响应面法优化山药脆片干燥工艺

王梅，雷尊国，邓禄军，王辉

贵州省农业科学院生物技术研究所（贵阳 550006）

山药（Dioscorea oppositifoliaL.）为薯蓣科一年生或多年生缠绕性藤本植物，因其具有营养滋补、改善肠胃、滋肾益精、降血糖、降血脂、抗氧化等功效[1-2]，而越来越受消费者喜爱，山药产量也在逐年增加。目前，山药以鲜食为主，新鲜山药水分含量高，不耐贮藏，销售范围受限，导致资源浪费，造成经济损失，从而影响种植户积极性。由此，对山药采后加工工艺进行研究变得极为迫切。前期品种试验筛选出的贵州安顺平坝双胞山药种植历史悠久，其块茎皮薄，肉质厚，淀粉、蛋白质、氨基酸含量高，黏液质丰富，做成菜肴口感好、营养高。近年来，贵州安顺平坝双胞山药种植面积逐年增加，产量也逐年增大，对其加工产品进行研究具有重要的现实意义。

目前，山药切片干燥是其采后处理的一种主要方式。卢素珊等[3]研究阳春长山药的热泵干燥技术，得出其最佳工艺参数：新鲜山药切片厚度6 mm，清水中浸泡后直接热泵干燥，干燥温度60 ℃，干燥时间3～4 h；张乐道等[4]研究发现远红外干燥制得的怀山药片溶出性比热泵干燥好；李丽等[5]研究得出干燥温度对山药热泵干燥的速率有较大影响，与热风干燥相比，热泵干燥所得山药片复水性较好，色泽呈乳白色，感官品质良好；李定金等[6]利用低场核磁共振技术研究发现调味山药片干燥过程中水分含量的增加和减少均是由外而内的，干燥结束时，剩余水分主要存在于调味山药内层。关于山药片的干燥方法的研究报道较多，而响应面在其中的应用研究则鲜有报道。试验以贵州安顺平坝双胞山药为原料，通过热泵将山药片干燥，以油炸后山药脆片的感官、质构、色差等指标为考察指标，在单因素试验的基础上，进行响应面试验，旨在优化山药片干燥工艺，以得到口感好、品质佳的油炸山药脆片，为山药深加工及企业生产提供一定参考价值。

1 材料与方法

1.1 原料

试验原材料为贵州安顺平坝双胞山药，来源于贵州省农业科学院山药育种团队，选择无机械损伤、无病虫害、无腐烂的山药备用。棕榈油，嘉里粮油（防城港）有限公司。

1.2 仪器与设备

STML7001型热泵干燥机，上海湿腾电器有限公司；TMS-Pro物性分析仪，美国FTC公司；SOX500粗脂肪测定仪，济南海能仪器股份有限公司；NH310色差仪，深圳市三恩时科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 处理方法

山药清洗、去皮、切片、烫漂，捞出沥干水分，均匀分散摆放在网盘中，热泵干燥一定时间，取出冷却至常温得到山药干片。将棕榈油烧热至160 ℃，山药干片下锅油炸4 s立即捞出，沥油，冷却至常温得到山药脆片，装袋备用。

1.3.2 单因素试验设计

1.3.2.1 切片厚度对山药片品质的影响

山药清洗、去皮后，切成厚度分别为2，3，4，5和6 mm的圆片，不同厚度的圆片分不同批次于沸水中烫漂4 min，捞出沥干水分，于60 ℃热泵干燥2 h，冷却至常温得到山药干片，干片于160 ℃油锅中油炸4 s，立即捞出，沥油，冷却至常温得到山药脆片，对脆片的剪切力、色差L*值、含油率和感官评分进行测定。

1.3.2.2 烫漂时间对山药片品质的影响

山药清洗去皮后切分成4 mm厚的圆片，等分成5份，分别于沸水中烫漂0，2，4，6和8 min，捞出沥干水分，于60 ℃热泵干燥2 h，冷却至常温得到山药干片，干片在160 ℃油锅中油炸4 s，立即捞出，沥油，冷却至常温得到山药脆片，对脆片的剪切力、色差L*值、含油率和感官评分进行测定。

1.3.2.3 干燥温度对山药片品质的影响

山药清洗去皮后切分成4 mm厚的圆片，在沸水中烫漂4 min，捞出沥干水分，分别在50，60，70，80和90 ℃热泵干燥温度下干燥2 h，取出冷却至常温得到山药干片，干片在160 ℃油锅中油炸4 s，立即捞出，沥油，冷却至常温得到山药脆片，对脆片的剪切力、色差L*值、含油率和感官评分进行测定。

1.3.2.4 干燥时间对山药片品质的影响

山药清洗去皮后切分成4 mm厚的圆片，于沸水中烫漂4 min，捞出沥干水分，在60 ℃条件下分别干燥0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 h，取出冷却至常温得到山药干片，干片在160 ℃油锅中油炸4 s，立即捞出，沥油，冷却至常温得到山药脆片，对脆片的剪切力、色差L*值、含油率和感官评分进行测定。

