孟憲軍，高 琨，李 斌，顏廷才，崔曉雅，閻 婷

(沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110866)

蘋果營養(yǎng)元素豐富，有益健康，被營養(yǎng)專家所推薦為每日必食的果品。由于蘋果干制品既可以直接食用又是二次加工的原材料，所以干制蘋果片是蘋果加工一種常用手段[1]。

近來，消費者越來越重視食品的功能性，而傳統(tǒng)干燥方式生產(chǎn)的蘋果片存在口感差、顏色深、干燥速率低和營養(yǎng)成分損失較大等缺點。真空冷凍干燥后蘋果片保留著新鮮蘋果的細胞骨架，細胞內(nèi)和細胞間的水分以升華方式散逸，所以它不但可以保持物料基本形態(tài)不變，同時最大程度地保留物料芳香成分的揮發(fā)性物質(zhì)，并保持原有顏色和紋理[2-5]。凍干過程的傳熱和傳質(zhì)，是一個與食品本身物性參數(shù)和凍干過程參數(shù)有關(guān)的問題。目前國內(nèi)外，凍干技術(shù)的研究涉及理論推最佳工藝參數(shù)，探討工藝參數(shù)對耗電量、生產(chǎn)率、凍干食品品質(zhì)的影響，以及凍干過程模型計算與分析等方面，由此得出凍干產(chǎn)品優(yōu)化工藝參數(shù)[6-13]。

本實驗采用真空冷凍干燥技術(shù)加工寒富蘋果片，在前期單因素試驗基礎(chǔ)上，應(yīng)用SAS 8.0軟件，選擇Box-Behnken試驗設(shè)計和響應(yīng)曲面(RSM)分析方法，分析蘋果片厚度、加熱板溫度、絕對壓力3個因素對真空冷凍干燥蘋果片酥脆度、色差值和水分含量的影響以及它們之間的交互作用，從而確定寒富蘋果片真空冷凍干燥的最佳工藝，意在為寒富蘋果今后的深加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

寒富蘋果由沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院提供。

LG0.2真空冷凍干燥機 沈陽航天新陽凍干有限公司；101-1A電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司；CR-400型色彩色差計 日本美能達公司；Brookfield CT3質(zhì)構(gòu)儀 美國Brookfield制造公司；Sartorius BSA224S萬分之一天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

選料→清洗→去皮去籽→切片→護色→預凍結(jié)→真空冷凍干燥→稱量、包裝

1.2.2 評價方法

1.2.2.1 酥脆度的測定

模式：TPA-二次循環(huán)，質(zhì)構(gòu)剖面分析(TPA)壓縮測試；測試速率：0.5mm/s；測試距離：3mm；觸發(fā)點：100g；探頭：2mm不銹鋼圓柱型探頭(TA39)。

本實驗采用酥脆度為評價指標，壓縮過程中總力VS形變曲線凸顯為各種不同的波峰波谷，酥脆度脆性象征(松脆性成為硬度的一個函數(shù))為初始硬度和得到的峰值平均值之比。實踐研究顯示，比值越高，則表示松脆性越強[14]。

1.2.2.2 色澤的評價

鮮果和真空冷凍干燥蘋果片的顏色按照國際照明委員會1976年制定的表色系統(tǒng)，應(yīng)用色差計測量其明度指數(shù)L*，色彩指數(shù)a*和b*。則兩者之間的ΔE*ab可用下列公式[15]計算。ΔE*ab值越小，代表凍干蘋果片與鮮果的色差越小。

ΔE*ab=[(ΔL*)2＋(Δa*)2＋(Δb*)2]1/2

1.2.2.3 水分含量的測定

食品中水分含量的測定選用直接干燥法[16]。

1.2.3 單因素試驗

參照蘋果的共晶點溫度為－25℃[17]，確定寒富蘋果片的預凍溫度為－35℃。凍干倉內(nèi)的加熱板通過熱輻射提供整個過程所需熱量，因為加熱過程中升華干燥和解吸干燥所需熱量不同，所以在這2個干燥過程中設(shè)置了不同的加熱板溫度。由前期實驗得出從升華干燥到解吸干燥采取4梯度降溫[18]，每梯度下降10℃的模式加熱獲得的產(chǎn)品品質(zhì)為最佳，實驗中所述加熱板溫度為起始溫度。對寒富蘋果真空冷凍工藝中蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力3個因素逐一進行單因素試驗，固定蘋果厚度8nm、加熱板溫度70℃、絕對壓力60Pa中兩因素，設(shè)計梯度試驗，考察它們對于酥脆度、色差值和水分含量的影響。單因素試驗設(shè)計見表1。

