響應(yīng)面結(jié)合模糊評價(jià)優(yōu)化青芋片熱風(fēng)聯(lián)合微波脆化工藝

喻遠(yuǎn)東，李清明,*，鄧潔紅

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國際學(xué)院，湖南 長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科技學(xué)院，湖南 長沙 410128)

青芋，別稱毛芋、芋艿，為天南星科、芋屬植物的塊莖，是我國傳統(tǒng)作物之一，口感細(xì)軟，綿甜香糯，富含各類營養(yǎng)素[1]，深受消費(fèi)者喜愛，我國年產(chǎn)量已達(dá)188.74萬t，居全球前3位[2]。青芋可加工制成青芋脆片，加工時(shí)以鮮切芋片或芋粉、芋泥為原料，經(jīng)硬化、烘干、油炸、脫油等工序加工而成[3-5]，加工工藝復(fù)雜，成品熱量高、油脂含量高、易氧化酸敗，長期食用有害人體健康。隨著生活水平的提高，人們愈加青睞健康食品，開發(fā)非油炸食品將會是未來的主要方向。熱風(fēng)聯(lián)合微波脆化工藝是將熱風(fēng)干燥和微波干燥2種方式優(yōu)勢互補(bǔ)，對原料進(jìn)行分階段的干燥[6]，該方法無需油炸便能使食物脆化、膨化，克服了傳統(tǒng)加工工藝油脂含量高、能耗大等缺點(diǎn)。目前關(guān)于鮮切芋片的研究多集中于干燥動力學(xué)模型及干燥特性的研究[7-12]，對非油炸青芋脆片的加工工藝研究較少。本研究在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上使用Design Expert 11.0進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)感官評價(jià)模型，進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面分析，旨在對青芋片熱風(fēng)聯(lián)合微波脆化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，旨在為生產(chǎn)高品質(zhì)的青芋脆片食品提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

青芋購自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)湘樺超市。

WGL-230B電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；EG823LA6-NR微波脆化設(shè)備，廣東美的微波電器制造有限公司；CR-400型色差儀，日本KONICA MINOLTA有限公司；FA2004B型電子分析天平，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；TP-3000E電子天平，湘儀天平儀器設(shè)備有限公司；C21-RT2140電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司。

1.2 制作工藝

選擇新鮮、無機(jī)械損傷的青芋塊莖，清水清洗，待晾干后削去表皮并切成長約2.7 cm、寬約1.8 cm、厚約2 mm的片狀物，沸水中漂燙20 s后流水冷卻，取出瀝干，并平鋪于鐵絲網(wǎng)上，電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥后轉(zhuǎn)移至微波設(shè)備中進(jìn)行脆化(微波功率640 W)，簡單包裝后待測。制作工藝見圖1。

1.3 單因素試驗(yàn)

1.3.1 微波脆化時(shí)間優(yōu)選

固定熱風(fēng)干燥溫度為85 ℃、熱風(fēng)干燥時(shí)間為40 min，考察不同微波脆化時(shí)間(30、60、90、120、150 s)對芋片品質(zhì)的影響。

圖1 青芋片加工的工藝流程

1.3.2 熱風(fēng)干燥溫度優(yōu)選

固定微波脆化時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥時(shí)間40 min，考察不同熱風(fēng)干燥溫度(65 ℃、75 ℃、85 ℃、95 ℃、105 ℃)對芋片品質(zhì)的影響。

1.3.3 熱風(fēng)干燥時(shí)間優(yōu)選

固定微波脆化時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥溫度85 ℃，考察不同熱風(fēng)干燥時(shí)間(20、30、40、50、60 min)對芋片品質(zhì)的影響。

1.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用中心組合試驗(yàn)Box-Behnken設(shè)計(jì)，對微波脆化時(shí)間(A)、熱風(fēng)干燥溫度(B)、熱風(fēng)干燥時(shí)間(C)進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，水平-1、0、1，A分別為30、60、90 s，B分別為75、85、95 ℃，C分別為30、40、50 min，共17個(gè)組合。

