響應面法優(yōu)化蕪菁微波脈動壓差干燥工藝

魯暢，白羽嘉，黃婷婷，付文欠，馮作山

新疆農(nóng)業(yè)大學食品科學與藥學學院（烏魯木齊 830052）

蕪青，是十字花科蕓苔屬2年生草本植物，多種植在我國新疆及西藏地區(qū)[1]，含有大量對人體有益的營養(yǎng)成分及活性物質(zhì)，且富含多種礦物質(zhì)元素和有機生物堿，是一種藥食同源的植物[2-4]。由于在經(jīng)過長時間的存放之后會導致蕪菁所含水分及營養(yǎng)成分流失，且運輸成本較高，因此為擴大其對外市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需要對蕪菁進行加工，從而減少其營養(yǎng)成分的流失，提高其貯藏時間。微波脈動壓差干燥技術將微波加熱技術與壓差膨化干燥技術[5]相結合，利用微波能為物料干燥提供熱源，克服熱傳導速率慢的缺點[6]，真空環(huán)境能夠讓物料處于較低的溫度下進行干燥，可以很好地保留物料中的營養(yǎng)成分，同時膨化作用能使物料保持較好的形狀而不至于在干燥過程中塌陷，在縮短干燥時間的同時，提高干燥的效率及干制品的品質(zhì)。

國內(nèi)外對蕪菁的研究都主要集中在其活性物質(zhì)的提取及在醫(yī)學上的應用，對其加工方面的研究較少。其中，高琦等[7-8]通過比較不同干燥方式對蕪菁脆片物理性質(zhì)、營養(yǎng)成分、微觀結構等的影響，尋找最優(yōu)的蕪菁脆片干燥方式；干燥方式綜合評價結果為真空冷凍干燥＞變溫壓差膨化干燥＞紅外干燥＞熱風干燥。但真空冷凍干燥設備及加工過程花費較高，生產(chǎn)周期較長，因此變溫壓差膨化干燥為蕪菁脆片的最適加工方式；使用主成分分析法探究4種不同干燥方式下的蕪菁脆片的香氣成分變化，從而對不同干燥方式下蕪菁脆片品質(zhì)的進行區(qū)分，這為研究干燥方式對蕪菁品質(zhì)影響以及其干制加工提供依據(jù)。徐庚等[9]以蕪菁為試驗原料，研究不同干燥工藝對蕪菁干燥持續(xù)時間、色澤、感官評價及能耗的影響，為蕪菁較優(yōu)的干燥工藝提供依據(jù)。

本試驗采取微波脈動壓差組合干燥對蕪菁進行干燥，研究不同因素對干制品復水性的影響，采用響應面法對其微波脈動壓差組合干燥條件進行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。從而為蕪菁大規(guī)模干制和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論基礎和技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蕪菁購買于新疆農(nóng)業(yè)大學附近蔬菜店，根據(jù)GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測定》方法[10]，測得所購蕪菁的初始含水率分別為91.61%±0.26%（濕基）。

將新鮮蕪菁切成4.0 cm×2.0 cm×0.5 cm大小的塊狀，并經(jīng)過3 min熱燙處理，將表面水分晾干后，稱重裝盤。

1.2 試驗方法

1.2.1 單一真空度的干燥試驗

通過控制微波功率密度和微波火力不變，并將其分別設定為4.0 W/g和60%，改變緩沖罐的真空度，將緩沖罐真空度分別設置為300，400，500，600和700 Pa。每20 min對物料稱量1次，記錄并計算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個真空度下做3組平行。

1.2.2 單一微波火力的干燥試驗

通過控制緩沖罐真空度以及微波功率密度不變，并將其分別設定為500 Pa和4.0 W/g。改變其微波火力，將微波火力分別設置為20%，40%，60%，80%和100%。每20 min對物料稱量一次，記錄并計算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個火力下做3組平行。

