番茄紅外輻射熱脫皮試驗工藝優(yōu)化

丁天航，宋衛(wèi)東，王教領，劉自暢，王明友，吳今姬，周德歡，周 帆

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所 南京 210014）

工廠生產(chǎn)番茄系列產(chǎn)品過程中，前期需要將整番茄脫皮，脫皮要求番茄的果肉理化性質(zhì)損傷低、脫凈率高、脫皮損失小等，脫皮質(zhì)量的好壞直接決定了番茄制品的品質(zhì)[1-3]。傳統(tǒng)的脫皮方法有機械法、化學法和熱浸法[4]。目前工廠生產(chǎn)的番茄制品多采用化學和熱浸法相結合的方法進行加熱處理[5]，然后用手工剝離番茄皮，這種方法雖能達到脫皮效果，但由于化學物質(zhì)的使用和手工繁雜的操作，影響了產(chǎn)品質(zhì)量，同時，這種剝離方法造成水和能源浪費嚴重，產(chǎn)后廢水處理也需要一定成本，加重了企業(yè)負擔[6-8]。迫切需要開發(fā)一種非化學、可持續(xù)的脫皮方法，既可減少或消除水和化學品的使用，又可提高脫皮后產(chǎn)品的品質(zhì)。

近年來，紅外輻射加熱在番茄等果蔬脫皮上的應用研究越來越多，其采用物質(zhì)分子共振吸收光譜的“匹配吸收”理論，具有環(huán)境污染小、加熱快、淺層穿透等特點[9-10]。國內(nèi)外學者針對果蔬紅外脫皮有很多報道。如：李葆杰[11]對馬鈴薯進行紅外輻射脫皮，發(fā)現(xiàn)輻射距離50 mm、時間60 s 時，脫皮效果最佳。王麗娟等[12-13]研究了不同去皮方法，傳統(tǒng)的堿液和蒸汽去皮對環(huán)境污染和脫皮質(zhì)量評價差，新型的紅外加熱法等脫皮方法可提高脫皮速度和質(zhì)量，對環(huán)境影響小。徐保國等[14]采用催化式紅外技術對櫻桃番茄進行輻射加熱脫皮，在輻射距離30 cm、時間3 s 的條件下脫皮效果最佳，脫皮損失僅7.68%。Wang 等[15]通過紅外輻射法對棗進行脫皮，與堿液去皮的棗相比，紅棗的去皮損失和顏色變化均較低。Vidyarthi 等[16]、Pan等[17-19]研究了紅外脫皮櫻桃番茄，紅外脫皮機理是輻射加熱使番茄表皮細胞層塌陷，降低表皮黏附性；中試試驗中，對櫻桃番茄紅外輻射加熱，使番茄表面達到適宜溫度，得到較高的脫皮性能和產(chǎn)品質(zhì)量；對紅外輻射源材質(zhì)和發(fā)射頻率作對比研究，進一步縮短了達到脫皮溫度的時間。

在番茄紅外加熱脫皮時，紅外輻射強度、加熱時間、發(fā)射極與番茄間距是影響脫皮性能的關鍵工藝參數(shù)[20-21]。前人多以國外飲食習慣中常用的櫻桃番茄為研究對象，而國內(nèi)對大番茄的加工亦不可或缺。鑒于大番茄外部形態(tài)與表皮特性有別于其它物料，且大番茄脫皮研究較少，本文以大番茄為研究對象，借鑒前人對紅外脫皮的研究，設計符合大番茄的質(zhì)量量化評價體系，采用Box-Behnken 響應面理論對輻射間距、加熱時間和紅外功率三因素設計試驗方案，以脫皮率、脫皮損失和表面溫度量化響應指標綜合評價番茄脫皮性能，結合實際生產(chǎn)需求，分析和優(yōu)化脫皮性能指標，獲取最佳工藝參數(shù)，為工業(yè)化番茄紅外脫皮提供參考。

