響應(yīng)面法優(yōu)化微波干燥鳳尾魚片的工藝研究

何小龍，唐建華，郎軍

(1.揚(yáng)州大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省昆山第一中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 昆山 215300)

鳳尾魚富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、鈣、鐵、磷、鋅、硒等微量元素。鋅、硒等微量元素在兒童的智力發(fā)育過程中有很重要的作用。研究還發(fā)現(xiàn)鳳尾魚中豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能促進(jìn)人體血液中抗感染淋巴細(xì)胞的增加，醫(yī)學(xué)臨床實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了鳳尾魚能提高人體在化療時(shí)的耐受力[1]。

微波干燥技術(shù)是目前比較新穎的一種干燥方法，在食品、藥品等加工生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)得到很大程度的應(yīng)用。它與傳統(tǒng)的干燥方法相比較，有相同點(diǎn)也有其特殊的地方，兩者的熱傳導(dǎo)方向以及水分的擴(kuò)散方向是一樣的，但與傳統(tǒng)的干燥方法相比較，微波干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如：容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、生產(chǎn)過程潔凈、產(chǎn)品受熱均勻、產(chǎn)品的質(zhì)量易掌控、生產(chǎn)效率高等，正是由于微波干燥技術(shù)與傳統(tǒng)干燥法相比較有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此微波干燥技術(shù)在食品、藥品等干燥領(lǐng)域越來越受到人們的重視。岑琦瓊等人曾研究過不同干燥技術(shù)在水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)證明了微波干燥技術(shù)有很好的應(yīng)用前景[2,3]。微波烘干使鳳尾魚肉的質(zhì)構(gòu)重組，水分減少，蛋白質(zhì)變性，從而使組織結(jié)構(gòu)緊縮，硬度增加，通過質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)測(cè)得魚肉的硬度，反映組織結(jié)構(gòu)的變化，從而衡量一定的烘干條件下魚片的咀嚼性。利用微波干燥機(jī)和質(zhì)構(gòu)儀通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化鳳尾魚片的加工工藝，節(jié)約能耗，提高生產(chǎn)效率[4-6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

冷凍保鮮鳳尾魚、食用精鹽、太太樂雞精、白砂糖、太太樂特味鮮調(diào)味料、蔥粉、姜粉、白胡椒粉、五香粉、風(fēng)車淀粉、高度白酒、加飯酒、飴糖。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

鹽酸、無水乙醇、氫氧化鈉、乙酸鎂、五水合硫酸銅、硼酸、硫酸、氯仿、甲醇：均為分析純。

1.3 儀器與設(shè)備

小燒杯、錐形瓶、容量瓶、漏斗、量筒、濾紙、剪刀、試管、試管架、移液管等；1～4 kW微波干燥機(jī) 上海隆譽(yù)微波設(shè)備有限公司；DZ-400/2ES真空包裝機(jī) 華聯(lián)機(jī)械集團(tuán)股份有限公司；YX-280A手提式壓力蒸汽滅菌鍋 上海頤鵬集成設(shè)備有限公司；AUY220 電子天平 梅特勒-托利多國(guó)際有限公司；TA.XT plus食品物性測(cè)定儀 超技儀器技術(shù)有限公司；BCD-196KF冰箱 青島海爾股份有限公司；C21-ST2106電磁爐 廣東美的生活電器股份有限公司；KA-6189抽真空腌味機(jī) 深圳瑞豐電器公司。

2 方法

2.1 鳳尾魚片的加工流程

原料的選擇、解凍及清洗→鹽漬→去腥→漂洗、瀝水→混合輔料真空腌制→自然風(fēng)干→油炸掛糊→微波烘干→上糖漿滾揉→真空包裝→121 ℃高溫滅菌→成品→檢測(cè)。

2.2 鳳尾魚片微波烘干優(yōu)化工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.2.1 單因素變量之精鹽

在其他因素不變的條件下，改變精鹽的添加量，來探究精鹽對(duì)鳳尾魚片感官評(píng)價(jià)的影響。在其他因素不變的條件下，以1.5%，2%，2.5%，3%(以鳳尾魚100 g計(jì))4組添加量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析鳳尾魚片口感的變化，選擇適當(dāng)?shù)木}量。

