王輝,陳中愛,陳朝軍,陳超,劉嘉亮,王梅,劉輝
(貴州省農(nóng)科院生物技術(shù)研究所,貴州貴陽(yáng) 550025)
馬鈴薯(Solanum tuberosumL.),又稱地蛋、土豆、洋芋等,茄科植物的塊莖,屬茄科多年生草本植物,與小麥、稻谷、玉米和高粱并成為世界五大作物[1]。馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富且全面,結(jié)構(gòu)合理,富含有人體所必需的亞油酸、亞麻酸等物質(zhì),素有“地下蘋果”、“第二面包”的美稱[2,3],是世界上種植最廣泛的蔬菜之一和唯一用作主食的作物塊莖[4]。隨著2015年,我國(guó)啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,將馬鈴薯作為稻米、小麥、玉米外的又一主糧[5],截止到2017年全國(guó)馬鈴薯種植面積已超過(guò)8500萬(wàn)畝,總產(chǎn)量逐年增加,產(chǎn)量已超過(guò) 1億噸。但我國(guó)用于深加工的馬鈴薯只占14%[6],大多數(shù)限于鮮貯、鮮運(yùn)、鮮銷、鮮食,以及加工成粗制淀粉、薯?xiàng)l和薯片等。而油炸薯片是市場(chǎng)上最流行的馬鈴薯深加工產(chǎn)品之一,特別是歐美國(guó)家[7]。但大多數(shù)馬鈴薯片都是經(jīng)高溫油炸工藝生產(chǎn)而成,其成品含油量高,感官品質(zhì)差,營(yíng)養(yǎng)流失嚴(yán)重,同時(shí)易產(chǎn)生丙烯酰胺等對(duì)人體有害的物質(zhì)。故低溫真空油炸馬鈴薯技術(shù)孕育而生。真空油炸的溫度低于傳統(tǒng)油炸,所用時(shí)間較短,能較好保存馬鈴薯脆片風(fēng)味的和營(yíng)養(yǎng)成分,減少產(chǎn)品的含油量,產(chǎn)品膨化度高,口感酥脆,同時(shí),有效地降低油脂的劣化速度,提高油的利用率[8,9]。低溫油炸馬鈴薯脆片工藝主要包括原料的預(yù)處理工藝、油炸工藝和脫油工藝,其中預(yù)處理工藝為提高產(chǎn)品的品質(zhì)提供保障,可以抑制酶促褐變的發(fā)生、增加風(fēng)味物質(zhì)和固形物含量、除去一部分水分,保持產(chǎn)品形狀,降低產(chǎn)品的含油量[10]。本文將系統(tǒng)地研究不同的預(yù)處理?xiàng)l件切片厚度、漂燙時(shí)間、漂燙溫度、食鹽浸漬、冷凍時(shí)間對(duì)真空油炸馬鈴薯脆片品質(zhì)變化的影響規(guī)律,確定較佳的預(yù)處理工藝,為馬鈴薯深加工提供技術(shù)參考和理論支撐。
馬鈴薯,品種為大西洋,由貴州省生物技術(shù)研究所提供;棕櫚油購(gòu)于益海嘉里糧油工業(yè)有限公司;食鹽購(gòu)于花溪區(qū)合力超市。
TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀,北京盈盛恒泰科技有限公司;Nh310色差儀,上??_卡超儀器有限公司;電子鼻,北京盈盛恒泰科技有限公司;SOX500脂肪測(cè)定儀,北京晨曦勇創(chuàng)科技有限公司;VF-80C型真空油炸機(jī),中山市維嘉真空機(jī)械廠。
1.3.1 馬鈴薯脆片低溫真空油炸工藝
原料→篩選→清洗→去皮→切片→漂燙→浸漬→瀝水→預(yù)凍→真空油炸→脫油→包裝→成品
1.3.2 含油量測(cè)定
參照 GB/T5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》中索氏抽提法,由SOX500脂肪測(cè)定儀測(cè)定。
1.3.3 破碎力的測(cè)定
采用TPA法測(cè)定破碎力,使用P/36R圓柱形探頭,65%的壓縮比例,觸發(fā)力0.15 N,30 mm/min測(cè)試速率下降距離20 mm。每個(gè)樣品平行測(cè)定6次取平均值[11]。
1.3.4 色差的測(cè)定
使用 Nh310便攜式色差儀測(cè)定馬鈴薯脆片亮度L*,每個(gè)樣品平行測(cè)定6次取平均值[12]。
1.3.5 馬鈴薯脆片感官評(píng)價(jià)
選定12名感官評(píng)價(jià)人員進(jìn)行一定培訓(xùn),然后以表1為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)真空低溫油炸脆片進(jìn)行100分感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)[13]。
表1 馬鈴薯脆片官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criteria for sensory evaluation of potato chips
1.3.6 綜合加權(quán)評(píng)分
將感官品質(zhì)最好的定為100分,將其權(quán)重系數(shù)設(shè)為30;破碎力越小越好,最低破碎力定為100分,設(shè)其權(quán)重系數(shù)設(shè)為20;含油量越小越好,含油量定為100分,設(shè)其權(quán)重系數(shù)設(shè)為 30,亮度值L*越大越好,定為100分,設(shè)其權(quán)重系數(shù)設(shè)為20[14]。依據(jù)試驗(yàn),以感官評(píng)分的最大值計(jì)為40分,其相應(yīng)計(jì)分為(N1/感官評(píng)分max)×30;以破碎力的最低值計(jì)為20分,其相應(yīng)計(jì)分為(破碎力 min/N2)×20;以含油量的最低值計(jì)為 30分,其相應(yīng)計(jì)分為(含油量min/N3)×30。
