響應面法優化慈姑脆片微波加工工藝

唐小閑,羅艷昕,任愛清,*,段振華,蒙麗雅,韋珍珍

(1.賀州學院食品與生物工程學院,廣西賀州 542899;2.賀州學院廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地,廣西賀州 542899;3.賀州學院食品科學與工程技術研究院,廣西賀州 542899)

慈姑(SagittariasagittifoliaL.)又稱慈菇、白地栗,為澤瀉科多年生水生宿根草本植物,水生蔬菜,我國有廣泛分布和栽培,資源十分豐富[1],長江流域及其以南各省已成為我國慈姑的主要種植地,其中廣西是主要產地之一。近年來,廣西慈姑種植面積達5333公頃,年總產量約12萬噸,直接經濟效益達60000萬元。慈姑具有藥理學價值,藥食兩用等功能[2],慈姑的多糖有較強的抗氧化能力[3],其秋水仙堿具有良好的抗炎作用[4]。慈姑含有秋水仙堿物質而產生特殊的苦味,以致慈姑菜食越來越不易被人們接受,近年來出現了銷量、售價均有下滑趨勢,嚴重制約了慈姑產業的發展。

近五年,國內外對慈姑的研究多集中在種植栽培[5-6]、慈姑淀粉特性[7-8]、多糖提取工藝[3]、慈姑采后貯藏保鮮[9]、揮發性風味成分分析[10],而關于慈姑干燥研究,劉春菊等[1]研究熱風干燥、微波干燥、熱風聯合微波干燥等方式對慈姑揮發性風味化合物的影響,陳夢等[11]開展了慈姑粉的噴霧干燥工藝優化研究。目前慈姑干燥大多數企業仍采用傳統方法,如普通晾曬、蒸制、水煮、恒溫烘干等,這些方法僅適用于小作坊及家庭制作加工,對于工業化生產遠遠達不到要求。而將微波技術應用于即食慈姑脆片加工的研究,尚未見報道。微波是指波長范圍為1 mm～1 m,頻率范圍為300 MHz～300 GHz,具有穿透性的電磁波[12]。微波因為具有獨特的加熱特點和干燥機理,所以已被應用在食品的干燥、烘烤、膨化,解凍等[13-14]方面,為食品的開發與加工提供了一條新的途徑,應用前景十分廣闊。

本文以慈姑為研究對象,采用微波加工技術,單因素試驗以慈姑片裝載量、厚度、微波功率為主要因素,考察其對慈姑脆片的脆度、硬度及b*值指標的影響;在單因素實驗基礎上,采用響應面優化法對慈姑脆片微波加工工藝條件進一步優化,建立慈姑脆片脆度的非線性數學回歸模型,分析各因素相互之間對慈姑脆片其主要指標脆度的影響規律,確定最佳工藝參數,旨在為慈姑產業的發展提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮慈姑 賀州市某農貿市場,個體完整均勻、表皮無黑斑的慈姑;食用白砂糖、食用鹽、食用味精 市售。

G70D20CN1P-D2(SO)型微波爐 廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司;CR-10色差儀 日本柯尼卡美能達色彩色差計;MX-50型水分測定儀 日本AND公司;C21-SDHCB15型電磁爐 浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司;TA.XT plus物性測定儀 英國stable micro systems公司;WFO-520W送風定溫干燥箱 日本EYELA公司;WRH-100AB 型環閉除濕熱泵干燥機 正旭新能源設備科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 慈姑脆片加工工藝流程 新鮮慈姑→清洗→去皮→切片→調味→瀝干→微波脆化→裝袋→成品

1.2.2 慈姑脆片前處理 挑選新鮮慈姑,清洗表面的泥沙、雜質,去皮,切成一定厚度的慈姑片備用。以慈姑片裝載量50 g,100 mL熱水為基準。按白砂糖45.0%、食用味精2.5%、食用鹽4.5%與70 ℃熱水的比例進行調配調味液,加入一定量慈姑片進行調味,2 h后取出,瀝干,備用。

1.2.3 單因素實驗 將前處理慈姑裝盤,放入微波爐內進行干燥,考察裝載量、切片厚度、微波功率對慈姑脆片品質的影響。微波結束時間以慈姑脆片干基含水率降為6%左右為準。

