良(75分)，整體呈淡黃色，少部分呈焦黃，有光澤，青芋脆片特有的風味不明顯，無焦味，甜香味較淡，口感較脆，無夾生感；中(50分)，整體呈現焦黃色，無光澤，無青芋脆片特有的風味，有焦味，有甜香味，口感較脆，有夾生感；差(25分)，整體呈現焦褐色，焦味、苦味較重，口感不脆，有夾生感

1.6 青芋脆片色差檢驗

使用柯尼卡美能達CR-400型色差儀對青芋脆片的明亮指數L*，彩度指數a*、b*等3個值進行測定，總色差ΔE計算公式：

式中，L、a、b為標準白板的測定值，L*、a*、b*為熱風聯合微波脆化后樣品測定值。每個樣品平行測定3次，取平均值。

1.7 青芋脆片含水率測定

采用直接干操法對青芋脆片樣品的含水率進行測定，計算公式：

式中，M1表示烘干前樣品和容器的質量，M2表示烘干后樣品和容器的質量，M3表示容器的質量，單位均為g。

1.8 統計分析

每個實驗設置三個平行組，實驗數據處理軟件為SPSS 20.0，數據圖形繪制軟件為Excel 2010，單因素實驗采用SPSS 20.0軟件進行one-way ANOVA及Duncan多重比較分析，P<0.05為差異顯著性水平；采用Design-Expert 11.0進行Box-Behnken試驗設計和響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素優選

2.1.1 微波脆化時間對青芋脆片品質的影響

如圖2所示，當微波脆化時間小于60 s時，芋片口感不夠脆，其原因可能是芋片微波時間過短，內部的水分干燥不完全；當微波脆化時間大于60 s時，口感變脆，香味濃郁，但膨化度降低，且明亮指數顯著下降，總色差顯著上升，出現了焦化現象；當微波催化時間大于120 s時，芋片大部分已被碳化，其組織疏松，脆度變差；當微波脆化時間為60 s時，芋片無焦化現象，口感脆、香味濃郁，此時感官評價得分最高。綜合考慮，選擇微波脆化時間30、60、90 s進行優化為宜。

同一指標柱上無相同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3～4同。圖2 微波脆化時間對青芋脆片感官得分、明亮指數、總色差的影響

2.1.2 熱風干燥溫度對青芋脆片品質的影響

如圖3所示，當熱風干燥溫度<85 ℃時，芋片口感不脆，香味不足；而當熱風干燥溫度大于85 ℃時，芋片口感很脆，香味濃郁，但明亮指數顯著下降、總色差顯著上升，表明出現了嚴重的焦化現象，其原因可能是當溫度過高時，芋片內部水分遷移速率小于表面汽化速率，繼續加熱導致表面變干嚴重[14-15]，當用微波加熱脆化時，會增大芋片的焦化程度；當熱風干燥溫度為85 ℃時，芋片無明顯焦化現象，口感脆、香味濃郁，此時感官評分最高。綜合考慮，選擇熱風干燥溫度75 ℃、85 ℃、95 ℃進行優化為宜。

圖3 熱風干燥溫度對青芋脆片感官得分、明亮指數、總色差的影響

2.1.3 熱風干燥時間對青芋脆片品質的影響

如圖4所示，當熱風干燥時間小于40 min時，芋片香味不足、口感不脆；當熱風干燥時間大于40 min時，芋片口感很脆，且有濃郁的香味，但明亮指數顯著下降、總色差顯著上升，說明出現了嚴重的焦化現象；當熱風干燥時間為60 min時，芋片出現了明顯的焦味，感官評分顯著降低；當熱風干燥時間為40 min時，芋片無焦化現象，口感脆、香味濃郁，此時感官評分最高。綜合考慮，選擇熱風干燥時間30、40、50 min進行優化為宜。

圖4 熱風干燥時間對青芋脆片感官得分、明亮指數、總色差的影響

2.2 青芋片脆化工藝優化

2.2.1 模糊感官評價

通過對17組青芋脆片樣品的色澤、風味、口感進行了逐一評價，結果如表1所示。

將不同等級票數除以總票數得到模糊矩陣R。如樣品1的模糊矩陣R1如下：

表1 各組合青芋脆片的感官評價

將模糊矩陣R1同權重集D合成得到樣品1的綜合評價集為Y1=(0.638、0.172、0.190、0)。將綜合評價集Y1和等級集V合成得到樣品1的感官得分S1，即S1=0.638×100+0.172×75+0.190×50+0×25=86.2。同理，計算出S2，S3，…，S17。