1 材料與裝置

1.1 番茄篩選與要求

以大番茄為研究目標，選用江蘇宿遷生產(chǎn)的西粉二號品種。為保證試驗材料的一致，降低個體尺寸的差異帶來的試驗誤差，篩選外形尺寸相近的番茄作為試材，將番茄近似看作扁球體，定義番茄外徑包括番茄長軸和短軸，測定長軸和短軸。對剔除成熟度不高和表皮損傷后的番茄外徑隨機進行測量，其長軸分布占比見圖1，其中長軸為69～72 mm 的番茄占比38%，為利用率最大化，因此選用長軸為69～72 mm 的番茄作初選結果。對初選的番茄再進行短軸篩選，78.9%的番茄短軸在57～60 mm 之間。最終選用長軸69～72 mm、短軸57～60 mm 的番茄，占番茄總數(shù)的30%。本試驗中，番茄選用依外徑標準篩選，以達到試驗材料尺寸一致，確保試驗的精確性。將篩選的番茄在6 ℃冰箱條件下貯藏，4 d 內(nèi)使用。為防止番茄溫度過低帶來試驗誤差，在試驗前將番茄置室溫環(huán)境2 h。

圖1 番茄長軸尺寸分布占比圖Fig.1 Proportion of tomato major axis size distribution

1.2 主要儀器與設備

紅外輻射裝置，自制；紅外發(fā)生器（石英材料，發(fā)射波長2.0～3.2 μm，額定功率500 W），合肥蒯科礫電氣有限公司；CJW888 游標卡尺（精度0.01 mm），青島艾瑞澤電子有限公司；BSA224S 電子天平，廣州市深華生物技術有限公司；Fluke MT4 MAX 紅外測溫儀，武漢永盛科技有限公司；索尼ILCE-7K 相機，索尼中國有限公司。

1.3 紅外輻射加熱裝置

紅外輻射采用“匹配吸收”理論，即以物料分子紅外光譜圖為基礎，物料分子吸收紅外輻射光譜產(chǎn)生共振，分子間產(chǎn)生熱運動，達到加熱的目的，具有加熱速度快、淺層加熱的特點[22-23]，其特點與番茄加熱脫皮需求相吻合，既能保證表皮加熱溫度的要求，又能防止果肉過度加熱。

本裝置主要由紅外加熱系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)組成。如圖2所示，紅外加熱系統(tǒng)由紅外發(fā)射器和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，紅外發(fā)射器安裝在蓋板上。紅外調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器的高度和功率，其高度由蓋板上的螺栓調(diào)節(jié)，功率由控制柜里的功率調(diào)節(jié)器改變發(fā)射器的電壓調(diào)節(jié)。傳動系統(tǒng)在設備中主要實現(xiàn)自轉和公轉功能，鏈條公轉實現(xiàn)番茄的水平輸送，鏈條上的傳送輥通過齒條配合達到自轉要求，保證番茄在水平輸送過程中均勻翻轉，達到均勻的紅外加熱的目的。

圖2 番茄紅外輻射加熱設備結構簡圖Fig.2 Structure of tomato infrared radiation heating equipment

2 試驗設計與評價方法

2.1 試驗因素及水平

通過前人研究[15-19]和預試驗發(fā)現(xiàn)，輻射間距、加熱時間和紅外功率3 個因素對番茄脫皮性能影響較為明顯。本試驗為探究各因素對番茄脫皮的影響，每個因素均設置3 個水平。輻射間距（X1，mm）3 個水平分別為60，70，80 mm，輻射間距通過紅外蓋板上的調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)紅外輻射器的高度；加熱時間（X2，s）選擇120，180，240 s 3 個水平，通過控制變頻電機轉速，調(diào)整鏈條的公轉速率來控制時間；紅外功率（X3，W）3 個水平，分別設置為400，450，500 W，通過改變電壓來調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器功率。經(jīng)輻射加熱的番茄，在室溫冷卻2～3 s，采用人工單手指扒皮方式進行番茄脫皮（對后續(xù)脫皮撥指設計提供思路），防止人為揭皮、撕皮等行為影響。對去皮性能進行評價。

2.2 番茄脫皮性能評價方法

將脫皮率（Y1，%）、脫皮損失（Y2，g/mm2）和表面溫度（Y3，℃）作為響應變量，綜合量化評價番茄的脫皮性能。脫皮率是指脫離的表皮占整番茄表皮面積的比值，已知整番茄表皮面積按扁球體近似計算（不考慮番茄表面不平整帶來的表面積影響），橢球表面積見公式（1）。因脫離的表皮面積大且計算困難，故選擇公式（2）計算脫皮率，番茄上剩余殘皮用小刀取下，平鋪，正向拍照，用Photoshop 對照片進行處理，見圖3。根據(jù)標尺及處理后殘皮面積占比，計算出殘皮的實際面積（因殘皮面積較小，故不考慮殘皮曲面及凹凸等面積的影響），求出脫皮率。其數(shù)值越大，工藝參數(shù)對脫皮性能的影響越好。

