枇杷果干干制過程顏色變化動(dòng)力學(xué)

王錦濤，魯周民，陳賢爽，張 涵

（西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

枇杷果干干制過程顏色變化動(dòng)力學(xué)

王錦濤，魯周民*，陳賢爽，張 涵

（西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

為探索枇杷果干干制過程中顏色的變化規(guī)律，以干制溫度和時(shí)間為自變量，在考慮二者之間交互作用的基礎(chǔ)上，分別建立了枇杷果干干制過程顏色變化的三維動(dòng)力學(xué)模型。總色差值、亮度值、紅綠色值、黃藍(lán)色值、彩度值和色調(diào)角度的變化分別符合修正的一級反應(yīng)、一級反應(yīng)含交互項(xiàng)、多項(xiàng)式、零級反應(yīng)含交互項(xiàng)、高斯分布和零級反應(yīng)含交互項(xiàng)的模型。模型決定系數(shù)介于0.84～0.98之間，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差介于0.40～1.35之間。檢驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型精度符合要求，可用于枇杷果干干制中顏色變化的預(yù)測。

枇杷；果干；顏色；動(dòng)力學(xué)模型

枇杷（Eriobotrya japonica Lindl.）原產(chǎn)于中國，在秦嶺以南地區(qū)有廣泛栽培，年產(chǎn)量高達(dá)20萬t[1-2]。枇杷果實(shí)成熟于初夏[3]，采后在常溫條件下極易失水皺皮和腐爛變質(zhì)[4-6]。深加工是充分利用枇杷資源的有效方式，目前枇杷加工產(chǎn)品有果干類[7-8]、飲料類[9-10]、果酒果醋類[11-13]，其中果干類是人們最喜愛的產(chǎn)品之一。

色澤是衡量食品品質(zhì)的重要指標(biāo)[14]，也是影響消費(fèi)者是否購買產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。果品加工中，果肉容易受到氧化、發(fā)生褐變顏色加深，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的品質(zhì)[15-16]。目前在科研及生產(chǎn)中，多采用添加含硫化合物[8,17-18]和人工合成色素進(jìn)行護(hù)色[19]，易導(dǎo)致化學(xué)添加物過量從而對人體健康產(chǎn)生較大危害。如何使食物顏色在加工貯藏中得到最大程度的保持，一直是相關(guān)科技人員研究的熱點(diǎn)。近年來，有學(xué)者以番茄[20]、青花菜[21]以及上海青蔬菜[22]等果蔬為材料，對貯藏過程中顏色變化的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，而關(guān)于食品加工過程中顏色的變化及其動(dòng)力學(xué)研究鮮有報(bào)道。而在有關(guān)食品貯藏過程顏色變化動(dòng)力學(xué)研究中主要以時(shí)間或溫度為自變量，色差值為因變量建立在特定溫度下隨時(shí)間變化的二維零級或一級反應(yīng)模型[20-25]，未解釋變量間的交互作用而降低了模型的解釋效能。多項(xiàng)式能較好描述色差變化規(guī)律，卻未與零級或一級反應(yīng)進(jìn)行對比[21]。

本研究以枇杷為實(shí)驗(yàn)材料，采用檸檬汁浸泡加蒸汽處理護(hù)色，對果干干制過程中顏色變化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，系統(tǒng)比較不同模型形式，采用對零級或一級反應(yīng)模型進(jìn)行修正，建立多維動(dòng)力學(xué)模型，從而提高模型的預(yù)測準(zhǔn)確性，旨在為果干干制過程中顏色變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枇杷：2015年6月1日采摘于西北農(nóng)林科技大學(xué)安康北亞熱帶果樹試驗(yàn)站清泉枇杷示范園，品種為“大五星”，選取顏色和大小一致（直徑4～5 cm，45～50 g）的果實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，枇杷果可溶性固形物含量為13%。 檸檬（可溶性固形物含量為8.5%）、優(yōu)質(zhì)白砂糖（符合國家標(biāo)準(zhǔn)白砂糖優(yōu)級級別[26]）均購自陜西省楊凌好又多超市。

1.2 儀器與設(shè)備

DGG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；CR-10型色差儀 日本Konica Minolta公司；EPS-3001型電子天平（精度0.1 g） 長沙湘平科技發(fā)展有限公司；WYT-4 型手持糖度計(jì) 上海精密儀器儀表有限公司；JYL-C022型料理機(jī) 中國九陽集團(tuán)。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

