左憲強(qiáng),田洪嶺,郭淑紅,許陶瑜,吳昌娟,裴帥帥,王秋寶
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所,山西汾陽032200)
壓差膨化技術(shù)生產(chǎn)的食品除了具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)、高復(fù)水率外,產(chǎn)品質(zhì)地酥脆,保持了原食品的風(fēng)味、色澤、營養(yǎng)[1-7],具有綠色天然、品質(zhì)優(yōu)良、營養(yǎng)豐富、口感較好、食用方便、易于貯藏的優(yōu)點(diǎn)[8],越來越受到食品深加工業(yè)的青睞。
以桔梗根切片為原料,采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn),通過不同的膨化溫度、抽真空干燥溫度和抽真空干燥時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)品硬度與脆度的影響,優(yōu)化桔梗切片變溫壓差膨化干燥生產(chǎn)工藝,為桔梗酥脆切片生產(chǎn)提供技術(shù)方法和理論支撐。
供試桔梗根為2019年山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所藥材課題組生長2年的農(nóng)家品種。
TA-XT型質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro System公司產(chǎn)品;高麥芽糖漿(質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%),山東魯洲集團(tuán)產(chǎn)品;QDPH10-1型變溫壓差果蔬膨化干燥機(jī),天津市勤德新材料科技有限公司產(chǎn)品;DHG9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品;海爾冰箱。
采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定,測(cè)定條件如下:探頭HDP/BSW,測(cè)試前速度1.0 mm/s,測(cè)試速度0.5 mm/s,測(cè)試后速度5.0 mm/s。儀器自動(dòng)測(cè)定應(yīng)力的變化,給出應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線,硬度為曲線中力的峰值,單位為“g”,值越大表示被測(cè)物體的硬度越大;脆度由峰個(gè)數(shù)的多少來表示,單位為“個(gè)”。峰個(gè)數(shù)越多,產(chǎn)品酥脆度越好;反之,產(chǎn)品酥脆度越差。
桔梗酥脆切片膨化優(yōu)化工藝:原料→清洗→去除不可食用部分→切片→預(yù)干燥→膨化干燥→冷卻→包裝→成品。
預(yù)處理[9]:將經(jīng)過清洗、去皮的桔梗橫切成2.5±0.5 mm的片,在-4.0℃冷凍溫度條件下處理6 h,然后進(jìn)行解凍,再用35%的麥芽糖溶液滲透處理6 h,取出用清水沖洗,瀝水,置于80℃條件下熱風(fēng)干燥1.5 h備用[10]。
在對(duì)原材料預(yù)處理及前期探索研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓差膨化干燥優(yōu)化工藝研究。試驗(yàn)采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì),參試因素為X1(膨化溫度),X2(抽真空干燥溫度),X3(抽真空干燥時(shí)間),分別分析其對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)Y1(硬度)和Y2(脆度)的影響規(guī)律。建立產(chǎn)品指標(biāo)與參試因素之間的二次回歸方程,通過回歸方程分析參試因素對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)的影響及其變化規(guī)律,進(jìn)行優(yōu)化壓差膨化干燥加工工藝。
因素與水平設(shè)計(jì)見表1。
表1 因素與水平設(shè)計(jì)
