劉麗娜,王安建,田廣瑞,李　靜,魏書信

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所,河南鄭州 450002)

?

響應(yīng)面法優(yōu)化香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝

劉麗娜,王安建,田廣瑞,李靜,魏書信

(河南省農(nóng)科院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所,河南鄭州 450002)

為了對香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化,采用響應(yīng)面的中心組合設(shè)計(jì)方法,分析膨化溫度(X1)、抽空溫度(X2)和抽空時(shí)間(X3)三個(gè)因素對產(chǎn)品含水率(Y1)、色澤(Y2)和膨化度(Y3)的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推出描述三個(gè)指標(biāo)的二次回歸模型,并對變量進(jìn)行響應(yīng)面分析,得出優(yōu)化膨化干燥工藝:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時(shí)間2 h。此條件下,膨化干燥的香菇柄的含水率為3.83%,色差值為42.29,膨化度為0.685。與熱風(fēng)干燥相比,變溫壓差膨化干燥產(chǎn)品膨化效果好,該技術(shù)可以應(yīng)用于香菇柄的膨化產(chǎn)品。

響應(yīng)面法,香菇柄,膨化干燥,工藝優(yōu)化

香菇(Lentinus edodes),又名香信、香蕈、香菌、冬菇、花菇,為側(cè)耳科植物香蕈的子實(shí)體,是世界第二大食用菌,也是我國特產(chǎn)之一,在民間素有“山珍”之稱[1]。香菇柄是香菇商品化處理過程中的廢棄物,占整個(gè)子實(shí)體質(zhì)量的15%～30%[2]。研究表明,香菇柄和菇蓋一樣是由香菇菌絲組成,同樣含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、礦物元素等營養(yǎng)成分,以及香菇多糖、膳食纖維等功能性成分。因此對香菇廢棄菇柄進(jìn)行綜合開發(fā)利用,不僅可提高香菇的采后價(jià)值,還可以減少其對環(huán)境的污染。變溫壓差膨化干燥是一種新型非油炸果蔬干燥技術(shù)[3],該技術(shù)通過將預(yù)處理并除去部分水分的果蔬原料放在變溫壓差膨化罐中升溫加壓,保溫保壓一段時(shí)間后瞬間泄壓,促使物料內(nèi)部水分瞬間汽化蒸發(fā),并帶動周圍的大分子物質(zhì)引起結(jié)構(gòu)變化,從而使物料內(nèi)部形成多孔、疏松的結(jié)構(gòu)[4]。目前,國內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了一些研究[5-9],在果蔬加工中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。而以香菇柄為原料進(jìn)行變溫壓差膨化干燥的研究還未見報(bào)道,本研究通過響應(yīng)面法對香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化,為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)香菇柄膨化產(chǎn)品的企業(yè)化生產(chǎn)提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮香菇柄(直徑<1.8 cm)鄭州市陳寨蔬菜批發(fā)市場;小米市售,粒度在0.9～1.1 mm之間。

XM 120-HR快速水分測定儀Precisa Gravimetrics AG;HunterLab ColorFlex EZ型色差儀美國Hunterlab公司;GZX-9140 MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;TG328A(S)分析天平上海精密科學(xué)儀器有限公司;JEA1002 電子天平上海浦春計(jì)量儀器有限公司;康靈切片機(jī)鎮(zhèn)江新區(qū)智宏機(jī)械廠;變溫壓差膨化干燥設(shè)備實(shí)驗(yàn)室自制設(shè)備;JSM-6490LV掃描電子顯微鏡日本電子JEOL公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1工藝流程鮮香菇柄→切分→預(yù)處理(浸漬、預(yù)干燥)→變溫壓差膨化干燥→冷卻→產(chǎn)品

