響應(yīng)面法優(yōu)化番木瓜滲透脫水工藝

李輝等

摘 要 以糖液濃度（40%～60%）、滲透脫水溫度（30 ℃～60 ℃）和浸漬時(shí)間（2～8 h）為因素，以失水率（WL）和固形物增加率（SG）為響應(yīng)變量，采用響應(yīng)面法優(yōu)化番木瓜的滲透脫水條件。根據(jù)響應(yīng)面（Box-Behnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，以失水率最大和固形物增加率最小為指標(biāo)對(duì)滲透脫水過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，番木瓜滲透脫水的最佳工藝參數(shù)為：糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、浸漬時(shí)間7.33 h。

關(guān)鍵詞 番木瓜；滲透脫水；響應(yīng)面；優(yōu)化

中圖分類號(hào) S668.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Osmotic dehydration conditions of papaya pieces were optimized using response surface methodology. The independent process variables for osmotic dehydration process were sucrose concentration（40%-60%）， process temperature （30-60 ℃） and immersion time（2-8 h）and the response variables were water loss（WL） and solid gain（SG）. The experiments were conducted according to response surface methodology（Box-Behnken） design. The osmotic dehydration process was optimized for maximum water loss and minimum solid gain. The results showed that the optimum conditions of osmotic dehydration for papaya pieces were 60% sucrose concentration， 52.95 ℃ process temperature and 7.33 h immersion time.

Key words Papaya （Carica papaya L.）；Osmotic dehydration；Response surface methodology；Optimization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.028

番木瓜（Carica papaya L.）又稱木瓜、乳瓜和萬(wàn)壽果，在許多熱帶、亞熱帶國(guó)家和地區(qū)均有種植。中國(guó)主要分布在臺(tái)灣、廣東、海南、廣西和福建等省區(qū)[1]。番木瓜果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，富含維生素、礦物質(zhì)及抗氧化物質(zhì)等，并具有健胃消食、減輕腸胃脹氣、利尿、化痰和美白等多重功效，所以又被稱為“百益之果”和“水果之王”[2-3]。但番木瓜果實(shí)不耐貯藏，采后容易遭受機(jī)械損傷、失水、冷害、病害和蟲(chóng)害等，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

滲透脫水是一種預(yù)處理的方式，是把果蔬浸在高滲溶液中，利用植物細(xì)胞和高滲溶液之間的高滲透壓使水分部分脫除的過(guò)程。在此過(guò)程中，水分會(huì)從植物組織中擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)溶液中的部分溶質(zhì)也會(huì)擴(kuò)散到植物組織中。滲透脫水是一種潛在的生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的保藏方法之一。由于脫水是在較低的溫度下，水沒(méi)有發(fā)生相變，從而可以降低能耗。此外，滲透脫水還可以降低果蔬的水分活度、減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失和延長(zhǎng)貨架期。盡管在脫水過(guò)程中可能有部分物質(zhì)，如糖、有機(jī)酸、礦物質(zhì)和鹽等，通過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散到滲透液中而造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，但這是微不足道的。滲透脫水受許多因素的影響，如滲透劑的類型和濃度、滲透溫度、時(shí)間、溶液的攪拌或循環(huán)、料液比、食品物料的厚度和預(yù)處理的方式等。已有學(xué)者對(duì)蘋(píng)果[4]、獼猴桃[5]、香蕉[6]和菠蘿[7]等水果的滲透脫水工藝進(jìn)行了研究，但關(guān)于番木瓜滲透脫水的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本研究以新鮮番木瓜為原料，分析糖液濃度、滲透脫水溫度和浸漬時(shí)間對(duì)脫水率（water loss，WL）和固形物增加率（solid gain，SG）的影響，并對(duì)番木瓜滲透脫水工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為番木瓜的產(chǎn)業(yè)化加工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

番木瓜：生理成熟的“臺(tái)農(nóng)二號(hào)”番木瓜果實(shí)，購(gòu)于福建省漳州市沃爾瑪超市。選擇大小均勻、色澤一致、質(zhì)地結(jié)實(shí)的番木瓜果實(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。番木瓜經(jīng)清洗、去皮后，沿縱軸切成兩半，用不銹鋼平底勺將內(nèi)部的種子去掉，剩下果肉，再用不銹鋼刀將果肉切成5 cm ×1 cm×1 cm的條狀。

