CO2高壓低溫氣流膨化干燥蘋果片的工藝優(yōu)化

王璐，陳海峰，袁越錦，宋一凡

陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（西安 710021）

蘋果是薔薇科蘋果屬植物，果實(shí)富含礦物質(zhì)和維生素，是人們最常食用的水果之一。由于蘋果含有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，因此對蘋果的二次加工方式層出不窮。

近幾年來，氣流高壓低溫膨化干燥技術(shù)正在逐漸興起，作為一種新興干燥技術(shù)，它無需油炸，且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)上對蘋果片膨化的加工方式有微波膨化[1-2]、變溫壓差膨化[3-4]、氣流膨化[5-6]等。氣流高壓低溫膨化技術(shù)是利用H2、N2、He等氣體作為介質(zhì)產(chǎn)生壓差，達(dá)到膨化的效果。研究選取CO2作為介質(zhì)進(jìn)行高壓低溫膨化。CO2為惰性氣體且不易與物料發(fā)生反應(yīng)，動力直徑0.33 nm，其動力直徑與N2相近，因此選取CO2作為蘋果氣流高壓低溫膨化的介質(zhì)進(jìn)行研究。

試驗(yàn)選取陜西紅富士蘋果，進(jìn)行CO2高壓低溫氣流膨化干燥試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化膨化工藝，開發(fā)出更好加工工藝，為蘋果氣流膨化干燥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣提供研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器設(shè)備

陜西紅富士蘋果。

鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；低溫高壓氣流膨化罐（自制）；小型真空封裝機(jī)（新型DZ-280/2SE，綠葉牌）；電子天平（FA2204C，上海佑科儀器儀表有限公司）。

1.2 工藝流程

原料的篩選→預(yù)處理（清洗、削皮、去核、切片）→熱風(fēng)預(yù)干燥→放入膨化罐→通入高壓CO2并保壓→迅速泄壓→蘋果片膨化→抽真空干燥→冷卻定型→真空包裝→成品

1.3 工藝設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素設(shè)計(jì)

切取蘋果片后，CO2高壓低溫氣流膨化干燥試驗(yàn)以3片為1組進(jìn)行。研究預(yù)干燥含水率、切片厚度、膨化壓差、膨化溫度、抽真空時(shí)間對蘋果脆片含水率，膨化度，復(fù)水比的影響。

切片厚度對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率10%，膨化壓差1.2 MPa，膨化溫度70 ℃，抽真空時(shí)間30 min條件下膨化，研究切片厚度（3，5，7和9 mm）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

預(yù)干燥含水率對蘋果脆片的影響。在切片厚度5 mm，膨化壓差1.2 MPa，膨化溫度70 ℃，抽真空時(shí)間30 min條件下膨化，研究預(yù)干燥含水率（10%，15%，20%和25%）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

膨化壓差對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化溫度70 ℃，抽真空時(shí)間30 min條件下進(jìn)膨化，研究膨化壓差（1.0，1.2，1.4和1.6 MPa）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

膨化溫度對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化壓差1.4 MPa抽真空時(shí)間30 min條件下膨化，研究膨化溫度（60，70，80和90℃）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

抽真空時(shí)間對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化壓差1.4 MPa，膨化溫度70℃，條件下膨化，研究抽真空時(shí)間（30，45，60和75 min）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取CO2高壓低溫氣流膨化干燥中的主要因素：以膨化壓差、膨化溫度、抽真空時(shí)間為自變量，以蘋果脆片膨化度，復(fù)水比為因變量，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[7-8]，優(yōu)化CO2高壓低溫氣流膨化干燥制備蘋果脆片工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)水平及因素

1.4 檢測指標(biāo)

1.4.1 含水率的測定

根據(jù)GB 5009.3—2016，采用直接干燥法測定[9]。

1.4.2 膨化度的測定

采用比容法[10]，利用超細(xì)石英砂填埋體積置換法測定蘋果片的體積。3次測量求其平均值，誤差不超過0.2 mL。

式中：ER為膨化度；V0為膨化后體積，mL；V為膨化前體積，mL；m0為膨化前質(zhì)量，g；m為膨化后質(zhì)量，g。

1.4.3 復(fù)水比的測定

選取3組膨化后的樣品稱質(zhì)量并記錄，將樣品放入清水中浸泡1.5 h后取出瀝干，稱質(zhì)量并記錄，處理3次平行[11]。

式中：RR為復(fù)水比；WD為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g；WR為復(fù)水后樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 切片厚度對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表2可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時(shí)，切片厚度對膨化干燥的效果影響較大。厚度5 mm時(shí)，蘋果脆片的膨化度1.306，復(fù)水比為1.849，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮當(dāng)蘋果切片厚度5 mm時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表2 切片厚度影響

2.1.2 預(yù)干燥含水率對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表3可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時(shí)，預(yù)干燥含水率對膨化干燥的效果影響較大。預(yù)干燥含水率15%時(shí)，蘋果脆片膨化度為1.698，復(fù)水比為2.159，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片預(yù)干燥含水率15%時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表3 預(yù)干燥含水率的影響

2.1.3 膨化壓差對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表4可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時(shí)，膨化壓差對膨化干燥的效果影響較大。膨化壓差1.2 MPa時(shí)，蘋果脆片膨化度為1.678，復(fù)水比為2.161，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片膨化壓差1.2 MPa時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表4 膨化壓差的影響

