荸薺脆片的工藝優(yōu)化研究

張 梅，黎光會，肖家麗，蔡永梅，張紅霞

（安順學院化學化工學院，貴州安順 561000）

荸薺（Eleocharis dulcis），是莎草科（Cyperaceae） 莎草屬（Eleocharis R.Br） 植物，又稱蹄、栗、烏芋。荸薺可食用部分為其地下球莖，有“地下雪梨”的美譽。研究表明，荸薺中含有豐富的蛋白質、粗纖維、維C、胡蘿卜素及鈣、磷、鐵等元素[1-3]，荸薺球莖中含有黃酮、多糖、多酚、甾醇等多種活性成分，有潤肺化痰、增強免疫功能、抗病消炎的功效，還可提高機體消化功能、增強食欲。荸薺的食用方法多樣，既可直接削皮生食，也可以加熱煮熟后食用，還可以用來燉湯調味。荸薺可加工成多種產(chǎn)品，一般可加工成削皮清水馬蹄、糖荸薺、荸薺糖、荸薺脯、荸薺粉等產(chǎn)品，還可以用于加工成風味不同的荸薺餅、荸薺糕、威化馬蹄件、馬蹄香球、鮮奶馬蹄盞、馬蹄露、蜜汁荸薺、冰鎮(zhèn)糖汁荸薺、雪花荸薺、酸辣荸薺等產(chǎn)品[4]。國內(nèi)有關荸薺加工食品的研究報告較多，主要涉及馬蹄糕、清水馬蹄罐頭、荸薺飲料及荸薺山楂復合飲料等。在荸薺果皮中發(fā)現(xiàn)一種不耐熱的抑菌物質——荸薺英，此外還含有水溶性棕色素和膳食纖維，對荸薺加工副產(chǎn)物可以進一步提高其利用價值[5]。

荸薺淀粉含量較高，其淀粉顆粒易于糊化，有極強的黏性和抗凍能力。研究表明，荸薺粉具有較好的凝膠特性，比較不同的加工方式及不同的貯藏方式對荸薺粉的凝膠性和消化性的影響，室溫貯藏和冷藏使荸薺淀粉凝膠的內(nèi)聚性增加，而凍藏會使淀粉凝膠彈性明顯降低[6-7]。荸薺經(jīng)熱處理后還能夠保持很好的脆性、硬度等質構特性[8]。

荸薺采收具有季節(jié)性，由于水分含量高，不易貯藏，因此開展荸薺加工技術研究能夠提升荸薺的經(jīng)濟價值。有研究用微波膨化技術加工荸薺鮮果切片得到荸薺脆片[9]，但存在切片大小不一致，可能影響膨化效果的問題。對脆片加工方式還有油炸和烘焙，油炸方式存在熱量過高及油料重復使用的安全性問題，而烘焙型荸薺脆片的研究較少。以荸薺粉為原料，采用烘焙加工方法制成荸薺脆片，以加工后的脆片水分活度為考量，在考查單因素影響的基礎上，通過響應曲面法優(yōu)化荸薺脆片的工藝條件，篩選出最佳工藝條件，為荸薺的加工技術提供參考[10-12]。

1 材料與方法

1.1 材料

荸薺粉，廣州市洲星食品有限公司提供。將顆粒狀的荸薺粉碾磨成細粉，過40 目篩后室溫密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 儀器與設備

GYY1 冠亞活度儀（水分測定儀），深圳市冠亞技術科技有限公司產(chǎn)品；智能型電熱恒溫鼓風干燥箱，上?，槴\實驗設備有限公司產(chǎn)品；AR224CN 型電子天平、烘烤箱等，奧豪斯儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 加工工藝流程

荸薺粉→粉碎過篩→稱量→加水混合→攪拌均勻→倒入烘焙模具→烘烤成型→冷卻。

1.3.2 荸薺脆片工藝優(yōu)化單因素試驗

準確稱取9 g 荸薺淀粉5 份，按照表1 的料液比與水混合，進行單因素試驗。通過考查料液比、烘焙時間、烘焙溫度對荸薺脆片水分活度的影響，以獲得制備工藝參數(shù)的優(yōu)選范圍。

