响应面法优化芜菁微波脉动压差干燥工艺

鲁畅，白羽嘉，黄婷婷，付文欠，冯作山

新疆农业大学食品科学与药学学院（乌鲁木齐 830052）

芜青，是十字花科芸苔属2年生草本植物，多种植在我国新疆及西藏地区[1]，含有大量对人体有益的营养成分及活性物质，且富含多种矿物质元素和有机生物碱，是一种药食同源的植物[2-4]。由于在经过长时间的存放之后会导致芜菁所含水分及营养成分流失，且运输成本较高，因此为扩大其对外市场，实现产业化发展，需要对芜菁进行加工，从而减少其营养成分的流失，提高其贮藏时间。微波脉动压差干燥技术将微波加热技术与压差膨化干燥技术[5]相结合，利用微波能为物料干燥提供热源，克服热传导速率慢的缺点[6]，真空环境能够让物料处于较低的温度下进行干燥，可以很好地保留物料中的营养成分，同时膨化作用能使物料保持较好的形状而不至于在干燥过程中塌陷，在缩短干燥时间的同时，提高干燥的效率及干制品的品质。

国内外对芜菁的研究都主要集中在其活性物质的提取及在医学上的应用，对其加工方面的研究较少。其中，高琦等[7-8]通过比较不同干燥方式对芜菁脆片物理性质、营养成分、微观结构等的影响，寻找最优的芜菁脆片干燥方式；干燥方式综合评价结果为真空冷冻干燥＞变温压差膨化干燥＞红外干燥＞热风干燥。但真空冷冻干燥设备及加工过程花费较高，生产周期较长，因此变温压差膨化干燥为芜菁脆片的最适加工方式；使用主成分分析法探究4种不同干燥方式下的芜菁脆片的香气成分变化，从而对不同干燥方式下芜菁脆片品质的进行区分，这为研究干燥方式对芜菁品质影响以及其干制加工提供依据。徐庚等[9]以芜菁为试验原料，研究不同干燥工艺对芜菁干燥持续时间、色泽、感官评价及能耗的影响，为芜菁较优的干燥工艺提供依据。

本试验采取微波脉动压差组合干燥对芜菁进行干燥，研究不同因素对干制品复水性的影响，采用响应面法对其微波脉动压差组合干燥条件进行优化，得到最优工艺参数。从而为芜菁大规模干制和产业化发展提供理论基础和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

芜菁购买于新疆农业大学附近蔬菜店，根据GB/T 5009.3—2010《食品中水分的测定》方法[10]，测得所购芜菁的初始含水率分别为91.61%±0.26%（湿基）。

将新鲜芜菁切成4.0 cm×2.0 cm×0.5 cm大小的块状，并经过3 min热烫处理，将表面水分晾干后，称重装盘。

1.2 试验方法

1.2.1 单一真空度的干燥试验

通过控制微波功率密度和微波火力不变，并将其分别设定为4.0 W/g和60%，改变缓冲罐的真空度，将缓冲罐真空度分别设置为300，400，500，600和700 Pa。每20 min对物料称量1次，记录并计算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每个真空度下做3组平行。

1.2.2 单一微波火力的干燥试验

通过控制缓冲罐真空度以及微波功率密度不变，并将其分别设定为500 Pa和4.0 W/g。改变其微波火力，将微波火力分别设置为20%，40%，60%，80%和100%。每20 min对物料称量一次，记录并计算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每个火力下做3组平行。

1.2.3 单一微波功率密度的干燥试验

通过控制缓冲罐真空度及微波火力不变，并将其分别设定为500 Pa和60%，改变其微波功率密度，将其功率密度分别设置为2.0，3.0，4.0，5.0和6.0 W/g。每20 min对物料称量一次，记录并计算其含水率，直至干燥至物料含水率降至安全含水率以下停止干燥。每个微波功率下做3组平行。微波功率密度是单位质量的平均微波功率[11]，按式（1）计算。

式中：PD为微波功率密度，W/g；P为微波功率，W；m为初始物料质量，g。

1.2.4 响应面优化试验设计

以真空度、微波火力及微波功率密度为因素，试验因素水平由其单一真空度、微波火力和微波功率密度干燥试验确定。进行响应面试验分析，比较其色泽及复水效果，确定最佳干燥条件。试验因素水平设计见表1。

表1 因素水平编码表

1.2.5 指标测定

1.2.5.1 色差

色泽是对干制品品质的重要评测指标之一。在试验中，通过使用色差仪来对芜菁的L、a、b值进行测定，并通过计算得到其色差值ΔE，用ΔE对其色泽进行评测[12]。对每个干燥条件下的干制品随机选取3点进行测定其L、a、b值，取其平均值。色差值按式（2）计算。

