厚皮甜瓜脆片压差膨化干燥工艺

2022-07-13许铭强孟伊娜孟新涛邹淑萍

新疆农业科学 2022年6期

许铭强，孟伊娜，张婷，马燕，孟新涛，邹淑萍，张谦

(新疆农科院农产品贮藏加工研究所/新疆主要农副产品精深加工工程技术研究中心，乌鲁木齐 830091)

0 引言

【研究意义】厚皮甜瓜(Cucumismelo)，属于葫芦科(cucurbitaceae)，甜瓜属(cucumis)，盛产于中国新疆[1]，肉嫩甜爽、风味浓郁。鲜果运输成本高，且产量远大于市场供应量，导致大量成熟鲜果在短期内集聚，耐贮性较差、易腐烂变质[2-4]。研究新疆厚皮甜瓜脆片干燥工艺，对分析新疆厚皮甜瓜脆片干燥工艺有重要意义。【前人研究进展】具有独特酥脆口感，纯天然加工，且方便运输的果蔬膨化脆片产品也是方便休闲食品[5-7]。有采用冷冻干燥、真空低温油炸及压差膨化等干燥技术生产果蔬膨化脆片[8-13]，但冷冻干燥成本高且干燥周期较长，而真空低温油炸技术干燥产品含油量高、不易储藏[14-16]。【本研究切入点】压差膨化干燥技术是一项绿色健康的加工技术，可以实现高效加工高质量非油炸健康果蔬脆片产品。需利用压差膨化技术，充分利用新疆厚皮甜瓜的可食用部分，提高其加工利用率，有效减少风味物质的逸失，并同步实现产品质地特性的重组。【拟解决的关键问题】选择新疆厚皮甜瓜切片预干燥后含水率、膨化干燥温度及真空干燥时间3个工艺关键因素，采用响应面分析法对新疆厚皮甜瓜脆片压差膨化干燥工艺进行中心组合设计，分析不同因素对新疆厚皮甜瓜膨化脆片产品含水率、酥脆度、膨化度和色泽的影响，优化新疆厚皮甜瓜脆片压差膨化干燥工艺，为新疆厚皮甜瓜压差膨化干燥脆片产品的开发和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新疆厚皮甜瓜：购于新疆乌鲁木齐九鼎农产品批发市场；仪器设备：QDPH10果蔬压差膨化干燥设备(天津勤德新材料科技有限公司)。其他仪器设备主要为：热泵干燥设备(0DD150FL，广州晟起能源设备有限公司)；电热恒温鼓风烘箱(苏州欧文烘箱制造有限公司)；TMS-Pro质构仪(美国FTC公司)；CR-10手持色差计(日本美能达(MINOUA))；TP-A1000型电子天平(福州华志科学仪器有限公司)；Sartorius MA30型红外水分天平(德国Sartorius公司)。

图1 果蔬压差膨化干燥设备示意Fig.1 Explosion puffing drying equipment for fruits and vegetables at variable pressure difference

1.2 方法

1.2.1 试验设计

新疆厚皮甜瓜片的制备：清洗后，去皮除籽，先横向切成1 cm厚的瓜片，将其切成长3 cm、宽1 cm、厚0.3～0.5 cm的片段。

瓜片预干燥：采用除湿热泵干燥。依据前期研究中新疆厚皮甜瓜片的干燥曲线(干球温度梯度设定40～55℃、湿球温度梯度设定35～20℃、循环风机运行模式设定1)，在程序设定后进行预干燥处理。在干燥环节中，定时取样以确定瓜片样品的含水率。