表 1 單因素試驗設(shè)計Table 1 One-factor-at-a-time design

1.2.4 響應(yīng)面分析優(yōu)化試驗條件

在前期單因素的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用SAS 8.0軟件，采用Box-Behnken試驗設(shè)計。由于響應(yīng)面分析往往是在因素編碼變換的基礎(chǔ)上進行，所以對蘋果片厚度A、加熱板初始溫度B及絕對壓力C進行編碼變換，令編碼變量為：X1=(A－8)/2，X2=(B－70)/10，X3=(C－60)/20。以X1、X2、X3為自變量，以蘋果片酥脆度為響應(yīng)值Y1、色差值為響應(yīng)值Y2和水分含量為響應(yīng)值Y3，試驗因素與水平見表2。

表 2 響應(yīng)面分析因素和水平Table 2 Variables and their coded values for response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 寒富蘋果真空冷凍干燥工藝的單因素試驗

2.1.1 厚度對蘋果片品質(zhì)的影響

圖 1 厚度對寒富蘋果片品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of thickness on the drying of apple slices

由圖1可以看出，當蘋果片厚度小于6mm、大于10mm時，蘋果片的酥脆度逐漸降低，色差值較大。水分含量隨著厚度升高而增加，說明隨著蘋果片厚度的增加，蘋果表面向中心擴散的溫度逐漸降低，干燥層厚度增加，傳質(zhì)阻力變大，干燥速率變小，反之，蘋果片厚度越小，傳質(zhì)阻力較小，干燥速率較大。當蘋果片厚度為6～10mm時酥脆度較大，色差值較低且水分含量也在5%以下，表明蘋果片厚度為6～10mm時，蘋果片品質(zhì)較為理想。

2.1.2 加熱板溫度對蘋果片品質(zhì)的影響

由圖2可知，當加熱板初始溫度在60～80℃時，蘋果片的酥脆度較高，色差值較低以及水分含量低于5%。溫度過高時，蘋果片表面出現(xiàn)坍陷和褐變現(xiàn)象，這是由于溫度過高，引起蘋果內(nèi)部溫度高于共熔點溫度而融化，干燥層崩解所造成。故加熱板起始溫度為60～80℃較優(yōu)。

圖 2 加熱板溫度對寒富蘋果片品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of heating plate temperature on the drying of apple slices

2.1.3 絕對壓力對蘋果片品質(zhì)的影響

圖 3 絕對壓力對寒富蘋果片品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of working pressure on the drying of apple slices

由圖3可知，當凍干倉絕對壓力為40～80Pa時，蘋果片酥脆度較20Pa和100Pa高，色差值除100Pa過高外，其他都較低，水分含量隨著絕對壓力上升逐漸下降，這主要是因為絕對壓力降低，凍干倉溫度降低，易造成蘋果中水分不是以升華方式散逸，而是先融化成水后再以水蒸氣蒸發(fā)出去，造成蘋果片表面坍陷。同時隨著絕對壓力的提高，對凍干機能耗也逐漸升高。綜上所述，選取40～80Pa較好。

2.2 響應(yīng)面分析

2.2.1 模型的建立和顯著性分析

用SAS響應(yīng)面回歸REREG程序，得到回歸擬合方程(1)～(3)：

表 3 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Experimental design and results for response surface analysis

表 4 回歸系數(shù)和變量分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression models

表4為方程(1)～(3)回歸系數(shù)進行分析，從表中模型P1、P2和P3均小于0.05，可知酥脆度、色差值和水分含量與蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力三因素的二次回歸方程顯著。由方程(1)的回歸系數(shù)可知，蘋果片厚度(X1)、加熱板溫度(X2)、絕對壓力(X3)都對酥脆度(Y1)的線性效應(yīng)影響顯著；X12、X22、X32對酥脆度的響應(yīng)曲面效應(yīng)顯著；X1X2、X1X3、X2X3對酥脆度的交互影響不顯著，影響酥脆度因素的顯著性依次為X3、X2、X1。由方程(2～3)的回歸系數(shù)可知，加熱板溫度(X2)對方程(2～3)的線性效應(yīng)影響顯著，蘋果片厚度(X1)、絕對壓力(X3)對方程(2～3)的線性影響不顯著；因素X12、X22、X32對色差值和水分含量的曲面效應(yīng)影響顯著；X1X2、X1X3、X2X3對色差值和水分含量的交互影響不顯著，影響色差值和水分含量變化的主次因素分別為X2、X3、X1和X2、X1、X3，其中加熱板溫度對于方程(2)和(3)影響極顯著。這說明蘋果片真空冷凍干燥過程是一個傳熱控制過程，加熱板溫度對蘋果品質(zhì)影響較大。蘋果片中的水分通過內(nèi)部傳質(zhì)達到蘋果片表面，當升華界面的熱量等于升華界面的水蒸氣升華所需的潛熱，升華界面的溫度和壓力達到平衡，升華正常進行，倉內(nèi)水蒸氣通過外部傳質(zhì)轉(zhuǎn)移到冷凝器上，因此適宜的絕對壓力和溫度可以使蘋果片獲得理想酥脆度、色差值和水分含量。

