王招招 楊 慧 韓俊豪 朱廣成 翟辰璐 王 童 董俊輝 路風銀 董鐵有

(河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院1，洛陽 471000) (河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心2，鄭州 450000) (中信重工機械股份有限公司3，洛陽 471000)

花生果富含豐富的油脂和蛋白質(zhì)，是我國重要的油料作物之一[1]。然而，剛收獲的花生果含水量較高，若不及時進行干燥，其在后期運輸、儲藏和加工過程中，容易發(fā)熱、霉變、浸油和酸敗等。尤其是遇到高溫和多雨季節(jié)，花生果易產(chǎn)生致癌性極強的黃曲霉素。干燥是農(nóng)產(chǎn)品貯藏減損、安全保質(zhì)的重要手段和加工技術的重要環(huán)節(jié)[2，3]。因此，為實現(xiàn)花生產(chǎn)地減損、促進節(jié)能增效和提高農(nóng)民經(jīng)濟收入，尋找合理的干燥方法和發(fā)展高效的干燥裝備是花生產(chǎn)業(yè)的迫切需求。

目前，花生果干燥多采用熱風干燥，但由于內(nèi)部水分受殼的阻礙不易向外擴散遷移，存在干燥時間長、效率低、營養(yǎng)成分損失大等問題[4，5]。微波干燥時間可縮短50%左右，提高干燥速率等[6，7]。然而高強度微波易造成局部溫度過高，褐變嚴重，嚴重影響產(chǎn)品干燥后的品質(zhì)[8，9]。微波-熱風耦合干燥綜合熱風干燥和微波干燥的優(yōu)勢，在熱風干燥的條件下輔以微波，兩種干燥同時進行，使其傳熱傳質(zhì)方向一致。其中熱風可以及時帶走花生殼表面的自由水分，微波獨特的“泵”效應可以增強果仁內(nèi)部水分向外擴散速率。合適的干燥工藝參數(shù)，可以使產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著的提高[10-12]。國內(nèi)外許多研究人員使用該技術對食品干制進行了研究，并取得了良好的效果。劉小丹等[13]以紅棗為研究對象，發(fā)現(xiàn)微波-熱風聯(lián)合干燥時間比分段熱風干燥縮短11%以上，與微波間歇干燥相比，能有效抑制干燥過程中的酶促褐變和非酶褐變；姚荷等[14]利用響應面分析法優(yōu)化得到微波-熱風制取筍片的最佳干燥工藝為微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時間60 s、熱風干燥溫度65 ℃，此工藝干燥時間短、產(chǎn)品質(zhì)量高；Song等[15]利用空氣干燥、微波-真空干燥、微波熱風耦合干燥以及冷凍干燥四種不同干燥方式對荔枝進行實驗，研究表明微波熱風耦合干燥效率明顯高于其他三種干燥方式，且具有較高的還原糖含量保留率；Deepak等[16]采用中心復合旋轉(zhuǎn)實驗設計優(yōu)化得到微波功率2.41 W/g、溫度52.09 ℃、風速1.51 m/s的干燥條件對秋葵產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)、復水性能較好。針對花生果采用純熱風和純微波干燥較多，但只研究了其薄層干燥特性、脫水效果、收縮性、孔隙率、硬度以及干燥方式對花生蛋白功能特性的影響[17-22]，且大多數(shù)采用對微波爐改造的設備，目前還沒有定型的工業(yè)設備。此外，有關花生果微波-熱風耦合干燥工藝對其干燥速率、色差和營養(yǎng)成分含量方面的研究也鮮有報道。

本研究利用自制微波-熱風耦合干燥設備，探討不同微波強度、風溫和風速對花生果干燥速率、色差、粗脂肪含量和粗蛋白含量的影響，通過Box-Behnken響應面實驗設計優(yōu)化得到了各因素與響應值關系的回歸模型，利用層次分析法和隸屬度綜合評分優(yōu)化法確定最佳干燥工藝參數(shù)，以期獲得高效率和高品質(zhì)的花生果產(chǎn)品，同時為微波-熱風耦合干燥技術應用于花生果的干制加工提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采用完整、無空殼的新鮮花生果，平均濕基含水率為(50±0.5)%，用密封袋保存在4 ℃的冰箱內(nèi)。