2.1.4 膨化溫度對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表5可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時(shí)，膨化溫度對膨化干燥的效果影響較大。膨化溫度70 ℃時(shí)，蘋果脆片的膨化度為1.608，復(fù)水比為2.119，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片膨化溫度70 ℃時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表5 膨化溫度的影響

2.1.5 抽真空時(shí)間對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表6可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時(shí)，抽真空時(shí)間對膨化干燥的效果影響較小。抽真空時(shí)間45 min，蘋果脆片的膨化度為1.654，復(fù)水比為2.121，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片抽真空時(shí)間45 min時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

2.2 響應(yīng)面分析法對CO2氣流膨化干燥蘋果脆片工藝進(jìn)行優(yōu)化

依據(jù)單因素試驗(yàn)選擇膨化壓差（A）、膨化溫度（B）、抽真空時(shí)間（C）為影響因素，膨化度（Y1）、復(fù)水比（Y2）為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果見表7。

表7 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.1 回歸方程分析

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)Central Composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]，獲得蘋果脆片膨化度（Y1）、復(fù)水比（Y2）與各因素之間的響應(yīng)面回歸方程為：Y1=-4.067 96+4.244 69A+0.076 848B+0.004 89C-0.005 13AB+0.000 63C+0.000 005BC-1.524 69A2-0.000 46B2-0.000 07C2；Y2=-270 783+4.330 33A+0.057 009B-0.001 64C+0.008 81AB+0.000 56AC+0.000 03BC-1.975 36A2-0.000 45B2-0.000 03C2。

由表8和表9可得，各方程的決定系數(shù)R2＞0.8[13]，說明該等式有意義。根據(jù)方差分析結(jié)果，膨化溫度對蘋果脆片膨化度和復(fù)水比的影響最為顯著，膨化壓差對蘋果脆片膨化度和復(fù)水比的影響較顯著，而抽真空時(shí)間對膨化后的膨化度和復(fù)水比并無顯著影響。

表8 CO2氣流膨化蘋果脆片膨化度回歸與方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析

如圖1所示，抽真空時(shí)間一定時(shí)，產(chǎn)品的膨化度隨膨化壓差和膨化溫度的增大先呈遞增趨勢到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，且圖形弧度較明顯；膨化溫度一定時(shí)，產(chǎn)品的膨化度隨膨化壓差和抽真空時(shí)間的增大先呈遞增趨勢到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩；膨化壓力一定時(shí)，產(chǎn)品的膨化度隨膨化溫度和抽真空時(shí)間增大呈先遞增趨勢，到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩。由此可說明，膨化壓差和膨化溫度對膨化蘋果脆片的膨化度的影響較大。

圖1 三因素對蘋果脆片膨化度的影響

圖2 三因素對蘋果脆片復(fù)水比的影響

如圖2所示，抽真空時(shí)間一定時(shí)，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化壓差和膨化溫度增大先呈遞增趨勢，到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，且圖形弧度較明顯；膨化溫度一定時(shí)，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化壓差和抽真空時(shí)間增大先呈遞增趨勢，到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩；膨化壓力一定時(shí)，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化溫度和抽真空時(shí)間增大先呈遞增趨勢，到達(dá)某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩。由此說明，膨化壓差和膨化溫度對膨化蘋果脆片的復(fù)水比的影響較大。

2.2.3 最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，利用Design Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到CO2高壓低溫氣流膨化干燥蘋果片的最佳工藝條件為：膨化壓差1.27 MPa、膨化溫度76.74 ℃、抽真空時(shí)間41.31 min。在該條件下，膨化度為1.672 97，復(fù)水比為2.110 92?？紤]實(shí)際因素，最佳工藝條件應(yīng)選膨化壓力1.3 MPa、膨化溫度77 ℃、抽真空時(shí)間41 min。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)估算出的可靠性，應(yīng)在最佳條件下進(jìn)行試驗(yàn)。最終得到蘋果脆片膨化度為1.617±0.024，復(fù)水比為2.131±0.036。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與模擬預(yù)估值相近，說明通過Design Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果可靠。

2.3 蘋果脆片膨化后的微觀結(jié)構(gòu)

在CO2高壓低溫氣流膨化干燥后，通過SEM觀察蘋果脆片的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。蘋果脆片屬于多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁破裂且質(zhì)壁分離清晰，細(xì)胞層呈較規(guī)律孔狀結(jié)構(gòu)。這些變化可能是由于細(xì)胞膜的滲透性增加導(dǎo)致細(xì)胞膜通道打開使得胞內(nèi)物質(zhì)外流所致[14]。細(xì)胞的分離破碎常伴隨著細(xì)胞壁多聚物的凝膠化和果膠的分解[15]，這些變化對產(chǎn)品的口感和品質(zhì)有影響。

圖3 蘋果脆片膨化后的微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)探究預(yù)干燥含水率、切片厚度、膨化壓差、膨化溫度、抽真空時(shí)間5個(gè)因素對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響。

通過響應(yīng)面法探究膨化壓差、膨化溫度、抽真空時(shí)間對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響。分析得出，膨化壓差和膨化溫度對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響顯著，而抽真空時(shí)間對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響不顯著。通過Design-Expert 8.0.6分析并與實(shí)際相結(jié)合得出最佳工藝參數(shù)為：膨化壓差1.3 MPa、膨化溫度77 ℃、抽真空時(shí)間41 min。

通過SEM觀察蘋果脆片的微觀結(jié)構(gòu)，蘋果脆片屬于多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁破裂且質(zhì)壁分離清晰，細(xì)胞層呈較規(guī)律孔狀結(jié)構(gòu)。