1.5 模糊感官評價(jià)模型的建立

1.5.1 因素集和評語集的確定

設(shè)模糊感官評價(jià)中的因素集向量和評語集向量分別為U和V，通過查閱文獻(xiàn)資料和對青芋脆片品質(zhì)的研究確定選擇色澤(u1)、風(fēng)味(u2)、口感(u3)作為感官評價(jià)因素，即U={u1，u2，u3}；同時(shí)確定每個(gè)因素有4個(gè)評價(jià)等級，分別為優(yōu)(v1)、良(v2)、中(v3)、差(v4)，即V={v1，v2，v3，v4}。

1.5.2 權(quán)重的確定

設(shè)權(quán)重向量為D={d1，d2，d3}，3個(gè)因素分別對應(yīng)色澤、風(fēng)味、口感的權(quán)重，權(quán)重由用戶調(diào)查法[13]和對青芋脆片的綜合研究結(jié)果確定，即D={0.28，0.34，0.38}。

1.5.3 模糊評價(jià)模型的建立

1.5.4 評分標(biāo)準(zhǔn)的確立

參照GB/T 16291.1—2012《感官分析選拔、培訓(xùn)與管理評價(jià)員一般導(dǎo)則》相關(guān)要求對每個(gè)處理中的15片青芋脆片樣品的色澤、風(fēng)味、口感等3個(gè)方面進(jìn)行評分。首先將樣品置于白紙上，在自然光線中觀察青芋脆片的色澤，同時(shí)聞其氣味，清水漱口后品評其滋味，評價(jià)員按感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對樣品進(jìn)行評分。

青芋脆片感官評分標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)(100分)，整體呈淡黃色，邊緣略有焦黃，有光澤，具有青芋脆片特有的風(fēng)味，無焦味，有甜香味，松脆可口，無夾生感；良(75分)，整體呈淡黃色，少部分呈焦黃，有光澤，青芋脆片特有的風(fēng)味不明顯，無焦味，甜香味較淡，口感較脆，無夾生感；中(50分)，整體呈現(xiàn)焦黃色，無光澤，無青芋脆片特有的風(fēng)味，有焦味，有甜香味，口感較脆，有夾生感；差(25分)，整體呈現(xiàn)焦褐色，焦味、苦味較重，口感不脆，有夾生感

1.6 青芋脆片色差檢驗(yàn)

使用柯尼卡美能達(dá)CR-400型色差儀對青芋脆片的明亮指數(shù)L*，彩度指數(shù)a*、b*等3個(gè)值進(jìn)行測定，總色差ΔE計(jì)算公式：

式中，L、a、b為標(biāo)準(zhǔn)白板的測定值，L*、a*、b*為熱風(fēng)聯(lián)合微波脆化后樣品測定值。每個(gè)樣品平行測定3次，取平均值。

1.7 青芋脆片含水率測定

采用直接干操法對青芋脆片樣品的含水率進(jìn)行測定，計(jì)算公式：

式中，M1表示烘干前樣品和容器的質(zhì)量，M2表示烘干后樣品和容器的質(zhì)量，M3表示容器的質(zhì)量，單位均為g。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置三個(gè)平行組，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件為SPSS 20.0，數(shù)據(jù)圖形繪制軟件為Excel 2010，單因素實(shí)驗(yàn)采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行one-way ANOVA及Duncan多重比較分析，P<0.05為差異顯著性水平；采用Design-Expert 11.0進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素優(yōu)選

2.1.1 微波脆化時(shí)間對青芋脆片品質(zhì)的影響

如圖2所示，當(dāng)微波脆化時(shí)間小于60 s時(shí)，芋片口感不夠脆，其原因可能是芋片微波時(shí)間過短，內(nèi)部的水分干燥不完全；當(dāng)微波脆化時(shí)間大于60 s時(shí)，口感變脆，香味濃郁，但膨化度降低，且明亮指數(shù)顯著下降，總色差顯著上升，出現(xiàn)了焦化現(xiàn)象；當(dāng)微波催化時(shí)間大于120 s時(shí)，芋片大部分已被碳化，其組織疏松，脆度變差；當(dāng)微波脆化時(shí)間為60 s時(shí)，芋片無焦化現(xiàn)象，口感脆、香味濃郁，此時(shí)感官評價(jià)得分最高。綜合考慮，選擇微波脆化時(shí)間30、60、90 s進(jìn)行優(yōu)化為宜。

同一指標(biāo)柱上無相同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3～4同。圖2 微波脆化時(shí)間對青芋脆片感官得分、明亮指數(shù)、總色差的影響