2.2.2 二次多項式回歸擬合

使用Design-Expert 11.0軟件對表1數據進行二次多項式回歸擬合，得到回歸方程Y=85.36+8.92A+3.30B+3.70C-4.26AB-7.21AC+2.06BC-11.9A2-7.67B2-8.90C2。方差分析可知，模型具有高度顯著性(P<0.001)，失擬項不顯著(P>0.05)，確定系數R2=0.993 2，調整后的R2=0.984 5，說明該模型對試驗的擬合度好，可對感官得分進行分析和預測。在回歸模型中A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2均達到顯著水平；同時根據F值可知，影響青芋脆片感官得分高低的因素由大到小依次為A(238.46)>C(47.53)>B(37.81)，即微波脆化時間對青芋脆片感官得分的影響最大，其次為熱風干燥時間，熱風干燥溫度的影響最小。

2.2.3 響應曲面分析

根據擬合模型繪制不同因素交互作用響應面圖和等高線圖(圖5～7)。由各因素兩兩之間等高線的形狀可以看出相互之間存在一定的交互作用，3D曲面圖陡峭程度最突出的是微波脆化時間和熱風干燥時間的交互作用，這就表明兩者的交互項對青芋脆片感官評分的影響相對于其它交互項而言更為顯著，這也與回歸模型方差分析結果一致。

圖5 熱風干燥溫度與微波脆化時間對青芋脆片感官評分響應面圖與等高線圖

圖6 熱風干燥時間和微波脆化時間對青芋脆片感官評分響應面圖與等高線圖

圖7 熱風干燥時間與熱風干燥溫度對青芋脆片感官評分響應面圖與等高線圖

圖5為固定熱風干燥時間為0水平時，熱風干燥溫度和微波脆化時間的相互作用對感官評分的影響。當熱風干燥溫度不變時，青芋脆片的感官評分隨微波脆化時間的增加呈先上升后下降的趨勢；當微波脆化時間不變時，感官評分隨熱風干燥溫度的增加呈現先上升后下降的趨勢，且微波脆化時間的上升幅度明顯高于熱風干燥溫度，因此，微波脆化時間對青芋脆片的感官評分影響更大。

圖6所示為固定熱風干燥溫度為0水平時，熱風干燥時間和微波脆化時間的相互作用對感官評分的影響。青芋脆片的感官評分隨熱風干燥時間和微波脆化時間的增加呈先上升后下降的趨勢，且微波脆化時間的上升幅度明顯高于熱風干燥時間，因此，微波脆化時間對感官評分的影響更大。

如圖7所示，當固定微波脆化時間為0水平時，青芋脆片的感官評分隨熱風干燥時間和熱風干燥溫度的增加呈先上升后下降的趨勢，且等高線越趨向圓形，則交互作用越不顯著，這就表明CB的交互作用不如BA和CA顯著，此外，熱風干燥時間的等高線比熱風干燥溫度的更密集，表明熱風干燥時間對感官評分影響更大。

2.2.4 工藝優化

利用Design-expert 11.0對回歸模型進行分析，由此可以獲得理論最優脆化工藝參數為：微波脆化時間68.572 s、熱風干燥溫度86.506 ℃、熱風干燥時間41.097 min，此時青芋脆片的感官評分能夠取得理論上的最大值為86.997分。但考慮到設備的實際可操作性，最優脆化工藝參數應調整為：微波脆化時間70 s、熱風干燥溫度87 ℃、熱風干燥時間41 min。

2.2.5 模型驗證

用模型預測的最優脆化工藝參數進行驗證，測得3組青芋脆片樣品感官評分的平均值為87.25分，與回歸模型預測值86.997分相比，兩者的相對誤差為0.29%，在實驗允許的誤差范圍之內，說明回歸方程擬合度較高，預測結果可靠。

3 小結

本試驗利用模糊數學感官模型對樣品進行評價，避免了評價人員之間主觀差異造成評分波動的問題，增強了評價結果的客觀性，同時利用Box-Behnken試驗設計建立起二次多項式回歸模型，通過此模型得出各因素對青芋脆片感官評分的影響順序為：微波脆化時間>熱風干燥時間>熱風干燥溫度，當微波脆化時間為70 s、熱風干燥溫度為87 ℃、熱風干燥時間為41 min時，產品的感官評分最高為87.25分，水分含量為3.12%。