高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)白蘿卜壓縮特性影響的試驗(yàn)研究

馮慧敏，郭玉明，武新慧

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

果蔬是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品種類(lèi)，也是人體所需營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源。果蔬的品質(zhì)與安全性決定了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理技術(shù)具有非熱加工特性，預(yù)處理果蔬可使其組織細(xì)胞在產(chǎn)生可逆擊穿，不僅可以用于食品干燥領(lǐng)域，降低脫水能耗，提高干燥效率［1，2］；還可用于果蔬產(chǎn)品的保鮮，起到殺菌作用［3，5］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)果蔬進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，結(jié)合高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理，研究了果蔬力學(xué)特性與品質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系。ParniakovO等［6］利用傳統(tǒng)水溶法結(jié)合高壓脈沖電場(chǎng)處理提取木瓜皮中的蛋白質(zhì)和唐氧化物，不僅提高了提取效率同時(shí)強(qiáng)化了提取物的抗氧化能力。劉振宇等［7］應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)L－M 訓(xùn)練法分析HPEF預(yù)處理參數(shù)與不同時(shí)間段干燥速率之間的關(guān)系，對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后果蔬的干燥速率起到很好的估計(jì)作用。本研究團(tuán)隊(duì)在高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)果蔬材料的生物力學(xué)性質(zhì)影響方面也做了許多探索性研究，吳亞麗、武新慧等［8～10］對(duì)不同種類(lèi)果蔬經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后的屈服極限、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行了研究，并優(yōu)化得到處理的最優(yōu)參數(shù)，為果蔬真空冷凍干燥等技術(shù)提供了及果蔬品質(zhì)檢測(cè)提供了新思路，為減小果蔬在采收、貯運(yùn)、保鮮及加工過(guò)程中的損傷及相關(guān)裝備的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。為探索高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理與果蔬生物力學(xué)特性間的相關(guān)性及預(yù)處理參數(shù)對(duì)果蔬品質(zhì)的影響，本文以白蘿卜為試材，研究了高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)白蘿卜壓縮破壞特性的影響，并討論分析了高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理參數(shù)對(duì)屈服極限和彈性模量影響的顯著性，建立了預(yù)測(cè)回歸模型。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器設(shè)備

太谷本地產(chǎn)白蘿卜為試材，新鮮無(wú)機(jī)械損傷。ECM830高壓脈沖電場(chǎng)發(fā)生器，其脈沖電壓、脈沖寬度和重復(fù)頻率均可調(diào)節(jié)，脈沖波形為矩形波，電極為20mm×20mm 方形，間距可調(diào)；INSTRON5544型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，壓縮探頭為直徑100mm的平板壓頭。

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

為討論取樣部位和壓縮速率對(duì)屈服極限和彈性模量指標(biāo)的影響，分別從果心柱和果肉部位取樣，在加載速率為5、10和15mm·min－1時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果表明試樣的取樣部位和加載速率對(duì)參數(shù)影響并不顯著。

取新鮮成熟且無(wú)損傷的白蘿卜，選取距表皮5～10mm處的果肉，切成17mm×17mm×10mm大小樣本。為防止試樣的氧化和水分散失，用聚乙烯薄膜密封保存。按照設(shè)計(jì)的預(yù)處理參數(shù)，高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，之后對(duì)試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓縮速率為10mm·min－1，直到試樣出現(xiàn)明顯的破裂，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)得到白蘿卜壓縮的力—位移曲線(xiàn)，根據(jù)圖像求得試樣的屈服極限σ（MPa）和彈性模量E（Mpa）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理的工藝參數(shù)采用三因子五水平中心組合正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，可同時(shí)滿(mǎn)足正交性和可旋轉(zhuǎn)性。為避免脈沖強(qiáng)度過(guò)大對(duì)試樣造成不可 逆 的 破 壞［11］， 選 擇 脈 沖 強(qiáng) 度 范 圍5～2000V·cm－1，因子水平及編碼見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因子及水平編碼表Table 1 Coding values and levels of test factors

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后，試樣有明顯的滲水、變軟現(xiàn)象。與對(duì)照組相比，試樣在壓縮初始階段出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，繼續(xù)壓縮至破壞，由于試樣組織變軟，破壞時(shí)壓縮位移明顯增大，試樣可承受的最大壓載變大。從試樣破壞時(shí)的曲線(xiàn)特性可以看出，未處理試樣有明顯斷裂面，處理后的試樣則為連續(xù)性破壞，試樣可繼續(xù)壓縮。表2為不同預(yù)處理參數(shù)下白蘿卜屈服極限和彈性量的試驗(yàn)值。

表2中可以看出，和對(duì)照組相比，經(jīng)高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理后，白蘿卜的屈服極限值變化不大，基本在0.7～1.5Mpa之間，而彈性模量值則有明顯的變化，當(dāng)預(yù)處理參數(shù)脈沖強(qiáng)度小于1 000V·cm－1時(shí)，彈性模量值變化不明顯，當(dāng)脈沖強(qiáng)度大于等于1 000V·cm－1時(shí)，由于試樣變軟，彈性模量值明顯降低。

