高 鶴，易建勇，劉 璇，畢金峰,*，鄧放明，吳昕燁

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

響應(yīng)面法優(yōu)化番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝

高 鶴1,2，易建勇1，劉 璇1，畢金峰1,*，鄧放明2，吳昕燁1

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，北京 100193；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

優(yōu)化對番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝，基于響應(yīng)面的中心組合設(shè)計方法，分析預(yù)干燥時間、膨化溫度、抽空時間3 個因素對番木瓜膨化產(chǎn)品含水率、硬度、脆度、色澤和復(fù)水比5 個指標(biāo)的影響。采用因子分析法確定5 個指標(biāo)的權(quán)重，通過綜合評分得到番木瓜變溫壓差膨化干燥的最佳工藝參數(shù)范圍。結(jié)果表明：預(yù)干燥時間、膨化溫度、抽空時間三因素對產(chǎn)品的含水率、硬度、脆度、色澤和復(fù)水比均有顯著影響（P＜0.05），且三因素交互作用對產(chǎn)品品質(zhì)影響顯著；番木瓜變溫壓差膨化最優(yōu)干燥參數(shù)為：預(yù)干燥時間4.96～6.00 h、膨化溫度80.00～97.23 ℃、抽空時間2.02～3.00 h。

響應(yīng)面法；番木瓜；變溫壓差膨化干燥

番木瓜（Carica papaya Linn.）俗稱木瓜、滿山柚、萬壽果、樹冬瓜，屬于番木瓜科番木瓜屬，原產(chǎn)于墨西哥南部和中美洲地區(qū)，在中國的廣東、海南、廣西等多省均有栽培。番木瓜含有木瓜蛋白酶、萜類化合物、糖分、黃酮類、色素、生物堿等多種成分，具有抗癌、抗菌、抗腫瘤、保肝、免疫調(diào)節(jié)、美容等功效[1-3]。但番木瓜屬于呼吸躍變型果實，采后在氣候、病蟲害等因素的作用下，容易軟化后熟、發(fā)病腐爛，失去商品價值和食用價值[4-6]。

干燥是一種傳統(tǒng)的食品保藏方法，通過去除物料中的水分，延長產(chǎn)品的貨架期，減少運輸成本[7]。目前國內(nèi)番木瓜干燥加工技術(shù)較為單一，其中以傳統(tǒng)的日曬和熱風(fēng)干燥為主，但這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品存在著口感較差、干燥時間長等問題。如Lemus-Mondaca[8]和Nimmanpipug[9]等研究滲透脫水預(yù)處理對番木瓜熱風(fēng)干燥后的品質(zhì)影響。加強對番木瓜干燥加工技術(shù)的研究，有助于延長番木瓜產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值、增加果農(nóng)收入。

變溫壓差膨化干燥是一種新型、節(jié)能、環(huán)保的干燥技術(shù)，可以有效地克服油炸果蔬脆片含油量高、風(fēng)味差以及難貯藏等問題[10-12]。該技術(shù)通過在高溫環(huán)境中對物料進(jìn)行加熱，不斷給物料內(nèi)部水分子提供能量，再對膨化罐瞬間抽真空使得物料內(nèi)的水分迅速遷移，并帶動周圍的大分子物質(zhì)引起結(jié)構(gòu)變化，從而使得物料內(nèi)部形成多孔、疏松的結(jié)構(gòu)[10,13-14]。同時，高溫真空的環(huán)境也有助于對物料中微生物的控制[10]。利用變溫壓差膨化干燥生產(chǎn)的產(chǎn)品具有營養(yǎng)價值高、口感酥脆、貯藏性好等特點，且已被證實多種果蔬可應(yīng)用變溫壓差膨化干燥技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，如哈密瓜[10]、棗[11]、蘋果[12]、芒果[13]、香蕉[14]、菠蘿[15]、胡蘿卜[16]、桃[17]、甘薯[18-19]等。而以番木瓜為原料進(jìn)行變溫壓差膨化干燥的研究還未見報道。本實驗就番木瓜變溫壓差膨化干燥選擇預(yù)干燥時間、膨化溫度、抽空時間為影響因素，以含水率、硬度、脆度、總色差值和復(fù)水比為目標(biāo)值進(jìn)行響應(yīng)面的中心組合試驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了5 個指標(biāo)的多元二次項回歸模型，進(jìn)而得到番木瓜變溫壓差膨化干燥的最佳工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

