紫薯熟全粉变温压差膨化干燥技术研究

刘 阳，傅亚平，廖卢艳，吴卫国*

（1.湖南农业大学 食品科技学院，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 东方科技学院，湖南 长沙 410128）

紫薯（Solanum tuberdsm），又名紫黑薯，是日本九州农业实验场培育出的高色素甘薯新品种，富含花青素、糖蛋白、脂多糖以及矿物质、维生素、膳食纤维等多种营养成分，集营养和保健于一体[1-2]。紫薯花色苷主要成分为矢车菊色素（花青素）和芍药色素（甲基花青素）[3]，不但具有强抗氧化活性，且自由基清除能力显著[4]。紫薯全粉是几乎包含除薯皮外紫薯所有干物质的粉状产品，色泽美观，营养丰富，不仅具有紫薯特有的风味，且具有更好的再加工性能[5]，可添加到糕点、饮料、面食等产品中，不但能丰富食品色泽，还能提高食品的营养价值，符合现代人们所追求的食品目标[6]。目前，对于紫薯全粉的加工研究并不多，主要集中在鼓风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥工艺的研究[7-9]，产业化应用限制较多。

变温压差膨化干燥技术是近些年国内新兴起的一种食品干燥技术，它结合了传统真空冷冻干燥技术、热风干燥技术和微波真空干燥技术的优点[10]，能最大程度地保留制品的原品质。变温是指物料的膨化温度和真空干燥温度不同；压差是通过空气压缩机产生，物料在膨化瞬间经历由高压到低压的过程；膨化是利用高温高压下物料组织在瞬间泄压时内部产生的蒸汽膨胀力完成；干燥是指物料在真空状态下水分的去除[11-12]。国外对此技术研究较早、较深[13-15]，国内毕金峰等[16-17]研究了胡萝卜、柑橘、苹果、哈密瓜等果蔬产品的膨化工艺参数。本研究以鲜紫薯为原料，采用响应曲面法优化干燥工艺参数，旨在应用变温压差膨化干燥技术生产出优质的紫薯熟全粉，为紫薯熟全粉的加工找到更优的方法，为其规模化生产提供技术支持，也为变温压差膨化干燥设备的应用推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫色甘薯为浙紫3号：湖南省农业科学院作物所。

单硬脂酸甘油酯（食品级）：广州市佳力士食品有限公司；碘、碘化钾、氯化钾、醋酸、醋酸钠（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇、盐酸（均为分析纯）：衡阳市凯信化工试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

QDPH-V5勤德果蔬变温压差膨化干燥设备：天津市勤德新材料科技有限公司；LDZX-50FBS立式压力蒸汽灭菌锅：上海申安医疗器械厂；CR-10色差计：日本美能达公司；WFJ-7200可见分光光度计：龙尼柯仪器有限公司；Q-100AZ高速多功能粉碎机：上海冰都电器有限公司；101A-3ET 电热鼓风干燥箱：上海实验仪器厂有限公司；TP-213电子天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；TD5A台式低速离心机：湖南赫西仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯熟全粉制作工艺流程

操作要点：

（1）蒸制：蒸制的条件选用100 ℃蒸15 min。

（2）捣泥：将去完皮的紫薯置于和面机中搅拌制泥，同时加入0.6%的单硬脂酸甘油酯，和匀。

（3）变温压差膨化干燥：将搅好的紫薯泥平铺于不锈钢盘上，厚度为0.5～1.0 cm，置于膨化罐中升温至设定的膨化温度（80～100 ℃），罐内压力达0.1～0.3 MPa，使物料在此状态下保持一定时间（即停滞时间）后瞬间泄压至真空度为-0.1 MPa，同时设定真空温度，使物料在此真空状态下加热脱水，得含水量＜10%的紫薯。

（4）粉碎过筛：干燥好的紫薯粉碎后过80目筛，得到成品。

1.3.2 色泽测定

采用全自动色差计进行紫薯熟全粉的色泽测定[18-19]，颜色根据国际照明委员会（Commission Internationale de L'Eclairage，CIE）L*、a*、b*值来计算（L*表示明度值；a*表示红/绿值；b*表示黄/蓝值）。每个样重复测定3次取平均值。结合感官分析，发现紫薯熟全粉颜色越好，b*值越小，而L*值和a*值在试验中的数值变化不大，并不能恰当地反映样品颜色的差异，故本研究以黄/蓝值（b*值）为样品色泽评价指标，b*值越小，产品紫色鲜亮，色泽越好。