2.2.2 單因素變量之糖漿

探究上糖漿滾揉時(shí)糖漿的添加量對(duì)鳳尾魚片感官評(píng)價(jià)的影響。在其他因素不變的條件下，現(xiàn)以10%，15%，20%，25%(以鳳尾魚100 g計(jì))4組不同糖漿添加量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析鳳尾魚片口感的變化，選擇適當(dāng)?shù)臐L揉糖漿的添加量。

2.2.3 單因素變量之微波功率

微波功率影響鳳尾魚片的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和口感以及烘干速率。在其他因素不變的條件下，以1，2，3，4 kW(以10 dm2鳳尾魚120 g計(jì))4組不同功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析鳳尾魚片口感的變化，選擇適當(dāng)?shù)奈⒉ê娓晒β省?/p>

2.2.4 單因素變量之烘干時(shí)間

微波烘干時(shí)間影響鳳尾魚片的口感，烘干時(shí)間對(duì)去除水分的量影響很大。在其他因素不變的條件下，以8，10，12，14 min(以10 dm2鳳尾魚120 g計(jì))為時(shí)間點(diǎn)，設(shè)計(jì)4組不同烘干時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取感官評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行評(píng)分，選取評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)最高的3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定為最合適的烘干時(shí)間范圍。

2.2.5 單因素變量之單位面積質(zhì)量

探究微波烘干時(shí)單位面積上要烘干的魚片的質(zhì)量對(duì)鳳尾魚片感官的影響，單位面積的魚片的質(zhì)量不一樣，則單位質(zhì)量的魚片吸收的微波能量不一樣，所以要考慮單位面積的質(zhì)量對(duì)烘干效果的影響。在其他因素不變的條件下，以80，100，120，140 g(以10 dm2烘干面積計(jì))4組質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析鳳尾魚片口感的變化，選擇適當(dāng)?shù)暮娓少|(zhì)量。

2.3 微波烘干工藝響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照以上單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)微波烘干后的鳳尾魚片的質(zhì)量影響最大的3個(gè)因素分別為：烘干功率、烘干時(shí)間和質(zhì)量。因此，將以上3個(gè)因素設(shè)置為自變因素，硬度(Y1)、感官評(píng)價(jià)(Y2)設(shè)置成實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)后的響應(yīng)面因素與水平的實(shí)驗(yàn)見表1。

表1 響應(yīng)面因素與水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The factors and levels of response surface experiment design

2.4 感官檢驗(yàn)方法

此次感官評(píng)價(jià)針對(duì)的是經(jīng)過加工的鳳尾魚片的食用效果。評(píng)分小組由10位專業(yè)教師組成，他們都接受過感官評(píng)價(jià)的專業(yè)訓(xùn)練，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用10分制，取10位評(píng)分者分?jǐn)?shù)的平均值[7]。選取質(zhì)地、大小、色澤、厚度均相近的鳳尾魚片給10位評(píng)分者分別品嘗，為了不相互影響評(píng)分結(jié)果，品嘗時(shí)將10位評(píng)分者分別引入專業(yè)的感官評(píng)分實(shí)驗(yàn)室，不可有語言、目光等交流，品嘗前后均采用綠茶水漱口，最大可能地做到客觀、準(zhǔn)確的感官評(píng)價(jià)。感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 鳳尾魚片感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standard of anchovy fillets

注：總分=KG×0.3+SZ×0.3+ZD×0.2+ZX×0.2，以總分的高低來判斷鳳尾魚片感官品質(zhì)的好與差。

2.5 彈性與硬度的測(cè)定方法

食品質(zhì)地反映的是食品的物理性質(zhì)，對(duì)食品風(fēng)味的構(gòu)成有較大影響。TPA質(zhì)構(gòu)分析是和力學(xué)特性相關(guān)的食品質(zhì)地檢測(cè)方法，隨著食品加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，這種物性的測(cè)試方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于食品加工行業(yè)，與人為的主觀評(píng)價(jià)相比較，客觀性、靈敏性是TPA質(zhì)構(gòu)分析最明顯的優(yōu)點(diǎn)，有效地避免了人的主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響[8-10]。

