正交試驗(yàn)優(yōu)化熱泵-微波聯(lián)用制取蓮藕干工藝條件

李莉峰，葉春苗*，韓艷秋

1. 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（沈陽(yáng) 110161）；2. 遼陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（遼陽(yáng) 111000）

蓮藕（Nelumbo nuciferaGaertn）又稱荷藕、蓮菜、芙蓉、水芝、水蕓、玉環(huán)、君子花、六月春等，為睡蓮科多年生植物，富含淀粉、膳食纖維、氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、鞣質(zhì)以及棉子糖、水蘇糖、米糖、多酚化合物等，是集營(yíng)養(yǎng)及保健于一體的藥食同源食品。中國(guó)有3 000多年的栽培史，并且栽培面積較為廣泛，有著豐富的蓮藕資源。鮮蓮藕貯藏時(shí)極易氧化褐變及腐爛變質(zhì)，不僅影響蓮藕的食用品質(zhì)，也造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。將蓮藕進(jìn)行深加工是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一，干燥是食品加工中常用的一種方法，也是保藏食品的一種有效方法。食品的干燥方法通常有自然干燥、熱風(fēng)干燥、低溫真空油炸脫水等。用干燥法生產(chǎn)的蓮藕制品也已問(wèn)世，如蓮藕粉、蓮藕脆片、脫水藕片等，但產(chǎn)品出現(xiàn)藕片硬度大、營(yíng)養(yǎng)損失嚴(yán)重等問(wèn)題。蓮藕干燥方法已取得進(jìn)展，如李麗娟[1]采用真空微波干燥、氣流膨化干燥蓮藕工藝，但單一干燥方式均具有產(chǎn)量低、成本高等缺點(diǎn)。聯(lián)合干燥可使各種干燥技術(shù)揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到高效、低能耗、優(yōu)質(zhì)等效果，邢芳等[2]采用真空冷凍-熱風(fēng)組合干燥蓮藕脆片，但此種聯(lián)合干燥技術(shù)出現(xiàn)耗能大的缺點(diǎn)。熱泵干燥是一種回收干燥廢氣中的顯熱和潛熱熱量，并轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮芗訜岬难b置，其除濕能耗比可達(dá)傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥的10倍，熱泵干燥具有耗能低特點(diǎn)，但是干燥后期速度較慢，微波干燥具有加熱速度快、干燥效率高、殺菌等優(yōu)點(diǎn)，但是單獨(dú)使用微波干燥產(chǎn)品硬度大，品質(zhì)下降[3]。因此嘗試將熱泵-微波組合聯(lián)合干燥蓮藕，以期獲得理想的蓮藕干。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蓮藕（遼陽(yáng)市首山早市，要求外觀品質(zhì)均一、形態(tài)良好、無(wú)病蟲(chóng)害）；檸檬酸（遼寧農(nóng)科院食品與加工所）。

1.2 儀器設(shè)備

WRH-100AB型熱泵干燥機(jī)（正旭新能源設(shè)備科技有限公司）；G70F20CN1L-DG（S0）微波爐（廣東格蘭仕電器制造有限公司）；WR-10手提式色彩色差儀（福光電科技有限公司）；MA45-000230V1自動(dòng)水分測(cè)定儀（北京賽多利斯儀器有限公司）。

1.3 方法

選取新鮮蓮藕，清洗后去皮，切成1.5～3.0 mm薄片，放入0.2%檸檬酸和NaCl復(fù)合護(hù)色液中浸泡30 min，以保持產(chǎn)品色澤。護(hù)色后撈出藕片瀝干，稱取100 g物料平鋪于微波爐中干燥一定時(shí)間，然后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，每30 min測(cè)1次藕片含水量（含水量接近10%時(shí)，改為5 min測(cè)1次），直至藕片含水量≤8[4]。

1.3.1 微波-熱泵連用制取蓮藕干單因素試驗(yàn)

1.3.1.1 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響

選取微波干燥功率6.0 W/g，熱泵干燥溫度45℃，分別考察微波干燥時(shí)間20，40，60，80，100和120 s對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響[5]。

1.3.1.2 微波干燥功率對(duì)蓮藕干品質(zhì)的影響

選取微波干燥時(shí)間100 s，熱泵干燥溫度45℃，分別考察微波干燥功率4.0，4.5，5.0，5.5，6.0和6.5 W/g對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響[6]。

1.3.1.3 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響

固定微波干燥功率6.0 W/g、微波干燥時(shí)間100 s，分別考察熱泵干燥溫度30，35，40，45，50和55℃對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響[7]。