式中：ΔE为色差值；ΔL为偏向黑白值；Δa为偏向红绿值；Δb为偏向黄蓝值。

1.2.5.2 复水比测定

称取一定质量的干燥后的芜菁脆片，将其放入40 ℃恒温蒸馏水中复水30 min，取出将其表面水分沥干20 min，对样品复水后的质量进行称重[13]。产品复水比按式（3）计算。

式中：RR为复水比；Mf为产品复水沥干后质量，g；Mg为复水前产品质量，g。

1.2.6 数据处理与分析

利用Design Expert 8.0.6.1、SPSS 20和Origin 8.5软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同干燥因素对色泽的影响

2.1.1 真空度对色泽的影响

由图1可知，微波功率密度4.0 W/g、微波火力60%、真空度300～700 Pa时，随着真空度增大，也即真空压力降低，其色差值不断增大。分析其可能的原因是：一是随着干燥环境中的真空度不断提高，该干燥环境中氧气含量也不断增加，使得芜菁中所含色素和酶被氧化概率大幅增加，从而使得芜菁色差值不断增加；二是随着真空度不断升高，水的沸点温度也在增加，从而提高水分的蒸发温度，减缓芜菁中水分的蒸发速率，增加其干燥时间，并且提高干燥环境温度，不利于芜菁保持其原有色泽。

图1 不同真空度对芜菁色泽变化的影响

2.1.2 微波火力对色泽的影响

由图2可知，真空度500 Pa、微波功率密度4.0 W/g、微波火力20%～100%时，随着微波火力不断增加，干燥后的芜菁脆片色差值呈先降低后增加趋势。分析其可能的原因是：一是在较低的微波火力条件下，芜菁干燥时间较长，使得芜菁中所含的色素和酶与干燥环境中所残留的氧气接触的时间增加，从而使得其色差值在该干燥条件下随着微波火力不断增加，色差值不断降低，有利于芜菁色泽的保持；二是在较高的微波火力条件下，由于微波火力不断增加，使得干燥环境中的温度不断升高，芜菁出现不同程度的糊化现象，从而其色差值不断增加，故在该微波火力条件下，需降低其微波火力，有利于干燥后的芜菁脆片色泽的保持。

图2 不同微波火力对芜菁色泽变化的影响

2.1.3 微波功率密度对色泽的影响

由图3可知，真空度500 Pa、微波火力60%、微波功率密度2.0～6.0 W/g时，随着微波功率密度不断增加，干燥后的芜菁脆片色差值呈先降低后增加趋势。分析其可能的原因是：在微波功率密度较低时，干燥时间较长，使得芜菁在干燥过程中发生酶促褐变的概率增加；而随着微波功率密度不断增大，单位质量芜菁所吸收的微波能不断增多，加速其分子运动，从而使其产生热能增多，干燥环境温度升高，过高温度对芜菁中所含的色素及酶具有极强的破坏作用，故色差值变大[14]，且微波功率密度高于6.0 W/g时，芜菁会出现较为明显的焦糊化现象，对保持芜菁色泽不利，故其在微波功率密度2.0～6.0 W/g时，会出现色差值先降低后升高的现象。

图3 不同微波功率密度对芜菁色泽变化的影响

2.2 不同干燥因素对复水比的影响

2.2.1 真空度对复水比的影响

微波火力60%、微波功率密度4 W/g时，在不同真空度条件下芜菁的复水曲线如图4所示。随着真空度提高，芜菁的复水比随着真空度变化呈现先升高后降低趋势，可能是由于在高的真空压力下，水分沸点温度降低，增大水分蒸发速率，从而在较短时间内形成较大蒸汽压力，使芜菁组织膨胀性增强，因此复水性逐渐增强，但过大的蒸汽压力会破坏组织细胞结构[14]，从而使复水性减弱。且在真空度500 Pa左右达到最高值，故在后续响应面试验过程中取400，500和600 Pa作为真空度水平。

图4 不同真空度下芜菁复水曲线

2.2.2 微波火力对复水比的影响

真空度500 Pa、微波功率密度4 W/g态时，在不同火力条件下芜菁复水曲线如图5所示。随着火力提高，芜菁的复水比随着火力增加呈现先升高后降低趋势，且在火力60%左右时达到最高值。火力超过80%时，芜菁复水曲线趋势变陡，可能是由于在过高的火力条件下，过长的微波工作时间使得芜菁在干燥过程中吸收的微波能增加，物料的温度升高，出现焦糊现象，从而影响芜菁的复水效果。因此在后续响应面试验过程中取40%，60%和80%作为微波火力水平。

图5 不同微波火力下芜菁复水曲线

2.2.3 微波功率密度对复水比的影响

真空度500 Pa，微波火力60%时，在不同微波功率密度条件下芜菁复水曲线如图6所示。随着微波功率密度提高，芜菁的复水比随着微波功率密度的变化呈现出先升高后降低趋势，并且在微波功率密度4 W/g左右达到最大。功率密度高于6 W/g时，芜菁在微波脉动压差组合干燥过程中出现焦糊现象，从而影响干制后的产品的复水效果，故在后续响应面试验过程中取3，4和5 W/g作为微波功率密度水平。

