紫菜熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化及品質(zhì)分析

林鵬程，張鐘元，江 寧，李丹丹，韓永斌，陶 陽,

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇南京 210095；2.江蘇省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工所，江蘇南京 210014）

紫菜（Porphyra）是海洋中互生藻類的統(tǒng)稱，富含蛋白質(zhì)、多糖和碘、磷、鈣等微量元素，其中蛋白質(zhì)含量一般在25%~45%（以干基計）[1]，有“營養(yǎng)寶庫”的稱號。紫菜中含有的蛋白質(zhì)、多糖、多肽等活性物質(zhì)，具有免疫調(diào)節(jié)、降血脂、抗氧化等多種生理功能[2]。新鮮紫菜含水量高，營養(yǎng)豐富，極易引起微生物污染導(dǎo)致腐敗變質(zhì)，所以很難長時間保藏。對鮮紫菜進行干制處理能夠有效地延長紫菜的保藏期，也方便紫菜的包裝和運輸。

自然干燥和熱風(fēng)干燥是紫菜干燥常用的方法，自然干燥極易受環(huán)境和天氣的制約，很難保證干制品的衛(wèi)生與安全。熱風(fēng)干燥與自然干燥相比，能一定程度上縮短干燥時間，不再受環(huán)境與天氣的制約。但是熱風(fēng)干燥與微波干燥相比，干燥時間仍然較長并且存在能耗高、效率低、營養(yǎng)易損失等問題，而微波干燥能夠有效地彌補熱風(fēng)干燥的不足。微波干燥能在短時間內(nèi)就能達到良好的干燥效果，并且能夠有效地保留原料中的營養(yǎng)成分[3]。阮威威等[4]對紫菜微波干燥工藝進行研究得出，紫菜在300 W微波功率處理12 min后所得干紫菜感官評分較高，并且干燥時間較短，微波技術(shù)適用于紫菜干燥。

目前，熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于菠菜[5]、蘆筍[6]、芒果果脯[7]、柿子[8]、蓮藕[9]、山藥[10]、紅棗[11]、青花椒[12]等果蔬的干燥。例如，王順民等[5]采用先熱風(fēng)后微波的干燥方式干制菠菜，最終聯(lián)合干燥比單獨熱風(fēng)干燥時間縮短了約40%~50%，VC保留率提高了39.1%~44.3%。劉小丹等[11]采用先微波后熱風(fēng)的干燥方式干制紅棗，結(jié)果表明采用微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥所得到的紅棗中VC的保留率要高于單獨熱風(fēng)干燥，其干燥時間為熱風(fēng)干燥的80%，可以看出不同的熱風(fēng)微波聯(lián)合干燥方式都能起到保持果蔬干制品良好品質(zhì)，縮短干燥時間的作用，因此本研究考慮采用熱風(fēng)/微波聯(lián)合干燥對紫菜進行干制。

本論文采用微波-熱風(fēng)和熱風(fēng)-微波兩種聯(lián)合干燥方式干制紫菜，設(shè)置不同工藝參數(shù)建立試驗組合，研究兩種工藝對紫菜干燥總時間和紫菜蛋白質(zhì)、總糖含量的影響，并采用多項式或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，結(jié)合遺傳算法對干燥工藝進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上將兩種工藝進行對比，選擇滿足不同生產(chǎn)目標(biāo)下的最佳工藝條件，為紫菜生產(chǎn)加工提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫菜 福建省晉江市安海莊頭食品公司，質(zhì)地柔軟，顏色為墨綠色，多為長條狀，經(jīng)流水清洗表面雜質(zhì)，擦去表面多余的水分后置于4 ℃冰箱保藏；牛血清白蛋白 全組分，北京索萊寶科技有限公司；福林酚試劑、2,2’-聯(lián)氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS試劑） 上海瑞永生物科技有限公司；過硫酸鉀 分析純，西隴化工股份有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH試劑） 北京博奧拓達科技有限公司；其他試劑 均為國產(chǎn)分析純。

