楊 慧，吳洪斌，賈文婷，劉戰(zhàn)霞

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

哈密瓜是新疆特色果品，其口感清甜、風(fēng)味獨(dú)特，含有糖類、多種維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有“瓜中之王”的美稱[1-2]。近年來，新疆哈密瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[3-4]，種植面積和產(chǎn)量逐年增加，但因哈密瓜采摘期集中、貨架期短，且含水量、含糖量高易發(fā)生霉變和腐爛，使其在貯運(yùn)、保鮮和銷售過程中面臨極大的困難，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[5-6]。

干燥是果蔬加工的重要方式之一[7]，可有效延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期，降低貯運(yùn)成本[8]。目前應(yīng)用于哈密瓜的干燥技術(shù)主要有熱風(fēng)干燥[9]、熱泵干燥[10]、真空冷凍干燥[11]、微波干燥[12]和變溫壓差膨化干燥[13]等。熱風(fēng)干燥工藝簡(jiǎn)單易操作、成本低，但加工時(shí)間長(zhǎng)，熱源利用率低，且高溫會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)損失較大[14]；熱泵干燥具有溫濕度控制精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)低溫干燥的優(yōu)點(diǎn)，但容易造成產(chǎn)品表面的“結(jié)殼”現(xiàn)象[15]；真空冷凍干燥可最大程度地保留物料的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但設(shè)備投入大、能耗高，工藝操作復(fù)雜[16]；微波干燥時(shí)間短，但存在干燥不均，產(chǎn)品外部邊緣等部位易焦化等缺點(diǎn)[17]；變溫壓差膨化干燥是通過控制溫度和壓力的瞬時(shí)變化作用于物料，使最終產(chǎn)品具有口感酥脆、保留物料原有的大部分風(fēng)味、色澤和營(yíng)養(yǎng)的特點(diǎn)，最終所得產(chǎn)品脆片比傳統(tǒng)的干制品口感更佳，比油炸脆片更健康[18]。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，業(yè)內(nèi)專家針對(duì)變溫壓差膨化干燥技術(shù)做了大量研究工作，如探討預(yù)處理技術(shù)或聯(lián)合其他干燥技術(shù)對(duì)變溫壓差膨化干燥的影響，從而達(dá)到提高干燥速率和產(chǎn)品品質(zhì)的目的[19-21]。

為充分利用真空冷凍干燥和變溫壓差膨化干燥的優(yōu)勢(shì)，在有效節(jié)約能耗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高哈密瓜干燥產(chǎn)品品質(zhì)，采用真空冷凍干燥技術(shù)與變溫壓差膨化干燥技術(shù)聯(lián)合的方式，探討其對(duì)哈密瓜脆片含水率、感官品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，旨在為提高哈密瓜脆片品質(zhì)和哈密瓜干燥工藝的優(yōu)選提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

哈密瓜（西州蜜25 號(hào)），購(gòu)于新疆石河子市九鼎果蔬市場(chǎng)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

SUI-125 真空冷凍干燥機(jī)，南京蘇恩瑞干燥設(shè)備有限公司；QDPH10-1 變溫壓差膨化干燥機(jī)，天津市勤德新材料科技有限公司；101-4ABS 熱風(fēng)循環(huán)干燥箱，北京永光明設(shè)備有限公司；Ta.XT 2i/50 質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Micro Systems 公司；TGL16M 高速離心機(jī)，常州市萬豐儀器制造有限公司；ZG-EV-2600R 可見分光光度計(jì)，上海卓光儀器科技有限公司；CR-400色彩色差儀，日本美能達(dá)公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

新鮮哈密瓜→清洗→去皮、去瓤→切分→預(yù)處理→真空冷凍干燥→變溫壓差膨化干燥→冷卻→分級(jí)→包裝→成品

1.2.2 操作要點(diǎn)

將哈密瓜經(jīng)過清洗切片后放入濃度為2%的NaCl 溶液中進(jìn)行預(yù)處理3 h，液料比為2∶1（mL/g），用去離子水清洗2 次，將哈密瓜切片瀝干后裝盤，置于-40 ℃條件下預(yù)凍12 h，進(jìn)行真空冷凍干燥到轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率后，進(jìn)行變溫壓差膨化干燥至最終成品。真空冷凍干燥預(yù)設(shè)參數(shù)為：隔板加熱溫度60 ℃，壓力0.1kPa；變溫壓差膨化干燥預(yù)設(shè)參數(shù)為：膨化溫度80 ℃，壓力0.2 MPa，抽真空溫度60 ℃，抽真空時(shí)間1.5 h[14,22]。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按“1.2.2”操作要點(diǎn)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、膨化溫度、抽真空溫度、抽真空時(shí)間和停滯時(shí)間對(duì)哈密瓜脆片含水率、感官品質(zhì)和VC 含量的綜合影響。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 真空冷凍-變溫壓差膨化單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Single factor experiment design of vacuum freezemodified temperature and pressure explosion puffing drying