具體操作為:首先將香菇柄用切片機(jī)切分為5 mm厚的片狀,于4%麥芽糊精溶液室溫下浸漬30 min,取出瀝干,然后將樣品放到熱風(fēng)干燥箱中進(jìn)行預(yù)干燥,溫度為50 ℃,將預(yù)干燥后的樣品放入膨化罐中進(jìn)行膨化干燥,保溫保壓一段時(shí)間后瞬間泄壓,將溫度降到抽空溫度,抽空一定時(shí)間,膨化罐真空度0.1 MPa。直到干燥至國標(biāo)規(guī)定的安全儲藏標(biāo)準(zhǔn)(水分13%)以下[10],抽空結(jié)束后,關(guān)閉真空閥,通入冷卻水將溫度降至常溫,開罐取出樣品,并測定相關(guān)指標(biāo)。

1.2.2香菇柄變溫壓差膨化干燥優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將原料經(jīng)過預(yù)干燥后進(jìn)行變溫壓差膨化干燥工藝研究。采用響應(yīng)面的中心組合設(shè)計(jì)方法,選取膨化溫度、抽空溫度、抽空時(shí)間3個(gè)因素作為自變量,以產(chǎn)品含水率(Y1)、色差ΔE(Y2)、膨化度(Y3)為響應(yīng)值,進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表如表1。依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其他工藝參數(shù)設(shè)置為:熱風(fēng)預(yù)干燥時(shí)間2 h(含水率65%左右)、膨化壓力差0.2 MPa、停滯時(shí)間5 min。

表1　因素與水平設(shè)計(jì)表Table 1　Factors and levels in design

1.2.3指標(biāo)的測定

1.2.3.1水分含量的測定用水分測定儀測定。

1.2.3.3膨化度的測定采用體積排除法,以小米為介質(zhì),分別測定干燥前與干燥后香菇柄的體積,按如下公式計(jì)算膨化度:

式中,V1為小米的體積;V2為小米與干燥前香菇柄的體積;V3為小米與干燥后香菇柄的體積。

1.2.4微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電子顯微鏡觀察干燥后香菇柄的微觀結(jié)構(gòu)。取微量樣品,用導(dǎo)電膠布固定于樣品臺上,將樣品臺置于離子濺射噴鍍儀中鍍金處理,處理好的樣品置于掃描電子顯微鏡下拍照。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理采用Design-expert 8.0軟件進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1響應(yīng)面中心組合實(shí)驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,選擇膨化溫度X1、抽空溫度X2和抽空時(shí)間X3三因素,進(jìn)行香菇柄變溫壓差膨化干燥優(yōu)化實(shí)驗(yàn),測定膨化產(chǎn)品的含水率、ΔE值和膨化度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2　Experimental designs and results

2.2回歸方程及參數(shù)分析

利用Design Expert8.0軟件對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,分別得到各個(gè)因素對產(chǎn)品含水率、色差值以及膨化度指標(biāo)的二次回歸方程如下:

表3　回歸方程方差分析表Table 3　Analysis results of regression and variance

注:*,p<0.05,差異顯著;**,p<0.01,差異極顯著。

圖1　三因素對香菇柄含水率的影響Fig.1　Effect of three factors on moisture content of mushroom stem

2.3各工藝參數(shù)的效應(yīng)分析

2.3.1三因素對膨化香菇柄含水率的影響由圖1a可知,隨著膨化溫度和抽空溫度的升高產(chǎn)品含水率均明顯降低;由圖1b可知,當(dāng)抽空溫度為中心水平值時(shí),產(chǎn)品含水率隨著膨化溫度的升高緩慢下降后趨于平衡,含水率隨著抽空時(shí)間的延長不斷降低;由圖1c可知,含水率隨著抽空時(shí)間的延長逐漸降低后趨于平衡,產(chǎn)品含水率隨著抽空溫度的升高快速下降。膨化溫度過低,不能為膨化提供足夠的能量,過高會導(dǎo)致原料表面過早形成保護(hù)膜[12],不利于水分的充分?jǐn)U散。隨著抽空溫度的升高,抽空時(shí)間的延長,產(chǎn)品含水率下降是必然趨勢。