WBFY-201微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器 上海牧佐科學(xué)儀器有限公司；DHG-9030A電熱鼓風(fēng)干燥箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司；GL-20G-H冷凍離心機上海安亭科學(xué)儀器廠；SCILOGEX MX-S可調(diào)式混勻渦旋儀 上海珂淮儀器有限公司；pH計 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；UV-5100B型紫外可見分光光度計 上海元析儀器有限公司；HH-S系列數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州萬達升實驗儀器有限公司；電子天平 慈溪市華徐衡器實業(yè)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 干燥預(yù)處理 取出4 ℃冰箱保存48 h之內(nèi)的新鮮紫菜，置于85 ℃水浴鍋中熱燙30 s[13]，輕輕地用吸水紙擦掉表面多余的水分，然后用于干燥處理。

1.2.2 熱風(fēng)干燥 準(zhǔn)確稱取50 g經(jīng)過預(yù)處理的鮮紫菜平鋪于玻璃培養(yǎng)皿中，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行熱風(fēng)干燥，根據(jù)紫菜熱風(fēng)干燥預(yù)實驗結(jié)果，進口處熱風(fēng)溫度設(shè)為45、55、65 ℃，干燥過程中每隔一定時間進行稱重，直至達到干燥終點停止干燥，干燥終點設(shè)為紫菜干基含水量降為0.1 g/g DM。

1.2.3 微波干燥 參考阮威威等[4]紫菜微波干燥實驗結(jié)果，準(zhǔn)確稱取50 g經(jīng)過預(yù)處理的鮮紫菜平鋪于玻璃培養(yǎng)皿中，分別置于80、240、400 W的微波功率下干燥，微波化學(xué)反應(yīng)器工作模式為30 s開、15 s關(guān)。干燥過程中每隔一定時間進行稱重，直至達到干燥終點停止干燥，干燥終點設(shè)為紫菜干基含水量降為0.1 g/g DM。

1.2.4 微波/熱風(fēng)兩步法干燥工藝

1.2.4.1 微波干燥（先）+熱風(fēng)干燥（后） 準(zhǔn)確稱取50 g經(jīng)過預(yù)處理的鮮紫菜平鋪于玻璃培養(yǎng)皿中，置于微波化學(xué)反應(yīng)器中，分別在不同的微波功率下進行干燥，微波化學(xué)反應(yīng)器額定功率100%為800 W，工作模式為30 s開、15 s關(guān)，微波處理達到預(yù)設(shè)時間后將樣品轉(zhuǎn)移至電熱鼓風(fēng)干燥箱進行熱風(fēng)處理，分別在不同的溫度下進行干燥，直至到達干燥終點。利用Design-Expert軟件中的Central Composite Design（CCD）對微波功率、微波時間和熱風(fēng)溫度三個因素進行組合，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果和設(shè)備參數(shù)，微波功率的選擇為80、240、400 W（對應(yīng)功率百分比10%、30%、50%），微波時間的選擇為3、6、9 min，熱風(fēng)溫度的選擇為45、55、65 ℃。干燥過程中每隔一定時間進行稱重，干燥結(jié)束后記錄干燥所需的總時間，并收集樣品進行品質(zhì)分析。

1.2.4.2 熱風(fēng)干燥（先）+微波干燥（后） 準(zhǔn)確稱取50 g經(jīng)過預(yù)處理的鮮紫菜平鋪于玻璃培養(yǎng)皿中，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，分別在不同熱風(fēng)溫度下進行干燥，每隔一定時間進行稱重，熱風(fēng)處理達到預(yù)設(shè)時間后將樣品轉(zhuǎn)移至微波化學(xué)反應(yīng)器中進行微波處理，分別在不同的微波功率下進行干燥，直至到達干燥終點。利用Design-Expert軟件中的Central Composite Design（CCD）對熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)時間和微波功率三個因素進行組合，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果和設(shè)備參數(shù)，熱風(fēng)溫度的選擇為45、55、65 ℃，熱風(fēng)時間的選擇為1、2、3 h，微波功率的選擇為80、240、400 W（對應(yīng)功率百分比10%、30%、50%）。干燥結(jié)束后記錄干燥所需的總時間，并收集樣品進行品質(zhì)分析。

1.2.5 品質(zhì)分析

1.2.5.1 蛋白和多糖提取方法 參考Vernès等[14]的方法，并稍作改動。準(zhǔn)確稱取0.5 g紫菜樣品于研缽中，按照固液比1:80 g/mL添加0.2 mol/L、pH7.0的磷酸鈉緩沖液，充分研磨后轉(zhuǎn)移到離心管中，并用10 mL磷酸鈉緩沖液清洗研缽后將液體一并移入離心管中，置于25 ℃水浴振蕩搖床中提取1 h，然后以8000 r/min離心15 min后收集上清液，將殘渣與10 mL磷酸鈉緩沖液混合后重復(fù)上述提取過程，合并兩次提取的上清液，記錄體積用于后續(xù)的蛋白和總糖含量測定。