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將哈密瓜經(jīng)真空冷凍干燥至含水率為45%，進(jìn)行變溫壓差膨化干燥試驗(yàn)，選擇膨化溫度A、抽真空溫度B、抽真空時(shí)間C 為試驗(yàn)因素，將哈密瓜脆片含水率、感官評(píng)分和VC 含量作為響應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)Box-Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，篩選哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥最優(yōu)工藝參數(shù)，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels for response surface test

1.2.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.5.1 含水率

參照GB/T 5009.3—2016[23]中的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.5.2 VC 含量

參照GB 5009.86—2016[24]，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測(cè)定。

1.2.5.3 哈密瓜脆片的感官評(píng)定

對(duì)哈密瓜脆片的色澤、形態(tài)、滋味和口感進(jìn)行評(píng)價(jià)。感官評(píng)定小組由12 位食品專業(yè)人員組成，采用盲樣評(píng)定法逐一對(duì)樣品感官品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)分，取平均值進(jìn)行分析。感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 哈密瓜脆片感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory evaluation criteria of Hami-melon chips

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用軟件IBM SPSS Statistics 18 和Design-Expert V 8.0.6 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響

由表4 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為55%時(shí)，哈密瓜脆片含水率過高（11.64%），感官評(píng)分、VC 含量均顯著低于其他組（P＜0.05），可能含水率過高，在膨化干燥階段很難將水分迅速氣化，影響膨化效果，導(dǎo)致脆片樣品硬度、脆度等質(zhì)構(gòu)品質(zhì)較差，VC 等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)損失較大。當(dāng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為25%、35%、45%時(shí)，哈密瓜脆片組間含水率、感官評(píng)分和VC 含量均沒有顯著差異。因此，從節(jié)約能源成本角度考慮，確定真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為45%。

表4 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響Table 4 Effect of preliminary drying moisture content on the quality of Hami-melon chips

2.1.2 膨化溫度對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響

由表5 可知，隨著膨化溫度的升高，哈密瓜脆片含水率呈下降趨勢(shì)，70、80 ℃與90、100 ℃組差異顯著（P＜0.05）。感官評(píng)分隨著膨化溫度的提高呈先增加后降低的趨勢(shì)，90 ℃時(shí)達(dá)到最大值8.4 分，此時(shí)哈密瓜脆片色澤鮮亮、口感酥脆，這可能是因?yàn)闇囟鹊闹饾u升高加速了氧化還原反應(yīng)，熱加工時(shí)間縮短，褐變反應(yīng)減少；當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)，褐變度加劇，導(dǎo)致感官評(píng)分顯著降低。當(dāng)膨化溫度在70～90 ℃之間時(shí)，VC含量隨著膨化溫度的升高而增加，且組間差異顯著（P＜0.05），原因可能是溫度升高提高了干燥速率，從而降低了VC 的損失率；當(dāng)溫度超過90 ℃時(shí)，高溫加速了VC 的降解速率，使VC 含量快速降低。因此，選擇膨化溫度90 ℃進(jìn)行后續(xù)考察。

表5 膨化溫度對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響Table 5 Effect of puffing temperature on the quality of Hami-melon chips

2.1.3 抽真空溫度對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響

由表6 可知，當(dāng)抽真空溫度為55 ℃和60 ℃時(shí)，哈密瓜脆片含水率過高，分別為17.84%和10.36%；抽真空溫度為65 ℃和70 ℃時(shí)，含水率、感官評(píng)分及VC 含量組間差異不顯著。溫度過高會(huì)增加干燥成本，且容易發(fā)生褐變和破壞產(chǎn)品熱敏性成分，因此，選擇抽真空溫度為65 ℃進(jìn)行后續(xù)考察。

表6 抽真空溫度對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響Table 6 Effect of vacuum-drying temperature on the quality of Hami-melon chips

2.1.4 抽真空時(shí)間對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響

由表7 可知，當(dāng)抽真空時(shí)間低于1.50 h 時(shí)，哈密瓜脆片樣品含水率過高，當(dāng)抽真空時(shí)間為1.50、1.75、2.00 h 時(shí)，組間哈密瓜脆片樣品含水率無顯著差異；感官評(píng)分隨抽真空時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后下降，當(dāng)抽真空時(shí)間為1.75 h 時(shí)達(dá)到最高值8.4 分，且與其他組相比差異顯著（P＜0.05）；VC 含量隨著抽真空時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)抽真空時(shí)間為2.00 h 時(shí)最高達(dá)到37.59 mg/100 g，但與1.75 h 組相比差異不顯著。因此，選擇抽真空時(shí)間為1.75 h 進(jìn)行后續(xù)考察。

