微波輔助花生殼漂白工藝的研究

那廣寧，張丁潔，趙杰，劉洪銘，叢靖晗，陳存坤

（1.沈陽工學(xué)院生命工程學(xué)院，遼寧撫順113122；2．國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心（天津），農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

吊爐花生是一種口感香酥、較受歡迎的傳統(tǒng)食品[1-4]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中為了改善花生殼的外觀品質(zhì)，達(dá)到均勻白皙的目的，通常使用漂白劑對(duì)花生殼進(jìn)行漂白。傳統(tǒng)花生殼漂白一般采用Na2SO3、ClO2等做漂白劑，其中Na2SO3漂白效果雖好，但會(huì)有SO3殘留，在食用安全及環(huán)境保護(hù)中均有極大危害；另外，使用含氯漂白劑不僅會(huì)有難聞的氣味殘留，還會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染[5-7]。食品安全作為食品營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)一直備受人們關(guān)注，因此選用無毒、無污染且經(jīng)濟(jì)、高效的漂白劑，對(duì)花生殼的漂白有重要意義[8-13]。陳團(tuán)偉等[14]證明了過氧化氫與過氧乙酸混合液是一種可行且效果較好的花生殼無氯漂白劑。本文在吊爐花生制作工藝中，以過氧化氫和過氧乙酸混合液作為漂白劑，以微波處理[15-20]替代傳統(tǒng)的水浴加熱，分析了過氧化氫與過氧乙酸混合溶液中過氧化氫體積分?jǐn)?shù)、微波時(shí)間、微波功率、pH 值4 個(gè)因素對(duì)花生殼漂白效果的影響，并應(yīng)用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行響應(yīng)面分析，確定了花生殼的最佳漂白工藝參數(shù)。采用最佳的漂白工藝參數(shù)，縮短了花生殼的漂白時(shí)間，且在微波的作用下，促進(jìn)了過氧乙酸的分解，產(chǎn)品過氧乙酸殘留量更少，食用更安全。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

大白沙花生：遼寧省義縣張家堡；50%食品級(jí)過氧化氫、15%食品級(jí)過氧乙酸：荊州雙雄化工科技有限公司；95%乙醇、醋酸、碳酸氫鈉：均為分析純，廣州化學(xué)試劑廠。

電子秤（旺豐ACS-15 型）：永康市杰力衡器有限公司；色差計(jì)（WSC-S 型）：上海精密科學(xué)儀器有限公司；實(shí)驗(yàn)室微波合成儀（HX-MC-1）：北京祥鵠科技發(fā)展有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 花生殼漂白工藝流程

（原料稱重）原輔料預(yù)處理→花生煮制（浸泡、瀝干）→花生烘烤→漂白劑浸泡→烘干→成品

1.2.2 混合漂白劑的配制

將濃度為35%的過氧化氫溶液與濃度為15%的過氧乙酸溶液按比例混合，配制成不同規(guī)格，以原35 %濃度過氧化氫體積分?jǐn)?shù)計(jì)的混合漂白劑。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將1 kg 烘烤后的花生浸泡于1 000 mL 混合漂白劑中，分別對(duì)不同的過氧化氫體積分?jǐn)?shù)（10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%）、微波時(shí)間（1、2、3、4、5、6、7 min）、pH 值（4、5、6、7、8、9、10）和微波功率（400、480、560、640、720、800、880 W）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各單因素對(duì)漂白效果的影響。

1.2.4 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken 的中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合之前得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，基于Design-Expert 軟件進(jìn)行Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。以色差計(jì)色澤白度L 值為考察指標(biāo)，選取過氧化氫體積分?jǐn)?shù)（A）、微波時(shí)間（B）、pH值（C）、微波功率（D）4 個(gè)因素為自變量，每個(gè)自變量的低、中、高試驗(yàn)水平分別以-1、0、1 進(jìn)行編碼。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels in response surface analysis

1.2.5 花生亮度L 值的測(cè)定

將95%乙醇與醋酸按體積比5 ∶1 配制成混合溶液，將漂白后烘干的花生浸泡于混合溶液中2 h，用WSC-S 型測(cè)色色差計(jì)測(cè)定浸漬液Huter L 值，L 值為明度指數(shù)，L=0 表示黑色，L=100 表示白色，中間有100個(gè)等級(jí)，以L 值表示花生殼亮度。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