1.2.5.2 蛋白含量測定 參考文獻[15?16]采用Lowry法進行測定蛋白質(zhì)含量，并稍作改動。取1 mL稀釋樣液于離心管中，迅速加入5 mL Lowry試劑，立即渦旋混合30 s，室溫下避光溫育10 min后，加入0.5 mL福林酚試劑（1 mol/L）渦旋混合30 s，繼續(xù)在室溫下避光溫育30 min后，測定樣品在750 nm下的吸光度。以牛血清白蛋白（BSA）為標(biāo)準(zhǔn)物制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線確定稀釋樣液中蛋白濃度，不同紫菜干樣中蛋白含量計算方法如下：

式中：c1為稀釋樣液中蛋白質(zhì)含量，mg/mL；n1為稀釋倍數(shù)；V1為紫菜提取液的總體積，mL；m1為干紫菜對應(yīng)絕干紫菜的質(zhì)量，g。

1.2.5.3 總糖含量測定 采用蒽酮-硫酸法[17]，取1 mL稀釋樣液于離心管中，加入4 mL蒽酮-硫酸試劑后混勻，迅速置于冰水浴中冷卻到室溫，然后浸于沸水浴中加熱10 min，取出后置于冰水浴中冷卻10 min，然后在620 nm波長下測定吸光度。以無水葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線確定稀釋樣液中對應(yīng)葡萄糖濃度，最后計算總糖含量以葡萄糖當(dāng)量表示，計算方法如下：

式中：c2為稀釋樣液中總糖含量，μg/mL；n2為稀釋倍數(shù)；V2為紫菜提取液的總體積，mL；m2為紫菜干物質(zhì)含量，g。

1.2.5.4 ABTS+自由基清除能力 參考Roberta等[18]研究方法，將ABTS試劑與過硫酸鉀分別溶解于水后，按1:1混合制成儲備液（終濃度分別為7與2.45 mmol/L），25 ℃下避光靜置16 h。測定時，儲備液用0.2 mol/L，pH7.0的磷酸鈉緩沖液稀釋至734 nm處吸光值為0.70±0.02將其作為測定液。取0.2 mL紫菜提取液與3.8 mL測定液混合，室溫避光靜置6 min后測定734 nm處吸光值，以添加0.2 mL磷酸鈉緩沖液的樣品作為空白，在此基礎(chǔ)上計算ABTS+自由基清除能力，ABTS+自由基清除能力計算方法如下：

式中：A0為磷酸鈉緩沖液和ABTS混合后的樣液吸光度；Ai為紫菜提取液和ABTS混合后的樣液吸光度。在此基礎(chǔ)上，選用Trolox（水溶性VE）作為標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，紫菜ABTS+自由基清除能力表示為mg VE/g DM。

1.2.5.5 DPPH自由基清除 參照Shimada等[19]的方法并稍做修改，取0.5 mL的紫菜提取液于離心管中，依次加入2.5 mL DPPH無水乙醇溶液（0.2 mmol/L）、2 mL超純水，混合均勻后于30 ℃避光反應(yīng)30 min，結(jié)束后測定517 nm吸光值，并計算清除率：

式中：A0為對照實驗（無水乙醇代替樣品）吸光值；A1為樣品實驗吸光值；A2為樣品干擾實驗（無水乙醇代替DPPH溶液）吸光值。選用VC作為標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，紫菜DPPH自由基清除能力表示為mg VC/g DM。

1.2.5.6 復(fù)水性 采用Marabi等[20]的方法并稍作修改，將0.1 g干紫菜浸沒于200 mL蒸餾水，水溫保持在85±1 ℃，定期從水中取出樣品并輕輕擦干表面水分后稱重，重復(fù)操作，直至前后兩次稱重質(zhì)量相差不超過0.002 g，即表明復(fù)水達到平衡。復(fù)水比R計算公式如下：

