番茄红外辐射热脱皮试验工艺优化

2021-08-11丁天航宋卫东王教领刘自畅王明友吴今姬周德欢

中国食品学报 2021年7期

丁天航，宋卫东，王教领，刘自畅，王明友，吴今姬，周德欢，周帆

（农业农村部南京农业机械化研究所南京 210014）

工厂生产番茄系列产品过程中，前期需要将整番茄脱皮，脱皮要求番茄的果肉理化性质损伤低、脱净率高、脱皮损失小等，脱皮质量的好坏直接决定了番茄制品的品质[1-3]。传统的脱皮方法有机械法、化学法和热浸法[4]。目前工厂生产的番茄制品多采用化学和热浸法相结合的方法进行加热处理[5]，然后用手工剥离番茄皮，这种方法虽能达到脱皮效果，但由于化学物质的使用和手工繁杂的操作，影响了产品质量，同时，这种剥离方法造成水和能源浪费严重，产后废水处理也需要一定成本，加重了企业负担[6-8]。迫切需要开发一种非化学、可持续的脱皮方法，既可减少或消除水和化学品的使用，又可提高脱皮后产品的品质。

近年来，红外辐射加热在番茄等果蔬脱皮上的应用研究越来越多，其采用物质分子共振吸收光谱的“匹配吸收”理论，具有环境污染小、加热快、浅层穿透等特点[9-10]。国内外学者针对果蔬红外脱皮有很多报道。如：李葆杰[11]对马铃薯进行红外辐射脱皮，发现辐射距离50 mm、时间60 s 时，脱皮效果最佳。王丽娟等[12-13]研究了不同去皮方法，传统的碱液和蒸汽去皮对环境污染和脱皮质量评价差，新型的红外加热法等脱皮方法可提高脱皮速度和质量，对环境影响小。徐保国等[14]采用催化式红外技术对樱桃番茄进行辐射加热脱皮，在辐射距离30 cm、时间3 s 的条件下脱皮效果最佳，脱皮损失仅7.68%。Wang 等[15]通过红外辐射法对枣进行脱皮，与碱液去皮的枣相比，红枣的去皮损失和颜色变化均较低。Vidyarthi 等[16]、Pan等[17-19]研究了红外脱皮樱桃番茄，红外脱皮机理是辐射加热使番茄表皮细胞层塌陷，降低表皮黏附性；中试试验中，对樱桃番茄红外辐射加热，使番茄表面达到适宜温度，得到较高的脱皮性能和产品质量；对红外辐射源材质和发射频率作对比研究，进一步缩短了达到脱皮温度的时间。

在番茄红外加热脱皮时，红外辐射强度、加热时间、发射极与番茄间距是影响脱皮性能的关键工艺参数[20-21]。前人多以国外饮食习惯中常用的樱桃番茄为研究对象，而国内对大番茄的加工亦不可或缺。鉴于大番茄外部形态与表皮特性有别于其它物料，且大番茄脱皮研究较少，本文以大番茄为研究对象，借鉴前人对红外脱皮的研究，设计符合大番茄的质量量化评价体系，采用Box-Behnken 响应面理论对辐射间距、加热时间和红外功率三因素设计试验方案，以脱皮率、脱皮损失和表面温度量化响应指标综合评价番茄脱皮性能，结合实际生产需求，分析和优化脱皮性能指标，获取最佳工艺参数，为工业化番茄红外脱皮提供参考。

1 材料与装置

1.1 番茄筛选与要求

以大番茄为研究目标，选用江苏宿迁生产的西粉二号品种。为保证试验材料的一致，降低个体尺寸的差异带来的试验误差，筛选外形尺寸相近的番茄作为试材，将番茄近似看作扁球体，定义番茄外径包括番茄长轴和短轴，测定长轴和短轴。对剔除成熟度不高和表皮损伤后的番茄外径随机进行测量，其长轴分布占比见图1，其中长轴为69～72 mm 的番茄占比38%，为利用率最大化，因此选用长轴为69～72 mm 的番茄作初选结果。对初选的番茄再进行短轴筛选，78.9%的番茄短轴在57～60 mm 之间。最终选用长轴69～72 mm、短轴57～60 mm 的番茄，占番茄总数的30%。本试验中，番茄选用依外径标准筛选，以达到试验材料尺寸一致，确保试验的精确性。将筛选的番茄在6 ℃冰箱条件下贮藏，4 d 内使用。为防止番茄温度过低带来试验误差，在试验前将番茄置室温环境2 h。

