響應(yīng)面法優(yōu)化蕪菁微波脈動(dòng)壓差干燥工藝

魯暢，白羽嘉，黃婷婷，付文欠，馮作山

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院（烏魯木齊 830052）

蕪青，是十字花科蕓苔屬2年生草本植物，多種植在我國(guó)新疆及西藏地區(qū)[1]，含有大量對(duì)人體有益的營(yíng)養(yǎng)成分及活性物質(zhì)，且富含多種礦物質(zhì)元素和有機(jī)生物堿，是一種藥食同源的植物[2-4]。由于在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的存放之后會(huì)導(dǎo)致蕪菁所含水分及營(yíng)養(yǎng)成分流失，且運(yùn)輸成本較高，因此為擴(kuò)大其對(duì)外市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需要對(duì)蕪菁進(jìn)行加工，從而減少其營(yíng)養(yǎng)成分的流失，提高其貯藏時(shí)間。微波脈動(dòng)壓差干燥技術(shù)將微波加熱技術(shù)與壓差膨化干燥技術(shù)[5]相結(jié)合，利用微波能為物料干燥提供熱源，克服熱傳導(dǎo)速率慢的缺點(diǎn)[6]，真空環(huán)境能夠讓物料處于較低的溫度下進(jìn)行干燥，可以很好地保留物料中的營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)膨化作用能使物料保持較好的形狀而不至于在干燥過(guò)程中塌陷，在縮短干燥時(shí)間的同時(shí)，提高干燥的效率及干制品的品質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)蕪菁的研究都主要集中在其活性物質(zhì)的提取及在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，對(duì)其加工方面的研究較少。其中，高琦等[7-8]通過(guò)比較不同干燥方式對(duì)蕪菁脆片物理性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分、微觀結(jié)構(gòu)等的影響，尋找最優(yōu)的蕪菁脆片干燥方式；干燥方式綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為真空冷凍干燥＞變溫壓差膨化干燥＞紅外干燥＞熱風(fēng)干燥。但真空冷凍干燥設(shè)備及加工過(guò)程花費(fèi)較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，因此變溫壓差膨化干燥為蕪菁脆片的最適加工方式；使用主成分分析法探究4種不同干燥方式下的蕪菁脆片的香氣成分變化，從而對(duì)不同干燥方式下蕪菁脆片品質(zhì)的進(jìn)行區(qū)分，這為研究干燥方式對(duì)蕪菁品質(zhì)影響以及其干制加工提供依據(jù)。徐庚等[9]以蕪菁為試驗(yàn)原料，研究不同干燥工藝對(duì)蕪菁干燥持續(xù)時(shí)間、色澤、感官評(píng)價(jià)及能耗的影響，為蕪菁較優(yōu)的干燥工藝提供依據(jù)。

本試驗(yàn)采取微波脈動(dòng)壓差組合干燥對(duì)蕪菁進(jìn)行干燥，研究不同因素對(duì)干制品復(fù)水性的影響，采用響應(yīng)面法對(duì)其微波脈動(dòng)壓差組合干燥條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。從而為蕪菁大規(guī)模干制和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蕪菁購(gòu)買(mǎi)于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)附近蔬菜店，根據(jù)GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測(cè)定》方法[10]，測(cè)得所購(gòu)蕪菁的初始含水率分別為91.61%±0.26%（濕基）。

將新鮮蕪菁切成4.0 cm×2.0 cm×0.5 cm大小的塊狀，并經(jīng)過(guò)3 min熱燙處理，將表面水分晾干后，稱(chēng)重裝盤(pán)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 單一真空度的干燥試驗(yàn)

通過(guò)控制微波功率密度和微波火力不變，并將其分別設(shè)定為4.0 W/g和60%，改變緩沖罐的真空度，將緩沖罐真空度分別設(shè)置為300，400，500，600和700 Pa。每20 min對(duì)物料稱(chēng)量1次，記錄并計(jì)算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個(gè)真空度下做3組平行。

1.2.2 單一微波火力的干燥試驗(yàn)

通過(guò)控制緩沖罐真空度以及微波功率密度不變，并將其分別設(shè)定為500 Pa和4.0 W/g。改變其微波火力，將微波火力分別設(shè)置為20%，40%，60%，80%和100%。每20 min對(duì)物料稱(chēng)量一次，記錄并計(jì)算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個(gè)火力下做3組平行。

1.2.3 單一微波功率密度的干燥試驗(yàn)