瓜片膨化：将经热泵预干燥处理后含水率相同的新疆厚皮甜瓜预干燥片，平行放置在膨化罐的同一托物架盘上，以确保膨化过程中所有处理样品处于相同的温度，之后入罐。打开温度控制装置，并缓慢加热至设定的膨化温度；开启空气压缩机，缓慢调节膨化罐压力，保持罐压在-0.098～-0.01 MPa稳定；快速打开泄压阀，使膨化罐和真空罐连通，膨化罐瞬间失压，瓜片组织迅速膨胀，同时排除膨化罐中的大量水分；维持膨化罐内一段时间的真空状态，以确保膨化物料残留的少量水分完成干燥；关闭加热阀并开启冷却阀，迅速注入冷却水，将温度保持在试验设计的不同温度，并维持不同设计所需的真空干燥时间；保持冷却水循环使膨化罐的温度降至室温，打开通气阀，恢复膨化罐的常压状态；开罐取出新疆厚皮甜瓜膨化脆片样品。

1.2.2 工艺优化

在前期单因素试验中，选择预干燥后新疆厚皮甜瓜片含水率(20%、30%、40%、50%、60%)、压差膨化温度(70、80、90、100、110℃)、压差膨化真空干燥温度(40、50、60、70、80℃)和压差膨化真空干燥时间(1、2、3、4、5 h)进行4因素5水平试验，得到单因素最佳参数为：新疆厚皮甜瓜切片预干燥至含水率30%、压差膨化干燥温度90℃、压差膨化真空干燥温度60℃、压差膨化真空干燥2 h。采用中心组合实验设计响应面优化法，以新疆厚皮甜瓜切片预干燥后含水率(X1)、压差膨化温度(X2)、压差膨化真空干燥时间(X3)作为因子，进行压差膨化干燥工艺优化研究，分析各因子对新疆厚皮甜瓜膨化脆片产品含水率(Y1)、酥脆度(Y2)、膨化度(Y3)和色泽(Y4)的影响。表1

表1 因子水平编码Table 1 Coding of factors and levels

1.2.3 指标测定

(1)水分：参考Rodrigues Sueli等[17]水分天平直接干燥法，略作修改。

(2)色泽：利用CR-10型手持色差计进行测，色泽(△E)值越大，表示产品颜色越好[18,19]。

(3)膨化度：比体积法，采用量杯油菜籽填埋方法对膨化产品前后的体积差异进行测定。计算公式为：

膨化度(P)=(V-V0)/V0×100%.

式中：V：膨化后脆片的体积(mL)；V0：膨化前瓜片的体积(mL)。

(4)酥脆度：采用FTC TMS-Pro质构分析仪测定[20]，并根据测试中所产生质地特性应力曲线上的单个峰数指示膨化脆片产品的酥脆度(个)。应力曲线上出现的单个峰数愈多，产品的酥脆度值则愈大，反之亦然。测试条件：探头选择P/100；测试前速度为2 mm/s；测试速度为 1 mm/s；测试距离为 5 mm；测试后速度为2 mm/s。

1.3 数据处理

利用Design-Expert V8.0.6软件进行试验设计，采用IBM SPSS 20.0软件进行数据分析和处理。

2 结果与分析

2.1 关键因子对膨化脆片品质的影响

研究表明，产品含水率(Y1)最大值18.74 %(标准序6)、最小值4.72 %(标准序7)；产品酥脆度(Y2)最大值364个(标准序7)、最小值88个(标准序6)；产品膨化度(Y3)最大值1.37(标准序14)、最小值0.12(标准序6)；产品色泽(Y4)最大值为68.54(标准序4、11、14)、最小值为53.09(标准序6)，不同关键因子的运行组，其产品的含水率、酥度、膨化度及色泽各组间存在不同程度的差异。标准序6组：预干燥后含水率40 %、压差膨化温度90℃、膨化真空时间1 h，所得膨化脆片的含水率最高、酥脆度最低、膨化度表现最差、产品色泽变化最小。而标准序7组：预干燥后含水率20 %、压差膨化温度90℃、膨化真空时间3 h，所得膨化脆片的含水率最低，酥脆度最大，膨化度和色泽表现较好。表2

