響應面法優化微波膨化紫心甘薯片的工藝

盧曉斌 ，楊玉玲 ，李春陽 ，盧曉會 ，徐圣蘭

（1.江蘇省農科院農產品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.南京財經大學，江蘇 南京 210014）

紫心甘薯，學名川山紫，是日本最先培育出的一個品種，薯肉為紫紅色[1-2]，含有豐富的VA、VB2、胡蘿卜素、VC和鈣、磷、鐵、硒等礦物質，還含有多種酚類物質－花青素[3]。日本學者須田郁夫等研究表明，紫心甘薯具有極強的抗氧化性、去除活性氧，可預防高血壓、改善肝功能和改善視力等保健作用[4]。具有營養價值高、保健功能強的特點[5]，可用來開發保健食品和功能性食品。此外，甘薯紫色素作為一種天然色素可以添加到食品中。因此，開發利用紫心甘薯具有廣闊的市場前景[6]。

我國對于紫心甘薯進行的研究主要集中在品種改良、馴化、色素提取、理化性質檢測以及抗氧化清除自由基等功能性方面[2]，而對紫心甘薯進行微波膨化的研究還鮮見報道。膨化食品是以谷物、豆類、薯類蔬菜等為主要原料，利用油炸、擠壓、微波等膨化技術加工而成的休閑食品[7]，深受人們的喜愛。利用微波膨化技術加工食品，時間短，能最大限度的保存食品原有的營養成分，膨化、干燥、殺菌工藝同時完成，而且與傳統的真空油炸果蔬脆片相比，具有低脂肪、低熱量和高纖維的特點[8-10]。雖然我國對于微波膨化應用的基礎研究和設備開發還處于起步階段，但是可以預見，微波膨化技術將成為膨化食品生產發展的新方向[11]。

本文主要研究了微波膨化紫心甘薯脆片的工藝，在探討預處理工藝參數對產品品質影響的基礎上，采用響應曲面法對其進行優化，以期生產出高品質的紫心甘薯脆片，為豐富和發展紫心甘薯的加工技術和果蔬初級產品的轉化提供了一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

紫心甘薯:寧紫1號（由江蘇省農業科學院農產品加工研究所提供）；檸檬酸、VC：市售。

1.2 設備

微波爐：松下NN-K5441JF；AL104分析天平：梅特勒2托利多儀器有限公司產品；電熱恒溫鼓風干燥箱：上海新苗醫療器械制造有限公司產品。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

原料→清洗→切片→護色→燙漂→熟化→預干燥→均濕→微波膨化→二次干燥→成品

1.3.2 單因素試驗設計[12]

1.3.2.1 切片厚度對膨化率的影響

設置切片厚度為1、3、5、7 mm，預干燥至含水量為20%，均濕處理2 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測定產品的膨化率、復水比和口感。

1.3.2.2 含水量對膨化率的影響

切片厚度為1 mm，設置預干燥至含水量為10%、20%、30%、40%，均濕處理2 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測定產品的膨化率、復水比和口感。

1.3.2.3 均濕處理時間對膨化率的影響

切片厚度為1 mm，預干燥至含水量20%，設置均濕處理為0、1、2、3 d，然后微波中檔條件下膨化40 s，測定產品的膨化率、復水比和口感。

1.3.2.4 微波膨化試驗

1）微波功率對微波膨化甘薯脆片質量的影響

經處理后的甘薯片分別在高、中、低檔條件下膨化40 s，測定產品的膨化率、復水比和口感。

2）微波時間對微波膨化甘薯脆片質量的影響

經處理后的甘薯片微波中檔條件下分別膨化30、40、50、60 s，測定產品的膨化率、復水比和口感。

1.3.3 微波膨化紫心甘薯片工藝優化試驗設計

1.3.3.1 Plackett Burman試驗設計[13]

選取切片厚度（x1）、含水量（x2）、均濕時間（x3）、微波功率（x4）、微波時間（x5）5 個因素為影響因素，采用N=8的試驗設計，每個因素取2個水平：低水平“-1”和高水平“+1”，評價指標為紫心甘薯片的膨化率，對5個試驗因子進行篩選，選出顯著性因子。試驗因子及水平見表1，每一組試驗重復3次。（本試驗設計、數據分析及模型建立皆由Design-Expert7.0軟件輔助完成）。

表1 Plackett Burman試驗設計因素水平及編碼Table 1 The designing factor level and code of Plackett Burman Test

1.3.3.2 響應曲面法試驗設計

以Plackett Burman試驗篩選出4個顯著性因素（切片厚度、含水量、微波功率、微波時間），然后以膨化率為響應值，采用Box-Behnken模型設計試驗，試驗因子及水平見表2。

表2 響應曲面法因素水平編碼Table 2 The factor level and code of response surface methodology

1.3.4 指標測定方法

1.3.4.1 水分測定

含水量＝（干燥前物料質量－干燥恒重后的物料質量）/干燥前物料質量×100%

1.3.4.2 復水比的測定[12]

