基于響應(yīng)面分析的刺參滲透脫水工藝

段續(xù)，王輝，任廣躍，朱文學(xué)，朱克瑞

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中糧集團(tuán)科學(xué)研究院，北京 100020）

基于響應(yīng)面分析的刺參滲透脫水工藝

段續(xù)1，王輝1，任廣躍1，朱文學(xué)1，朱克瑞2，*

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.中糧集團(tuán)科學(xué)研究院，北京 100020）

由于刺參離開海水后很快會(huì)發(fā)生自溶，所以刺參一般都是脫水后在市場上流通。傳統(tǒng)的刺參干制方法耗時(shí)太長，而且品質(zhì)較差。滲透處理可有效降低刺參的初始含水率，幾乎沒有額外能耗，因此可有效降低后續(xù)干燥處理的能耗。采用可旋轉(zhuǎn)的中心組合試驗(yàn)，利用響應(yīng)面分析方法，對刺參在滲透過程中的主要工藝參數(shù)對失水率和固形物增加率的影響進(jìn)行分析，并得到優(yōu)化的滲透工藝參數(shù)。

刺參；滲透；脫水

刺參（Stichopus japonicus）屬于無脊椎動(dòng)物棘皮動(dòng)物門（Echinodermata）刺參綱（Holothuridea），有著極高的營養(yǎng)價(jià)值，在多數(shù)亞洲國家是非常受歡迎的高值海產(chǎn)品。目前已發(fā)現(xiàn)刺參體內(nèi)含有50多種對人體生理活動(dòng)有益的營養(yǎng)成分，最具代表性的活性成分酸性黏多糖對惡性腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移具有抑制作用，這已被許多研究者所證實(shí)[1-3]。刺參蛋白質(zhì)含量高而且具有自溶的特性，其運(yùn)輸和儲存都非常困難，活刺參離開生長環(huán)境后如條件不適幾小時(shí)就會(huì)在自溶酶的作用下自溶消失，長途運(yùn)輸可減重80%，市場銷售的80%以上都是經(jīng)過各種方式加工的脫水刺參。

當(dāng)前市場主流的刺參干制品是采用傳統(tǒng)的蒸煮、掛鹽、自然晾曬相結(jié)合的脫水方法，反復(fù)的蒸煮破壞了刺參固有的多種營養(yǎng)成分，干制品含鹽量極高，不利于人體健康，另外自然晾曬的衛(wèi)生條件較差，與其高檔海產(chǎn)珍品的商品價(jià)值不符[4]。因此，近年來研究者一直在尋找新的刺參干制技術(shù)，比較具有代表性的加工手段是冷凍干燥、熱風(fēng)干燥等技術(shù)[5-6]，這些加工手段中，凍干產(chǎn)品品質(zhì)最好，但能耗太大，熱風(fēng)干燥時(shí)間較長，容易在干燥過程中繁殖大量微生物。所以，為了縮短干燥時(shí)間，前處理采用耗能較少的手段來降低刺參的初始含水率，可有效降低刺參后續(xù)干燥的成本。

滲透脫水技術(shù)是指在一定溫度下，將植物組織或動(dòng)物組織浸入高滲溶液，由于生物組織細(xì)胞膜的半透性，水分從細(xì)胞組織中滲出溶入溶液。伴隨著水分的流出，高滲溶液中的溶質(zhì)或多或少滲入細(xì)胞組織，生物組織自身的可溶性物質(zhì)，如有機(jī)酸、礦物質(zhì)、還原糖、風(fēng)味和色素物質(zhì)等也有少量滲出。滲透脫水技術(shù)應(yīng)用于水果、蔬菜、肉類、魚類等，可較好地保持果蔬、肉類加工后的品質(zhì)，降低加工能耗，因此這一技術(shù)受到國際食品界的廣泛關(guān)注[7-10]。

