基于品質分析的哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥工藝研究

楊 慧，吳洪斌，賈文婷，劉戰(zhàn)霞

（新疆農墾科學院農產(chǎn)品加工研究所，新疆農墾科學院農產(chǎn)品加工重點實驗室，新疆 石河子 832000）

哈密瓜是新疆特色果品，其口感清甜、風味獨特，含有糖類、多種維生素和礦物質等營養(yǎng)物質，有“瓜中之王”的美稱[1-2]。近年來，新疆哈密瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[3-4]，種植面積和產(chǎn)量逐年增加，但因哈密瓜采摘期集中、貨架期短，且含水量、含糖量高易發(fā)生霉變和腐爛，使其在貯運、保鮮和銷售過程中面臨極大的困難，嚴重影響經(jīng)濟效益和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[5-6]。

干燥是果蔬加工的重要方式之一[7]，可有效延長產(chǎn)品貨架期，降低貯運成本[8]。目前應用于哈密瓜的干燥技術主要有熱風干燥[9]、熱泵干燥[10]、真空冷凍干燥[11]、微波干燥[12]和變溫壓差膨化干燥[13]等。熱風干燥工藝簡單易操作、成本低，但加工時間長，熱源利用率低，且高溫會導致產(chǎn)品營養(yǎng)損失較大[14]；熱泵干燥具有溫濕度控制精準，可實現(xiàn)低溫干燥的優(yōu)點，但容易造成產(chǎn)品表面的“結殼”現(xiàn)象[15]；真空冷凍干燥可最大程度地保留物料的營養(yǎng)物質，但設備投入大、能耗高，工藝操作復雜[16]；微波干燥時間短，但存在干燥不均，產(chǎn)品外部邊緣等部位易焦化等缺點[17]；變溫壓差膨化干燥是通過控制溫度和壓力的瞬時變化作用于物料，使最終產(chǎn)品具有口感酥脆、保留物料原有的大部分風味、色澤和營養(yǎng)的特點，最終所得產(chǎn)品脆片比傳統(tǒng)的干制品口感更佳，比油炸脆片更健康[18]。文獻檢索發(fā)現(xiàn)，業(yè)內專家針對變溫壓差膨化干燥技術做了大量研究工作，如探討預處理技術或聯(lián)合其他干燥技術對變溫壓差膨化干燥的影響，從而達到提高干燥速率和產(chǎn)品品質的目的[19-21]。

為充分利用真空冷凍干燥和變溫壓差膨化干燥的優(yōu)勢，在有效節(jié)約能耗的基礎上，進一步提高哈密瓜干燥產(chǎn)品品質，采用真空冷凍干燥技術與變溫壓差膨化干燥技術聯(lián)合的方式，探討其對哈密瓜脆片含水率、感官品質和營養(yǎng)品質的影響，旨在為提高哈密瓜脆片品質和哈密瓜干燥工藝的優(yōu)選提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

哈密瓜（西州蜜25 號），購于新疆石河子市九鼎果蔬市場。

1.1.2 儀器與設備

SUI-125 真空冷凍干燥機，南京蘇恩瑞干燥設備有限公司；QDPH10-1 變溫壓差膨化干燥機，天津市勤德新材料科技有限公司；101-4ABS 熱風循環(huán)干燥箱，北京永光明設備有限公司；Ta.XT 2i/50 質構儀，英國Stable Micro Systems 公司；TGL16M 高速離心機，常州市萬豐儀器制造有限公司；ZG-EV-2600R 可見分光光度計，上海卓光儀器科技有限公司；CR-400色彩色差儀，日本美能達公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

新鮮哈密瓜→清洗→去皮、去瓤→切分→預處理→真空冷凍干燥→變溫壓差膨化干燥→冷卻→分級→包裝→成品

1.2.2 操作要點

將哈密瓜經(jīng)過清洗切片后放入濃度為2%的NaCl 溶液中進行預處理3 h，液料比為2∶1（mL/g），用去離子水清洗2 次，將哈密瓜切片瀝干后裝盤，置于-40 ℃條件下預凍12 h，進行真空冷凍干燥到轉換點含水率后，進行變溫壓差膨化干燥至最終成品。真空冷凍干燥預設參數(shù)為：隔板加熱溫度60 ℃，壓力0.1kPa；變溫壓差膨化干燥預設參數(shù)為：膨化溫度80 ℃，壓力0.2 MPa，抽真空溫度60 ℃，抽真空時間1.5 h[14,22]。

1.2.3 單因素試驗設計

按“1.2.2”操作要點進行單因素試驗，分析真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉換點含水率、膨化溫度、抽真空溫度、抽真空時間和停滯時間對哈密瓜脆片含水率、感官品質和VC 含量的綜合影響。單因素試驗設計見表1。

