響應(yīng)面優(yōu)化香菇真空遠(yuǎn)紅外干燥工藝研究

Tindo Kuete Christian, 邱進(jìn)棟, 王同勛, 武博文, 王宏德, 黃曉鵬*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院,甘肅 武威 733006)

香菇,別名香蕈、香椹、冬菇、陳仁玉,屬于擔(dān)子菌綱傘菌目真菌,屬擔(dān)子菌綱(Basidaiomycetes)、傘菌目(Agaricales)、口蘑科(Tricholomatacete)、香菇屬(Lentinus)[1],是一種營養(yǎng)豐富、高蛋白、低脂肪、多氨基酸和大量微量元素的食用菌, 素稱“菇中之王”[2]。新鮮香菇水分含量高,易腐爛變質(zhì),保鮮期約為3～5天,隨著其體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的流失,香菇會失去原有的色、香、味,其商品價值大大降低,而且不便于運(yùn)輸、保存[3]。將其干制后不僅可以防止引起腐爛的微生物的生長,而且能最大程度保持其原有的風(fēng)味和營養(yǎng)成分。

香菇干燥常用的方法有熱風(fēng)干燥、微波干燥、熱泵干燥、紅外干燥等。張慧等[4]利用響應(yīng)面法優(yōu)化香菇熱風(fēng)-微波聯(lián)合干燥工藝,分析了不同轉(zhuǎn)換點干基含水率、熱風(fēng)溫度和微波功率密度對香菇營養(yǎng)成分、干燥特性及品質(zhì)的影響,得出最優(yōu)熱風(fēng)溫度60℃工藝條件下產(chǎn)品色差ΔE為11.21。高嬋等[5]利用響應(yīng)面優(yōu)化香菇熱泵工藝,分析了不同干燥溫度、切片厚度和裝載量對香菇干燥特性、色澤、復(fù)水比的影響,得出熱泵干燥干燥溫度最優(yōu)條件為60℃,其對應(yīng)的色差值為10.78,復(fù)水比為7.15。郭玲玲等[6]利用響應(yīng)面法優(yōu)化香菇中短波紅外干燥工藝,分析了干燥溫度、切片厚度和輻照距離對香菇片色澤L、復(fù)水性及品質(zhì)的影響,得出干燥溫度是影響香菇干燥品質(zhì)的主要因素,最佳工藝條件為干燥溫度55℃、切片厚度4.5 mm、輻照距離120 mm,對應(yīng)的香菇色澤L為58.56、復(fù)水比為5.32。紅外干燥相比其他干燥方式熱效率高,能耗低,得到的產(chǎn)品具有感官質(zhì)量好、營養(yǎng)成分保留高的優(yōu)點[7]?，F(xiàn)已有中短波紅外結(jié)合真空冷凍干燥對香菇物理和營養(yǎng)品質(zhì)影響的研究[8],但還未有香菇真空遠(yuǎn)紅外干燥工藝條件優(yōu)化的研究。

近年來,果蔬紅外輻射加熱干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展,應(yīng)用該技術(shù)對桑黃(淡黃木層孔菌)[9]、雙胞菇[10]、杏鮑菇等[11]食用菌進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)紅外干燥技術(shù)能較好地保持產(chǎn)品的色澤和營養(yǎng)品質(zhì),有效降低能耗。本試驗為了獲得高品質(zhì)干制香菇,采用Box-Behnken設(shè)計試驗對香菇真空遠(yuǎn)紅外干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化,探討不同水平的干燥溫度、輻照高度、功率對香菇干制品總色差值、復(fù)水比、平均干燥速率的影響,為香菇干制提供生產(chǎn)加工的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香菇,所用的試驗材料就近購買于試驗所在地,選取新鮮且無損傷的香菇,購買后立即放置在冰箱中,并在2～4°C冷藏,用快速水分儀測得新鮮香菇的濕基含水率為(85.35±0.5)%。

1.2 試驗設(shè)備

紅外輻射多功能干燥箱:WSH-60A型,電壓220 V,功率3 kW,天水盛華微波技術(shù)有限公司;

快速水分儀:HKSF-2型,精度±0.1%,無錫華科儀器儀表有限公司;

電子天平:CN-LQC30002型,昆山優(yōu)科維特電子科技有限公司;

色差儀:CR-410型,日本柯尼卡美能達(dá)公司;

1.3 試驗方法

稱取120±0.5 g香菇,均勻地平鋪于真空遠(yuǎn)紅外多功能干燥箱的干燥盤內(nèi),將干燥箱調(diào)至預(yù)設(shè)參數(shù),預(yù)熱30 min后,將干燥盤放入箱體內(nèi),完成干燥過程,稱重間隔為30 min,當(dāng)其含水率降至安全含水率10±0.5 %,干燥結(jié)束。

1.4 試驗指標(biāo)測定

1.4.1 復(fù)水比的測定

復(fù)水比的測定參考Wang Hongcai等[12]的方法,并稍作修改。取1.5 g香菇干樣,放在25 ℃的蒸餾水中,每10 min測一次復(fù)水后的樣品質(zhì)量,共復(fù)水120 min。在測定前將樣品表面多余水分用濾紙吸干,平行測定3次。復(fù)水比計算公式為:

(1)

式中:Rf—香菇干制品的復(fù)水比;

Gf—香菇復(fù)水瀝干后的質(zhì)量,g;

Gg—香菇復(fù)水前的質(zhì)量,g。

1.4.2 色差值的測定

香菇真空遠(yuǎn)紅外干燥后,用色差儀測定其色澤,每個樣品測量3次,取平均值。總色差值△E計算公式如下[13]:

