響應(yīng)面法優(yōu)化熱泵干燥綠色葡萄干防褐變工藝

廉葦佳，陳 雅，韓 琛，李海峰，劉志剛，徐桂香，雷 靜，吳久赟

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000)

0 引 言

【研究意義】對(duì)綠色葡萄干進(jìn)行清洗不僅可以洗去葡萄干表面的灰塵、雜菌，而且可以洗去部分葡萄干表面殘留的促干劑，保護(hù)消化系統(tǒng)[1-2]。綠色葡萄干清洗極易褐變，清洗之后迅速脫去表面清洗溶劑非常重要，才能減少綠色葡萄干中更多多酚氧化酶被激活，減少褐變的發(fā)生[3]。研究一種綠色葡萄干的防褐變干燥技術(shù)，對(duì)干燥清洗后綠色葡萄干有重要意義。【前人研究進(jìn)展】劉清等[4]利用薄層試驗(yàn)干燥臺(tái)模擬流化床干燥和網(wǎng)帶干燥清洗后的無(wú)核白葡萄干表明：流化床干燥的較佳條件為：風(fēng)溫30～40℃，風(fēng)速3.5～4.5 m/s，料層厚度4層(約 22 mm)，干燥時(shí)間為4 min；網(wǎng)帶干燥的較佳條件為：風(fēng)溫(40±2)℃，風(fēng)速1.5 m/s，料層厚度2.5層(約 15 mm)，干燥時(shí)間約為9 min；張英麗等[5]研究結(jié)果表明，30℃下干制無(wú)核白葡萄可較好的保持其色澤?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】綠色葡萄干清洗過(guò)程中和清洗后干燥過(guò)程中褐變問(wèn)題已成為綠葡萄干產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[6-7]。亟需研究一種清洗后綠色葡萄干防褐變干燥技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用干燥效率高、產(chǎn)品品質(zhì)好的熱泵干燥技術(shù)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，找到一種干燥清洗后綠色葡萄干的方法，該方法與常用的熱風(fēng)干燥方法相比，能夠顯著降低葡萄干褐變指數(shù)，為解決葡萄干精深加工面臨清洗后褐變瓶頸問(wèn)題提供方法。

1 材料與方法

1.1 材 料

綠色葡萄干產(chǎn)于新疆吐魯番市，品種為無(wú)核白(V.vinifera cv.Thompson Seedless)。

試劑為酒精，食品級(jí)，純度95%，購(gòu)于吐魯番冰玉冰葡萄酒業(yè)有限公司。

儀器設(shè)備為KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；NH310型色差儀，深圳市三恩時(shí)科技有限公司；L3.5TB1型熱泵干燥機(jī)，廣東威而信實(shí)業(yè)有限公司；TP-A500型電子分析天平，美國(guó)康州HZ電子有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 樣品制備

綠葡萄干，2019年9月中旬購(gòu)于吐魯番市高昌區(qū)吐魯番葡萄干交易市場(chǎng)，挑去其中的病害粒、蟲蛀粒和霉變粒。取500 g綠色葡萄干在9℃下超聲波輔助清洗90s(清洗劑：44% vol食用酒精溶液)，清洗完成后迅速放入熱泵干燥機(jī)中干燥，厚度1層(0.3～0.6 cm)，每隔30 min測(cè)定葡萄干重量，直到干燥至葡萄干水分含量15%及以下時(shí)為干燥終點(diǎn)。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 干燥溫度對(duì)葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在35、40、45、50和55℃溫度下熱泵干燥，相對(duì)濕度5%，排潮時(shí)間2 min，干燥后取出，測(cè)量色澤各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.2.2 相對(duì)濕度對(duì)葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在5%、6%、7%、8%和9%相對(duì)濕度下熱泵干燥，干燥溫度50℃，排潮時(shí)間2 min，干燥后取出，測(cè)量色澤各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.2.3 排潮時(shí)間對(duì)葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在1、2、3、4和5 min排潮時(shí)間下熱泵干燥，干燥溫度50℃，相對(duì)濕度7%，干燥后取出，測(cè)量色澤各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2.3 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，每個(gè)因素選取3個(gè)對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值影響較大的水平，建立三因素三水平的Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)，以葡萄干褐變指數(shù)BI值為響應(yīng)值，各因素的3個(gè)水平采用-1、0、1進(jìn)行編碼。表1