1.3.2 微波-熱泵聯(lián)用

依據(jù)微波-熱泵單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以微波干燥時(shí)間、功率和熱泵溫度為自變量，以干燥時(shí)間、復(fù)水比、色澤、硬度等為相應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平正交分析試驗(yàn)，優(yōu)化微波-熱泵聯(lián)用制取蓮藕干工藝條件，試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1[8]。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.3.1 總干燥時(shí)間

總干燥時(shí)間即水分≤8所用的干燥時(shí)間，計(jì)算如式（1）[9]。

1.3.3.2 復(fù)水比

復(fù)水比值反映產(chǎn)品復(fù)水性是否良好，取5片蓮藕干稱質(zhì)量，記為W干（g），浸入300 mL常溫蒸餾水中，浸泡1 h后取出，用干凈紙巾擦干表面水分，稱質(zhì)量，記為W復(fù)（g）。平行3次，取平均值[10]。

1.3.3.3 色差ΔE*

式中：L*為明度指數(shù)；a*、b*為彩度指數(shù)。每組樣品測(cè)定3次，取平均值[11]。

1.3.3.4 硬度

選取形狀、大小接近的蓮藕干測(cè)定硬度，硬度采用TA-XTplus型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定，每組重復(fù)5次，取平均值[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波-熱泵聯(lián)用制取蓮藕干單因素試驗(yàn)

2.1.1 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響

2.1.1.1 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干復(fù)水比的影響

2018年，為了更好地將精準(zhǔn)配肥技術(shù)推廣應(yīng)用，由玉稼興合作社牽頭，與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物營(yíng)養(yǎng)與施肥研究室建立了試驗(yàn)站，并與廣東東莞一翔液體肥料有限公司在馬卜子村建立起鄉(xiāng)村小型智能液體配肥站——鄉(xiāng)喜精準(zhǔn)配肥站，通過(guò)引進(jìn)公司的智能液體自動(dòng)施肥機(jī)，為種植戶提供統(tǒng)測(cè)、統(tǒng)配、統(tǒng)供、統(tǒng)施的“四統(tǒng)一”精準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)。

由圖1可知，不同微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干復(fù)水比影響差異顯著，隨著微波干燥時(shí)間延長(zhǎng)，蓮藕干復(fù)水比逐漸提高，微波干燥時(shí)間100 s時(shí)復(fù)水比最大，達(dá)到7.4，微波干燥時(shí)間再延長(zhǎng)，復(fù)水比開(kāi)始下降，分析原因可能微波干燥時(shí)間長(zhǎng)使得制品纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生焦糊，復(fù)水性隨之下降。

圖1 微波干燥時(shí)間對(duì)復(fù)水比的影響

2.1.1.2 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干色差的影響

由圖2可知，微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干色差影響顯著，微波干燥時(shí)間100 s時(shí)蓮藕干色差最大，分析原因可能是隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，蓮藕中酚類物質(zhì)逐漸氧化褐變現(xiàn)象較明顯，微波干燥時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，色差變化不顯著。

圖2 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干色差的影響

2.1.1.3 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干硬度的影響

由圖3可知，微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干硬度影響差異顯著，隨著微波干燥時(shí)間延長(zhǎng)，蓮藕組織水分不斷流失，不斷形成中空網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得制品硬度下降，微波干燥時(shí)間超過(guò)100 s后硬度開(kāi)始增高，分析原因可能是組織中膠體結(jié)合水開(kāi)始蒸發(fā)，使得制品硬度升高。

2.1.2 微波干燥功率對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響

由圖4可知，微波干燥功率對(duì)蓮藕干復(fù)水比影響顯著，隨著干燥功率增加，復(fù)水比逐漸下降，微波干燥功率6 W/g時(shí)復(fù)水比有所提高，之后又開(kāi)始下降。原因可能是由于微波干燥功率6 W/g使得蓮藕干內(nèi)水分內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散達(dá)到平衡，產(chǎn)品復(fù)水性較好，微波干燥功率繼續(xù)提高，使得制品發(fā)生焦糊，因此復(fù)水性下降。

圖3 微波干燥時(shí)間對(duì)蓮藕干硬度的影響

圖4 微波干燥功率對(duì)復(fù)水比的影響

2.1.2.2 微波干燥功率對(duì)色差的影響

由圖5可知微波干燥功率對(duì)蓮藕干色差影響顯著，隨著干燥功率提高色差逐漸增大，微波干燥功率6 W/g時(shí)，色差反而下降，微波功率繼續(xù)升高，色差又開(kāi)始升高。原因可能是微波功率較小時(shí)，干燥時(shí)間長(zhǎng)，蓮藕褐變嚴(yán)重，微波功率6 W/g時(shí)溫度較高，破壞蓮藕中多酚氧化酶，使得色差變小，微波功率繼續(xù)升高，使得蓮藕干組織發(fā)生焦糊，色差變大。

