响应面优化香菇真空远红外干燥工艺研究

2023-11-06TindoKueteChristian邱进栋王同勋武博文王宏德黄晓鹏

林业机械与木工设备 2023年8期

Tindo Kuete Christian, 邱进栋, 王同勋, 武博文, 王宏德, 黄晓鹏*

(1.甘肃农业大学机电工程学院,甘肃兰州 730070;2.甘肃省农业工程技术研究院,甘肃武威 733006)

香菇,别名香蕈、香椹、冬菇、陈仁玉,属于担子菌纲伞菌目真菌,属担子菌纲(Basidaiomycetes)、伞菌目(Agaricales)、口蘑科(Tricholomatacete)、香菇属(Lentinus)[1],是一种营养丰富、高蛋白、低脂肪、多氨基酸和大量微量元素的食用菌, 素称“菇中之王”[2]。新鲜香菇水分含量高,易腐烂变质,保鲜期约为3～5天,随着其体内营养物质的流失,香菇会失去原有的色、香、味,其商品价值大大降低,而且不便于运输、保存[3]。将其干制后不仅可以防止引起腐烂的微生物的生长,而且能最大程度保持其原有的风味和营养成分。

香菇干燥常用的方法有热风干燥、微波干燥、热泵干燥、红外干燥等。张慧等[4]利用响应面法优化香菇热风-微波联合干燥工艺,分析了不同转换点干基含水率、热风温度和微波功率密度对香菇营养成分、干燥特性及品质的影响,得出最优热风温度60℃工艺条件下产品色差ΔE为11.21。高婵等[5]利用响应面优化香菇热泵工艺,分析了不同干燥温度、切片厚度和装载量对香菇干燥特性、色泽、复水比的影响,得出热泵干燥干燥温度最优条件为60℃,其对应的色差值为10.78,复水比为7.15。郭玲玲等[6]利用响应面法优化香菇中短波红外干燥工艺,分析了干燥温度、切片厚度和辐照距离对香菇片色泽L、复水性及品质的影响,得出干燥温度是影响香菇干燥品质的主要因素,最佳工艺条件为干燥温度55℃、切片厚度4.5 mm、辐照距离120 mm,对应的香菇色泽L为58.56、复水比为5.32。红外干燥相比其他干燥方式热效率高,能耗低,得到的产品具有感官质量好、营养成分保留高的优点[7]。现已有中短波红外结合真空冷冻干燥对香菇物理和营养品质影响的研究[8],但还未有香菇真空远红外干燥工艺条件优化的研究。

近年来,果蔬红外辐射加热干燥技术的研究和应用得到了快速发展,应用该技术对桑黄(淡黄木层孔菌)[9]、双胞菇[10]、杏鲍菇等[11]食用菌进行了研究,发现红外干燥技术能较好地保持产品的色泽和营养品质,有效降低能耗。本试验为了获得高品质干制香菇,采用Box-Behnken设计试验对香菇真空远红外干燥工艺进行优化,探讨不同水平的干燥温度、辐照高度、功率对香菇干制品总色差值、复水比、平均干燥速率的影响,为香菇干制提供生产加工的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

香菇,所用的试验材料就近购买于试验所在地,选取新鲜且无损伤的香菇,购买后立即放置在冰箱中,并在2～4°C冷藏,用快速水分仪测得新鲜香菇的湿基含水率为(85.35±0.5)%。

1.2 试验设备

红外辐射多功能干燥箱:WSH-60A型,电压220 V,功率3 kW,天水盛华微波技术有限公司;

快速水分仪:HKSF-2型,精度±0.1%,无锡华科仪器仪表有限公司;

电子天平:CN-LQC30002型,昆山优科维特电子科技有限公司;

色差仪:CR-410型,日本柯尼卡美能达公司;

1.3 试验方法

称取120±0.5 g香菇,均匀地平铺于真空远红外多功能干燥箱的干燥盘内,将干燥箱调至预设参数,预热30 min后,将干燥盘放入箱体内,完成干燥过程,称重间隔为30 min,当其含水率降至安全含水率10±0.5 %,干燥结束。

1.4 试验指标测定

1.4.1 复水比的测定

复水比的测定参考Wang Hongcai等[12]的方法,并稍作修改。取1.5 g香菇干样,放在25 ℃的蒸馏水中,每10 min测一次复水后的样品质量,共复水120 min。在测定前将样品表面多余水分用滤纸吸干,平行测定3次。复水比计算公式为:

(1)

式中:Rf—香菇干制品的复水比;

Gf—香菇复水沥干后的质量,g;