表1 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平和編碼

1.2.4 色澤

用色差儀進(jìn)行色澤的分析，取干燥后的綠色葡萄干樣品，測(cè)定亮度值L*、紅綠值a*和黃藍(lán)值b*，以未清洗的葡萄干樣品作為測(cè)定的參比樣，每個(gè)樣品重復(fù)3次。并根據(jù)公式(1)計(jì)算總色差△E值，根據(jù)公式(2)和公式(3)計(jì)算褐變指數(shù)BI值，取平均值。

△E=

(1)

(2)

(3)

式中：△E表示總色差；L0*、a0*、b0*表示未清洗葡萄干測(cè)得的顏色指標(biāo)；L*、a*、b*—清洗后葡萄干測(cè)得的顏色指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007 統(tǒng)計(jì)分析，重復(fù)3次，結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與回歸分析。通過(guò)Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行響應(yīng)面應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素

2.1.1 干燥溫度對(duì)葡萄干色澤的影響

研究表明，當(dāng)相對(duì)濕度和排潮時(shí)間一定時(shí)，不同干燥溫度對(duì)葡萄干紅綠值a*值和褐變指數(shù)BI值影響極顯著(P<0.01)對(duì)葡萄干亮度值L*值、黃藍(lán)值b*值和總色差△E影響不顯著(P﹥0.05)。亮度值L*值和紅綠值a*值總體呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)，都在50℃時(shí)達(dá)到最高值，分別為21.22和-10.50，此時(shí)葡萄干色澤亮度和綠度均最高；總色差△E在干燥溫度35～55℃內(nèi)差值小于3；褐變指數(shù)BI值先降低后升高，在50℃時(shí)達(dá)到最小值25.46；不同干燥溫度下的葡萄干黃藍(lán)值b*值相差不大。當(dāng)干燥溫度較低時(shí)，清洗后附著在葡萄干表面的水分不能及時(shí)被去除，水分子會(huì)進(jìn)入葡萄干內(nèi)部，激活多酚氧化酶，發(fā)生酶促褐變，褐變指數(shù)變大，隨著干燥溫度的增加，更多葡萄干表面的水分子被迅速蒸發(fā)或除去，減少褐變的發(fā)生。35～40℃干燥溫度范圍內(nèi)，褐變指數(shù)BI值從32.44降低至30.65，降低了5.52%，40～50℃干燥溫度范圍內(nèi)，40～50℃對(duì)于葡萄干多酚氧化酶來(lái)說(shuō)屬于高溫，酶被高溫鈍化，失活，這段時(shí)間范圍葡萄干褐變指數(shù)減小的幅度較大，在50℃時(shí)褐變指數(shù)BI值最小為25.46，隨著溫度增加到55℃，褐變指數(shù)開(kāi)始增大。在50℃干燥溫度下葡萄干的褐變指數(shù)BI值最小。表2

表2 不同干燥溫度下葡萄干色澤變化

2.1.2 相對(duì)濕度對(duì)葡萄干色澤的影響

研究表明，不同相對(duì)濕度對(duì)葡萄干紅綠值a*值、褐變指數(shù)BI值影響極顯著(P<0.01)，隨著相對(duì)濕度的增加，葡萄干紅綠值a*值總體呈下降趨勢(shì)，從相對(duì)濕度5%～9%，紅綠值a*值從-10.24降低到-8.71，降低了14.94%；隨著相對(duì)濕度的增加，葡萄干褐變指數(shù)BI值總體呈先降低后升高趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)濕度從5%增加到7%時(shí)，葡萄干褐變指數(shù)BI值從27.48降低到24.60，降低了10.48%，當(dāng)相對(duì)濕度繼續(xù)增大到9%時(shí)，葡萄干褐變指數(shù)BI值從24.60升高到33，升高了34.15%。相對(duì)濕度7%時(shí)獲得的葡萄干褐變指數(shù)BI值最小。表3

