花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥實(shí)驗(yàn)研究

王招招 楊 慧 韓俊豪 朱廣成 翟辰璐 王 童 董俊輝 路風(fēng)銀 董鐵有

(河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院1，洛陽 471000) (河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心2，鄭州 450000) (中信重工機(jī)械股份有限公司3，洛陽 471000)

花生果富含豐富的油脂和蛋白質(zhì)，是我國重要的油料作物之一[1]。然而，剛收獲的花生果含水量較高，若不及時(shí)進(jìn)行干燥，其在后期運(yùn)輸、儲藏和加工過程中，容易發(fā)熱、霉變、浸油和酸敗等。尤其是遇到高溫和多雨季節(jié)，花生果易產(chǎn)生致癌性極強(qiáng)的黃曲霉素。干燥是農(nóng)產(chǎn)品貯藏減損、安全保質(zhì)的重要手段和加工技術(shù)的重要環(huán)節(jié)[2，3]。因此，為實(shí)現(xiàn)花生產(chǎn)地減損、促進(jìn)節(jié)能增效和提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，尋找合理的干燥方法和發(fā)展高效的干燥裝備是花生產(chǎn)業(yè)的迫切需求。

目前，花生果干燥多采用熱風(fēng)干燥，但由于內(nèi)部水分受殼的阻礙不易向外擴(kuò)散遷移，存在干燥時(shí)間長、效率低、營養(yǎng)成分損失大等問題[4，5]。微波干燥時(shí)間可縮短50%左右，提高干燥速率等[6，7]。然而高強(qiáng)度微波易造成局部溫度過高，褐變嚴(yán)重，嚴(yán)重影響產(chǎn)品干燥后的品質(zhì)[8，9]。微波-熱風(fēng)耦合干燥綜合熱風(fēng)干燥和微波干燥的優(yōu)勢，在熱風(fēng)干燥的條件下輔以微波，兩種干燥同時(shí)進(jìn)行，使其傳熱傳質(zhì)方向一致。其中熱風(fēng)可以及時(shí)帶走花生殼表面的自由水分，微波獨(dú)特的“泵”效應(yīng)可以增強(qiáng)果仁內(nèi)部水分向外擴(kuò)散速率。合適的干燥工藝參數(shù)，可以使產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著的提高[10-12]。國內(nèi)外許多研究人員使用該技術(shù)對食品干制進(jìn)行了研究，并取得了良好的效果。劉小丹等[13]以紅棗為研究對象，發(fā)現(xiàn)微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥時(shí)間比分段熱風(fēng)干燥縮短11%以上，與微波間歇干燥相比，能有效抑制干燥過程中的酶促褐變和非酶褐變；姚荷等[14]利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化得到微波-熱風(fēng)制取筍片的最佳干燥工藝為微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時(shí)間60 s、熱風(fēng)干燥溫度65 ℃，此工藝干燥時(shí)間短、產(chǎn)品質(zhì)量高；Song等[15]利用空氣干燥、微波-真空干燥、微波熱風(fēng)耦合干燥以及冷凍干燥四種不同干燥方式對荔枝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究表明微波熱風(fēng)耦合干燥效率明顯高于其他三種干燥方式，且具有較高的還原糖含量保留率；Deepak等[16]采用中心復(fù)合旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到微波功率2.41 W/g、溫度52.09 ℃、風(fēng)速1.51 m/s的干燥條件對秋葵產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)、復(fù)水性能較好。針對花生果采用純熱風(fēng)和純微波干燥較多，但只研究了其薄層干燥特性、脫水效果、收縮性、孔隙率、硬度以及干燥方式對花生蛋白功能特性的影響[17-22]，且大多數(shù)采用對微波爐改造的設(shè)備，目前還沒有定型的工業(yè)設(shè)備。此外，有關(guān)花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥工藝對其干燥速率、色差和營養(yǎng)成分含量方面的研究也鮮有報(bào)道。

本研究利用自制微波-熱風(fēng)耦合干燥設(shè)備，探討不同微波強(qiáng)度、風(fēng)溫和風(fēng)速對花生果干燥速率、色差、粗脂肪含量和粗蛋白含量的影響，通過Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)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，利用層次分析法和隸屬度綜合評分優(yōu)化法確定最佳干燥工藝參數(shù)，以期獲得高效率和高品質(zhì)的花生果產(chǎn)品，同時(shí)為微波-熱風(fēng)耦合干燥技術(shù)應(yīng)用于花生果的干制加工提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用完整、無空殼的新鮮花生果，平均濕基含水率為(50±0.5)%，用密封袋保存在4 ℃的冰箱內(nèi)。

