响应面法优化番木瓜变温压差膨化干燥工艺

高 鹤1,2，易建勇1，刘 璇1，毕金峰1,*，邓放明2，吴昕烨1

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工重点实验室，北京 100193；

2.湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙 410128）

摘 要：优化对番木瓜变温压差膨化干燥工艺，基于响应面的中心组合设计方法，分析预干燥时间、膨化温度、抽空时间3 个因素对番木瓜膨化产品含水率、硬度、脆度、色泽和复水比5 个指标的影响。采用因子分析法确定5 个指标的权重，通过综合评分得到番木瓜变温压差膨化干燥的最佳工艺参数范围。结果表明：预干燥时间、膨化温度、抽空时间三因素对产品的含水率、硬度、脆度、色泽和复水比均有显著影响（P＜0.05），且三因素交互作用对产品品质影响显著；番木瓜变温压差膨化最优干燥参数为：预干燥时间4.96～6.00 h、膨化温度80.00～97.23 ℃、抽空时间2.02～3.00 h。

关键词：响应面法；番木瓜；变温压差膨化干燥

Optimization of Explosion Puffing Drying Process for Papaya at Variable Temperatures and Pressure Difference

GAO He1,2, YI Jian-yong1, LIU Xuan1, BI Jin-feng1,*, DENG Fang-ming2, WU Xin-ye1

(1. Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China;

2. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract: The explosion puffing drying of papaya was optimized by central composite design coupled with response surface methodology. The effect of pre-drying time, puffing temperature and vacuum drying time on five product quality parameters including moisture content, hardness, crispness, color and rehydration ratio were examined. In the final experiment, the suitable parameters were obtained by comprehensive scores through factorial analysis of these five quality parameters. The results indicated that pre-drying time, puffing temperature and vacuum drying time had a great impact on the moisture content, hardness, friability, color and rehydration rate of dehydrated products, and the influence of interactions among three factors on the quality of dried papaya was significant (P < 0.05). The best drying conditions were determined as follows: pre-drying time, 4.96-6.00 h; puffing temperature, 80.00-97.23 ℃; and vacuum drying time, 2.02-3.00 h.

Key words: response surface methodology; papaya; explosion puffing drying at variable temperatures and pressure difference

中图分类号：TS255.36 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）24-0051-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201424010

番木瓜（Carica papaya Linn.）俗称木瓜、满山柚、万寿果、树冬瓜，属于番木瓜科番木瓜属，原产于墨西哥南部和中美洲地区，在中国的广东、海南、广西等多省均有栽培。番木瓜含有木瓜蛋白酶、萜类化合物、糖分、黄酮类、色素、生物碱等多种成分，具有抗癌、抗菌、抗肿瘤、保肝、免疫调节、美容等功效[1-3]。但番木瓜属于呼吸跃变型果实，采后在气候、病虫害等因素的作用下，容易软化后熟、发病腐烂，失去商品价值和食用价值[4-6]。

干燥是一种传统的食品保藏方法，通过去除物料中的水分，延长产品的货架期，减少运输成本[7]。目前国内番木瓜干燥加工技术较为单一，其中以传统的日晒和热风干燥为主，但这种方法生产的产品存在着口感较差、干燥时间长等问题。如Lemus-Mondaca[8]和Nimmanpipug[9]等研究渗透脱水预处理对番木瓜热风干燥后的品质影响。加强对番木瓜干燥加工技术的研究，有助于延长番木瓜产业链、提高产品附加值、增加果农收入。