表3 不同相對(duì)濕度下葡萄干色澤變化

2.1.3 排潮時(shí)間對(duì)葡萄干色澤的影響

研究表明，排潮時(shí)間對(duì)葡萄干亮度值L值和黃藍(lán)值b值影響極顯著(P<0.01)，對(duì)總色差△E和BI值影響顯著(P<0.05)，對(duì)紅綠值a值影響不顯著(P﹥0.05)。葡萄干亮度值L值和黃藍(lán)值b值都呈先降低后升高的趨勢(shì)，都在排潮時(shí)間3 min時(shí)達(dá)到最小值19.39和10.82；排潮時(shí)間1～5 min范圍內(nèi)，葡萄干總色差△E值變化最大為1.82，小于3，不能夠用視覺(jué)發(fā)現(xiàn)葡萄干顏色的變化；葡萄干BI值呈先降低后升高的趨勢(shì)，排潮3 min時(shí)的BI值分別較排潮1 min和排潮5 min降低13.89%和7.96%，在相同時(shí)間內(nèi)，排潮時(shí)間越長(zhǎng)，葡萄干干燥速率越快，但是當(dāng)熱泵干燥室中濕度小于環(huán)境濕度時(shí)，排濕過(guò)程中環(huán)境的濕度會(huì)進(jìn)去，葡萄干干燥速率減慢，酶促褐變加劇，葡萄干BI值增大。排潮時(shí)間3 min時(shí)干燥的葡萄干褐變指數(shù)最小。表4

表4 不同排潮時(shí)間下葡萄干色澤變化

2.2 BBD試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面

研究表明，以葡萄干褐變指數(shù)BI值為響應(yīng)值，以干燥溫度(A)、相對(duì)濕度(B)和排潮時(shí)間(C)為自變量，建立三因素三水平中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共包括17個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，其中12個(gè)析因?qū)嶒?yàn)點(diǎn)，5個(gè)中心實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，用以計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差。表5

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及BI值

2.2.2 回歸方程擬合及方差

對(duì)各因素回歸擬合后，得到回歸方程：

BI=25.70-1.18A+0.26B-0.081C+0.99AB-0.032AC-0.50BC+3.13A2+0.85B2+0.47C2.

F模型=315.01，P模﹤0.000 1，擬合獲得的模型方程極顯著，回歸模型與實(shí)測(cè)值擬合程度好，可用該回歸方程替代實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。F失擬=2.62，P失擬=0.187 9>0.100 0，失擬項(xiàng)不顯著，該回歸方程能充分反映實(shí)際情況。模型的決定系數(shù)R2=0.997 5，校正決定系數(shù)是0.994 4，為總變異的0.54%，實(shí)驗(yàn)值與模型回歸值一致性良好，該模型能夠解釋0.994 4的響應(yīng)值變化，實(shí)驗(yàn)誤差小。各因素對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響順序?yàn)楦稍餃囟?相對(duì)濕度>排潮時(shí)間。表6

表6 回歸模型及方差

2.2.3 干燥溫度、相對(duì)濕度和排潮時(shí)間對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響

研究表明，干燥溫度和相對(duì)濕度均對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值產(chǎn)生影響，隨著干燥溫度在45～50℃增加和相對(duì)濕度在6%～7%增加，綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值逐漸減小，在達(dá)到極小值后，繼續(xù)增加干燥溫度或相對(duì)濕度，BI值逐漸增大。當(dāng)干燥溫度為49～51℃且相對(duì)濕度為7%左右時(shí)，葡萄干具有較低的褐變指數(shù)BI值，當(dāng)干燥溫度在49～53℃時(shí)，等高線密度最大，表示在該干燥溫度條件下，隨著相對(duì)濕度的增加，葡萄干褐變指數(shù)BI值降低最快。等高線形狀呈橢圓形，干燥溫度和相對(duì)濕度對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響有很強(qiáng)的交互作用，干燥溫度對(duì)綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響大于相對(duì)濕度。圖1