選取成熟度一致、無病蟲害、無機(jī)械損傷的新鮮枇杷，流水沖洗干凈，果肉縱剖兩半，去皮去核后備用。檸檬鮮果去皮去核，放入料理機(jī)中打漿備用。

選取相同質(zhì)量（約為500 g）枇杷果肉9 份，分別在檸檬汁與水的質(zhì)量比為1∶4，糖質(zhì)量濃度為30 g/100 mL的料液中浸泡3 h后蒸汽熱燙120 s[27]。分別設(shè)置50、55、60、65、70、75、80、85 ℃和90 ℃ 9 個(gè)溫度，風(fēng)速恒定為3.0 m/s，將處理后的果肉放入不同溫度的熱風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥3 h，每隔30 min測定色差參數(shù)。

1.3.2 指標(biāo)測定

1.3.2.1 質(zhì)量損失率

每隔30 min稱量不同溫度干制的枇杷樣品質(zhì)量（mt），并根據(jù)初始質(zhì)量（m0）按式（1）計(jì)算質(zhì)量損失率。運(yùn)用一級動(dòng)力學(xué)模型擬合不同溫度條件下果干質(zhì)量損失率的變化，采用Sigma Plot 10.0軟件繪制曲線圖，分析不同溫度條件下質(zhì)量損失率差異。

1.3.2.2 色值參數(shù)測定

將枇杷果肉平鋪在標(biāo)準(zhǔn)白板上，去除背景色干擾，用CR-10型色差計(jì)測定色值。每組選取固定10 片枇杷果肉，每片果肉均勻選取3 個(gè)測定點(diǎn)，每隔30 min測定一次，記錄每次測定的L*、a*、b*值，每個(gè)樣品重復(fù)3 次，取其平均值。其中L*值表示亮暗值，其范圍為0（黑）～100（白），a*值表示紅綠值，+a方向表示紅色，b*值表示黃藍(lán)值，+b方向表示黃色[25]。以鮮果色值（L0、a0、b0）為初始值，按式（2）計(jì)算總色差值（ΔE）。

彩度是反映顏色色澤的指標(biāo)，彩度值低表示色澤稀疏暗淡，彩度值高表示色澤飽滿。以鮮果的顏色彩度（C0）為初始值，按式（6）、（7）分別計(jì)算彩度值（C）和彩度差值（ΔC）。

色調(diào)角是表示色調(diào)之間連續(xù)變化的變量，0°或者360°表示紅色，90°表示黃色，180°表示綠色，270°表示藍(lán)色。以鮮果的色調(diào)角（H0）為初始值，按式（8）、（9）分別計(jì)算色調(diào)角（H）和色調(diào)角差值（ΔH）。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與模型建立

根據(jù)測定指標(biāo)值進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，選取7 種公式（10）～（16）作為模型，以時(shí)間（t）和溫度（T）為自變量，色差值參數(shù)（ΔE、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC和ΔH）分別為因變量，運(yùn)用Matlab 7.0軟件依次進(jìn)行模型參數(shù)求解，通過相關(guān)系數(shù)（R2）和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差（standard error estimate，SEE）選擇參數(shù)模型。并用Sigma Plot 10.0軟件作圖。

1.3.4 模型檢驗(yàn)

選取枇杷果肉500 g，按前處理方法處理后在67 ℃熱風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥，每隔30 min測定色值用于模型檢驗(yàn)，根據(jù)各色值參數(shù)模型得到色值參數(shù)預(yù)測值，將色值參數(shù)實(shí)際值和預(yù)測值帶入式（17）～（19）計(jì)算模型預(yù)測平均誤差（mean residual，MR）、平均絕對誤差（absolute mean residual，AMR）和均方根誤差（root mean square residual，RMSR），所得誤差越小代表模型越精準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程質(zhì)量損失率的變化

圖1 不同溫度條件下質(zhì)量損失率隨干燥時(shí)間變化規(guī)律Fig. 1 Weight loss rates at different temperatures

枇杷果肉質(zhì)量損失率在不同干燥溫度下隨著干燥時(shí)間的延長呈先快速上升后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。由圖1可知，0～90 min間溫度越高，質(zhì)量損失率變化速率越快，且不同溫度間質(zhì)量損失率變化速率存在顯著性差異（P＜0.05）。180 min時(shí)果干質(zhì)量損失率的范圍為70.2%～93.6%。干燥30 min時(shí)，90 ℃條件下果干的質(zhì)量損失率為30.0%，顯著高于50～80 ℃條件下的質(zhì)量損失率（14.3%～20.8%）。60 min后不同溫度條件下果干質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出3 個(gè)梯度：50～55℃為低質(zhì)量損失率、60～85℃為中質(zhì)量損失率和90 ℃高質(zhì)量損失率，其中85 ℃和55 ℃存在越階現(xiàn)象，85 ℃在干燥180 min后為高質(zhì)量損失率，55 ℃在干燥1 50 min后為中質(zhì)量損失率。2.2 描述性統(tǒng)計(jì)與模型擬合結(jié)果

表1 色值參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of chromatic parameters