1.2 儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室自制微波-熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)臺(如圖1所示，微波頻率為2450MHz)。

K1100型全自動凱式定氮儀，SOX500型脂肪測定儀，SH220N型石墨消解儀，Hunter Color Flex EZ型色差儀，TXM-120-HR快速水分測定儀。

注：1 排濕風(fēng)機(jī)，2 微波饋能口，3 干燥箱，4 花生果，5 圓筒器皿，6 通風(fēng)管道，7 熱風(fēng)控溫器，8 流量計(jì)，9 閥門，10 高壓風(fēng)機(jī)。圖1 微波-熱風(fēng)耦合干燥實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 干燥工藝

實(shí)驗(yàn)前先對干燥箱進(jìn)行預(yù)熱，并設(shè)置好實(shí)驗(yàn)所需溫度。將裝有1 200 g物料的圓筒器皿放入干燥箱內(nèi)并正對微波輻射口，在實(shí)驗(yàn)過程中，熱風(fēng)系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，微波對物料進(jìn)行脈沖間歇加熱，其中微波加熱時(shí)間為10 s，間歇時(shí)間為1 min，每隔1 h測定樣品的質(zhì)量，稱完質(zhì)量后迅速放回干燥箱繼續(xù)干燥，直至國標(biāo)規(guī)定的花生果安全貯藏水分10%以下時(shí)，停止干燥。為防止干燥箱內(nèi)濕度過高，利用干燥箱外側(cè)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行排濕，可保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。每組進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并取平均值作為最終結(jié)果。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)

影響食品干燥過程的因素主要有微波強(qiáng)度、風(fēng)溫、風(fēng)速以及相對濕度等。結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)的探索，選取微波強(qiáng)度、風(fēng)溫和風(fēng)速3個(gè)影響因素分別分析對其干燥速率、色差、粗脂肪含量和粗蛋白含量的影響。陳霖等[20]采用微波對花生果進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)微波強(qiáng)度為1.2 W/g，溫度保持在45～50 ℃區(qū)間時(shí)，花生果的品質(zhì)最好；張光榮等[24]采用熱風(fēng)對花生果進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)溫度高于50 ℃會引起異味、變形和紅衣的破壞，且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)速0.88 m/s是可行的，但不能小于0.2 m/s。綜合上述分析，為方便實(shí)際操作，具體設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3.3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以微波強(qiáng)度A、風(fēng)溫B和風(fēng)速C為影響因素，以干燥速率Y1、色差Y2和粗脂肪含量Y3為響應(yīng)值，進(jìn)行花生果微波-熱風(fēng)耦合工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 Box-Behnken設(shè)計(jì)因素水平表

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 濕基含水率

花生果濕基含水率測定方法參照GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》，按式(1)計(jì)算含水率。

(1)

式中：X為花生果的含水率值/%；m為第一次烘干前樣品的質(zhì)量/g；m1為第一次烘干后樣品的質(zhì)量/g；m2為第二次烘干前樣品的質(zhì)量/g；m3為第二次烘干后樣品的質(zhì)量/g。

1.4.2 干燥速率

干燥過程中，物料的降水速率即干燥速率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：Xt為t時(shí)刻物料水分含量/g/g；Δt為干燥時(shí)間/min。

1.4.3 色澤測定

利用Hunterlab ColorFlex EZ色差儀分別測定干燥前后花生紅衣L*、a*、b*值，其中L*表示物料的明亮度程度；a*表示物料的紅綠程度，正值偏紅色，負(fù)值偏綠色；b*表示物料的黃藍(lán)程度，正值偏黃色，負(fù)值偏藍(lán)色。每組實(shí)驗(yàn)測量6個(gè)樣本，取其平均值。按公式(3)計(jì)算色差值：

ΔE=

(3)

1.4.4 主要營養(yǎng)成分測定

花生中脂肪和蛋白質(zhì)含量最為豐富，因此脂肪和蛋白含量被認(rèn)為是花生干燥后保留營養(yǎng)成分的重要指標(biāo)，按以下方法進(jìn)行測定：