番木瓜（海南三亞大白），購于北京市上地小營果品批發(fā)市場。選擇大小、形狀相近的果實，質(zhì)量約為1 kg，七八成熟，沒有損傷，表皮顏色開始由綠變黃的硬熟的果實。

1.2 儀器與設(shè)備

FA-200切片機 廣東省南海市德豐電熱設(shè)備廠；DHG-9203電熱恒溫干燥箱 上海一恒科技有限公司；QDPH10-1變溫壓差膨化干燥設(shè)備 天津市勤德新材料科技有限公司；Ta.XT2i/50物性分析儀 英國SMS公司；FW100萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；D25LT色彩色差儀 美國HunterLab公司；AUW220電子天平 日本Shimadzu公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的測定

直接干燥法[20]，將物料放入105 ℃熱風(fēng)干燥箱中烘至恒質(zhì)量。實驗中含水率為物料的干基含水率。

1.3.2 硬度和脆度的測定

用TA-XT2i/50型物性測定儀測定，選取形狀、大小相近的番木瓜脆片進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。從袋中迅速取出樣品后，用物性測定儀做削切實驗，重復(fù)10 次，最后取平均值[21]。其中，硬度用Force 2的數(shù)值表示，單位是g；脆度用測試產(chǎn)生峰數(shù)的多少來表示，單位為個[15]。Force 2數(shù)值在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)增長，峰數(shù)越多，則產(chǎn)品的酥脆度越好，反之則產(chǎn)品的酥脆度越差。

1.3.3 色澤的測定

采用色彩色差儀測定番木瓜的色澤，本實驗用ΔE代表被測物體的色澤（L、a、b）與鮮樣的（L*、a*、b*）的色差值[21]。ΔE按公式（1）計算：

式中：L、a、b和L*、a*、b*分別代表樣品和鮮樣的明度值、紅綠值、黃藍(lán)值；ΔE為總色差值。

1.3.4 復(fù)水比的測定

取干燥后樣品5 g，復(fù)水容器為300 mL燒杯，用水量20 倍，即100 mL，使試樣浸漬其中，在室溫條件下浸漬30 min后撈出試樣置竹篩上，自然瀝干5 min，稱質(zhì)量[9]。復(fù)水比（rehydration ratio，RR）按公式（2）計算，每組實驗3 次平行，結(jié)果取平均值。

式中：RR為復(fù)水比/（g/g）；m0為復(fù)水前樣品的質(zhì)量/g；m1為復(fù)水后樣品的質(zhì)量/g。

1.3.5 優(yōu)化試驗

1.3.5.1 工藝流程

番木瓜去皮去籽→切分→熱風(fēng)預(yù)干燥→變溫壓差膨化干燥→分級→包裝→產(chǎn)品

具體操作為：首先將鮮樣去皮、去籽，切分為8 mm的片狀，然后將樣品放到熱風(fēng)干燥箱中進(jìn)行預(yù)干燥，溫度為70 ℃。將預(yù)干燥后的樣品放入膨化罐中進(jìn)行膨化干燥，停滯時間10 min，抽真空溫度70 ℃，膨化罐真空度0.1 MPa。預(yù)干燥時間、膨化溫度以及抽空溫度參照表1。抽空結(jié)束后，關(guān)閉真空閥，用冷卻水將罐體迅速冷卻值室溫，維持5 min，取出膨化產(chǎn)品，并測定含水率、硬度、脆度、色澤和復(fù)水比。

1.3.5.2 優(yōu)化試驗設(shè)計

在前期單因素試驗中，選擇預(yù)干燥時間（3、4、5、6、7 h）、膨化溫度（70、80、90、10、110 ℃）、抽空溫度（50、60、70、80、90 ℃）和抽空時間（0、1、2、3、4 h）進(jìn)行四因素五水平試驗，得出各因素最優(yōu)的參數(shù)為預(yù)干燥時間5 h、膨化溫度90 ℃、抽空溫度70 ℃、抽空時間2 h。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用響應(yīng)面的中心組合設(shè)計方法，選擇預(yù)干燥時間、膨化溫度、抽空時間3 個因素，研究其對產(chǎn)品含水率、硬度、脆度、色澤、復(fù)水比的影響。因素水平編碼見表1。

