厚皮甜瓜脆片壓差膨化干燥工藝

許銘強，孟伊娜，張 婷，馬 燕，孟新濤，鄒淑萍，張 謙

(新疆農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所/新疆主要農(nóng)副產(chǎn)品精深加工工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】厚皮甜瓜(Cucumismelo)，屬于葫蘆科(cucurbitaceae)，甜瓜屬(cucumis)，盛產(chǎn)于中國新疆[1]，肉嫩甜爽、風(fēng)味濃郁。鮮果運輸成本高，且產(chǎn)量遠(yuǎn)大于市場供應(yīng)量，導(dǎo)致大量成熟鮮果在短期內(nèi)集聚，耐貯性較差、易腐爛變質(zhì)[2-4]。研究新疆厚皮甜瓜脆片干燥工藝，對分析新疆厚皮甜瓜脆片干燥工藝有重要意義。【前人研究進展】具有獨特酥脆口感，純天然加工，且方便運輸?shù)墓吲蚧嗥a(chǎn)品也是方便休閑食品[5-7]。有采用冷凍干燥、真空低溫油炸及壓差膨化等干燥技術(shù)生產(chǎn)果蔬膨化脆片[8-13]，但冷凍干燥成本高且干燥周期較長，而真空低溫油炸技術(shù)干燥產(chǎn)品含油量高、不易儲藏[14-16]?！颈狙芯壳腥朦c】壓差膨化干燥技術(shù)是一項綠色健康的加工技術(shù)，可以實現(xiàn)高效加工高質(zhì)量非油炸健康果蔬脆片產(chǎn)品。需利用壓差膨化技術(shù)，充分利用新疆厚皮甜瓜的可食用部分，提高其加工利用率，有效減少風(fēng)味物質(zhì)的逸失，并同步實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)地特性的重組?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇新疆厚皮甜瓜切片預(yù)干燥后含水率、膨化干燥溫度及真空干燥時間3個工藝關(guān)鍵因素，采用響應(yīng)面分析法對新疆厚皮甜瓜脆片壓差膨化干燥工藝進行中心組合設(shè)計，分析不同因素對新疆厚皮甜瓜膨化脆片產(chǎn)品含水率、酥脆度、膨化度和色澤的影響，優(yōu)化新疆厚皮甜瓜脆片壓差膨化干燥工藝，為新疆厚皮甜瓜壓差膨化干燥脆片產(chǎn)品的開發(fā)和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆厚皮甜瓜：購于新疆烏魯木齊 九鼎農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場；儀器設(shè)備：QDPH10果蔬壓差膨化干燥設(shè)備(天津勤德新材料科技有限公司)。其他儀器設(shè)備主要為：熱泵干燥設(shè)備(0DD150FL，廣州晟起能源設(shè)備有限公司)；電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱(蘇州歐文烘箱制造有限公司)；TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀(美國FTC公司)；CR-10手持色差計(日本美能達(dá)(MINOUA))；TP-A1000型電子天平(福州華志科學(xué)儀器有限公司)；Sartorius MA30型紅外水分天平(德國Sartorius公司)。

圖1 果蔬壓差膨化干燥設(shè)備示意Fig.1 Explosion puffing drying equipment for fruits and vegetables at variable pressure difference

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

新疆厚皮甜瓜片的制備：清洗后，去皮除籽，先橫向切成1 cm厚的瓜片，將其切成長3 cm、寬1 cm、厚0.3～0.5 cm的片段。

瓜片預(yù)干燥：采用除濕熱泵干燥。依據(jù)前期研究中新疆厚皮甜瓜片的干燥曲線(干球溫度梯度設(shè)定40～55℃、濕球溫度梯度設(shè)定35～20℃、循環(huán)風(fēng)機運行模式設(shè)定1)，在程序設(shè)定后進行預(yù)干燥處理。在干燥環(huán)節(jié)中，定時取樣以確定瓜片樣品的含水率。