選取質(zhì)地、色澤、厚度較為均勻的鳳尾魚片，裁剪成規(guī)格為20 mm×20 mm大小，舍去峰值(魚骨的硬度)，選擇3.5 s時(shí)的觸發(fā)力值為魚肉的硬度。將樣品置于測(cè)試平臺(tái)上，刀具垂直于肌肉纖維的方向進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。每測(cè)一個(gè)樣品后均需對(duì)探頭以及測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行清潔[11]。TPA測(cè)試條件見表3。

表3 TPA測(cè)試條件Table 3 TPA test conditions

3 鳳尾魚片微波烘干優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)果與分析

3.1 精鹽添加量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同量的精鹽對(duì)鳳尾魚片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 單因素變量之精鹽Table 4 The single factor variable about salt %

由表4可知，2.5%的精鹽添加量適宜，而3%的精鹽添加量過多，1.5%，2%的精鹽添加量太少，偏淡。

3.2 糖漿添加量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同量的糖漿對(duì)鳳尾魚片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 單因素變量之糖漿 Table 5 The single factor variable about syrup g

由表5可知，10 g的糖漿添加量甜度不夠，而15 g的糖漿添加量不能完全浸入到魚片內(nèi)部，添加糖漿25 g太多，偏甜，對(duì)質(zhì)構(gòu)也有影響，添加糖漿20 g適宜且鳳尾魚片的表面較光滑，有光澤，咸甜適中，無油膩感。

3.3 不同微波功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同微波烘干功率對(duì)鳳尾魚片口感影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 單因素變量之微波功率 Table 6 The single factor variable about microwave power kW

由表6可知，1 kW的烘干功率不夠，水分未完全蒸干，組織結(jié)構(gòu)未緊縮；2 kW下水分烘干差不多，但質(zhì)構(gòu)還未重整，更緊縮；而4 kW功率太大，烘干太快，質(zhì)構(gòu)變化太大，容易烘干不均勻，導(dǎo)致局部太干；在烘干功率為3 kW的條件下適宜，且鳳尾魚片口感較好，色澤保持得很好。

3.4 烘干時(shí)間長(zhǎng)短的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同烘干時(shí)間對(duì)鳳尾魚片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 單因素變量之烘干時(shí)間 Table 7 The single factor variable about drying time min

由表7可知，8 min烘干時(shí)間偏少，水分未完全去除；而12 min烘干時(shí)間偏多；14 min烘干時(shí)間太多，導(dǎo)致烘干過度，焦化而口感差；在10 min烘干時(shí)間的條件下適宜，且鳳尾魚軟硬剛好，咀嚼有勁道。

3.5 單位面積質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

烘干不同量的鳳尾魚對(duì)鳳尾魚片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 單因素變量之單位面積的質(zhì)量Table 8 The single factor variable about weight of unit area g

由表8可知，80 g的烘干量太少，導(dǎo)致吸收的微波能量過多而烘干太干；100 g烘干量偏少；而140 g的烘干量偏多，單位質(zhì)量的魚片吸收的微波能量偏少而導(dǎo)致魚片硬度不夠；在120 g烘干量的條件下適宜，且鳳尾魚片軟硬適中，咀嚼性較好[12-14]。

3.6 微波烘干工藝響應(yīng)面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果

建立二次模型方程：運(yùn)用Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立響應(yīng)曲面回歸模型，從而獲得最優(yōu)條件下的曲面響應(yīng)的因子水平。表9中x1，x2，x3代表一次項(xiàng)；x12，x22，x32代表平方項(xiàng)；x1x2，x1x3，x2x3代表交叉項(xiàng)。

二次模型的方程建立：使用Design-Expert對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，建立響應(yīng)曲面的回歸模型，獲取最優(yōu)的響應(yīng)因子與水平。整理后鳳尾魚片的硬度及其感官評(píng)價(jià)響應(yīng)值見表9。

