蠶豆冷凍-真空干燥工藝的優(yōu)化*

張芳，張永茂，張海燕，康三江

(甘肅省農業(yè)科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅 蘭州，730070)

蠶豆(vicia faba)含有豐富的營養(yǎng)物質，100 g 鮮蠶豆的膳食纖維達1 200 mg，鉀351 mg，鈉31.7 mg，鈣16 mg，磷224 mg，鐵2.6 mg，鎂78 mg，胡蘿卜素0.26 mg，硫胺素0.12 mg，核黃素0.09 mg，尼克酸1.6 mg，抗壞血酸11 mg 等［1］。由于我國對蠶豆的研究還不夠深入，特別是蠶豆高附加值產品的研究不夠，產品種類少，生產規(guī)模小。尋找和開發(fā)新的天然的蠶豆保健休閑食品將有重要意義［2］。

冷凍-壓差脫水膨化工藝生產果品蔬菜脆片的方法［3］是甘肅省農業(yè)科學院農產品貯藏加工研究所的一項專利技術，該技術將冷凍技術與真空干燥技術有機結合，應用該技術生產的蠶豆脆片，在解決了真空油炸果蔬脆片含油量高、不易貯存、含有丙烯酰胺致癌物等問題的同時，仍保留了原蠶豆絕大部分風味、色澤和營養(yǎng)成分、口感酥脆，產品綠色天然。

真空冷凍干燥技術近年來在國內得到廣泛的應用，但其產品在國際市場的價格是熱風干燥食品的4～6 倍［4］，主要原因是真空冷凍干燥的成本是熱風干燥的4 ～8 倍，加拿大Ratti［5］從產品收縮率、動力學和玻璃化轉變溫度的角度，對熱風干燥和真空冷凍干燥在食品中的應用做了總結性評價，并指出真空冷凍干燥高額的生產成本使其在食品加工行業(yè)中應用較少，熱風干燥產品的收縮率較大，產品質量較低，同時指出以后的發(fā)展趨勢是聯合干燥。目前，蠶豆非油炸冷凍-真空干燥加工方面的研究與應用鮮有報道。本研究以蠶豆為原料，采用中心組合實驗設計，采用響應面分析法(RSM)［6］對影響蠶豆冷凍-真空干燥工藝的關鍵因素進行優(yōu)化研究，以期確定最佳的干燥蠶豆工藝，生產出高品質蠶豆干燥產品。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

1.1.1 材料

蠶豆，產地甘肅蘭州。

1.1.2 儀器設備

DHG-9140 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;果蔬壓差膨化成套設備，天津市勤德新材料科技有限公司;CR-400/410 色差計，日本美能達公司;JSM-5600LV 低真空掃描電子顯微鏡，日本電子光學公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蠶豆冷凍-真空干燥工藝流程

鮮蠶豆→去莢、去皮→清洗→燙漂→瀝干→冷凍→解凍-冷凍調整水分含量→均濕→冷凍→真空膨化干燥→包裝

1.2.2 操作要點

將去莢后的蠶豆粒清洗，沸水燙漂120 s，冷卻，將蠶豆解凍-冷凍調整至所需的水分含量后，置于-27(±1)℃的冰箱中冷凍備用。再入真空膨化干燥設備內進行不同處理的真空干燥，使蠶豆最終含水率小于6%，后進行包裝。

1.2.3 指標分析測定方法

1.2.3.1 水分測定方法

參照GB/T5009.3 -2010 食品中水分的測定［7］。

1.2.3.2 色澤測定方法

利用色彩色差計，以儀器白板色澤為標準，依CIELAB 表色系統測量蠶豆的明度指數L*。L*稱為明度指數。L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色。產品評價L*值越大，產品顏色鮮亮，色澤越好。