变温压差膨化干燥是一种新型、节能、环保的干燥技术，可以有效地克服油炸果蔬脆片含油量高、风味差以及难贮藏等问题[10-12]。该技术通过在高温环境中对物料进行加热，不断给物料内部水分子提供能量，再对膨化罐瞬间抽真空使得物料内的水分迅速迁移，并带动周围的大分子物质引起结构变化，从而使得物料内部形成多孔、疏松的结构[10,13-14]。同时，高温真空的环境也有助于对物料中微生物的控制[10]。利用变温压差膨化干燥生产的产品具有营养价值高、口感酥脆、贮藏性好等特点，且已被证实多种果蔬可应用变温压差膨化干燥技术进行生产，如哈密瓜[10]、枣[11]、苹果[12]、芒果[13]、香蕉[14]、菠萝[15]、胡萝卜[16]、桃[17]、甘薯[18-19]等。而以番木瓜为原料进行变温压差膨化干燥的研究还未见报道。本实验就番木瓜变温压差膨化干燥选择预干燥时间、膨化温度、抽空时间为影响因素，以含水率、硬度、脆度、总色差值和复水比为目标值进行响应面的中心组合试验，并根据试验数据建立了5 个指标的多元二次项回归模型，进而得到番木瓜变温压差膨化干燥的最佳工艺参数。

1 材料与方法

1.1 材料

番木瓜（海南三亚大白），购于北京市上地小营果品批发市场。选择大小、形状相近的果实，质量约为1 kg，七八成熟，没有损伤，表皮颜色开始由绿变黄的硬熟的果实。

1.2 仪器与设备

FA-200切片机 广东省南海市德丰电热设备厂；DHG-9203电热恒温干燥箱 上海一恒科技有限公司；QDPH10-1变温压差膨化干燥设备 天津市勤德新材料科技有限公司；Ta.XT2i/50物性分析仪 英国SMS公司；FW100万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；D25LT色彩色差仪 美国HunterLab公司；AUW220电子天平 日本Shimadzu公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的测定

直接干燥法[20]，将物料放入105 ℃热风干燥箱中烘至恒质量。实验中含水率为物料的干基含水率。

1.3.2 硬度和脆度的测定

用TA-XT2i/50型物性测定仪测定，选取形状、大小相近的番木瓜脆片进行质构测定。从袋中迅速取出样品后，用物性测定仪做削切实验，重复10 次，最后取平均值[21]。其中，硬度用Force 2的数值表示，单位是g；脆度用测试产生峰数的多少来表示，单位为个[15]。Force 2数值在一定范围内呈正相关增长，峰数越多，则产品的酥脆度越好，反之则产品的酥脆度越差。

1.3.3 色泽的测定

采用色彩色差仪测定番木瓜的色泽，本实验用DE代表被测物体的色泽（L、a、b）与鲜样的（L*、a*、b*）的色差值[21]。DE按公式（1）计算：

（1）

式中：L、a、b和L*、a*、b*分别代表样品和鲜样的明度值、红绿值、黄蓝值；DE为总色差值。

1.3.4 复水比的测定

取干燥后样品5 g，复水容器为300 mL烧杯，用水量20 倍，即100 mL，使试样浸渍其中，在室温条件下浸渍30 min后捞出试样置竹筛上，自然沥干5 min，称质量[9]。复水比（rehydration ratio，RR）按公式（2）计算，每组实验3 次平行，结果取平均值。

（2）

式中：RR为复水比/（g/g）；m0为复水前样品的质量/g；m1为复水后样品的质量/g。

1.3.5 优化试验

1.3.5.1 工艺流程

番木瓜去皮去籽→切分→热风预干燥→变温压差膨化干燥→分级→包装→产品

具体操作为：首先将鲜样去皮、去籽，切分为8 mm的片状，然后将样品放到热风干燥箱中进行预干燥，温度为70 ℃。将预干燥后的样品放入膨化罐中进行膨化干燥，停滞时间10 min，抽真空温度70 ℃，膨化罐真空度0.1 MPa。预干燥时间、膨化温度以及抽空温度参照表1。
抽空结束后，关闭真空阀，用冷却水将罐体迅速冷却值室温，维持5 min，取出膨化产品，并测定含水率、硬度、脆度、色泽和复水比。

