響應(yīng)面法優(yōu)化山藥粉的護色工藝

張貞貞，陸啟玉，王晶晶，牛巧娟

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州 450001）

響應(yīng)面法優(yōu)化山藥粉的護色工藝

張貞貞，陸啟玉*，王晶晶，牛巧娟

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州 450001）

以鮮山藥為原料，采用熱風(fēng)干燥法制備山藥粉。在單因素實驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法研究了檸檬酸、抗壞血酸、植酸、氯化鈣4因素對山藥粉白度的影響，可以得出熱風(fēng)干燥法制備山藥粉的最優(yōu)護色工藝條件為：檸檬酸濃度1.28%、L-抗壞血酸濃度0.05%，植酸濃度0.12%，氯化鈣濃度0.3%，山藥粉的實際甘茨白度為23.56。實驗研究表明，以甘茨白度作為山藥粉色澤評判的指標(biāo)，并用響應(yīng)面法對山藥護色工藝的優(yōu)化合理可行，為山藥粉護色工藝提供一定的理論支持。

山藥，熱風(fēng)干燥，響應(yīng)面法，甘茨白度

山藥是薯蕷科薯蕷屬植物的塊莖，是我國衛(wèi)生部公布的具有藥食兼用的植物之一。山藥中主要營養(yǎng)成分包括水、淀粉、多糖（粘液質(zhì)和糖蛋白）、蛋白質(zhì)及其他微量成分組成。研究表明，山藥中的多糖及無機元素有助于調(diào)節(jié)和增強免疫功能，粗纖維、淀粉（糖）能調(diào)整和促進腸胃功能，淀粉酶具有調(diào)整和降低血糖的功能，山藥多糖具有調(diào)整機理和抗衰老作用，且山藥還具有調(diào)節(jié)血脂和抗腫瘤的作用[1-3]。山藥因水分含量大（普通山藥水分最高可達90%）、易褐變、易斷等特點而不利于長期保存和運輸，所以為了儲藏和運輸方便，一般把山藥做成山藥片或山藥粉。在加工中防止山藥切片發(fā)生褐變是制作山藥粉的關(guān)鍵因素。在過去的干制過程中主要以硫熏和亞硫酸鹽浸泡來防止褐變，現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)含硫制品可以影響人體對鈣的吸收，還能刺激人的腸胃[2]。因此現(xiàn)在廣泛的開展無硫護色劑的研究。

在查閱相關(guān)文獻中發(fā)現(xiàn)，研究中多以山藥的褐變度、PPO抑制作用或多酚氧化酶殘留活性的吸光值作為評判標(biāo)準(zhǔn)[3-6]，而在實際的實驗中發(fā)現(xiàn)，護色劑的添加不僅影響山藥粉的褐變度，還影響其色澤的紅度值和黃度值，這與趙喜亭、王會珍、李明軍敘述的次氯酸鈉會使鐵棍山藥片變紅褐色一致[5]，所以需要找出一個新的指標(biāo)來對山藥粉的色澤作整體的評價。真空冷凍干燥因干制過程避免了與氧氣的接觸，所以制作出的山藥粉最接近其真實色澤，測得其甘茨白度為54.47，大于小麥粉的46.34，說明山藥本身的色澤是比小麥粉更白的顏色，而白度值作為小麥粉 、淀 粉 的 色 澤 評 價 指 標(biāo) 已 經(jīng) 成 為 行 業(yè) 的 共 識[7-10]。王治畿研究表明應(yīng)用甘茨公式表達的最白和最不白的數(shù)字范圍較其他表達公式寬，測定結(jié)果與目視一致[11]，所 以 本 實 驗 嘗 試 用 甘 茨 白 度 作 為 山 藥 粉 色 澤的評價指標(biāo)，色澤白度值越高，說明其對山藥粉的護色效果也越好。并且在山藥粉的生產(chǎn)加工中主要以熱風(fēng)干燥為主，所以把甘茨白度（是CIE白度委員會在1986年正式公布出版的白度公式）作為指標(biāo)，優(yōu)化熱風(fēng)干燥法制備山藥粉的護色工藝具有重要的意義。

