響應(yīng)面法優(yōu)化微波膨化紫心甘薯片的工藝

盧曉斌 ，楊玉玲 ，李春陽 ，盧曉會(huì) ，徐圣蘭

（1.江蘇省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)，江蘇 南京 210014）

紫心甘薯，學(xué)名川山紫，是日本最先培育出的一個(gè)品種，薯肉為紫紅色[1-2]，含有豐富的VA、VB2、胡蘿卜素、VC和鈣、磷、鐵、硒等礦物質(zhì)，還含有多種酚類物質(zhì)－花青素[3]。日本學(xué)者須田郁夫等研究表明，紫心甘薯具有極強(qiáng)的抗氧化性、去除活性氧，可預(yù)防高血壓、改善肝功能和改善視力等保健作用[4]。具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、保健功能強(qiáng)的特點(diǎn)[5]，可用來開發(fā)保健食品和功能性食品。此外，甘薯紫色素作為一種天然色素可以添加到食品中。因此，開發(fā)利用紫心甘薯具有廣闊的市場(chǎng)前景[6]。

我國對(duì)于紫心甘薯進(jìn)行的研究主要集中在品種改良、馴化、色素提取、理化性質(zhì)檢測(cè)以及抗氧化清除自由基等功能性方面[2]，而對(duì)紫心甘薯進(jìn)行微波膨化的研究還鮮見報(bào)道。膨化食品是以谷物、豆類、薯類蔬菜等為主要原料，利用油炸、擠壓、微波等膨化技術(shù)加工而成的休閑食品[7]，深受人們的喜愛。利用微波膨化技術(shù)加工食品，時(shí)間短，能最大限度的保存食品原有的營(yíng)養(yǎng)成分，膨化、干燥、殺菌工藝同時(shí)完成，而且與傳統(tǒng)的真空油炸果蔬脆片相比，具有低脂肪、低熱量和高纖維的特點(diǎn)[8-10]。雖然我國對(duì)于微波膨化應(yīng)用的基礎(chǔ)研究和設(shè)備開發(fā)還處于起步階段，但是可以預(yù)見，微波膨化技術(shù)將成為膨化食品生產(chǎn)發(fā)展的新方向[11]。

本文主要研究了微波膨化紫心甘薯脆片的工藝，在探討預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以期生產(chǎn)出高品質(zhì)的紫心甘薯脆片，為豐富和發(fā)展紫心甘薯的加工技術(shù)和果蔬初級(jí)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化提供了一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

紫心甘薯:寧紫1號(hào)（由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所提供）；檸檬酸、VC：市售。

1.2 設(shè)備

微波爐：松下NN-K5441JF；AL104分析天平：梅特勒2托利多儀器有限公司產(chǎn)品；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產(chǎn)品。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

原料→清洗→切片→護(hù)色→燙漂→熟化→預(yù)干燥→均濕→微波膨化→二次干燥→成品

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]

1.3.2.1 切片厚度對(duì)膨化率的影響

設(shè)置切片厚度為1、3、5、7 mm，預(yù)干燥至含水量為20%，均濕處理2 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測(cè)定產(chǎn)品的膨化率、復(fù)水比和口感。

1.3.2.2 含水量對(duì)膨化率的影響

切片厚度為1 mm，設(shè)置預(yù)干燥至含水量為10%、20%、30%、40%，均濕處理2 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測(cè)定產(chǎn)品的膨化率、復(fù)水比和口感。

1.3.2.3 均濕處理時(shí)間對(duì)膨化率的影響

切片厚度為1 mm，預(yù)干燥至含水量20%，設(shè)置均濕處理為0、1、2、3 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測(cè)定產(chǎn)品的膨化率、復(fù)水比和口感。

1.3.2.4 微波膨化試驗(yàn)

1）微波功率對(duì)微波膨化甘薯脆片質(zhì)量的影響

經(jīng)處理后的甘薯片分別在高、中、低檔條件下膨化40 s，測(cè)定產(chǎn)品的膨化率、復(fù)水比和口感。

2）微波時(shí)間對(duì)微波膨化甘薯脆片質(zhì)量的影響

經(jīng)處理后的甘薯片微波中檔條件下分別膨化30、40、50、60 s，測(cè)定產(chǎn)品的膨化率、復(fù)水比和口感。

1.3.3 微波膨化紫心甘薯片工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.3.1 Plackett Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]