1.2 儀器與設備

實驗室自制微波-熱風干燥實驗臺(如圖1所示，微波頻率為2450MHz)。

K1100型全自動凱式定氮儀，SOX500型脂肪測定儀，SH220N型石墨消解儀，Hunter Color Flex EZ型色差儀，TXM-120-HR快速水分測定儀。

注：1 排濕風機，2 微波饋能口，3 干燥箱，4 花生果，5 圓筒器皿，6 通風管道，7 熱風控溫器，8 流量計，9 閥門，10 高壓風機。圖1 微波-熱風耦合干燥實驗臺結(jié)構示意圖

1.3 實驗方法

1.3.1 干燥工藝

實驗前先對干燥箱進行預熱，并設置好實驗所需溫度。將裝有1 200 g物料的圓筒器皿放入干燥箱內(nèi)并正對微波輻射口，在實驗過程中，熱風系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，微波對物料進行脈沖間歇加熱，其中微波加熱時間為10 s，間歇時間為1 min，每隔1 h測定樣品的質(zhì)量，稱完質(zhì)量后迅速放回干燥箱繼續(xù)干燥，直至國標規(guī)定的花生果安全貯藏水分10%以下時，停止干燥。為防止干燥箱內(nèi)濕度過高，利用干燥箱外側(cè)的風機進行排濕，可保證實驗結(jié)果準確可靠。每組進行3次重復實驗，并取平均值作為最終結(jié)果。

1.3.2 單因素實驗

影響食品干燥過程的因素主要有微波強度、風溫、風速以及相對濕度等。結(jié)合預實驗的探索，選取微波強度、風溫和風速3個影響因素分別分析對其干燥速率、色差、粗脂肪含量和粗蛋白含量的影響。陳霖等[20]采用微波對花生果進行干燥，發(fā)現(xiàn)微波強度為1.2 W/g，溫度保持在45～50 ℃區(qū)間時，花生果的品質(zhì)最好；張光榮等[24]采用熱風對花生果進行干燥，發(fā)現(xiàn)溫度高于50 ℃會引起異味、變形和紅衣的破壞，且經(jīng)實驗驗證風速0.88 m/s是可行的，但不能小于0.2 m/s。綜合上述分析，為方便實際操作，具體設計方案見表1。

表1 單因素實驗設計方案

1.3.3 Box-Behnken實驗

在單因素實驗基礎上，以微波強度A、風溫B和風速C為影響因素，以干燥速率Y1、色差Y2和粗脂肪含量Y3為響應值，進行花生果微波-熱風耦合工藝優(yōu)化實驗，各實驗因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken設計因素水平表

1.4 指標測定

1.4.1 濕基含水率

花生果濕基含水率測定方法參照GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》，按式(1)計算含水率。

(1)

式中：X為花生果的含水率值/%；m為第一次烘干前樣品的質(zhì)量/g；m1為第一次烘干后樣品的質(zhì)量/g；m2為第二次烘干前樣品的質(zhì)量/g；m3為第二次烘干后樣品的質(zhì)量/g。

1.4.2 干燥速率

干燥過程中，物料的降水速率即干燥速率按式(2)計算。

(2)

式中：Xt為t時刻物料水分含量/g/g；Δt為干燥時間/min。

1.4.3 色澤測定

利用Hunterlab ColorFlex EZ色差儀分別測定干燥前后花生紅衣L*、a*、b*值，其中L*表示物料的明亮度程度；a*表示物料的紅綠程度，正值偏紅色，負值偏綠色；b*表示物料的黃藍程度，正值偏黃色，負值偏藍色。每組實驗測量6個樣本，取其平均值。按公式(3)計算色差值：

ΔE=

(3)