1.3.3 总花青素含量的测定

参考相关文献[20-21]采用pH示差法测定总花青素含量：准确称取紫薯熟全粉样品1.000 g于50 mL锥形瓶中，加入30 mL pH=3的浸提液，超声0.5 h，避光静置2 h，抽滤得到提取液备用。准确量取1.0 mL提取液两份，分别用pH 1.0和pH 4.5的缓冲液定容至10 mL，避光静置平衡2.0 h，分别测定其在波长520 nm、700 nm处的吸光度值，用蒸馏水作参比。总花青素含量计算公式如下：

式中：A 为吸光度差值；A520nm为波长520 nm下的吸光度值；A700nm为波长700 nm下的吸光度值。

式中：W为总花青素含量，%；A为吸光度差值；ε为矢车菊-3-葡萄糖苷的摩尔吸光系数，26 900；DF为稀释因子；Mw为矢车菊-3-葡萄糖苷的分子质量，449.2；V为取样体积，mL；Wt为样品质量，g。

1.3.4 碘蓝值测定

参考相关文献[22-23]，碘蓝值（iodine blue value，IBV）可以作为紫薯全粉细胞破碎度的判别指标，全粉的碘蓝值和细胞破碎度成正比。取50 mL的容量瓶，加蒸馏水至接近刻度，65.5 ℃预热并定容至刻度；准确称取0.25 g样品于50 mL烧杯中，加入50 mL 65.5 ℃预热的蒸馏水，于65.5 ℃恒温振荡水浴锅中振荡5 min，随后静置1 min，过滤。滤液保持于65.5 ℃并趁热取1 mL于50 mL显色管中，加入1 mL 0.02 mol/L碘标准溶液，用蒸馏水定容至刻度，同时做空白对照，以空白试剂调零点，测定样品在波长650 nm下的吸光度值A。碘蓝值计算公式如下：

式中：A650nm为波长650 nm下的吸光度值；54.2和5为常量，是该方法下的定值。

1.3.5 优化试验设计

根据前期单因素试验结果，选用U15（15）3均匀设计，采用响应面法中Box-Behnken 试验设计原理设计3因素3水平试验，研究膨化温度（X1）、停滞时间（X2）、抽空温度（X3）对紫薯熟全粉彩度指数b*值（Y1）、碘蓝值（Y2）、花青素含量（Y3）的影响。试验因素编码与水平如表1所示。

表1 紫薯熟全粉干燥条件优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis for purple potato cooked powder drying condition optimization

1.3.6 统计分析

采用Design Expert 8.0.6软件对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 响应面试验方案及结果

紫薯熟全粉变温压差膨化干燥优化试验共有15个处理，以膨化温度（X1）、停滞时间（X2）、抽空温度（X3）为自变量，以彩度指数b*值（Y1）、碘蓝值（Y2）、花青素含量（Y3）为响应值，试验具体设计及结果如表2所示。

表2 Box-Behnken试验设计与结果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

2.2 模型的建立及方差分析

采用Design Expert 8.0.6软件对表2中的试验数据进行二次多元回归拟合，得到各个因素与紫薯熟全粉彩度指数b*值（Y1）、花青素含量（Y2）、碘蓝值（Y3）评价指标之间的多元二次回归方程（1）～（3）如下：

对方程式（1）～（3）进行回归模型变量分析及系数显著性检验，得到结果见表3～表5。

由表3～表5方差分析可知，各方程Y1、Y2、Y3的P值分别为＜0.000 1、0.000 6、0.000 6，说明模型方程都极显著（P＜0.001）；失拟项P值分别为0.187 1、0.298 6、0.972 4，都＞0.05，说明差异不显著，残差由随机误差引起；模型决定系数R2分别为0.994 0、0.983 9、0.984 1，调整后系数分别为0.983 3、0.954 9、0.955 5，说明回归方程对试验的拟合度较好，试验误差小，在一定程度上可以代替真实试验进行预测和分析。

表3 以b*值作为响应值回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model using b* value as response value

表4 以花青素含量作为响应值回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model using anthocyanins contents as response value