2.1.2 熱風(fēng)干燥溫度對青芋脆片品質(zhì)的影響

如圖3所示，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度<85 ℃時(shí)，芋片口感不脆，香味不足；而當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度大于85 ℃時(shí)，芋片口感很脆，香味濃郁，但明亮指數(shù)顯著下降、總色差顯著上升，表明出現(xiàn)了嚴(yán)重的焦化現(xiàn)象，其原因可能是當(dāng)溫度過高時(shí)，芋片內(nèi)部水分遷移速率小于表面汽化速率，繼續(xù)加熱導(dǎo)致表面變干嚴(yán)重[14-15]，當(dāng)用微波加熱脆化時(shí)，會增大芋片的焦化程度；當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為85 ℃時(shí)，芋片無明顯焦化現(xiàn)象，口感脆、香味濃郁，此時(shí)感官評分最高。綜合考慮，選擇熱風(fēng)干燥溫度75 ℃、85 ℃、95 ℃進(jìn)行優(yōu)化為宜。

圖3 熱風(fēng)干燥溫度對青芋脆片感官得分、明亮指數(shù)、總色差的影響

2.1.3 熱風(fēng)干燥時(shí)間對青芋脆片品質(zhì)的影響

如圖4所示，當(dāng)熱風(fēng)干燥時(shí)間小于40 min時(shí)，芋片香味不足、口感不脆；當(dāng)熱風(fēng)干燥時(shí)間大于40 min時(shí)，芋片口感很脆，且有濃郁的香味，但明亮指數(shù)顯著下降、總色差顯著上升，說明出現(xiàn)了嚴(yán)重的焦化現(xiàn)象；當(dāng)熱風(fēng)干燥時(shí)間為60 min時(shí)，芋片出現(xiàn)了明顯的焦味，感官評分顯著降低；當(dāng)熱風(fēng)干燥時(shí)間為40 min時(shí)，芋片無焦化現(xiàn)象，口感脆、香味濃郁，此時(shí)感官評分最高。綜合考慮，選擇熱風(fēng)干燥時(shí)間30、40、50 min進(jìn)行優(yōu)化為宜。

圖4 熱風(fēng)干燥時(shí)間對青芋脆片感官得分、明亮指數(shù)、總色差的影響

2.2 青芋片脆化工藝優(yōu)化

2.2.1 模糊感官評價(jià)

通過對17組青芋脆片樣品的色澤、風(fēng)味、口感進(jìn)行了逐一評價(jià)，結(jié)果如表1所示。

將不同等級票數(shù)除以總票數(shù)得到模糊矩陣R。如樣品1的模糊矩陣R1如下：

表1 各組合青芋脆片的感官評價(jià)

將模糊矩陣R1同權(quán)重集D合成得到樣品1的綜合評價(jià)集為Y1=(0.638、0.172、0.190、0)。將綜合評價(jià)集Y1和等級集V合成得到樣品1的感官得分S1，即S1=0.638×100+0.172×75+0.190×50+0×25=86.2。同理，計(jì)算出S2，S3，…，S17。

2.2.2 二次多項(xiàng)式回歸擬合

使用Design-Expert 11.0軟件對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到回歸方程Y=85.36+8.92A+3.30B+3.70C-4.26AB-7.21AC+2.06BC-11.9A2-7.67B2-8.90C2。方差分析可知，模型具有高度顯著性(P<0.001)，失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，確定系數(shù)R2=0.993 2，調(diào)整后的R2=0.984 5，說明該模型對試驗(yàn)的擬合度好，可對感官得分進(jìn)行分析和預(yù)測。在回歸模型中A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2均達(dá)到顯著水平；同時(shí)根據(jù)F值可知，影響青芋脆片感官得分高低的因素由大到小依次為A(238.46)>C(47.53)>B(37.81)，即微波脆化時(shí)間對青芋脆片感官得分的影響最大，其次為熱風(fēng)干燥時(shí)間，熱風(fēng)干燥溫度的影響最小。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)擬合模型繪制不同因素交互作用響應(yīng)面圖和等高線圖(圖5～7)。由各因素兩兩之間等高線的形狀可以看出相互之間存在一定的交互作用，3D曲面圖陡峭程度最突出的是微波脆化時(shí)間和熱風(fēng)干燥時(shí)間的交互作用，這就表明兩者的交互項(xiàng)對青芋脆片感官評分的影響相對于其它交互項(xiàng)而言更為顯著，這也與回歸模型方差分析結(jié)果一致。