表1 試驗因素水平

試驗因素水平見表1。

1.3.3 響應面試驗

在單因素試驗基礎上，以料液比、烘焙溫度、烘焙時間為自變量，根據(jù)Box-behnken 試驗設計原理，采用三因素三水平的響應面分析法來模擬荸薺脆片的工藝優(yōu)化的最佳參數(shù)。

響應面試驗因素與水平設計見表2。

表2 響應面試驗因素與水平設計

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

單因素試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2016作圖。響應面優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)采用Design Expert V8.0進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.2.1 不同料液比對荸薺脆片水分活度的影響

不同料液比對荸薺水分活度的影響見圖1。

圖1 不同料液比對荸薺水分活度的影響

由圖1 可知，隨著水分的增加，脆片水分活度也隨之升高，料液比達到1∶1.25 時，水分活度值達最高；當料液比為1∶3.00 時，脆片的水分活度值已經(jīng)降低。其原因可能荸薺粉與水混合加熱后發(fā)生糊化，黏稠性增強，水分子與淀粉分子發(fā)生交聯(lián)，在一定濕熱條件下也能夠穩(wěn)定淀粉分子的結構，最終形成具有一定含水量的凝膠。當水的比例增加后，所形成的凝膠黏稠性較差，在濕熱處理條件下，淀粉分子發(fā)生斷裂，導致淀粉中小分子成分增加，從而降低了與水分子間的作用，所得產(chǎn)品的水分活度值較低。

2.2.2 不同烘焙溫度對荸薺脆片水分活度的影響

不同烘焙溫度對荸薺脆片水分活度的影響見圖2。

圖2 不同烘焙溫度對荸薺脆片水分活度的影響

由圖2 可知，相同的料液比條件下，隨著溫度的升高，荸薺脆片的水分活度也在逐漸升高，當烘焙溫度達到55 ℃時，水分活度最高，溫度高于55 ℃后，水分活度值開始降低。結果說明適當?shù)臏囟饶軌虼龠M荸薺淀粉凝膠中淀粉分子與水分子的相互作用，形成比較穩(wěn)定的膠體；當溫度過高時，這種穩(wěn)定膠體中的水分子就會失去，形成含水量低的產(chǎn)品，得到的脆片硬度也相應增大。

2.2.3 不同烘焙時間對荸薺脆片水分活度的影響

不同烘焙時間對荸薺脆片水分活度的影響見圖3。

圖3 不同烘焙時間對荸薺脆片水分活度的影響

由圖3 可知，當烘焙時間為12～22 min 時，隨著烘焙時間的增加，水分活度也相應增高，在烘焙時間達到22 min 時，水分活度值達最高，隨著烘焙時間的增加，水分活度值開始降低。說明在一定濕熱條件下，加熱時間的延長，有利于水分子與淀粉分子的相互作用，從而增加荸薺脆片的水分活度，隨著加熱時間的延長，這種穩(wěn)定的凝膠結構中水分子會丟失，表現(xiàn)為脆片的水分活度值下降，導致脆片硬度增大。

2.3 響應面優(yōu)化加工工藝

2.3.1 響應面優(yōu)化試驗設計與結果

在單因素試驗的基礎上，根據(jù)Design Expert 試驗設計原理，找到優(yōu)化荸薺脆片的最佳加工工藝條件，以水分活度（Y） 為響應面值、料液比為（A）、烘焙溫度為（B）、烘焙時間為（C） 3 個對荸薺脆片品質有影響的因素進行響應面優(yōu)化試驗。

響應面試驗設計及結果見表4，回歸方程方差分析見表5，回歸方程可靠性分析見表6。

表4 響應面試驗設計及結果

表5 回歸方程方差分析

表6 回歸方程可靠性分析

利用Design Expert 8.06 軟件對表4 數(shù)據(jù)進行二次回歸分析，建立如下多元二次回歸方程：

Y=59.04+2.03A-2.97B-7.10C+5.42AB-5.63AC-1.38BC-8.28A2-4.98B2-3.88C2.