1.4.4 主要營養(yǎng)成分測定

花生中脂肪和蛋白質(zhì)含量最為豐富，因此脂肪和蛋白含量被認為是花生干燥后保留營養(yǎng)成分的重要指標，按以下方法進行測定：

粗脂肪含量的測定方法參照GB 5009.6—2016索氏抽提法。

粗蛋白含量的測定方法參照GB 5009.5—2016凱氏定氮法。

1.5 AHP權重系數(shù)的確定

權重是一個相對的概念，權重系數(shù)的大小反應了各指標的重要程度。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種解決多目標復雜問題的定性和定量相結(jié)合進行計算決策權重的研究方法，具有系統(tǒng)性、實用性和簡潔性等特點[27]。因此，本實驗采用層次分析法來確定各指標的權重系數(shù)，以花生果微波-熱風耦合干燥工藝為目標層A，干燥速率、色差值和粗脂肪含量為準則層B，微波強度、風溫和風速為方案層C，建立花生果微波-熱風耦合干燥工藝評價的層次結(jié)構分析模型，見圖2。

圖2 層次結(jié)構分析模型

在建立層次結(jié)構之后，為實現(xiàn)定性向定量轉(zhuǎn)化需要有定量的標度，通過比較因子及下屬指標的各個比重，按照相對重要程度進行打分(表3)。然后通過各因素之間的兩兩比較構造判斷矩陣(表4)，表中數(shù)據(jù)越大，表明行評價指標相對列評價指標更重要[25]。

表3 判斷矩陣元素標度法

表4 判斷矩陣

一致性指標用CI計算，CI越小，說明一致性越大，公式如下：

(4)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為矩陣的階數(shù)。

為衡量CI的大小，引入隨機一致性指標RI，其對應關系如表5：

表5 平均隨機一致性指標RI表

檢驗系數(shù)CR按公式(5)計算：

(5)

一般規(guī)定，當CR<0.1時，說明該判斷矩陣滿足一致性要求，所得到的權重系數(shù)準確有效；當CR≥0.1時，說明該判斷矩陣不滿足一致性要求，檢驗不通過，則需要重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

利用AHP軟件對數(shù)據(jù)進行分析得到表4中判斷矩陣的CR=0.017 6<0.1，各指標的權重系數(shù)：干燥速率=0.064 9，色差值=0.594 7，粗脂肪含量=0.340 4。

1.6 隸屬度綜合評分優(yōu)化

對于食品加工，外觀色澤和營養(yǎng)價值有著較高的要求，其次干燥速率是次要影響指標[26]。本研究采用隸屬度綜合評分優(yōu)化法，分別計算干燥速率、色差和粗脂肪含量3項指標的隸屬度，計算方法參考賈夢科等[27]，干燥速率越快、粗脂肪含量越高，營養(yǎng)成分損失越少，其隸屬度按公式(6)計算；色差值越小，干制品外觀色澤越好，其隸屬度按公式(7)計算；綜合得分S按公式(8)計算。

(6)

(7)

S=al1+bl2+cl3

(8)

式中：cmax和cmin分別為各指標數(shù)值的最大值和最小值，ci為第i組實驗所得數(shù)據(jù)；l1為干燥速率隸屬度；l2為色差隸屬度；l3為粗脂肪含量隸屬度；a、b、c為1.5小節(jié)計算得到的權重系數(shù)，且a+b+c=1。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS和Origin 9.1軟件對數(shù)據(jù)進行處理，并繪制曲線。采用Design Expert 8.0.6.1軟件對Box-Behnken實驗結(jié)果進行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 微波強度對花生果干燥特性的影響