1.3.5.2 优化试验设计

在前期单因素试验中，选择预干燥时间（3、4、5、6、7 h）、膨化温度（70、80、90、10、110 ℃）、抽空温度（50、60、70、80、90 ℃）和抽空时间（0、1、2、3、4 h）进行四因素五水平试验，得出各因素最优的参数为预干燥时间5 h、膨化温度90 ℃、抽空温度70 ℃、抽空时间2 h。根据单因素试验结果，采用响应面的中心组合设计方法，选择预干燥时间、膨化温度、抽空时间3 个因素，研究其对产品含水率、硬度、脆度、色泽、复水比的影响。因素水平编码见表1。

表 1 中心组合试验设计的因素和水平

Table 1 Factors and levels used in central composite design of
response surface methodology

1.4 统计分析

采用Design Expert 8.0、SPSS 19.0软件进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 响应面中心组合试验

根据响应面的中心组合试验设计方法，选择预干燥时间X1、膨化温度X2和抽空时间X3三因素，进行番木瓜变温压膨化干燥优化试验，其试验结果见表2。

表 2 中心组合试验设计及结果

Table 2 Results of central composite design of response surface methodology

2.2 方程建立及变量分析

采用Design Expert 8.0软件对实验数据进行分析，可得到各个因素对产品含水率、硬度、脆度、总色差值以及复水比之间的多元二次方程（1）～（5），方程回归系数及变量分析见表3。

Y1＝5.556－7.033X1－4.576X2－8.635X3＋3. 138X12＋
1.361X22＋4.667X32＋6.944X1X2＋5.543X1X3＋5.422X2X3
（R2＝0.877 3） （1）

Y2＝6 627＋870.7X1＋945.6X2＋1 372X3－481.6X12＋
176.2X22＋1.855X32－235.7X1X2－132.2X1X3－541.7X2X3
（R2＝0.968 7） （2）

Y3＝6.987＋0.883 1X1＋0.277 3X2＋0.801X3－1.328X12－0.856 4X22－1.799 2X32－0.666 7X1X2－0.333 3X1X3－0.666 7X2X3（R2＝0.979 5） （3）

Y4＝7.952－0.015 73X1＋0.273 5X2＋0.157X3＋1.019X12＋1.809X22＋2.343X32－0.712X1X2－0.095 52X1X3－0.047 99X2X3（R2＝0.950 8） （4）

Y5＝2.999＋0.126 7X1－0.007 43X2＋
0.148 6X3－0.033 8X12－0.134 7X22－0.166 8X32－0.113 3X1X2－0.134 7X1X3－
0.089 69X2X3（R2＝0.748 5） （5）

表 3 回归系数及显著性分析

Table 3 Significance analysis of regression coefficients

注：*.影响显著，P＜0.05；**.影响极显著，P＜0.01；***.影响高度显著，P＜0.001。

除了产品的含水率和复水比的决定系数R2小于0.9，其余的R2大于0.9，表明其应变量与全体自变量之间的多元回归关系显著，即表明改回归方程对试验的拟和情况较好。抽空时间除对色泽无显著性影响外，对其他4 个指标均有显著性影响，预干燥时间与膨化温度除了对色泽、复水比无显著性影响外，对其他3 个指标均有显著性影响。类似研究结果也出现在毕金峰等[10]研究哈密瓜变温压差膨化干燥工艺优化的过程中，并发现预干燥后含水率、膨化温度以及抽空时间对膨化产品的脆度均有极显著影响。

2.3 交互作用分析

从表3可知，三因素之间对产品含水率均有显著影响，膨化温度和抽空时间的交互作用对硬度影响极显著，预干燥时间和膨化温度的交互作用以及膨化温度和抽空时间的交互作用对脆度影响极显著，预干燥时间和膨化温度的交互作用对色泽影响显著。此处，只对有极显著交互作用的情况进行分析，其他交互作用暂不予讨论。

固定X1为0水平，观察X2和X3的交互作用对产品Y2的影响，得到交互效应方差（6）。依次固定X3和X1为0水平，分别观察X1和X2、X2和X3的交互作用对产品Y3的影响，得到交互效应方差（7）、（8）。