1.2.3 單一微波功率密度的干燥試驗

通過控制緩沖罐真空度及微波火力不變，并將其分別設定為500 Pa和60%，改變其微波功率密度，將其功率密度分別設置為2.0，3.0，4.0，5.0和6.0 W/g。每20 min對物料稱量一次，記錄并計算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個微波功率下做3組平行。微波功率密度是單位質(zhì)量的平均微波功率[11]，按式（1）計算。

式中：PD為微波功率密度，W/g；P為微波功率，W；m為初始物料質(zhì)量，g。

1.2.4 響應面優(yōu)化試驗設計

以真空度、微波火力及微波功率密度為因素，試驗因素水平由其單一真空度、微波火力和微波功率密度干燥試驗確定。進行響應面試驗分析，比較其色澤及復水效果，確定最佳干燥條件。試驗因素水平設計見表1。

表1 因素水平編碼表

1.2.5 指標測定

1.2.5.1 色差

色澤是對干制品品質(zhì)的重要評測指標之一。在試驗中，通過使用色差儀來對蕪菁的L、a、b值進行測定，并通過計算得到其色差值ΔE，用ΔE對其色澤進行評測[12]。對每個干燥條件下的干制品隨機選取3點進行測定其L、a、b值，取其平均值。色差值按式（2）計算。

式中：ΔE為色差值；ΔL為偏向黑白值；Δa為偏向紅綠值；Δb為偏向黃藍值。

1.2.5.2 復水比測定

稱取一定質(zhì)量的干燥后的蕪菁脆片，將其放入40 ℃恒溫蒸餾水中復水30 min，取出將其表面水分瀝干20 min，對樣品復水后的質(zhì)量進行稱重[13]。產(chǎn)品復水比按式（3）計算。

式中：RR為復水比；Mf為產(chǎn)品復水瀝干后質(zhì)量，g；Mg為復水前產(chǎn)品質(zhì)量，g。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Design Expert 8.0.6.1、SPSS 20和Origin 8.5軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 不同干燥因素對色澤的影響

2.1.1 真空度對色澤的影響

由圖1可知，微波功率密度4.0 W/g、微波火力60%、真空度300～700 Pa時，隨著真空度增大，也即真空壓力降低，其色差值不斷增大。分析其可能的原因是：一是隨著干燥環(huán)境中的真空度不斷提高，該干燥環(huán)境中氧氣含量也不斷增加，使得蕪菁中所含色素和酶被氧化概率大幅增加，從而使得蕪菁色差值不斷增加；二是隨著真空度不斷升高，水的沸點溫度也在增加，從而提高水分的蒸發(fā)溫度，減緩蕪菁中水分的蒸發(fā)速率，增加其干燥時間，并且提高干燥環(huán)境溫度，不利于蕪菁保持其原有色澤。

圖1 不同真空度對蕪菁色澤變化的影響

2.1.2 微波火力對色澤的影響

由圖2可知，真空度500 Pa、微波功率密度4.0 W/g、微波火力20%～100%時，隨著微波火力不斷增加，干燥后的蕪菁脆片色差值呈先降低后增加趨勢。分析其可能的原因是：一是在較低的微波火力條件下，蕪菁干燥時間較長，使得蕪菁中所含的色素和酶與干燥環(huán)境中所殘留的氧氣接觸的時間增加，從而使得其色差值在該干燥條件下隨著微波火力不斷增加，色差值不斷降低，有利于蕪菁色澤的保持；二是在較高的微波火力條件下，由于微波火力不斷增加，使得干燥環(huán)境中的溫度不斷升高，蕪菁出現(xiàn)不同程度的糊化現(xiàn)象，從而其色差值不斷增加，故在該微波火力條件下，需降低其微波火力，有利于干燥后的蕪菁脆片色澤的保持。