式中：Mt為某一時刻紫菜的復(fù)水質(zhì)量，g；M0為稱取的干紫菜的質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)三次，利用Microsoft Excel進行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制，采用Design-Expert構(gòu)建響應(yīng)曲面模型，采用Matlab構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，最后利用Matlab對不同的模型進行遺傳算法優(yōu)化，利用IBM SPSS 23對數(shù)據(jù)進行單因素ANOVA檢驗與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對紫菜干燥特性的影響

前期研究表明，在熱風(fēng)干燥過程中，熱風(fēng)溫度越高，紫菜失水速率越快，所需干燥時間越短。50 g新鮮紫菜干基含水量在45、55、65 ℃熱風(fēng)干燥條件下降到0.1 g/g DM，所需的時間分別為890、490、420 min。同時，紫菜微波干燥中微波功率越高，所需要的干燥時間越短，在80、240、400 W微波功率下紫菜干燥所需要的時間分別為124、18.5、10 min。因此，選擇55 ℃單獨熱風(fēng)干燥和240 W單獨微波干燥作為參考，比較微波/熱風(fēng)兩步干燥紫菜的干燥特性。

紫菜單獨熱風(fēng)干燥、單獨微波干燥、先微波后熱風(fēng)干燥、先熱風(fēng)后微波干燥的干燥曲線見圖1。由圖1可知，微波干燥過程中水分含量下降速率明顯高于熱風(fēng)干燥，同時熱風(fēng)/微波兩步干燥過程中水分下降規(guī)律出現(xiàn)明顯拐點。分別采用單獨熱風(fēng)干燥、單獨微波干燥、先微波干燥后熱風(fēng)干燥、先熱風(fēng)后微波干燥的干燥方式使紫菜含水量下降至0.1 g/g DM，所需的時間分別為490、18.5、176、129.5 min，與單獨采用55 ℃熱風(fēng)干燥相比，兩種聯(lián)合干燥方式都能不同程度縮短紫菜干燥總時間，熱風(fēng)-微波干燥時間縮短了73.6%，微波-熱風(fēng)干燥時間縮短了64.1%。

圖1 不同干燥方式下紫菜干燥動力學(xué)曲線Fig.1 Drying kinetic curve of Porphyra under different drying methods

圖2 為不同干燥方式下的紫菜干燥速率曲線。由圖2可知，單獨采用55 ℃熱風(fēng)干燥紫菜的過程中，紫菜干燥速率在干燥初期出現(xiàn)短暫上升后很快呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，這與曹曄等[21]對西藍花干燥特性研究的結(jié)果相吻合。單獨采用240 W微波干燥過程中，在干燥前期紫菜干燥速率迅速升高到最大值（4.8 g H2O/min），并在干燥4~8 min內(nèi)保持不變。微波干燥的后期，紫菜中水分含量較低，干燥速率逐漸下降進入降速干燥階段。在先微波后熱風(fēng)的干燥過程中，微波干燥階段干燥速率迅速上升，并保持較高的水平（4.1~4.6 g H2O/min），微波處理6 min后采用熱風(fēng)干燥，干燥速率顯著降低，干燥結(jié)束前干燥速率一直呈下降趨勢，這也與單獨熱風(fēng)干燥過程干燥速率變化規(guī)律相吻合。在先熱風(fēng)后微波的干燥過程中，熱風(fēng)干燥階段前10 min干燥速率短時間增加，而到了后期不斷下降，熱風(fēng)干燥2 h后進行微波干燥，干燥速率顯著提高至峰值（3.9 g H2O/min），然后不斷下降。微波能提高干燥速率的原因主要是微波干燥作為一種熱加工方式，能夠使物料內(nèi)部迅速升溫，提高水分子在紫菜中的擴散和移動速率，進而加快水分的移動和蒸發(fā)，從而有效提高干燥效率[22]。而熱風(fēng)干燥主要停留在降速干燥階段，在此階段水分在物料內(nèi)部的擴散速率要低于表面水分的蒸發(fā)速率，因此熱風(fēng)干燥速率要遠低于微波干燥，李順峰等[23]也發(fā)現(xiàn)了熱風(fēng)干燥芹菜的過程中主要以減速階段為主。

圖2 不同干燥方式下紫菜干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curve of Porphyra under different drying methods

2.2 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥工藝優(yōu)化

結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，采用響應(yīng)曲面法構(gòu)建關(guān)于紫菜干燥總時間、蛋白含量和總糖含量的二次多項式回歸模型，對表2中的模型進行方差分析。由表3可知，關(guān)于干燥總時間、蛋白含量和總糖含量的二次多項式模型P值均小于0.05，模型具有顯著性，其中關(guān)于干燥總時間的模型極顯著（P<0.01）。