粗脂肪含量的測定方法參照GB 5009.6—2016索氏抽提法。

粗蛋白含量的測定方法參照GB 5009.5—2016凱氏定氮法。

1.5 AHP權(quán)重系數(shù)的確定

權(quán)重是一個(gè)相對的概念，權(quán)重系數(shù)的大小反應(yīng)了各指標(biāo)的重要程度。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一種解決多目標(biāo)復(fù)雜問題的定性和定量相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算決策權(quán)重的研究方法，具有系統(tǒng)性、實(shí)用性和簡潔性等特點(diǎn)[27]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用層次分析法來確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，以花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥工藝為目標(biāo)層A，干燥速率、色差值和粗脂肪含量為準(zhǔn)則層B，微波強(qiáng)度、風(fēng)溫和風(fēng)速為方案層C，建立花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥工藝評價(jià)的層次結(jié)構(gòu)分析模型，見圖2。

圖2 層次結(jié)構(gòu)分析模型

在建立層次結(jié)構(gòu)之后，為實(shí)現(xiàn)定性向定量轉(zhuǎn)化需要有定量的標(biāo)度，通過比較因子及下屬指標(biāo)的各個(gè)比重，按照相對重要程度進(jìn)行打分(表3)。然后通過各因素之間的兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣(表4)，表中數(shù)據(jù)越大，表明行評價(jià)指標(biāo)相對列評價(jià)指標(biāo)更重要[25]。

表3 判斷矩陣元素標(biāo)度法

表4 判斷矩陣

一致性指標(biāo)用CI計(jì)算，CI越小，說明一致性越大，公式如下：

(4)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為矩陣的階數(shù)。

為衡量CI的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，其對應(yīng)關(guān)系如表5：

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI表

檢驗(yàn)系數(shù)CR按公式(5)計(jì)算：

(5)

一般規(guī)定，當(dāng)CR<0.1時(shí)，說明該判斷矩陣滿足一致性要求，所得到的權(quán)重系數(shù)準(zhǔn)確有效；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，說明該判斷矩陣不滿足一致性要求，檢驗(yàn)不通過，則需要重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

利用AHP軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到表4中判斷矩陣的CR=0.017 6<0.1，各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)：干燥速率=0.064 9，色差值=0.594 7，粗脂肪含量=0.340 4。

1.6 隸屬度綜合評分優(yōu)化

對于食品加工，外觀色澤和營養(yǎng)價(jià)值有著較高的要求，其次干燥速率是次要影響指標(biāo)[26]。本研究采用隸屬度綜合評分優(yōu)化法，分別計(jì)算干燥速率、色差和粗脂肪含量3項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，計(jì)算方法參考賈夢科等[27]，干燥速率越快、粗脂肪含量越高，營養(yǎng)成分損失越少，其隸屬度按公式(6)計(jì)算；色差值越小，干制品外觀色澤越好，其隸屬度按公式(7)計(jì)算；綜合得分S按公式(8)計(jì)算。

(6)

(7)

S=al1+bl2+cl3

(8)

式中：cmax和cmin分別為各指標(biāo)數(shù)值的最大值和最小值，ci為第i組實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)；l1為干燥速率隸屬度；l2為色差隸屬度；l3為粗脂肪含量隸屬度；a、b、c為1.5小節(jié)計(jì)算得到的權(quán)重系數(shù)，且a+b+c=1。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS和Origin 9.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制曲線。采用Design Expert 8.0.6.1軟件對Box-Behnken實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 微波強(qiáng)度對花生果干燥特性的影響

物料內(nèi)部水分排出蒸發(fā)方式主要有3種：擴(kuò)散遷移、內(nèi)部蒸發(fā)和液態(tài)水排出。由圖3a可知，隨著微波微波強(qiáng)度的增大，干燥速率不斷增大。這是因?yàn)槲⒉◤?qiáng)度越大，花生果中水分吸收的微波能越多，從而轉(zhuǎn)化的熱量增加，且3種蒸發(fā)方式同時(shí)進(jìn)行，干燥速率明顯增加。由圖3b～圖3c可知，不同微波強(qiáng)度對花生仁色澤、粗脂肪含量影響顯著(P<0.05)，對粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)?；ㄉ实腖*值隨著微波強(qiáng)度的增大先升高后降低，其a*、b*值隨著微波強(qiáng)度的增大先降低后升高。當(dāng)微波強(qiáng)度為1.0 W/g時(shí)，花生果干制品顏色較佳；在0.5、1.0、1.5 W/g微波強(qiáng)度下，花生果粗脂肪含量分別為46.65%、45.26%、37.51%，其中前兩者的粗脂肪含量無顯著性差異(P>0.05)，說明在保證花生果干燥后營養(yǎng)成分保留率的前提下，適當(dāng)?shù)靥岣呶⒉◤?qiáng)度有利于改善色澤。雖然電磁波對花生果粗蛋白含量極小，但可能會造成蛋白蛋的交聯(lián)聚合，以至于降低蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值，因此在后期研究中可考慮對花生果的蛋白質(zhì)功能性質(zhì)進(jìn)行深入研究。故選擇微波強(qiáng)度1.0 W/g為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的0水平。