圖1 干燥溫度和相對(duì)濕度對(duì)BI值的影響響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

研究表明，干燥溫度和排潮時(shí)間均對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值產(chǎn)生影響，隨著干燥溫度的增大和排潮時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄干褐變指數(shù)BI值趨于變小，在達(dá)到極小值之后，繼續(xù)增大干燥溫度或者延長(zhǎng)排潮時(shí)間，褐變指數(shù)BI值逐漸增大。當(dāng)干燥溫度在49～51℃、且排潮時(shí)間為3 min左右時(shí)，綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值較低，等高線的形狀為趨向于圓形，干燥溫度和排潮時(shí)間對(duì)綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響具有弱的交互性。圖2

圖2 干燥溫度和排潮時(shí)間對(duì)BI值的影響響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

相對(duì)濕度和排潮時(shí)間均對(duì)葡萄干褐變指數(shù)BI值產(chǎn)生影響，隨著相對(duì)濕度的增大和排潮時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄干褐變指數(shù)BI值趨于變小，在達(dá)到極小值之后，繼續(xù)增大相對(duì)濕度或者延長(zhǎng)排潮時(shí)間，褐變指數(shù)BI值逐漸增大。當(dāng)相對(duì)濕度在7%左右、且排潮時(shí)間為3 min左右時(shí)，綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值較低。等高線的形狀為橢圓形，相對(duì)濕度和排潮時(shí)間對(duì)綠色葡萄干褐變指數(shù)BI值的影響具有很強(qiáng)的交互性。圖3

圖3 相對(duì)濕度和排潮時(shí)間對(duì)BI值的影響響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

回歸模型預(yù)測(cè)的熱泵干燥清洗后葡萄干最佳條件為干燥溫度51.19℃，相對(duì)濕度6.68%，排潮時(shí)間2.93 min，在此清洗條件下的葡萄干褐變指數(shù)BI值為25.52。在干燥溫度51℃、相對(duì)濕度7%、排潮時(shí)間3 min條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，葡萄干的褐變指數(shù)BI僅為25.55，相對(duì)誤差0.12%，與理論預(yù)測(cè)值基本相符。