图1 番茄长轴尺寸分布占比图Fig.1 Proportion of tomato major axis size distribution

1.2 主要仪器与设备

红外辐射装置，自制；红外发生器（石英材料，发射波长2.0～3.2 μm，额定功率500 W），合肥蒯科砾电气有限公司；CJW888 游标卡尺（精度0.01 mm），青岛艾瑞泽电子有限公司；BSA224S 电子天平，广州市深华生物技术有限公司；Fluke MT4 MAX 红外测温仪，武汉永盛科技有限公司；索尼ILCE-7K 相机，索尼中国有限公司。

1.3 红外辐射加热装置

红外辐射采用“匹配吸收”理论，即以物料分子红外光谱图为基础，物料分子吸收红外辐射光谱产生共振，分子间产生热运动，达到加热的目的，具有加热速度快、浅层加热的特点[22-23]，其特点与番茄加热脱皮需求相吻合，既能保证表皮加热温度的要求，又能防止果肉过度加热。

本装置主要由红外加热系统和传送系统组成。如图2所示，红外加热系统由红外发射器和调节系统组成，红外发射器安装在盖板上。红外调节系统主要调节红外发射器的高度和功率，其高度由盖板上的螺栓调节，功率由控制柜里的功率调节器改变发射器的电压调节。传动系统在设备中主要实现自转和公转功能，链条公转实现番茄的水平输送，链条上的传送辊通过齿条配合达到自转要求，保证番茄在水平输送过程中均匀翻转，达到均匀的红外加热的目的。

图2 番茄红外辐射加热设备结构简图Fig.2 Structure of tomato infrared radiation heating equipment

2 试验设计与评价方法

2.1 试验因素及水平

通过前人研究[15-19]和预试验发现，辐射间距、加热时间和红外功率3 个因素对番茄脱皮性能影响较为明显。本试验为探究各因素对番茄脱皮的影响，每个因素均设置3 个水平。辐射间距（X1，mm）3 个水平分别为60，70，80 mm，辐射间距通过红外盖板上的调节螺栓，调节红外辐射器的高度；加热时间（X2，s）选择120，180，240 s 3 个水平，通过控制变频电机转速，调整链条的公转速率来控制时间；红外功率（X3，W）3 个水平，分别设置为400，450，500 W，通过改变电压来调节红外发射器功率。经辐射加热的番茄，在室温冷却2～3 s，采用人工单手指扒皮方式进行番茄脱皮（对后续脱皮拨指设计提供思路），防止人为揭皮、撕皮等行为影响。对去皮性能进行评价。

2.2 番茄脱皮性能评价方法

将脱皮率（Y1，%）、脱皮损失（Y2，g/mm2）和表面温度（Y3，℃）作为响应变量，综合量化评价番茄的脱皮性能。脱皮率是指脱离的表皮占整番茄表皮面积的比值，已知整番茄表皮面积按扁球体近似计算（不考虑番茄表面不平整带来的表面积影响），椭球表面积见公式（1）。因脱离的表皮面积大且计算困难，故选择公式（2）计算脱皮率，番茄上剩余残皮用小刀取下，平铺，正向拍照，用Photoshop 对照片进行处理，见图3。根据标尺及处理后残皮面积占比，计算出残皮的实际面积（因残皮面积较小，故不考虑残皮曲面及凹凸等面积的影响），求出脱皮率。其数值越大，工艺参数对脱皮性能的影响越好。

图3 Photoshop 处理残皮面积图片Fig.3 Treatment of residual skin area by Photoshop

式中，S——番茄表面积，mm2；a——番茄长轴，mm；b——番茄长轴，mm，b=a；c——番茄短轴，mm。

式中，Sc——番茄未脱下残皮面积，mm2。

脱皮损失（Y2，g/mm2）主要检测脱皮质量的好、坏，在脱皮率一定的条件下，脱皮损失小代表容易脱皮且表皮附带的果肉较少，脱皮过程中损失较低，番茄的脱皮性能较好；反之，脱皮性能较差。由于每个番茄的脱皮面积不一，为精确统计参数变化对脱皮损失的影响，采用单位面积上残留果肉的质量作为脱皮损失处理结果，具体计算方法见公式（3），单位g/mm2。

式中，mt——脱皮质量，g。

番茄红外加热脱皮是利用高温使果肉果皮的黏附性降低，从而达到表皮脱皮的条件。番茄的表面温度（Y3，℃）是辐射加热的一个表象，是反映番茄红外辐射效果的一个重要指标，对番茄脱皮性能评价尤其重要。用红外测温仪测定加热后的番茄，其数值大小代表番茄在辐射时间内积温的多少。温度低脱皮困难，脱皮率低；温度过高果肉容易软化黏附在表皮上，导致脱皮损失增加。合适的表面温度使番茄达到最佳脱皮状态，探究影响表面温度的最优工艺参数，对直观评价预测脱皮性能有参考意义。