表2 优化试验设计与结果Table 2 Optimize experimental designs and results

2.2 回归方程建立及变量

研究表明，预干燥后新疆厚皮甜瓜切片的含水率(X1)、压差膨化干燥温度(X2)、压差膨化真空干燥时间(X3)这3个因子与新疆厚皮甜瓜膨化脆片产品的含水率(Y1)、酥脆度(Y2)、膨化度(Y3)、色泽(Y4)这4个评价指标之间的数学模型方程如下：

Y1=7.17+4.26X1-2.23X2-1.24X3-2.06X1X2-2.11X1X3-0.49X2X3+1.76X12-0.15X22+0.70X32(R2=0.940 2).

Y2=153.20-96.00X1+52.75X2+28.50X3-33.25X1X2-5.25X1X3+41.75X2X3+42.28X12-4.72X22+25.27X32(R2=0.937 1).

Y3=1.18-0.39X1+0.12X2+0.14X3+0.16X1X2+0.028X1X3-0.0075X2X3-0.25X12+0.036X22-0.18X32(R2=0.934 4).

Y4=66.84-0.74X1-0.019X2+4.01X3+6.08X1X2+1.06X1X3-0.58X2X3-4.32X12-0.065X22-5.09X32(R2=0.865 8).

决定系数R2=0.865 8小于0.9且大于0.85，其余方程的决定系数R2均大于0.9，各模型方程具有较高的可信度，4个因变量与全体自变量之间的多元回归影响关系显著。预干燥后的含水率和压差膨化温度对产品色泽影响不显著，但对其他3个指标的影响显著；压差膨化真空干燥时间对脆片产品含水率和酥脆度的影响不显著，对脆片产品的膨化度和酥脆度均具有显著影响。新疆厚皮甜瓜压差膨化脆片产品的色泽受压差膨化真空干燥时间的直接影响。表3

表3 回归系数及变量Table 3 Significance analysis of regression coefficients

2.3 因子间的交互效应

2.3.1 三因子间的交互作用对新疆厚皮甜瓜压差膨化产品含水率的影响

研究表明，随各因子编码值及编码值组合的增加，新疆厚皮甜瓜压差膨化脆片产品的含水率呈现明显的下降趋势。图2

图2 因子交互作用下膨化脆片产品含水量变化Fig.2 Effect of factors on the water content of expanded products

2.3.2 三因子间的交互作用对新疆厚皮甜瓜压差膨化产品酥脆度的影响

研究表明，膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)与压差膨化温度(X2)呈正相关，而当预干燥后瓜片的含水率(X1)处在较高值时，膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)随压差膨化温度(X2)的升高而平缓增加。随着预干燥后瓜片的含水率(X1)和压差膨化真空干燥时间(X3)交互作用的增强，膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)变化趋势趋于平缓，直至在压差膨化真空干燥时间(X3)编码值的最高处出现极大值。在压差膨化真空干燥时间(X3)处在较低值时，其同压差膨化温度(X2)对膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)的交互作用不明显，而当压差膨化真空干燥时间(X3)处在较高值时，二者显现出明显的交互影响作用；此外，无论压差膨化温度(X2)处在任何编码值，膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)未随压差膨化真空干燥时间(X3)的变化而显著变化，在恒定的压差膨化温度水平下，压差膨化真空干燥时间对膨化脆片产品酥脆特性的影响不显著，在压差膨化温度(X2)和压差膨化真空干燥时间(X3)的交互值达到最大时，膨化后脆片产品的酥脆度(Y2)增至最大值。图3

图3 因子交互作用下膨化脆片产品酥脆度变化Fig.3 Effect of factors on the crisp degree of expanded products

