基于灰色關聯(lián)分析法研究不同干燥方式對蕪菁脆片的影響

高 琦，李加恒，韓昊廷，劉梓蘅，張佳慧，劉春菊，劉春泉，薛友林,,*

（1.遼寧大學輕型產(chǎn)業(yè)學院，遼寧 沈陽 110036；2.中共遼寧省委黨校，遼寧 沈陽 110004；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014）

蕪菁（Brassica rapa L.）屬于十字花科兩年生植物，是世界上最古老的栽培蔬菜之一[1]。別名蔓菁、圓根、盤菜等。在中國，蕪菁是人們經(jīng)常食用的一種蔬菜，其根莖扁圓，肉質根中含有大量的VA、VB、VC及多種糖類、氨基酸、鈣、鐵、磷等礦物質[2]。民間傳統(tǒng)還將其用作醫(yī)藥，以緩解缺氧和疲勞癥狀[3-4]。

干燥作為一種重要的加工操作單元，在現(xiàn)代食品工業(yè)中被廣泛應用。干燥處理是一種常用而又有效的保藏方法，可在降低水分含量和水分活度來達到抑菌效果的同時[5]，又賦予產(chǎn)品新的感官品質。對蕪菁進行干燥處理以生產(chǎn)蕪菁脆片，不但可以延長產(chǎn)品的保藏時間，還能夠得到一種新的蕪菁產(chǎn)品。干燥是一種很好的產(chǎn)品加工形式，干燥賦予了蕪菁新的感官品質，使其消費方式多樣化、方便化，提高了其附加值。

真空冷凍干燥（freeze drying，F(xiàn)D）過程中物料處于凍結狀態(tài)，溫度較低，在整個過程中幾乎不存在營養(yǎng)成分熱分解及褐變，可最大程度保留物料原有狀態(tài)，但操作耗時長、耗能高[6]；變溫壓差膨化干燥（explosion puffing drying，EPD）利用物料中原有水分汽化生成水蒸氣帶動物料膨化，其產(chǎn)品綠色天然、酥脆度高[7-8]；紅外干燥（infrared drying，ID）是利用紅外線輻射器產(chǎn)生的電磁波與物料中分子運動的固有頻率相匹配，進而使分子因劇烈振動而引起激烈摩擦產(chǎn)生大量熱進行干燥的，物料干燥溫度不易受周圍空氣溫度影響，具有節(jié)能、干燥均勻的特點[9]；熱風干燥（hot air drying，AD）利用熱空氣為干燥介質與物料進行濕熱交換而干燥物料，干燥過程溫度較高、時間較長，物料易褐變，營養(yǎng)成分易分解，但干燥速率較快，干燥容量較大[10]。本實驗將通過灰色關聯(lián)分析法比較FD、EPD、ID、AD 4 種不同的干燥方式對蕪菁脆片物理性質、營養(yǎng)成分、微觀結構和感官評價的影響，以確定蕪菁脆片的最佳干燥工藝，以期為蕪菁脆片生產(chǎn)加工中干燥方式的選擇及產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕪菁為白皮白肉圓蕪菁（水分質量分數(shù)約93%、總糖質量分數(shù)約5%、膳食纖維質量分數(shù)約1%），產(chǎn)自四川大涼山。

氯化鈉、檸檬酸、蔗糖、硝酸、考馬斯亮藍G250等（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

SCIENTZ-10N型真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司；QDPH1021型變溫壓差膨化干燥設備 天津市勤德新材料科技有限公司；HW-10型紅外干燥箱鞏義市英峪予華儀器廠；GZX-BE型電熱鼓干燥箱上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；BCD-208GT型冷藏冷凍箱 江蘇雪龍電器有限公司；NR20XE型精密色差儀深圳市三恩馳科技有限公司；CT3-25K型質構儀美國Brookfield公司；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡日本電子公司；JFC01600型鍍金儀 日本Jeol公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥工藝參數(shù)