色值參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，枇杷果肉亮度值L*、紅綠值a*、黃藍(lán)值b*、色調(diào)角C、彩度H和總色差值ΔE平均值分別為49.2、20.0、42.9、47.6、65.2和7.1，最小值與最大值分別相差9.4、16.6、15.1、19.2、18.8和14.5，總色差值、色調(diào)角和彩度3 個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差均大于4.3。

枇杷果肉總色差值ΔE、亮度差值ΔL*、紅綠色差值Δa*、黃藍(lán)色差Δb*、色調(diào)角差值ΔH和彩度差值ΔC的擬合結(jié)果見表2?？煽闯靓、ΔL*、Δa*和ΔH的模型擬合決定系數(shù)均大于0.90，Δb*和ΔC的模型擬合決定系數(shù)為0.84左右，Δb*和ΔH擬合結(jié)果為同一模型形式。當(dāng)ΔL*、Δb*、ΔC和ΔH的模型中交互因子項(xiàng)缺失時(shí)，模型擬合R2分別比未缺失時(shí)降低0.20、0.27、0.44和0.16，SEE分別增加0.30、0.64、1.06和0.81。ΔE、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC和ΔH的變化分別符合修正的一級反應(yīng)、一級反應(yīng)含交互項(xiàng)、多項(xiàng)式、零級反應(yīng)含交互項(xiàng)、高斯分布和零級反應(yīng)含交互項(xiàng)的模型。

表2 模型參數(shù)求解結(jié)果Table 2 Parameters of the developed models

不同溫度條件下?E隨干燥時(shí)間逐漸的延長趨于平穩(wěn)，干燥溫度大于80 ℃或小于65 ℃時(shí)?E變化均大于中間溫度范圍，且低溫干燥?E大于高溫干燥（圖2a）。L*隨時(shí)間的延長先上升后下降，溫度大于75 ℃時(shí)?L*為負(fù)值，表明?L*下降，干燥溫度低于60 ℃時(shí)?L*均顯著升高，而且干燥溫度75 ℃以上時(shí)?L*變化幅度小于60 ℃以下時(shí)的變化；當(dāng)干燥溫度高于80 ℃時(shí)，溫度和時(shí)間存在的交互作用加劇了果肉?L*的下降（圖2b）。不同溫度下?a*隨時(shí)間延長均呈上升趨勢，即果肉在干燥過程中呈現(xiàn)變紅趨勢，干燥溫度高于70 ℃時(shí)，隨溫度升高果肉變紅的程度加劇，干燥溫度低于70 ℃時(shí)，溫度對果肉紅?a*沒有顯著影響（圖2c）。不同干燥溫度對果肉Δb*影響有顯著差異，干燥溫度高于80 ℃時(shí)，隨干燥時(shí)間延長Δb*呈下降趨勢，小于70 ℃時(shí)，隨時(shí)間延長Δb*呈顯著上升趨勢，且溫度和時(shí)間存在交互作用（圖2d）。不同干燥溫度下果肉的ΔC均呈上升趨勢，溫度低于70 ℃時(shí)，果肉ΔC顯著增加說明果肉顏色飽滿，且干燥溫度和時(shí)間存在交互作用（圖2e）。不同干燥溫度下果肉的ΔH隨時(shí)間延長均呈下降趨勢，即果肉的黃色呈下降趨勢，當(dāng)溫度大于80℃時(shí)ΔH下降趨勢顯著大于溫度小于70 ℃范圍內(nèi)的ΔH（圖2f）。

圖2 色差參數(shù)擬合3D曲面圖Fig. 2 3D-mesh plots for different color deviation indictors

2.3 模型檢驗(yàn)結(jié)果

模型結(jié)果分析表明，干燥溫度在65～70 ℃時(shí)枇杷果干色差參數(shù)和質(zhì)量損失率高于其他干燥溫度階段，選擇67 ℃為該溫度階段平均值，能更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯ι顓?shù)預(yù)測的誤差。在67 ℃時(shí)，模型預(yù)測值與實(shí)際值間MR、AMR、RMSR沒有顯著差異，表明模型對色值的預(yù)測均勻分布于真值附近。其中?E、ΔC和ΔH的RMSR小于MR和AMR，表明預(yù)測值與真值之間的偏差小。因此，所建模型能較好地反映枇杷果干干制過程中顏色的變化規(guī)律（表3）。

表3 模型誤差檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of error test for the models