由模型回归系数的显著性检验结果可知，抽空温度（X3）对紫薯熟全粉彩度指数b*值、花青素含量及产品碘蓝值都有极显著影响（P＜0.001）；停滞时间（X2）对紫薯熟全粉花青素含量有高度显著影响（P＜0.01）；膨化温度（X1）对紫薯全粉彩度指数b*值有极显著影响（P＜0.001）。结合F值可判断各因素对响应值的影响程度，以全粉彩度指数b*值为响应值影响干燥工艺的因素主次顺序为：抽空温度（X3）＞膨化温度（X1）＞停滞时间（X2）；以全粉花青素含量和碘蓝值为响应值影响干燥工艺的因素主次顺序都为：抽空温度（X3）＞停滞时间（X2）＞膨化温度（X1）。

表5 以碘蓝值作为响应值回归模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model using iodine blue value as response value

2.3 响应面交互效应分析

3因素对紫薯熟全粉彩度指数b*值（Y1）、花青素含量（Y2）和碘蓝值（Y3）影响的响应面图及等高线分别见图1～图3。

由图1（a）可知，当抽空温度（X3）一定时，随膨化温度（X1）的升高，产品彩度指数b*值先减小后增大，在中间水平有最佳值；由图1（b）可知，膨化温度（X1）和抽空温度（X3）交互作用显著，当停滞时间（X2）一定时，以抽空温度（X3）70 ℃、膨化温度（X1）90 ℃为界，界线以下，产品彩度指数b*值均随其温度的升高先降后增，界线以上，则依次递增，在一定水平有交互最小值，原因可能是高温会导致紫薯花色苷的降解，产生焦色；由图1（c）可以看出，随抽空温度（X3）的增加，产品彩度指数b*值先减后增，随停滞时间（X2）的延长则先增后减。

由图2可知，在试验设定的水平内，随膨化温度（X1）的升高，抽空温度（X3）的增加，产品中花青素的含量呈先增后减的趋势，一定水平有交互最大值；当膨化温度（X1）为90 ℃以下时，抽空温度为70 ℃以下时，随停滞时间（X2）的延长，产品中花青素含量缓慢增加。

由图3可知，随抽空温度（X3）的升高，产品的碘蓝值依次减少；当停滞时间一定（X2），抽空温度（X3）为70 ℃以下时，产品的碘蓝值随膨化温度（X1）的升高缓慢增加，抽空温度（X3）为70 ℃以上时，产品的碘蓝值则随膨化温度（X1）的升高缓慢减少。

图1 膨化温度、停滞时间、抽空温度对b*值影响的响应面图及等高线Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on b* value

图2 膨化温度、停滞时间、抽空温度对花青素含量影响的响应面图及等高线Fig.2 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on anthocyanins contents

图3 膨化温度、停滞时间、抽空温度对碘蓝值影响的响应面图及等高线Fig.3 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on iodine blue value

2.4 最佳工艺参数的确定及验证

对工艺参数进行优化分析，综合3个考察指标，得到紫薯熟全粉的最佳变温压差膨化干燥工艺条件为膨化温度89.43 ℃、停滞时间6.76 min、抽空温度70.71 ℃，该条件下产品彩度指数b*值、花青素含量、碘蓝值的预测值分别为-6.667、1.538%、18.595。考虑到试验实际操作的可行性，将各参数值调整为膨化温度90 ℃、停滞时间7 min、抽空温度70 ℃，在此条件下进行3次平行试验，所测结果取平均值，得到的产品彩度指数b*值为-6.573、花青素含量为1.509%、碘蓝值为19.056，各数值与预测值比较，其相对误差均＜5%，说明该模型的优化参数可靠，具有参考价值。

3 结论

本研究以紫薯熟全粉的彩度指数b*值、花青素含量、碘蓝值为评价指标，采用响应面分析法，考察膨化温度、停滞时间、抽空温度对紫薯熟全粉变温压差膨化干燥工艺的优化，得到紫薯全粉变温压差膨化干燥的工艺参数为：膨化温度90 ℃、停滞时间7 min、抽空温度70 ℃，该条件下制得的紫薯全粉彩度指数b*值可达-6.573、花青素含量达1.509%、碘蓝值为19.056，产品紫红色鲜亮，花青素含量及紫薯气味都保留较好。

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