1.2.3.1 裝載量對慈姑脆片品質的影響 在切片厚度3.0 mm、微波功率350 W條件下,考察裝載量30、40、50、60、70 g對慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影響。

1)不同壓頭的壓縮曲線有明顯的差異，不同壓頭對圣女果屈服極限、破壞極限與變形量變化都有影響。平板壓縮破壞極限值明顯大于P6壓縮的，平板壓頭壓縮曲線中不會出現屈服極限點，P6壓頭壓縮的曲線中會出現明顯屈服極限點。

1.2.3.2 切片厚度對慈姑脆片品質的影響 在裝載量50 g、微波功率350 W條件下,考察切片厚度1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm對慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影響。

1.2.3.3 微波功率對慈姑脆片品質的影響 在裝載量50 g、切片厚度3.0 mm條件下,考察微波功率210、280、350、420、490 W對慈姑脆片脆度、硬度及b*值的影響。

1.2.4 響應面優化試驗設計 在單因素實驗結果的基礎上,根據Box-Benhnken中心組合試驗設計原理,選取慈姑片裝載量(A)、切片厚度(B)、微波功率(C)為自變量,硬度與脆度值較為接近,以慈姑脆片的脆度(Y)作為試驗設計的響應值,響應面試驗設計的因素及水平如表1所示:

表1 響應面試驗設計的因素及水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental

1.2.5 慈姑脆片中水分的測定方法 通過使用MX-50型快速水分測定儀測定慈姑片的含水量,得到慈姑片平均初始含水量和干燥后含水量。

1.2.6 慈姑脆片色澤測定的方法 本實驗主要考查慈姑脆片樣品色澤的黃色深淺度。參照文獻[15]的方法,采用CR-10色差儀對慈姑脆片樣品的色澤進行測定,測定結果用b*表示。b*數值的大小表示樣品的黃藍程度,其負值越大藍色越淺,正值越小表示黃色越淺。

1.2.7 慈姑脆片酥脆性的測定方法 采用TA.XT Plus物性測定儀對慈姑脆片樣品進行硬度和脆度 的測定,設置下壓距離7 mm,測前速率1.00 mm/s,測試速率2.00 mm/s,測后返回速率10.00 mm/s。將慈姑脆片放置在指定位置進行測定,每組樣品測試5次,取其平均值。

在測試的過程中,樣品的硬度以坐標圖上最大壓力峰值表示,脆度以出現在下壓探頭第一次沖向樣品過程中坐標圖上的第一個明顯壓力峰值表示[16]脆度,峰值越小表明脆性越好,品質越佳[17-19]。

1.2.8 對比干燥方法試驗 通過微波干燥、恒溫干燥、熱風聯合微波干燥和熱泵干燥方式對樣品進行處理,并分別測定這四種干燥方式的慈姑脆片的色澤b*和脆度,比較脆片的主要特性。

1.2.8.2 熱風聯合微波干燥法 參照文獻[1]的方法,對慈姑片進行熱風聯合微波干燥,干燥結束時間以慈姑脆片干基含水率降為6%左右為準。

1.2.8.3 熱泵干燥法 在恒定風速、濕度為25%,干燥溫度為65 ℃,慈姑片密度為0.36 g/cm2條件下進行干燥,干燥結束時間以慈姑脆片干基含水率降為6%左右為準。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel 2013進行處理,用Origin 7.5簡體中文版軟件進行圖表繪制,用Design-Expert-8.0.6軟件對試驗數據進行線性回歸擬合分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 裝載量對慈姑脆片品質的影響 由圖1可知,微波干燥慈姑片時,在慈姑片裝載量30～50 g,隨著裝載量的增加其b*值逐漸下降,慈姑片色澤慢慢變淡黃,而脆度從1510 g增加至1630 g,硬度和酥脆度越來越好;當裝載量達到50 g時,其b*值最小,為32.4,硬度和脆度達到了最大值1630 g,此時脆片色澤接近慈姑原有的顏色,淺黃明亮,硬度和酥脆度口感較佳;當裝載量超過50 g時,其b*值趨于上升,硬度、脆度反而下降,脆片發黃,缺乏酥脆感。原因是裝載量增加,物料能吸收到的平均微波量減小,達到安全含水率6%所需干燥時間延長,從而造成脆片局部溫度過高,脆片產生局部發焦現象,慈姑脆片色澤偏黃色[21],而色澤是評價果蔬干燥產品品質的重要指標之一,且從實際生產上來看,慈姑脆片的硬度過高和過低都會影響其口感,酥脆性也差。綜合脆片的b*值、硬度和脆度三項指標,故選擇裝載量45、50、55 g進行響應面優化試驗為宜。