將滲透技術(shù)用于刺參的脫水處理，滲透劑采用食鹽，和傳統(tǒng)刺參加工方法所得干參風(fēng)味可保持一致，同時(shí)優(yōu)化控制滲透工藝參數(shù)，可以獲得含水率和含鹽量都較低的脫水產(chǎn)品。

本文目的是研究刺參在干燥預(yù)處理中，采用比較節(jié)省成本的滲透脫水工藝，利用響應(yīng)面法優(yōu)化滲透工藝參數(shù)，以保證獲得滲透后的刺參具有較高的失水率和較低的固形物增加率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

海刺參（Stichopus japonicus）：體重（100±20.5）g，體長（12±3.5）cm，厚約6 mm，購于山東萊陽水產(chǎn)品批發(fā)市場。鮮活刺參使用如下方法處理：在鮮活刺參腹部距離肛門1/4體長處，剪開長約1/4刺參體長、平行于刺參體的開口，將刺參內(nèi)臟清除，并去除附著于內(nèi)壁的5條內(nèi)筋，用清水洗凈刺參內(nèi)腔，然后處理刺參表面至干凈，用濾紙吸干刺參表面上的水分，初始含水率88.6%，備用。

1.2 主要儀器設(shè)備

HH.BII.500電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；MP200B型電子天平：上海第二天平儀器廠；101A-3型干燥箱：上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 刺參滲透脫水工藝

1.3.1.1 工藝流程

刺參→切片稱重→加入滲透脫水劑→入恒溫培養(yǎng)箱靜置滲透→取出瀝干→稱重→入電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥滲透后的海參片至恒重為止（每0.5小時(shí)取出稱重）

1.3.1.2 操作要點(diǎn)

1）切片稱重：切成一定大小的刺參片，重量大約為3 g～4 g之間，厚度為6 mm。

2）稱重：預(yù)先測定刺參片的重量，稱重前注意用濾紙吸干海參表面的水分。

3）靜置滲透：加入滲透脫水劑（食鹽溶液），固液比為1∶5，滲透溫度由恒溫培養(yǎng)箱保持，每隔30 min將浸泡溶液均勻攪拌1次。滲透結(jié)束后，將所浸泡的物料撈出，用蒸餾水洗去原料表面的鹽溶液，并用吸水紙吸干物料表面的水分。

1.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算[8]

1）滲透失水率（干基）：為每百克熱燙后的物料經(jīng)滲透后失去水分的克數(shù)。滲透后物料的失水率（干基）Wt可表示為：

式中：Wt為物料的失水率，%；a為物料的初始重量，g；b為滲透后海參片的重量，g；Wa為物料初始水分含量，%；Wb為滲透后物料水分含量，%。

失水率越高，表明所用的鹽有較高的滲透壓，有利于減輕后續(xù)干燥過程的脫水負(fù)荷，節(jié)省能量消耗。

2）固形物增加率（干基）：

式中：F為滲透后的固形物增加率，%；a為物料的初始重量，g；b為滲透后刺參片的重量，g；Wa為物料初始水分含量，%；Wb為滲透后物料水分含量，%。

固形物增加率越大，表明滲透過程中刺參吸收的鹽分越多，作為健康食品的刺參要求含鹽量盡可能低。

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用可旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，經(jīng)過大量前期預(yù)試驗(yàn)，選擇了滲透溫度、滲透濃度和滲透時(shí)間作為影響因素，考察指標(biāo)為失水率和固形物增加率。初步選擇將滲透溫度定在19℃～29℃之間，溶液濃度定在14%～26%之間，滲透時(shí)間在4 h～8 h，進(jìn)行中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平表如表1所示。

表 1 變量設(shè)計(jì)表Table 1 Design of variables

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用MINITAB14軟件，進(jìn)行可旋轉(zhuǎn)式中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析模塊對重要因素的水平進(jìn)行優(yōu)化，通過響應(yīng)面回歸過程（RSREG）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立關(guān)于失水率、固形物增加率的二次回歸模型，進(jìn)而進(jìn)行尋求最優(yōu)水平。