白砂糖：食品級(jí)，購(gòu)于福建省漳州市沃爾瑪超市。

試驗(yàn)儀器及設(shè)備：HH-4型恒溫水浴鍋（常州國(guó)華電器有限公司）、CP2102型電子天平（奧豪斯儀器（上海）有限公司）、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 初始含水率的測(cè)定 將切分好的番木瓜條切碎，用稱量瓶稱取5.0 g，每個(gè)試樣稱取3份，置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃進(jìn)行干燥，每隔1 h取出稱重，直至前后2次質(zhì)量相差小于2 mg，即為恒重。濕基含水率/%=（干燥前重量-干燥后重量）/干燥前重量×100。

1.2.2 滲透脫水工藝流程 將切好的番木瓜條浸入預(yù)先配制好的糖液中，在30、45、60 ℃分別浸漬2、5、8 h。每次試驗(yàn)時(shí)，將50 g番木瓜條放入500 mL盛有250 mL糖液的燒杯中（物料與糖液之比統(tǒng)一為1 ∶ 5），放入恒溫水浴鍋進(jìn)行保溫。燒杯上加蓋密封，以防止?jié)B透液水分的蒸發(fā)。每隔30 min用玻璃棒攪拌1次。到預(yù)定時(shí)間后，將番木瓜條迅速撈出，用蒸餾水輕輕地沖洗掉表面糖液，并用濾紙輕輕地擦干表面水分。然后將番木瓜條進(jìn)行稱重，并在70 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥，測(cè)定其滲透后的含水率。重復(fù)3次。

1.2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用響應(yīng)面（Box-Behnken）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究番木瓜的滲透脫水過(guò)程。經(jīng)過(guò)前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)，選取糖液濃度、滲透脫水溫度和浸漬時(shí)間為自變量，失水率（WL）和固形物增加率（SG）作為響應(yīng)值。各因素的取值范圍為蔗糖糖液濃度40%～60%、滲透溫度30～60 ℃、時(shí)間2～8 h。因素水平編碼表見(jiàn)表1。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 失水率的影響因素分析

番木瓜的初始含水率為（89.15±0.36）%。由表2可知，番木瓜滲透脫水的失水率最大值為67.04%，最小值為18.64%。采用Design-Expert軟件建立失水率與各因素的關(guān)系式，得到失水率的二次多項(xiàng)式回歸方程為Y1=43.70+6.96x1+11.47x2+13.05x3+1.73x1x2+1.47x1x3+2.48x2x3-1.47x12+0.058x22-3.40x32。由表3可知，根據(jù)方差分析，失水率二次回歸模型極顯著（p<0.01），而失擬項(xiàng)不顯著（p>0.05），說(shuō)明擬合程度很好（R2=0.999 0）。所有因素的一次項(xiàng)、糖液濃度與溫度的交互項(xiàng)、溫度與時(shí)間的交互項(xiàng)、時(shí)間的二次項(xiàng)對(duì)失水率的影響極顯著（p<0.01），糖液濃度與時(shí)間的交互項(xiàng)、濃度的二次項(xiàng)對(duì)失水率的影響顯著（p<0.05），而溫度的二次項(xiàng)對(duì)失水率的影響不顯著（p>0.05）。各因素對(duì)失水率影響程度的大小依次為：時(shí)間>溫度>糖液濃度。

糖液濃度、滲透溫度和時(shí)間對(duì)失水率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖1。由圖1-A可知，失水率隨糖液濃度的增加而增加，失水率隨溫度的升高而增加；當(dāng)糖液濃度和溫度同時(shí)增加時(shí)，番木瓜條的脫水效果更顯著，表明二者的交互作用促進(jìn)了滲透脫水。由圖1-B可知，失水率隨著糖液濃度的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。高濃度糖液比低濃度糖液的脫水速率快，所需時(shí)間短。糖液濃度和時(shí)間的交互作用對(duì)滲透脫水有促進(jìn)作用。由圖1-C可知，失水率隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，溫度較高時(shí)滲透脫水所需的時(shí)間較短。溫度和時(shí)間的交互作用對(duì)滲透脫水有促進(jìn)作用。