2.3.3 三因子间的交互作用对新疆厚皮甜瓜压差膨化产品膨化度的影响

研究表明，随着预干燥后瓜片的含水率(X1)增加，膨化后脆片产品的膨化度(Y3)呈现先升高后下降的趋势；在预干燥后瓜片的含水率(X1)处于编码中间水平时，膨化后脆片产品的膨化度(Y3)表现较好，且不受压差膨化干燥温度(X2)和压差膨化真空干燥时间(X3)交互作用的影响。而由图4c 可知，随着压差膨化干燥温度(X2)和压差膨化真空干燥时间(X3)交互组合编码的增加，膨化后得到的脆片产品膨化度(Y3)呈现出先上升后平缓降低的趋势，直观反映了膨化脆片产品的膨化度在此条件下变化差异显著。图4

图4 因子交互作用下膨化脆片产品膨化度变化Fig.4 Effect of factors on the puffing rates of expanded products

2.3.4 三因子间的交互作用对新疆厚皮甜瓜压差膨化产品色泽的影响

研究表明，预干燥后瓜片的含水率(X1)和压差膨化温度(X2)之间交互作用显著，膨化后脆片产品的色泽(Y4)随其它因子交互组合的变化，呈现出先升高后降低的响应趋势，预干燥后瓜片的含水率(X1)和压差膨化温度(X2)二者的交互作用同压差膨化真空干燥时间(X3)的单一作用存在较优编码组合，使膨化后脆片产品的色泽(Y4)表现最佳，且可作为因子间交互作用的最优水平，优化工艺参数。图5

图5 因子交互作用下膨化脆片产品色泽变化Fig.5 Effect of factors on the color of expanded products

2.4 新疆厚皮甜瓜脆片压差膨化干燥工艺的优化

研究表明，随着新疆厚皮甜瓜压差膨化脆片产品含水率(Y1)的降低，其酥脆度(Y2)呈陡坡式攀升，趋势明显，但膨化脆片产品膨化度(Y3)和色泽(Y4)则无明显规律性变化。采用SPSS 20.0 软件对试验结果进行优化分析结果表明，影响新疆厚皮甜瓜膨化脆片评价指标的优化参数为含水率Y1=8.0%、酥脆度值Y2=145、膨化度Y3=1、色泽Y4=66，新疆厚皮甜瓜切片预干燥后含水率为30%，膨化干燥温度为90℃，真空干燥时间为2 h，随即对得到的优化后工艺进行验证。表4

表4 验证试验设计与结果Table 4 Validate experimental designs and results

在预干燥后瓜片的含水率30%、膨化温度90℃、压差膨化真空干燥时间2 h、真空罐真空度-0.098 MPa、压差膨化压力差0.2 MPa条件下进行新疆厚皮甜瓜脆片压差膨化干燥，得到的膨化脆片产品平均含水率6.46%，酥脆度150，膨化度1.24，色泽为67.15。

3 讨论

压差膨化干燥技术适用于生产新疆厚皮甜瓜膨化脆片产品，但在加工过程中原料的含水率直接影响着新疆厚皮甜瓜膨化脆片产品的品质，水分过高会产生较大的膨化气泡，过低则影响酥脆品质且膨化效果不明显。新疆厚皮甜瓜脆片进行压差膨化干燥前需进行预干燥处理，并确保预干燥后加工原料具有适宜的水分含量，以提高膨化干燥速率和膨化脆片产品的品质。不同因子间的交互作用对不同品质具有不同的影响，预干燥后加工原料的含水率与压差膨化干燥温度的交互作用对压差膨化脆片产品的外观品质具有显著影响，压差膨化温度和压差膨化真空干燥时间的交互作用对压差膨化脆片产品的酥脆品质影响显著，并且因子间的交互作用组合存在单一最优水平，可用于压差膨化干燥工艺的优化，也可根据实际需求进行优选。由于新疆厚皮甜瓜属于热敏性果蔬原料且含糖量高，实际操作中应注意控制压差膨化干燥过程的温度，温度过高易出现焦糊，直接破坏新疆厚皮甜瓜脆片产品的风味和色泽。