選取切片厚度（x1）、含水量（x2）、均濕時(shí)間（x3）、微波功率（x4）、微波時(shí)間（x5）5 個(gè)因素為影響因素，采用N=8的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)因素取2個(gè)水平：低水平“-1”和高水平“+1”，評(píng)價(jià)指標(biāo)為紫心甘薯片的膨化率，對(duì)5個(gè)試驗(yàn)因子進(jìn)行篩選，選出顯著性因子。試驗(yàn)因子及水平見表1，每一組試驗(yàn)重復(fù)3次。（本試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析及模型建立皆由Design-Expert7.0軟件輔助完成）。

表1 Plackett Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平及編碼Table 1 The designing factor level and code of Plackett Burman Test

1.3.3.2 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以Plackett Burman試驗(yàn)篩選出4個(gè)顯著性因素（切片厚度、含水量、微波功率、微波時(shí)間），然后以膨化率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因子及水平見表2。

表2 響應(yīng)曲面法因素水平編碼Table 2 The factor level and code of response surface methodology

1.3.4 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.4.1 水分測(cè)定

含水量＝（干燥前物料質(zhì)量－干燥恒重后的物料質(zhì)量）/干燥前物料質(zhì)量×100%

1.3.4.2 復(fù)水比的測(cè)定[12]

復(fù)水比＝（復(fù)水后樣品質(zhì)量-樣品質(zhì)量）/樣品質(zhì)量

1.3.4.3 體積的測(cè)定

采用小米排除法，小米粒度控制在0.9 mm～1.1 mm范圍之內(nèi)。

甘薯片體積為V=Va-Vb

式中：Va為小米加甘薯片體積；Vb為小米體積。

1.3.4.4 膨化率的計(jì)算

膨化率為 P=（V1-V2）/V2

式中：V1為膨化后的體積；V2為膨化前的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，紫心甘薯片的切片厚度宜在1 mm，含水量在20%，均濕時(shí)間控制在2 d，微波功率為中檔，微波膨化時(shí)間在40 s時(shí)膨化率較高。

2.2 Plackett Burmany試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 Plackett Burman試驗(yàn)結(jié)果

Plackett Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值，見表3。

表3 Plackett-burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值Table 3 The design of Plackett Burman test and response data

2.2.2 微波膨化紫心甘薯片顯著性因子

Plackett Burman試驗(yàn)回歸模型方差分析，見表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 The variance analysis in regression model

由表4可見：P=0.0376，決定系數(shù)R2=0.9848，說明回歸模型的擬合度較好。

對(duì)回歸方程函數(shù)顯著性的檢驗(yàn)，見表5。

由表5可見：切片厚度、含水量、微波功率、微波時(shí)間的P值均小于0.05，說明這4個(gè)參數(shù)均為顯著性影響因子。

表5 實(shí)驗(yàn)回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表Table 5 Obviously testing table of experimental coefficient of the regression equation

2.3 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)曲面分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值，見表6。

表6 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Experimental design and results of response surface analysis

由表6可知：紫心甘薯在切片厚度、含水量、微波功率、微波時(shí)間4個(gè)因素的不同條件作用下，膨化率在一個(gè)范圍內(nèi)變化波動(dòng)，其中甘薯膨化率最低為1.76%，最高為29.97%。

2.3.2 響應(yīng)面方差分析

響應(yīng)曲面試驗(yàn)方差分析，見表7。

表7 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析表Table 7 Response Surface Analysis of variance table

由表7可見，模型是極顯著的（P<0.0001），且模型的擬合度較好（R2=0.9691），反映出切片厚度、、微波功率和微波時(shí)間對(duì)紫心甘薯片的膨化有重要影響。

由表7中P值可以看出，一次項(xiàng)中切片厚度（X1）、微波功率（X3）、微波時(shí)間（X4）對(duì)膨化率的影響極為顯著，含水量（X2）為顯著；交互項(xiàng)中 X1X3、X1X4偏回歸系數(shù)顯著，說明切片厚度和微波功率、切片厚度與微波時(shí)間的交互作用對(duì)膨化率的大小影響顯著；二次項(xiàng)中X12、X32、X42偏回歸系數(shù)顯著，其他各項(xiàng)對(duì)膨化率的影響均未達(dá)到顯著水平。

2.3.3 回歸方程的建立

以紫心甘薯片的膨化率為因變量，可得擬合回歸方程：y（膨化率%）=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94X3+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35 X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，該方程可以預(yù)測(cè)紫心甘薯片的膨化率。