表2 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥條件下關(guān)于紫菜干燥總時間、蛋白含量和總糖含量的二次多項式模型Table 2 Quadratic polynomial models to predict total drying time, contents of protein and total sugar in Porphyra dried under sequential microwave drying(first) and hot air drying(later)

表3 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥條件下關(guān)于紫菜干燥總時間、蛋白含量和總糖含量的二次多項式模型方差分析結(jié)果Table 3 Model variance analysis of the models to predict total drying time, contents of protein and total sugar in Porphyra dried under sequential microwave drying(first) and hot air drying(later)

同時，三個模型決定系數(shù)R2分別為0.9600、0.9160、0.9126，均大于0.9，結(jié)合表4中三個模型的失擬項顯著性的P值分別為0.0658、0.5826、0.5289均大于0.05，表明失擬項相對于絕對誤差不顯著，同時對照表1中干燥總時間、蛋白以及總糖含量的預(yù)測值和實驗值，兩者之間的差距較小，以上結(jié)果均表明三個模型具有較高的擬合度，模型可信性較高。

表1 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥的中心組合設(shè)計以及結(jié)果的實驗值和預(yù)測值Table 1 Central composite design, experimental and predicted results of sequential microwave drying(first) and hot air drying(later)

進一步由表4可知，方差分析中一次項微波功率對紫菜干燥總時間、總糖含量影響極顯著（P<0.01），而對蛋白含量的影響不顯著（P>0.05），微波干燥能夠在短時間蒸發(fā)掉紫菜中大部分水，當(dāng)后期熱風(fēng)干燥溫度一定時，前期微波功率越高，干燥速率越快，最終干燥總時間就越短。Varith等[24]研究微波與熱風(fēng)聯(lián)合干燥去皮龍眼，微波功率也對其干燥時間有顯著影響。同時，較高的微波功率能夠短時間使物料快速升溫，通過改變物料結(jié)構(gòu)影響糖提取率，并可能促進紫菜中大分子的多糖分解，進而對紫菜干制品總糖含量產(chǎn)生顯著影響，許小向等[25]研究微波提取松針多糖中發(fā)現(xiàn)微波處理會對多糖含量產(chǎn)生顯著影響。另一方面，微波時間對紫菜干燥總時間、蛋白含量、總糖含量的影響均不顯著（P>0.05），可能是因為微波（先）+熱風(fēng)（后）聯(lián)合干燥過程中微波處理時間較短而熱風(fēng)干燥時間較長，微波干燥階段所用的時間在干燥總時間中所占比例較小，因此未對干燥總時間產(chǎn)生較大的影響。熱風(fēng)溫度對干燥總時間和蛋白含量的影響顯著（P<0.05），其中熱風(fēng)溫度對干燥總時間的影響極顯著（P<0.01），熱風(fēng)溫度可影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，高溫下紫菜中的蛋白質(zhì)容易變性，進而影響干紫菜中蛋白質(zhì)含量。蘇倩倩等[26]研究不同干燥方式對香菇品質(zhì)的影響，同樣發(fā)現(xiàn)溫度對香菇中蛋白質(zhì)含量影響顯著。

表4 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥條件下不同變量對干燥總時間、蛋白含量和總糖含量影響顯著性P值Table 4 P values about the influences of different variables on total drying time, protein and total sugar contents under sequential microwave drying(first) and hot air drying(later)

此外，二次項中微波功率對干燥總時間和蛋白含量的影響是極顯著的（P<0.01），微波功率與熱風(fēng)溫度的交互作用對干燥總時間的影響是極顯著的（P<0.01），除此之外其它因素對干燥總時間、蛋白和總糖含量的影響均不顯著（P>0.05）。熱風(fēng)溫度與微波功率的交互作用如圖3，由圖3可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度一定時，微波功率越高，干燥時間越短。當(dāng)微波功率一定時，熱風(fēng)溫度越高，干燥總時間越短。

圖3 微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥過程中微波功率與熱風(fēng)溫度交互作用對干燥總時間影響的3D響應(yīng)曲面圖Fig.3 3D response surface plot about the interaction between microwave power and hot air temperature on total drying time under sequential microwave drying and hot air drying