通過(guò)控制緩沖罐真空度及微波火力不變，并將其分別設(shè)定為500 Pa和60%，改變其微波功率密度，將其功率密度分別設(shè)置為2.0，3.0，4.0，5.0和6.0 W/g。每20 min對(duì)物料稱(chēng)量一次，記錄并計(jì)算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每個(gè)微波功率下做3組平行。微波功率密度是單位質(zhì)量的平均微波功率[11]，按式（1）計(jì)算。

式中：PD為微波功率密度，W/g；P為微波功率，W；m為初始物料質(zhì)量，g。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以真空度、微波火力及微波功率密度為因素，試驗(yàn)因素水平由其單一真空度、微波火力和微波功率密度干燥試驗(yàn)確定。進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)分析，比較其色澤及復(fù)水效果，確定最佳干燥條件。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 因素水平編碼表

1.2.5 指標(biāo)測(cè)定

1.2.5.1 色差

色澤是對(duì)干制品品質(zhì)的重要評(píng)測(cè)指標(biāo)之一。在試驗(yàn)中，通過(guò)使用色差儀來(lái)對(duì)蕪菁的L、a、b值進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)計(jì)算得到其色差值ΔE，用ΔE對(duì)其色澤進(jìn)行評(píng)測(cè)[12]。對(duì)每個(gè)干燥條件下的干制品隨機(jī)選取3點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定其L、a、b值，取其平均值。色差值按式（2）計(jì)算。

式中：ΔE為色差值；ΔL為偏向黑白值；Δa為偏向紅綠值；Δb為偏向黃藍(lán)值。

1.2.5.2 復(fù)水比測(cè)定

稱(chēng)取一定質(zhì)量的干燥后的蕪菁脆片，將其放入40 ℃恒溫蒸餾水中復(fù)水30 min，取出將其表面水分瀝干20 min，對(duì)樣品復(fù)水后的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重[13]。產(chǎn)品復(fù)水比按式（3）計(jì)算。

式中：RR為復(fù)水比；Mf為產(chǎn)品復(fù)水瀝干后質(zhì)量，g；Mg為復(fù)水前產(chǎn)品質(zhì)量，g。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Design Expert 8.0.6.1、SPSS 20和Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥因素對(duì)色澤的影響

2.1.1 真空度對(duì)色澤的影響

由圖1可知，微波功率密度4.0 W/g、微波火力60%、真空度300～700 Pa時(shí)，隨著真空度增大，也即真空壓力降低，其色差值不斷增大。分析其可能的原因是：一是隨著干燥環(huán)境中的真空度不斷提高，該干燥環(huán)境中氧氣含量也不斷增加，使得蕪菁中所含色素和酶被氧化概率大幅增加，從而使得蕪菁色差值不斷增加；二是隨著真空度不斷升高，水的沸點(diǎn)溫度也在增加，從而提高水分的蒸發(fā)溫度，減緩蕪菁中水分的蒸發(fā)速率，增加其干燥時(shí)間，并且提高干燥環(huán)境溫度，不利于蕪菁保持其原有色澤。

圖1 不同真空度對(duì)蕪菁色澤變化的影響

2.1.2 微波火力對(duì)色澤的影響

由圖2可知，真空度500 Pa、微波功率密度4.0 W/g、微波火力20%～100%時(shí)，隨著微波火力不斷增加，干燥后的蕪菁脆片色差值呈先降低后增加趨勢(shì)。分析其可能的原因是：一是在較低的微波火力條件下，蕪菁干燥時(shí)間較長(zhǎng)，使得蕪菁中所含的色素和酶與干燥環(huán)境中所殘留的氧氣接觸的時(shí)間增加，從而使得其色差值在該干燥條件下隨著微波火力不斷增加，色差值不斷降低，有利于蕪菁色澤的保持；二是在較高的微波火力條件下，由于微波火力不斷增加，使得干燥環(huán)境中的溫度不斷升高，蕪菁出現(xiàn)不同程度的糊化現(xiàn)象，從而其色差值不斷增加，故在該微波火力條件下，需降低其微波火力，有利于干燥后的蕪菁脆片色澤的保持。