預處理：蕪菁經(jīng)清洗、去皮、切片（厚度4 mm）、熱燙（1.5%（質量分數(shù)，下同）氯化鈉和0.2%檸檬酸溶液煮制1 min）、冷卻、浸糖（置于20%蔗糖溶液1 h（料液比1∶3））、低溫預凍（-18 ℃冷凍12 h）。預凍后進行FD，預凍后室溫解凍2 h分別進行AD、ID和EPD。干燥后水分質量分數(shù)不大于7%即獲得蕪菁脆片成品，用于理化性質和營養(yǎng)成分的測定。

FD：冷凍干燥過程真空度不高于60 Pa，冷阱表面溫度設置為-40～-45 ℃；干燥時間：14 h。

EPD：將蕪菁片在70 ℃條件下熱風預干燥50 min后，使水分質量分數(shù)達到25%。放入膨化罐后密封，在溫度為80～85 ℃條件下，加壓到0.3 MPa，停留5 min，在溫度為70～75 ℃條件下抽空90 min（剛開始抽真空的瞬間即為膨化過程），全程干燥時間：145 min。

ID：溫度70 ℃、功率250 W、干燥時間240 min。

AD：溫度70 ℃、風速2.3 m/s、干燥時間120 min。

1.3.2 營養(yǎng)成分的測定

營養(yǎng)成分的測定包括：1）水分含量測定：參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》[11]；2）可溶性固形物（total soluble solid，TSS）含量測定：參照手持糖度計法[12]；3）蛋白質含量測定：參照GB 5009.5—2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》[13]；4）淀粉含量測定：GB 5009.9—2016《食品中淀粉的測定》[14]；5）總糖含量測定：參照王聯(lián)珠等的方法[15]；6）總酚含量測定：參照Sellappan等的方法[16]；7）VC含量測定：參照趙曉梅等的方法[17]；8）可溶性膳食纖維（soluble dietary fi ber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）含量的測定：參照GB 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》[18]以及Prosky等的方法[19]。

1.3.3 微觀結構的測定

使用JFC01600型鍍金儀對蕪菁脆片樣品進行5 min噴金處理，將噴金后的蕪菁脆片固定在JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡掃描臺上進行觀察。

1.3.4 物理性質的測定

1.3.4.1 色差的測定

根據(jù)Vega-Gálvez等[20]的方法測定蕪菁脆片的L*（亮度）、a*（紅綠度）、b*（黃藍度）值，并按式（1）計算色差（ΔE）。

式中：△a*為干燥前后紅綠度的差值；△b*為干燥前后黃藍度的差值；△L*為干燥前后亮度的差值。

1.3.4.2 復水比的測定

根據(jù)Yi Jianyong等[21]的方法測定蕪菁脆片在25 ℃下的復水比。

1.3.4.3 體積比和密度的測定

根據(jù)Yi Jianyong等[22]的方法測定蕪菁脆片體積比和密度。

1.3.4.4 質構的測定

采用CT3-25K型質構儀測定蕪菁脆片的硬度。具體測定條件：使用TA7型探頭進行測試，探頭長度7.0 mm，測試速率為2.0 mm/s，返回速率為2.0 mm/s，觸發(fā)點負載為10 g，負載單元為25 000 g。每種樣品取10 個樣測10 次，取平均值。測試過程中，出現(xiàn)的最大峰為樣品硬度（H/g）；脆度（C）則由公式（2）得出。

式中：HAV表示得到的所有峰值平均值/g。得到的峰值平均值與初始硬度有關。C越高，則表示樣品松脆性越強。

1.3.5 感官評價

選取10 名有感官評價培訓經(jīng)驗的人員分別對4 種不同方式干燥的蕪菁脆片進行感官評價，對產(chǎn)品的口感、色澤、組織狀態(tài)、風味4 個方面進行評價，計算平均分，各項滿分25 分，總分滿分100 分，感官評價表如表1所示。

表 1 蕪菁脆片感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of turnip chips

1.3.6 綜合評價

采用變異系數(shù)法[23]確定ΔE、體積比、密度、硬度、脆度、水分含量、可溶性固形物含量、淀粉含量、蛋白質含量、總糖含量、VC含量、SDF含量、IDF含量和感官評分14 個指標的影響因子權重，再經(jīng)過灰色關聯(lián)分析的一系列數(shù)據(jù)處理計算各因子的加權關聯(lián)度，將加權關聯(lián)結果作為最終綜合評價參照依據(jù)。