在響應(yīng)曲面模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法對干燥總時間、蛋白含量、總糖含量的二次多項式模型進行優(yōu)化。由圖4可知，遺傳算法分別經(jīng)過51、54、和52代遺傳后，得到了模型的極值，所對應(yīng)的自變量即為微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥的最優(yōu)工藝。由表5可知，在先微波后熱風(fēng)干燥過程中，鮮紫菜在400 W微波功率下干燥9 min后轉(zhuǎn)移到63 ℃熱風(fēng)條件下干燥至終點，此工藝條件下紫菜干燥總時間最短，干燥總時間預(yù)測值為123.0 min，實驗值為120.5±3.6 min，預(yù)測值與實際值接近，與表1中的20組實驗結(jié)果相比，干燥總時間也是最短的，達到了優(yōu)化的目標(biāo)，主要是因為在較高微波功率下進行短時間的微波處理能在短時間內(nèi)脫去紫菜中大部分水分，然后在較高的熱風(fēng)溫度條件下繼續(xù)干燥至終點，能夠有效地縮短干燥總時間，與Karimi等[27]采用微波與熱風(fēng)聯(lián)合干燥黃金茄的干燥動力學(xué)研究結(jié)果類似。

表5 不同干燥方式下紫菜最優(yōu)干燥條件以及優(yōu)化指標(biāo)的預(yù)測值與實驗值Table 5 Optimal conditions for Porphyra drying and the comparison between experimental and predicted responses

圖4 不同干燥工藝條件下基因遺傳算法優(yōu)化的干燥總時間、蛋白和總糖含量傳代結(jié)果圖Fig.4 Genetic algorithm optimization of drying time, protein and total sugar content under different drying conditions

同時，微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥過程中，紫菜在400 W微波功率下干燥9 min后轉(zhuǎn)移到45 ℃熱風(fēng)條件下干燥至終點，在該工藝條件下所得到的干紫菜中蛋白和總糖含量與表1中蛋白和總糖含量的數(shù)據(jù)相比仍然是最高的，預(yù)測的蛋白和總糖含量分別為62.28 mg/g DM和108.6 mg/g DM，實驗值分別為54.76±0.88 mg/g DM和102.74±3.27 mg/g DM，總糖含量實驗值與預(yù)測值接近，但是蛋白含量實驗值與預(yù)測值存在著一定的差距，主要是因為紫菜中蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性較差，在干燥過程中發(fā)生變性而損失。

2.3 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥工藝優(yōu)化

采用中心組合法對熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥工藝進行設(shè)計，考察熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)時間和微波功率對干燥總時間、干紫菜中蛋白和總糖含量的影響，結(jié)合表6 中的數(shù)據(jù)，采用響應(yīng)曲面法進行模型的構(gòu)建。通過表7~表8可知，關(guān)于干燥總時間的多項式模型是極顯著的（P<0.01），失擬項不顯著（P>0.05），R2為0.9940，因此可以說明干燥總時間的模型擬合度較高，其二次多項式回歸模型方程為：

表6 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥的中心組合設(shè)計以及結(jié)果的實驗值和預(yù)測值Table 6 Central composite design, experimental and predicted results of sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

表7 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥條件下關(guān)于干燥總時間、蛋白含量和總糖含量的二次多項式模型方差分析結(jié)果Table 7 Model variance analysis of the models to predict total drying time, contents of protein and total sugar dried under sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

Y4=352.54?4.70A+38.55B?8.64C+0.15AB+0.04AC+0.22BC+0.02A2+0.02B2+0.07C2，其中A、B、C分別代表熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)時間、微波功率。

此外，關(guān)于蛋白和總糖含量的二次多項式模型P值均大于0.38，兩個模型均不顯著，且R2均小于0.55，表明熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥過程中蛋白含量和總糖含量呈現(xiàn)非線性變化。