2.2 固形物增加率的影響因素分析

由表2可知，番木瓜滲透脫水的固形物增加率最大值為15.97%，最小值為6.46%。建立固形物增加率與各因素的關(guān)系式，得到固形物增加率的二次多項(xiàng)式回歸方程為Y2=10.86-2.22x1+1.81x2+1.86x3-0.57x1x2-0.79x1x3-0.062x2x3-0.20x12-0.014x22-0.43x32。由表3可知，根據(jù)方差分析，失水率二次回歸模型極顯著（p<0.01），而失擬項(xiàng)不顯著（p>0.05），說(shuō)明擬合程度很好（R2=0.951 9）。所有因素的一次項(xiàng)對(duì)固形物增加率的影響極顯著（p<0.01），其他項(xiàng)則影響不顯著（p>0.05）。各因素對(duì)固形物增加率影響程度的大小依次為：糖液濃度>時(shí)間>溫度。

糖液濃度、滲透溫度和時(shí)間對(duì)固形物增加率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖2。由圖2可知，固形物增加率隨糖液濃度的增加而降低；固形物增加率隨著滲透液溫度的升高而加快；固形物增加率隨著溫度和時(shí)間的增加而增加。

2.3 番木瓜滲透脫水條件的優(yōu)化

番木瓜經(jīng)過(guò)滲透脫水后，還需采用干燥技術(shù)進(jìn)行后續(xù)脫水，所以希望滲透脫水過(guò)程能得到較高的失水率和較低的固形物增加率。將失水率和固形物增加率方程中的差異不顯著項(xiàng)剔除，并將規(guī)范變量回代后，得到失水率和固形物增加率的方程分別為：

WL=-43.047+1.412A-0.087B+3.195C+0.012AB +0.049AC+0.055BC-0.015A2-0.378C2（R2=0.999 0）

SG=6.475-0.090A+0.121B+1.942C-0.026AC （R2=0.931 6）

以失水率最大和固形物增加率最小為目標(biāo)，運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，得到番木瓜滲透脫水的最優(yōu)工藝條件為：糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、滲透時(shí)間7.33 h。在此條件下，番木瓜失水率和固形物增加率的預(yù)測(cè)值分別為66.4%和10.1%，而試驗(yàn)驗(yàn)證值為67.1%和9.86%，說(shuō)明優(yōu)化得到的番木瓜滲透脫水工藝條件是可行的，效果較好。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果中失水率隨糖液濃度的增加而增加，失水率隨溫度的升高而增加，可能因?yàn)樘且簼舛仍龃髸r(shí)，番木瓜組織細(xì)胞和滲透液之間的壓力梯度越大，促進(jìn)番木瓜的脫水；隨著溫度的升高，滲透液的黏度下降，降低了番木瓜表面?zhèn)髻|(zhì)的外部阻力，使水更容易穿過(guò)細(xì)胞膜而流出[9]。

本研究結(jié)果中固形物增加率隨糖液濃度的增加而降低，這可能是由于在滲透脫水中，番木瓜表面形成的溶質(zhì)層阻礙了溶質(zhì)的擴(kuò)散。此外，高濃度的糖溶液具有較高的黏度，會(huì)形成較大的傳質(zhì)阻力。研究表明，糖液濃度對(duì)番石榴[9]、甜瓜[10]和芒果[11]等果實(shí)滲透脫水的固形物增加率也有負(fù)影響，即糖液濃度的增加會(huì)導(dǎo)致固形物增加率的下降。本研究結(jié)果中固形物增加率隨著滲透液溫度的升高而加快，可能是因?yàn)檩^高的溫度會(huì)破壞膜的滲透性，引起通透性增大，以及溫度的升高會(huì)導(dǎo)致滲透液黏度的下降，降低外部的傳質(zhì)阻力，使溶質(zhì)的傳遞更加容易[12]。滲透脫水的時(shí)間對(duì)固形物增加率有促進(jìn)作用。固形物增加率隨著溫度和時(shí)間的增加而增加，還可能因?yàn)闈B透脫水期間的攪拌，降低了番木瓜表面和滲透液之間的傳質(zhì)阻力[13]。

本研究以失水率最大和固形物增加率最小為目標(biāo)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化番木瓜滲透脫水工藝參數(shù)。方差分析表明，糖液濃度、溫度和時(shí)間對(duì)滲透脫水過(guò)程的影響都是極顯著的（p<0.01）。建立了二階多項(xiàng)式回歸方程用于預(yù)測(cè)番木瓜失水率和固形物增加率。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化分析，得到番木瓜滲透脫水的最優(yōu)工藝條件為：糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、滲透時(shí)間7.33 h。

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