圖2 不同微波火力對(duì)蕪菁色澤變化的影響

2.1.3 微波功率密度對(duì)色澤的影響

由圖3可知，真空度500 Pa、微波火力60%、微波功率密度2.0～6.0 W/g時(shí)，隨著微波功率密度不斷增加，干燥后的蕪菁脆片色差值呈先降低后增加趨勢(shì)。分析其可能的原因是：在微波功率密度較低時(shí)，干燥時(shí)間較長(zhǎng)，使得蕪菁在干燥過(guò)程中發(fā)生酶促褐變的概率增加；而隨著微波功率密度不斷增大，單位質(zhì)量蕪菁所吸收的微波能不斷增多，加速其分子運(yùn)動(dòng)，從而使其產(chǎn)生熱能增多，干燥環(huán)境溫度升高，過(guò)高溫度對(duì)蕪菁中所含的色素及酶具有極強(qiáng)的破壞作用，故色差值變大[14]，且微波功率密度高于6.0 W/g時(shí)，蕪菁會(huì)出現(xiàn)較為明顯的焦糊化現(xiàn)象，對(duì)保持蕪菁色澤不利，故其在微波功率密度2.0～6.0 W/g時(shí)，會(huì)出現(xiàn)色差值先降低后升高的現(xiàn)象。

圖3 不同微波功率密度對(duì)蕪菁色澤變化的影響

2.2 不同干燥因素對(duì)復(fù)水比的影響

2.2.1 真空度對(duì)復(fù)水比的影響

微波火力60%、微波功率密度4 W/g時(shí)，在不同真空度條件下蕪菁的復(fù)水曲線如圖4所示。隨著真空度提高，蕪菁的復(fù)水比隨著真空度變化呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，可能是由于在高的真空壓力下，水分沸點(diǎn)溫度降低，增大水分蒸發(fā)速率，從而在較短時(shí)間內(nèi)形成較大蒸汽壓力，使蕪菁組織膨脹性增強(qiáng)，因此復(fù)水性逐漸增強(qiáng)，但過(guò)大的蒸汽壓力會(huì)破壞組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)[14]，從而使復(fù)水性減弱。且在真空度500 Pa左右達(dá)到最高值，故在后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)過(guò)程中取400，500和600 Pa作為真空度水平。

圖4 不同真空度下蕪菁復(fù)水曲線

2.2.2 微波火力對(duì)復(fù)水比的影響

真空度500 Pa、微波功率密度4 W/g態(tài)時(shí)，在不同火力條件下蕪菁復(fù)水曲線如圖5所示。隨著火力提高，蕪菁的復(fù)水比隨著火力增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，且在火力60%左右時(shí)達(dá)到最高值?；鹆Τ^(guò)80%時(shí)，蕪菁復(fù)水曲線趨勢(shì)變陡，可能是由于在過(guò)高的火力條件下，過(guò)長(zhǎng)的微波工作時(shí)間使得蕪菁在干燥過(guò)程中吸收的微波能增加，物料的溫度升高，出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，從而影響蕪菁的復(fù)水效果。因此在后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)過(guò)程中取40%，60%和80%作為微波火力水平。

圖5 不同微波火力下蕪菁復(fù)水曲線

2.2.3 微波功率密度對(duì)復(fù)水比的影響

真空度500 Pa，微波火力60%時(shí)，在不同微波功率密度條件下蕪菁復(fù)水曲線如圖6所示。隨著微波功率密度提高，蕪菁的復(fù)水比隨著微波功率密度的變化呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)，并且在微波功率密度4 W/g左右達(dá)到最大。功率密度高于6 W/g時(shí)，蕪菁在微波脈動(dòng)壓差組合干燥過(guò)程中出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，從而影響干制后的產(chǎn)品的復(fù)水效果，故在后續(xù)響應(yīng)面試驗(yàn)過(guò)程中取3，4和5 W/g作為微波功率密度水平。

圖6 不同微波功率密度下蕪菁復(fù)水曲線

2.3 蕪菁工藝參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 蕪菁干燥回歸方程建立及顯著性分析

對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到真空度、微波火力、微波功率密度與樣品色澤及復(fù)水效果之間的多元二次回歸方程式：X=9.24+0.39A-0.85B+3.07C+ 1.56AB-1.24AC+5.36BC+0.42A2+4.07B2+6.01C2；Y=7.97+0.36A+0.66B-0.38C-0.31AB+0.78AC-0.93BC-0.30A2-1.61B2-1.45C2。由表3和表4可知，多元二次回歸方程的p＜0.000 1，即差異極顯著，失擬項(xiàng)pX=0.184 2＞0.05，pY=0.224 1＞0.05，也即差異不顯著。方程的決定系數(shù)RX2=0.999 7＞0.90，RY2=0.987 6＞0.90，說(shuō)明模型擬和精度較高。通過(guò)對(duì)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)可知，影響色澤的主次順序是C＞B＞A，影響復(fù)水效果的主次順序是B＞C＞A，影響均極顯著；其中A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2對(duì)色澤影響極顯著（p＜ 0.01）；而A、B、C、AC、BC、B2和C2對(duì)復(fù)水比有極顯著影響（p＜0.01），AB和A2對(duì)復(fù)水比有顯著影響（p＜0.05）。綜上，所建模型準(zhǔn)確性和可信度較高。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)果