2.2 因子效應(yīng)分析

為確定脈沖強(qiáng)度X1、作用時(shí)間X2及脈沖個(gè)數(shù)X3對(duì)試樣屈服極限和彈性模量影響的顯著性，利用SAS軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 白蘿卜壓縮特性試驗(yàn)值Table 2 The test data of compression properties of white radish

表3 模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of models

從方差分析結(jié)果可以看出，脈沖強(qiáng)度，作用時(shí)間及脈沖個(gè)數(shù)對(duì)試樣屈服極限的影響并不顯著，而脈沖強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)試樣的彈性模量有顯著影響，顯著性P值分別為0.000 6和0.002 7，作用時(shí)間及互作效應(yīng)不顯著，彈性模量的模型決定系數(shù)達(dá)0.91，顯著性P值為0.002 8，說(shuō)明方差分析有效，可以用于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)估計(jì)。

2.3 因子效應(yīng)分析

通過(guò)因子效應(yīng)分析結(jié)果判斷，高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理參數(shù)對(duì)試樣彈性模量影響較大，利用SAS軟件的rsreg過(guò)程對(duì)彈性模量結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 響應(yīng)面模型回歸參數(shù)的估計(jì)和檢驗(yàn)Table 4 Parameter estimates of regression and test of response－surface

表5 響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢測(cè)Table 5 Itemized test of response－surface

表6 響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)Table 6 Factorial effect test of response－surface

由表4可以看出，在0.01水平上，X1、X3、X12和X32的系數(shù)顯著，其余參數(shù)不顯著。從表5可以看出白蘿卜試樣彈性模量線(xiàn)性項(xiàng)和平方項(xiàng)的P值分別為小于0.000 1和0.000 8，說(shuō)明回歸主要是線(xiàn)性關(guān)系和平方項(xiàng)，總模型的顯著性P值為0.000 1，決定系數(shù)R2為0.88，說(shuō)明彈性模量的響應(yīng)面模型顯著且具有較高的擬合精度，回歸有效，模型可用。得到的響應(yīng)面方程為：

表6為白蘿卜彈性模量的響應(yīng)面因子效應(yīng)檢驗(yàn)，3個(gè)因子的顯著性P值分別為0.000 1、0.348 2、0.001 7，按P值排序得到3個(gè)因子對(duì)彈性模量影響的顯著性，其中脈沖強(qiáng)度影響最大，脈沖個(gè)數(shù)次之，作用時(shí)間影響最小。

3 討論與結(jié)論

（1）利用中心組合正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，獲得了脈沖強(qiáng)度、作用時(shí)間和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)白蘿卜屈服極限和彈性模量的方差分析模型，得出高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理參數(shù)對(duì)彈性模量有顯著性影響。

（2）預(yù)處理結(jié)果和對(duì)照組相比，白蘿卜試樣的屈服極限值變化不大，彈性模量值有明顯的降低。

（3）利用SAS軟件獲得了白蘿卜彈性模量的響應(yīng)模型，模型的顯著性P值達(dá)0.000 1，決定系數(shù)為0.88，模型極其顯著。因子效應(yīng)檢驗(yàn)得出，脈沖強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)試樣彈性模量效應(yīng)顯著，作用時(shí)間效應(yīng)不顯著。

通過(guò)研究高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)白蘿卜屈服極限和彈性模量特性的影響，能夠幫助認(rèn)識(shí)高壓脈沖電場(chǎng)作用機(jī)理及不同預(yù)處理參數(shù)對(duì)果蔬品質(zhì)的影響關(guān)系。

［1］黃小麗，楊薇.脈沖電場(chǎng)預(yù)處理胡蘿卜片微波干燥試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010（2）：325－330.

［2］劉振宇，郭玉明，崔清亮.高壓矩形脈沖電場(chǎng)對(duì)果蔬干燥速率的影響［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010（5）：146－151.

［3］陳梅英，高明才，龔雪梅，陳錦權(quán)，陳藝勤.高壓脈沖殺菌集成冷凍濃縮加工果汁的工藝［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（3）：237－241.

［4］杜存臣，顏惠庚，林慧珠.高壓脈沖電場(chǎng)殺菌裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究進(jìn)展［J］.食品科技，2009（5）：123－128.

［5］Barsotti，L.，Dumay E，Mu T H，et al.Effects of high voltage electric pulses on protein－based food constituents and structures［J］.Trends in Food Science ＆ Technology，2001，12（3－4）：136－144.

［6］Parniakov，O.，et al.Impact of pulsed electric fields and high voltage electrical discharges on extraction of high－added value compounds from papayapeels［C］.Food Research International 65，2014，C（0）：337－343

［7］劉振宇，郭玉明.應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)果蔬干燥速率的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（2）：235－239.

［8］武新慧，郭玉明.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)馬鈴薯壓縮力學(xué)性質(zhì)及變形過(guò)程影響［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013（S2）：181－185.

［9］郭玉明，吳亞麗，王穎，等.高壓脈沖電場(chǎng)預(yù)處理對(duì)果蔬物性的影響［C］.2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)暨華南地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)學(xué)研研討會(huì)論文摘要集.2010：1.

［10］吳亞麗，郭玉明.高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)果蔬生物力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：336－340.

［11］陳杰，劉洋，周志成，等.高壓脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中樣品特性對(duì)處理室電氣擊穿規(guī)律的影響［J］.高電壓技術(shù)，2015（1）：268－274.