2.3.2三因素對膨化香菇柄色差的影響由圖2a可知,產(chǎn)品色差值隨著膨化溫度的升高先增大后減小,隨著抽空溫度的升高先緩慢減小后顯著增大;由圖2b可知,當(dāng)抽空溫度為中心水平值時(shí),產(chǎn)品色差值隨著膨化溫度的升高先增大后減小,隨著抽空時(shí)間的延長先減小后增大。由圖2c可知,產(chǎn)品色差值隨著抽空溫度的升高先緩慢減小后顯著增大,隨著抽空時(shí)間的延長先緩慢減小后緩慢增大,隨著抽空溫度和抽空時(shí)間組合值的變大,產(chǎn)品色差值變小,在達(dá)到一定的組合值后,產(chǎn)品色差值開始增大,說明產(chǎn)品色差值在此條件下有一個(gè)最小值?？傮w來說,膨化溫度、抽空溫度越高,抽空時(shí)間越長越不利于色澤的保持,可能原因是由于加熱使香菇柄發(fā)生了美拉德反應(yīng)及抗壞血酸降解在內(nèi)的一系列化學(xué)反應(yīng),不斷生成黃褐色的物質(zhì)[13]。

圖2　三因素對香菇柄色澤的影響Fig.2　Effect of three factors on color of mushroom stem

2.3.3三因素對膨化香菇柄膨化度的影響由圖3a可知,產(chǎn)品膨化度隨著抽空溫度的升高先增加后減小,在抽空溫度為中心水平時(shí),產(chǎn)品膨化度較大,且受膨化溫度影響較大,當(dāng)抽空溫度偏離中心水平時(shí),產(chǎn)品膨化度較小,受膨化溫度影響相對較小;由圖3b可知,產(chǎn)品膨化度隨著膨化溫度的升高先增加后逐漸減小,隨著抽空時(shí)間的延長先略有增加后緩慢減小;由圖3c可知,當(dāng)膨化溫度為中心水平值時(shí),產(chǎn)品膨化度隨著抽空溫度的升高先顯著增大后緩慢減小,隨著抽空時(shí)間的延長先增大后減小。適當(dāng)?shù)呐蚧瘻囟扔欣谛纬僧a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)網(wǎng)架,適宜的抽空溫度和抽空時(shí)間,有助于保持原料在膨化過程中形成的彈性小室,使其不易回縮,最終膨化形成多孔結(jié)構(gòu)[14]。

圖3　三因素對香菇柄膨化度的影響Fig.3　Effect of three factors on puffing degree of mushroom stem

2.4最適工藝參數(shù)的確定

對于膨化產(chǎn)品的評價(jià)指標(biāo)來說,膨化度越高,色澤越好,同時(shí)達(dá)到較低的含水量,則產(chǎn)品品質(zhì)越佳。盡管這些指標(biāo)的變化趨勢不同,但是對于膨化香菇柄產(chǎn)品,膨化度是首要考慮指標(biāo),色澤是其次,且色澤可以采用干燥前護(hù)色處理來進(jìn)行調(diào)控,使色澤得到更好地保持[15]。因此,通過Design Expert 8.0軟件對膨化度進(jìn)行優(yōu)化,得到膨化度的最優(yōu)工藝條件為:膨化溫度85.86 ℃,抽空溫度69.33 ℃,抽空時(shí)間2.12 h,考慮到實(shí)驗(yàn)操作的便利,將最優(yōu)工藝條件調(diào)整為:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時(shí)間2 h。為檢驗(yàn)響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化條件,經(jīng)3次平行實(shí)驗(yàn),實(shí)際得到變溫壓差膨化干燥的香菇柄的膨化度為0.685,此條件下,產(chǎn)品的含水率為3.83%,色差值為42.29,與模型預(yù)測值相比,其相對偏差均較小,說明各指標(biāo)模型能較好地模擬和預(yù)測香菇柄變溫壓差膨化干燥過程中三個(gè)指標(biāo)的變化情況,進(jìn)而用于香菇柄膨化干燥過程的控制。