表7 抽真空時(shí)間對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響Table 7 Effect of vacuum-drying time on the quality of Hami-melon chips

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取膨化溫度（A）、抽真空溫度（B）和抽真空時(shí)間（C）為自變量，以干燥后哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率、感官評(píng)分和VC 含量為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面Box-Behnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表8。

表8 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 8 Response surface experimental design and results

2.2.2 回歸方程及其顯著性分析

對(duì)表8 中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立哈密瓜脆片的含水率（Y1）、感官評(píng)分（Y2）和VC 含量（Y3）對(duì)膨化溫度（A）、抽真空溫度（B）、抽真空時(shí)間（C）的多元二次回歸方程模型：

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表9。

表9 回歸方程方差分析Table 9 Variance analysis of regression equation

模 型1、2、3 的R2值 分 別 為0.962 6、0.847 7、0.975 7，R2adj值分別為0.914 5、0.651 9、0.944 4。

由表9 可看出，含水率（Y1）和VC 含量（Y3）預(yù)測(cè)模型P＜0.01，其模型的決定系數(shù)R2和模型調(diào)整決定系數(shù)R2adj均大于0.9，說明回歸方程的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值一致性較高，能很好地預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化；感官評(píng)分（Y2）預(yù)測(cè)模型P＜0.05，決定系數(shù)R2＜0.9，即模型擬合度較低。影響Y1和Y2的因素主次順序?yàn)锳＞C＞B，其中A、C 對(duì)Y1影響極顯著（P＜0.01），對(duì)Y2影響顯著（P＜0.05）；影響Y3的因素主次順序是B＞C＞A，其中B 和C 對(duì)Y3影響極顯著（P＜0.01）。綜合分析，各因素對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大小和程度不同，原因可能是在膨化階段，膨化溫度為哈密瓜片水分氣化提供能量，使水分加速氣化，含水率降低，同時(shí)膨化階段對(duì)哈密瓜的質(zhì)構(gòu)狀態(tài)有重要影響，能有效使哈密瓜內(nèi)部形成海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，促使哈密瓜脆片產(chǎn)品產(chǎn)生酥脆口感，從而提高產(chǎn)品的感官評(píng)分；在抽真空階段，抽真空溫度、抽真空時(shí)間對(duì)哈密瓜脆片VC 含量影響顯著。

2.2.3 各因素響應(yīng)面分析

為探討各因素間的交互作用對(duì)各響應(yīng)值的影響，固定其中1 個(gè)因素為0 水平，繪制其他兩個(gè)因素交互作用的響應(yīng)面和等高線圖，如圖1～3 所示。

由圖1 可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，含水率Y1隨A、B、C 升高呈下降趨勢(shì)。其中Y1隨A 升高快速降低，隨B、C 升高緩慢降低，且AB 交互作用極顯著（P＜0.01），AC、BC 交互作用不顯著。說明溫度越高，哈密瓜脆片含水率越低，且含水率受膨化溫度的影響大于抽真空溫度、抽真空時(shí)間，與回歸方程的方差分析結(jié)果一致。

圖1 各因素間的交互作用對(duì)哈密瓜脆片含水率的影響Fig.1 Effect of the interaction of parameters on the moisture content of Hami-melon chips

由圖2a 和圖2b 可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，感官評(píng)分Y2隨A 的升高而快速升高，隨B 的升高呈先上升后降低趨勢(shì)。當(dāng)B 處于較低水平時(shí)，感官評(píng)分Y2隨B 升高而升高；當(dāng)A 處于任何水平時(shí)，Y2隨A 升高而明顯升高。原因可能是因?yàn)檩^高的膨化溫度為水分氣化提供能量，增強(qiáng)了氣體的膨脹力，形成疏松多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使哈密瓜脆片的酥脆口感增強(qiáng)，從而增加了感官評(píng)分。由圖2c 可以看出，隨著B、C 的增加，感官評(píng)分Y2呈先升高后下降趨勢(shì)。當(dāng)B 水平較低時(shí)，感官評(píng)分Y2隨著C 的延長(zhǎng)而逐漸增大，當(dāng)B水平較高時(shí)，感官評(píng)分Y2快速降低，這可能是因?yàn)檎婵崭稍飾l件下，溫度升高促使美拉德反應(yīng)和定型物質(zhì)如蛋白質(zhì)變性加劇，導(dǎo)致哈密瓜脆片產(chǎn)品色澤加深和膨化效果受到影響，從而導(dǎo)致感官評(píng)分降低。當(dāng)C 處于高水平時(shí)，感官評(píng)分Y2變化的趨勢(shì)隨著C 變化趨勢(shì)減弱。

圖2 各因素間的交互作用對(duì)哈密瓜脆片產(chǎn)品感官評(píng)分的影響Fig.2 Effect of the interaction of parameters on the sensory score of Hami-melon chips