1.3.6.1 因子權重賦予

何承剛等[24]發(fā)現(xiàn)各評價指標的變異系數(shù)越大，所賦予的權重就應越大。為了更客觀地評價各項指標對品質影響的重要性，需要通過變異系數(shù)確定權重來反映相對差異程度[25]，如式（3）～（4）所示。

式中：CVi表示第i項的變異系數(shù)；σi表示第i項的標準差；μi表示第i項的算術平均數(shù)；Wi表示第i項的權重。

1.3.6.2 灰色關聯(lián)模型分析

參照王軒[26]、劉文靜[27]等的灰色關聯(lián)法分析，通過數(shù)據(jù)無量綱化、參考序列與比較序列間絕對差值的計算，以及灰色關聯(lián)系數(shù)及李慧等[28]的方法計算加權關聯(lián)度，進行綜合性評價。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用DPS 7.5軟件對數(shù)據(jù)進行處理，通過Duncan’s新復極差法進行顯著性分析（P＜0.05表示差異顯著）。采用Origin Pro 8軟件和Excel 2010軟件作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對蕪菁脆片營養(yǎng)成分的影響

表 2 不同干燥方式對蕪菁脆片營養(yǎng)成分含量的影響Table 2 Effects of different drying methods on the nutritional composition of turnip chips

如表2所示，為改善脆片口味，事先對樣品進行了浸糖預處理，故各種產(chǎn)品的TSS與總糖含量均較高。ID產(chǎn)品TSS含量較低，同時其蛋白質及總糖含量較低，這可能是因為ID處理時間（240 min）較長，使糖與蛋白質發(fā)生較長時間的美拉德反應，導致產(chǎn)品蛋白及總糖含量較低，尤其是總糖含量；FD產(chǎn)品VC含量最高，ID產(chǎn)品VC含量最低，因為VC對熱及氧不穩(wěn)定，而FD全程低溫、低氧，故VC氧化極少，保留較好，EPD、ID、AD 3 種處理溫度接近，而ID時間比EPD和AD長，故VC損失最為嚴重，含量最低；4 種產(chǎn)品均未檢出多酚成分，且僅有ID產(chǎn)品因加工時間較長，纖維含量較高。整體來看，F(xiàn)D產(chǎn)品各成分保持最好，EPD產(chǎn)品次之，這是因為EPD、ID、AD三者處理溫度相近并且高于FD，故FD產(chǎn)品成分破壞最少。

2.2 不同干燥方式對蕪菁脆片物理性質的影響

2.2.1 不同干燥方式對蕪菁脆片色澤的影響

表 3 不同干燥方式對蕪菁脆片色澤的影響Table 3 Effects of different drying methods on the color of turnip chips

從表3可以看出，4 種干燥產(chǎn)品亮度L*值均顯著高于鮮樣（P＜0.05），說明4 種脆片的色澤均與鮮樣的有較大差距。此外，ID的a*值和b*值顯著高于FD產(chǎn)品（P＜0.05），這表明ID產(chǎn)品顏色比FD等其他產(chǎn)品偏黃，與成分測定的結果相符（ID產(chǎn)品美拉德反應最嚴重）。

2.2.2 不同干燥方式對蕪菁脆片微觀結構的影響

從圖1A中可以看出，F(xiàn)D脆片具有較明顯的蜂窩狀結構，內(nèi)部空隙大，整體體積保持較好。從圖1B中可以看出，EPD脆片內(nèi)部可生成一定蜂窩狀空隙，但其表面卻相對致密，可能是因為在預干燥后水分分布不均，至使膨化不完全。ID脆片則很難看出來其原有結構，其組織緊縮，結構緊密（圖1C）。而AD脆片也發(fā)生了嚴重的皺縮，失去了原來飽滿而立體的狀態(tài)，表面形成了模糊的褶皺樣形狀，但其內(nèi)部保留了輕微的孔隙結構（圖1D）。

圖 1 不同干燥方式的蕪菁脆片的掃描電子顯微鏡結果Fig. 1 SEM results of turnip chips with different drying treatments