表1 真空冷凍-變溫壓差膨化單因素試驗設計Table 1 Single factor experiment design of vacuum freezemodified temperature and pressure explosion puffing drying

1.2.4 響應面優(yōu)化試驗設計

在前期單因素試驗的基礎上，將哈密瓜經(jīng)真空冷凍干燥至含水率為45%，進行變溫壓差膨化干燥試驗，選擇膨化溫度A、抽真空溫度B、抽真空時間C 為試驗因素，將哈密瓜脆片含水率、感官評分和VC 含量作為響應指標，根據(jù)Box-Behnken 中心組合試驗設計原理，進行三因素三水平的響應面試驗，篩選哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥最優(yōu)工藝參數(shù)，響應面試驗設計因素水平見表2。

表2 響應面試驗因素水平表Table 2 Factors and levels for response surface test

1.2.5 測定項目與方法

1.2.5.1 含水率

參照GB/T 5009.3—2016[23]中的方法進行測定。

1.2.5.2 VC 含量

參照GB 5009.86—2016[24]，采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定。

1.2.5.3 哈密瓜脆片的感官評定

對哈密瓜脆片的色澤、形態(tài)、滋味和口感進行評價。感官評定小組由12 位食品專業(yè)人員組成，采用盲樣評定法逐一對樣品感官品質進行綜合評分，取平均值進行分析。感官評定標準見表3。

表3 哈密瓜脆片感官評定標準Table 3 Sensory evaluation criteria of Hami-melon chips

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

采用軟件IBM SPSS Statistics 18 和Design-Expert V 8.0.6 進行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 轉換點含水率對哈密瓜脆片品質的影響

由表4 可知，當轉換點含水率為55%時，哈密瓜脆片含水率過高（11.64%），感官評分、VC 含量均顯著低于其他組（P＜0.05），可能含水率過高，在膨化干燥階段很難將水分迅速氣化，影響膨化效果，導致脆片樣品硬度、脆度等質構品質較差，VC 等營養(yǎng)品質損失較大。當轉換點含水率為25%、35%、45%時，哈密瓜脆片組間含水率、感官評分和VC 含量均沒有顯著差異。因此，從節(jié)約能源成本角度考慮，確定真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉換點含水率為45%。

表4 轉換點含水率對哈密瓜脆片品質的影響Table 4 Effect of preliminary drying moisture content on the quality of Hami-melon chips

2.1.2 膨化溫度對哈密瓜脆片品質的影響

由表5 可知，隨著膨化溫度的升高，哈密瓜脆片含水率呈下降趨勢，70、80 ℃與90、100 ℃組差異顯著（P＜0.05）。感官評分隨著膨化溫度的提高呈先增加后降低的趨勢，90 ℃時達到最大值8.4 分，此時哈密瓜脆片色澤鮮亮、口感酥脆，這可能是因為溫度的逐漸升高加速了氧化還原反應，熱加工時間縮短，褐變反應減少；當溫度高于90 ℃時，褐變度加劇，導致感官評分顯著降低。當膨化溫度在70～90 ℃之間時，VC含量隨著膨化溫度的升高而增加，且組間差異顯著（P＜0.05），原因可能是溫度升高提高了干燥速率，從而降低了VC 的損失率；當溫度超過90 ℃時，高溫加速了VC 的降解速率，使VC 含量快速降低。因此，選擇膨化溫度90 ℃進行后續(xù)考察。

表5 膨化溫度對哈密瓜脆片品質的影響Table 5 Effect of puffing temperature on the quality of Hami-melon chips

2.1.3 抽真空溫度對哈密瓜脆片品質的影響

由表6 可知，當抽真空溫度為55 ℃和60 ℃時，哈密瓜脆片含水率過高，分別為17.84%和10.36%；抽真空溫度為65 ℃和70 ℃時，含水率、感官評分及VC 含量組間差異不顯著。溫度過高會增加干燥成本，且容易發(fā)生褐變和破壞產(chǎn)品熱敏性成分，因此，選擇抽真空溫度為65 ℃進行后續(xù)考察。

表6 抽真空溫度對哈密瓜脆片品質的影響Table 6 Effect of vacuum-drying temperature on the quality of Hami-melon chips

2.1.4 抽真空時間對哈密瓜脆片品質的影響

由表7 可知，當抽真空時間低于1.50 h 時，哈密瓜脆片樣品含水率過高，當抽真空時間為1.50、1.75、2.00 h 時，組間哈密瓜脆片樣品含水率無顯著差異；感官評分隨抽真空時間的延長先升高后下降，當抽真空時間為1.75 h 時達到最高值8.4 分，且與其他組相比差異顯著（P＜0.05）；VC 含量隨著抽真空時間延長而逐漸升高，當抽真空時間為2.00 h 時最高達到37.59 mg/100 g，但與1.75 h 組相比差異不顯著。因此，選擇抽真空時間為1.75 h 進行后續(xù)考察。