本研究以山藥為原料，采用熱風(fēng)干燥方法，以甘茨白度為指標(biāo)考察檸檬酸、植酸、抗壞血酸、氯化鈣4個因素對山藥粉色澤的影響，通過響應(yīng)面法分析對實驗條件進行優(yōu)化，確定熱風(fēng)干燥法制備山藥粉的最佳護色工藝方案。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

山藥 產(chǎn)地：河南商丘，購于鄭州蓮花市場，新鮮山藥置于4℃冰柜內(nèi)冷藏保存?zhèn)溆肹12]；檸檬酸 分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠；抗壞血酸、氯化鈣 分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；植酸（含量≥70.0%） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司，為生化試劑。

ML204電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；FW-200高速萬能粉碎機 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；WSC-S測色色差計 上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；DHG-9036A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 山藥粉的制備 將山藥從4℃冰柜內(nèi)拿出，快速洗凈削皮，切成4mm左右厚薄片，以每片加入20mL護色液的比例對山藥片護色2h，護色后放入電熱恒溫干燥箱中烘干至恒重，其水分含量在9%以下，取出自然晾至室溫后用萬能粉碎機粉碎，過80目，因山藥在磨粉時，有近一半的山藥粉不能過80目，為了使結(jié)果更精確，未過80目的顆粒用研體研磨過80目裝袋保存（注：所使用儀器和設(shè)備均為不銹鋼或玻璃材質(zhì)）。

1.2.2 山藥甘茨白度的測定 按照WSC-S測色色差儀測定方法測出山藥粉的白度值。

1.2.3 護色劑對山藥粉影響的單因素實驗 將山藥切成4mm厚薄片，分別僅以0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的檸檬酸濃度作為護色液，按方法1.2.1在60℃的電熱恒溫干燥箱中干燥至恒重，制備山藥粉，后按照1.2.2測定甘茨白度，確定檸檬酸對山藥粉色澤的影響。按照上述方法，分別僅以0%、0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%的抗壞血酸濃度，僅以0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%的植酸濃度，僅以0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的氯化鈣濃度作為護色液，制備山藥粉，測定甘茨白度，確定抗壞血酸、植酸、氯化鈣對山藥粉色澤的影響。

1.2.4 山藥護色的響應(yīng)面實驗設(shè)計 在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合設(shè)計原理，以檸檬酸、植酸、抗壞血酸、氯化鈣四個因素為自變量，甘茨白度為響應(yīng)值，設(shè)計了四因素三水平共29個實驗點的響應(yīng)面分析實驗，其中24析因?qū)嶒?，最?個為中心實驗。其因素水平分析選取見表1。采用Design-Expert 8.05b軟 件 中 的Box-Benhnken 進 行 響應(yīng)面法的設(shè)計和分析。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 在SPSS 17.0軟件中進行單因素數(shù)據(jù)的處理和分析。

表1 響應(yīng)面分析實驗因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experment

2 結(jié)果與分析

2.1 山藥粉熱風(fēng)干燥用護色劑的單因素實驗

2.1.1 檸檬酸濃度對山藥粉甘茨白度的影響 檸檬酸濃度對山藥粉甘茨白度的影響實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 檸檬酸濃度對甘茨白度的影響Fig.1 Effect of citric acid concentration on the Ganz whiteness

由圖1可知，當(dāng)檸檬酸濃度從0%～1.2%時，甘茨白度隨著濃度的增加逐漸增加，而當(dāng)檸檬酸的濃度上升到1.6%～2.0%時，甘茨白度逐漸下降。其原因主要是檸檬酸加入降低了山藥內(nèi)部的酸性，同時檸檬酸中的三個羧基螯合PPO中的銅離子，進而抑制PPO的活性，進而改善山藥的色澤，但當(dāng)其過量加入時導(dǎo)致山藥粉白度的降低，主要是其色澤偏黃而不是褐變加深，分析其原因可能是過低的pH導(dǎo)致了其組分化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化而導(dǎo)致其變黃。綜合考慮確定最佳檸檬酸濃度為1.2%。

