微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干工藝條件優(yōu)化

姚 荷，譚亦成，譚興和,*，李清明，王 鋒，張春艷，王欄樹(shù)，成才良，秦長(zhǎng)光

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.湖南佳宴食品有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；4.龍山縣昶光農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

竹筍肉質(zhì)鮮嫩、美味爽口，富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、多糖、多種維生素和必需氨基酸[1]，且具有清熱解毒、抗菌消炎、改善腸道環(huán)境、調(diào)節(jié)血糖平衡等功效[2-3]。我國(guó)竹資源豐富，全國(guó)現(xiàn)有竹林面積約672萬(wàn) 公頃，竹筍產(chǎn)量高達(dá)682.5萬(wàn) t。但竹筍采收季節(jié)短、集中且耐藏性差[4-6]，每年有大量竹筍資源遭到浪費(fèi)。其中，廣大山區(qū)淡竹筍產(chǎn)量巨大，但鮮見(jiàn)其保藏加工研究報(bào)道。干燥是竹筍加工中常用的一種方法，可使采后竹筍得到有效地保藏[7-8]。傳統(tǒng)的干燥方法多采用熱風(fēng)干燥，但熱風(fēng)干燥的時(shí)間長(zhǎng)、耗能多、產(chǎn)品褐變嚴(yán)重、品質(zhì)差[9-10]。與熱風(fēng)干燥相比，微波干燥不僅可滅酶殺菌、減少營(yíng)養(yǎng)損失，防止竹筍褐變，還能使物料內(nèi)、外同時(shí)升溫形成整體同步加熱，大大縮短干燥時(shí)間[11]，但是微波干燥速度過(guò)快，不便控制干燥終點(diǎn)，加熱時(shí)間稍長(zhǎng)便會(huì)使產(chǎn)品燒焦[12-13]。短時(shí)間的微波處理，再結(jié)合熱風(fēng)干燥，可以保證產(chǎn)品品質(zhì)，縮短干燥時(shí)間，降低生產(chǎn)成本[14-15]。本研究以淡竹筍（Phyllostachys nigra (Lodd. ex Lindl.) Munro var.henonis (Mitf.) Stapf et Rendle）為原料，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，探討不同水平的微波干燥功率、微波干燥時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響，以期得到干燥時(shí)間短、干燥品質(zhì)好的筍干產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

淡竹筍采自湖南省長(zhǎng)沙市長(zhǎng)沙縣；檸檬酸（食品級(jí)） 山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

101A-3ET電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)有限公司；G70F20CN1L-DG（S0）微波爐 廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；WSC-Y型自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)北京光學(xué)儀器廠(chǎng)；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀 北京東方安諾生化科技有限公司；MA45-000230V1自動(dòng)水分測(cè)定儀北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

選擇粗細(xì)一致、厚度均勻的淡竹筍，去皮，切成長(zhǎng)4 cm、寬1 cm的小段，放入含0.1%檸檬酸溶液中浸泡20 min護(hù)色，筍液比為1∶3（g/mL）。取出瀝干后，將100 g物料平鋪于微波爐中干燥一定時(shí)間，取出立刻進(jìn)行熱風(fēng)干燥，每30 min測(cè)筍干含水量，直至物料含水量不大于8 %（當(dāng)含水量接近10%時(shí)，改為每10 min測(cè)1 次）。

1.3.2 微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干單因素試驗(yàn)

在預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇效果較好的微波干燥功率、時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度參數(shù)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.3.2.1 微波干燥功率對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

固定微波干燥時(shí)間90 s、熱風(fēng)干燥溫度60 ℃，分別考察微波干燥功率3.5、4.2、4.9、5.6、6.3、7.0 W/g對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響。

1.3.2.2 微波干燥時(shí)間對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

固定微波干燥功率6.3 W/g、熱風(fēng)干燥溫度60 ℃，分別考察微波干燥時(shí)間0、30、60、90、120、150 s對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響。

1.3.2.3 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

固定微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時(shí)間90 s，分別考察熱風(fēng)干燥溫度55、60、65、70、75、85 ℃對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響。

1.3.3 微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，以微波干燥功率、時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度為自變量，以干燥時(shí)間、復(fù)水比、感官評(píng)分、色澤、硬度等為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，優(yōu)化微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干工藝條件，試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental factors and levels used in response surface methodology

1.3.4 指標(biāo)測(cè)定

1.3.4.1 感官評(píng)分

感官評(píng)分是評(píng)價(jià)竹筍干燥效果的一個(gè)重要指標(biāo)，分別由10 位有經(jīng)驗(yàn)的感官評(píng)價(jià)員根據(jù)表2的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)筍干及復(fù)水后竹筍進(jìn)行打分[14,16]。

