响应面法优化微波膨化紫心甘薯片的工艺

卢晓斌 ，杨玉玲 ，李春阳 ，卢晓会 ，徐圣兰

（1.江苏省农科院农产品加工研究所，江苏 南京 210014；2.南京财经大学，江苏 南京 210014）

紫心甘薯，学名川山紫，是日本最先培育出的一个品种，薯肉为紫红色[1-2]，含有丰富的VA、VB2、胡萝卜素、VC和钙、磷、铁、硒等矿物质，还含有多种酚类物质－花青素[3]。日本学者须田郁夫等研究表明，紫心甘薯具有极强的抗氧化性、去除活性氧，可预防高血压、改善肝功能和改善视力等保健作用[4]。具有营养价值高、保健功能强的特点[5]，可用来开发保健食品和功能性食品。此外，甘薯紫色素作为一种天然色素可以添加到食品中。因此，开发利用紫心甘薯具有广阔的市场前景[6]。

我国对于紫心甘薯进行的研究主要集中在品种改良、驯化、色素提取、理化性质检测以及抗氧化清除自由基等功能性方面[2]，而对紫心甘薯进行微波膨化的研究还鲜见报道。膨化食品是以谷物、豆类、薯类蔬菜等为主要原料，利用油炸、挤压、微波等膨化技术加工而成的休闲食品[7]，深受人们的喜爱。利用微波膨化技术加工食品，时间短，能最大限度的保存食品原有的营养成分，膨化、干燥、杀菌工艺同时完成，而且与传统的真空油炸果蔬脆片相比，具有低脂肪、低热量和高纤维的特点[8-10]。虽然我国对于微波膨化应用的基础研究和设备开发还处于起步阶段，但是可以预见，微波膨化技术将成为膨化食品生产发展的新方向[11]。

本文主要研究了微波膨化紫心甘薯脆片的工艺，在探讨预处理工艺参数对产品品质影响的基础上，采用响应曲面法对其进行优化，以期生产出高品质的紫心甘薯脆片，为丰富和发展紫心甘薯的加工技术和果蔬初级产品的转化提供了一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

紫心甘薯:宁紫1号（由江苏省农业科学院农产品加工研究所提供）；柠檬酸、VC：市售。

1.2 设备

微波炉：松下NN-K5441JF；AL104分析天平：梅特勒2托利多仪器有限公司产品；电热恒温鼓风干燥箱：上海新苗医疗器械制造有限公司产品。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

原料→清洗→切片→护色→烫漂→熟化→预干燥→均湿→微波膨化→二次干燥→成品

1.3.2 单因素试验设计[12]

1.3.2.1 切片厚度对膨化率的影响

设置切片厚度为1、3、5、7 mm，预干燥至含水量为20%，均湿处理2 d，然后微波中档条件下膨化40 s，测定产品的膨化率、复水比和口感。

1.3.2.2 含水量对膨化率的影响

切片厚度为1 mm，设置预干燥至含水量为10%、20%、30%、40%，均湿处理2 d，然后微波中档条件下膨化40 s，测定产品的膨化率、复水比和口感。

1.3.2.3 均湿处理时间对膨化率的影响

切片厚度为1 mm，预干燥至含水量20%，设置均湿处理为0、1、2、3 d，然后微波中档条件下膨化40 s，测定产品的膨化率、复水比和口感。

1.3.2.4 微波膨化试验

1）微波功率对微波膨化甘薯脆片质量的影响

经处理后的甘薯片分别在高、中、低档条件下膨化40 s，测定产品的膨化率、复水比和口感。

2）微波时间对微波膨化甘薯脆片质量的影响

经处理后的甘薯片微波中档条件下分别膨化30、40、50、60 s，测定产品的膨化率、复水比和口感。

1.3.3 微波膨化紫心甘薯片工艺优化试验设计

1.3.3.1 Plackett Burman试验设计[13]

选取切片厚度（x1）、含水量（x2）、均湿时间（x3）、微波功率（x4）、微波时间（x5）5 个因素为影响因素，采用N=8的试验设计，每个因素取2个水平：低水平“-1”和高水平“+1”，评价指标为紫心甘薯片的膨化率，对5个试验因子进行筛选，选出显著性因子。试验因子及水平见表1，每一组试验重复3次。（本试验设计、数据分析及模型建立皆由Design-Expert7.0软件辅助完成）。

表1 Plackett Burman试验设计因素水平及编码Table 1 The designing factor level and code of Plackett Burman Test

1.3.3.2 响应曲面法试验设计

以Plackett Burman试验筛选出4个显著性因素（切片厚度、含水量、微波功率、微波时间），然后以膨化率为响应值，采用Box-Behnken模型设计试验，试验因子及水平见表2。

表2 响应曲面法因素水平编码Table 2 The factor level and code of response surface methodology

1.3.4 指标测定方法

1.3.4.1 水分测定

含水量＝（干燥前物料质量－干燥恒重后的物料质量）/干燥前物料质量×100%

1.3.4.2 复水比的测定[12]