1.2.3.3 膨化度的測定

采用比容法。用超細石英砂填埋的方法測定膨化產品的體積。測量儀器自制，誤差小于0.2 mL，取平均值。

式中:V 為膨化后的體積，mL;V0膨化前的體積，mL。

1.2.3.4 電鏡掃描

樣品采用濺射鍍膜法對樣品進行表面鍍金，表面鍍金的樣品置于掃描電鏡下觀察。

1.2.4 優(yōu)化實驗設計

在前期單因素實驗的基礎上，將原料經過冷凍后進行真空干燥。冷凍-真空干燥蠶豆是一個多因素作用的復雜過程，故采用中心組合設計方法，以影響產品質量的原料冷凍后含水率(X1)、真空干燥溫度(X2)與真空脫水時間(X3)作為因素，將產品含水率(Y1)、膨化度(Y2)、色澤作為響應值(Y3)，通過統計分析得出真空干燥過程中工藝參數對膨化效果的影響，設計如表1 所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding of factors and levels

1.2.5 統計分析

采用Design-Expert7.1.6 軟件對實驗數據進行處理分析及響應面分析。

2 結果與分析

優(yōu)化實驗設計所得結果見表2，應用Design-Expert 7.1.6 軟件，對表2 中的數據進行多元回歸擬合并優(yōu)化出20 組實驗安排，并選用模型對所得數據進行回歸分析。

表2 實驗設計與結果Table 2 Experimental designs and results

2.1 回歸方程及其參數分析

以X1、X2、X3為自變量，產品含水率Y1、膨化度Y2、明度指數值Y3為響應值，應用Design-Expert 7.1.6 軟件，對表2 中的數據進行回歸擬合分析，回歸系數及顯著性分析見表3。得到各個因素與產品水分含量Y1、膨化度Y2、明度指數Y3指標之間的多元二次回歸方程式如下:

表3 回歸系數及顯著性分析Table 3 Significance analysis of regression coefficient

由方差分析Y1Y2Y3可以得出，Y1模型P ＜0.000 1，Y2模型P ＜0.000 1，Y3模型P ＜0.000 1，說明該模型及其顯著，各方程的決定系數R2值＞0.95，說明預測值和實驗值之間有較好的相關性，模型擬合程度較好，此方程在本實驗中有意義，可用該方程對產品含水率、真空干燥溫度、真空脫水時間條件下蠶豆脆片的產品含水率、膨化度、明度指數值進行預測。進行顯著性檢驗可知，實驗所建立的模型中，X1、X2、X3、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對產品含水率的影響均達到極顯著水平，X1X2、X1X3、X2X3、X12、X1X2、X1X3對產品含水率的影響顯著;X1X3、X12、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對膨化度的影響均達到極顯著水平，X1、X2、X3、X1X2在蠶豆的壓差脫水中對膨化度的影響顯著;X12、X22、X32在蠶豆的真空干燥中對明度指數的影響均達到極顯著水平，X1、X2、X3、X1X2、X1X3、X2X3對明度指數的影響顯著。方差分析結果表明，原料冷凍后含水率、真空干燥溫度和真空脫水時間對產品含水率影響均極顯著。各因素對產品含水率Y1影響程度依次為:原料冷凍后含水率、真空脫水時間和真空干燥溫度。各因素對產品膨化度Y2影響均極顯著，影響程度依次為:原料冷凍后含水率、真空干燥溫度和真空脫水時間。各因素對產品色澤Y3影響顯著，影響程度依次為:真空脫水時間、真空干燥溫度和原料冷凍后含水率。

2.2 各工藝參數的響應面分析

2.2.1 三因素對膨化產品含水率的影響

圖1 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品含水率(Y1)的交互作用的響應面分析圖。由圖1 可以看出，隨著X1、X2、X3的升高，產品含水率呈下降趨勢。

圖1 三因素對膨化產品含水量的影響Fig.1 Effect of three factors on the water content of expanded products

2.2.2 三因素對膨化產品膨化度的影響

圖2 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品膨化度(Y2)的交互作用的響應面分析圖。由圖2 可知，隨著X1、X2、X3的升高，膨化度逐漸增加，直到最高點，但當X1、X2、X3繼續(xù)升高超過實驗所取代中心值時，膨化度隨著因素增大而逐漸下降，說明原料冷凍后含水率、真空干燥溫度及真空脫水時間過高或過低時，蠶豆脆片均不能較好地膨化。

