紫薯熟全粉變溫壓差膨化干燥技術研究

劉 陽，傅亞平，廖盧艷，吳衛(wèi)國*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學 食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學 東方科技學院，湖南 長沙 410128）

紫薯（Solanum tuberdsm），又名紫黑薯，是日本九州農(nóng)業(yè)實驗場培育出的高色素甘薯新品種，富含花青素、糖蛋白、脂多糖以及礦物質、維生素、膳食纖維等多種營養(yǎng)成分，集營養(yǎng)和保健于一體[1-2]。紫薯花色苷主要成分為矢車菊色素（花青素）和芍藥色素（甲基花青素）[3]，不但具有強抗氧化活性，且自由基清除能力顯著[4]。紫薯全粉是幾乎包含除薯皮外紫薯所有干物質的粉狀產(chǎn)品，色澤美觀，營養(yǎng)豐富，不僅具有紫薯特有的風味，且具有更好的再加工性能[5]，可添加到糕點、飲料、面食等產(chǎn)品中，不但能豐富食品色澤，還能提高食品的營養(yǎng)價值，符合現(xiàn)代人們所追求的食品目標[6]。目前，對于紫薯全粉的加工研究并不多，主要集中在鼓風干燥、真空冷凍干燥、微波干燥工藝的研究[7-9]，產(chǎn)業(yè)化應用限制較多。

變溫壓差膨化干燥技術是近些年國內新興起的一種食品干燥技術，它結合了傳統(tǒng)真空冷凍干燥技術、熱風干燥技術和微波真空干燥技術的優(yōu)點[10]，能最大程度地保留制品的原品質。變溫是指物料的膨化溫度和真空干燥溫度不同；壓差是通過空氣壓縮機產(chǎn)生，物料在膨化瞬間經(jīng)歷由高壓到低壓的過程；膨化是利用高溫高壓下物料組織在瞬間泄壓時內部產(chǎn)生的蒸汽膨脹力完成；干燥是指物料在真空狀態(tài)下水分的去除[11-12]。國外對此技術研究較早、較深[13-15]，國內畢金峰等[16-17]研究了胡蘿卜、柑橘、蘋果、哈密瓜等果蔬產(chǎn)品的膨化工藝參數(shù)。本研究以鮮紫薯為原料，采用響應曲面法優(yōu)化干燥工藝參數(shù)，旨在應用變溫壓差膨化干燥技術生產(chǎn)出優(yōu)質的紫薯熟全粉，為紫薯熟全粉的加工找到更優(yōu)的方法，為其規(guī)?；a(chǎn)提供技術支持，也為變溫壓差膨化干燥設備的應用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫色甘薯為浙紫3號：湖南省農(nóng)業(yè)科學院作物所。

單硬脂酸甘油酯（食品級）：廣州市佳力士食品有限公司；碘、碘化鉀、氯化鉀、醋酸、醋酸鈉（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、鹽酸（均為分析純）：衡陽市凱信化工試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

QDPH-V5勤德果蔬變溫壓差膨化干燥設備：天津市勤德新材料科技有限公司；LDZX-50FBS立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；CR-10色差計：日本美能達公司；WFJ-7200可見分光光度計：龍尼柯儀器有限公司；Q-100AZ高速多功能粉碎機：上海冰都電器有限公司；101A-3ET 電熱鼓風干燥箱：上海實驗儀器廠有限公司；TP-213電子天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TD5A臺式低速離心機：湖南赫西儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯熟全粉制作工藝流程

操作要點：

（1）蒸制：蒸制的條件選用100 ℃蒸15 min。

（2）搗泥：將去完皮的紫薯置于和面機中攪拌制泥，同時加入0.6%的單硬脂酸甘油酯，和勻。

（3）變溫壓差膨化干燥：將攪好的紫薯泥平鋪于不銹鋼盤上，厚度為0.5～1.0 cm，置于膨化罐中升溫至設定的膨化溫度（80～100 ℃），罐內壓力達0.1～0.3 MPa，使物料在此狀態(tài)下保持一定時間（即停滯時間）后瞬間泄壓至真空度為-0.1 MPa，同時設定真空溫度，使物料在此真空狀態(tài)下加熱脫水，得含水量＜10%的紫薯。

（4）粉碎過篩：干燥好的紫薯粉碎后過80目篩，得到成品。

1.3.2 色澤測定

采用全自動色差計進行紫薯熟全粉的色澤測定[18-19]，顏色根據(jù)國際照明委員會（Commission Internationale de L'Eclairage，CIE）L*、a*、b*值來計算（L*表示明度值；a*表示紅/綠值；b*表示黃/藍值）。每個樣重復測定3次取平均值。結合感官分析，發(fā)現(xiàn)紫薯熟全粉顏色越好，b*值越小，而L*值和a*值在試驗中的數(shù)值變化不大，并不能恰當?shù)胤从硺悠奉伾牟町?，故本研究以黃/藍值（b*值）為樣品色澤評價指標，b*值越小，產(chǎn)品紫色鮮亮，色澤越好。