Y2（2,3）＝6 627＋945.6X2＋1 371X3＋176.2X22＋1.855X32－541.7X2X3 （6）

Y3（1,2）＝6.987＋0.883 1X1＋0.277 4X2－1.328X12－
0.856 4X22－0.666 7X1X2 （7）

Y3（2,3）＝6.987＋0.277 4X2＋0.801 0X3－0.856 4X22－1.799X32－0.666 7X2X3 （8）

根据以上交互作用方程作响应面图如图1。

a. X2和X3对产品Y2的影响

b. X1和X2对产品Y3的影响

c. X2和X3对产品Y3的影响

图 1 三因素对番木瓜脆片品质的影响

Fig.1 Effects of three factors on texture properties of
explosion puffed products

由图1a可知，当预干燥时间一定，膨化温度为90 ℃以下一个固定值，番木瓜脆片的硬度随着抽空时间的延长先快速上升；膨化温度为90 ℃以上一个固定值，番木瓜脆片的硬度随着抽空时间的延长十分缓慢的上升；抽空时间为2 h以下一个固定值，番木瓜脆片的硬度随着膨化温度的升高快速上升；抽空时间为2 h以上一个固定值，番木瓜脆片的硬度随着膨化温度升高缓慢减少后上升。原因可能是物料随着膨化温度的升高以及抽空时间的延长，增加了干燥过程中热量的传递，使得物料受到更多的热能加剧了硬化。从图1b可以看出，当抽空时间一定时，番木瓜脆片的脆度随着预干燥时间的延长、膨化温度的升高呈先增加后缓慢减小的趋势，并在预干燥时间4～6 h、膨化温度75～105 ℃范围内出现极值。从图1c可以看出，当预干燥时间一定时，产品的脆度随着膨化温度的升高、抽空时间的延长呈先增加后减小的趋势，并在膨化温度75～105 ℃、抽空时间1.5～3 h范围内出现极值。

2.4 番木瓜热风-变温压差膨化干燥最佳工艺的确定

通过对结果分析可知，在试验设定的因素水平范围内，随着预干燥时间的延长，膨化产品的含水率总体呈下降的趋势，硬度和复水比则逐渐增大，脆度先增大后减小，色泽先减小后增大。随着膨化温度的升高，含水率呈下降趋势，硬度和复水比呈上升的态势，脆度先增大后减小，色泽呈先减小后增加的趋势。随着抽空时间的增加含水率基本呈下降趋势，硬度和复水比逐渐增大，脆度先增大后减小，色泽呈先减小后增加的趋势。由此可见，每个输入变量对产品评价指标影响的先后顺序、显著性以及交互作用也各不相同，因此利用相关性分析对三因素进行分析。

2.4.1 相关性分析

采用SPSS 19.0软件对数据进行分析处理，结果见表4。

表 4 评价指标间的相关系数

Table 4 Correlation coefficients among evaluation indexes

由表4可以看出，产品评价指标间存在一定相关关系，产品的含水率与硬度、脆度、复水比呈负相关，和色泽呈正相关；产品的硬度与脆度、色泽、复水比呈正相关；产品的脆度与色泽呈负相关，与复水比呈正相关；产品的色泽与复水比呈负相关。

2.4.2 因子分析

基于因子分析原理和相关性分析的结果[11]，对响应值进行降维处理，得到目标参数的因子载荷矩阵，并求出相关系数矩阵的特征值、特征贡献率和特征累积贡献率，结果见表5。

表 5 目标参数相关矩阵的特征值及其累积贡献率

Table 5 Eigenvalues and cumulative contribution rate of correlated matrix

由表5可知，在取2 个公因子时，其方差累积贡献率已达到88.522%。因此，选取2 个公因子构建因子载荷矩阵，并用方差极大正交旋转法得到的因子载荷矩阵，结果见表6。

