响应面法优化低脂甘薯片的预冻油炸加工工艺

李鑫，王雨生,2，陈海华*

1. 青岛农业大学食品科学与工程学院（青岛 266109）；2. 青岛农业大学学报编辑部（青岛 266109）

我国是世界上最大的甘薯生产国家，甘薯的种植面积和总产量均居世界首位[1]。甘薯是一种非常有潜力的粮食替代品，其功能性质日益受到关注，将对我国粮食安全发挥重要作用[2]。甘薯营养丰富，富含淀粉、多种人体必需的维生素（如维生素A）和矿物质，含氨基酸、蛋白质、膳食纤维等。甘薯含有多种功能因子，因而具有多种保健功能，主要用于加工干制品和保健食品[3]，其中低脂低热、酥脆、风味各异的甘薯片被食品界誉为“21世纪的食品”和“太空食品”。用甘薯制成的炸薯片，作为食品多样化发展的一种形式，因其质地、风味和外观独特而在全世界广受欢迎[4-5]。

油炸甘薯片以优质新鲜甘薯为原料进行油炸加工，但常压油炸甘薯片含油量高[6]。关于降低各类常压油炸薯片含油量的研究已有很多。Wang等[7]研究表明，通过冻融处理可制备低吸油率淀粉。Isnaini等[4]对木薯淀粉进行氯化钙涂层处理，降低木薯条含油量。近年来出现的利用真空油炸和涂层技术能有效地降低各类薯片的含油量[8]，但这些处理方法同时也降低油炸薯片的风味品质，且真空油炸技术要求和生产成本高，所采用的设备价格远高于常压油炸设备，不利于在中小企业推广。因此，降低油炸甘薯片含油量是一个亟须解决的问题，通过油炸工艺的优化，有望降低甘薯片中的含油量，提高产品色泽、脆度、气味等品质。

冷冻是改善食品质量和开发新产品的一个常用处理方法，它会影响食品的微观结构[9]。Raigond等[10]指出冷冻处理可以促进马铃薯淀粉的糊化。Tao等[11]发现，冷冻过程中，淀粉颗粒中的通道被水晶体扩张，压缩淀粉颗粒，可引起更多直链淀粉的浸出。Zhang等[12]报道由于淀粉链的损伤，冷冻处理导致直链淀粉的浸出和淀粉颗粒的结构重组。Krok等[13]发现，冷冻处理导致淀粉颗粒受损，使孔隙率增大。Wang等[7]认为冷冻处理破坏木薯淀粉颗粒，使油脂外溢。但冷冻处理对油炸甘薯片品质提升及低脂油炸甘薯片的生产工艺影响的研究很少。

试验将油炸与干燥、预冻处理进行有机结合，利用单因素试验与响应面试验相结合的方法，优化一种低脂油炸甘薯片加工工艺，该工艺较大程度保持甘薯的风味和色泽，进一步探讨不同因素间的相互作用，为油炸甘薯片研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

甘薯（在当地超市购买）；大豆油（五湖大豆油）。

1.2 仪器与设备

DHG-9076A烘箱（上海精宏实验设备有限公司）；油炸锅（桂林万卓商贸有限公司）；切片器（浙江台州市黄岩乐尚生活用品有限公司）。

1.3 甘薯片的油炸工艺

选取直径4～6 cm、无病虫害的新鲜甘薯，去皮清洗后，用清水冲洗去除表面淀粉。切片厚度为2 mm，切片后，用清水浸泡30 min护色，预冻30 min后油炸。工艺流程：原料→选料→清洗→去皮→修整→切片→护色→脱水→预冻→油炸→甩油。

1.4 单因素试验

1.4.1 烘干温度

分别选取60，70，80，90和100 ℃为烘干温度。其他因素固定：烘干时间30 min，预冻温度-80 ℃，160 ℃油炸100 s。

1.4.2 烘干时间

烘干时间分别选取0，15，30，45和60 min。其他固定因素：烘干温度80 ℃，预冻温度-80 ℃，160 ℃油炸100 s。

1.4.3 预冻温度

选取常温（20 ℃），4，-20，-80和-196 ℃为甘薯片的预冻温度。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，160 ℃油炸100 s。

1.4.4 油炸温度

设置油炸温度130，140，150，160和170 ℃。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，-80 ℃预冻，油炸时间100 s。

1.4.5 油炸时间

油炸时间分别选取80，90，100，110和120 s。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，-80 ℃预冻，160 ℃下油炸。