花生殼漂白試驗(yàn)結(jié)果分析：Excel 數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行方差分析；Box-Behnken 試驗(yàn)結(jié)果分析：Design-Expert 8.0.6.1 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 不同過氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)花生漂白效果的影響漂白溶液中過氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)漂白效果的影響見圖1。

圖1 漂白溶液中過氧化氫體積分?jǐn)?shù)對(duì)漂白效果的影響Fig.1 Effect of hydrogen peroxide volume fraction in bleaching solution on bleaching effect

由圖1 可知，溶液中過氧化氫的體積分?jǐn)?shù)對(duì)漂白效果有明顯影響，當(dāng)達(dá)到峰值后，隨著過氧化氫體積分?jǐn)?shù)的增加漂白效果基本一致，呈平緩趨勢(shì)。在過氧化氫的體積分?jǐn)?shù)在20%以下時(shí)，漂白后的花生殼依舊為褐色沒有達(dá)到預(yù)期效果，不予以考慮。在漂白溶液中，當(dāng)過氧化氫體積分?jǐn)?shù)超過40%以上時(shí)，漂白后花生殼在顏色變白的同時(shí)花生殼表面也變得粗糙不光滑，出于對(duì)花生殼的外觀以及成本等問題的綜合考慮，漂白溶液中過氧化氫最佳體積分?jǐn)?shù)選擇30%。

2.1.2 不同微波時(shí)間對(duì)花生漂白效果的影響

微波時(shí)間對(duì)漂白效果的影響見圖2。

由圖2 可知，在花生殼漂白的過程中，微波時(shí)間是影響漂白效果的重大因素之一，隨著微波時(shí)間的增長(zhǎng)，漂白效果越來越好直至微波時(shí)間為4 min 時(shí)，花生殼色澤均勻，達(dá)到預(yù)期效果并保持不變。因此，考慮到快速、高效等諸多因素，將花生殼最優(yōu)微波時(shí)間定為4 min。

圖2 微波時(shí)間對(duì)漂白效果的影響Fig.2 Effect of microwave time on bleaching effect

2.1.3 不同pH 值對(duì)花生漂白效果的影響

pH 值對(duì)漂白效果的影響見圖3。

圖3 pH 值對(duì)漂白效果的影響Fig.3 Effect of pH value on bleaching effect

在花生殼的漂白中，漂白效果與溶液的pH 值有著很大的關(guān)系，由圖3 可知，在pH 值為8 時(shí)，花生殼的漂白效果是最好的，因此，花生殼漂白的最優(yōu)工藝中的最佳pH 值為8。

2.1.4 不同漂白溫度對(duì)花生漂白效果的影響

微波功率對(duì)漂白效果的影響見圖4。

圖4 微波功率對(duì)漂白效果的影響Fig.4 Influence of microwave power on bleaching effect

在漂白過程中，確定混合漂白劑比例不變，隨著微波功率的上升，漂白溶液中的有效成分也在隨之上升而開始分解，漂白效果也呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象，漂白效果在640 W 之前逐漸增強(qiáng)，640 W 之后漂白效果則隨著漂白劑的有效成分的分解呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)分析

按響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案，花生殼漂白結(jié)束后分別對(duì)其進(jìn)行亮度值L 的測(cè)定，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experimental design and results

運(yùn)用Design-Expert（Version 8.0.6）軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，建立A（過氧化氫體積分?jǐn)?shù)）、B（微波時(shí)間）、C（pH 值）和 D（微波功率）4 個(gè)因素與亮度值L 之間的二次多項(xiàng)式模型，擬合得到二次回歸方程：

回歸方程的方差分析見表3。

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由表3 可知：響應(yīng)面優(yōu)化擬合出的方程回歸項(xiàng)的模型 p＜0.05，有差異顯著性，失擬項(xiàng)（p=0.173 5＞0.05）差異不顯著。D，A2，B2，C2，D2影響極顯著。從 F 值大小得出，4 個(gè)因素對(duì)亮度值L 的影響大小排列順序?yàn)椋篋（微波功率）＞B（微波時(shí)間）＞A（過氧化氫體積分?jǐn)?shù)）＞C（pH 值）。