表1 中心組合試驗設(shè)計的因素和水平Table 1 Factors and levels used in central composite design of response surface methodology

1.4 統(tǒng)計分析

采用Design Expert 8.0、SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面中心組合試驗

根據(jù)響應(yīng)面的中心組合試驗設(shè)計方法，選擇預(yù)干燥時間X1、膨化溫度X2和抽空時間X3三因素，進(jìn)行番木瓜變溫壓膨化干燥優(yōu)化試驗，其試驗結(jié)果見表2。

表2 中心組合試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Results of central composite design of response surface methodology

2.2 方程建立及變量分析

采用Design Expert 8.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到各個因素對產(chǎn)品含水率、硬度、脆度、總色差值以及復(fù)水比之間的多元二次方程（1）～（5），方程回歸系數(shù)及變量分析見表3。

表3 回歸系數(shù)及顯著性分析Table 3 Significance analysis of regression coefficients

除了產(chǎn)品的含水率和復(fù)水比的決定系數(shù)R2小于0.9，其余的R2大于0.9，表明其應(yīng)變量與全體自變量之間的多元回歸關(guān)系顯著，即表明改回歸方程對試驗的擬和情況較好。抽空時間除對色澤無顯著性影響外，對其他4 個指標(biāo)均有顯著性影響，預(yù)干燥時間與膨化溫度除了對色澤、復(fù)水比無顯著性影響外，對其他3 個指標(biāo)均有顯著性影響。類似研究結(jié)果也出現(xiàn)在畢金峰等[10]研究哈密瓜變溫壓差膨化干燥工藝優(yōu)化的過程中，并發(fā)現(xiàn)預(yù)干燥后含水率、膨化溫度以及抽空時間對膨化產(chǎn)品的脆度均有極顯著影響。

2.3 交互作用分析

從表3可知，三因素之間對產(chǎn)品含水率均有顯著影響，膨化溫度和抽空時間的交互作用對硬度影響極顯著，預(yù)干燥時間和膨化溫度的交互作用以及膨化溫度和抽空時間的交互作用對脆度影響極顯著，預(yù)干燥時間和膨化溫度的交互作用對色澤影響顯著。此處，只對有極顯著交互作用的情況進(jìn)行分析，其他交互作用暫不予討論。

固定X1為0水平，觀察X2和X3的交互作用對產(chǎn)品Y2的影響，得到交互效應(yīng)方差（6）。依次固定X3和X1為0水平，分別觀察X1和X2、X2和X3的交互作用對產(chǎn)品Y3的影響，得到交互效應(yīng)方差（7）、（8）。

根據(jù)以上交互作用方程作響應(yīng)面圖如圖1。

圖1 三因素對番木瓜脆片品質(zhì)的影響Fig.1 Effects of three factors on texture properties of explosion puffed products

由圖1a可知，當(dāng)預(yù)干燥時間一定，膨化溫度為90 ℃以下一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著抽空時間的延長先快速上升；膨化溫度為90 ℃以上一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著抽空時間的延長十分緩慢的上升；抽空時間為2 h以下一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著膨化溫度的升高快速上升；抽空時間為2 h以上一個固定值，番木瓜脆片的硬度隨著膨化溫度升高緩慢減少后上升。原因可能是物料隨著膨化溫度的升高以及抽空時間的延長，增加了干燥過程中熱量的傳遞，使得物料受到更多的熱能加劇了硬化。從圖1b可以看出，當(dāng)抽空時間一定時，番木瓜脆片的脆度隨著預(yù)干燥時間的延長、膨化溫度的升高呈先增加后緩慢減小的趨勢，并在預(yù)干燥時間4～6 h、膨化溫度75～105 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn)極值。從圖1c可以看出，當(dāng)預(yù)干燥時間一定時，產(chǎn)品的脆度隨著膨化溫度的升高、抽空時間的延長呈先增加后減小的趨勢，并在膨化溫度75～105 ℃、抽空時間1.5～3 h范圍內(nèi)出現(xiàn)極值。