表3 色澤回歸模型方差分析

表4 復(fù)水效果回歸模型方差分析

2.3.2 蕪菁組合干燥響應(yīng)面分析

響應(yīng)面模型中的曲面投影形狀可以反映考察因素間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，等高線圖形的形狀近似圓形能體現(xiàn)出各個(gè)因素之間的交互作用不是很顯著[15-17]。當(dāng)真空度、微波火力、微波功率密度3個(gè)因素之中任意一個(gè)因素取零水平時(shí)，剩余的2個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品色澤及復(fù)水比的影響如圖7～圖9所示。

圖7是微波功率密度4.0 W/g條件下，真空度-微波火力與色澤及復(fù)水比關(guān)系的響應(yīng)曲面圖。在高真空條件下，色澤隨著微波火力增大而降低，在低的真空條件下，色澤隨著微波火力的增加而增大；真空度500 Pa以下某一固定值時(shí)，微波火力20%～60%范圍時(shí)，復(fù)水比隨微波火力增大而增大；真空度500 Pa以上某一固定值時(shí)，微波火力60%～100%范圍時(shí)，復(fù)水比隨微波火力增大而降低。通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果pXAB＜0.000 1（p＜ 0.01），pYAB=0.038（p＜0.05），顯示真空度與微波火力的交互作用對(duì)蕪菁干制品色澤影響極顯著，復(fù)水的影響顯著。

圖7 真空度-微波火力交互作用

圖8是微波火力60%條件下，真空度-微波功率密度與色澤及復(fù)水比關(guān)系的響應(yīng)曲面圖。真空度較低時(shí)，適當(dāng)增大微波功率密度能減少產(chǎn)品色澤變化，提高復(fù)水比；真空度較高時(shí)，過(guò)高的微波功率密度反而增加產(chǎn)品色澤變化，降低產(chǎn)品復(fù)水比。通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果pXAC＜0.000 1（p＜0.01），pYAC=0.000 4（p＜0.01），顯示真空度與微波功率密度的交互作用對(duì)蕪菁的色澤和復(fù)水影響極顯著。

圖8 真空度-微波功率密度交互作用

圖9是真空度500 Pa條件下，微波火力-微波功率密度與色澤及復(fù)水比關(guān)系的響應(yīng)曲面圖?；鹆^低情況下，適當(dāng)增大微波功率密度能減少產(chǎn)品色澤變化，提高復(fù)水比；微波火力較高時(shí)，產(chǎn)品色澤隨著微波功率密度增大而增大，復(fù)水比隨微波功率密度增大而降低。pXBC＜0.000 1（p＜0.01），pYBC=0.000 1（p＜ 0.01），顯示微波火力與微波功率密度的交互作用對(duì)蕪菁干制品的色澤和復(fù)水影響極顯著。

圖9 微波火力-微波功率密度交互作用

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)軟件Design-Expert.V8.0.6.1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，得到蕪菁微波脈動(dòng)壓差組合干燥最優(yōu)工藝條件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，復(fù)水比7.928 91。

3 結(jié)論

試驗(yàn)探究蕪菁在微波脈動(dòng)壓差組合干燥條件下，真空度、微波火力、微波功率密度等因素對(duì)蕪菁干燥過(guò)程中色澤和復(fù)水比的影響；通過(guò)響應(yīng)面法分析真空度、微波火力、微波功率密度與蕪菁色澤和復(fù)水比之間的關(guān)系，建立蕪菁微波脈動(dòng)壓差組合干燥的回歸數(shù)學(xué)模型；對(duì)蕪菁微波脈動(dòng)壓差組合干燥工藝進(jìn)行綜合優(yōu)化。結(jié)果表明：蕪菁干燥后，色差值隨著真空度增大，不斷增大，隨著微波火力、微波功率密度升高呈先上升后下降趨勢(shì)，而復(fù)水比隨真空度、微波火力、微波功率密度升高均呈先上升后下降趨勢(shì)；蕪菁微波脈動(dòng)壓差組合干燥最優(yōu)工藝條件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，復(fù)水比7.928 91。