2.2.3 不同干燥方式對蕪菁脆片復水比的影響

圖 2 不同干燥方式對蕪菁脆片在25 ℃下復水比的影響Fig. 2 Effect of different drying methods on the rehydration rate of turnip chips at 25 ℃

如圖2所示，初期FD產(chǎn)品在25 ℃下的復水速率高于其他3 種干燥產(chǎn)品，復水較快，且在5 min后無明顯變化，這可能是因為FD脆片會形成疏松多孔蜂窩狀結構[29]（圖1A）。但隨著復水時間延長，脆片中的糖逐漸溶于水中，故最終復水比較低。ID產(chǎn)品內(nèi)部及表面結構均較為致密（圖1C），雖然致密的結構使其糖分在復水過程中難以溶解出去，但水分也難以進入，故最終復水比較低。ID脆片和AD脆片前期復水速率相近，因為二者均有致密的表面結構。另外，EPD脆片內(nèi)部形成多孔狀結構[30]，易于吸水，同時表面致密（圖1B），糖分不易溶出；而AD產(chǎn)品同樣表面致密，內(nèi)部也形成了一些毛細孔隙（圖1D），利于復水，故兩者均有較高的最終復水比。

2.2.4 不同干燥方式對蕪菁脆片體積比和密度的影響

圖 3 不同干燥方式對蕪菁脆片體積比和密度的影響Fig. 3 Effect of different drying methods on the volume ratio and bulk density of turnip chips

如圖3所示，F(xiàn)D產(chǎn)品的體積比最大，達到95%，顯著高于其他3 組。表明FD可以很好地保持蕪菁脆片內(nèi)部結構的完整，保留其原有外觀形態(tài)（圖1A）；ID和AD產(chǎn)品的體積比無顯著差異且最小，表明干燥過程中對蕪菁結構造成了較大改變，使其干癟收縮，外觀變化明顯（圖1C、D）。密度與體積比相反，F(xiàn)D產(chǎn)品密度最小，ID和AD產(chǎn)品密度最大。FD利于產(chǎn)品形狀的保持，這是由于在冷凍階段，過低的溫度固化了物料內(nèi)部的纖維結構，這有利于后期干燥產(chǎn)品形狀的保持[31]。

2.2.5 不同干燥方式對蕪菁脆片硬度和脆度的影響

圖 4 不同干燥方式對蕪菁脆片硬度和脆度的影響Fig. 4 Effect of different drying methods on the hardness and brittleness of turnip chips

由圖4可見，在ID和AD過程中，產(chǎn)品表面溫度較內(nèi)部高，使其內(nèi)部水分向表面轉移的速度小于表面水分蒸發(fā)的速度，在表面形成一層干硬膜，出現(xiàn)干癟堅硬現(xiàn)象，使其硬度較大，脆度較??；EPD過程中，產(chǎn)品內(nèi)部的膨化作用使孔道擴充，質地更加酥脆；FD脆片可基本保持其原有形狀，形成多孔性結構，因而體積收縮小，硬度最小，質地松軟[32]。

2.3 不同干燥方式的蕪菁脆片的感官評分

表 4 不同干燥方式對蕪菁脆片的品質感官評分Table 4 Quality evaluation of turnip chips subjected to different drying methods

如表4所示，蕪菁脆片的感官評價由高到低依次為：EPD＞FD＞AD＞ID。FD、EPD產(chǎn)品感官評價評分接近，均不低于80分，都易于被消費者接受，而ID、AD產(chǎn)品評分較低，食用體驗不佳。FD與EPD產(chǎn)品在風味上相差無幾，由于EPD是利用內(nèi)部水分汽化而使物料膨化，故口感最為酥脆，雖干燥溫度不是很高，但仍發(fā)生褐變；FD產(chǎn)品因水分直接升華，保持原有細胞結構，故酥脆程度不如EPD產(chǎn)品，但干燥過程中始終低溫，無褐變反應發(fā)生，色澤較好。ID和AD產(chǎn)品，則因干燥過程均為水分受熱蒸發(fā)過程，溫度高、時間長，故產(chǎn)品的外觀、口感上均比前兩者差。