图6 不同微波功率密度下芜菁复水曲线

2.3 芜菁工艺参数优化

2.3.1 芜菁干燥回归方程建立及显著性分析

对表2中的试验数据进行分析，得到真空度、微波火力、微波功率密度与样品色泽及复水效果之间的多元二次回归方程式：X=9.24+0.39A-0.85B+3.07C+ 1.56AB-1.24AC+5.36BC+0.42A2+4.07B2+6.01C2；Y=7.97+0.36A+0.66B-0.38C-0.31AB+0.78AC-0.93BC-0.30A2-1.61B2-1.45C2。由表3和表4可知，多元二次回归方程的p＜0.000 1，即差异极显著，失拟项pX=0.184 2＞0.05，pY=0.224 1＞0.05，也即差异不显著。方程的决定系数RX2=0.999 7＞0.90，RY2=0.987 6＞0.90，说明模型拟和精度较高。通过对回归系数的检验可知，影响色泽的主次顺序是C＞B＞A，影响复水效果的主次顺序是B＞C＞A，影响均极显著；其中A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2对色泽影响极显著（p＜ 0.01）；而A、B、C、AC、BC、B2和C2对复水比有极显著影响（p＜0.01），AB和A2对复水比有显著影响（p＜0.05）。综上，所建模型准确性和可信度较高。

表2 试验设计表及结果

表3 色泽回归模型方差分析

表4 复水效果回归模型方差分析

2.3.2 芜菁组合干燥响应面分析

响应面模型中的曲面投影形状可以反映考察因素间交互效应的强弱，等高线图形的形状近似圆形能体现出各个因素之间的交互作用不是很显著[15-17]。当真空度、微波火力、微波功率密度3个因素之中任意一个因素取零水平时，剩余的2个因素对产品色泽及复水比的影响如图7～图9所示。

图7是微波功率密度4.0 W/g条件下，真空度-微波火力与色泽及复水比关系的响应曲面图。在高真空条件下，色泽随着微波火力增大而降低，在低的真空条件下，色泽随着微波火力的增加而增大；真空度500 Pa以下某一固定值时，微波火力20%～60%范围时，复水比随微波火力增大而增大；真空度500 Pa以上某一固定值时，微波火力60%～100%范围时，复水比随微波火力增大而降低。通过检验结果pXAB＜0.000 1（p＜ 0.01），pYAB=0.038（p＜0.05），显示真空度与微波火力的交互作用对芜菁干制品色泽影响极显著，复水的影响显著。

图7 真空度-微波火力交互作用

图8是微波火力60%条件下，真空度-微波功率密度与色泽及复水比关系的响应曲面图。真空度较低时，适当增大微波功率密度能减少产品色泽变化，提高复水比；真空度较高时，过高的微波功率密度反而增加产品色泽变化，降低产品复水比。通过检验结果pXAC＜0.000 1（p＜0.01），pYAC=0.000 4（p＜0.01），显示真空度与微波功率密度的交互作用对芜菁的色泽和复水影响极显著。

图8 真空度-微波功率密度交互作用

图9是真空度500 Pa条件下，微波火力-微波功率密度与色泽及复水比关系的响应曲面图。火力较低情况下，适当增大微波功率密度能减少产品色泽变化，提高复水比；微波火力较高时，产品色泽随着微波功率密度增大而增大，复水比随微波功率密度增大而降低。pXBC＜0.000 1（p＜0.01），pYBC=0.000 1（p＜ 0.01），显示微波火力与微波功率密度的交互作用对芜菁干制品的色泽和复水影响极显著。

图9 微波火力-微波功率密度交互作用

经过试验统计软件Design-Expert.V8.0.6.1对数据进行分析拟合，得到芜菁微波脉动压差组合干燥最优工艺条件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，复水比7.928 91。

3 结论

试验探究芜菁在微波脉动压差组合干燥条件下，真空度、微波火力、微波功率密度等因素对芜菁干燥过程中色泽和复水比的影响；通过响应面法分析真空度、微波火力、微波功率密度与芜菁色泽和复水比之间的关系，建立芜菁微波脉动压差组合干燥的回归数学模型；对芜菁微波脉动压差组合干燥工艺进行综合优化。结果表明：芜菁干燥后，色差值随着真空度增大，不断增大，随着微波火力、微波功率密度升高呈先上升后下降趋势，而复水比随真空度、微波火力、微波功率密度升高均呈先上升后下降趋势；芜菁微波脉动压差组合干燥最优工艺条件：真空度423.13 Pa，微波火力69.83%，微波功率密度3.48 W/g，色差值7.324 93，复水比7.928 91。