回歸方程與實測值的擬合度由校正決定系數(shù)和相關(guān)系數(shù)來解釋。Y1的校正決定系數(shù)為92.82%，表明有大約93%的酥脆度值變化由所選取的蘋果片厚度、加熱板溫度和凍干倉絕對壓力三因素決定，其整體變化程度僅有約7%不能由此回歸方程來解釋；相關(guān)系數(shù)為97.44%，說明酥脆度的實測值和預測值間有很好的擬合度。同理，色差值(Y2)和水分含量(Y3)的實測值和預測值間有很好的擬合度。

由以上分析可知，一次項和二次項均有顯著性因素，簡單的線性關(guān)系不能解釋三因素對響應(yīng)值得影響?；貧w方程(1)～(3)能夠比較完善表達各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，對實際擬合情況較好。所以，可以利用上述的回歸方程確定寒富蘋果最佳干燥工藝條件。

2.2.2 酥脆度、色差值和水分含量對真空冷凍蘋果片的等高線圖分析和優(yōu)化

圖4a、b、c依次是三因素與響應(yīng)值(Y1)的交互作用的等高線圖。由圖4a能夠得出，在等高線圖中，等高線值從四周向中心不斷提高。蘋果片厚度(X1)值由左向右時，酥脆度隨著加熱板溫度(X2)的由下到上表現(xiàn)為先變大后變小的變化趨勢，且趨勢明顯。當蘋果片厚度較大時，酥脆度隨著加熱板的溫度的升高呈現(xiàn)為先高后低，同理蘋果片厚度(X1)和絕對壓力(X3)以及加熱板溫度(X2)和絕對壓力(X3)交互作用時，酥脆度Y1的變化趨勢同樣為先變大后變小，說明蘋果片厚度，加熱板溫度和絕對壓力對于酥脆度的影響都呈現(xiàn)先升后降的趨勢，加熱板溫度過高和絕對壓力過大會導致蘋果凍結(jié)層溫度超過蘋果最高耐受溫度而融化，干燥層崩解，蘋果片表面出現(xiàn)干縮和硬化現(xiàn)象，阻止干燥過程繼續(xù)進行。由此可以得出通過三因素兩兩交互能夠得到一個最優(yōu)組合讓酥脆度(Y1)達到最高值。

圖 4 蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力交互作用對蘋果片酥脆度的等高線圖Fig.4 Effect of three factors on the crispness of vacuum freeze dried apple slices

圖 5 蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力交互作用對蘋果片色差值的等高線圖Fig.5 Effect of three factors on the color value of vacuum freeze dried apple slices

圖 6 蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力交互作用對蘋果片水分含量的等高線圖Fig.6 Effect of three factors on the moisture content of vacuum freeze dried apple slices

從圖5、6可以看出，蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力對蘋果片色差值和水分含量的交互作用都不顯著，因為等高線的形狀反映交互效應(yīng)的大小，橢圓表示兩因素交互作用顯著[19]，而圖中可知蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力交互因子的等高線呈圓形。隨著它們編碼值的組合變化，等高線圖從邊緣向中心等高線值不斷減小，意味著色差值和水分含量值呈先降后升的趨勢。這是由于加熱板溫度過高，蘋果片內(nèi)酶類物質(zhì)發(fā)生氧化褐變反應(yīng)，蘋果片顏色加深，同時蘋果片表面干縮硬化嚴重，升華干燥過程被阻止水蒸氣無法繼續(xù)散失嚴重影響蘋果片品質(zhì)。以上說明3個因素相互作用均會有一個最優(yōu)編碼組合使色差值(Y2)和水分含量(Y3)獲得最小值。

2.2.3 寒富蘋果片真空冷凍工藝的優(yōu)化

在上面所做工作基礎(chǔ)上對得到的方程(1)進行顯著性檢驗，方程(1)X1X2、X1X3、X2X3項均不顯著，因此剔除這些項進行模型優(yōu)化，優(yōu)化后的回歸方程為：