2.5香菇柄熱風(fēng)干燥和膨化干燥微觀結(jié)構(gòu)的比較

圖4為香菇柄熱風(fēng)干燥(50 ℃,含水率<13%)和變溫壓差膨化干燥后的微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖4可以看出,兩種干燥方式的香菇柄組織結(jié)構(gòu)差異明顯,在相同的放大倍數(shù)下,熱風(fēng)干燥的香菇柄,細(xì)胞收縮嚴(yán)重,孔隙糾結(jié),產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊密;變溫壓差膨化干燥的香菇柄組織結(jié)構(gòu)較疏松、均勻,組織內(nèi)具有較大的空腔,呈蜂窩狀,腔壁厚薄不一。鮮香菇柄含水率高達(dá)85%,干物質(zhì)較少,在熱風(fēng)干燥時(shí)水分由表及里逸出,物料表面存在兩種不同相態(tài)的水分,形成了較大的表面張力,且干燥時(shí)間較長,導(dǎo)致香菇柄體向內(nèi)部擠壓,組織結(jié)構(gòu)變形和坍塌[16],宏觀上表現(xiàn)出干縮現(xiàn)象。對比較而言,變溫壓差膨化干燥時(shí),一方面,預(yù)干燥階段通過浸漬麥芽糊精,作為定型填充料滲透到物料內(nèi)部,使菇體組織更加充實(shí)[17],以提供更多的膨化基質(zhì);另一方面,膨化干燥時(shí)瞬間抽真空,使水的沸點(diǎn)降低而汽化,細(xì)胞在外界作用下破裂,形成較大空腔,抽空干燥進(jìn)一步使水分充分散失,最終形成多孔結(jié)構(gòu)的質(zhì)地[18]。

圖4　干燥后香菇柄微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Microstructure of mushroom stem after drying

3　結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)分析,分別建立了膨化溫度、抽空溫度及抽空時(shí)間對變溫壓差膨化干燥香菇柄含水率、色澤和膨化度的影響的多元回歸模型,經(jīng)驗(yàn)證,該模型擬合度良好,可用于預(yù)測膨化干燥后香菇柄的含水率、色澤及膨化度。響應(yīng)面分析得出的最佳工藝條件為:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時(shí)間2 h。此條件下,得到膨化干燥的香菇柄的含水率為3.83%,色差值為42.29,膨化度為0.685,與模型預(yù)測值非常接近,且在此工藝參數(shù)下得到的膨化香菇柄品質(zhì)較好。通過與熱風(fēng)干燥對比,變溫壓差膨化干燥的香菇柄由于溫度和瞬間真空作用,水分瞬間汽化,減壓膨脹,從而形成均勻多孔的結(jié)構(gòu),賦予產(chǎn)品一定的膨化度。本文研究結(jié)果表明變溫壓差膨化干燥技術(shù)可以應(yīng)用于香菇柄的膨化產(chǎn)品,為香菇柄的利用提供了一種新的途徑,但如何通過預(yù)處理工藝在獲得好的膨化效果的同時(shí),又能使色澤更佳,還有待于進(jìn)一步的研究。

[1]王賀祥.食用菌學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2007:76.

[2]高虹,史德芳,何建軍,等.超微粉碎對香菇柄功能成分和特性的影響[J].食品科學(xué),2010,31(5):40-43.

[3]畢金峰,魏益民.果蔬變溫壓差膨化干燥關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程報(bào),2008,24(6):308-312.

[4]高鶴,易建勇,劉璇,等.響應(yīng)面法優(yōu)化番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝[J].食品科學(xué),2014,35(24):51-56.