3 討 論

褐變是果蔬或果蔬制品在加工和貯藏過(guò)程中，在內(nèi)、外因素的綜合作用下顏色發(fā)生變化的現(xiàn)象[8-9]。鄭永菊[6]和張利娟[10]研究得出葡萄干加工和貯藏過(guò)程中的褐變主要是酶促褐變。葡萄干中酚類物質(zhì)分布于液泡中，而與褐變有關(guān)的酶分布于線粒體、質(zhì)體等細(xì)胞器內(nèi)膜和細(xì)胞質(zhì)中[11]，這種區(qū)域性分布可以使酚類物質(zhì)與褐變酶類不接觸，從而不會(huì)發(fā)生酶促褐變。綠色葡萄干在清洗時(shí)空氣和水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，活性氧的增加導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化，細(xì)胞膜流動(dòng)性下降，通透性增加，酚類物質(zhì)和酶的區(qū)域分布被打破，兩者相互接觸[12-13]，多酚氧化酶在氧氣存在的條件下催化酚類物質(zhì)向醌及其聚合物轉(zhuǎn)變，隨后醌類聚合或與其他物質(zhì)反應(yīng)生成褐色或黑色聚合物，從而造成綠色葡萄干褐變現(xiàn)象[14-15]，褐變嚴(yán)重影響葡萄干的使用和銷售[16]。根據(jù)綠色葡萄干清洗會(huì)發(fā)生酶促褐變的機(jī)理，清洗之后迅速脫去表面清洗溶劑非常重要，如果干燥溫度過(guò)高，葡萄干褐變嚴(yán)重并且質(zhì)地發(fā)軟不利于儲(chǔ)藏運(yùn)輸，且會(huì)有滲糖現(xiàn)象，不符合葡萄干產(chǎn)品要求；但如果干燥溫度降低，干燥時(shí)間會(huì)隨之增加，清洗后附著在葡萄干表面的水分會(huì)滲入葡萄干內(nèi)部，加速酶促褐變反應(yīng)，褐變也會(huì)很嚴(yán)重[17-19]。熱泵干燥具有干燥方式溫和的優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)調(diào)節(jié)干燥室的溫濕度、排潮與停排時(shí)間和風(fēng)量使物料表面水分的揮發(fā)速度與內(nèi)部水分向表面遷移速度基本一致，與自然干燥相似，得到外觀、色澤和質(zhì)地等品質(zhì)較好的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的商品價(jià)值[20]。熱泵干燥技術(shù)不僅能夠快速除去葡萄干表面水分而且可以保持葡萄干本身質(zhì)地結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)成分和感官品質(zhì)，還具有高效環(huán)保、節(jié)能無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。干燥溫度單因素實(shí)驗(yàn)中，在40～50℃干燥溫度范圍內(nèi)，葡萄干褐變指數(shù)BI值降低了16.93%，這是因?yàn)闇囟瘸^(guò)多酚氧化酶的最適溫度25～40℃[21]，40～50℃對(duì)于葡萄干多酚氧化酶來(lái)說(shuō)屬于高溫，酶被高溫鈍化，失活，因此這段時(shí)間范圍葡萄干褐變指數(shù)減小的幅度較大。葡萄干在50℃時(shí)褐變指數(shù)BI值最小，隨著溫度增加，褐變指數(shù)開(kāi)始增大，這可能是因?yàn)楦邷匾鹆似咸迅芍蟹宇愇镔|(zhì)的氧化，導(dǎo)致摩擦損傷處、果梗處發(fā)生褐變。隨著相對(duì)濕度的增加，葡萄干褐變指數(shù)BI值總體呈先降低后升高趨勢(shì)，降低是因?yàn)檩^大的相對(duì)濕度可使干燥介質(zhì)中的焓值增加，使葡萄干快速升溫，因此，干燥前期用較大的相對(duì)濕度有利于迅速升溫，去除葡萄干表面水分，降低酶促褐變。當(dāng)相對(duì)濕度繼續(xù)增大時(shí)，葡萄干褐變指數(shù)BI值升高了34.15%，這是因?yàn)檩^大的相對(duì)濕度減緩了葡萄干內(nèi)部水分向外的擴(kuò)散，為酶促褐變的發(fā)生創(chuàng)造了條件，葡萄干褐變指數(shù)BI值增大，這與張波[22]、謝樂(lè)芳[23]等實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。在排潮時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)中，葡萄干BI值呈先降低后升高的趨勢(shì)。在相同時(shí)間內(nèi)，排潮時(shí)間越長(zhǎng)，葡萄干干燥速率越快，但是當(dāng)熱泵干燥室中濕度小于環(huán)境濕度時(shí)，排濕過(guò)程中環(huán)境中的濕度會(huì)進(jìn)去，葡萄干干燥速率減慢，酶促褐變加劇，葡萄干BI值增大。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化后的葡萄干熱泵最佳干燥條件為干燥溫度51.19℃、相對(duì)濕度6.68%和排潮時(shí)間2.93 min，受熱泵干燥設(shè)備參數(shù)限制，選取干燥溫度51℃、相對(duì)濕度7%和排潮時(shí)間3 min進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，此時(shí)葡萄干的褐變指數(shù)BI值僅為25.55，較傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥降低23.23%。此法顯著降低了干燥過(guò)程中綠色葡萄干的褐變指數(shù)BI值，獲得的葡萄干清潔衛(wèi)生，感官品質(zhì)優(yōu)良，適于綠色葡萄干清洗后的干燥。