表9 Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Box-Behnken design and experimental results

使用Design-Expert軟件進(jìn)行回歸系數(shù)顯著檢查，對(duì)硬度和感官評(píng)價(jià)的檢查結(jié)果見表10。

表10 回歸系數(shù)顯著性驗(yàn)證表Table 10 The significant test of regression coefficients

注：P<0.05為顯著，P<0.01為極顯著。

3個(gè)因素在Y1模型上對(duì)F值的響應(yīng)值的影響由大到小依次為：一次項(xiàng)>二次項(xiàng)>交互項(xiàng)，由P值可以看出一次項(xiàng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是極顯著的；3個(gè)因素在Y2模型上對(duì)F值的響應(yīng)值的影響由大到小依次為：二次項(xiàng)>一次項(xiàng)>交互項(xiàng)，從P值反映的結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受二次項(xiàng)影響較為顯著，交互項(xiàng)對(duì)結(jié)果的影響相對(duì)較弱。由回歸P值可以看出，Y1模型顯著，Y2模型極顯著，說明由這2個(gè)模型代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析途徑可行，結(jié)論可信。

Y1的模型回歸方程為：Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

Y2的模型回歸方程為：Y2=-228.229+43.9125x1+8.79167x2+3.32937x3-6.78333x12-0.389583x22-0.0132083x32+0.3125x1x2-0.0475x1x3-0.001875x2x3。

用Design-Expert 8.05軟件做出響應(yīng)曲面圖，響應(yīng)曲面圖見圖1～圖6。

當(dāng)烘干重量為120 g時(shí)，功率與時(shí)間對(duì)硬度的影響見圖1。

圖1 烘干功率和烘干時(shí)間對(duì)鳳尾魚片硬度影響的響應(yīng)面圖Fig.1 The response surface plot for the impact of drying power and drying time on the hardness of anchovy fillets

由圖1 可知，響應(yīng)曲面較為平緩，隨著時(shí)間上升，硬度值變化不明顯；但隨著功率的增大，硬度值變化則較為明顯。因此，功率的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大，說明交互作用比較明顯。

當(dāng)烘干時(shí)間為10 min時(shí)，功率與重量對(duì)硬度的影響見圖2。

圖2 烘干功率與烘干重量對(duì)鳳尾魚片硬度影響的響應(yīng)面圖Fig.2 The response surface plot for the impact of drying power and drying weight on the hardness of anchovy fillets

由圖2 可知，響應(yīng)曲面由平緩逐漸變陡，伴隨著重量值上升，硬度值先變大后變??；而隨著功率的增大，硬度值則先變大后逐漸減小。因此，重量值的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大，說明交互作用不甚明顯。

當(dāng)烘干功率為3 kW時(shí)，重量與時(shí)間對(duì)硬度的影響見圖3。

圖3 烘干時(shí)間與烘干重量對(duì)鳳尾魚片硬度影響的響應(yīng)面圖Fig.3 The response surface plot for the impact of drying time and drying weight on the hardness of anchovy fillets

由圖3可知，響應(yīng)面坡度較為平緩，隨著時(shí)間的上升，硬度值變化不大；隨著重量值的增加，硬度值出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，可以判定重量值的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，說明交互作用不明顯。

圖4 烘干功率與烘干時(shí)間對(duì)鳳尾魚片感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.4 The response surface plot for the impact of drying power and drying time on the sensory score of anchovy fillets

由圖4可知，當(dāng)烘干重量為120 g時(shí)，烘干功率和烘干時(shí)間對(duì)感官評(píng)分影響的響應(yīng)曲面比較平緩，伴隨著時(shí)間的增加，感官評(píng)分未出現(xiàn)明顯變化；當(dāng)烘干功率增加時(shí)，感官評(píng)分的分值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，由此可知烘干功率的變化會(huì)較大程度地影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明交互作用不明顯。

圖5 烘干重量和烘干功率對(duì)鳳尾魚片感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.5 The response surface plot for the impact of drying weight and drying power on the sensory score of anchovy fillets