[5]劉志勇,葛邦國,崔春紅,等.葡萄低溫氣流膨化干燥工藝研究[J].食品科技,2012,(12):72-77.

[6]嚴(yán)啟梅.杏鮑菇真空微波聯(lián)合氣流膨化干燥研究[D].南京:南京師范大學(xué),2012.

[7]He Xin-yi,Liu jin-fu,Huang Zong-huang.Preparation of cold brew tea by explosion puffing drying at variable temperature and pressure[J].Drying Technology,2011,29(8):888-895.

[8]Zou Ke-jian,Teng Jing-wen,Huang Li,et al.Effect of osmotic pretreatment on quality of mango chips by explosion puffing drying[J].LWT-Food Science and Technology,2013,(51):253-259.

[9]Tabtiang S,Prachayawarakon S,Soponronnarit S.Effects of osmotic treatment and superheated steam puffing temperature on drying characteristics and texture properties of banana slices[J]. Drying Technology,2012,30(1):20-28.

[10]GB 5009.3-2010,食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[11]Hawlader Mna,Perera Co,Tian M,et al.Drying of guava and papaya:impact of different drying methods[J].Drying Technology,2006,24(1):77-87.

[12]呂健,畢金峰,盧勇,等.響應(yīng)面法優(yōu)化桃變溫壓差膨化干燥工藝[J].中國食品學(xué)報(bào),2014,14(6):110-120.

[13]宋江峰,李大婧,劉春泉.溫度對甜玉米果泥β-胡蘿卜素和色澤變化的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,27(4):863-867.

[14]王萍,易建勇,畢金峰,等.菠蘿蜜熱風(fēng)-變溫壓差膨化干燥工藝研究[J].食品與機(jī)械,2015,31(4):218-222.

[15]齊琳琳,張慜,祁會林.不同加工工藝對香菇[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2012,31(12):1275-1281.

[16]Dissa AO,Desmorieux H,Savadogo PW,et al.Shrinkage,porosity and density behaviour during convective drying of

spirulina[J].Journal of Food Engineering,2010,97(3):410-418.

[17]徐德峰,張衛(wèi)明,孫曉明,等.不同預(yù)處理對馬鈴薯片浸漬速率及感官品質(zhì)的影響[J].食品工業(yè)科技,2007,28(5):98-103.

[18]王雪媛,陳芹芹,畢金峰,等.熱風(fēng)-脈動壓差閃蒸干燥對蘋果片水分及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(20):287-293.

Optimization of explosion puffing drying process at variable temperature and pressure for mushroom stem by response surface methodology

LIU Li-na,WANG An-jian,TIAN Guang-rui,LI Jing,WEI Shu-xin

(Institute of Agricultural Products Processing,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

In order to optimize the technology for explosion puffing drying of mushroom stem,the central composite design of response surface methodology was adopted. The effect of puffing temperature(X1),vacuum drying temperature(X2)and vacuum drying time(X3)on moisture content(Y1),color(Y2)and puffing degree(Y3)of product were studied. Based on the experimental data,the quadratic regression models of three indexes were deduced,then variables were analyzed with response surface methodology. The optimal puffing drying conditions were determined as 86 ℃ of puffing temperature,69 ℃ of vacuum drying temperature,2 h of vacuum drying time. Under this condition,the moisture content,color and puffing degree of mushroom stem were 3.83%,42.29 and 0.685.Compared with hot air drying,the technology has a better puffing effect,and can be applied to puffed product of mushroom stem.

Response surface methodology;Mushroom stem;Explosion puffing drying;Technology optimization

2016-01-27

劉麗娜(1982-)，女，碩士研究生，主要從事食用菌保鮮與加工研究，E-mail：liuln1982@163.com。

河南省財(cái)政預(yù)算項(xiàng)目(20157815)。

TS255.3

B

1002-0306(2016)15-0198-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.030