表7 抽真空時間對哈密瓜脆片品質的影響Table 7 Effect of vacuum-drying time on the quality of Hami-melon chips

2.2 響應面優(yōu)化結果分析

2.2.1 響應面試驗設計與結果

根據(jù)單因素試驗結果，選取膨化溫度（A）、抽真空溫度（B）和抽真空時間（C）為自變量，以干燥后哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率、感官評分和VC 含量為響應值，采用響應面Box-Behnken 中心組合試驗設計原理進行三因素三水平響應面分析，試驗設計和結果見表8。

表8 響應面試驗設計及結果Table 8 Response surface experimental design and results

2.2.2 回歸方程及其顯著性分析

對表8 中的試驗結果進行數(shù)據(jù)處理，建立哈密瓜脆片的含水率（Y1）、感官評分（Y2）和VC 含量（Y3）對膨化溫度（A）、抽真空溫度（B）、抽真空時間（C）的多元二次回歸方程模型：

對回歸模型進行方差分析，結果見表9。

表9 回歸方程方差分析Table 9 Variance analysis of regression equation

模 型1、2、3 的R2值 分 別 為0.962 6、0.847 7、0.975 7，R2adj值分別為0.914 5、0.651 9、0.944 4。

由表9 可看出，含水率（Y1）和VC 含量（Y3）預測模型P＜0.01，其模型的決定系數(shù)R2和模型調整決定系數(shù)R2adj均大于0.9，說明回歸方程的試驗值與預測值一致性較高，能很好地預測評價指標的變化；感官評分（Y2）預測模型P＜0.05，決定系數(shù)R2＜0.9，即模型擬合度較低。影響Y1和Y2的因素主次順序為A＞C＞B，其中A、C 對Y1影響極顯著（P＜0.01），對Y2影響顯著（P＜0.05）；影響Y3的因素主次順序是B＞C＞A，其中B 和C 對Y3影響極顯著（P＜0.01）。綜合分析，各因素對不同評價指標的影響大小和程度不同，原因可能是在膨化階段，膨化溫度為哈密瓜片水分氣化提供能量，使水分加速氣化，含水率降低，同時膨化階段對哈密瓜的質構狀態(tài)有重要影響，能有效使哈密瓜內部形成海綿狀多孔結構，促使哈密瓜脆片產(chǎn)品產(chǎn)生酥脆口感，從而提高產(chǎn)品的感官評分；在抽真空階段，抽真空溫度、抽真空時間對哈密瓜脆片VC 含量影響顯著。

2.2.3 各因素響應面分析

為探討各因素間的交互作用對各響應值的影響，固定其中1 個因素為0 水平，繪制其他兩個因素交互作用的響應面和等高線圖，如圖1～3 所示。

由圖1 可以看出，在試驗范圍內，含水率Y1隨A、B、C 升高呈下降趨勢。其中Y1隨A 升高快速降低，隨B、C 升高緩慢降低，且AB 交互作用極顯著（P＜0.01），AC、BC 交互作用不顯著。說明溫度越高，哈密瓜脆片含水率越低，且含水率受膨化溫度的影響大于抽真空溫度、抽真空時間，與回歸方程的方差分析結果一致。

圖1 各因素間的交互作用對哈密瓜脆片含水率的影響Fig.1 Effect of the interaction of parameters on the moisture content of Hami-melon chips

由圖2a 和圖2b 可以看出，在試驗范圍內，感官評分Y2隨A 的升高而快速升高，隨B 的升高呈先上升后降低趨勢。當B 處于較低水平時，感官評分Y2隨B 升高而升高；當A 處于任何水平時，Y2隨A 升高而明顯升高。原因可能是因為較高的膨化溫度為水分氣化提供能量，增強了氣體的膨脹力，形成疏松多孔的網(wǎng)狀結構，使哈密瓜脆片的酥脆口感增強，從而增加了感官評分。由圖2c 可以看出，隨著B、C 的增加，感官評分Y2呈先升高后下降趨勢。當B 水平較低時，感官評分Y2隨著C 的延長而逐漸增大，當B水平較高時，感官評分Y2快速降低，這可能是因為真空干燥條件下，溫度升高促使美拉德反應和定型物質如蛋白質變性加劇，導致哈密瓜脆片產(chǎn)品色澤加深和膨化效果受到影響，從而導致感官評分降低。當C 處于高水平時，感官評分Y2變化的趨勢隨著C 變化趨勢減弱。