綜合評(píng)分=(N1/感官評(píng)分 max)×30+(破碎力min/N2)×20+(含油量 min/N3)×30+(N4/L*max)×20
式中:N1為感官評(píng)分值;N2為破碎力;N3為含油量;N4為L(zhǎng)*值。
1.3.7 馬鈴薯脆片的電子鼻風(fēng)味分析
分別取3 g馬鈴薯脆片樣品放入電子鼻專用頂空瓶?jī)?nèi),采用手動(dòng)頂空進(jìn)樣法對(duì)蘋果脆片揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定[15]。以干燥空氣為載氣,流速為300 mL/min,樣品采樣時(shí)間60 s,清洗時(shí)間60 s,采樣間隔時(shí)間5 s,自動(dòng)調(diào)零時(shí)間10 s。
1.3.8 預(yù)處理工藝對(duì)馬鈴薯脆片品質(zhì)影響的研究
在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以綜合評(píng)價(jià)、破碎力、揮發(fā)性成分和含油量為指標(biāo),分別考察不同切片厚度(1、3、5、7 mm)、漂燙溫度(70、80、90、100 ℃)、漂燙時(shí)間(1、3、5、7 min)、浸漬液(添加0.1%的食鹽濃度和不添加食鹽)、冷凍時(shí)間(1、2、3、4 h)5個(gè)預(yù)處理單因素對(duì)馬鈴薯脆片產(chǎn)品品質(zhì)的影響。經(jīng)樣品預(yù)處理后進(jìn)行真空油炸,真空油炸參數(shù)為:真空度0.098 MPa、油炸溫度(88±2)℃、時(shí)間32 min、離心脫油轉(zhuǎn)速400 r/min、時(shí)間6 min。
1.3.9 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面優(yōu)化分析
在預(yù)處理工藝試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì),采用Design-Expert 8.0.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,并預(yù)測(cè)最佳配方。通過(guò)最小二乘法擬合二次多項(xiàng)方程,分析4個(gè)因素不同水平對(duì)馬鈴薯脆片綜合評(píng)價(jià)的影響。
表2 試驗(yàn)因素及水平Table 2 Factors and levels table of test
對(duì)馬鈴薯脆片品質(zhì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,取特征值大于1的因子提取主成分,馬鈴薯脆片品質(zhì)的綜合評(píng)分按公式(1)計(jì)算菊芋餅干各個(gè)試驗(yàn)組的綜合得分后按公式(2)將得到的綜合評(píng)分F進(jìn)行規(guī)范化處理,并分別計(jì)算綜合得分和標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分[16]。
式中:F為綜合評(píng)分;F1、F2和F3為主成分1、2和3的得分;Y1、Y2、Y3為主成分的特征值;C為累積特征值。
式中:Z為規(guī)范化綜合評(píng)分;F為綜合評(píng)分;Fmax為綜合評(píng)分最大值;Fmin為綜合評(píng)分最小值。
采用Microsoft Excel 2016軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及制圖,并采用SPSS18.0和Design-Expert 8.0.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著水平p<0.05。
2.1.1 預(yù)處理對(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響
預(yù)處理是影響產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素之一,預(yù)處理可以使油炸物料的酶充分失活,保持果蔬原有的色澤和風(fēng)味提高固形物含量,增加組織強(qiáng)度,防止油炸后果片變形,改善油炸果蔬的某些不良品味提高脫水速率降低產(chǎn)品含油量以及保護(hù)油的質(zhì)量等[17]。由表3可知,除切片厚度和漂燙溫度對(duì)產(chǎn)品L*值影響顯著(p<0.05)外,其余預(yù)處理方式無(wú)顯著影響。漂燙可以破壞馬鈴薯的氧化酶系統(tǒng),防止酶促褐變以及維生素的進(jìn)一步氧化[18,19],Krokida[20]等研究表明:漂燙使樣品中還原性糖和游離氨基酸溶出,減少油炸時(shí)美拉德反應(yīng)等非酶褐變的發(fā)生,提高產(chǎn)品亮度,使L*值增加。樣品厚度越大,其中心部位的酶系統(tǒng)受破壞程度不一致,影響樣品L*值。