注：a～c分別表示干燥速率、色澤和主要營養(yǎng)成分含量。圖3 風(fēng)溫對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

在干燥過程中，控制物料的色澤十分重要。經(jīng)不同微波強(qiáng)度處理后獲得的花生仁色澤存在很大差異，具體見圖4。圖4a為干燥前的鮮花生仁，其色澤鮮亮、果仁飽滿。圖4b～圖4d分別為在同一條件下，不同微波強(qiáng)度干燥處理后所獲得的花生仁，可以看出微波強(qiáng)度0.5 W/g干燥后的花生仁有少量的褐色斑點(diǎn)，顏色不均勻，且表面有輕微的皺縮現(xiàn)象；微波強(qiáng)度1.5 W/g干燥后的花生仁色澤偏暗，顏色十分不均勻，脫水速度快導(dǎo)致仁皺縮嚴(yán)重；微波強(qiáng)度1.0 W/g干燥后的花生仁色澤較佳，表面較平整光滑，收縮程度較小，更接近新鮮花生仁。

注：a為干燥前的新鮮花生仁；b～d分別為經(jīng)微波強(qiáng)度0.5、1.0、1.5 W/g處理后的花生仁。圖4 不同微波強(qiáng)度處理后的花生仁

2.1.2 風(fēng)溫對花生果干燥特性的影響

由圖5a可知，隨著風(fēng)溫的升高，干燥速率逐漸增大。因?yàn)榛ㄉ麑儆跉ず腿式M成的非均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用微波的穿透性，使花生仁受熱后水分向外遷移擴(kuò)散，當(dāng)花生仁內(nèi)部水分傳遞至殼表面時(shí)，熱風(fēng)直接作用于殼表面進(jìn)一步將水分蒸發(fā)，風(fēng)溫越高，水分蒸發(fā)速率越快，干燥速率也越大。由圖5b～圖5c可知，不同風(fēng)溫對花生仁色澤、粗脂肪含量影響顯著(P<0.05)，對粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)?；ㄉ实腖*值隨著風(fēng)溫的升高先增大后減小，說明提高溫度有利于抑制物料內(nèi)的酶促褐變，但溫度過高會加劇非酶褐變現(xiàn)象，從而改變花生仁顏色，其a*、b*值隨著風(fēng)溫的升高先減小后增大，說明高溫加熱增加了花生仁中天然色素的變化量，使花生仁顏色逐漸加深，呈現(xiàn)褐色；經(jīng)風(fēng)溫30 ℃、50 ℃干燥后得到的花生果粗脂肪含量分別為40.38%、38.62%，當(dāng)風(fēng)溫為40 ℃時(shí)，花生果中粗脂肪保留的含量最多，為45.26%。這是由于低溫處理會延長干燥時(shí)間，粗脂肪含量保留率降低，而過度的熱處理致使水分子之間的“摩擦”等作用力反應(yīng)劇烈，當(dāng)水分從被干燥的物料中蒸發(fā)逸出時(shí)，易帶走油脂等易揮發(fā)性物質(zhì)，降低粗脂肪含量。故選擇風(fēng)溫40 ℃為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的0水平。

圖5 風(fēng)溫對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

2.1.3 風(fēng)速對花生果干燥特性的影響

由圖6a可知，當(dāng)風(fēng)速為0.2、0.5、0.8 m/s時(shí)，最大干燥速率分別為0.26、0.35、0.38 g/(g·min)。則風(fēng)速越大，干燥速率越大。這是因?yàn)樵谖⒉?熱風(fēng)耦合干燥過程中，流動空氣可以不斷地對花生殼表面的水分進(jìn)行蒸發(fā)，并將聚集在物料表面附近的