瓜片膨化：將經(jīng)熱泵預(yù)干燥處理后含水率相同的新疆厚皮甜瓜預(yù)干燥片，平行放置在膨化罐的同一托物架盤上，以確保膨化過程中所有處理樣品處于相同的溫度，之后入罐。打開溫度控制裝置，并緩慢加熱至設(shè)定的膨化溫度；開啟空氣壓縮機，緩慢調(diào)節(jié)膨化罐壓力，保持罐壓在-0.098～-0.01 MPa穩(wěn)定；快速打開泄壓閥，使膨化罐和真空罐連通，膨化罐瞬間失壓，瓜片組織迅速膨脹，同時排除膨化罐中的大量水分；維持膨化罐內(nèi)一段時間的真空狀態(tài)，以確保膨化物料殘留的少量水分完成干燥；關(guān)閉加熱閥并開啟冷卻閥，迅速注入冷卻水，將溫度保持在試驗設(shè)計的不同溫度，并維持不同設(shè)計所需的真空干燥時間；保持冷卻水循環(huán)使膨化罐的溫度降至室溫，打開通氣閥，恢復(fù)膨化罐的常壓狀態(tài)；開罐取出新疆厚皮甜瓜膨化脆片樣品。

1.2.2 工藝優(yōu)化

在前期單因素試驗中，選擇預(yù)干燥后新疆厚皮甜瓜片含水率(20%、30%、40%、50%、60%)、壓差膨化溫度(70、80、90、100、110℃)、壓差膨化真空干燥溫度(40、50、60、70、80℃)和壓差膨化真空干燥時間(1、2、3、4、5 h)進行4因素5水平試驗，得到單因素最佳參數(shù)為：新疆厚皮甜瓜切片預(yù)干燥至含水率30%、壓差膨化干燥溫度90℃、壓差膨化真空干燥溫度60℃、壓差膨化真空干燥2 h。采用中心組合實驗設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化法，以新疆厚皮甜瓜切片預(yù)干燥后含水率(X1)、壓差膨化溫度(X2)、壓差膨化真空干燥時間(X3)作為因子，進行壓差膨化干燥工藝優(yōu)化研究，分析各因子對新疆厚皮甜瓜膨化脆片產(chǎn)品含水率(Y1)、酥脆度(Y2)、膨化度(Y3)和色澤(Y4)的影響。表1

表1 因子水平編碼Table 1 Coding of factors and levels

1.2.3 指標(biāo)測定

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

(2)色澤：利用CR-10型手持色差計進行測，色澤(△E)值越大，表示產(chǎn)品顏色越好[18,19]。

(3)膨化度：比體積法，采用量杯油菜籽填埋方法對膨化產(chǎn)品前后的體積差異進行測定。計算公式為：

膨化度(P)=(V-V0)/V0×100%.

式中：V：膨化后脆片的體積(mL)；V0：膨化前瓜片的體積(mL)。

(4)酥脆度：采用FTC TMS-Pro質(zhì)構(gòu)分析儀測定[20]，并根據(jù)測試中所產(chǎn)生質(zhì)地特性應(yīng)力曲線上的單個峰數(shù)指示膨化脆片產(chǎn)品的酥脆度(個)。應(yīng)力曲線上出現(xiàn)的單個峰數(shù)愈多，產(chǎn)品的酥脆度值則愈大，反之亦然。測試條件：探頭選擇P/100；測試前速度為2 mm/s；測試速度為 1 mm/s；測試距離為 5 mm；測試后速度為2 mm/s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Design-Expert V8.0.6軟件進行試驗設(shè)計，采用IBM SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)鍵因子對膨化脆片品質(zhì)的影響

研究表明，產(chǎn)品含水率(Y1)最大值18.74 %(標(biāo)準(zhǔn)序6)、最小值4.72 %(標(biāo)準(zhǔn)序7)；產(chǎn)品酥脆度(Y2)最大值364個(標(biāo)準(zhǔn)序7)、最小值88個(標(biāo)準(zhǔn)序6)；產(chǎn)品膨化度(Y3)最大值1.37(標(biāo)準(zhǔn)序14)、最小值0.12(標(biāo)準(zhǔn)序6)；產(chǎn)品色澤(Y4)最大值為68.54(標(biāo)準(zhǔn)序4、11、14)、最小值為53.09(標(biāo)準(zhǔn)序6)，不同關(guān)鍵因子的運行組，其產(chǎn)品的含水率、酥度、膨化度及色澤各組間存在不同程度的差異。標(biāo)準(zhǔn)序6組：預(yù)干燥后含水率40 %、壓差膨化溫度90℃、膨化真空時間1 h，所得膨化脆片的含水率最高、酥脆度最低、膨化度表現(xiàn)最差、產(chǎn)品色澤變化最小。而標(biāo)準(zhǔn)序7組：預(yù)干燥后含水率20 %、壓差膨化溫度90℃、膨化真空時間3 h，所得膨化脆片的含水率最低，酥脆度最大，膨化度和色澤表現(xiàn)較好。表2