1.3.3 總花青素含量的測定

參考相關文獻[20-21]采用pH示差法測定總花青素含量：準確稱取紫薯熟全粉樣品1.000 g于50 mL錐形瓶中，加入30 mL pH=3的浸提液，超聲0.5 h，避光靜置2 h，抽濾得到提取液備用。準確量取1.0 mL提取液兩份，分別用pH 1.0和pH 4.5的緩沖液定容至10 mL，避光靜置平衡2.0 h，分別測定其在波長520 nm、700 nm處的吸光度值，用蒸餾水作參比?？偦ㄇ嗨睾坑嬎愎饺缦拢?/p>

式中：A 為吸光度差值；A520nm為波長520 nm下的吸光度值；A700nm為波長700 nm下的吸光度值。

式中：W為總花青素含量，%；A為吸光度差值；ε為矢車菊-3-葡萄糖苷的摩爾吸光系數(shù)，26 900；DF為稀釋因子；Mw為矢車菊-3-葡萄糖苷的分子質量，449.2；V為取樣體積，mL；Wt為樣品質量，g。

1.3.4 碘藍值測定

參考相關文獻[22-23]，碘藍值（iodine blue value，IBV）可以作為紫薯全粉細胞破碎度的判別指標，全粉的碘藍值和細胞破碎度成正比。取50 mL的容量瓶，加蒸餾水至接近刻度，65.5 ℃預熱并定容至刻度；準確稱取0.25 g樣品于50 mL燒杯中，加入50 mL 65.5 ℃預熱的蒸餾水，于65.5 ℃恒溫振蕩水浴鍋中振蕩5 min，隨后靜置1 min，過濾。濾液保持于65.5 ℃并趁熱取1 mL于50 mL顯色管中，加入1 mL 0.02 mol/L碘標準溶液，用蒸餾水定容至刻度，同時做空白對照，以空白試劑調零點，測定樣品在波長650 nm下的吸光度值A。碘藍值計算公式如下：

式中：A650nm為波長650 nm下的吸光度值；54.2和5為常量，是該方法下的定值。

1.3.5 優(yōu)化試驗設計

根據(jù)前期單因素試驗結果，選用U15（15）3均勻設計，采用響應面法中Box-Behnken 試驗設計原理設計3因素3水平試驗，研究膨化溫度（X1）、停滯時間（X2）、抽空溫度（X3）對紫薯熟全粉彩度指數(shù)b*值（Y1）、碘藍值（Y2）、花青素含量（Y3）的影響。試驗因素編碼與水平如表1所示。

表1 紫薯熟全粉干燥條件優(yōu)化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface analysis for purple potato cooked powder drying condition optimization

1.3.6 統(tǒng)計分析

采用Design Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗方案及結果

紫薯熟全粉變溫壓差膨化干燥優(yōu)化試驗共有15個處理，以膨化溫度（X1）、停滯時間（X2）、抽空溫度（X3）為自變量，以彩度指數(shù)b*值（Y1）、碘藍值（Y2）、花青素含量（Y3）為響應值，試驗具體設計及結果如表2所示。

表2 Box-Behnken試驗設計與結果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

2.2 模型的建立及方差分析

采用Design Expert 8.0.6軟件對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到各個因素與紫薯熟全粉彩度指數(shù)b*值（Y1）、花青素含量（Y2）、碘藍值（Y3）評價指標之間的多元二次回歸方程（1）～（3）如下：

對方程式（1）～（3）進行回歸模型變量分析及系數(shù)顯著性檢驗，得到結果見表3～表5。

由表3～表5方差分析可知，各方程Y1、Y2、Y3的P值分別為＜0.000 1、0.000 6、0.000 6，說明模型方程都極顯著（P＜0.001）；失擬項P值分別為0.187 1、0.298 6、0.972 4，都＞0.05，說明差異不顯著，殘差由隨機誤差引起；模型決定系數(shù)R2分別為0.994 0、0.983 9、0.984 1，調整后系數(shù)分別為0.983 3、0.954 9、0.955 5，說明回歸方程對試驗的擬合度較好，試驗誤差小，在一定程度上可以代替真實試驗進行預測和分析。

表3 以b*值作為響應值回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model using b* value as response value

表4 以花青素含量作為響應值回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model using anthocyanins contents as response value

