響應面法優化麻山藥冷凍干燥工藝研究

趙叢枝等

摘要

[目的]利用真空冷凍干燥技術對麻山藥進行干燥，以確定其凍干的技術指標和工藝參數。[方法]以麻山藥為試驗材料，以切片厚度、加熱板溫度、干燥室壓力為響應因子，凍干能耗為響應值，采用3因素3水平的響應面分析法優化了麻山藥真空冷凍干燥工藝條件。[結果]通過分析確定了各參數最佳水平，但考慮到生產的可操作性將各參數調整為物料厚度5.0～5.5 mm，加熱板溫度50 ℃，干燥室壓力40 Pa，在此操作條件下測得的凍干能耗為（19.27±0.05）kW·h。[結論]該研究可為麻山藥凍干生產提供相應的技術參數。

關鍵詞 麻山藥；冷凍干燥；干燥模型；響應面法；工藝條件

中圖分類號 S632.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）11-03358-02

Abstract [Objective] Vacuum freezedrying technique was used to dry yam， so as to determine freezedrying technical indicators and parameters. [Method] With yam as the test materials， response surface methodology（RSM）was employed to optimize the process parameters of vacuum freezedrying. Slice thickness， heating plate temperature and drying chamber pressure were selected as the test influencing factors， the freezedrying energy consumption as the test indicators. [Result] The optimum condition was obtained from RSM. But considering the maneuverability of production， adjusted parameter conditions for material thickness 5.0-5.5 mm， the heating plate temperature 50 ℃， the drying chamber pressure 40 Pa， the actual measured lyophilized energy consumption in this condition is （19.27±0.05）kW·h. [Conclusion] The study can provide corresponding technique parameters for yam freezedrying production.

Key words Yam； Vacuum freezedrying； Drying model； Response surface methodology； Technological conditions

山藥為薯蕷屬（Dioscorea）植物，是一種1年或多年生的藤本植物，主要分布于熱帶和亞熱帶地區，全世界有600種以上，而我國有90多種[1]。近年來的研究表明，山藥中含有多種營養和保健成分，可增強人體免疫力，具有降血壓、抗衰老、抗癌等多種功能，經常食用能夠強身健體、延緩衰老。隨著人們生活水平的提高和對健康的關注，麻山藥因其本身的營養價值而受到人們的喜愛，種植面積迅速增長，加之目前國外對麻山藥的需求很大，國際麻山藥市場貨源緊張，麻山藥已成為很多地區的重要經濟支柱。河北蠡縣種植麻山藥的歷史悠久，至2010年，蠡縣已發展麻山藥種植戶2萬余戶，種植面積突破4 660 hm2，是全國山藥種植面積最大、產量最高的區域，種植麻山藥成為當地農民的重要經濟來源[2]。

麻山藥多以出售新鮮塊莖為主，人們食用方法也主要是用來做菜或蒸煮食用。然而麻山藥采收期集中，不耐長期貯存和長途運輸。因此，對麻山藥進行加工，提高產品的附加值、延長產品的市場供應期，具有重要的現實意義。

傳統麻山藥干制是烘干或曬干，對其本身保健成分的保存不利。真空冷凍干燥因其本身的優勢，在近些年來發展迅速，經凍干后的制品能最大限度地保持原料的營養、形狀、顏色及主要的生物活性物質，且脫水徹底，易于貯存、運輸和銷售[3-4]。

響應面分析法（RSM）是研究幾種試驗因素作用的回歸分析方法，可通過對試驗結果的分析找出因素的最佳組合和響應值的最優值，是解決多變量問題的一種統計方法[5-7]。

筆者利用真空冷凍干燥技術對麻山藥進行干燥，

針對影響麻山藥冷凍干燥的3個主要工藝參數，即加熱板溫度、干燥室壓力和物料厚度，采用Box響應面法進行3因素3水平的試驗設計，優化確定麻山藥凍干的相關參數，并以凍干能耗為指標分析建立了數學模型，確定了干燥的最佳參數，為麻山藥凍干生產提供相應的技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選用蠡縣麻山藥為原料，運回后放入河北農業大學試驗冷庫，剔除有機械傷和病蟲害的塊根，盡量選擇粗細大小均勻的作為試驗樣品。主要儀器設備：

LG1.5型真空冷凍干燥試驗機，沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司。

1.2 方法

將洗凈的麻山藥用不銹鋼刀去皮，用1%VC和0.3%檸檬酸復配液進行護色，然后加熱煮制10 min，瀝干后切片，將麻山藥片平鋪在凍干盤上，每盤只鋪一層物料，將料盤放入速凍庫內，達到預凍溫度后保持1 h，拿出快速放入干燥室內，按照各處理的預設參數進行凍干。記錄干燥過程中所消耗的能耗值。各處理均重復3次。

1.3 響應面（RSM）試驗設計

根據單因素試驗結果，對切片厚度、加熱板溫度、干燥室壓力3個因素進行復因子試驗，以凍干能耗為響應值，設計3因素3水平響應面試驗。各試驗因素及相關水平設計見表1。試驗所測定的凍干能耗值，是指一定重量的物料在干燥過程中所消耗的電能（kW·h）。

合因素水平，即物料切片厚度為5.27 mm，加熱板溫度為50.41 ℃，干燥室壓力為38.71 Pa，此時凍干能耗的預測值為19.19 kW·h。

2.3 驗證試驗

對于真空冷凍干燥生產來說，凍干能耗是影響加工產品成本的主要指標，因此在保證產品質量的前提下，較低的生產能耗可以大大降低產品生產成本。為了檢驗該試驗設計結果的可靠性，采用DesignExpert.軟件進行了優化分析，得到了麻山藥凍干最佳工藝參數。考慮到產品生產實際的可操作性，將最佳工藝參數調整為物料厚度5.0～5.5 mm，加熱板溫度50 ℃，干燥室壓力40 Pa，并進行了驗證試驗以確定模型的有效性，在該條件下測得凍干能耗為（19.27±0.05）kW·h，與預測值比較接近，說明調整后的麻山藥真空冷凍干燥工藝參數是可行的。

3 結論

試驗利用BoxBehnken進行設計，通過響應面法對影響凍干能耗的幾個因素建立了二次多項模型，模型調整系數R2Adj=0.995 9，說明該模型擬合程度良好。并用統計學方法對試驗結果進行了方差分析，確定了各因素水平及交互作用對凍干能耗影響的顯著程度，優化了關鍵因素及水平。

結合產品加工的可操作性，將最佳工藝參數調整為物料厚度5.0～5.5 mm，加熱板溫度50 ℃，干燥室壓力40 Pa，并進行了驗證試驗，在此條件下實際測得的凍干能耗為（19.27±0.05）kW·h，與預測值相近。經檢驗證明該工藝參數是合理可靠的。

參考文獻

[1]

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[2] 劉立堯，李小剛.河北蠡縣麻山藥特色農業產業化發展策略探討[J].寧夏農林科技，2011，52（7）：64-65.

[3] 莊遠紅，劉靜娜，鐘文娟，等.真空冷凍干燥香蕉片的工藝研究[J].漳州師范學院學報：自然科學版，2011（1）：87-92.

[4] 肖宏偉，黃傳偉，馮雁峰，等.真空冷凍干燥技術的研究現狀和發展[J].醫療衛生裝備，2010，31（7）：30-32.

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