表 6 方差极大正交旋转因子载荷矩阵

Table 6 Rotated factor loading matrix

由表6可知，公因子f1对番木瓜脆片的含水率、硬度、复水比起支配作用，而这些指标反应了产品的综合质地，因此可称f1为综合质地因子；公因子f2对产品的脆度、色泽起支配作用，因此可称f2为脆度、色泽因子。

从商品的角度出发，番木瓜膨化产品的评价指标应优先考虑产品的色泽（DE尽可能小一些），其次考虑酥脆度（硬度尽可能在一定范围内大一些），最后考虑含水率（干基含水率在8%以下）和复水比（尽可能大一些）。鉴于上述分析及实验数据，分别将公因子f1和公因子f2，赋予权重0.65、0.35。并将样本因子得分与所赋权重加权求和即得到各样本得综合评分见表7。

表 7 样本因子得分与综合评价

Table 7 Component score coefficient matrix and comprehensive evaluation value of samples

2.4.3 回归模型分析

以综合评分为目标值，用响应面法，得到对综合评分的回归方程如下：

Y＝1.049＋0.140 4X1－0.082 3X2＋0.177 2X3－0.091 97X12－0.057 62X22－0.122 5X32－0.096 51X1X2－0.079 56X1X3－0.098 92X2X3（R2＝0.964 3） （9）

由回归方程（9）可以看出，预干燥时间（X1）和抽空时间（X3）是影响产品综合评分的最主要因素，并且可以看出其一次项均为正效应，二次项皆为负效应；而膨化温度（X2）其一次项、二次项皆为负效应。这说明预干燥时间（X1）和抽空时间（X3）对产品得综合评分的影响会因其取值高低而不同。

2.4.4 工艺优化

基于对产品品质的综合考虑，当综合评分大于0.8时，产品的色泽、硬度、脆度、含水率、复水比品质比较理想。因此，选择综合评分大于0.8，并应用频数分析法，通过计算机模拟，得到各因素最优工艺范围。结果见表8。

表 8 应用频数分析法对工艺参数的优化结果

Table 8 Optimization results based on frequency analysis

通过对结果分析可知，番木瓜变温压差膨化干燥的工艺优化结果为预干燥时间4.96～6.00 h，膨化温度80.00～97.23 ℃，抽空时间2.02～3.00 h，综合评分由得可能性高于0.8。经过实验重复验证，在预干燥时间5.2 h、膨化温度90.2 ℃，抽空时间2.1 h的条件下进行番木瓜变温压差膨化干燥，得到产品含水率为5.89%，色泽DE值为13.15，硬度为3 438.90 g，脆度为39，复水比为4.12。在温度70 ℃条件下，进行热风干燥8.5 h后，得到产品含水率为9.2%，色泽DE值为11.56，硬度为4 752.00 g，脆度为37，复水比为3.81。通过比较变温压差膨化干燥相比热风干燥，发现前者比后者所需的干燥时间缩短了14.12%，总色差值增加了1.59，拥有更好的酥脆度，复水性更好。因此，在优化参数的范围内，变温压差膨化干燥可以得到综合品质良好的番木瓜干燥产品。

3 结 论

研究预干燥时间、膨化温度、抽空时间对番木瓜膨化产品含水量、硬度、脆度、DE值和复水比的影响，采用中心组合试验设计优化番木瓜干燥工艺，结果表明，大多回归模型得决定系数均较高，依据回归分析法建立的统计模型，可用于膨化过程的控制和膨化结果的预测。

通过Design Expert 8.0软件对数据进行处理分析建立5 个指标的二次多项式模型。根据各指标间的关系，对其进行因子分析，并从产品的品质出发赋予其权重，最终得到综合评分，并建立模型回归方程。

番木瓜热风-变温压差膨化干燥的最优工艺参数范围是：预干燥时间4.96～6.00 h、膨化温度80.00～97.23℃、抽空时间2.02～3.00 h。

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