由模型回歸系數(shù)的顯著性檢驗結果可知，抽空溫度（X3）對紫薯熟全粉彩度指數(shù)b*值、花青素含量及產(chǎn)品碘藍值都有極顯著影響（P＜0.001）；停滯時間（X2）對紫薯熟全粉花青素含量有高度顯著影響（P＜0.01）；膨化溫度（X1）對紫薯全粉彩度指數(shù)b*值有極顯著影響（P＜0.001）。結合F值可判斷各因素對響應值的影響程度，以全粉彩度指數(shù)b*值為響應值影響干燥工藝的因素主次順序為：抽空溫度（X3）＞膨化溫度（X1）＞停滯時間（X2）；以全粉花青素含量和碘藍值為響應值影響干燥工藝的因素主次順序都為：抽空溫度（X3）＞停滯時間（X2）＞膨化溫度（X1）。

表5 以碘藍值作為響應值回歸模型方差分析Table 5 Variance analysis of regression model using iodine blue value as response value

2.3 響應面交互效應分析

3因素對紫薯熟全粉彩度指數(shù)b*值（Y1）、花青素含量（Y2）和碘藍值（Y3）影響的響應面圖及等高線分別見圖1～圖3。

由圖1（a）可知，當抽空溫度（X3）一定時，隨膨化溫度（X1）的升高，產(chǎn)品彩度指數(shù)b*值先減小后增大，在中間水平有最佳值；由圖1（b）可知，膨化溫度（X1）和抽空溫度（X3）交互作用顯著，當停滯時間（X2）一定時，以抽空溫度（X3）70 ℃、膨化溫度（X1）90 ℃為界，界線以下，產(chǎn)品彩度指數(shù)b*值均隨其溫度的升高先降后增，界線以上，則依次遞增，在一定水平有交互最小值，原因可能是高溫會導致紫薯花色苷的降解，產(chǎn)生焦色；由圖1（c）可以看出，隨抽空溫度（X3）的增加，產(chǎn)品彩度指數(shù)b*值先減后增，隨停滯時間（X2）的延長則先增后減。

由圖2可知，在試驗設定的水平內，隨膨化溫度（X1）的升高，抽空溫度（X3）的增加，產(chǎn)品中花青素的含量呈先增后減的趨勢，一定水平有交互最大值；當膨化溫度（X1）為90 ℃以下時，抽空溫度為70 ℃以下時，隨停滯時間（X2）的延長，產(chǎn)品中花青素含量緩慢增加。

由圖3可知，隨抽空溫度（X3）的升高，產(chǎn)品的碘藍值依次減少；當停滯時間一定（X2），抽空溫度（X3）為70 ℃以下時，產(chǎn)品的碘藍值隨膨化溫度（X1）的升高緩慢增加，抽空溫度（X3）為70 ℃以上時，產(chǎn)品的碘藍值則隨膨化溫度（X1）的升高緩慢減少。

圖1 膨化溫度、停滯時間、抽空溫度對b*值影響的響應面圖及等高線Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on b* value

圖2 膨化溫度、停滯時間、抽空溫度對花青素含量影響的響應面圖及等高線Fig.2 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on anthocyanins contents

圖3 膨化溫度、停滯時間、抽空溫度對碘藍值影響的響應面圖及等高線Fig.3 Response surface plots and contour line of effects of interaction between puffing temperature,stagnant time and vacuum drying temperature on iodine blue value

2.4 最佳工藝參數(shù)的確定及驗證

對工藝參數(shù)進行優(yōu)化分析，綜合3個考察指標，得到紫薯熟全粉的最佳變溫壓差膨化干燥工藝條件為膨化溫度89.43 ℃、停滯時間6.76 min、抽空溫度70.71 ℃，該條件下產(chǎn)品彩度指數(shù)b*值、花青素含量、碘藍值的預測值分別為-6.667、1.538%、18.595?？紤]到試驗實際操作的可行性，將各參數(shù)值調整為膨化溫度90 ℃、停滯時間7 min、抽空溫度70 ℃，在此條件下進行3次平行試驗，所測結果取平均值，得到的產(chǎn)品彩度指數(shù)b*值為-6.573、花青素含量為1.509%、碘藍值為19.056，各數(shù)值與預測值比較，其相對誤差均＜5%，說明該模型的優(yōu)化參數(shù)可靠，具有參考價值。

3 結論

本研究以紫薯熟全粉的彩度指數(shù)b*值、花青素含量、碘藍值為評價指標，采用響應面分析法，考察膨化溫度、停滯時間、抽空溫度對紫薯熟全粉變溫壓差膨化干燥工藝的優(yōu)化，得到紫薯全粉變溫壓差膨化干燥的工藝參數(shù)為：膨化溫度90 ℃、停滯時間7 min、抽空溫度70 ℃，該條件下制得的紫薯全粉彩度指數(shù)b*值可達-6.573、花青素含量達1.509%、碘藍值為19.056，產(chǎn)品紫紅色鮮亮，花青素含量及紫薯氣味都保留較好。

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