圖1 裝載量對慈姑脆片品質的影響Fig.1 Effect of loading on quality of arrowhead chips

2.1.2 切片厚度對慈姑脆片品質的影響 由圖2可知,微波干燥慈姑片時,脆片的硬度、脆度都隨著切片厚度的增加而增大,而其b*值在31.3～32.9范圍波動,脆片的色澤變化較不明顯,呈淡黃色,有光澤,在切片厚度為2.0 mm時,b*值最小,為+31.3,脆片的硬度1587.096 g,脆度1515.718 g,此時脆片色澤、酥脆性較好。切片厚度為1.0 mm時,厚度過薄,在護色、調味過程中容易破碎,影響脆片整體外觀。在切片厚度為5.0 mm時,但脆片的硬度與脆度達到最高值,分別為6000.471、4633.271 g。原因是隨著切片厚度的持續增大,物料內部的水分向外表面遷移的阻礙會增大,而物料內部主要靠熱傳導來升溫,物料厚,升溫速度慢,膨化不夠充分,導致脆片口感變硬且缺乏酥脆性[22]。慈姑脆片脆度值越小,脆片脆性程度越好,慈姑脆片的品質越優。綜合以上考慮,選擇切片厚度在1.5、2.0、2.5 mm進行響應面優化試驗為宜。

2.1.3 微波功率對慈姑脆片品質的影響 由圖3可知,微波干燥慈姑片時,慈姑脆片的硬度值和脆度值隨著微波功率的增大呈先上升后下降的趨勢,在微波功率為350 W時,其硬度值和脆度值最大。b*值隨著微波功率增大呈現先增大后減小的趨勢,在微波功率210 W時b*值最小,+28.1。在較低功率下的慈姑脆片色澤均勻,呈淡黃色;但在微波功率較高時,慈姑脆片色澤不均勻,中心呈焦黃色,有輕微的焦糊味,品質差。原因是微波功率越大,樣品的失水速率越快,脆片的內部水分分布不均勻,會導致樣品局部出現焦糊現象,從而影響脆片品質[21]。綜合以上三項指標,選擇微波功率210、280、350 W進行響應面優化試驗為宜。

圖3 微波功率對慈姑脆片品質的影響Fig.3 Effect of microwave power on quality of arrowhead chips

2.2 響應面優化試驗結果分析

在裝載量、切片厚度、微波功率這三個單因素試驗中,色澤b*指標變化不明顯,而硬度與脆度較為接近,因此,在響應面試驗選擇脆度作為主要考察指標。根據Box-Benhnken原理設計出三因素三水平的17個試驗組進行響應面優化分析試驗,響應面試驗設計與結果見表2。

用Design-Expert-8.0.6軟件對響應面優化試驗結果(表2)進行多元回歸擬合,最終得到關于裝載量、切片厚度、微波功率對慈姑脆片脆度的二次多項式回歸模型,并對模型進行方差分析。對各因素進行二次多項式回歸擬合后,得到二次多項式回歸方程:

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Design and results of response surface test

由表3的回歸方程系數顯著性檢驗可知,慈姑脆片的脆度與自變量之間的回歸關系達極顯著水平(P<0.01),失擬項P=0.6959不顯著,模型中的B、C、AC、B2、C2對響應值影響極顯著(P<0.01),A、A2對響應值的影響顯著(P<0.05),AB、BC對響應值的影響不顯著(P>0.05)。從表3可知,3個試驗因素(裝載量(A)、切片厚度(B)、微波功率(C))對慈姑脆片脆度的影響主次關系順序為:C>B>A,3個因素之間相互影響的主次關系順序為:AC>AB>BC。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