物料內(nèi)部水分排出蒸發(fā)方式主要有3種：擴散遷移、內(nèi)部蒸發(fā)和液態(tài)水排出。由圖3a可知，隨著微波微波強度的增大，干燥速率不斷增大。這是因為微波強度越大，花生果中水分吸收的微波能越多，從而轉(zhuǎn)化的熱量增加，且3種蒸發(fā)方式同時進行，干燥速率明顯增加。由圖3b～圖3c可知，不同微波強度對花生仁色澤、粗脂肪含量影響顯著(P<0.05)，對粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)。花生仁的L*值隨著微波強度的增大先升高后降低，其a*、b*值隨著微波強度的增大先降低后升高。當微波強度為1.0 W/g時，花生果干制品顏色較佳；在0.5、1.0、1.5 W/g微波強度下，花生果粗脂肪含量分別為46.65%、45.26%、37.51%，其中前兩者的粗脂肪含量無顯著性差異(P>0.05)，說明在保證花生果干燥后營養(yǎng)成分保留率的前提下，適當?shù)靥岣呶⒉◤姸扔欣诟纳粕珴伞ｋm然電磁波對花生果粗蛋白含量極小，但可能會造成蛋白蛋的交聯(lián)聚合，以至于降低蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值，因此在后期研究中可考慮對花生果的蛋白質(zhì)功能性質(zhì)進行深入研究。故選擇微波強度1.0 W/g為優(yōu)化實驗的0水平。

注：a～c分別表示干燥速率、色澤和主要營養(yǎng)成分含量。圖3 風溫對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

在干燥過程中，控制物料的色澤十分重要。經(jīng)不同微波強度處理后獲得的花生仁色澤存在很大差異，具體見圖4。圖4a為干燥前的鮮花生仁，其色澤鮮亮、果仁飽滿。圖4b～圖4d分別為在同一條件下，不同微波強度干燥處理后所獲得的花生仁，可以看出微波強度0.5 W/g干燥后的花生仁有少量的褐色斑點，顏色不均勻，且表面有輕微的皺縮現(xiàn)象；微波強度1.5 W/g干燥后的花生仁色澤偏暗，顏色十分不均勻，脫水速度快導致仁皺縮嚴重；微波強度1.0 W/g干燥后的花生仁色澤較佳，表面較平整光滑，收縮程度較小，更接近新鮮花生仁。

注：a為干燥前的新鮮花生仁；b～d分別為經(jīng)微波強度0.5、1.0、1.5 W/g處理后的花生仁。圖4 不同微波強度處理后的花生仁

2.1.2 風溫對花生果干燥特性的影響

由圖5a可知，隨著風溫的升高，干燥速率逐漸增大。因為花生果屬于殼和仁組成的非均勻復合結(jié)構，利用微波的穿透性，使花生仁受熱后水分向外遷移擴散，當花生仁內(nèi)部水分傳遞至殼表面時，熱風直接作用于殼表面進一步將水分蒸發(fā)，風溫越高，水分蒸發(fā)速率越快，干燥速率也越大。由圖5b～圖5c可知，不同風溫對花生仁色澤、粗脂肪含量影響顯著(P<0.05)，對粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)。花生仁的L*值隨著風溫的升高先增大后減小，說明提高溫度有利于抑制物料內(nèi)的酶促褐變，但溫度過高會加劇非酶褐變現(xiàn)象，從而改變花生仁顏色，其a*、b*值隨著風溫的升高先減小后增大，說明高溫加熱增加了花生仁中天然色素的變化量，使花生仁顏色逐漸加深，呈現(xiàn)褐色；經(jīng)風溫30 ℃、50 ℃干燥后得到的花生果粗脂肪含量分別為40.38%、38.62%，當風溫為40 ℃時，花生果中粗脂肪保留的含量最多，為45.26%。這是由于低溫處理會延長干燥時間，粗脂肪含量保留率降低，而過度的熱處理致使水分子之間的“摩擦”等作用力反應劇烈，當水分從被干燥的物料中蒸發(fā)逸出時，易帶走油脂等易揮發(fā)性物質(zhì)，降低粗脂肪含量。故選擇風溫40 ℃為優(yōu)化實驗的0水平。

圖5 風溫對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

2.1.3 風速對花生果干燥特性的影響

由圖6a可知，當風速為0.2、0.5、0.8 m/s時，最大干燥速率分別為0.26、0.35、0.38 g/(g·min)。則風速越大，干燥速率越大。這是因為在微波-熱風耦合干燥過程中，流動空氣可以不斷地對花生殼表面的水分進行蒸發(fā)，并將聚集在物料表面附近的