2.4 不同干燥方式的蕪菁脆片品質影響的綜合評價

為了避免等權分配的不客觀性，消除各評價指標的量綱差異，采用變異系數(shù)法對不同評價指標的權重關系進行分配，再利用灰色關聯(lián)法及綜合性評價分析不同干燥方式對蕪菁脆片品質的影響。

表 5 各項指標權重分析Table 5 Weights of various indicators used in comprehensive evaluation of turnip chips

如表5所示，根據(jù)變異系數(shù)法對14 個評價指標確定不同權重?；诓煌笜说呢暙I差異性，將ΔE、體積比、密度、硬度、脆度、水分含量、TSS含量、淀粉含量、蛋白質含量、總糖含量、VC含量、SDF含量、IDF含量、感官評分賦予的權重分別為：7.3%、26.4%、19.0%、6.9%、2.3%、2.4%、3.5%、1.8%、2.8%、2.7%、10.3%、11.5%、1.2%和1.9%。根據(jù)已測量數(shù)據(jù)構造參考數(shù)列T0。為了避免各量綱的指數(shù)差異，統(tǒng)一根據(jù)公式（5）將各指標進行如表6所示的無量綱化。

其式k＝1，2，3，4；i＝1，2，3，…，14。

表6 數(shù)據(jù)無量綱化結果Table 6 Results of nondimensionalization

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)，求出參考數(shù)列T0與比較數(shù)列Ti各對應點的絕對差值，Δn（i）＝｜T0（i）-Tn（i）︱，計算結果如表7所示。最大和最小差值：Δn（i）max＝4.286、Δn（i）min＝0.000。

表 7 參考序列與比較序列間的絕對差值[Δn（i）]Table 7 Absolute value [Δn(i)] between reference sequence and comparative sequence

采用公式（6）和（7）計算出灰色關聯(lián)系數(shù)ξn（K）和加權灰色關聯(lián)度Xi，計算結果如表8、9所示。

式中；ξn（K）為各項指標灰色關聯(lián)系數(shù)；ξ為分辨系數(shù)，在0～1間，通常為0.5。

式中：ξn（K）為各項指標灰色關聯(lián)系數(shù)；Qn（K）為表5中各項指標權重。

表 8 參考序列與比較序列的灰色關聯(lián)系數(shù)Table 8 Grey relational coefficients and grey correlation degrees between reference sequence and comparative sequence

表 9 加權關聯(lián)度（Xn）計算結果Table 9 Results of weighted correlation (Xn)

表8、9表明，加權關聯(lián)度由大到小排序是：FD＞EPD＞ID＞AD。對脆片品質評價的14 項指標進行影響程度權重分配后，再分析不同干燥方式對脆片產(chǎn)品品質的各項指標的聯(lián)動影響。結果表明，F(xiàn)D、EPD、ID、AD 4 種干燥方式中FD和EPD優(yōu)于ID和AD。因FD設備復雜、耗時耗能，而EPD處理雖設備成本較高，但生產(chǎn)周期較短，綜合能耗及品質多方面考慮，EPD為蕪菁脆片生產(chǎn)加工的較合適的備選工藝。

3 結 論

我國新疆、西藏蕪菁產(chǎn)量較大，一般以鮮食為主，少部分用來制作腌泡菜，深加工產(chǎn)品較少，為了提升其附加值，豐富其加工方式，嘗試將其制作成一種非油炸脆片產(chǎn)品。本實驗選擇了FD、EPD、ID、AD 4 種干燥方式生產(chǎn)蕪菁脆片，并利用灰色關聯(lián)分析法對其營養(yǎng)成分及感官品質等多項指標進行了綜合分析。結果顯示FD產(chǎn)品綜合得分最高，但其生產(chǎn)耗時耗能，而EPD生產(chǎn)周期較短，綜合能耗及品質多方面考慮，EPD為蕪菁脆片生產(chǎn)加工較合適的備選工藝。硫代葡萄糖苷是十字花科蕓薹屬植物中的一類重要的次生代謝產(chǎn)物，能夠抑制腫瘤生成和癌細胞轉移。其廣泛存在于蕪菁中，因條件限制本實驗并未對脆片中硫代葡萄糖苷的構成進行詳細解析，將在后續(xù)實驗中進行深入研究。