2.3 试验设计

响应曲面设计方法（Response surface methodology，RSM），是利用合理的试验设计方法，通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法[24-25]。以辐射距离（X1，mm）、加热时间（X2，s）和强度（X3，W）3 个因素为自变量，每个因素均设3 个水平。以脱皮率（Y1，%）、脱皮损失（Y2，g/mm2）和表面温度（Y3，℃）作为响应变量，设计三因素三水平二次回归正交试验方案。通过Box-Behnken 响应面设计17 组试验（表1），对得到的响应值进行分析，建立番茄脱皮模型。将试验数据转化为二阶多项式模型，计算回归系数。预测最优点的广义二次方程解释如下：

表1 Box-Behnken 响应面设计及响应值Table 1 Box-Behnken response surface design and response value

在方程（4）中，多项式项的系数用b0（常数项）、b1、b2和b3（线性系数）、b11、b22和b33（二次项系数）和b12、b13和b23（交互项系数）表示。通过方差分析（ANOVA）发现模型中每个反应的显著项，根据数据计算的检验水平值判断显著性。

2.4 模型验证

采用RSM 对响应变量脱皮率（Y1，%）、脱皮损失（Y2，g/mm2）和表面温度（Y3，℃）进行数值优化，根据实际生产需求，选择优化条件：最大化脱皮率和表面温度指标、最小化脱皮损失指标。得到最佳番茄脱皮性能的工艺参数（辐射间距X1、加热时间X2和红外功率X3），并对脱皮效果进行验证。最后，将模型预测值与试验值进行比较，确定模型的有效性。

3 结果与分析

3.1 数据处理与分析

根据 Box-Behnken 试验原理设计三因素三水平分析试验，试验方案包括17 个试验点，其中包括12 个分析因子，5 个零点估计误差，试验方案与响应值见表1。

根据 Box-Behnken 试验原理设计三因素三水平分析试验，试验方案包括17 个试验点，其中包括12 个分析因子，5 个零点估计误差，试验方案与响应值见表1。利用响应曲面设计方法（Response surface methodology，RSM）对表1的数据进行分析处理，其方差分析结果显示模型对所有响应均具有显著性（P<0.0001），失拟项均不显著（P>0.0665），详见表2，其余参数还包括R2、RAdj2、RPred2、变异系数、信噪比[26-27]。模型的R2均大于0.99，说明模型整体拟合度较好；RAdj2和RPred2相近，均大于0.9644。变异系数c.v.%是衡量模型各响应值变异率的统计量，一般认为变异系数大于15%的数据可能不正常分析得出c.v.%均小于1.87，说明模型的稳定性较好。信噪比是对模型自身评价的一个指标，比率大于4 即能说明模型良好，此次信噪比在38.87～62.07 之间，说明模型良好。因此，此模型可靠性高，可用于番茄红外脱皮的参数优化。

表2 响应拟合二次模型的评价Table 2 Evaluation of response fitting quadratic model

表3给出的是模型拟合的回归方程自变量系数和显著性，对不同的响应，自变量系数的显著性各不相同。对脱皮率Y1，除二次项X12，其余各项系数均显著（P<0.0122），尤其一次项系数均高度显著（P<0.0001）；对脱皮损失Y2，一次项X2的系数不显著（P=0.4909），说明时间因素对脱皮损失影响较小，与时间因素相关的X2X3交互项系数也表现出不显著性（P=0.144），其余各项系数均高度显著（P<0.0001）；所有自变量系数对表面温度Y3指标均表现显著性（P<0.005）。为直观观测各参数对响应指标的影响，利用软件Design Expert 8.0.6绘制三维响应面图，主要分析交互作用对各响应的作用效果，以探求分析对脱皮性能最佳的参数，进而指导工艺参数优化，达到最佳脱皮效果。

表3 估计回归系数及其显著性Table 3 Estimated regression coefficient and its significance

3.2 工艺参数对脱皮性能的影响

由表3所示的二阶多项式回归方程的有效系数及相应的P 值确定脱皮性能的操作参数。利用软件Design Expert 8.0.6 绘制各因素对脱皮率、脱皮损失和表面温度的三维响应面图，可视化处理各因素的交互作用效果。