圖6 風速對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

表6 實驗設計及結(jié)果

飽和濕空氣帶走，以免阻止果仁內(nèi)部水分的進一步蒸發(fā)，則風速越大，物料干燥速率也越大。其中經(jīng)風速0.5 m/s和0.8 m/s處理后的干燥速率相差甚小。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，風速越小，干燥后的花生仁易變軟，這是因為微波加熱會使內(nèi)部溫度持續(xù)上升，花生殼作為一種保護機制，較小的風速不能及時帶走殼表面水分，導致內(nèi)部形成溫度相對較高但潮濕的環(huán)境，故易使花生仁質(zhì)地不佳。但風速較大不但不會提高干制品的品質(zhì)，反而會造成不必要的能量損耗。因此，花生在干燥過程中，不易選擇較大或較小的風速。由圖6b、圖6c可知，風速對花生果的色澤、粗脂肪含量和粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)。綜上所述，選擇風速0.5 m/s為優(yōu)化實驗的0水平。

2.2 響應面法優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 Box-Behnken實驗設計與結(jié)果

根據(jù)單因素實驗結(jié)果分析得到微波強度、風溫和風速三因素對花生果干燥速率、色差值和粗脂肪含量影響具有顯著性影響，對粗蛋白含量無顯著性影響。因此，以干燥速率、色差和粗脂肪含量3項指標為響應值，進行花生果微波-熱風耦合干燥工藝參數(shù)優(yōu)化實驗，具體見表6。

2.2.2 回歸模型的建立與分析

運用Design Expert 8.0.6.1軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，將不顯著項直接剔除，使得到的干制品干燥時間Y1、色差Y2以及粗脂肪含量Y3的預測模型方程更簡化。

Y1=-0.126 78+0.299 00A+(4.650 00E-003)B-(4.000 00E-003)AB+0.058 000A2

Y2=76.275 61-49.064 50A-1.755 95B+0.252 00AB+23.021 00A2+0.020 777B2+21.002 78C2

Y3=11.582 9+0.726 67A+1.717 67B-3.755 00A2-0.022 638B2-21.875 00C2

表7 回歸系數(shù)及顯著性分析

表7為3個考察指標的方差分析，實驗各指標的模型高度顯著(P<0.000 1)，說明各響應值與三因素的二次回歸方程存在高度顯著的線性相關性。各響應值的失擬項均不顯著(P>0.05)，說明該模型與實際情況的擬合程度較好，具有一定的可靠性。各模型的多重相關系數(shù)R2分別為0.992 8、0.982 2、0.993 7，說明該模型可以解釋99.28%、98.22%、99.37%響應值的變化，模型具有較好的回歸性，可用該模型對花生果的各項指標進行分析和預測。同時，各模型的信噪比分別為35.856、19.848、30.994>4，說明該模型具有足夠的信號來用于響應該設計。變異系數(shù)分別為3.41%、4.18%、0.90%<10%，均符合標準。綜上所述，則該模型能夠反映實際情況，具有一定的參考價值。

由各因素對響應值影響程度分析可知，影響干制品干燥速率、色差和粗脂肪含量的順序均為：A>B>C。其中微波強度A對干制品的干燥速率、色差以及粗脂肪含量影響均高度顯著。風溫B對干制品的干燥速率影響高度顯著，對脂肪含量影響極顯著、對色差影響顯著。風速C對干制品的干燥速率、色差以及粗脂肪含量影響均不顯著；在各因素所選擇的水平范圍內(nèi)，對于干燥速率：二次項A2影響顯著，B2、C2不顯著。色差：二次項A2影響高度顯著(P<0.001)，B2、C2影響顯著(P<0.05)。粗脂肪含量：二次項A2影響極顯著(P<0.01)，B2、C2影響高度顯著(P<0.001)；各因素間存在交互作用，對于干燥速率：AB交互作用顯著(P<0.05)，AC、BC交互作用不顯著。色差：AB交互作用顯著(P<0.05)，AC、BC交互作用不顯著。粗脂肪含量：AB、AC和BC交互作用不顯著。