表2 筍干感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for sensory score of dried bamboo shoots

1.3.4.2 總干燥時(shí)間

記錄水分含量不大于8%所用干燥時(shí)間?？偢稍飼r(shí)間為微波干燥時(shí)間與熱風(fēng)干燥時(shí)間之和。

1.3.4.3 復(fù)水比

參考郭玲玲等[17]的方法并稍作修改：取5 片筍干稱(chēng)質(zhì)量，記為m干，在300 mL的蒸餾水中常溫浸泡1 h后取出，用干凈的紙巾將復(fù)水后的竹筍表面擦干，稱(chēng)質(zhì)量記為m復(fù)。復(fù)水比值大反映產(chǎn)品復(fù)水性能好。平行測(cè)定3 次，取平均值。復(fù)水比為m復(fù)與m干的比值。

1.3.4.4 色差ΔE*

使用WSC-Y型色差儀測(cè)定筍干和復(fù)水后竹筍的明度指數(shù)L*，彩度指數(shù)a*和b*。使用以上值計(jì)算色差ΔE*[18]。ΔE*=[（ΔL*）2＋（Δa*）2＋（Δb*）2]1/2。ΔE*值越小，筍干和復(fù)水后竹筍與鮮筍的色差越小[19]。每組樣品測(cè)3 次后取平均值。

1.3.4.5 硬度

采用TA-XT plus型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定筍干和復(fù)水后竹筍的硬度[20]。測(cè)定條件如下：探頭P/36R，測(cè)前速率2 mm/s，測(cè)試速率1 mm/s，測(cè)后速率1 mm/s，壓縮程度80%，停頓時(shí)間5 s，測(cè)試距離30.0 mm，觸發(fā)值5 g。選取形狀、大小接近的筍干測(cè)定硬度，重復(fù)6 次。硬度是曲線(xiàn)中最高峰值，單位為g，值越大表示所測(cè)樣品硬度越大[21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 18、Origin 8.5和Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 微波干燥功率對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

圖1 微波干燥功率對(duì)總干燥時(shí)間（A）、復(fù)水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 1 Effects of microwave power on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由圖1A可知，隨著微波干燥功率的增大，總干燥時(shí)間越來(lái)越短。根據(jù)微波干燥物料原理，物料中的水分子吸收微波能量，使其以極快的速度改變方向，分子間發(fā)生碰撞和摩擦，產(chǎn)生大量熱量，使物料內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)[22]。微波功率越大，水分子吸收能量越多，分子在單位時(shí)間內(nèi)方向改變次數(shù)越多，竹筍干燥速度越快。由圖1B～D可知，不同微波干燥功率對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、復(fù)水比、色澤和硬度有顯著性影響（P＜0.05）。當(dāng)微波干燥功率為5.6～6.3 W/g，筍干復(fù)水比較高，筍干及復(fù)水制品的色差和硬度較小，其中當(dāng)功率是6.3 W/g時(shí)，產(chǎn)品感官評(píng)分達(dá)到最高78.6±1.85（P＜0.05）。這是由于微波干燥功率低時(shí)、干燥時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)品中VC損失大、褐變嚴(yán)重，且失水過(guò)程中，產(chǎn)品中蒸發(fā)掉的水分空間還在，因而具有多孔結(jié)構(gòu)，吸水性和快速?gòu)?fù)水性較好；微波干燥功率過(guò)高時(shí)，細(xì)胞壁組織被破壞，果膠物質(zhì)流失[23]，且物料急劇失水，使纖維結(jié)構(gòu)明顯并導(dǎo)致焦糊現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品易碎，因此，筍干及復(fù)水制品硬度下降，產(chǎn)品復(fù)水性也更差[24]。故確定微波干燥功率6.3 W/g為優(yōu)化試驗(yàn)的0水平。