2.4 番木瓜熱風(fēng)-變溫壓差膨化干燥最佳工藝的確定

通過對結(jié)果分析可知，在試驗設(shè)定的因素水平范圍內(nèi)，隨著預(yù)干燥時間的延長，膨化產(chǎn)品的含水率總體呈下降的趨勢，硬度和復(fù)水比則逐漸增大，脆度先增大后減小，色澤先減小后增大。隨著膨化溫度的升高，含水率呈下降趨勢，硬度和復(fù)水比呈上升的態(tài)勢，脆度先增大后減小，色澤呈先減小后增加的趨勢。隨著抽空時間的增加含水率基本呈下降趨勢，硬度和復(fù)水比逐漸增大，脆度先增大后減小，色澤呈先減小后增加的趨勢。由此可見，每個輸入變量對產(chǎn)品評價指標(biāo)影響的先后順序、顯著性以及交互作用也各不相同，因此利用相關(guān)性分析對三因素進(jìn)行分析。

2.4.1 相關(guān)性分析

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果見表4。

表4 評價指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among evaluation indexes

由表4可以看出，產(chǎn)品評價指標(biāo)間存在一定相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)品的含水率與硬度、脆度、復(fù)水比呈負(fù)相關(guān)，和色澤呈正相關(guān)；產(chǎn)品的硬度與脆度、色澤、復(fù)水比呈正相關(guān)；產(chǎn)品的脆度與色澤呈負(fù)相關(guān)，與復(fù)水比呈正相關(guān)；產(chǎn)品的色澤與復(fù)水比呈負(fù)相關(guān)。

2.4.2 因子分析

基于因子分析原理和相關(guān)性分析的結(jié)果[11]，對響應(yīng)值進(jìn)行降維處理，得到目標(biāo)參數(shù)的因子載荷矩陣，并求出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值、特征貢獻(xiàn)率和特征累積貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表5。

表5 目標(biāo)參數(shù)相關(guān)矩陣的特征值及其累積貢獻(xiàn)率Table 5 Eigenvalues and cumulative contribution rate of correlated matrix

表6 方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 6 Rotated factor loading matrix

由表5可知，在取2 個公因子時，其方差累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到88.522%。因此，選取2 個公因子構(gòu)建因子載荷矩陣，并用方差極大正交旋轉(zhuǎn)法得到的因子載荷矩陣，結(jié)果見表6。

由表6可知，公因子f1對番木瓜脆片的含水率、硬度、復(fù)水比起支配作用，而這些指標(biāo)反應(yīng)了產(chǎn)品的綜合質(zhì)地，因此可稱f1為綜合質(zhì)地因子；公因子f2對產(chǎn)品的脆度、色澤起支配作用，因此可稱f2為脆度、色澤因子。

從商品的角度出發(fā)，番木瓜膨化產(chǎn)品的評價指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先考慮產(chǎn)品的色澤（ΔE盡可能小一些），其次考慮酥脆度（硬度盡可能在一定范圍內(nèi)大一些），最后考慮含水率（干基含水率在8%以下）和復(fù)水比（盡可能大一些）。鑒于上述分析及實驗數(shù)據(jù)，分別將公因子f1和公因子f2，賦予權(quán)重0.65、0.35。并將樣本因子得分與所賦權(quán)重加權(quán)求和即得到各樣本得綜合評分見表7。

表7 樣本因子得分與綜合評價Table 7 Component score coefficient matrix and comprehensive evaluation value of samples

2.4.3 回歸模型分析

以綜合評分為目標(biāo)值，用響應(yīng)面法，得到對綜合評分的回歸方程如下：

由回歸方程（9）可以看出，預(yù)干燥時間（X1）和抽空時間（X3）是影響產(chǎn)品綜合評分的最主要因素，并且可以看出其一次項均為正效應(yīng)，二次項皆為負(fù)效應(yīng)；而膨化溫度（X2）其一次項、二次項皆為負(fù)效應(yīng)。這說明預(yù)干燥時間（X1）和抽空時間（X3）對產(chǎn)品得綜合評分的影響會因其取值高低而不同。

2.4.4 工藝優(yōu)化

基于對產(chǎn)品品質(zhì)的綜合考慮，當(dāng)綜合評分大于0.8時，產(chǎn)品的色澤、硬度、脆度、含水率、復(fù)水比品質(zhì)比較理想。因此，選擇綜合評分大于0.8，并應(yīng)用頻數(shù)分析法，通過計算機模擬，得到各因素最優(yōu)工藝范圍。結(jié)果見表8。