2.2.3 影響因素間的交互作用分析

為更直觀地反映各因素對花生果干制品各響應值的影響，根據(jù)回歸分析得到微波強度和風溫的交互作用對花生果干燥速率和色澤影響均顯著并繪制響應面圖，見圖7。

圖7 各因素交互作用的影響

響應面可以直觀地看出因素之間的交互作用對各指標的影響，具體結(jié)果見圖7。由圖7a可以看出，在風速為0.5 m/s的條件下，隨著微波強度和風溫的增大，干燥速率均呈現(xiàn)持續(xù)升高的變化趨勢，這與單因素分析結(jié)果一致。響應面整體坡度較陡，說明微波強度和風溫存在顯著的交互作用；由圖7b可以看出，在風速為0.5 m/s的條件下，隨著微波強度和風溫的增大，干制品色差均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。響應面有明顯的凹面，說明微波強度和風溫的交互作用對干制品具有顯著性影響。當微波強度在0.7～1.1 W/g，風溫在30～45 ℃區(qū)間時，能獲得較佳的干制品。

2.2.4 隸屬度綜合評分法優(yōu)化結(jié)果與分析

運用Design Expert 8.0.6.1軟件進行加權優(yōu)化處理，得到綜合評價S對微波強度A、風溫B和風速C的回歸模型為：

S=-2.502 61+1.840 67A+0.126 23B-0.011 000AB-0.942 00A2-(1.555 00E-003)B2-1.561 11C2

綜合評分S的回歸模型高度顯著(P<0.000 1)，失擬項不顯著(P>0.05)，且殘差和純誤差均較小，分別為9.7200E-003、7.520E-003，該模型可以解釋99.15%響應值的變化，且信噪比為27.852>4，變異系數(shù)為6.05%<10%，均符合標準，說明該模型具有一定的可信度，可用于微波-熱風耦合干燥花生綜合評分S的分析預測。其中各因素對綜合評分S的影響順序為：A>B>C；二次項A2、B2和C2影響高度顯著；AB交互作用影響顯著，AC、BC交互作用影響不顯著。

表8 綜合評分回歸模型方差分析

2.2.5 最佳工藝參數(shù)的確定及驗證

根據(jù)隸屬度綜合評分法優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)組合為：微波強度0.92 W/g，風溫40.47 ℃，風速0.49 m/s，綜合指標最佳。結(jié)合實驗的可行性，將最佳干燥參數(shù)修正為微波強度0.9 W/g、風溫40 ℃、風速0.5 m/s。為進一步驗證模型的可靠性，采用上述最佳工藝參數(shù)進行3次重復實驗，實驗結(jié)果如表9所示，理論值與實驗驗證值較吻合，說明該工藝條件具有一定的可靠性。

表9 優(yōu)化方案的驗證結(jié)果

3 結(jié)論

通過研究微波強度、風溫和風速對花生果微波-熱風耦合干燥產(chǎn)品干燥速率、色澤和營養(yǎng)成分含量的影響，并確定了花生的較優(yōu)參數(shù)組合范圍。采用Box-Behnken響應面實驗設計優(yōu)化得到了各因素與響應值關系的回歸模型，確定3個影響因素對各個指標參數(shù)的顯著性和影響順序，即微波強度>熱風溫度>熱風風速。

利用層次分析法和隸屬度綜合評分法對其干燥工藝進行綜合優(yōu)化，得到花生果微波-熱風耦合干燥的最佳工藝條件為：微波強度0.9 W/g、風溫40 ℃、風速0.5 m/s。在此實驗條件下，實際測得花生果的干燥速率為0.38 g/(g·min)、色差值為25.31、粗脂肪含量為40.02%，與理論值誤差較小。使用該工藝既能提高干燥速率，又能獲得品質(zhì)較高的產(chǎn)品，為開發(fā)高效率、低成本的連續(xù)可移動微波-熱風干燥裝備提供參考。