表2 優(yōu)化試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Optimize experimental designs and results

2.2 回歸方程建立及變量

研究表明，預(yù)干燥后新疆厚皮甜瓜切片的含水率(X1)、壓差膨化干燥溫度(X2)、壓差膨化真空干燥時間(X3)這3個因子與新疆厚皮甜瓜膨化脆片產(chǎn)品的含水率(Y1)、酥脆度(Y2)、膨化度(Y3)、色澤(Y4)這4個評價指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)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).

決定系數(shù)R2=0.865 8小于0.9且大于0.85，其余方程的決定系數(shù)R2均大于0.9，各模型方程具有較高的可信度，4個因變量與全體自變量之間的多元回歸影響關(guān)系顯著。預(yù)干燥后的含水率和壓差膨化溫度對產(chǎn)品色澤影響不顯著，但對其他3個指標(biāo)的影響顯著；壓差膨化真空干燥時間對脆片產(chǎn)品含水率和酥脆度的影響不顯著，對脆片產(chǎn)品的膨化度和酥脆度均具有顯著影響。新疆厚皮甜瓜壓差膨化脆片產(chǎn)品的色澤受壓差膨化真空干燥時間的直接影響。表3

表3 回歸系數(shù)及變量Table 3 Significance analysis of regression coefficients

2.3 因子間的交互效應(yīng)

2.3.1 三因子間的交互作用對新疆厚皮甜瓜壓差膨化產(chǎn)品含水率的影響

研究表明，隨各因子編碼值及編碼值組合的增加，新疆厚皮甜瓜壓差膨化脆片產(chǎn)品的含水率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。圖2

圖2 因子交互作用下膨化脆片產(chǎn)品含水量變化Fig.2 Effect of factors on the water content of expanded products

2.3.2 三因子間的交互作用對新疆厚皮甜瓜壓差膨化產(chǎn)品酥脆度的影響

研究表明，膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)與壓差膨化溫度(X2)呈正相關(guān)，而當(dāng)預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)處在較高值時，膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)隨壓差膨化溫度(X2)的升高而平緩增加。隨著預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)和壓差膨化真空干燥時間(X3)交互作用的增強，膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)變化趨勢趨于平緩，直至在壓差膨化真空干燥時間(X3)編碼值的最高處出現(xiàn)極大值。在壓差膨化真空干燥時間(X3)處在較低值時，其同壓差膨化溫度(X2)對膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)的交互作用不明顯，而當(dāng)壓差膨化真空干燥時間(X3)處在較高值時，二者顯現(xiàn)出明顯的交互影響作用；此外，無論壓差膨化溫度(X2)處在任何編碼值，膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)未隨壓差膨化真空干燥時間(X3)的變化而顯著變化，在恒定的壓差膨化溫度水平下，壓差膨化真空干燥時間對膨化脆片產(chǎn)品酥脆特性的影響不顯著，在壓差膨化溫度(X2)和壓差膨化真空干燥時間(X3)的交互值達(dá)到最大時，膨化后脆片產(chǎn)品的酥脆度(Y2)增至最大值。圖3

圖3 因子交互作用下膨化脆片產(chǎn)品酥脆度變化Fig.3 Effect of factors on the crisp degree of expanded products

2.3.3 三因子間的交互作用對新疆厚皮甜瓜壓差膨化產(chǎn)品膨化度的影響

研究表明，隨著預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)增加，膨化后脆片產(chǎn)品的膨化度(Y3)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢；在預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)處于編碼中間水平時，膨化后脆片產(chǎn)品的膨化度(Y3)表現(xiàn)較好，且不受壓差膨化干燥溫度(X2)和壓差膨化真空干燥時間(X3)交互作用的影響。而由圖4c 可知，隨著壓差膨化干燥溫度(X2)和壓差膨化真空干燥時間(X3)交互組合編碼的增加，膨化后得到的脆片產(chǎn)品膨化度(Y3)呈現(xiàn)出先上升后平緩降低的趨勢，直觀反映了膨化脆片產(chǎn)品的膨化度在此條件下變化差異顯著。圖4

圖4 因子交互作用下膨化脆片產(chǎn)品膨化度變化Fig.4 Effect of factors on the puffing rates of expanded products