圖3 Photoshop 處理殘皮面積圖片F(xiàn)ig.3 Treatment of residual skin area by Photoshop

式中，S——番茄表面積，mm2；a——番茄長軸，mm；b——番茄長軸，mm，b=a；c——番茄短軸，mm。

式中，Sc——番茄未脫下殘皮面積，mm2。

脫皮損失（Y2，g/mm2） 主要檢測脫皮質(zhì)量的好、壞，在脫皮率一定的條件下，脫皮損失小代表容易脫皮且表皮附帶的果肉較少，脫皮過程中損失較低，番茄的脫皮性能較好；反之，脫皮性能較差。由于每個番茄的脫皮面積不一，為精確統(tǒng)計參數(shù)變化對脫皮損失的影響，采用單位面積上殘留果肉的質(zhì)量作為脫皮損失處理結果，具體計算方法見公式（3），單位g/mm2。

式中，mt——脫皮質(zhì)量，g。

番茄紅外加熱脫皮是利用高溫使果肉果皮的黏附性降低，從而達到表皮脫皮的條件。番茄的表面溫度（Y3，℃）是輻射加熱的一個表象，是反映番茄紅外輻射效果的一個重要指標，對番茄脫皮性能評價尤其重要。用紅外測溫儀測定加熱后的番茄，其數(shù)值大小代表番茄在輻射時間內(nèi)積溫的多少。溫度低脫皮困難，脫皮率低；溫度過高果肉容易軟化黏附在表皮上，導致脫皮損失增加。合適的表面溫度使番茄達到最佳脫皮狀態(tài)，探究影響表面溫度的最優(yōu)工藝參數(shù)，對直觀評價預測脫皮性能有參考意義。

2.3 試驗設計

響應曲面設計方法（Response surface methodology，RSM），是利用合理的試驗設計方法，通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系，通過對回歸方程的分析尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法[24-25]。以輻射距離（X1，mm）、加熱時間（X2，s）和強度（X3，W）3 個因素為自變量，每個因素均設3 個水平。以脫皮率（Y1，%）、脫皮損失（Y2，g/mm2）和表面溫度（Y3，℃）作為響應變量，設計三因素三水平二次回歸正交試驗方案。通過Box-Behnken 響應面設計17 組試驗（表1），對得到的響應值進行分析，建立番茄脫皮模型。將試驗數(shù)據(jù)轉化為二階多項式模型，計算回歸系數(shù)。預測最優(yōu)點的廣義二次方程解釋如下：

表1 Box-Behnken 響應面設計及響應值Table 1 Box-Behnken response surface design and response value

在方程（4）中，多項式項的系數(shù)用b0（常數(shù)項）、b1、b2和b3（線性系數(shù)）、b11、b22和b33（二次項系數(shù)）和b12、b13和b23（交互項系數(shù)）表示。通過方差分析（ANOVA）發(fā)現(xiàn)模型中每個反應的顯著項，根據(jù)數(shù)據(jù)計算的檢驗水平值判斷顯著性。

2.4 模型驗證

采用RSM 對響應變量脫皮率（Y1，%）、脫皮損失（Y2，g/mm2）和表面溫度（Y3，℃）進行數(shù)值優(yōu)化，根據(jù)實際生產(chǎn)需求，選擇優(yōu)化條件：最大化脫皮率和表面溫度指標、最小化脫皮損失指標。得到最佳番茄脫皮性能的工藝參數(shù)（輻射間距X1、加熱時間X2和紅外功率X3），并對脫皮效果進行驗證。最后，將模型預測值與試驗值進行比較，確定模型的有效性。

3 結果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù) Box-Behnken 試驗原理設計三因素三水平分析試驗，試驗方案包括17 個試驗點，其中包括12 個分析因子，5 個零點估計誤差，試驗方案與響應值見表1。