由圖3 可知，隨著3 因素編碼值組合的變化，哈密瓜脆片VC 含量Y3先升高后降低，說明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，各交互因子均有一個(gè)最佳水平組合使VC 含量Y3達(dá)到最高。從圖3a 可知，當(dāng)B 水平較低時(shí)，Y3隨著A 的升高快速升高，當(dāng)B 水平較高時(shí)，Y3隨著A 的升高開始降低；而當(dāng)A 處于任何水平時(shí)，Y3隨B 升高而明顯升高；當(dāng)AB 達(dá)到一定組合值后，VC 含量Y3開始下降，說明VC 含量在此條件下有一個(gè)最大值。由圖3b 可知，固定B 為0 水平時(shí)，VC 含量Y3分別隨A、C 增加而提高，但當(dāng)A 超過90 ℃后，Y3開始緩慢下降，變化不明顯；當(dāng)C 超過1.75 h 以后，Y3隨抽真空時(shí)間延長(zhǎng)快速下降，變化明顯。由圖3c 可知，固定A 為0 水平時(shí)，當(dāng)B 和C 水平較低時(shí)，VC 含量Y3先迅速升高然后降低，原因可能是VC 受抽空干燥過程中高溫及真空的影響，導(dǎo)致其受到破壞而發(fā)生分解。

圖3 各因素間的交互作用對(duì)哈密瓜脆片產(chǎn)品VC 含量的影響Fig.3 Effect of the interaction of parameters on the VC content of Hami-melon chips

2.3 多目標(biāo)聯(lián)合求解工藝參數(shù)優(yōu)化和模型驗(yàn)證

采用Design-Expert V8.0.6 分析軟件對(duì)含水率（Y1）、感官評(píng)分（Y2）和VC 含量（Y3）進(jìn)行多目標(biāo)聯(lián)合求解，其目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為

通過以上函數(shù)求解，確定優(yōu)化工藝參數(shù)為：膨化溫度92.91 ℃，抽真空溫度66.32 ℃，抽真空時(shí)間1.86 h，通過模型預(yù)測(cè)出哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率為4.58%，感官評(píng)分7.14 分，VC 含量48.89 mg/100 g。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況和方便操作需求，將工藝條件修改為膨化溫度93 ℃，抽真空溫度66 ℃，抽真空時(shí)間1.9 h。按照優(yōu)化工藝進(jìn)行驗(yàn)證，生產(chǎn)出的哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率為4.71%，感官評(píng)分7.0 分，VC 含量47.14 mg/100 g，品質(zhì)較好。

3 討論

哈密瓜含水量和含糖量較高，干燥過程中哈密瓜脆片表面易產(chǎn)生硬化、干縮及褐變現(xiàn)象，導(dǎo)致哈密瓜脆片出現(xiàn)色澤、風(fēng)味、品質(zhì)損失嚴(yán)重等問題[25-26]。深入研究聯(lián)合干燥技術(shù)并優(yōu)化其工藝參數(shù)對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的影響，有助于推動(dòng)加工哈密瓜脆片的技術(shù)升級(jí)和品質(zhì)提升。在真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥過程中，水氣化產(chǎn)生的膨脹力在哈密瓜脆片不同部位的較大差別使其內(nèi)部高分子物質(zhì)變形的程度、孔隙的大小及分布產(chǎn)生不同，從而使哈密瓜脆片在外觀上形成了差異。如何實(shí)現(xiàn)真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥中對(duì)哈密瓜脆片品質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控，提高哈密瓜脆片產(chǎn)品的均一性和穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，進(jìn)一步研究哈密瓜脆片的其他營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，如黃酮類、多酚類、特有風(fēng)味物質(zhì)和抗氧化能力等的變化規(guī)律，為提高產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，優(yōu)化和豐富產(chǎn)品口味，開發(fā)出滿足市場(chǎng)需求的休閑食品奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究通過綜合考察哈密瓜脆片含水率、感官評(píng)分和VC 含量的變化，確定了哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為45%。建立了3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的多元二次回歸模型，發(fā)現(xiàn)除含水率外，產(chǎn)品感官評(píng)分和VC 含量的模型R2均達(dá)到0.85 以上，擬合度較好，可以用來預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化。利用響應(yīng)面法考察了膨化溫度、抽真空溫度、抽真空時(shí)間及其交互作用對(duì)哈密瓜脆片含水率、感官評(píng)分和VC 含量的影響，得到哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥優(yōu)化參數(shù)為：膨化溫度93 ℃，抽真空溫度66 ℃，抽真空時(shí)間1.9 h，該工藝下生產(chǎn)出的哈密瓜脆片含水率4.71%，感官評(píng)分7.0 分，VC 含量47.14 mg/100 g，產(chǎn)品品質(zhì)較好，工藝穩(wěn)定可行，為提高哈密瓜脆片品質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。