裝載量、切片厚度、微波功率3個因素在反應過程中的相互作用見圖4～圖6)。如果響應曲面的曲線走勢越陡,則表明兩個因素相互作用影響越顯著,如果響應曲面的曲線走勢越平滑,則表明兩個因素的相互作用影響較小[23-24];等高線為橢圓形表示兩因素交互作用顯著,而圓形則說明交互作用不顯著[25]。

由圖4可知,隨著切片厚度和裝載量的增加,慈姑脆片的脆度呈現先降低后上升的趨勢,在切片厚度不大于2.5 mm裝載量小于52.5 g時,脆度值低于1600 g,所以控制好切片厚度和裝載量,不宜過厚和過重,否則會增加產品的脆度值。

圖4 切片厚度與裝載量的響應曲面及等高線Fig.4 Response surface and contour line of loading and slice thickness

由圖5可知,微波功率逐漸降低,裝載量增加的過程中,慈姑脆片的脆度值是呈現先低水平后上升的趨勢,尤其裝載量的增加對產品的脆度影響較大,當微波功率在210～350 W,裝載量在50 g以下時,產品脆度值在較低范圍內。

圖5 微波功率和裝載量的響應曲面及等高線Fig.5 Response surface and contour line of loading and microwave power

由圖6可知,隨著微波功率的降低和切片厚度的增加,產品的脆度值也是先呈現先低水平后上升的趨勢,從響應曲面圖中可以看出,切片厚度對產品的脆度值影響最大,當微波功率在不大于280 W,切片厚度不大于2.4 mm時,慈姑脆片的脆度值在較低范圍內。

圖6 切片厚度和微波功率的響應曲面及等高線Fig.6 Response surface and contour line of slice thickness and microwave power

通過Design-Expert-8.0.6軟件對試驗數據進行分析,試驗優化目標為選出即食慈姑脆片微波加工的最優工藝,得出以下結論:裝載量51.425 g,切片厚度2.3895 mm,微波功率210.7 W,該方案模型預測的慈姑脆片脆度值為1896.17 g。根據實際情況進行修正后為:裝載量52 g,切片厚度2.4 mm,微波功率210 W,在此條件下進行驗證試驗得慈姑脆片脆度為1873.47 g,與預測的脆度值相差僅為1.2%。由此表明,采用響應面優化分析法得到的即食慈姑脆片微波加工工藝的參數具有可行性。

2.3 不同干燥方式的對比

在慈姑片前處理相同條件下,通過微波干燥、恒溫干燥、熱風聯合微波干燥和熱泵干燥方式對樣品進行處理,這四種干燥方式的慈姑脆片主要特性見表4。

表4 不同干燥處理的慈姑脆片主要特性Table 4 Main characteristics of Sagittaria crisptablets with different drying treatments

由表4可知,四種干燥方式加工慈姑脆片色澤比較,熱泵干燥的脆片b*值最大(38.57),樣品偏黃,色澤較深,而熱風聯合微波干燥和微波干燥的脆片b*值分別為30.02和30.06,色差沒有明顯差別,均為淡黃明亮,色澤均勻;四種干燥方式加工的慈姑脆片脆度值大小順序為:恒溫干燥(2799.32 g)>熱泵干燥(2444.54 g)>熱風聯合微波干燥(2079.81 g)>微波干燥(1897.13 g),脆度值在一定的范圍里,慈姑脆片脆度值越小,脆片酥脆程度越好,原因是恒溫干燥和熱泵干燥的脆片水分遷移慢,干燥時間長,影響脆片的色澤,增加其硬度;微波干燥由內向外的獨特加熱方式[26],水分蒸發快,時間短,樣品脆化效果好色澤保持最好。綜合四種干燥方式,微波干燥方式加工慈姑脆片主要特性比較優良。

3 結論

以慈姑片為原料,采用微波加工技術,在單因素試驗的基礎上,結合回歸模型的數學分析,通過響應曲面分析法優化即食慈姑脆片中脆度的微波加工工藝,得到滿足慈姑脆片脆度的最佳微波加工工藝參數:裝載量52 g、切片厚度2.4 mm、微波功率210 W。通過重復試驗對其進行驗證得到慈姑脆片脆度為1873.47 g,與預期值的慈姑脆片脆度1896.17 g僅相差為1.2%,表明該數學模型具有較高的可靠性,可用于即食慈姑脆片微波加工實際生產。