圖2 不同微波火力對蕪菁色澤變化的影響

2.1.3 微波功率密度對色澤的影響

由圖3可知，真空度500 Pa、微波火力60%、微波功率密度2.0～6.0 W/g時，隨著微波功率密度不斷增加，干燥后的蕪菁脆片色差值呈先降低后增加趨勢。分析其可能的原因是：在微波功率密度較低時，干燥時間較長，使得蕪菁在干燥過程中發(fā)生酶促褐變的概率增加；而隨著微波功率密度不斷增大，單位質(zhì)量蕪菁所吸收的微波能不斷增多，加速其分子運動，從而使其產(chǎn)生熱能增多，干燥環(huán)境溫度升高，過高溫度對蕪菁中所含的色素及酶具有極強的破壞作用，故色差值變大[14]，且微波功率密度高于6.0 W/g時，蕪菁會出現(xiàn)較為明顯的焦糊化現(xiàn)象，對保持蕪菁色澤不利，故其在微波功率密度2.0～6.0 W/g時，會出現(xiàn)色差值先降低后升高的現(xiàn)象。

圖3 不同微波功率密度對蕪菁色澤變化的影響

2.2 不同干燥因素對復水比的影響

2.2.1 真空度對復水比的影響

微波火力60%、微波功率密度4 W/g時，在不同真空度條件下蕪菁的復水曲線如圖4所示。隨著真空度提高，蕪菁的復水比隨著真空度變化呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，可能是由于在高的真空壓力下，水分沸點溫度降低，增大水分蒸發(fā)速率，從而在較短時間內(nèi)形成較大蒸汽壓力，使蕪菁組織膨脹性增強，因此復水性逐漸增強，但過大的蒸汽壓力會破壞組織細胞結構[14]，從而使復水性減弱。且在真空度500 Pa左右達到最高值，故在后續(xù)響應面試驗過程中取400，500和600 Pa作為真空度水平。

圖4 不同真空度下蕪菁復水曲線

2.2.2 微波火力對復水比的影響

真空度500 Pa、微波功率密度4 W/g態(tài)時，在不同火力條件下蕪菁復水曲線如圖5所示。隨著火力提高，蕪菁的復水比隨著火力增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，且在火力60%左右時達到最高值。火力超過80%時，蕪菁復水曲線趨勢變陡，可能是由于在過高的火力條件下，過長的微波工作時間使得蕪菁在干燥過程中吸收的微波能增加，物料的溫度升高，出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，從而影響蕪菁的復水效果。因此在后續(xù)響應面試驗過程中取40%，60%和80%作為微波火力水平。

圖5 不同微波火力下蕪菁復水曲線

2.2.3 微波功率密度對復水比的影響

真空度500 Pa，微波火力60%時，在不同微波功率密度條件下蕪菁復水曲線如圖6所示。隨著微波功率密度提高，蕪菁的復水比隨著微波功率密度的變化呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢，并且在微波功率密度4 W/g左右達到最大。功率密度高于6 W/g時，蕪菁在微波脈動壓差組合干燥過程中出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，從而影響干制后的產(chǎn)品的復水效果，故在后續(xù)響應面試驗過程中取3，4和5 W/g作為微波功率密度水平。

圖6 不同微波功率密度下蕪菁復水曲線

2.3 蕪菁工藝參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 蕪菁干燥回歸方程建立及顯著性分析

對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到真空度、微波火力、微波功率密度與樣品色澤及復水效果之間的多元二次回歸方程式：X=9.24+0.39A-0.85B+3.07C+ 1.56AB-1.24AC+5.36BC+0.42A2+4.07B2+6.01C2；Y=7.97+0.36A+0.66B-0.38C-0.31AB+0.78AC-0.93BC-0.30A2-1.61B2-1.45C2。由表3和表4可知，多元二次回歸方程的p＜0.000 1，即差異極顯著，失擬項pX=0.184 2＞0.05，pY=0.224 1＞0.05，也即差異不顯著。方程的決定系數(shù)RX2=0.999 7＞0.90，RY2=0.987 6＞0.90，說明模型擬和精度較高。通過對回歸系數(shù)的檢驗可知，影響色澤的主次順序是C＞B＞A，影響復水效果的主次順序是B＞C＞A，影響均極顯著；其中A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2對色澤影響極顯著（p＜ 0.01）；而A、B、C、AC、BC、B2和C2對復水比有極顯著影響（p＜0.01），AB和A2對復水比有顯著影響（p＜0.05）。綜上，所建模型準確性和可信度較高。