1.5 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，用Design Expert V8.0.6软件，以烘干时间、烘干温度、油炸时间为3个关键因素，以油炸甘薯片的感官评分为响应值，采用Box-Behnken方法进行试验设计（BBD），因素水平见表1。

表1 因素与水平

1.6 感官评价方法

参照王雨生等[14]的方法，邀请多名食品专业研究人员经培训后进行油炸甘薯片的色泽、油腻感和酥脆性等感官品质的评价，并设计油炸甘薯片感官评价标准，如表2所示。

表2 油炸甘薯片感官品质评价标准

1.7 数据统计

采用SPSS 17.0软件进行统计分析，利用Design Expert V8.0.6软件进行响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

烘干处理可以降低产品含油量[15]。由表3可知，烘干温度对油炸甘薯片的色泽、酥脆性、油腻感的影响较大。烘干温度80 ℃时，油炸甘薯片的感官评价总分最高，甘薯片呈橙红色，表面无斑点，比较酥脆，外形平整，气泡均匀。随着烘干温度升高，油炸薯片的感官评价总分呈先上升后下降趋势，而颜色持续变深，色泽的评分迅速降低。烘干温度超过80 ℃后，甘薯片边角出现炸焦现象。随着烘干温度的升高，油腻感评分逐渐升高，在90 ℃烘干时酥脆性评分最高。烘干温度较低时，甘薯片油炸前含水量大，油炸时大量水分蒸发，导致渗入的油脂过多[5]，油腻感强，另外，未炸干的水分进一步降低甘薯片的酥脆性，感官评分降低；烘干温度较高时，甘薯片含水量低，油炸时水分蒸发少，渗入的油脂少，甘薯片油腻感低，酥脆性高；过高的烘干温度使甘薯片颜色变深、酥脆性下降。综合色泽、酥脆性和油腻感3个感官指标，选择烘干温度70～80 ℃进行试验。

表3 不同烘干温度处理油炸甘薯片的感官评分

由表4可知，烘干时间30 min时，油炸甘薯片的感官评分最高，此时甘薯片呈橙红色，表面无斑点，比较酥脆。随着烘干时间的延长，甘薯片含水量逐渐降低，油腻感评分呈升高趋势；酥脆性和色泽评分随烘干时间的延长先升高后降低，烘干30 min时，酥脆性和色泽感官评分均较高。油炸时，甘薯中的水分由边缘向内蒸发，若烘干时间不足，中间水分较多，油腻感强、酥脆性差；若甘薯片含水量过低，油炸后的颜色变深，容易炸焦，口感和外形变差。因此，烘干时间会影响油炸甘薯片的色泽、酥脆性和油腻感。

表4 不同烘干时间处理油炸甘薯片的感官评分

由表5可知，预冻温度越低，油炸甘薯片的感官评价总分越高，但-196 ℃预冻后，甘薯片极易破损，不能保持完整外形，-80 ℃预冻30 min后，油炸甘薯片外形平整、口感酥脆、色泽良好、气泡均匀，感官评分很高，效果最好。降低预冻处理的温度，油炸甘薯片的酥脆性和油腻感评分升高，说明预冻处理有助于降低油炸甘薯片的油脂含量。预冻温度对油炸甘薯片感官品质的影响可能与甘薯片内水分的冷冻速度有关：预冻温度较低时，甘薯片冻结速度快，形成的冰晶晶粒微小，均匀分布在甘薯片内部，对甘薯片组织结构的破坏作用小[16]，而油炸时，微小冰晶能均匀迅速地升华为水蒸气并形成均匀气泡，因而油炸甘薯片表面微孔细腻、外形平整，口感酥脆不油腻；预冻温度高时，甘薯片冻结速度缓慢，形成冰晶大，分布不均匀，较大冰晶的形成破坏甘薯片内部结构特征[17]，而油炸时，大冰晶的融化使甘薯片含水率高，导致油炸后甘薯片松软而油腻，食用品质降低。

表5 不同预冻温度处理油炸甘薯片的感官评分

由表6可以看出，油炸温度对甘薯片色泽、酥脆性、油腻感影响较大。随着油炸温度升高，甘薯片的油腻感和酥脆性的感官评分逐渐升高，这可能是由于油炸温度的升高导致热应力急剧增大，淀粉颗粒变形破裂、糊化，甘薯片变焦[18]，酥脆性升高。在160 ℃时色泽的感官评分最高，170 ℃时大幅降低，这应该是因为油炸温度较低时，美拉德反应缓慢，产生的颜色物质较少，色泽较淡[19]，而油炸温度过高时，美拉德反应剧烈，使甘薯片颜色变深。因此，选择甘薯片的油炸温度160 ℃为宜。