壓差膨化干燥[11]:將預(yù)處理后的桔梗切片放于膨化罐的鋼絲托盤上,盡量保持各個(gè)處理在膨化時(shí)處于相同條件,然后裝罐密封;開啟電磁閥,連接蒸汽發(fā)生器與膨化罐,蒸汽發(fā)生器傳輸熱蒸汽加熱膨化罐,使罐內(nèi)溫度分別緩慢升至處理設(shè)計(jì)X1的膨化溫度,關(guān)閉電磁閥;開啟進(jìn)氣閥,連接空氣壓縮機(jī)與膨化罐,使罐內(nèi)壓力增加到0.2 MPa設(shè)定壓力,關(guān)閉進(jìn)氣閥,保持5 min;開啟真空泵,對(duì)真空罐進(jìn)行抽真空,使罐內(nèi)真空度達(dá)到0.098 MPa;開啟連接膨化罐和真空罐的泄壓閥,原料瞬間膨脹,并帶走膨化罐中大量水分,迅速向冷卻管道中通入冷卻水,將膨化罐內(nèi)溫度分別降至X2試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理的溫度和X3試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理的時(shí)間;然后通入冷卻水將溫度降至20~25℃。關(guān)閉泄氣閥,15 min后,打開通氣閥門,使罐內(nèi)恢復(fù)常壓;開罐分別取出樣品,進(jìn)行產(chǎn)品指標(biāo)測(cè)試[12]。指標(biāo)測(cè)試3次,取平均值。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。
表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
應(yīng)用SPSS 18軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法的回歸統(tǒng)計(jì)分析。
回歸系數(shù)及t檢驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 回歸系數(shù)及t檢驗(yàn)結(jié)果
由表3分別得到硬度和脆度與參試因素之間的二次回歸總方程式:
t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,影響Y1(硬度)的主次順序是X1(膨化溫度)>X2(抽真空干燥溫度)>X3(抽真空干燥時(shí)間),且均為負(fù)相關(guān)。X1,X2,X3均達(dá)顯著,交互作用:X1與X2,X1與X3,X2與X3均顯著。決定系數(shù)R2=0.841>0.8,F(xiàn)回=5.888*,說明其回歸方程在試驗(yàn)中有意義;影響Y2(脆度)的主次順序是X1(膨化溫度)>X2(抽真空干燥溫度)>X3(抽真空干燥時(shí)間),均為正相關(guān)。X1,X2,X3均達(dá)顯著。交互作用:X1與X2,X1與X3顯著,X2與X3不顯著。決定系數(shù)R2=0.919>0.8,F(xiàn)回=12.549*,表明回歸方程與實(shí)際吻合程度很好。
2.2.1 硬度的最優(yōu)解
在試驗(yàn)因素水平-1.682≤X1≤1.682(i=1,2,3)約束條件下,依據(jù)回歸方程(1)式,分別對(duì)X1,X2,X3求偏導(dǎo)數(shù),并令其等于零得:
解該方程組得最優(yōu)解:X1=0.473(膨化溫度104.73℃),X2=0.227(抽真空溫度86.135℃),X3=-0.492(抽真空時(shí)間82.62 min),將最優(yōu)解編碼值依次代入回歸方程(1)式得Y1的最佳指標(biāo)值:Y1=6 954.807 g。
2.2.2 脆度的最優(yōu)解
同理依據(jù)回歸方程(2)式,分別對(duì)X1,X2,X3求偏導(dǎo)數(shù),并令其等于零得:
解該方程組得最優(yōu)解:X1=0.596(膨化溫度105.96℃),X2=0.253(抽真空溫度86.265℃),X3=0.048(抽真空時(shí)間90.72 min),將最優(yōu)解編碼值依次代入回歸方程(2)式得Y2的最佳指標(biāo)值:Y2=196.651個(gè)。
2.3.1 膨化溫度對(duì)硬度與脆度的影響
依據(jù)回歸方程(1)、(2)式,令X2,X3為0得X1對(duì)Y1,Y2影響的單因素回歸子方程:
分別對(duì)其求導(dǎo)數(shù),并令其等于0,
解方程得最佳單因素效應(yīng)值:X1=0.476(膨化溫度104.76℃),Y1=6971.943 g;X1=0.649(膨化溫度106.49℃),Y1=195.313個(gè)。依據(jù)上述子方程作圖。
X1對(duì)Y1,Y2影響見圖1。
圖1 X1對(duì)Y1,Y2影響
從圖1看出,隨著膨化溫度的升高,產(chǎn)品的硬度迅速降低,到最低值后又緩慢升高;隨著膨化溫度的升高,產(chǎn)品的脆度逐漸上升,到最高值后又緩慢下降。
