馮慧敏，郭玉明，武新慧

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

果蔬是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品種類，也是人體所需營養(yǎng)的重要來源。果蔬的品質(zhì)與安全性決定了其經(jīng)濟(jì)價值。高壓脈沖電場預(yù)處理技術(shù)具有非熱加工特性，預(yù)處理果蔬可使其組織細(xì)胞在產(chǎn)生可逆擊穿，不僅可以用于食品干燥領(lǐng)域，降低脫水能耗，提高干燥效率［1，2］；還可用于果蔬產(chǎn)品的保鮮，起到殺菌作用［3，5］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對不同種類果蔬進(jìn)行力學(xué)測試，結(jié)合高壓脈沖電場預(yù)處理，研究了果蔬力學(xué)特性與品質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系。ParniakovO等［6］利用傳統(tǒng)水溶法結(jié)合高壓脈沖電場處理提取木瓜皮中的蛋白質(zhì)和唐氧化物，不僅提高了提取效率同時強(qiáng)化了提取物的抗氧化能力。劉振宇等［7］應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)L－M 訓(xùn)練法分析HPEF預(yù)處理參數(shù)與不同時間段干燥速率之間的關(guān)系，對高壓脈沖電場預(yù)處理后果蔬的干燥速率起到很好的估計作用。本研究團(tuán)隊在高壓脈沖電場預(yù)處理對果蔬材料的生物力學(xué)性質(zhì)影響方面也做了許多探索性研究，吳亞麗、武新慧等［8～10］對不同種類果蔬經(jīng)高壓脈沖電場預(yù)處理后的屈服極限、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行了研究，并優(yōu)化得到處理的最優(yōu)參數(shù)，為果蔬真空冷凍干燥等技術(shù)提供了及果蔬品質(zhì)檢測提供了新思路，為減小果蔬在采收、貯運、保鮮及加工過程中的損傷及相關(guān)裝備的參數(shù)設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。為探索高壓脈沖電場預(yù)處理與果蔬生物力學(xué)特性間的相關(guān)性及預(yù)處理參數(shù)對果蔬品質(zhì)的影響，本文以白蘿卜為試材，研究了高壓脈沖電場預(yù)處理對白蘿卜壓縮破壞特性的影響，并討論分析了高壓脈沖電場預(yù)處理參數(shù)對屈服極限和彈性模量影響的顯著性，建立了預(yù)測回歸模型。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器設(shè)備

太谷本地產(chǎn)白蘿卜為試材，新鮮無機(jī)械損傷。ECM830高壓脈沖電場發(fā)生器，其脈沖電壓、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)節(jié)，脈沖波形為矩形波，電極為20mm×20mm 方形，間距可調(diào)；INSTRON5544型電子萬能材料試驗機(jī)，壓縮探頭為直徑100mm的平板壓頭。

1.2 試驗方法與步驟

為討論取樣部位和壓縮速率對屈服極限和彈性模量指標(biāo)的影響，分別從果心柱和果肉部位取樣，在加載速率為5、10和15mm·min－1時，對試樣進(jìn)行壓縮試驗，試驗重復(fù)3次，結(jié)果表明試樣的取樣部位和加載速率對參數(shù)影響并不顯著。

取新鮮成熟且無損傷的白蘿卜，選取距表皮5～10mm處的果肉，切成17mm×17mm×10mm大小樣本。為防止試樣的氧化和水分散失，用聚乙烯薄膜密封保存。按照設(shè)計的預(yù)處理參數(shù)，高壓脈沖電場對試樣進(jìn)行預(yù)處理，之后對試樣進(jìn)行壓縮試驗，壓縮速率為10mm·min－1，直到試樣出現(xiàn)明顯的破裂，試驗結(jié)束。試驗得到白蘿卜壓縮的力—位移曲線，根據(jù)圖像求得試樣的屈服極限σ（MPa）和彈性模量E（Mpa）。

1.3 試驗設(shè)計

高壓脈沖電場預(yù)處理的工藝參數(shù)采用三因子五水平中心組合正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計，可同時滿足正交性和可旋轉(zhuǎn)性。為避免脈沖強(qiáng)度過大對試樣造成不可 逆 的 破 壞［11］， 選 擇 脈 沖 強(qiáng) 度 范 圍5～2000V·cm－1，因子水平及編碼見表1。