2.2.3 三因素對膨化產品色澤的影響

圖3 中a、b、c 分別為原料冷凍后含水率(X1)和真空干燥溫度(X2)、原料冷凍后含水率(X1)和真空脫水時間(X3)以及真空干燥溫度(X2)和真空脫水時間(X3)對產品色差值(Y3)的交互作用的響應面分析圖。由圖3 可知，色差值隨著X1、X2、X3的升高逐漸減小，當各因子繼續(xù)升高超過實驗所取代中心值時，色差值隨著因素增大而增大，色澤變差，說明X1、X2、X3相互作用均會有一個最優(yōu)編碼組合使產品色澤最佳。

圖2 三因素對膨化產品膨化度的影響Fig.2 Effect of three factors on the puffing rates of expanded products

圖3 三因素對膨化產品色澤的影響Fig.3 Effect of three factors on the color of expanded products

2.3 冷凍-真空干燥工藝的優(yōu)化

通過中心組合實驗結果分析可知，隨著蠶豆原料冷凍含水率的降低，產品含水率Y1幾乎線性升高，膨化度Y2、色澤Y3變化呈先升高后降低趨勢。對Y3、Y2、Y1進行優(yōu)化，確定色澤Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，綜合考慮3 個指標的回歸模型，確定優(yōu)化工藝參數范圍:原料冷凍后含水率為50%，真空干燥溫度為85℃，真空脫水時間為120 min。按照優(yōu)化工藝進行驗證實驗，結果表明，膨化產品的色澤Y3＞78.33、膨化度Y2＞2.13、含水率Y1＜5.62%，說明采用Central Composite Design 的模型優(yōu)化得到的干燥工藝參數準確可靠，具有實用價值。

2.4 蠶豆冷凍-真空脫水膨化前后組織結構變化

從圖4 看出，蠶豆鮮樣組織內含有很多淀粉粒，組織結構比較致密，而冷凍-真空干燥后產品淀粉已糊化且充分膨脹，有蜂窩狀的超微結構，通過冷凍處理，自由水結成冰，產品的基本結構已經形成，因此，真空干燥對其結構的影響較小，組織結構幾乎沒有發(fā)生皺縮、塌陷，冷凍-真空干燥后的蠶豆形態(tài)較好。

3 結論

圖4 蠶豆冷凍-真空脫水膨化前后的掃描電子顯微鏡圖片Fig.4 Scanning electron micrographs of freeze-vacuum drying and fresh Vicia faba

(1)采用中心組合實驗設計及響應面分析方法優(yōu)化了蠶豆冷凍-真空干燥工藝，并建立了蠶豆冷凍-真空干燥的二次多項式數學模型。結果表明，原料冷凍后含水率、真空干燥溫度、真空脫水時間對冷凍真空干燥產品含水率、膨化度和色澤有顯著的影響。

(2)各因素的交互作用顯著地影響產品的各質量指標。

(3)蠶豆冷凍-真空干燥優(yōu)化的工藝參數為:蠶豆原料冷凍后含水率為50%，真空干燥溫度為85℃，真空干燥時間為120 min。

［1］ 李愛萍，鄭開斌，蔡宣梅. 蠶豆的利用價值［J］. 糧油食品科技，2009，9(4):45 -46.

［2］ 吳廣輝，畢韜韜. 蠶豆的開發(fā)利用［J］. 糧油加工，2010(4):115 -117.

［3］ 張永茂，張芳，黃錚，等. 冷凍-壓差脫水膨化工藝生產果 品 蔬 菜 脆 片 的 方 法 ［P ］ .CN，ZL200910002869.9.2011 -12 -07.

［4］ 童軍茂，馬玉林. 我國凍干食品的現狀和前景展望［J］. 糧油及食品機械，2001(3):5 -7.

［5］ Ratti C. Hot air and freeze-drying of high-value foods:a review［J］.Journal of Food Engineering，2001(49):311 -319.

［6］ 費榮昌. 實驗設計與數據處理［M］. 無錫:江南大學出版社，2011:59 -63.

［7］ GB 5009.3 -2010［S］. 食品中水分的測定方法.