表8 應(yīng)用頻數(shù)分析法對工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果Table 8 Optimization results based on frequency analysis

通過對結(jié)果分析可知，番木瓜變溫壓差膨化干燥的工藝優(yōu)化結(jié)果為預(yù)干燥時間4.96～6.00 h，膨化溫度80.00～97.23 ℃，抽空時間2.02～3.00 h，綜合評分由得可能性高于0.8。經(jīng)過實驗重復(fù)驗證，在預(yù)干燥時間5.2 h、膨化溫度90.2 ℃，抽空時間2.1 h的條件下進(jìn)行番木瓜變溫壓差膨化干燥，得到產(chǎn)品含水率為5.89%，色澤ΔE值為13.15，硬度為3 438.90 g，脆度為39，復(fù)水比為4.12。在溫度70 ℃條件下，進(jìn)行熱風(fēng)干燥8.5 h后，得到產(chǎn)品含水率為9.2%，色澤ΔE值為11.56，硬度為4 752.00 g，脆度為37，復(fù)水比為3.81。通過比較變溫壓差膨化干燥相比熱風(fēng)干燥，發(fā)現(xiàn)前者比后者所需的干燥時間縮短了14.12%，總色差值增加了1.59，擁有更好的酥脆度，復(fù)水性更好。因此，在優(yōu)化參數(shù)的范圍內(nèi)，變溫壓差膨化干燥可以得到綜合品質(zhì)良好的番木瓜干燥產(chǎn)品。

3 結(jié) 論

研究預(yù)干燥時間、膨化溫度、抽空時間對番木瓜膨化產(chǎn)品含水量、硬度、脆度、ΔE值和復(fù)水比的影響，采用中心組合試驗設(shè)計優(yōu)化番木瓜干燥工藝，結(jié)果表明，大多回歸模型得決定系數(shù)均較高，依據(jù)回歸分析法建立的統(tǒng)計模型，可用于膨化過程的控制和膨化結(jié)果的預(yù)測。

通過Design Expert 8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析建立5 個指標(biāo)的二次多項式模型。根據(jù)各指標(biāo)間的關(guān)系，對其進(jìn)行因子分析，并從產(chǎn)品的品質(zhì)出發(fā)賦予其權(quán)重，最終得到綜合評分，并建立模型回歸方程。

番木瓜熱風(fēng)-變溫壓差膨化干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)范圍是：預(yù)干燥時間4.96～6.00 h、膨化溫度80.00～97.23℃、抽空時間2.02～3.00 h。

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Optimization of Explosion Puffing Drying Process for Papaya at Variable Temperatures and Pressure Difference

GAO He1,2, YI Jian-yong1, LIU Xuan1, BI Jin-feng1,*, DENG Fang-ming2, WU Xin-ye1
(1. Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The explosion puffi ng drying of papaya was optimized by central composite design coupled with response surface methodology. The effect of pre-drying time, puffi ng temperature and vacuum drying time on fi ve product quality parameters including moisture content, hardness, crispness, color and rehydration ratio were examined. In the final experiment, the suitable parameters were obtained by comprehensive scores through factorial analysis of these five quality parameters. The results indicated that pre-drying time, puffi ng temperature and vacuum drying time had a great impact on the moisture content, hardness, friability, color and rehydration rate of dehydrated products, and the infl uence of interactions among three factors on the quality of dried papaya was signifi cant (P < 0.05). The best drying conditions were determined as follows: predrying time, 4.96-6.00 h; puffi ng temperature, 80.00-97.23 ℃; and vacuum drying time, 2.02-3.00 h.

response surface methodology; papaya; explosion puffi ng drying at variable temperatures and pressure difference

TS255.36

A

1002-6630（2014）24-0051-06

10.7506/spkx1002-6630-201424010

2014-03-25

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303077）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團科技支疆計劃項目（2013AB020）

高鶴（1990—），男，碩士研究生，研究方向為果蔬加工。E-mail：mustgh@sina.cn

*通信作者：畢金峰（1970—），男，研究員，博士，研究方向為果蔬精深加工與綜合利用技術(shù)。E-mail：bijinfeng2010@163.com