3 討論與結(jié)論

3.1 干燥溫度、時(shí)間和質(zhì)量損失率對色澤變化的影響

干燥溫度越高果干質(zhì)量損失率越大，果干中有色物質(zhì)富集程度越多，導(dǎo)致高溫條件下果干顏色與鮮果顏色差異較大。但適宜的溫度（70～80 ℃）使果肉表面快速失水并固化，抑制果肉內(nèi)部與空氣接觸發(fā)生氧化褐變，果干的顏色與鮮果的顏色差異較小。低溫（小于60 ℃）條件下果肉中的還原性物質(zhì)會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生褐變反應(yīng)，導(dǎo)致果干的顏色與鮮果的顏色差異較大。在低溫條件下果肉表面未固化，干燥時(shí)間越長果干褐變越嚴(yán)重，時(shí)間和溫度對色差的交互影響作用會(huì)更顯著。如低溫條件下果干的彩度變化表現(xiàn)在高斯分布的頂點(diǎn)，表明時(shí)間和溫度的交互作用顯著，與高溫相比則沒有類似規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)針對干燥溫度和時(shí)間對果干色差影響的交互作用在一級動(dòng)力學(xué)模型中加入了相互作用項(xiàng)進(jìn)行建模，對交互作用的詳細(xì)分析還有待提高。枇杷果干干制過程質(zhì)量損失率平均為80.9%，介于適合果干保存的質(zhì)量損失率范圍79.0%～84.0%。不同溫度條件下果干質(zhì)量損失率不同則有色物質(zhì)的富集程度不同，導(dǎo)致不同溫度條件下果干色差之間差異，在后期的顏色動(dòng)力學(xué)建模中可以考慮將質(zhì)量損失率作為一個(gè)影響色差的自變量模塊加入在模型中提高模型的預(yù)測精度和準(zhǔn)度。

3.2 模型的選擇

模型的選擇對其預(yù)測準(zhǔn)確性有顯著影響。在考慮特定的溫度、干燥時(shí)間等[24-25]條件下，單一將時(shí)間作為自變量解釋色差變化雖然會(huì)在一定程度上提高模型的擬合決定系數(shù)，但它無法實(shí)現(xiàn)特定條件和時(shí)間同時(shí)變化時(shí)的預(yù)測。Martins等[23]解釋冷凍綠豆色差變化時(shí)在一級反應(yīng)基礎(chǔ)上增加了溫度因子，但未考慮時(shí)間和溫度兩個(gè)自變量之間的交互作用。自變量因子間的交互項(xiàng)能較好解釋不同因子間加強(qiáng)和削弱的影響，但過多的交互項(xiàng)可能會(huì)使模型出現(xiàn)過度擬合。本實(shí)驗(yàn)采用干燥溫度和時(shí)間兩個(gè)自變量，在考慮其交互作用的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)了在三維條件下對枇杷果干干制過程中顏色變化的解釋，但是否存在過度擬合，還有待進(jìn)一步深入研究分析。

擬合得到枇杷果干干制過程中ΔE、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC和ΔH的動(dòng)力學(xué)模型，決定系數(shù)介于0.84～0.98之間，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差介于0.40～1.35之間。檢驗(yàn)結(jié)果表明，MR介于-1.7～0.7之間，AMR介于0.2～1.7之間，RMSR介于0.2～0.9之間。所建模型精度符合要求，可用于枇杷果干干制中顏色變化的預(yù)測。

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Modeling of Color Changes of Loquat Fruit during Drying

WANG Jintao, LU Zhoumin*, CHEN Xianshuang, ZHANG Han
(College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Three-dimensional dynamic models were established using temperature and time as independent variables to describe color changes of loquat fruits during drying taking into account the interaction between the independent variables. Results showed that the changes in total color difference, Hunter L*, a* and b*, chroma and hue were well fitted to a modified first order reaction kinetics model, a first order reaction model with interaction, a polynomial model, a zero order reaction model with interaction, a Gaussian distribution model and a zero order with interaction, respectively, with determination coefficients between 0.84 and 0.98 and standard errors of estimation between 0.40 and 1.35. The models were validated by error test, and they were found to be suitable for the prediction of color changes of loquat fruits during drying with good precision.

loquat; dried fruit; color; kinetic models

10.7506/spkx1002-6630-201621018

S667.3

A

1002-6630（2016）21-0104-05

王錦濤, 魯周民, 陳賢爽, 等. 枇杷果干干制過程顏色變化動(dòng)力學(xué)[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(21): 104-108. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201621018. http://www.spkx.net.cn

WANG Jintao, LU Zhoumin, CHEN Xianshuang, et al. Modeling of color changes of loquat fruit during drying[J]. Food Science, 2016, 37(21): 104-108. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201621018. http://www.spkx.net.cn

2015-12-02

楊凌示范區(qū)農(nóng)業(yè)科技示范推廣能力提升項(xiàng)目（2014-TS-19）；財(cái)政部“以大學(xué)為依托的農(nóng)業(yè)科技推廣模式建設(shè)”項(xiàng)目（XTG2015-14）

王錦濤（1991—），女，博士研究生，研究方向?yàn)橹参镔Y源利用。E-mail：15203446711@163.com

*通信作者：魯周民（1966—），男，研究員，碩士，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)林果品加工。E-mail：luzhm139@163.com