圖6 風(fēng)速對干燥速率、色澤、粗脂肪和粗蛋白含量的影響

表6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

飽和濕空氣帶走，以免阻止果仁內(nèi)部水分的進(jìn)一步蒸發(fā)，則風(fēng)速越大，物料干燥速率也越大。其中經(jīng)風(fēng)速0.5 m/s和0.8 m/s處理后的干燥速率相差甚小。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越小，干燥后的花生仁易變軟，這是因?yàn)槲⒉訜釙箖?nèi)部溫度持續(xù)上升，花生殼作為一種保護(hù)機(jī)制，較小的風(fēng)速不能及時(shí)帶走殼表面水分，導(dǎo)致內(nèi)部形成溫度相對較高但潮濕的環(huán)境，故易使花生仁質(zhì)地不佳。但風(fēng)速較大不但不會提高干制品的品質(zhì)，反而會造成不必要的能量損耗。因此，花生在干燥過程中，不易選擇較大或較小的風(fēng)速。由圖6b、圖6c可知，風(fēng)速對花生果的色澤、粗脂肪含量和粗蛋白含量無顯著性影響(P>0.05)。綜上所述，選擇風(fēng)速0.5 m/s為優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的0水平。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到微波強(qiáng)度、風(fēng)溫和風(fēng)速三因素對花生果干燥速率、色差值和粗脂肪含量影響具有顯著性影響，對粗蛋白含量無顯著性影響。因此，以干燥速率、色差和粗脂肪含量3項(xiàng)指標(biāo)為響應(yīng)值，進(jìn)行花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，具體見表6。

2.2.2 回歸模型的建立與分析

運(yùn)用Design Expert 8.0.6.1軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將不顯著項(xiàng)直接剔除，使得到的干制品干燥時(shí)間Y1、色差Y2以及粗脂肪含量Y3的預(yù)測模型方程更簡化。

Y1=-0.126 78+0.299 00A+(4.650 00E-003)B-(4.000 00E-003)AB+0.058 000A2

Y2=76.275 61-49.064 50A-1.755 95B+0.252 00AB+23.021 00A2+0.020 777B2+21.002 78C2

Y3=11.582 9+0.726 67A+1.717 67B-3.755 00A2-0.022 638B2-21.875 00C2

表7 回歸系數(shù)及顯著性分析

表7為3個(gè)考察指標(biāo)的方差分析，實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)的模型高度顯著(P<0.000 1)，說明各響應(yīng)值與三因素的二次回歸方程存在高度顯著的線性相關(guān)性。各響應(yīng)值的失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05)，說明該模型與實(shí)際情況的擬合程度較好，具有一定的可靠性。各模型的多重相關(guān)系數(shù)R2分別為0.992 8、0.982 2、0.993 7，說明該模型可以解釋99.28%、98.22%、99.37%響應(yīng)值的變化，模型具有較好的回歸性，可用該模型對花生果的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析和預(yù)測。同時(shí)，各模型的信噪比分別為35.856、19.848、30.994>4，說明該模型具有足夠的信號來用于響應(yīng)該設(shè)計(jì)。變異系數(shù)分別為3.41%、4.18%、0.90%<10%，均符合標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，則該模型能夠反映實(shí)際情況，具有一定的參考價(jià)值。

由各因素對響應(yīng)值影響程度分析可知，影響干制品干燥速率、色差和粗脂肪含量的順序均為：A>B>C。其中微波強(qiáng)度A對干制品的干燥速率、色差以及粗脂肪含量影響均高度顯著。風(fēng)溫B對干制品的干燥速率影響高度顯著，對脂肪含量影響極顯著、對色差影響顯著。風(fēng)速C對干制品的干燥速率、色差以及粗脂肪含量影響均不顯著；在各因素所選擇的水平范圍內(nèi)，對于干燥速率：二次項(xiàng)A2影響顯著，B2、C2不顯著。色差：二次項(xiàng)A2影響高度顯著(P<0.001)，B2、C2影響顯著(P<0.05)。粗脂肪含量：二次項(xiàng)A2影響極顯著(P<0.01)，B2、C2影響高度顯著(P<0.001)；各因素間存在交互作用，對于干燥速率：AB交互作用顯著(P<0.05)，AC、BC交互作用不顯著。色差：AB交互作用顯著(P<0.05)，AC、BC交互作用不顯著。粗脂肪含量：AB、AC和BC交互作用不顯著。