根據(jù) Box-Behnken 試驗原理設計三因素三水平分析試驗，試驗方案包括17 個試驗點，其中包括12 個分析因子，5 個零點估計誤差，試驗方案與響應值見表1。利用響應曲面設計方法（Response surface methodology，RSM） 對表1的數(shù)據(jù)進行分析處理，其方差分析結果顯示模型對所有響應均具有顯著性（P<0.0001），失擬項均不顯著（P>0.0665），詳見表2，其余參數(shù)還包括R2、RAdj2、RPred2、變異系數(shù)、信噪比[26-27]。模型的R2均大于0.99，說明模型整體擬合度較好；RAdj2和RPred2相近，均大于0.9644。變異系數(shù)c.v.%是衡量模型各響應值變異率的統(tǒng)計量，一般認為變異系數(shù)大于15%的數(shù)據(jù)可能不正常分析得出c.v.%均小于1.87，說明模型的穩(wěn)定性較好。信噪比是對模型自身評價的一個指標，比率大于4 即能說明模型良好，此次信噪比在38.87～62.07 之間，說明模型良好。因此，此模型可靠性高，可用于番茄紅外脫皮的參數(shù)優(yōu)化。

表2 響應擬合二次模型的評價Table 2 Evaluation of response fitting quadratic model

表3給出的是模型擬合的回歸方程自變量系數(shù)和顯著性，對不同的響應，自變量系數(shù)的顯著性各不相同。對脫皮率Y1，除二次項X12，其余各項系數(shù)均顯著（P<0.0122），尤其一次項系數(shù)均高度顯著（P<0.0001）；對脫皮損失Y2，一次項X2的系數(shù)不顯著（P=0.4909），說明時間因素對脫皮損失影響較小，與時間因素相關的X2X3交互項系數(shù)也表現(xiàn)出不顯著性（P=0.144），其余各項系數(shù)均高度顯著（P<0.0001）；所有自變量系數(shù)對表面溫度Y3指標均表現(xiàn)顯著性（P<0.005）。為直觀觀測各參數(shù)對響應指標的影響，利用軟件Design Expert 8.0.6繪制三維響應面圖，主要分析交互作用對各響應的作用效果，以探求分析對脫皮性能最佳的參數(shù)，進而指導工藝參數(shù)優(yōu)化，達到最佳脫皮效果。

表3 估計回歸系數(shù)及其顯著性Table 3 Estimated regression coefficient and its significance

3.2 工藝參數(shù)對脫皮性能的影響

由表3所示的二階多項式回歸方程的有效系數(shù)及相應的P 值確定脫皮性能的操作參數(shù)。利用軟件Design Expert 8.0.6 繪制各因素對脫皮率、脫皮損失和表面溫度的三維響應面圖，可視化處理各因素的交互作用效果。

分析可知，除二次項X12，一次項和交互項對Y1脫皮率均表現(xiàn)高度顯著（P<0.001）。圖4所示，對脫皮率（Y1）各因素影響效果的三維響應面圖，由圖可知，各因素對脫皮率的影響較為明顯，尤其是加熱時間和紅外功率兩因素，番茄的脫皮率隨紅外輻射功率的增加而逐漸升高，隨輻射距離的增加而降低。在輻射距離一定的前提下，功率和時間因素對應的脫皮率變化幅度較大，功率最小且時間最短的參數(shù)脫皮率最低，隨著功率增大，時間延長，番茄的脫皮率明顯提高。圖4a 中輻射間距和紅外功率交互因素影響中，番茄脫皮率受紅外功率影響較大，在功率最大時，脫皮率也達到最大值；圖4b 顯示番茄脫皮率受加熱時間和紅外功率的影響較大，在加熱時間和紅外功率最低水平時，脫皮率也最低，隨著因素水平的上升，脫皮率迅速增加。可以看出高脫皮率主要集中在功率高、時間長的區(qū)域，高脫皮率的原因主要由高功率的紅外輻射和較長的輻射時間造成番茄表皮積溫增加，進而導致番茄表皮松弛開裂，說明紅外輻射強度高、加熱時間長有利于番茄表皮的脫離。由于試驗產(chǎn)品為大番茄，雖與前人研究規(guī)律一致，但加熱時間較長，可能是番茄體積過大，所需積溫較高所致。