表1 試驗因子及水平編碼表Table 1 Coding values and levels of test factors

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)高壓脈沖電場預(yù)處理后，試樣有明顯的滲水、變軟現(xiàn)象。與對照組相比，試樣在壓縮初始階段出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，繼續(xù)壓縮至破壞，由于試樣組織變軟，破壞時壓縮位移明顯增大，試樣可承受的最大壓載變大。從試樣破壞時的曲線特性可以看出，未處理試樣有明顯斷裂面，處理后的試樣則為連續(xù)性破壞，試樣可繼續(xù)壓縮。表2為不同預(yù)處理參數(shù)下白蘿卜屈服極限和彈性量的試驗值。

表2中可以看出，和對照組相比，經(jīng)高壓脈沖電場預(yù)處理后，白蘿卜的屈服極限值變化不大，基本在0.7～1.5Mpa之間，而彈性模量值則有明顯的變化，當(dāng)預(yù)處理參數(shù)脈沖強(qiáng)度小于1 000V·cm－1時，彈性模量值變化不明顯，當(dāng)脈沖強(qiáng)度大于等于1 000V·cm－1時，由于試樣變軟，彈性模量值明顯降低。

2.2 因子效應(yīng)分析

為確定脈沖強(qiáng)度X1、作用時間X2及脈沖個數(shù)X3對試樣屈服極限和彈性模量影響的顯著性，利用SAS軟件對結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表2 白蘿卜壓縮特性試驗值Table 2 The test data of compression properties of white radish

表3 模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of models

從方差分析結(jié)果可以看出，脈沖強(qiáng)度，作用時間及脈沖個數(shù)對試樣屈服極限的影響并不顯著，而脈沖強(qiáng)度和脈沖個數(shù)對試樣的彈性模量有顯著影響，顯著性P值分別為0.000 6和0.002 7，作用時間及互作效應(yīng)不顯著，彈性模量的模型決定系數(shù)達(dá)0.91，顯著性P值為0.002 8，說明方差分析有效，可以用于對試驗結(jié)果的預(yù)測估計。

2.3 因子效應(yīng)分析

通過因子效應(yīng)分析結(jié)果判斷，高壓脈沖電場預(yù)處理參數(shù)對試樣彈性模量影響較大，利用SAS軟件的rsreg過程對彈性模量結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表4～表6。

表4 響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計和檢驗Table 4 Parameter estimates of regression and test of response－surface

表5 響應(yīng)面模型回歸分項檢測Table 5 Itemized test of response－surface

表6 響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗Table 6 Factorial effect test of response－surface

由表4可以看出，在0.01水平上，X1、X3、X12和X32的系數(shù)顯著，其余參數(shù)不顯著。從表5可以看出白蘿卜試樣彈性模量線性項和平方項的P值分別為小于0.000 1和0.000 8，說明回歸主要是線性關(guān)系和平方項，總模型的顯著性P值為0.000 1，決定系數(shù)R2為0.88，說明彈性模量的響應(yīng)面模型顯著且具有較高的擬合精度，回歸有效，模型可用。得到的響應(yīng)面方程為：

表6為白蘿卜彈性模量的響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗，3個因子的顯著性P值分別為0.000 1、0.348 2、0.001 7，按P值排序得到3個因子對彈性模量影響的顯著性，其中脈沖強(qiáng)度影響最大，脈沖個數(shù)次之，作用時間影響最小。

3 討論與結(jié)論

（1）利用中心組合正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計試驗，獲得了脈沖強(qiáng)度、作用時間和脈沖個數(shù)對白蘿卜屈服極限和彈性模量的方差分析模型，得出高壓脈沖電場預(yù)處理參數(shù)對彈性模量有顯著性影響。

（2）預(yù)處理結(jié)果和對照組相比，白蘿卜試樣的屈服極限值變化不大，彈性模量值有明顯的降低。

（3）利用SAS軟件獲得了白蘿卜彈性模量的響應(yīng)模型，模型的顯著性P值達(dá)0.000 1，決定系數(shù)為0.88，模型極其顯著。因子效應(yīng)檢驗得出，脈沖強(qiáng)度和脈沖個數(shù)對試樣彈性模量效應(yīng)顯著，作用時間效應(yīng)不顯著。

通過研究高壓脈沖電場預(yù)處理對白蘿卜屈服極限和彈性模量特性的影響，能夠幫助認(rèn)識高壓脈沖電場作用機(jī)理及不同預(yù)處理參數(shù)對果蔬品質(zhì)的影響關(guān)系。

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