2.3 亮度值L 的響應(yīng)面曲面分析

為考察影響因素間的曲面效應(yīng)，對(duì)二次回歸模型進(jìn)行響應(yīng)的曲面分析。通過Design ExpertV 8.0.6.1 軟件獲得三維響應(yīng)面，能夠直觀地反映出各個(gè)因素及其相互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。等高線的形狀反映交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，圓形表示兩個(gè)因素交互作用不顯著，橢圓形表示兩個(gè)因素交互作用顯著。結(jié)果見圖5～圖7。

由圖5～圖7 可看出，過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間、過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波功率對(duì)L 值的交互作用均顯著。

圖5 過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間交互作用對(duì)L 值的影響Fig.5 Influence of interaction between hydrogen peroxide volume fraction and microwave time on L value

圖6 過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波功率交互作用對(duì)L 值的影響Fig.6 Influence of interaction between hydrogen peroxide volume fraction and microwave power on L value

圖7 微波時(shí)間和pH 值交互作用對(duì)L 值的影響Fig.7 Influence of interaction between microwave time and pH value on L value

圖5 結(jié)果顯示，隨著過氧化氫體積分?jǐn)?shù)的增加，L值在低微波時(shí)間下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降的趨勢(shì)，而在高微波時(shí)間下呈略緩慢上升至平穩(wěn)后緩慢下降趨勢(shì)；隨著微波時(shí)間的增加，L 值在低過氧化氫體積分?jǐn)?shù)下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢(shì)，而在高過氧化氫體積分?jǐn)?shù)下呈緩慢下降趨勢(shì)。這說明AB 兩種因素互交作用顯著。圖6 結(jié)果顯示，隨著過氧化氫體積分?jǐn)?shù)的增加，L 值在低微波功率下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢(shì)，而在高微波功率下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢(shì)；隨著微波功率的增加，L 值在低過氧化氫體積分?jǐn)?shù)下呈緩慢上升趨勢(shì)；而在高過氧化氫體積分?jǐn)?shù)下呈略緩慢下降趨勢(shì)。這說明兩種因素互交顯著。圖7 結(jié)果顯示，隨著微波時(shí)間的增加，L 值在低pH 值下呈略上升趨勢(shì)，而在高pH 值下呈略緩慢下降趨勢(shì)；隨著pH 值的增加，L 值在低微波時(shí)間下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢(shì)，而在高微波時(shí)間下呈緩慢下降趨勢(shì)，這說明BC 兩種因素交互作用不顯著。綜上表明AB、BC 和AD 的互交作用顯著，與方差分析結(jié)果一致。

2.4 最佳工藝條件的預(yù)測(cè)與檢驗(yàn)

通過軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)花生殼漂白的最優(yōu)工藝條件為：過氧化氫體積分?jǐn)?shù)30%，微波時(shí)間4.023 min，pH 值為8.014，微波功率640 W，此條件下所得L 值可高達(dá)71.84?？紤]到實(shí)際操作的可行性，修正漂白工藝條件為：過氧化氫體積分?jǐn)?shù)30%，微波時(shí)間4 min，pH 值為8，微波功率640 W，在此條件下進(jìn)行5 次平行性試驗(yàn)，所測(cè)得的色澤白度L 值平均數(shù)值為70.12，與理論預(yù)測(cè)值71.84 的相對(duì)誤差較小，這說明試驗(yàn)中的回歸方程適合于花生殼漂白效果的預(yù)測(cè)和分析。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面綜合考慮過氧化氫體積分?jǐn)?shù)、微波時(shí)間、微波功率、pH 值4 個(gè)因素對(duì)花生殼色澤白度L 值的影響。根據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了四因素三水平試驗(yàn)，用Design-Expert 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明花生殼漂白工藝的最優(yōu)條件為過氧化氫體積分?jǐn)?shù)30%、微波時(shí)間4 min、pH 值為8、微波功率640 W；在漂白過程中，過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波時(shí)間、過氧化氫體積分?jǐn)?shù)和微波功率對(duì)L 值的交互作用顯著。雖然花生殼使用漂白劑的類型會(huì)有所差異，但優(yōu)化后L 值的條件對(duì)其他漂白劑有一定參考價(jià)值。