由圖5可知，當(dāng)烘干時(shí)間為10 min時(shí)，功率與重量對(duì)感官評(píng)分影響的響應(yīng)曲面較為平緩，而隨著重量值和功率的增大，感官評(píng)分分值均出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，說明交互作用不明顯。

當(dāng)烘干功率為3 kW時(shí)，時(shí)間與重量對(duì)感官評(píng)分的影響見圖6。

圖6 烘干重量與烘干時(shí)間對(duì)鳳尾魚片感官評(píng)分影響的響應(yīng)面圖Fig.6 The response surface plot for the impact of drying weight and drying time on the sensory score of anchovy fillets

由圖6可知，響應(yīng)曲面坡度較平，隨著重量值與烘干時(shí)間的增加和延長(zhǎng)，感官評(píng)分分值都是先增大后緩慢減小，說明交互作用不明顯。

由方差分析結(jié)果(P<0.05為顯著項(xiàng))可知，Y1模型中x1, x1x2, x12, x32項(xiàng)為顯著項(xiàng)，在原有的擬合方程基礎(chǔ)上，去掉不顯著項(xiàng)，交互項(xiàng)x1x3, x2x3和二次項(xiàng)x22被去掉，相應(yīng)地手動(dòng)優(yōu)化擬合方程后新的擬合方程依然能夠滿足響應(yīng)面分析的要求，新的擬合方程為：Y1=-18393.03+3069.42x1+467.61x2+207.99x3-191.36x12-0.862x32-157.578x1x2。

Y2模型中x2, x12, x32項(xiàng)為極顯著項(xiàng)，在原有的擬合方程基礎(chǔ)上，去掉不顯著項(xiàng)，交互項(xiàng)x1x2, x1x3, x2x3和二次項(xiàng)x22被去掉，相應(yīng)地手動(dòng)優(yōu)化擬合方程后新的擬合方程依然能夠滿足響應(yīng)面分析的要求，新的擬合方程為：Y2=-174.86+40.62x1+1.712x2+3.096x3-6.663x12-0.0129x32。

使用Design-Expert響應(yīng)優(yōu)化器對(duì)硬度和感官評(píng)分進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化，當(dāng)x1，x2，x2值分別為3.05，12.00和119.91時(shí)，微波烘干后的風(fēng)味魚片的感官評(píng)分和硬度值分別為93.248，1570.35 g，最優(yōu)條件見表11。

表11 響應(yīng)面響應(yīng)值優(yōu)化器設(shè)置Table 11 Response surface value optimizer setting

結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，最終優(yōu)化后的微波烘干鳳尾魚片的工藝參數(shù)是：烘干質(zhì)量120 g，烘干時(shí)間12 min，微波功率3 kW，最后采用該優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行剪切力和感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)，感官評(píng)價(jià)分為94.5分，同時(shí)感官評(píng)價(jià)最佳風(fēng)味魚片的硬度值為1538.45 g，2.03%的硬度誤差和1.24%的感官評(píng)價(jià)誤差，說明經(jīng)過響應(yīng)曲面優(yōu)化后的Y1，Y2模型應(yīng)用于實(shí)踐中是非常可行的。

4 結(jié)論

響應(yīng)曲面法優(yōu)化的微波烘干工藝參數(shù)為微波功率3 kW，烘干時(shí)間12 min，烘干質(zhì)量120 g。Y1模型的回歸方程是：Y1=-18393.03+3069.42x1+467.61x2+207.99x3-191.36x12-0.862x32-157.578x1x2；Y2模型的回歸方程是：Y2=-174.86+40.62x1+1.712x2+3.096x3-6.663x12-0.0129x32，回歸方程可以用于實(shí)踐。

鳳尾魚片的最佳優(yōu)化工藝參數(shù)為：100 g魚肉，3 g精鹽，2 g雞精，5 g五香粉，5 g胡椒粉，10 g土豆淀粉，5 g白糖，0.1 g味特鮮，0.1 g蔥粉，0.1 g姜粉，10 g黃酒，5 g白酒：烘干工藝：每10 dm2120 g，微波功率3 kW，烘干時(shí)間12 min。