各預(yù)處理對(duì)樣品破碎力影響顯著(p<0.05),其中,切片厚度和冷凍時(shí)間對(duì)樣品破碎力影響較大,切片厚度過(guò)小時(shí),樣品易碎、易焦,油膩感較重,得率低;當(dāng)切片厚度太大時(shí),馬鈴薯脆片內(nèi)部的水分不能快速蒸發(fā),心發(fā)軟,影響松脆性[17]。樣品經(jīng)冷凍處理后,其組織內(nèi)部水分結(jié)晶,在油炸過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)的水分直接從固態(tài)汽化蒸發(fā),有助于形成外觀蓬松和口感酥脆的產(chǎn)品[21]。經(jīng)食鹽浸漬處理后,樣品固形物含量增加,產(chǎn)品得率顯著提高。低濃度的食鹽可以破壞酶或酶的氧化系統(tǒng)和減少氧氣的供給,從而減少樣品的變色且可保存維生素含量,因此具有減緩酶促褐變的作用[22]。除含油量食鹽濃度和冷凍時(shí)間外,其余預(yù)處理工藝影響顯著(p<0.05)。油炸產(chǎn)品的油脂含量與樣品的表面積和總體積的比例密切相關(guān),厚度大吸油量較少[14,23],漂燙使樣品表面淀粉凝膠化,阻止樣品油炸時(shí)油脂的進(jìn)入,降低含油量[24,25],但高溫長(zhǎng)時(shí)間的漂燙會(huì)使樣品組織破壞,產(chǎn)品變形,甚至軟爛,從而影響產(chǎn)品品質(zhì)。感官評(píng)價(jià)和綜合評(píng)分受各預(yù)處理工藝的影響,均呈現(xiàn)顯著性關(guān)系(p<0.05)。
表3 預(yù)處理對(duì)馬鈴薯脆片品質(zhì)的影響Table 3 Effect of pretreatment on the quality of potato chip
2.1.2 預(yù)處理對(duì)馬鈴薯脆片揮發(fā)性成分的影響
圖1 預(yù)處理對(duì)馬鈴薯風(fēng)味的影響Fig.1 Effect of pretreatment on potato volatile components
采用電子鼻對(duì)樣品揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析(principal component analysis PCA),在PCA法分析中,總貢獻(xiàn)率越大,越能較全面的反映試樣整體信息。根據(jù)樣品在橫縱坐標(biāo)軸上的距離判斷樣品風(fēng)味物質(zhì)之間的差異性,距離越遠(yuǎn),差異越大。橫坐標(biāo)表示第一主成分貢獻(xiàn)率的大小,且貢獻(xiàn)率(或權(quán)重)較大,因此,如果不同樣品之間在橫坐標(biāo)上的距離差距較大,說(shuō)明它們之間的差異較明顯;而樣品在縱坐標(biāo)上的距離即使很大,由于第二主成分的貢獻(xiàn)率(或權(quán)重)很小,不同樣品之間的實(shí)際差異較小[26]。由圖1可知,切片厚度、漂燙溫度、漂燙時(shí)間、食鹽濃度和冷凍時(shí)間的總貢獻(xiàn)率分別為 94.16、98.05、97.04、98.99和96.20%,均大于85%,能反樣品整體信息。根據(jù)圖1中樣品在橫坐標(biāo)上距離的差異,選擇切片厚度3 mm、漂燙溫度為 90 ℃、漂燙時(shí)間為 3 min、食鹽濃度為0.1%和冷凍時(shí)間為2 h進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn),設(shè)定不同漂燙溫度、漂燙時(shí)間、切片厚度和冷凍時(shí)間實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主成分分析。
表4 Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Box-Behnken experimental design and results
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果主成分分析
采用 SPSS 17.0軟件對(duì)表4中各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)[27,28]。由表5可知,共提取5主成分,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到100%。根據(jù)貢獻(xiàn)率大于85%的原則,說(shuō)明提取的3個(gè)主成分能夠全面反映馬鈴薯脆片的品質(zhì)信息。因此,選擇第1主成分、第2主成分和第3主成分進(jìn)行后續(xù)的綜合得分和標(biāo)準(zhǔn)得分的分析。根據(jù)5個(gè)指標(biāo)的特征向量絕對(duì)值大小可以看出,決定第 1主成分的指標(biāo)主要是感官評(píng)價(jià)和綜合評(píng)分,決定第 2主成分的是破碎力和含油量;決定第3主成分的是L*值和含油量。
表 5馬鈴薯預(yù)處理主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及特征向量Table 5 Characteristic values, contribution rates and eigenvectors of principal components in pretreatment of potato