复水比＝（复水后样品质量-样品质量）/样品质量

1.3.4.3 体积的测定

采用小米排除法，小米粒度控制在0.9 mm～1.1 mm范围之内。

甘薯片体积为V=Va-Vb

式中：Va为小米加甘薯片体积；Vb为小米体积。

1.3.4.4 膨化率的计算

膨化率为 P=（V1-V2）/V2

式中：V1为膨化后的体积；V2为膨化前的体积。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

单因素试验结果表明，紫心甘薯片的切片厚度宜在1 mm，含水量在20%，均湿时间控制在2 d，微波功率为中档，微波膨化时间在40 s时膨化率较高。

2.2 Plackett Burmany试验结果与分析

2.2.1 Plackett Burman试验结果

Plackett Burman试验设计及响应值，见表3。

表3 Plackett-burman试验设计及响应值Table 3 The design of Plackett Burman test and response data

2.2.2 微波膨化紫心甘薯片显著性因子

Plackett Burman试验回归模型方差分析，见表4。

表4 回归模型方差分析Table 4 The variance analysis in regression model

由表4可见：P=0.0376，决定系数R2=0.9848，说明回归模型的拟合度较好。

对回归方程函数显著性的检验，见表5。

由表5可见：切片厚度、含水量、微波功率、微波时间的P值均小于0.05，说明这4个参数均为显著性影响因子。

表5 实验回归方程系数显著性检验表Table 5 Obviously testing table of experimental coefficient of the regression equation

2.3 响应曲面法试验结果与分析

2.3.1 响应曲面法试验结果

响应曲面分析的试验设计及响应值，见表6。

表6 响应面分析试验设计及结果Table 6 Experimental design and results of response surface analysis

由表6可知：紫心甘薯在切片厚度、含水量、微波功率、微波时间4个因素的不同条件作用下，膨化率在一个范围内变化波动，其中甘薯膨化率最低为1.76%，最高为29.97%。

2.3.2 响应面方差分析

响应曲面试验方差分析，见表7。

表7 响应面试验方差分析表Table 7 Response Surface Analysis of variance table

由表7可见，模型是极显著的（P<0.0001），且模型的拟合度较好（R2=0.9691），反映出切片厚度、、微波功率和微波时间对紫心甘薯片的膨化有重要影响。

由表7中P值可以看出，一次项中切片厚度（X1）、微波功率（X3）、微波时间（X4）对膨化率的影响极为显著，含水量（X2）为显著；交互项中 X1X3、X1X4偏回归系数显著，说明切片厚度和微波功率、切片厚度与微波时间的交互作用对膨化率的大小影响显著；二次项中X12、X32、X42偏回归系数显著，其他各项对膨化率的影响均未达到显著水平。

2.3.3 回归方程的建立

以紫心甘薯片的膨化率为因变量，可得拟合回归方程：y（膨化率%）=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94X3+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35 X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，该方程可以预测紫心甘薯片的膨化率。

2.3.4 紫心甘薯脆片膨化率的响应曲面分析

图1直观地给出了各个因子交互作用的响应面的3D和等高线分析图。从图1响应面的最高点和等高线可以看出，在所选的范围内存在极值，既是响应面的最高点，同时也是等高线最小椭圆的中心点。

图1为切片厚度与微波时间对紫心甘薯脆片膨化率的响应曲面。

图1 切片厚度与微波时间对甘薯片膨化率的响应面分析Fig.1 The response surface analysis of the slice thickness and microwave time to extrusion rate of sweet potato

图1显示在含水量30%，微波功率为中档（429.5W）时，切片厚度和微波时间对紫心甘薯脆片膨化率的交互作用显著。在微波时间一定的情况下，随着切片厚度增加，膨化率逐渐下降；在切片厚度一定时，膨化率随着微波时间的增加而增大，当切片厚度为1 mm，微波时间为40 s时膨化率达到最高。分析其原因，厚度的减少和微波时间的延长有利于微波的能量充分作用到物料内部，从而使膨化率增加。

2.4 最佳膨化工艺参数与膨化率的预测

根据回归模型和Design-Expert7.0软件分析，紫心甘薯片膨化最佳条件为:切片厚度为1 mm、水分含量20.3%、微波功率为679.99 W、微波时间为39.95 s。

在最佳工艺条件下，微波膨化紫心甘薯片（重复3次），得到甘薯片膨化率为39.17%，而预测值为40.28%，相对误差为2.7%，该方程与实际拟合很好，可以预测实际生产中的甘薯片膨化率。

3 结论

1）借助Design-Expert 7.0软件，应用Plackett-Burman试验设计和响应曲面分析，发现微波膨化紫心甘薯片工艺中切片厚度、预干燥水分含量、微波功率、微波时间4个因素对膨化率有显著影响，得到膨化率的预测方程即y=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94XX+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，该回归模型拟合度较好，能够预测紫心甘薯脆片的膨化率。

2）通过优化得到最佳工艺条件为：切片厚度1mm、水分含量20%、微波功率430 W、微波时间40 s，均湿2 d。

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