1.3.3 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，以切片厚度、烫漂时间、干燥温度和干燥时间4个因素为自变量，以山药脆片感官得分为响应值，进行Box-Behnken响应面优化试验，通过回归方程优化工艺参数，预测响应值，获得最佳工艺条件，试验因素水平编码见表1。

表1 响应面因素与水平编码

1.3.4 测定指标与方法

1.3.4.1 剪切力的测定

TMS-Pro物性分析仪测定，采用单刀剪切，测前速率1 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率2 mm/s，每个样品平行测定10次，取平均值。理论上，脆片的剪切力越小，产品越脆，品质越好。

1.3.4.2 色差L*值的测定

采用色差仪测定，每个处理组随机选取10片，测定正反面（n=20）求其平均值。L*值代表亮度，其值越大，表示越白，亮度越好，褐变越轻，反之褐变越严重。

1.3.4.3 脂肪含量的测定

参照GB 5009.6—2016[7]索氏抽提法。

1.3.4.4 感官评定

由10名评价员对山药脆片的色泽、外观形态、风味和口感进行综合评价。评分标准见表2。

表2 山药脆片感官评价标准

1.4 数据分析

采用Design-Expert 10.0软件中Box-Behnken中心组合进行试验设计和数据分析；采用Origin 9.0制图；采用SPSS 22.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 不同切片厚度对山药脆片品质的影响

如表3所示，随着切片厚度的增加，山药脆片的剪切力整体呈上升趋势，表明厚度越大，脆性越差。主要是因为在相同的干燥条件和油炸条件下，切片厚度越大，物料内水分从内到外的扩散距离越长，干燥速率越慢[8]，水分含量相对较高，导致脆片绵软，所需剪切力增大，故脆性降低。但并不是切片越薄越好，当切片厚度为2 mm时，山药片太薄，油炸易焦、易碎、易产生有害物质，不适宜用于生产；而切片厚度大于5 mm，则产品绵软，松脆性不好，故切片厚度3～5 mm较为合适。同时，随着切片厚度的增加，山药脆片L*值逐渐增大，即亮度越好；含油率以4 mm较为适中；感官评分相互之间差异显著（p＜0.05），以切片厚度4 mm评分最高，为88.0分，即色泽形态、风味口感等各方面均较好，其次是切片厚度为5 mm的脆片感官品质也较好。综合以上，山药切片厚度4 mm较为合适。

表3 不同切片厚度对山药脆片剪切力、L*值、含油率和感官评分的影响

2.1.2 不同烫漂时间对山药脆片品质的影响

热烫可使各种酶失活，从而有效抑制酶促褐变的发生，同时排除组织内部空气，形成多孔组织，油炸后口感更佳浓郁、酥脆。如表4所示，未经烫漂的山药片油炸后L*值最低，主要是发生酶促褐变的原因，剪切力最小，易断，且未形成多孔组织，色泽、质地、酥脆性不佳，故感官评分最低；烫漂2 min，灭酶效果不彻底，还是有酶促褐变发生，故L*值与未烫漂的相比差异不显著（p＞0.05）；随着烫漂时间的增加，山药脆片酶促褐变减少，L*值逐渐增大，此时发生的褐变主要是非酶褐变。山药脆片感官评分以烫漂时间4 min时较高，为87.2分，且此烫漂时间下含油率、色泽和脆性均较好，故单因素烫漂时间选择4 min。

表4 不同烫漂时间对山药脆片剪切力、L*值、含油率和感官评分的影响

2.1.3 不同干燥温度对山药脆片品质的影响

在相同的干燥时间下，干燥温度不同，所得到的山药干片含水量不同，而含水量则与山药脆片的脆度和含油率相关[9]，故表5中山药脆片的剪切力和含油率也各不相同。理论上，干燥温度越高，干燥速率越快，相同的干燥时间内，水分蒸发越彻底，但若干燥的起始温度太高，干燥速率过快，易导致物料表面结壳，阻碍物料内部水分的蒸发[10]，能耗大，却达不到理想的干燥效果，故干燥温度适宜最好。从剪切力来看，干燥温度选择60 ℃或70 ℃为宜。物料含水量不同，油炸过程中发生的美拉德反应程度不同[11]，故L*值不同，由表5可知，以干燥温度90 ℃的脆片褐变较严重，感官评分也最低。整体上以干燥温度60 ℃所得脆片脆性好、色泽佳、含油率适中、感官评分最高，故单因素干燥温度确定为60 ℃。