2.1.2 微波干燥時(shí)間對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

圖2 微波干燥時(shí)間對(duì)總干燥時(shí)間（A）、復(fù)水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 2 Effects of microwave drying time on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由圖2A可知，隨著微波干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，總干燥時(shí)間不斷減少，當(dāng)達(dá)到120 s后，總干燥時(shí)間基本不變。由圖2B～D可知，不同微波干燥時(shí)間對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、復(fù)水比、色差和硬度有顯著性影響（P＜0.05）。當(dāng)微波干燥時(shí)間為60～90 s時(shí)，產(chǎn)品復(fù)水性較好，筍干及復(fù)水制品色差和硬度較低，產(chǎn)品感官評(píng)分在干燥時(shí)間為90 s時(shí)達(dá)到最大值80.3±2.15（P＜0.05）。說(shuō)明微波短時(shí)干燥期間，物料吸收能量，溫度上升很快，微波的快速熱釋放促使物料中水蒸氣強(qiáng)制排出，竹筍含水量迅速下降[25]，但干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)由于升溫過(guò)快使蒸發(fā)的水得不到即時(shí)散失，物料表面與內(nèi)部水分不平衡，發(fā)生了焦糊現(xiàn)象，形成的糊狀物覆蓋了表面[26]，不僅影響水分散發(fā)，同時(shí)也使產(chǎn)品色差增大，此時(shí)微波干燥時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)干燥速率影響不大。雖然增加微波干燥時(shí)間可加快干燥速率、減少干燥時(shí)間、降低干燥能耗，但同時(shí)很難保證良好的干燥品質(zhì)。綜上可知，確定微波干燥時(shí)間90 s為優(yōu)化試驗(yàn)的0水平。

2.1.3 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)竹筍干燥品質(zhì)的影響

由圖3可知，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度不斷升高時(shí)，總干燥時(shí)間隨之減少。不同熱風(fēng)干燥溫度對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、復(fù)水比、筍干色差、筍干及復(fù)水制品的硬度有顯著性影響（P＜0.05），對(duì)復(fù)水制品的色差沒(méi)有顯著性影響（P＞0.05）。在熱風(fēng)干燥溫度為55～65 ℃時(shí)，產(chǎn)品復(fù)水比較高，筍干和復(fù)水制品的色差較小，在55～60 ℃時(shí)，筍干和復(fù)水制品的硬度較低，在熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時(shí)，感官評(píng)分達(dá)到最高為80.5±2.67。高溫和長(zhǎng)時(shí)間干燥會(huì)使物料VC和葉綠素流失，并增加了一系列酶促和非酶促褐變反應(yīng)機(jī)會(huì)，導(dǎo)致產(chǎn)品褐變嚴(yán)重，顏色不均勻[27]。高溫致使物料水分及果膠等物質(zhì)大量散失，干燥層崩解，物料塌陷收縮，硬度因此增大，復(fù)水比相應(yīng)減小。而熱風(fēng)干燥溫度過(guò)低不僅延長(zhǎng)了總干燥時(shí)間，還加劇了美拉德反應(yīng)，使色差變大。綜合考慮，確定熱風(fēng)干燥溫度60 ℃為優(yōu)化試驗(yàn)的0水平。

圖3 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)總干燥時(shí)間（A）、復(fù)水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 3 Effects of hot air drying temperature on total drying time(A),rehydration rate(B), ΔE* (C), and hardness (D)

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取微波干燥功率、時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干工藝條件優(yōu)化試驗(yàn)，如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

2.3 回歸方程的建立及變量分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得到各因素對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、總干燥時(shí)間、復(fù)水比、色差及硬度響應(yīng)值之間的三元二次回歸方程（1）～（7），方程回歸系數(shù)及顯著性分析如表4所示。

如表4所示，試驗(yàn)各指標(biāo)的模型極顯著（P＜0.01），說(shuō)明各響應(yīng)值與三因素的二次回歸方程存在極顯著的線(xiàn)性相關(guān)性。各響應(yīng)值的失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明該模型與實(shí)際情況的擬合程度較好，試驗(yàn)誤差小。方程的多重相關(guān)系數(shù)R2分別為0.985 6、0.992 0、0.922 2、0.971 1、0.964 4、0.926 1、0.953 9，說(shuō)明試驗(yàn)建立的模型能分別解釋98.56%、99.20%、92.22%、97.11%、96.44%、92.61%、95.39%響應(yīng)值的變化，且模型的信噪比分別為21.561、36.956、8.393、18.174、13.615、9.335、12.543，變異系數(shù)分別為1.93%、2.97%、2.96%、5.75%、5.58%、8.30%、3.63%，所以該模型能很好地表述竹筍在微波-熱風(fēng)干燥后其品質(zhì)隨干燥條件的變化規(guī)律。因此，可以用該模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干的工藝條件。