復水比＝（復水后樣品質量-樣品質量）/樣品質量

1.3.4.3 體積的測定

采用小米排除法，小米粒度控制在0.9 mm～1.1 mm范圍之內。

甘薯片體積為V=Va-Vb

式中：Va為小米加甘薯片體積；Vb為小米體積。

1.3.4.4 膨化率的計算

膨化率為 P=（V1-V2）/V2

式中：V1為膨化后的體積；V2為膨化前的體積。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

單因素試驗結果表明，紫心甘薯片的切片厚度宜在1 mm，含水量在20%，均濕時間控制在2 d，微波功率為中檔，微波膨化時間在40 s時膨化率較高。

2.2 Plackett Burmany試驗結果與分析

2.2.1 Plackett Burman試驗結果

Plackett Burman試驗設計及響應值，見表3。

表3 Plackett-burman試驗設計及響應值Table 3 The design of Plackett Burman test and response data

2.2.2 微波膨化紫心甘薯片顯著性因子

Plackett Burman試驗回歸模型方差分析，見表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 The variance analysis in regression model

由表4可見：P=0.0376，決定系數R2=0.9848，說明回歸模型的擬合度較好。

對回歸方程函數顯著性的檢驗，見表5。

由表5可見：切片厚度、含水量、微波功率、微波時間的P值均小于0.05，說明這4個參數均為顯著性影響因子。

表5 實驗回歸方程系數顯著性檢驗表Table 5 Obviously testing table of experimental coefficient of the regression equation

2.3 響應曲面法試驗結果與分析

2.3.1 響應曲面法試驗結果

響應曲面分析的試驗設計及響應值，見表6。

表6 響應面分析試驗設計及結果Table 6 Experimental design and results of response surface analysis

由表6可知：紫心甘薯在切片厚度、含水量、微波功率、微波時間4個因素的不同條件作用下，膨化率在一個范圍內變化波動，其中甘薯膨化率最低為1.76%，最高為29.97%。

2.3.2 響應面方差分析

響應曲面試驗方差分析，見表7。

表7 響應面試驗方差分析表Table 7 Response Surface Analysis of variance table

由表7可見，模型是極顯著的（P<0.0001），且模型的擬合度較好（R2=0.9691），反映出切片厚度、、微波功率和微波時間對紫心甘薯片的膨化有重要影響。

由表7中P值可以看出，一次項中切片厚度（X1）、微波功率（X3）、微波時間（X4）對膨化率的影響極為顯著，含水量（X2）為顯著；交互項中 X1X3、X1X4偏回歸系數顯著，說明切片厚度和微波功率、切片厚度與微波時間的交互作用對膨化率的大小影響顯著；二次項中X12、X32、X42偏回歸系數顯著，其他各項對膨化率的影響均未達到顯著水平。

2.3.3 回歸方程的建立

以紫心甘薯片的膨化率為因變量，可得擬合回歸方程：y（膨化率%）=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94X3+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35 X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，該方程可以預測紫心甘薯片的膨化率。

2.3.4 紫心甘薯脆片膨化率的響應曲面分析

圖1直觀地給出了各個因子交互作用的響應面的3D和等高線分析圖。從圖1響應面的最高點和等高線可以看出，在所選的范圍內存在極值，既是響應面的最高點，同時也是等高線最小橢圓的中心點。

圖1為切片厚度與微波時間對紫心甘薯脆片膨化率的響應曲面。

圖1 切片厚度與微波時間對甘薯片膨化率的響應面分析Fig.1 The response surface analysis of the slice thickness and microwave time to extrusion rate of sweet potato

圖1顯示在含水量30%，微波功率為中檔（429.5W）時，切片厚度和微波時間對紫心甘薯脆片膨化率的交互作用顯著。在微波時間一定的情況下，隨著切片厚度增加，膨化率逐漸下降；在切片厚度一定時，膨化率隨著微波時間的增加而增大，當切片厚度為1 mm，微波時間為40 s時膨化率達到最高。分析其原因，厚度的減少和微波時間的延長有利于微波的能量充分作用到物料內部，從而使膨化率增加。

2.4 最佳膨化工藝參數與膨化率的預測

根據回歸模型和Design-Expert7.0軟件分析，紫心甘薯片膨化最佳條件為:切片厚度為1 mm、水分含量20.3%、微波功率為679.99 W、微波時間為39.95 s。

在最佳工藝條件下，微波膨化紫心甘薯片（重復3次），得到甘薯片膨化率為39.17%，而預測值為40.28%，相對誤差為2.7%，該方程與實際擬合很好，可以預測實際生產中的甘薯片膨化率。

3 結論

1）借助Design-Expert 7.0軟件，應用Plackett-Burman試驗設計和響應曲面分析，發現微波膨化紫心甘薯片工藝中切片厚度、預干燥水分含量、微波功率、微波時間4個因素對膨化率有顯著影響，得到膨化率的預測方程即y=17.86-7.59X1-2.80X2+4.94XX+7.54X4+1.48X1X2-2.79X1X3-3.82X1X4-0.92X2X3-0.58X2X4+1.35X3X4-3.02X12-1.13X22-3.82X32-3.38X42，該回歸模型擬合度較好，能夠預測紫心甘薯脆片的膨化率。

2）通過優化得到最佳工藝條件為：切片厚度1mm、水分含量20%、微波功率430 W、微波時間40 s，均濕2 d。

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