圖2 各因素間的交互作用對哈密瓜脆片產(chǎn)品感官評分的影響Fig.2 Effect of the interaction of parameters on the sensory score of Hami-melon chips

由圖3 可知，隨著3 因素編碼值組合的變化，哈密瓜脆片VC 含量Y3先升高后降低，說明在試驗范圍內，各交互因子均有一個最佳水平組合使VC 含量Y3達到最高。從圖3a 可知，當B 水平較低時，Y3隨著A 的升高快速升高，當B 水平較高時，Y3隨著A 的升高開始降低；而當A 處于任何水平時，Y3隨B 升高而明顯升高；當AB 達到一定組合值后，VC 含量Y3開始下降，說明VC 含量在此條件下有一個最大值。由圖3b 可知，固定B 為0 水平時，VC 含量Y3分別隨A、C 增加而提高，但當A 超過90 ℃后，Y3開始緩慢下降，變化不明顯；當C 超過1.75 h 以后，Y3隨抽真空時間延長快速下降，變化明顯。由圖3c 可知，固定A 為0 水平時，當B 和C 水平較低時，VC 含量Y3先迅速升高然后降低，原因可能是VC 受抽空干燥過程中高溫及真空的影響，導致其受到破壞而發(fā)生分解。

圖3 各因素間的交互作用對哈密瓜脆片產(chǎn)品VC 含量的影響Fig.3 Effect of the interaction of parameters on the VC content of Hami-melon chips

2.3 多目標聯(lián)合求解工藝參數(shù)優(yōu)化和模型驗證

采用Design-Expert V8.0.6 分析軟件對含水率（Y1）、感官評分（Y2）和VC 含量（Y3）進行多目標聯(lián)合求解，其目標函數(shù)為：

約束條件為

通過以上函數(shù)求解，確定優(yōu)化工藝參數(shù)為：膨化溫度92.91 ℃，抽真空溫度66.32 ℃，抽真空時間1.86 h，通過模型預測出哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率為4.58%，感官評分7.14 分，VC 含量48.89 mg/100 g。根據(jù)實際生產(chǎn)情況和方便操作需求，將工藝條件修改為膨化溫度93 ℃，抽真空溫度66 ℃，抽真空時間1.9 h。按照優(yōu)化工藝進行驗證，生產(chǎn)出的哈密瓜脆片產(chǎn)品含水率為4.71%，感官評分7.0 分，VC 含量47.14 mg/100 g，品質較好。

3 討論

哈密瓜含水量和含糖量較高，干燥過程中哈密瓜脆片表面易產(chǎn)生硬化、干縮及褐變現(xiàn)象，導致哈密瓜脆片出現(xiàn)色澤、風味、品質損失嚴重等問題[25-26]。深入研究聯(lián)合干燥技術并優(yōu)化其工藝參數(shù)對哈密瓜脆片品質的影響，有助于推動加工哈密瓜脆片的技術升級和品質提升。在真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥過程中，水氣化產(chǎn)生的膨脹力在哈密瓜脆片不同部位的較大差別使其內部高分子物質變形的程度、孔隙的大小及分布產(chǎn)生不同，從而使哈密瓜脆片在外觀上形成了差異。如何實現(xiàn)真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥中對哈密瓜脆片品質的精準調控，提高哈密瓜脆片產(chǎn)品的均一性和穩(wěn)定性還有待進一步研究。同時，進一步研究哈密瓜脆片的其他營養(yǎng)品質，如黃酮類、多酚類、特有風味物質和抗氧化能力等的變化規(guī)律，為提高產(chǎn)品營養(yǎng)品質，優(yōu)化和豐富產(chǎn)品口味，開發(fā)出滿足市場需求的休閑食品奠定基礎。

4 結論

本研究通過綜合考察哈密瓜脆片含水率、感官評分和VC 含量的變化，確定了哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥轉換點含水率為45%。建立了3個評價指標的多元二次回歸模型，發(fā)現(xiàn)除含水率外，產(chǎn)品感官評分和VC 含量的模型R2均達到0.85 以上，擬合度較好，可以用來預測評價指標的變化。利用響應面法考察了膨化溫度、抽真空溫度、抽真空時間及其交互作用對哈密瓜脆片含水率、感官評分和VC 含量的影響，得到哈密瓜真空冷凍-變溫壓差膨化聯(lián)合干燥優(yōu)化參數(shù)為：膨化溫度93 ℃，抽真空溫度66 ℃，抽真空時間1.9 h，該工藝下生產(chǎn)出的哈密瓜脆片含水率4.71%，感官評分7.0 分，VC 含量47.14 mg/100 g，產(chǎn)品品質較好，工藝穩(wěn)定可行，為提高哈密瓜脆片品質奠定了理論基礎和技術支撐。