表6 不同油炸温度处理甘薯片的感官评分

由表7可以看出，随着油炸时间延长，甘薯片的油腻感、酥脆性的感官评分逐渐升高，这可能是由于延长油炸时间，甘薯片内水分蒸发，导致含水量逐渐降低。油炸时间100 s时，甘薯片的感官评分最高，色泽最好，品质最佳。油炸时间超过100 s时，美拉德反应和焦糖化反应产生过多的颜色物质，使甘薯片颜色变深，并出现苦味[20]。因此，选择油炸时间为100 s较合适。

表7 不同油炸时间处理甘薯片的感官评分

2.2 回归模型与方差分析

应用Design Expert V8.0.6软件对表8的试验数据进行多元回归拟合，得到色泽、酥脆性、油腻感3个因素与感官评价总分之间的二次关联模型，如式（1）所示。

感官评分=22.30+0.78A-1.70B+1.00C-1.25AB-0.60AC-0.5BC-2.7A2-3.6B2-5.8C2（1）

式中：A为烘干时间，min；B为烘干温度，℃；C为油炸时间，s。

对表8的数据进行回归分析，各项的方差分析结果见表9。

表8 Box-Behnken试验设计及响应值

由表9可知，模型的F值为42.05，p＜0.05，表明二次模型（1）具有显著性和可靠性，B、A2、B2、C2的p＜0.01表明它们对感官评分有极显著影响，A、C、AB的p＜0.05，表明它们对感官评分有显著影响，而AC、BC的p＞0.05，表明它们对感官评分没有显著影响。二次模型失拟度p（0.102 6）＞0.05，影响不显著，校正系数Radj2=0.985 8接近于1，说明试验误差小，模型有较高的可信度和精度[21]，可用于预测分析烘干时间、烘干温度、油炸时间3个关键因素与油炸甘薯片感官评价总分之间的关系。

表9 回归模型方差分析

2.3 因素交互作用分析

利用Design Expert V8.0.6软件对表8的试验数据进行三元二次回归拟合分析，响应面及等高线如图1～图3所示。由图1（a）可知，油炸时间位于中心水平时，烘干时间与烘干温度所形成的等高线呈椭圆形，说明两者的交互作用较强[22-23]。烘干温度的变化对油炸甘薯片感官评分的影响相对较大，表现为响应曲面对烘干温度（图2b）的坡度较大[24]，对烘干时间的坡度较缓。从图2可知，烘干时间和油炸时间所形成的等高线图呈椭圆形，二者交互作用较强。油炸时间变化对甘薯片感官评分影响的等高线较为密集，说明油炸时间对甘薯片感官评分的影响较大[25]。从图3可以看出，烘干温度与油炸时间有一定交互作用，相比烘干温度的变化，油炸时间的变化对甘薯片感官评分的影响较大。

图1 烘干时间与烘干温度交互作用影响油炸甘薯片感官评分的等高线图（a）与响应面图（b）

图2 烘干时间与油炸时间交互作用影响油炸甘薯片感官评分的等高线图（a）与响应面图（b）

图3 烘干温度与油炸时间交互作用影响油炸甘薯片感官评分的等高线图（a）与响应面图（b）

2.4 工艺参数优化及验证结果

对二次关联模型（1）求解，计算双曲面最高点对应的各因素值[21]，当A=31.5，B=73.8，C=98.5时，响应值最大为22.3，为最优值，即取最优工艺参数烘干时间、烘干温度和油炸时间分别为31.5 min，73.8℃和98.5 s。对最优工艺进行3次平行验证试验，结果如表10所示，油炸甘薯片的实物照片如图4所示。从表10可以得出，在最优工艺参数下，油炸甘薯片的感官评价总分平均值可达22.3分。

表10 最优条件下验证试验 单位：分

图4 响应面优化的油炸甘薯片

3 结论

在单因素试验基础上，确定甘薯片的最佳预冻温度-80 ℃、油炸温度160 ℃，根据单因素试验和响应面试验确定低脂油炸甘薯片的最佳工艺参数：烘干时间31.5 min、烘干温度73.8 ℃、油炸时间98.5 s，该条件下油炸甘薯片感官评分总分为22.3分。该试验引入了超低温冷冻技术，优化了油炸甘薯片的制备工艺，降低了产品油含量，为低脂油炸甘薯片的生产提供了技术支持。