圖5 熱風(fēng)干燥溫度與微波脆化時(shí)間對青芋脆片感官評分響應(yīng)面圖與等高線圖

圖6 熱風(fēng)干燥時(shí)間和微波脆化時(shí)間對青芋脆片感官評分響應(yīng)面圖與等高線圖

圖7 熱風(fēng)干燥時(shí)間與熱風(fēng)干燥溫度對青芋脆片感官評分響應(yīng)面圖與等高線圖

圖5為固定熱風(fēng)干燥時(shí)間為0水平時(shí)，熱風(fēng)干燥溫度和微波脆化時(shí)間的相互作用對感官評分的影響。當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度不變時(shí)，青芋脆片的感官評分隨微波脆化時(shí)間的增加呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)微波脆化時(shí)間不變時(shí)，感官評分隨熱風(fēng)干燥溫度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且微波脆化時(shí)間的上升幅度明顯高于熱風(fēng)干燥溫度，因此，微波脆化時(shí)間對青芋脆片的感官評分影響更大。

圖6所示為固定熱風(fēng)干燥溫度為0水平時(shí)，熱風(fēng)干燥時(shí)間和微波脆化時(shí)間的相互作用對感官評分的影響。青芋脆片的感官評分隨熱風(fēng)干燥時(shí)間和微波脆化時(shí)間的增加呈先上升后下降的趨勢，且微波脆化時(shí)間的上升幅度明顯高于熱風(fēng)干燥時(shí)間，因此，微波脆化時(shí)間對感官評分的影響更大。

如圖7所示，當(dāng)固定微波脆化時(shí)間為0水平時(shí)，青芋脆片的感官評分隨熱風(fēng)干燥時(shí)間和熱風(fēng)干燥溫度的增加呈先上升后下降的趨勢，且等高線越趨向圓形，則交互作用越不顯著，這就表明CB的交互作用不如BA和CA顯著，此外，熱風(fēng)干燥時(shí)間的等高線比熱風(fēng)干燥溫度的更密集，表明熱風(fēng)干燥時(shí)間對感官評分影響更大。

2.2.4 工藝優(yōu)化

利用Design-expert 11.0對回歸模型進(jìn)行分析，由此可以獲得理論最優(yōu)脆化工藝參數(shù)為：微波脆化時(shí)間68.572 s、熱風(fēng)干燥溫度86.506 ℃、熱風(fēng)干燥時(shí)間41.097 min，此時(shí)青芋脆片的感官評分能夠取得理論上的最大值為86.997分。但考慮到設(shè)備的實(shí)際可操作性，最優(yōu)脆化工藝參數(shù)應(yīng)調(diào)整為：微波脆化時(shí)間70 s、熱風(fēng)干燥溫度87 ℃、熱風(fēng)干燥時(shí)間41 min。

2.2.5 模型驗(yàn)證

用模型預(yù)測的最優(yōu)脆化工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，測得3組青芋脆片樣品感官評分的平均值為87.25分，與回歸模型預(yù)測值86.997分相比，兩者的相對誤差為0.29%，在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍之內(nèi)，說明回歸方程擬合度較高，預(yù)測結(jié)果可靠。

3 小結(jié)

本試驗(yàn)利用模糊數(shù)學(xué)感官模型對樣品進(jìn)行評價(jià)，避免了評價(jià)人員之間主觀差異造成評分波動的問題，增強(qiáng)了評價(jià)結(jié)果的客觀性，同時(shí)利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立起二次多項(xiàng)式回歸模型，通過此模型得出各因素對青芋脆片感官評分的影響順序?yàn)椋何⒉ù嗷瘯r(shí)間>熱風(fēng)干燥時(shí)間>熱風(fēng)干燥溫度，當(dāng)微波脆化時(shí)間為70 s、熱風(fēng)干燥溫度為87 ℃、熱風(fēng)干燥時(shí)間為41 min時(shí)，產(chǎn)品的感官評分最高為87.25分，水分含量為3.12%。