表4 回歸系數(shù)及顯著性分析Table 4 Significance analysis of regression coefficients

由各因素對(duì)響應(yīng)值影響程度分析可知，影響產(chǎn)品感官評(píng)分和總干燥時(shí)間的因素主次順序?yàn)槲⒉ǜ稍飼r(shí)間（B）＞熱風(fēng)干燥溫度（C）＞微波干燥功率（A）；影響產(chǎn)品復(fù)水比和復(fù)水制品硬度的因素主次順序?yàn)槲⒉ǜ稍锕β剩ˋ）＞熱風(fēng)干燥溫度（C）＞微波干燥時(shí)間（B）；影響干制品色差的因素主次順序?yàn)槲⒉ǜ稍锕β剩ˋ）＞微波干燥時(shí)間（B）＞熱風(fēng)干燥溫度（C）；影響復(fù)水制品色差的因素主次順序?yàn)槲⒉ǜ稍飼r(shí)間（B）＞微波干燥功率（A）＞熱風(fēng)干燥溫度（C）；影響干制品硬度的因素主次順序?yàn)闊犸L(fēng)干燥溫度（C）＞微波干燥功率（A）＞微波干燥時(shí)間（B）。其中，微波干燥功率對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、總干燥時(shí)間、干制品和復(fù)水制品色差、復(fù)水制品硬度影響極為顯著，對(duì)產(chǎn)品復(fù)水比和干制品硬度影響顯著；微波干燥時(shí)間對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、總干燥時(shí)間、干制品和復(fù)水制品色差影響極為顯著，對(duì)干制品硬度影響顯著，對(duì)產(chǎn)品復(fù)水比和干制品硬度影響不顯著；熱風(fēng)干燥溫度對(duì)產(chǎn)品感官評(píng)分、總干燥時(shí)間影響極為顯著，對(duì)產(chǎn)品復(fù)水比、干制品色差、干制品和復(fù)水制品硬度影響顯著，對(duì)復(fù)水制品色差影響不顯著。

2.4 交互作用分析

為更直觀(guān)地反映各因素對(duì)微波-熱風(fēng)干燥的竹筍品質(zhì)的影響，根據(jù)回歸分析結(jié)果做出影響顯著的各因素交互作用響應(yīng)面圖，見(jiàn)圖4。

圖4 各因素交互作用對(duì)竹筍干燥品質(zhì)影響的響應(yīng)面圖Fig. 4 Response surface graphs showing the interactive effect of factors on hardness of dried product

從圖4a可以看出，當(dāng)固定熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時(shí)，觀(guān)察微波干燥功率和時(shí)間交互作用對(duì)干制品硬度的影響，干制品硬度隨微波干燥功率增加而緩慢地先增大后變小，隨微波干燥時(shí)間的延長(zhǎng)先減小后增大，響應(yīng)面呈現(xiàn)一個(gè)明顯凹面，因此微波干燥功率和時(shí)間交互作用對(duì)干制品硬度有影響。從圖4b可以看出，固定熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃，觀(guān)察微波干燥功率和時(shí)間交互作用對(duì)復(fù)水制品硬度的影響，復(fù)水制品硬度隨微波干燥時(shí)間的延長(zhǎng)先減小后增大，當(dāng)微波干燥功率從5.6 W/g增加到7.0 W/g時(shí)，復(fù)水制品硬度隨之不斷增大，因此微波干燥功率和時(shí)間交互作用對(duì)復(fù)水制品硬度有影響。

2.5 最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

表5 各指標(biāo)理論值和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Theoretical and experimental values of drying characteristics and quality

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化分析所得微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干最佳工藝條件為：微波干燥功率6.5 W/g、微波干燥時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥溫度65 ℃。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，在此最佳條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，考慮到實(shí)際可操作性，將最佳工藝條件修改為：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥溫度65 ℃，得到驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型理論值較接近，說(shuō)明采用該工藝條件可靠。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)研究了微波干燥功率、時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度對(duì)竹筍微波-熱風(fēng)干燥產(chǎn)品感官評(píng)分、總干燥時(shí)間、復(fù)水比、色差和硬度的影響，采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了各因素與響應(yīng)值關(guān)系的回歸模型，得到微波-熱風(fēng)聯(lián)用制取筍干最佳工藝條件為：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥溫度65 ℃。在此條件下得到的筍干感官評(píng)分85.6、總干燥時(shí)間200 min、復(fù)水比6.17，干制品色澤ΔE* 19.99、復(fù)水制品色差ΔE* 13.92、干制品硬度19 511.23 g、復(fù)水制品硬度20 010.71 g。實(shí)驗(yàn)證明此模型合理可靠，可用于生產(chǎn)預(yù)測(cè)和控制。使用此工藝得到的產(chǎn)品品質(zhì)好、干燥時(shí)間少，即可避免竹筍季節(jié)性浪費(fèi)，又可節(jié)省生產(chǎn)成本，對(duì)今后竹筍產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。