2.3.2 抽真空干燥溫度對(duì)硬度與脆度的影響
依據(jù)回歸方程(1)、(2)式,令X1,X3為0得X2對(duì)Y1,Y2影響的單因素回歸子方程:
分別對(duì)其求導(dǎo)數(shù),并令其等于0,解方程得最佳單因素效應(yīng)值:X2=0.664(抽真空干燥溫度88.3℃),Y1=6 943.407 g;X2=0.325(抽真空干燥溫度86.6℃),Y2=191.094個(gè)。
X2對(duì)Y1,Y2影響見圖2。
圖2 X2對(duì)Y1,Y2影響
從圖2看出,隨著抽真空干燥溫度的升高,產(chǎn)品的硬度開始較快速降低,之后又緩慢降低到最低值后又略有升高;隨著抽真空干燥溫度的升高,產(chǎn)品的脆度迅速上升,到最大值后又較慢地降低。
2.3.3 抽真空干燥時(shí)間對(duì)硬度與脆度的影響
依據(jù)回歸方程(1)、(2)式,令X1,X2為0得X3對(duì)Y1,Y2影響的單因素回歸子方程:
分別對(duì)其求導(dǎo)數(shù),并令其等于0,解方程得最佳單因素效應(yīng)值:X3=-0.612(抽真空干燥時(shí)間80.8 min),Y1=7 504.074 g;X3=0.120(抽真空干燥時(shí)間91.8 min),Y2=189.333個(gè)。
X3對(duì)Y1,Y2影響見圖3。
從圖3看出,隨著抽真空干燥時(shí)間的增加,產(chǎn)品的硬度略有上升后緩慢降低,又較快下降;隨著抽真空干燥時(shí)間的增加,產(chǎn)品的脆度迅速上升,到最大值后又較快地下降。
2.4.1 參試因素對(duì)硬度的影響
依據(jù)回歸方程(1)式,分別令3個(gè)因素中其中一個(gè)為0,得交互效應(yīng)子方程:
依據(jù)交互效應(yīng)方程,可以用Matlab軟件繪出交互效應(yīng)圖。
X1與X2對(duì)Y1的影響見圖4,X1與X3對(duì)Y1的影響見圖5,X2與X3對(duì)Y1的影響見圖6。
圖4 X1與X2對(duì)Y1影響
圖5 X1與X3對(duì)Y1影響
圖6 X2與X3對(duì)Y1影響
圖6 X2與X3對(duì)Y1影響
2.4.2 參試因素對(duì)脆度的影響
依據(jù)回歸方程(2)式,分別令3個(gè)因素中其中一個(gè)為0得交互效應(yīng)子方程:
依據(jù)交互效應(yīng)方程,可以繪出交互效應(yīng)圖。
X1與X2對(duì)Y2的影響見圖7,X1與X3對(duì)Y2的影響見圖8,X2與X3對(duì)Y2的影響見圖9。
圖7 X1與X2對(duì)Y2影響
圖8 X1與X3對(duì)Y2影響
通過對(duì)影響桔梗切片壓差膨化產(chǎn)品硬度和脆度的主要因素膨化溫度、抽真空干燥溫度和抽真空干燥時(shí)間的二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究,獲得到了產(chǎn)品的硬度和脆度與參試因素之間的回歸方程;影響產(chǎn)品硬度的主次順序是膨化溫度>抽真干燥空溫>抽真空干燥時(shí)間,且均為負(fù)相關(guān)。決定系數(shù)R2=0.841,F(xiàn)回=5.888*,說明其回歸方程在試驗(yàn)中有意義;影響脆度的主次順序是膨化溫度>抽真空干燥溫度>抽真空干燥時(shí)間,均為正相關(guān)。決定系數(shù)R2=0.919,F(xiàn)回=12.549*,表明回歸方程與實(shí)際吻合程度很好。
通過回歸方程的解析,方程的最優(yōu)解與單因素效應(yīng)值差異較明顯,表明參試因素之間交互作用明顯。方程的最優(yōu)解是參試因素對(duì)產(chǎn)品硬度和脆度的單作、交互作用綜合平衡的結(jié)果,產(chǎn)品的硬度通過脆度體現(xiàn)出來,因此最優(yōu)解就是桔梗酥脆切片壓差膨化生產(chǎn)最佳優(yōu)化加工工藝組合:膨化溫度105.96℃,抽真空干燥溫度86.265℃,抽真空時(shí)間90.72 min,脆度的最佳指標(biāo)值:Y2=196.651個(gè)。
由于采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和條件的限制,只對(duì)膨化溫度、抽真空干燥溫度、抽真空干燥時(shí)間進(jìn)行了研究,而對(duì)膨化壓力、膨化保持時(shí)間等作為統(tǒng)一條件而未列入試驗(yàn)因素,所以試驗(yàn)結(jié)果僅作后續(xù)試驗(yàn)的參考。