(2)

式中:L—香菇明度值;

L*—新鮮香菇的明度值;

a—香菇干制品的紅綠值;

a*—新鮮香菇的紅綠值;

b—香菇干制品的黃藍(lán)值;

b*—新鮮香菇的黃藍(lán)值;

△E—待測樣品的總色差值。

1.4.3 平均干燥速率的計算

平均干燥速率是指干燥質(zhì)量與香菇干燥至安全含水率(≤12 %)時所用時間的比值[14],可反映出香菇在不同干燥條件下的干燥速率,平均干燥速率按公式(3)計算

(3)

式中:DR為平均干燥速率,%·min-1;

Δm為物料在干燥至安全含水率時減少的質(zhì)量,g;

ΔT為物料被干燥至安全含水率所耗費的時間,min。

1.5 響應(yīng)面試驗方案設(shè)計

基于前期單因素試驗,以干燥溫度、輻照高度、功率為影響因素,以總色差、復(fù)水比和平均干燥速率為試驗指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗。各因素水平設(shè)置及符號代表如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表

1.6 試驗數(shù)據(jù)處理

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,每組試驗重復(fù)3次。在Origin 9.0軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、計算與分析,利用軟件Design Expert 11對不同干燥方式的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理和響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果分析

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

以遠(yuǎn)紅外干燥溫度X1、輻照高度X2和功率X3為自變量,以總色差值Y1、復(fù)水比Y2、平均干燥速率Y3為響應(yīng)值,對香菇真空遠(yuǎn)紅外干燥工藝運(yùn)用Design expert軟件設(shè)計三因素三水平的中心組合試驗,試驗結(jié)果見表2。

表2 中心組合試驗數(shù)據(jù)

2.2 模型建立及顯著性檢驗

對表2中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項回歸擬合,獲得總色差(Y1)、復(fù)水比(Y2)和平均干燥速率(Y3)的回歸方程如下:

Y1=11.89+2.38X1+1.98X2-1.03X3-0.14X1X2+1.01X1X3+2.22X2X3-0.14X12-0.74X22++1.30X32

(4)

Y2=1.95-0.019X1+0.047X2+0.047X3-0.005125X1X2+0.006075X1X3-0.00525X2X3-0.080X12-0.052X22+0.033X32

(5)

Y3=0.013-0.001954X1-0.00069X2+0.00003854X3+0.00008464X1X2-0.0005141X1X3+0.0007892X2X3-0.001004X12- 0.000004802X22+0.00157X32

(6)

對回歸方程方差分析后得到的結(jié)果如表3所示。

表3 多元回歸模型方差分析

2.3 交互作用分析

2.3.1 試驗因素交互作用對總色差的影響

圖1表示不同試驗因素對香菇總色差交互影響的響應(yīng)曲面。圖中顯示,功率與輻照高度、干燥溫度的交互作用對總色差影響的顯著性均較小;溫度和輻照高度的交互作用對總色差的影響較大。隨著干燥溫度和輻照高度的增大,總色差也隨之增大。這是由于干燥溫度的升高提高了多酚氧化酶的活性,輻照高度的增大延長了干制時間,增加了酶促褐變反應(yīng)時長,物料褐變加劇。

圖1 不同試驗因素交互作用對總色差影響的響應(yīng)曲面

2.3.2 試驗因素交互作用對復(fù)水比的影響

圖2表示各試驗因素交互作用對復(fù)水比影響的響應(yīng)曲面圖。通過對比三個交互作用響應(yīng)曲面,發(fā)現(xiàn)干燥溫度和輻照高度的交互作用對復(fù)水比的影響顯著性明顯大于其他兩個因素,這可能是因為隨輻射溫度的升高,物料微細(xì)管道出現(xiàn)擴(kuò)張,數(shù)目增多,提高了物料的復(fù)水能力;此外,物料長時間暴露在紅外輻射下會增大切片表面細(xì)胞的損傷率,降低其復(fù)水能力。

圖2 不同試驗因素交互作用對復(fù)水比影響的響應(yīng)曲面

2.3.3 試驗因素交互作用對平均干燥速率的影響

圖3表示不同試驗因素的交互作用對香菇平均干燥速率的影響。從圖中結(jié)果表明,三種交互作用中,溫度與功率的交互作用對平均干燥速率影響的顯著性最好,其次為輻照高度和溫度,輻照高度與功率的交互作用對平均干燥速率的影響效果最小。干燥溫度不變時,物料的平均干燥速率隨功率呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。當(dāng)功率不變時,平均干燥速率隨溫度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢,溫度過高反而增大干燥總耗時,這可能是因為高溫使水分快速流失導(dǎo)致材料表面組織硬化,增加了內(nèi)部水分轉(zhuǎn)移的阻力。

圖3 不同試驗因素交互作用對平均干燥速率影響的響應(yīng)曲面

2.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

利用Design Expert 軟件對3個二元回歸方程進(jìn)行聯(lián)立求解,得到試驗因素的最優(yōu)參數(shù)組合為:干燥溫度60 ℃、輻照高度300 mm、功率600 W,對應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)為:色差值13.45、復(fù)水比1.936 0、平均干燥速率0.010 3 %·min-1。

為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行驗證試驗,驗證結(jié)果見表4。

表4 工藝參數(shù)的驗證試驗結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn),評價指標(biāo)的試驗值和驗證值之間的相對誤差值均小于2.52%,證明了該工藝參數(shù)的可靠性。

3 結(jié)論