二次回歸方程的數(shù)學(xué)模型為:Y=b0+ΣbiXi+ΣbijXiXj（i≤j）

式中：Y分別表示失水率Wt、固形物增加率F，Xi、Xj均為因素的代碼。

2 結(jié)果與討論

2.1 失水率的影響因素分析

刺參滲透失水率和固形物增加率響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果見表2。對失水率進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，分析結(jié)果見表3。

表 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of experiment

表 3 失水率回歸方程中回歸系數(shù)的估計(jì)值Table 3 Regression Coefficients for Wt

由表3可以看出，失水率的二次回歸方程有較好的擬合度（R2=0.9105）。對此方程的回歸系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)（見表3），可以看出溶液濃度（X2）、滲透時(shí)間的二次項(xiàng)（X3X3）、滲透溫度和溶液濃度的交叉項(xiàng)（X1X2）顯著地影響海參滲透過程的失水率（P<0.05），而其他因素對失水率的影響是不夠顯著。

由表3可得出刺參滲透失水率的數(shù)學(xué)模型為Wt=-34.720 8-1.226 7X1+4.786 8X2+7.068 4X3+0.079 1X1X1-0.022 4X2X2-0.328 5X3X3-0.087 4X1X2-0.017 3X1X3+0.009 1X2X3。

各因素對刺參滲透失水率的影響趨勢，見圖1。

由圖1可見，滲透鹽溶液濃度從18%到24%失水率增加，滲透鹽溶液濃度從24%增加至32%失水率降低，高溫下失水率隨滲透鹽溶液濃度變化的這種趨勢較低溫下明顯，當(dāng)溫度在24℃～32℃時(shí)較為突出，滲透溫度越高失水率越高，只是失水率增加趨于平緩。

在滲透濃度一定的條件下，滲透溫度在16℃增加到19℃失水率降低，滲透溫度從19℃開始失水率顯著增加，滲透時(shí)間從4 h到8 h時(shí)失水率顯著增加，從滲透8 h后失水率增加緩慢。

在滲透溫度一定的條件下，滲透時(shí)間從2 h到6 h失水率增加明顯，從6 h到8 h失水率增加緩慢，8 h后失水率幾乎無增加量，溶液濃度的高低對這種趨勢的變化幾乎無影響。

2.2 固形物增加率的影響因素分析

固形物增加率的響應(yīng)面回歸分析結(jié)果見表4。可知，刺參滲透脫水固形物增加率的二次回歸方程有較好的擬合度（R2=0.8360）。對此方程的回歸系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，可以看出滲透溫度（X1）、滲透溫度的二次項(xiàng)（X1X1）、滲透溫度和溶液濃度的交叉項(xiàng)（X1X2）顯著地影響刺參的滲透固形物增加率（P<0.05），其他因素則對固形物增加率的影響是不顯著的。另外，由表4可得出固形物增加率的數(shù)學(xué)模型為F=-22.7778+7.4415X1-2.8825X2+8.7437X3-0.1880X1X1-0.0445X2X2-0.0572X3X3+0.2209X1X2-0.2364X1X3-0.1497X2X3。

表 4 固形物增加率回歸方程中回歸系數(shù)的估計(jì)值Table 4 Regression Coefficients for F

各因素對固形物增加率的影響趨勢，見圖2。

由圖2可知，當(dāng)滲透時(shí)間一定時(shí)，固形物增加率隨滲透溫度的增加而下降，其中16℃至24℃固形物下降較為平緩，24℃至32℃固形物下降比較顯著；固形物增加率隨溶液濃度的增加而增加，鹽溶液濃度在10%至15%范圍內(nèi)固形物增加率比較顯著，在15%至30%濃度范圍內(nèi)固形物增加較為平緩。

當(dāng)滲透濃度一定時(shí)，滲透溫度在16℃至24℃范圍內(nèi)固形物增加率呈上升趨勢，增加顯著，滲透溫度從24℃開始降低趨勢比較平緩；固形物增加率隨時(shí)間的延長而逐漸降低。