2.1.2 L-抗壞血酸濃度對山藥粉白度的影響 L-抗壞血酸濃度對山藥粉甘茨白度的影響實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同的抗壞血酸濃度對甘茨白度的影響Fig.2 Effect of L-ascorbic acid concentration on the Ganz whiteness

由圖2可知，當(dāng)抗壞血酸濃度由0%～0.08%時，甘茨白度逐漸增強，而由0.08%～0.16%時呈現(xiàn)急劇下滑趨勢，而后又有稍微的回升趨勢。分析其原因可能是，一方面在護色過程中L-抗壞血酸促使鄰醌轉(zhuǎn)變?yōu)榉宇愇镔|(zhì)，造成了酚類物質(zhì)的聚集，而酚類物質(zhì)在熱風(fēng)干燥過程中隨著水分的揮發(fā)轉(zhuǎn)移到物品表面與氧氣反應(yīng)生成紅色物質(zhì)[13]；另一方面是L-抗壞血酸在干燥過程中與氧氣反應(yīng)而逐漸被消耗，減弱了其抑制作用，最終導(dǎo)致了山藥色澤變差。但是因為L-抗壞血酸在鮮切片護色時可以消耗水中的氧和抑制在加其他護色劑的條件下還能發(fā)生的褐變反應(yīng)，并且多項研究表明抗壞血酸對PPO的抑制效果很好，在山藥鮮切片護色的研究中也證實抗壞血酸的效果最好，同時研究中也證明抗壞血酸與檸檬酸混合使用具有增效作用[14-22]，所以綜合考慮加入L-抗壞血酸，其最佳濃度為0.08%。

2.1.3 植酸對山藥粉白度的影響 植酸濃度對山藥粉甘茨白度的影響實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同的植酸濃度對甘茨白度的影響Fig.3 Effect of Phytic acid concentration on the Ganz whiteness

由圖3可知，當(dāng)植酸濃度從0%～0.15%時，甘茨白度逐漸增加，而當(dāng)植酸濃度達到0.15%～0.25%，白度變化趨于平穩(wěn)。其可以抑制山藥粉褐變的原因與檸檬酸類似，都是通過降低pH和與金屬發(fā)生螯合作用而抑制PPO的活性，進而改變山藥粉的色澤。確定植酸的最佳濃度為0.15%。

2.1.4 氯化鈣對山藥粉白度的影響 由圖4可知，甘茨白度在0%～0.2%，呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢，0.2～0.5%先降低后升高至平穩(wěn)的趨勢。氯化鈣護色作用可能是鈣離子與山藥細胞壁上的果膠酸反應(yīng)生成果膠酸鈣，從而保持細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，阻止底物與酶類接觸，降低酶褐變程度，并且鈣鹽與其他褐變抑制劑結(jié)合對褐變有增效作用。其變化趨勢與范文廣研究的鈣離子對多酚氧化酶的活性抑制規(guī)律相一致，且其最佳濃度與趙喜亭研究的最佳濃度0.25%基本一致，這進一步證明甘茨白度應(yīng)用與山藥褐變的可行性[5，23]。綜合考慮氯化鈣的最佳濃度為0.2%。

圖4 不同的氯化鈣濃度對甘茨白度的影響Fig.4 Effect of Calcium chloride concentration on the Ganz whiteness

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化山藥粉護色工藝

2.2.1 實驗結(jié)果

表2 Box-Benhnken實驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and result of Box-Benhnken experiment

2.2.2 響應(yīng)面結(jié)果分析 參考王靈昭[24]對響應(yīng)面進行手動優(yōu)化，響應(yīng)面的三次回歸顯著性分析見表3，響應(yīng)面分析圖見圖5。

由表3可知，該實驗的模型非常顯著（p＜0.0001＜0.01），失擬項（p=0.9647＞0.05）不顯著，表明此模型可以用于山藥粉甘茨白度的預(yù)測。同時軟件分析的相關(guān)系數(shù)R2=0.9721，其矯正決定系數(shù)R2adj=0.9291，表明該模型擬合度較好，實驗誤差小，模型是合適的，其回歸方程可以較好的描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，即可以用該模型來確定最佳護色條件。