Gg—香菇复水前的质量,g。

1.4.2 色差值的测定

香菇真空远红外干燥后,用色差仪测定其色泽,每个样品测量3次,取平均值。总色差值△E计算公式如下[13]:

(2)

式中:L—香菇明度值;

L*—新鲜香菇的明度值;

a—香菇干制品的红绿值;

a*—新鲜香菇的红绿值;

b—香菇干制品的黄蓝值;

b*—新鲜香菇的黄蓝值;

△E—待测样品的总色差值。

1.4.3 平均干燥速率的计算

平均干燥速率是指干燥质量与香菇干燥至安全含水率(≤12 %)时所用时间的比值[14],可反映出香菇在不同干燥条件下的干燥速率,平均干燥速率按公式(3)计算

(3)

式中:DR为平均干燥速率,%·min-1;

Δm为物料在干燥至安全含水率时减少的质量,g;

ΔT为物料被干燥至安全含水率所耗费的时间,min。

1.5 响应面试验方案设计

基于前期单因素试验,以干燥温度、辐照高度、功率为影响因素,以总色差、复水比和平均干燥速率为试验指标,进行三因素三水平的响应面试验。各因素水平设置及符号代表如表1所示。

表1 响应面试验因素水平表

1.6 试验数据处理

为保证试验结果的准确性,每组试验重复3次。在Origin 9.0软件中对数据进行统计、计算与分析,利用软件Design Expert 11对不同干燥方式的试验数据进行回归处理和响应面分析。

2 结果分析

2.1 响应面优化试验结果

以远红外干燥温度X1、辐照高度X2和功率X3为自变量,以总色差值Y1、复水比Y2、平均干燥速率Y3为响应值,对香菇真空远红外干燥工艺运用Design expert软件设计三因素三水平的中心组合试验,试验结果见表2。

表2 中心组合试验数据

2.2 模型建立及显著性检验

对表2中试验数据进行二次多项回归拟合,获得总色差(Y1)、复水比(Y2)和平均干燥速率(Y3)的回归方程如下:

Y1=11.89+2.38X1+1.98X2-1.03X3-0.14X1X2+1.01X1X3+2.22X2X3-0.14X12-0.74X22++1.30X32

(4)

Y2=1.95-0.019X1+0.047X2+0.047X3-0.005125X1X2+0.006075X1X3-0.00525X2X3-0.080X12-0.052X22+0.033X32

(5)

Y3=0.013-0.001954X1-0.00069X2+0.00003854X3+0.00008464X1X2-0.0005141X1X3+0.0007892X2X3-0.001004X12- 0.000004802X22+0.00157X32

(6)

对回归方程方差分析后得到的结果如表3所示。

表3 多元回归模型方差分析

2.3 交互作用分析

2.3.1 试验因素交互作用对总色差的影响

图1表示不同试验因素对香菇总色差交互影响的响应曲面。图中显示,功率与辐照高度、干燥温度的交互作用对总色差影响的显著性均较小;温度和辐照高度的交互作用对总色差的影响较大。随着干燥温度和辐照高度的增大,总色差也随之增大。这是由于干燥温度的升高提高了多酚氧化酶的活性,辐照高度的增大延长了干制时间,增加了酶促褐变反应时长,物料褐变加剧。

图1 不同试验因素交互作用对总色差影响的响应曲面

2.3.2 试验因素交互作用对复水比的影响

图2表示各试验因素交互作用对复水比影响的响应曲面图。通过对比三个交互作用响应曲面,发现干燥温度和辐照高度的交互作用对复水比的影响显著性明显大于其他两个因素,这可能是因为随辐射温度的升高,物料微细管道出现扩张,数目增多,提高了物料的复水能力;此外,物料长时间暴露在红外辐射下会增大切片表面细胞的损伤率,降低其复水能力。

图2 不同试验因素交互作用对复水比影响的响应曲面

2.3.3 试验因素交互作用对平均干燥速率的影响

图3表示不同试验因素的交互作用对香菇平均干燥速率的影响。从图中结果表明,三种交互作用中,温度与功率的交互作用对平均干燥速率影响的显著性最好,其次为辐照高度和温度,辐照高度与功率的交互作用对平均干燥速率的影响效果最小。干燥温度不变时,物料的平均干燥速率随功率呈现先升高后降低的变化趋势。当功率不变时,平均干燥速率随温度呈现先升高后降低的变化趋势,温度过高反而增大干燥总耗时,这可能是因为高温使水分快速流失导致材料表面组织硬化,增加了内部水分转移的阻力。