進一步由表8可知，關(guān)于干燥總時間的模型中，一次項中熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)時間、微波功率對紫菜干燥總時間的影響均是極顯著的（P<0.01），前期關(guān)于熱風(fēng)干燥和微波干燥的單因素試驗中熱風(fēng)溫度和微波功率對干燥總時間的影響顯著（數(shù)據(jù)未展示），而熱風(fēng)時間對干燥總時間影響顯著主要是因為與熱風(fēng)干燥相比，微波干燥可有效縮短干燥時間，若縮短熱風(fēng)干燥階段的時間，盡快進入微波干燥階段，能夠有效地縮短干燥總時間。二次項中微波功率以及熱風(fēng)溫度與微波功率的交互作用對干燥總時間影響極顯著（P<0.01），熱風(fēng)溫度與微波功率的交互作用和熱風(fēng)時間與微波功率的交互作用對干燥總時間影響的響應(yīng)曲面圖見圖5，由圖5可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度一定時，微波功率越高，干燥時間越短。當(dāng)微波功率一定時，熱風(fēng)溫度越高，所需的干燥時間越短。熱風(fēng)時間與微波功率的交互作用對干燥總時間的影響也顯著（P<0.05），微波功率一定，熱風(fēng)時間越短，干燥總時間越短。熱風(fēng)時間一定，微波功率越高，干燥時間越短。

表8 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥條件下不同變量對干燥總時間影響顯著性的P值Table 8 P value about the influences of different variables on the total drying time under sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

圖5 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥中熱風(fēng)溫度與微波功率的交互作用和熱風(fēng)時間與微波功率的交互作用對紫菜干燥總時間影響的3D響應(yīng)曲面圖Fig.5 3D response surface plot about the interaction between hot air temperature and microwave power and the interaction between hot air time and microwave power on the total drying time under sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

進一步采用遺傳算法優(yōu)化熱風(fēng)（先）+微波（后）聯(lián)合干燥紫菜過程中關(guān)于干燥總時間的二次多項式模型，由圖4可知，經(jīng)遺傳算法傳代運算55代后，干燥總時間模型的值最小，對應(yīng)的最優(yōu)工藝條件見表5。熱風(fēng)（先）+微波（后）聯(lián)合干燥紫菜過程中，首先在65 ℃熱風(fēng)條件下干燥1 h后，轉(zhuǎn)移到240 W微波功率下微波干燥至終點，整個過程所需要的干燥時間是最短的，干燥總時間的預(yù)測值為61.2 min，實驗值為62.5±1.4 min，實驗值與預(yù)測值接近，與上表2中干燥總時間的數(shù)據(jù)相比，優(yōu)化后干燥總時間仍然是最短的。李湘利等[28]采用相同的微波熱風(fēng)組合干燥方式干制香椿，發(fā)現(xiàn)設(shè)置一定的熱風(fēng)溫度和微波功率也可縮短香椿干燥總時間。

此外，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬熱風(fēng)（先）+微波（后）聯(lián)合干燥紫菜過程中不同干燥參數(shù)對紫菜蛋白和總糖含量的影響，并采用Full-cross validation驗證模型精度，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)見圖6。由圖可知，兩個模型結(jié)構(gòu)相似，均只含有一個隱藏層，區(qū)別在于隱藏層神經(jīng)元的個數(shù)，關(guān)于蛋白的模型隱藏層中有20個神經(jīng)元，關(guān)于總糖的模型隱藏層中有10個神經(jīng)元，兩個模型中隱藏層神經(jīng)元的函數(shù)均為tansig，輸出層神經(jīng)元的函數(shù)均為purelin。由表9可知，兩個模型中訓(xùn)練集和驗證集的R2均大于0.80，訓(xùn)練集和驗證集的RMSE均小于5 mg/g DM，表明所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型魯棒性較強。

圖6 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥條件下關(guān)于紫菜蛋白和總糖含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Neural network construction diagram to predict the contents of protein and total sugar in Porphyra under sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

表9 熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥條件下關(guān)于蛋白含量和總糖含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度分析Table 9 Accuracy analysis of neural network model to predict protein and total sugar content in Porphyra under sequential hot air drying(first) and microwave drying(later)

進一步將先熱風(fēng)后微波干燥中所得到的關(guān)于紫菜蛋白和總糖含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別采用遺傳算法進行優(yōu)化，蛋白和總糖含量的模型分別經(jīng)過51和52代遺傳后，得到了干紫菜蛋白和總糖含量最高時對應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)，見表5。紫菜在48 ℃熱風(fēng)條件下干燥3 h后轉(zhuǎn)移到240 W微波功率下微波干燥至終點，此時干紫菜中蛋白含量最高，在該工藝條件下干紫菜中蛋白含量預(yù)測值為79.03 mg/g DM，實驗值為68.82±1.46 mg/g DM，兩者偏差較小。同時，在65 ℃熱風(fēng)條件下干燥2 h后，轉(zhuǎn)移到240 W微波干燥至終點，干紫菜的總糖含量最高，且預(yù)測值（136.07 mg/g DM）與實驗值（124.72±7.17 mg/g DM）接近。