2.3.4 紫心甘薯脆片膨化率的響應(yīng)曲面分析

圖1直觀地給出了各個(gè)因子交互作用的響應(yīng)面的3D和等高線分析圖。從圖1響應(yīng)面的最高點(diǎn)和等高線可以看出，在所選的范圍內(nèi)存在極值，既是響應(yīng)面的最高點(diǎn)，同時(shí)也是等高線最小橢圓的中心點(diǎn)。

圖1為切片厚度與微波時(shí)間對(duì)紫心甘薯脆片膨化率的響應(yīng)曲面。

圖1 切片厚度與微波時(shí)間對(duì)甘薯片膨化率的響應(yīng)面分析Fig.1 The response surface analysis of the slice thickness and microwave time to extrusion rate of sweet potato

圖1顯示在含水量30%，微波功率為中檔（429.5W）時(shí)，切片厚度和微波時(shí)間對(duì)紫心甘薯脆片膨化率的交互作用顯著。在微波時(shí)間一定的情況下，隨著切片厚度增加，膨化率逐漸下降；在切片厚度一定時(shí)，膨化率隨著微波時(shí)間的增加而增大，當(dāng)切片厚度為1 mm，微波時(shí)間為40 s時(shí)膨化率達(dá)到最高。分析其原因，厚度的減少和微波時(shí)間的延長(zhǎng)有利于微波的能量充分作用到物料內(nèi)部，從而使膨化率增加。

2.4 最佳膨化工藝參數(shù)與膨化率的預(yù)測(cè)

根據(jù)回歸模型和Design-Expert7.0軟件分析，紫心甘薯片膨化最佳條件為:切片厚度為1 mm、水分含量20.3%、微波功率為679.99 W、微波時(shí)間為39.95 s。

在最佳工藝條件下，微波膨化紫心甘薯片（重復(fù)3次），得到甘薯片膨化率為39.17%，而預(yù)測(cè)值為40.28%，相對(duì)誤差為2.7%，該方程與實(shí)際擬合很好，可以預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)中的甘薯片膨化率。

3 結(jié)論

1）借助Design-Expert 7.0軟件，應(yīng)用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面分析，發(fā)現(xiàn)微波膨化紫心甘薯片工藝中切片厚度、預(yù)干燥水分含量、微波功率、微波時(shí)間4個(gè)因素對(duì)膨化率有顯著影響，得到膨化率的預(yù)測(cè)方程即y=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94XX+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，該回歸模型擬合度較好，能夠預(yù)測(cè)紫心甘薯脆片的膨化率。

2）通過優(yōu)化得到最佳工藝條件為：切片厚度1mm、水分含量20%、微波功率430 W、微波時(shí)間40 s，均濕2 d。

[1]石青青,楊新筍.紫心甘薯開發(fā)利用現(xiàn)狀、前景與對(duì)策[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004(2):30-33

[2]張明晶.紫心甘薯的研究進(jìn)展與綜合開發(fā)利用[J].中國食物與營(yíng)養(yǎng),2006(4):19-21

[3]湯瑾，李金生.紫心甘薯釀制甜米酒[J].釀酒，2009，36(4):79-80

[4]明興加，李坤培，張明，等.紫色甘薯的生理活性及開發(fā)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].食品研究與開發(fā)，2007，28(7):144

[5]江寧,陶明宣，金邦荃，等.微波干制紫心甘薯片的工藝優(yōu)化研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2009(3):88-92

[6]徐飛，鈕福祥，張愛君,等.速溶紫薯粉的加工工藝研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005(1):102-104

[7]陽辛鳳.微波膨化加工芒果脆片的研究[J].食品科技，2008(9):31-34

[8]蔣予箭，蔣家新.微波膨化米餅生產(chǎn)工藝條件的研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2001，(5):44-45

[9]張銘鐸，方紀(jì)安.膨化果蔬脆片生產(chǎn)技術(shù)[J].食品研究與開發(fā),1999(3):27-29

[10]李里特，李秀婷，張友龍.微波加工果蔬脆片的研究[J].食品科學(xué)，1995，16(11):20-23

[11]謝煥雄，王海鷗.我國膨化食品加工技術(shù)概況與發(fā)展[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2006(9):40-42

[12]蒲傳奮.預(yù)處理對(duì)微波膨化蘋果脆片質(zhì)量的影響[J].四川食品與發(fā)酵，2007，43(6):32-35

[13]李濤.Plackett—burman設(shè)計(jì)法篩選超聲波提取蘋果多酚工藝的主要影響因子[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2007(3):18-21