當(dāng)滲透溫度一定時(shí)，固形物增加率隨滲透鹽溶液的濃度而逐漸增加，當(dāng)滲透鹽溶液濃度的增加到20%，固形物增加率逐漸趨于穩(wěn)定，略有下降趨勢；固形物增加率與滲透時(shí)間的關(guān)系則較為復(fù)雜，在低濃度時(shí)隨時(shí)間的延長固形物增加率呈現(xiàn)增加趨勢，而在高濃度條件下，固形物增加率隨著滲透時(shí)間的延長呈下降趨勢。

2.3 刺參滲透條件的優(yōu)化

由于采用食鹽作為滲透劑，后續(xù)加工采用現(xiàn)代干燥技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步脫水，故希望得到具有盡量低的含水率和含鹽量的滲透產(chǎn)品。因此，需要尋找較優(yōu)的工藝條件，在滲透操作中得到較高的失水率和較低的固形物增加率。這就需要對這2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行等高線圖的分析。在進(jìn)行等高線圖分析中，首先選擇較高的滲透失水率范圍（本試驗(yàn)選擇為60%～80%），然后選擇較低的固形物增加率范圍（本試驗(yàn)選擇為10%～30%）。MINITAB14所繪制的響應(yīng)面分析中失水率和固形物增加率的等高線重疊圖，見圖3。

白色區(qū)域?yàn)檩^高的失水率和較低的固形物增加率的重合區(qū)域。通過等高線圖可得到優(yōu)化結(jié)果為：滲透溫度為10℃～15℃、鹽水濃度為20%～25%、滲透時(shí)間為6 h～8 h。這和常見的果蔬滲透加工工藝有所不同，值得注意的是海參的滲透處理應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，這樣才能獲得較好的效果。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，在滲透溫度為15℃，鹽水濃度為20%，滲透時(shí)間為5 h的條件下，海參的失水率為81%，固形物增加率為22%，效果較好。

3 結(jié)論

滲透處理可有效降低刺參的初始含水率，使后續(xù)的進(jìn)一步干燥處理降低負(fù)荷。利用食鹽作為滲透劑符合傳統(tǒng)刺參的食用習(xí)慣，并能取得較好的滲透脫水效果。在滲透過程中，溶液濃度對刺參滲透過程的失水率影響最為顯著，而滲透溫度對刺參的固形物增加率影響最為顯著。通過響應(yīng)面分析試驗(yàn)，得到優(yōu)化的滲透工藝條件為：滲透溫度為10℃～15℃、鹽水濃度為20%～25%、滲透時(shí)間為6 h～8 h。

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The Osmotic Dehydration Technique of Stichopus japonicus Based on Response Surface Analysis Methodology

DUAN Xu1，WANG Hui1，REN Guang－yue1，ZHU Wen－xue1，ZHU Ke－rui2，*

（1.Food and Biology Engineering College，Henan University of Science＆ Technology，Luoyang 471003，Henan，China；2.Research Center of China Oil＆ Foodstuffs Corporation，Beijing 100020，China）

As sea cucumber autolyzes readily it must be dehydrated for preservation.Traditional drying methods for sea cucumber need very long time，and have adverse affects on product quality.Almost without any energy consumption，osmotic treatment can reduce the original moisture content of the sea cucumber.As a result，the osmotic dehydration can be used to reduce the energy consumption of the post－drying treatment of the sea cucumber.A central composite experiment design was used in this paper，and the effects of main parameters of the osmotic procedure on the water loss rate and the solutes gain rate were sudied by the response surface methodology.The optimized technique parameters of the osmotic dehydration were acquired.

Stichopus japonicus；osmosis；dehydration

河南省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2011B550003）；河南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（09001417）

段續(xù)（1973—），男（漢），副教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工新技術(shù)。

*通信作者：朱克瑞（1972—），男，高級工程師，博士，研究方向：食品加工高新技術(shù)。

2011-03-10