2.4 干紫菜品質(zhì)分析

由表10可知，不同干燥工藝所得到的干紫菜的品質(zhì)與鮮紫菜相比均出現(xiàn)不同程度的下降，其中蛋白質(zhì)損失相對較高。對比優(yōu)化后的兩種干燥方式下干紫菜樣品中蛋白質(zhì)含量，熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥所得干紫菜中蛋白質(zhì)保留率（92.3%）要高于微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥所得到的干紫菜（73.5%）。另一方面，紫菜中糖類物質(zhì)相對比較穩(wěn)定，五組干紫菜中總糖含量均保持在較高的水平，保留率均超過76%。在體外抗氧化活性上，五組干紫菜樣品的ABTS和DPPH自由基清除能力均低于鮮樣，主要是因為干燥處理會使紫菜中部分蛋白質(zhì)和少量酚類物質(zhì)變性而被破壞，從而導(dǎo)致其抗氧化活性降低[29]。

表10 不同優(yōu)化干燥工藝下干紫菜樣品品質(zhì)分析Table 10 Quality analysis results of different dried Porphyra samples

復(fù)水性是評價干制品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，以優(yōu)化的五組干燥工藝所得干紫菜為研究對象，分析干紫菜的復(fù)水特性，由圖7可知，在復(fù)水過程的前10 min干紫菜中水分含量較低，干紫菜迅速吸水膨脹，48 ℃熱風(fēng)干燥3 h后轉(zhuǎn)移到240 W微波條件下微波干燥所得到的干紫菜吸水速度明顯高于其他四組樣品，與D、E兩組相比，B組熱風(fēng)溫度較高，溫度越高，所得到的干紫菜復(fù)水速率越快，而A、C兩組熱風(fēng)溫度要遠高于B組，溫度過高也會導(dǎo)致物料內(nèi)部的細胞和毛細管萎縮，反而使其復(fù)水速率降低，其恢復(fù)到原來狀態(tài)的能力越小[30]，在復(fù)水10~12 min內(nèi)干紫菜吸水速度緩慢，逐漸到達吸水平衡狀態(tài)。五組干紫菜樣品最終的復(fù)水比均在11~15范圍內(nèi)，不存在較大的差異。綜上，熱風(fēng)（先）+微波（后）干燥所得干紫菜在蛋白含量、總糖含量以及抗氧化活性方面要優(yōu)于微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥所得到的干紫菜。

圖7 不同干燥條件制得的干紫菜復(fù)水動力學(xué)Fig.7 Rehydration kinetics of Porphyra dried by different methods

3 結(jié)論

本文采用微波（先）+熱風(fēng)（后）和熱風(fēng)（先）+微波（后）兩種方式干制紫菜，并采用二次多項式（或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）擬合結(jié)合遺傳算法優(yōu)化了紫菜干燥工藝。從干燥總時間、干紫菜的蛋白含量、總糖含量、ABTS自由基清除能力、DPPH自由基清除能力和復(fù)水比六個方面對比了兩種聯(lián)合干燥方式，發(fā)現(xiàn)采用熱風(fēng)（先）+微波（后）的方式干燥紫菜能更加有效地縮短干燥時間，所得到的干紫菜品質(zhì)要優(yōu)于微波（先）+熱風(fēng)（后）干燥所得到的干紫菜。鮮紫菜在65 ℃熱風(fēng)干燥1 h后進行400 W微波干燥，所需的總時間最短（62.5±1.4 min）；鮮紫菜在48 ℃熱風(fēng)干燥3 h后轉(zhuǎn)移到240 W微波功率下干燥所得到的干紫菜中蛋白含量最高，蛋白保留率為92.3%；鮮紫菜在65 ℃熱風(fēng)干燥1 h后轉(zhuǎn)移到400 W微波功率下干燥所得到的干紫菜中總糖含量最高，總糖保留率為96.9%。本研究拓寬了紫菜快速干燥方法，為高品質(zhì)紫菜干制品的生產(chǎn)提供了新思路。