分析可知，除二次项X12，一次项和交互项对Y1脱皮率均表现高度显著（P<0.001）。图4所示，对脱皮率（Y1）各因素影响效果的三维响应面图，由图可知，各因素对脱皮率的影响较为明显，尤其是加热时间和红外功率两因素，番茄的脱皮率随红外辐射功率的增加而逐渐升高，随辐射距离的增加而降低。在辐射距离一定的前提下，功率和时间因素对应的脱皮率变化幅度较大，功率最小且时间最短的参数脱皮率最低，随着功率增大，时间延长，番茄的脱皮率明显提高。图4a 中辐射间距和红外功率交互因素影响中，番茄脱皮率受红外功率影响较大，在功率最大时，脱皮率也达到最大值；图4b 显示番茄脱皮率受加热时间和红外功率的影响较大，在加热时间和红外功率最低水平时，脱皮率也最低，随着因素水平的上升，脱皮率迅速增加。可以看出高脱皮率主要集中在功率高、时间长的区域，高脱皮率的原因主要由高功率的红外辐射和较长的辐射时间造成番茄表皮积温增加，进而导致番茄表皮松弛开裂，说明红外辐射强度高、加热时间长有利于番茄表皮的脱离。由于试验产品为大番茄，虽与前人研究规律一致，但加热时间较长，可能是番茄体积过大，所需积温较高所致。

图4 番茄脱皮率响应面分析图Fig.4 Response surface analysis of tomato peeling proportion

脱皮损失是番茄脱下表皮的单位面积质量，其数值越小，脱皮过程中损失越小，脱皮效果越好。表3显示距离和时间、距离和功率的交互作用均表现极显著（P<0.001）。绘制脱皮损失响应面分析图5，可以看出随着辐射距离、时间和功率各水平由低到高，脱皮损失均表现出先降后升的趋势。图5a 脱皮损失在X1：66 mm，X2：174 s 时最小，图5b 脱皮损失在X1：67 mm，X3：440 W 时最小。分析其原因主要是由于三因素在低水平时，番茄表皮与果肉黏附性较高，脱皮过程中表皮黏附较多果肉，造成脱皮损失较高；而在高水平时，番茄表皮的积温量随之增加，与果肉黏附性降低，表皮松弛甚至开裂，导致过度加热，脱皮的表皮附带较多的汁液和少量浆状果肉，造成脱皮损失较高。由此可看出，脱皮率随各因素水平的升高几乎同时表现出线性升高的趋势，而脱皮损失不同，只有合适的红外辐射功率、辐射时间和距离，才能达到脱皮损失最低的目的。低脱皮损失是衡量番茄脱皮量产的重要指标，综合优化各因素参数指标降低脱皮损失，是工厂化生产的一个重要标准要求。

图5 脱皮损失响应面分析图Fig.5 Response surface analysis of tomato peeling loss

番茄表面温度主要反映辐射加热过程中，番茄表皮的积温多少，代表番茄表皮加热的程度。在一定范围内（Vidyarthi 等[28]研究番茄表面温度控制在115 ℃以内），番茄表面温度越高，代表表皮与果肉的黏附性越低，脱皮性能越好。各因素间的交互作用对表面温度响应均有显著影响，见图6。可看出随着辐射功率和时间的增加，番茄表面温度迅速升高，可能是由于番茄表皮的升温主要由辐射强度和辐射时间决定；在辐射时间一定的条件下，距离因素对表面温度的影响先上升后下降，在X1：72 mm，X3：485 W 达到最高温度109.8 ℃。

图6 间距和功率交互因素对表面温度的响应面分析图Fig.6 Response surface analysis of interaction factors to surface temperature

分析发现，红外功率对脱皮率和表面温度影响尤其明显，功率高时，脱皮率和表面温度均在高位；而最佳脱皮损失所需的因素条件相对均衡，需要三因素均达到合适的水平。不同响应目标的最佳条件对应的因素水平均不相同，对3 个评价指标综合数值优化分析，确定具体工艺参数水平。

3.3 综合因素优化

采用Box-Behnken 响应面方法和生产实际优化工艺参数。对脱皮率（Y1）和表面温度（Y3）进行最高水平优化，对脱皮损失（Y2）进行最低水平优化，得到期望值为0.897 的唯一解，最优工艺参数和响应见表4。为验证模型预测响应值的准确性，用优化的参数条件做重复试验3 次，得到表4中的结果。与预测值相比，均在预测值±5%范围，表明优化的辐射距离、时间和功率参数水平能较好地预测番茄最佳脱皮性能。最终，优化的自变量选择X1：70.12 mm、X2：200.4 s、X3：464.7 W，对应的试验脱皮率93.27%，脱皮损失4.19×10-5g/mm2，表面温度105.9 ℃。