表2 試驗設計表及結果

表3 色澤回歸模型方差分析

表4 復水效果回歸模型方差分析

2.3.2 蕪菁組合干燥響應面分析

響應面模型中的曲面投影形狀可以反映考察因素間交互效應的強弱，等高線圖形的形狀近似圓形能體現(xiàn)出各個因素之間的交互作用不是很顯著[15-17]。當真空度、微波火力、微波功率密度3個因素之中任意一個因素取零水平時，剩余的2個因素對產(chǎn)品色澤及復水比的影響如圖7～圖9所示。

圖7是微波功率密度4.0 W/g條件下，真空度-微波火力與色澤及復水比關系的響應曲面圖。在高真空條件下，色澤隨著微波火力增大而降低，在低的真空條件下，色澤隨著微波火力的增加而增大；真空度500 Pa以下某一固定值時，微波火力20%～60%范圍時，復水比隨微波火力增大而增大；真空度500 Pa以上某一固定值時，微波火力60%～100%范圍時，復水比隨微波火力增大而降低。通過檢驗結果pXAB＜0.000 1（p＜ 0.01），pYAB=0.038（p＜0.05），顯示真空度與微波火力的交互作用對蕪菁干制品色澤影響極顯著，復水的影響顯著。

圖7 真空度-微波火力交互作用

圖8是微波火力60%條件下，真空度-微波功率密度與色澤及復水比關系的響應曲面圖。真空度較低時，適當增大微波功率密度能減少產(chǎn)品色澤變化，提高復水比；真空度較高時，過高的微波功率密度反而增加產(chǎn)品色澤變化，降低產(chǎn)品復水比。通過檢驗結果pXAC＜0.000 1（p＜0.01），pYAC=0.000 4（p＜0.01），顯示真空度與微波功率密度的交互作用對蕪菁的色澤和復水影響極顯著。

圖8 真空度-微波功率密度交互作用

圖9是真空度500 Pa條件下，微波火力-微波功率密度與色澤及復水比關系的響應曲面圖。火力較低情況下，適當增大微波功率密度能減少產(chǎn)品色澤變化，提高復水比；微波火力較高時，產(chǎn)品色澤隨著微波功率密度增大而增大，復水比隨微波功率密度增大而降低。pXBC＜0.000 1（p＜0.01），pYBC=0.000 1（p＜ 0.01），顯示微波火力與微波功率密度的交互作用對蕪菁干制品的色澤和復水影響極顯著。

圖9 微波火力-微波功率密度交互作用

經(jīng)過試驗統(tǒng)計軟件Design-Expert.V8.0.6.1對數(shù)據(jù)進行分析擬合，得到蕪菁微波脈動壓差組合干燥最優(yōu)工藝條件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，復水比7.928 91。

3 結論

試驗探究蕪菁在微波脈動壓差組合干燥條件下，真空度、微波火力、微波功率密度等因素對蕪菁干燥過程中色澤和復水比的影響；通過響應面法分析真空度、微波火力、微波功率密度與蕪菁色澤和復水比之間的關系，建立蕪菁微波脈動壓差組合干燥的回歸數(shù)學模型；對蕪菁微波脈動壓差組合干燥工藝進行綜合優(yōu)化。結果表明：蕪菁干燥后，色差值隨著真空度增大，不斷增大，隨著微波火力、微波功率密度升高呈先上升后下降趨勢，而復水比隨真空度、微波火力、微波功率密度升高均呈先上升后下降趨勢；蕪菁微波脈動壓差組合干燥最優(yōu)工藝條件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，復水比7.928 91。