去掉X1X2、X1X3、X2X3項后方程中校正決定系數(shù)為95.92%，意味著優(yōu)化后的方程較優(yōu)化前的方程對酥脆度變化的描述的準確度略有下降；而決定系數(shù)為92.86%，說明優(yōu)化后的方程和優(yōu)化前的方程在實際值與預測值的擬合度基本相同。選取優(yōu)化后的方程利用SAS編程對其求解得出，X1=0.365526，X2=0.348916，X3=0.405567代入公式得出酥脆度最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度8.73mm、加熱板溫度73.49℃、絕對壓力68.11Pa，預測蘋果片酥脆度為1.77。

同理，Y2= 0.069184－0.006381X2－0.020642X12－0.022402X22－0.023329X32，通過SAS編程求解，解得X1=－0.146941, X2=－0.282413, X3=－0.177166代入公式變換得出色差值最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度7.71mm、加熱板溫度67.18℃、絕對壓力56.46Pa，預測蘋果片色差值為3.62。

Y3= 3.333333－0.2625X2＋0.417083X12＋0.544583X22＋0.552083X32，通過SAS編程求解，解得X1=－0.145548，X2=0.233549，X3=63.1316，代入方程變換得到水分含量最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度7.71mm、加熱板溫度72.34℃、絕對壓力60.13Pa，預測蘋果片水分含量為3.29%。

凍干蘋果片最優(yōu)工藝的結(jié)果是由蘋果片加工后的酥脆度、色差和含水量3個指標加以描述和分析的得出的。如何做出整體最優(yōu)條件的評價判斷，就是統(tǒng)計學中多指標綜合評價要解決的問題，本實驗的多項指標綜合問題表現(xiàn)為將多指標統(tǒng)計信息綜合成一個綜合指標，利用SAS 8.0中的因子分析處理此問題[20]。

由表5 可知，根據(jù)相關(guān)陣有兩個最大特征值1.77541056和0.79548606，它們一起解釋了總信息的85.7%，也就是說酥脆度、色差值和水分含量累計貢獻率為0.5918、0.8570和1.0000，Y1、Y2和Y3的權(quán)重為0.59、0.27和0.14。

表 5 因子分析結(jié)果Table 5 Cumulative contribution rate of each quality characteristic

由綜合評分法可知，評價寒富蘋果真空冷凍最優(yōu)工藝時，以酥脆度(59.18分)、色差值(26.52分)、水分含量(14.3分)作為評定指標。

由以上可知，以酥脆度為響應(yīng)值為最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度8.73mm、加熱板溫度73.49℃、絕對壓力68.11Pa，預測蘋果片酥脆度為1.77；以色差值最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度7.71mm、加熱板溫度67.18℃、絕對壓力56.46Pa，預測蘋果片色差值為3.62；以水分含量為最優(yōu)的工藝條件為蘋果片厚度7.71mm、加熱板溫度72.34℃、絕對壓力60.13Pa，預測蘋果片水分含量為3.29%，根據(jù)加權(quán)評分法得出寒富蘋果片最優(yōu)工藝條件為萃取厚度8.31mm、加熱板溫度71.62℃、絕對壓力62.76Pa。

對理論求得的最佳工藝參數(shù)和實際生產(chǎn)操作過程中的可行性進行驗證實驗，在蘋果片厚度為8.5mm、加熱板溫度為70℃、絕對壓力為60Pa的條件下進行3組實驗。證明了測量值與預測值之間具有較好的擬合度，表明方程是對實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

表 6 驗證實驗結(jié)果Table 6 Validation of optimal extraction conditions

3 結(jié) 論

Box-Behnken試驗設(shè)計表明，蘋果片厚度、加熱板溫度、絕對壓力都對酥脆度的線性效應(yīng)顯著，加熱板溫度對色差值和水分含量顯著，其他兩因素影響效應(yīng)不顯著；蘋果片厚度、加熱板溫度和絕對壓力對酥脆度、色差值和水分含量的曲面效應(yīng)均顯著；蘋果片厚度、加熱板溫度、絕對壓力的交互作用均不顯著。確定優(yōu)化工藝參數(shù)為蘋果片厚度8.31mm、加熱板溫度71.62℃、絕對壓力62.76Pa。驗證實驗證明實際測量值與預測值之間具有良好的擬合度，說明此方法進行實驗室優(yōu)化可行。如何降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，獲得更可觀的經(jīng)濟效益，還有待進一步研究。

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