對(duì)第1主成分、第2主成分和第3主成分的得分值進(jìn)行綜合得分和標(biāo)準(zhǔn)化得分計(jì)算,結(jié)果見表 6。標(biāo)準(zhǔn)化得分值介于0~1之間,第15號(hào)實(shí)驗(yàn)組標(biāo)準(zhǔn)化得分最高,24號(hào)實(shí)驗(yàn)組最低。
表6 主成分得分值與規(guī)范化綜合評(píng)分Table 6 Principal component scores and standardized score
2.2.3 響應(yīng)面建立模型及方差分析
以表 6中的標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分為響應(yīng)值,采用Design-Exper8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合處理,獲得標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分的二次多項(xiàng)回歸方程為:
Y=0.927+0.12X1+0.074X2+0.049X4-0.131X1X3+0.135X2X3-0.084X2X4-0.385X12-0.229X22-0.184X32-0.196 X42
由表7方差分析可知,回歸模型極顯著(p<0.01)。失擬項(xiàng)p=0.3865(p>0.05),失擬項(xiàng)不顯著,試驗(yàn)結(jié)果受未知因素干擾較小。且模型決定系數(shù) R2=0.9604,說(shuō)明模型擬合程度良好,試驗(yàn)誤差小,模型選擇合適,可用該模型來(lái)確定馬鈴薯脆片的最佳預(yù)處理?xiàng)l件。由p值可知,因素X1、X2、X1X3、X2X3、X12、X22、X32、X42對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化得分的影響極顯著(p<0.01),X4、X2X4對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化得分的影響顯著(p<0.05),說(shuō)明該設(shè)計(jì)中因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,交互項(xiàng)和二次項(xiàng)都有顯著影響。
表7 回歸模型方差分析Table 7 Analysis variance of regression model
2.2.4 交互項(xiàng)解析
等高線圖可以反映各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。圓形表示因素間交互作用不顯著,橢圓表示因素間交互作用顯著。由圖2可知,漂燙溫度與漂燙時(shí)間交互作用較顯著,當(dāng)漂燙時(shí)間大于4 min時(shí),標(biāo)準(zhǔn)化得分逐漸降低。漂燙時(shí)間越長(zhǎng),溫度越高,導(dǎo)致樣品組織結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,品質(zhì)變差,影響最終標(biāo)準(zhǔn)化得分[20]。
圖2 漂燙溫度與漂燙時(shí)間響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.2 Blasting temperature and blanching time response surface and contour map
如圖3所示,漂燙溫度與切片厚度之間交互作用顯著,切片厚度和漂燙溫度分別為4 mm和90 ℃時(shí),標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分達(dá)到最大值。當(dāng)切片厚度大于4 mm樣品厚度越大,內(nèi)部淀粉顆粒為糊化,使得產(chǎn)品破碎力增加,脆度降低。在一定漂燙溫度和時(shí)間下,樣品中引起褐變的為完全失活,有利于產(chǎn)品色澤的提高。
圖3 漂燙溫度與切片厚度響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.3 Blasting temperature and slice thickness response surface and contour map
由圖4可知,漂燙溫度與冷凍時(shí)間交互作用無(wú)顯著性關(guān)系,漂燙溫度和冷凍時(shí)間對(duì)脆度和含油量影響較大。當(dāng)漂燙溫度與冷凍時(shí)間大于90 ℃和2.9 h時(shí),產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分降低。
圖4 漂燙溫度與冷凍時(shí)間響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.4 Blasting temperature and freezing time response surface and contour map
如圖5所示,漂燙時(shí)間與切片厚度交互作用顯著。隨著漂燙時(shí)間一定時(shí)和切片厚度的增加,等高線密集,有利產(chǎn)品呈形,標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分值增加,當(dāng)厚度超過(guò)4 mm,漂燙時(shí)間大于4 min時(shí),產(chǎn)品品質(zhì)較差,標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分降低。