2.2.3 影響因素間的交互作用分析

為更直觀地反映各因素對花生果干制品各響應(yīng)值的影響，根據(jù)回歸分析得到微波強(qiáng)度和風(fēng)溫的交互作用對花生果干燥速率和色澤影響均顯著并繪制響應(yīng)面圖，見圖7。

圖7 各因素交互作用的影響

響應(yīng)面可以直觀地看出因素之間的交互作用對各指標(biāo)的影響，具體結(jié)果見圖7。由圖7a可以看出，在風(fēng)速為0.5 m/s的條件下，隨著微波強(qiáng)度和風(fēng)溫的增大，干燥速率均呈現(xiàn)持續(xù)升高的變化趨勢，這與單因素分析結(jié)果一致。響應(yīng)面整體坡度較陡，說明微波強(qiáng)度和風(fēng)溫存在顯著的交互作用；由圖7b可以看出，在風(fēng)速為0.5 m/s的條件下，隨著微波強(qiáng)度和風(fēng)溫的增大，干制品色差均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。響應(yīng)面有明顯的凹面，說明微波強(qiáng)度和風(fēng)溫的交互作用對干制品具有顯著性影響。當(dāng)微波強(qiáng)度在0.7～1.1 W/g，風(fēng)溫在30～45 ℃區(qū)間時(shí)，能獲得較佳的干制品。

2.2.4 隸屬度綜合評分法優(yōu)化結(jié)果與分析

運(yùn)用Design Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化處理，得到綜合評價(jià)S對微波強(qiáng)度A、風(fēng)溫B和風(fēng)速C的回歸模型為：

S=-2.502 61+1.840 67A+0.126 23B-0.011 000AB-0.942 00A2-(1.555 00E-003)B2-1.561 11C2

綜合評分S的回歸模型高度顯著(P<0.000 1)，失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05)，且殘差和純誤差均較小，分別為9.7200E-003、7.520E-003，該模型可以解釋99.15%響應(yīng)值的變化，且信噪比為27.852>4，變異系數(shù)為6.05%<10%，均符合標(biāo)準(zhǔn)，說明該模型具有一定的可信度，可用于微波-熱風(fēng)耦合干燥花生綜合評分S的分析預(yù)測。其中各因素對綜合評分S的影響順序?yàn)椋篈>B>C；二次項(xiàng)A2、B2和C2影響高度顯著；AB交互作用影響顯著，AC、BC交互作用影響不顯著。

表8 綜合評分回歸模型方差分析

2.2.5 最佳工藝參數(shù)的確定及驗(yàn)證

根據(jù)隸屬度綜合評分法優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)組合為：微波強(qiáng)度0.92 W/g，風(fēng)溫40.47 ℃，風(fēng)速0.49 m/s，綜合指標(biāo)最佳。結(jié)合實(shí)驗(yàn)的可行性，將最佳干燥參數(shù)修正為微波強(qiáng)度0.9 W/g、風(fēng)溫40 ℃、風(fēng)速0.5 m/s。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，采用上述最佳工藝參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示，理論值與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證值較吻合，說明該工藝條件具有一定的可靠性。

表9 優(yōu)化方案的驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)論

通過研究微波強(qiáng)度、風(fēng)溫和風(fēng)速對花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥產(chǎn)品干燥速率、色澤和營養(yǎng)成分含量的影響，并確定了花生的較優(yōu)參數(shù)組合范圍。采用Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)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，確定3個(gè)影響因素對各個(gè)指標(biāo)參數(shù)的顯著性和影響順序，即微波強(qiáng)度>熱風(fēng)溫度>熱風(fēng)風(fēng)速。

利用層次分析法和隸屬度綜合評分法對其干燥工藝進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到花生果微波-熱風(fēng)耦合干燥的最佳工藝條件為：微波強(qiáng)度0.9 W/g、風(fēng)溫40 ℃、風(fēng)速0.5 m/s。在此實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)際測得花生果的干燥速率為0.38 g/(g·min)、色差值為25.31、粗脂肪含量為40.02%，與理論值誤差較小。使用該工藝既能提高干燥速率，又能獲得品質(zhì)較高的產(chǎn)品，為開發(fā)高效率、低成本的連續(xù)可移動微波-熱風(fēng)干燥裝備提供參考。