由表5 和表6 可知，該回歸模型的p=0.003 2＜0.01，達到極顯著，說明該模型具有統(tǒng)計學意義。失擬項的p 值為0.238 7＞0.05，為不顯著，模型的決定系數(shù)R2=0.927 2，說明模型的擬合度較好，表明該回歸模型能與實測值進行較好擬合，可以用此模型來分析和預測荸薺脆片的水分活度值。校正系數(shù)R2Adj=0.833 6，說明與脆片水分活度有關的因素中，由此模型解釋的可達到83%?；貧w方程中一次項C和二次項A2對脆片水分活度值的影響達極顯著水平，交互項AB 和AC 對脆片水分活度值有顯著影響，3 個因素對脆片水分活度值的影響順序為C＞B＞A。

各因素交互作用對脆片水分活度的影響見圖4。

圖4 各因素交互作用對脆片水分活度的影響

經(jīng)Design Expert V8.0 軟件分析，得到各因素交互作用對脆片水分活動值影響的響應面圖（圖4）。為考查3 個因素交互作用對水分活度的影響，在其他因素條件不變的條件下，對模型進行降維分析[13]（見圖4 中的等高線圖）。由圖4（a） 可知，在烘焙溫度一定的條件下，隨著料液比的增大，脆片水分活度值呈先增大后減小的趨勢，從等高線圖可知，沿烘焙溫度方向的等高線密集，說明烘焙溫度對脆片水分活度值的影響比料液比的大，等高線是橢圓形，說明2 個因素的交互作用顯著。由圖4（b） 可知，在料液比一定的條件下，隨著烘焙時間的延長，水分活度值降低變化明顯，等高線圖呈橢圓形，說明這2 個因素的交互作用顯著。由圖4（c） 可知，在烘焙時間一定的條件下，隨烘焙溫度升高，水分活度值變化不明顯，且從等高線圖可知這2 個因素的交互作用不顯著。在交互項對水分活度的影響中，烘焙時間（C） 極顯著，影響作用明顯，料液比與烘焙時間及烘焙溫度（AB、AC） 之間交互影響作用明顯，與分析方差結果一致。

2.3.2 最佳條件預測及驗證

通過回歸模型的預測，得到荸薺脆片制作工藝的最佳理論條件為料液比1∶2.5，烘焙溫度53 ℃，烘焙時間17 min，在此條件下預測荸薺脆片水分活度值為0.631。結合實際制備條件，進行5 次平行試驗，實際測得荸薺脆片水分活度為0.591，與理論預測值0.631 比較相差0.04，說明使用該模型擬合的最佳工藝條件對實際生產(chǎn)加工具有指導意義。

3 結論

淀粉經(jīng)糊化、老化后形成凝膠，在相同質量分數(shù)時，不同淀粉所得凝膠形態(tài)會有所不同[14]。以荸薺粉為原料，以水分活度值作為評定指標，在單因素試驗的基礎上，通過Design Expert V8.0 試驗設計進行響應面試驗。將響應面試驗運用到荸薺脆片水分活度測定中，進行最佳加工工藝條件的優(yōu)化，經(jīng)試驗結果表明，最后確定最佳加工工藝條件為料液比1∶2.5，烘焙溫度53 ℃，烘焙時間為17 min。在此條件下水分活度為0.631，理論最低值為0.599。與理論預測值相差較小，說明可以運用到實際生產(chǎn)中。經(jīng)試驗證明，通過烘烤的加工工藝方式對荸薺脆片進行工藝優(yōu)化，是純天然零添加的加工方法，能夠很好的保持荸薺原有的營養(yǎng)成分，且感官性狀與質構狀態(tài)良好，是一款松脆可口、低熱量、高纖維的新型休閑食品。