圖5 漂燙時(shí)間與切片厚度響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Blasting time and slice thickness response surface and contour map
如圖6所示,當(dāng)冷凍時(shí)間小于2.9 h,漂燙時(shí)間小于4 min時(shí),等高線較密集,表明在此范圍內(nèi),二者對(duì)馬鈴薯脆片標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分影響較大。適當(dāng)?shù)睦鋬鰰r(shí)間和漂燙時(shí)間有利于樣品多孔性的形成,提高產(chǎn)品脆度,色澤和降低含油量,有利產(chǎn)品品質(zhì)。
圖6 漂燙時(shí)間與冷凍時(shí)間響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Blasting time and freezing time response surface and contour map
如圖7所示,切片厚度與感官評(píng)分之間無(wú)顯著性關(guān)系。當(dāng)冷凍時(shí)間和切片厚度分別小于3 h和4 mm時(shí),樣品標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分增加。說(shuō)明一定的冷凍時(shí)間和切片厚度利于產(chǎn)品品質(zhì)的形成,從而間接增加樣品的標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分。
圖7 切片厚度與冷凍時(shí)間響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.7 Slice thickness and freezing time response surface and contour map
2.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)
在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行馬鈴薯預(yù)處理工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過(guò)軟件Design-Expert 8.0.6對(duì)所得到的響應(yīng)面模型進(jìn)行分析,得到馬鈴薯最佳預(yù)處理工藝參數(shù)為漂燙溫度91.34 ℃、漂燙時(shí)間4.17 min、切片厚度4.1 mm和冷凍時(shí)間3.05 h,此條件下馬鈴薯的規(guī)范化綜合得分為0.9453??紤]到實(shí)際操作的可行性,修正參數(shù)后馬鈴薯脆片最佳預(yù)處理工藝為漂燙溫度 91 ℃、漂燙時(shí)間4 min、切片厚度4 mm和冷凍時(shí)間3 h,得到規(guī)范化綜合評(píng)分0.9572,與預(yù)測(cè)值基本一致,說(shuō)明該回歸模型準(zhǔn)確,主成分分析與響應(yīng)面分析法相結(jié)合對(duì)馬鈴薯脆片預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化的綜合評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確可行。
3.1 通過(guò)單因素和響應(yīng)面試驗(yàn),并結(jié)合主成分分析對(duì)馬鈴薯預(yù)脆片的最佳預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。單因素結(jié)果表明:不同預(yù)處理方式對(duì)破碎力、感官評(píng)價(jià)和綜合評(píng)分的存在顯著性影響(p<0.05),且因此樣品揮發(fā)性成分。經(jīng)主成分分析共提取5個(gè)主成分,貢獻(xiàn)率達(dá)到100%,且前3個(gè)主成分總貢獻(xiàn)率大于85%,說(shuō)明提取3個(gè)主成分能夠全面反映馬鈴薯脆片的品質(zhì)信息,根據(jù)5個(gè)指標(biāo)的特征向量絕對(duì)值大小可以看出,決定第1主成分的指標(biāo)主要是感官評(píng)價(jià)和綜合評(píng)分,決定第2主成分的是破碎力和含油量;決定第3主成分的是L*值和含油量。采用經(jīng)主成分分析得到的標(biāo)準(zhǔn)化綜合得分作為響應(yīng)值,得到二次多項(xiàng)回歸方程為:
3.2 最佳工藝參數(shù)為漂燙溫度 91 ℃、漂燙時(shí)間 4 min、切片厚度4 mm和冷凍時(shí)間3 h,在此條件得到規(guī)范化綜合評(píng)分 0.9572,與預(yù)測(cè)值(0.9453)基本一致,說(shuō)明該回歸模型準(zhǔn)確,主成分分析與響應(yīng)面分析法相結(jié)合對(duì)馬鈴薯脆片預(yù)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化的綜合評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確可行。