圖4 番茄脫皮率響應面分析圖Fig.4 Response surface analysis of tomato peeling proportion

脫皮損失是番茄脫下表皮的單位面積質(zhì)量，其數(shù)值越小，脫皮過程中損失越小，脫皮效果越好。表3顯示距離和時間、距離和功率的交互作用均表現(xiàn)極顯著（P<0.001）。繪制脫皮損失響應面分析圖5，可以看出隨著輻射距離、時間和功率各水平由低到高，脫皮損失均表現(xiàn)出先降后升的趨勢。圖5a 脫皮損失在X1：66 mm，X2：174 s 時最小，圖5b 脫皮損失在X1：67 mm，X3：440 W 時最小。分析其原因主要是由于三因素在低水平時，番茄表皮與果肉黏附性較高，脫皮過程中表皮黏附較多果肉，造成脫皮損失較高；而在高水平時，番茄表皮的積溫量隨之增加，與果肉黏附性降低，表皮松弛甚至開裂，導致過度加熱，脫皮的表皮附帶較多的汁液和少量漿狀果肉，造成脫皮損失較高。由此可看出，脫皮率隨各因素水平的升高幾乎同時表現(xiàn)出線性升高的趨勢，而脫皮損失不同，只有合適的紅外輻射功率、輻射時間和距離，才能達到脫皮損失最低的目的。低脫皮損失是衡量番茄脫皮量產(chǎn)的重要指標，綜合優(yōu)化各因素參數(shù)指標降低脫皮損失，是工廠化生產(chǎn)的一個重要標準要求。

圖5 脫皮損失響應面分析圖Fig.5 Response surface analysis of tomato peeling loss

番茄表面溫度主要反映輻射加熱過程中，番茄表皮的積溫多少，代表番茄表皮加熱的程度。在一定范圍內(nèi)（Vidyarthi 等[28]研究番茄表面溫度控制在115 ℃以內(nèi)），番茄表面溫度越高，代表表皮與果肉的黏附性越低，脫皮性能越好。各因素間的交互作用對表面溫度響應均有顯著影響，見圖6?？煽闯鲭S著輻射功率和時間的增加，番茄表面溫度迅速升高，可能是由于番茄表皮的升溫主要由輻射強度和輻射時間決定；在輻射時間一定的條件下，距離因素對表面溫度的影響先上升后下降，在X1：72 mm，X3：485 W 達到最高溫度109.8 ℃。

圖6 間距和功率交互因素對表面溫度的響應面分析圖Fig.6 Response surface analysis of interaction factors to surface temperature

分析發(fā)現(xiàn)，紅外功率對脫皮率和表面溫度影響尤其明顯，功率高時，脫皮率和表面溫度均在高位；而最佳脫皮損失所需的因素條件相對均衡，需要三因素均達到合適的水平。不同響應目標的最佳條件對應的因素水平均不相同，對3 個評價指標綜合數(shù)值優(yōu)化分析，確定具體工藝參數(shù)水平。

3.3 綜合因素優(yōu)化

采用Box-Behnken 響應面方法和生產(chǎn)實際優(yōu)化工藝參數(shù)。對脫皮率（Y1）和表面溫度（Y3）進行最高水平優(yōu)化，對脫皮損失（Y2）進行最低水平優(yōu)化，得到期望值為0.897 的唯一解，最優(yōu)工藝參數(shù)和響應見表4。為驗證模型預測響應值的準確性，用優(yōu)化的參數(shù)條件做重復試驗3 次，得到表4中的結果。與預測值相比，均在預測值±5%范圍，表明優(yōu)化的輻射距離、時間和功率參數(shù)水平能較好地預測番茄最佳脫皮性能。最終，優(yōu)化的自變量選擇X1：70.12 mm、X2：200.4 s、X3：464.7 W，對應的試驗脫皮率93.27%，脫皮損失4.19×10-5g/mm2，表面溫度105.9 ℃。

表4 自變量最優(yōu)條件下響應的預測值和試驗值Table 4 Predicted values and experimental values of response under optimal conditions of independent variables

4 結論

依據(jù)長軸和短軸雙重要求篩選番茄尺寸，降低試驗誤差。采用響應面試驗方法試驗和驗證，得到以下結論：

1）脫皮性能采用3 個指標綜合評價，即脫皮率、脫皮損失和表面溫度。對3 個指標參數(shù)進行量化處理，用綜合指標準確評價番茄脫皮質(zhì)量好壞。

2）通過Box-Behnken 響應面方法對參數(shù)進行優(yōu)化，得出三因素對各評價指標均表現(xiàn)為顯著性。番茄脫皮最佳工藝參數(shù)為輻射距離70.12 mm、加熱時間200.4 s、紅外功率464.7 W，對應的優(yōu)化預測響應值脫皮率96.19%、脫皮損失4.022×10-5g/mm2、表面溫度104.06 ℃。

3）用優(yōu)化的參數(shù)進行試驗，得到試驗值與優(yōu)化預測值相近，誤差在±5%內(nèi)，說明模型預測的可靠性，可用于指導實際生產(chǎn)。