表3 三次響應(yīng)面回歸模型方差分析表Table 3 ANOVA for response surface cubic model analysis of variance table

在此回歸模型中一次項A、B和D，二次項A2、B2、D2、BC及三次項A2B、C2D、CD2對山藥甘茨白度對影響是顯著的（p＜0.05）。

而一次項C、二次項C2對結(jié)果影響不顯著，交互項（AB、AC 、B2C、AC2、CD）對結(jié)果影響也都不顯著（p＞0.05）。

采用Design-Expert 8.0程序?qū)Ρ?響應(yīng)值與各個因素進行回歸擬合后，可得到響應(yīng)值Y和各因子（A、B、C、D）之間的三次多元方程：

由圖5可知，當(dāng)檸檬酸與氯化鈣濃度一定時，山藥粉白度值隨抗壞血酸和植酸濃度的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其3D圖呈拋物線狀，并且有頂點。

通過用Design-Expert 8.0軟件對經(jīng)手動優(yōu)化后的回歸方程進行求解，通過軟件的最優(yōu)值預(yù)測可得甘茨白度的最佳護色條件為：檸檬酸濃度1.284%、L-抗壞血酸濃度0.0548%，植酸濃度0.117%，氯化鈣濃度0.3%，在此條件下，山藥的白度值可達23.8808。由于實驗的可操作性，將最佳護色條件修正為檸檬酸濃度1.28%、L-抗壞血酸濃度0.05%，植酸濃度0.12%，氯化鈣濃度0.3%，在此條件下進行5次平行實驗，測得山藥粉的甘茨白度為23.56，和理論預(yù)測值相差1.36%，說明經(jīng)手動優(yōu)化后的回歸方程可以很準(zhǔn)確的預(yù)測熱風(fēng)干燥法制備山藥粉的白度值。

圖5 抗壞血酸濃度B與植酸濃度C對山藥甘茨白度Y的影響Fig.5 Effect of ascorbic acid concentration B and phytic acid concentration C on the Ganz witerness of the yam powder Y

3 結(jié)論

通過單因素實驗分析可知，甘茨白度預(yù)測的最佳護色劑濃度與其他文獻中描述的最佳濃度基本一致，說明甘茨白度可以應(yīng)用于評價山藥粉色澤的判定。通過回歸分析和驗證實驗表明，此方法合理可行。熱風(fēng)干燥法制備山藥粉的最佳護色工藝為：檸檬酸濃度1.28%、L-抗壞血酸濃度0.05%，植酸濃度0.12%，氯化鈣濃度0.3%，此條件下測得山藥粉的實際甘茨白度為23.56。

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Optimization of color protection process for yam powder by response surface methodology

ZHANG Zhen-zhen，LU Qi-yu*，WANG Jing-jing，NIU Qiao-juan（School of Food Science&Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

The yam powder was prepared by the hot hair drying.The study mainly focused on the relationship of citric acid，ascorbic acid，phytic acid calcium chloride and the whiteness of yam powder，through the method of response surface methodology.The optimum conditions of drying by hot air were：citric acid concentration 1.28% ，ascorbic acid concentration 0.05% ，phytic acid concentration 0.12% ，calcium chloride concentration 0.3% ，under the condition，the Ganz whiteness of the yam powder was 23.56.The results showed that：the optimization of color protection process for yam powder by response surface methodology was reasonable with the Indicator of Ganz whiteness.That was providing a theoretical support for color protection of yam powder.

yam；hot air drying；response surface methodology；Ganz whiteness

TS219

B

1002-0306（2014）20-0336-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.20.065

2014－01－20

張貞貞（1988-），女，碩士研究生，研究方向：食品資源與開發(fā)利用。

* 通訊作者：陸啟玉（1956-），男，博士，教授，主要從事食品工程與品質(zhì)控制方面的研究。

國家科技支撐計劃課題（2012BAD37B04）。