2.1.4 不同干燥时间对山药脆片品质的影响

由表6可知，在60 ℃干燥温度下，随着干燥时间的延长，山药脆片的剪切力呈先增大，到2.5 h时最大，随后又降低的变化趋势，主要是由于干燥时间延长，山药片水分含量逐渐降低，由易断的水渍绵软状态变为较硬的干燥状态，干物质含量逐渐增多，故需要的剪切力增大；干燥至2.5 h时，干物质含量最高，所需剪切力最大；继续干燥至3.0 h，可能已导致细胞结构发生断裂、纤维化等变化，故3.0 h时剪切力降低。从表6还可看出，随着干燥时间的延长，山药脆片L*值和含油率逐渐降低；感官评分则先增大，至2.0 h时最大，为87.6分，随后又降低，主要是因为在相同的油炸条件下，干燥0.5～1.5 h，山药片水分含量较高，油炸后呈水渍、油渍、偏白的状态，故L*值和含油率较高，且无油炸脆片特有的风味，口感粘牙，整体感官效果较差；而干燥2.0 h，山药脆片的脆度、色泽、含油率、感官均较好，故单因素干燥时间选择2.0 h。

表5 不同干燥温度对山药脆片剪切力、L*值、含油率和感官评分的影响

表6 不同干燥时间对山药脆片剪切力、L*值、含油率和感官评分的影响

2.2 响应面试验结果

2.2.1 结果与方差分析

在单因素试验的基础上，以感官得分为响应值进行优化试验。响应面试验设计及结果见表7。

利用Design-Expert 10.0软件对表7数据进行分析，得到各因素与响应值之间的多元二次回归模型：Y=91.32-4.33A+2.29B+C+0.67D-4.83AB+2.62AC-0.87AD+0.37BC-4.67BD-3.25CD-15.66A2-5.73B2-8.47C2-6.8D2。

为检验模型方程的有效性，对山药脆片干燥模型进行方差分析，方差分析结果见表8。回归模型F=39.31，p＜0.000 1，说明各因素与响应值之间建立的模型极显著，即此试验方法具有可靠性。表8中，失拟项p=0.187 5＞0.05，即失拟项不显著，表明该方程对试验拟合情况好，试验误差小，失拟项模型选择合适；R2=0.975 2，R2Adj=0.950 4，说明试验结果有95.04%受试验因素影响，模型试验误差小，故试验预测值与实际值拟合较好。

表7 响应面试验设计与结果

表8 回归模型的方差分析结果

由方差分析结果可知，模型的一次项A、B对山药脆片感官得分影响极显著（p＜0.01）；二次项A2、B2、C2、D2对山药脆片感官得分影响均为极显著（p＜0.01），说明各因素与山药脆片的感官评分之间不是简单的线性关系；由一次项F值可知，各因素对山药脆片感官得分的影响依次为A＞B＞C＞D，即切片厚度＞烫漂时间＞干燥温度＞干燥时间。

各因素交互作用对山药脆片感官得分影响的响应面图见图1。在其中两个因素不变时，随着另外两个因素的增加，山药脆片感官得分变化幅度不同，但均呈先增大后降低的变化趋势。结合表8可知，切片厚度和烫漂时间交互作用对感官得分影响极显著（p＜0.01）；切片厚度和干燥温度交互作用对感官得分影响显著（p＜0.05）；烫漂时间和干燥时间交互作用对感官得分影响极显著（p＜0.01）；干燥温度和干燥时间交互作用对感官得分影响极显著（p＜0.01）；说明选择合适的切片厚度、烫漂时间、干燥温度和干燥时间对保持山药脆片的品质至关重要。

图1 各因素交互作用对山药脆片感官得分影响的响应面图

2.2.2 响应面优化及验证

通过回归模型的预测，得到热泵干燥山药片制得山药脆片的最佳理论条件：切片厚度3.82 mm，烫漂时间4.30 min，干燥温度60.24 ℃，干燥时间1.97 h。在此条件下预测的山药脆片感官得分为92.05分。结合实际将干燥条件，调整为切片厚度3.8 mm、烫漂时间4 min 20 s、干燥温度60 ℃、干燥时间2.0 h。在此条件下进行3次平行验证试验，实际感官得分为91.7分，与理论预测值相比，相对误差为0.38%，验证了该模型的有效性，可以利用响应面对山药脆片干燥工艺进行预测与分析。

3 结论

以贵州安顺平坝双胞山药为原材料，应用热泵干燥山药片，以切片厚度、烫漂时间、干燥温度和干燥时间为影响因素，以山药脆片感官得分为响应值，在单因素试验的基础上，进行响应面试验，确定了山药脆片的最佳干燥工艺条件：切片厚度3.8 mm，烫漂时间4 min 20 s，干燥温度60 ℃，干燥时间2.0 h。在此条件下，山药脆片感官得分为91.7分，接近理论模型预测值92.05分，说明该模型对试验结果拟合情况好，误差小，可以利用响应面对山药脆片干燥工艺进行预测与分析。