圖5 微波干燥功率對(duì)色差的影響

2.1.2.3 微波干燥功率對(duì)硬度的影響

由圖6可知微波干燥功率對(duì)蓮藕干硬度影響顯著，隨著微波干燥功率提高蓮藕干硬度逐漸下降，原因可能是蓮藕干燥過(guò)程使得組織中水分蒸發(fā)，留下疏松的組織結(jié)構(gòu)使得制品硬度下降。

圖6 微波干燥功率對(duì)硬度的影響

2.1.3 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)的影響

2.1.3.1 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕復(fù)水比的影響

由圖7可知，熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干復(fù)水比影響差異顯著，熱泵干燥溫度40℃時(shí)，蓮藕干復(fù)水比最好，原因可能是隨著熱泵溫度提高，蓮藕內(nèi)水分逐漸蒸發(fā)，形成疏松的組織結(jié)構(gòu)，復(fù)水性較好，溫度再升高會(huì)使蓮藕內(nèi)果膠物質(zhì)流失組織結(jié)構(gòu)變得致密，復(fù)水性降低。

圖7 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕復(fù)水比的影響

2.1.3.2 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕色差的影響

由圖8可知，熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干色差影響顯著，熱泵溫度低于40℃，蓮藕干色差變化不大，熱泵干燥溫度升到45℃時(shí)色差最大，之后開(kāi)始下降。原因可能是45℃時(shí)蓮藕內(nèi)酶促褐變、非酶褐變反應(yīng)較為迅速，使得蓮藕干色差最大。

圖8 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕色差的影響

2.1.3.3 熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕硬度的影響

由圖9可知，熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干硬度影響差異顯著，40～50℃時(shí)蓮藕干硬度較大，之后開(kāi)始下降，原因可能是由于在此溫度下蓮藕干內(nèi)水分蒸發(fā)較為迅速，以及蓮藕內(nèi)膠體物質(zhì)流失較多，使得疏松的蓮藕組織結(jié)構(gòu)塌陷，組織變得致密，硬度提高。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，各因素對(duì)蓮藕干復(fù)水比的影響大小順序是微波干燥時(shí)間＞微波干燥功率＞熱泵干燥溫度，最優(yōu)水平組合是B2A2C1。

各因素對(duì)蓮藕干燥色差影響大小順序是微波干燥功率＞微波干燥時(shí)間＞熱泵干燥溫度，最優(yōu)水平組合是A3B3C3。

各因素對(duì)蓮藕干燥硬度影響大小順序是微波干燥時(shí)間＞微波干燥功率＞熱泵干燥溫度，最優(yōu)水平組合是B3A1C1。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

為分析試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果測(cè)定中必然存在的誤差，對(duì)硬度指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，微波干燥功率、微波干燥時(shí)間、熱泵干燥溫度對(duì)硬度影響均為顯著。因此可以確定蓮藕最佳干燥條件為B3A1C1，即微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥時(shí)間120 s、熱泵干燥溫度40℃。

表3 硬度方差分析表

2.3 最優(yōu)干燥條件驗(yàn)證

選擇正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合條件進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥時(shí)間120 s、熱泵干燥溫度40℃，待干燥結(jié)束后測(cè)定蓮藕干復(fù)水比5.8、色差18.15、硬度8 750，證明最優(yōu)組合對(duì)蓮藕干燥品質(zhì)較好。

3 結(jié)論

探究微波-熱泵聯(lián)用干燥蓮藕的生產(chǎn)工藝，通過(guò)單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)對(duì)微波干燥功率、時(shí)間及熱泵干燥溫度對(duì)蓮藕干復(fù)水比、色差及硬度影響的分析，得到制取蓮藕干最佳工藝條件為：微波干燥功率5.5 W/g、微波干燥時(shí)間120 s、熱泵干燥溫度40℃。在此條件下得到的蓮藕的品質(zhì)為：復(fù)水比5.8、色差18.15、硬度8 750。驗(yàn)證試驗(yàn)證明該工藝具有可靠性，可用于生產(chǎn)預(yù)測(cè)，對(duì)今后蓮藕干燥制品生產(chǎn)具有重要意義。