2.3.4 三因子間的交互作用對新疆厚皮甜瓜壓差膨化產(chǎn)品色澤的影響

研究表明，預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)和壓差膨化溫度(X2)之間交互作用顯著，膨化后脆片產(chǎn)品的色澤(Y4)隨其它因子交互組合的變化，呈現(xiàn)出先升高后降低的響應(yīng)趨勢，預(yù)干燥后瓜片的含水率(X1)和壓差膨化溫度(X2)二者的交互作用同壓差膨化真空干燥時間(X3)的單一作用存在較優(yōu)編碼組合，使膨化后脆片產(chǎn)品的色澤(Y4)表現(xiàn)最佳，且可作為因子間交互作用的最優(yōu)水平，優(yōu)化工藝參數(shù)。圖5

圖5 因子交互作用下膨化脆片產(chǎn)品色澤變化Fig.5 Effect of factors on the color of expanded products

2.4 新疆厚皮甜瓜脆片壓差膨化干燥工藝的優(yōu)化

研究表明，隨著新疆厚皮甜瓜壓差膨化脆片產(chǎn)品含水率(Y1)的降低，其酥脆度(Y2)呈陡坡式攀升，趨勢明顯，但膨化脆片產(chǎn)品膨化度(Y3)和色澤(Y4)則無明顯規(guī)律性變化。采用SPSS 20.0 軟件對試驗結(jié)果進行優(yōu)化分析結(jié)果表明，影響新疆厚皮甜瓜膨化脆片評價指標(biāo)的優(yōu)化參數(shù)為含水率Y1=8.0%、酥脆度值Y2=145、膨化度Y3=1、色澤Y4=66，新疆厚皮甜瓜切片預(yù)干燥后含水率為30%，膨化干燥溫度為90℃，真空干燥時間為2 h，隨即對得到的優(yōu)化后工藝進行驗證。表4

表4 驗證試驗設(shè)計與結(jié)果Table 4 Validate experimental designs and results

在預(yù)干燥后瓜片的含水率30%、膨化溫度90℃、壓差膨化真空干燥時間2 h、真空罐真空度-0.098 MPa、壓差膨化壓力差0.2 MPa條件下進行新疆厚皮甜瓜脆片壓差膨化干燥，得到的膨化脆片產(chǎn)品平均含水率6.46%，酥脆度150，膨化度1.24，色澤為67.15。

3 討 論

壓差膨化干燥技術(shù)適用于生產(chǎn)新疆厚皮甜瓜膨化脆片產(chǎn)品，但在加工過程中原料的含水率直接影響著新疆厚皮甜瓜膨化脆片產(chǎn)品的品質(zhì)，水分過高會產(chǎn)生較大的膨化氣泡，過低則影響酥脆品質(zhì)且膨化效果不明顯。新疆厚皮甜瓜脆片進行壓差膨化干燥前需進行預(yù)干燥處理，并確保預(yù)干燥后加工原料具有適宜的水分含量，以提高膨化干燥速率和膨化脆片產(chǎn)品的品質(zhì)。不同因子間的交互作用對不同品質(zhì)具有不同的影響，預(yù)干燥后加工原料的含水率與壓差膨化干燥溫度的交互作用對壓差膨化脆片產(chǎn)品的外觀品質(zhì)具有顯著影響，壓差膨化溫度和壓差膨化真空干燥時間的交互作用對壓差膨化脆片產(chǎn)品的酥脆品質(zhì)影響顯著，并且因子間的交互作用組合存在單一最優(yōu)水平，可用于壓差膨化干燥工藝的優(yōu)化，也可根據(jù)實際需求進行優(yōu)選。由于新疆厚皮甜瓜屬于熱敏性果蔬原料且含糖量高，實際操作中應(yīng)注意控制壓差膨化干燥過程的溫度，溫度過高易出現(xiàn)焦糊，直接破壞新疆厚皮甜瓜脆片產(chǎn)品的風(fēng)味和色澤。

4 結(jié) 論

新疆厚皮甜瓜切片預(yù)干燥后含水率30%、膨化干燥溫度90℃、壓差膨化真空干燥時間2 h、真空罐真空度-0.098 MPa、壓差膨化壓力差0.2 MPa。膨化脆片產(chǎn)品品質(zhì)較佳，具有較好的色澤、酥脆度和膨化度。