響應面法優化香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝

劉麗娜,王安建,田廣瑞,李　靜,魏書信

(河南省農科院農副產品加工研究所,河南鄭州 450002)

?

響應面法優化香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝

劉麗娜,王安建,田廣瑞,李靜,魏書信

(河南省農科院農副產品加工研究所,河南鄭州 450002)

為了對香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝進行優化,采用響應面的中心組合設計方法,分析膨化溫度(X1)、抽空溫度(X2)和抽空時間(X3)三個因素對產品含水率(Y1)、色澤(Y2)和膨化度(Y3)的影響,根據實驗數據推出描述三個指標的二次回歸模型,并對變量進行響應面分析,得出優化膨化干燥工藝:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時間2 h。此條件下,膨化干燥的香菇柄的含水率為3.83%,色差值為42.29,膨化度為0.685。與熱風干燥相比,變溫壓差膨化干燥產品膨化效果好,該技術可以應用于香菇柄的膨化產品。

響應面法,香菇柄,膨化干燥,工藝優化

香菇(Lentinus edodes),又名香信、香蕈、香菌、冬菇、花菇,為側耳科植物香蕈的子實體,是世界第二大食用菌,也是我國特產之一,在民間素有“山珍”之稱[1]。香菇柄是香菇商品化處理過程中的廢棄物,占整個子實體質量的15%～30%[2]。研究表明,香菇柄和菇蓋一樣是由香菇菌絲組成,同樣含有豐富的蛋白質、氨基酸、維生素、礦物元素等營養成分,以及香菇多糖、膳食纖維等功能性成分。因此對香菇廢棄菇柄進行綜合開發利用,不僅可提高香菇的采后價值,還可以減少其對環境的污染。變溫壓差膨化干燥是一種新型非油炸果蔬干燥技術[3],該技術通過將預處理并除去部分水分的果蔬原料放在變溫壓差膨化罐中升溫加壓,保溫保壓一段時間后瞬間泄壓,促使物料內部水分瞬間汽化蒸發,并帶動周圍的大分子物質引起結構變化,從而使物料內部形成多孔、疏松的結構[4]。目前,國內外一些學者進行了一些研究[5-9],在果蔬加工中具有十分廣闊的應用前景。而以香菇柄為原料進行變溫壓差膨化干燥的研究還未見報道,本研究通過響應面法對香菇柄變溫壓差膨化干燥工藝進行優化,為實現高品質香菇柄膨化產品的企業化生產提供相應的技術參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮香菇柄(直徑<1.8 cm)鄭州市陳寨蔬菜批發市場;小米市售,粒度在0.9～1.1 mm之間。

XM 120-HR快速水分測定儀Precisa Gravimetrics AG;HunterLab ColorFlex EZ型色差儀美國Hunterlab公司;GZX-9140 MBE數顯鼓風干燥箱上海博迅實業有限公司醫療設備廠;TG328A(S)分析天平上海精密科學儀器有限公司;JEA1002 電子天平上海浦春計量儀器有限公司;康靈切片機鎮江新區智宏機械廠;變溫壓差膨化干燥設備實驗室自制設備;JSM-6490LV掃描電子顯微鏡日本電子JEOL公司。

1.2實驗方法

1.2.1工藝流程鮮香菇柄→切分→預處理(浸漬、預干燥)→變溫壓差膨化干燥→冷卻→產品

具體操作為:首先將香菇柄用切片機切分為5 mm厚的片狀,于4%麥芽糊精溶液室溫下浸漬30 min,取出瀝干,然后將樣品放到熱風干燥箱中進行預干燥,溫度為50 ℃,將預干燥后的樣品放入膨化罐中進行膨化干燥,保溫保壓一段時間后瞬間泄壓,將溫度降到抽空溫度,抽空一定時間,膨化罐真空度0.1 MPa。直到干燥至國標規定的安全儲藏標準(水分13%)以下[10],抽空結束后,關閉真空閥,通入冷卻水將溫度降至常溫,開罐取出樣品,并測定相關指標。

1.2.2香菇柄變溫壓差膨化干燥優化實驗在前期單因素實驗的基礎上,將原料經過預干燥后進行變溫壓差膨化干燥工藝研究。采用響應面的中心組合設計方法,選取膨化溫度、抽空溫度、抽空時間3個因素作為自變量,以產品含水率(Y1)、色差ΔE(Y2)、膨化度(Y3)為響應值,進行優化實驗。實驗因素水平設計表如表1。依據單因素實驗結果,其他工藝參數設置為:熱風預干燥時間2 h(含水率65%左右)、膨化壓力差0.2 MPa、停滯時間5 min。

表1　因素與水平設計表Table 1　Factors and levels in design

1.2.3指標的測定

1.2.3.1水分含量的測定用水分測定儀測定。

1.2.3.3膨化度的測定采用體積排除法,以小米為介質,分別測定干燥前與干燥后香菇柄的體積,按如下公式計算膨化度:

式中,V1為小米的體積;V2為小米與干燥前香菇柄的體積;V3為小米與干燥后香菇柄的體積。

1.2.4微觀結構分析采用掃描電子顯微鏡觀察干燥后香菇柄的微觀結構。取微量樣品,用導電膠布固定于樣品臺上,將樣品臺置于離子濺射噴鍍儀中鍍金處理,處理好的樣品置于掃描電子顯微鏡下拍照。

1.3數據處理

數據統計與處理采用Design-expert 8.0軟件進行分析。

2　結果與分析

2.1響應面中心組合實驗

根據響應面的中心組合實驗設計方法,選擇膨化溫度X1、抽空溫度X2和抽空時間X3三因素,進行香菇柄變溫壓差膨化干燥優化實驗,測定膨化產品的含水率、ΔE值和膨化度。實驗設計及結果見表2。

表2　實驗設計及結果Table 2　Experimental designs and results

2.2回歸方程及參數分析

利用Design Expert8.0軟件對表2的數據進行二次多元回歸擬合,分別得到各個因素對產品含水率、色差值以及膨化度指標的二次回歸方程如下:

表3　回歸方程方差分析表Table 3　Analysis results of regression and variance

注:*,p<0.05,差異顯著;**,p<0.01,差異極顯著。

圖1　三因素對香菇柄含水率的影響Fig.1　Effect of three factors on moisture content of mushroom stem

2.3各工藝參數的效應分析

2.3.1三因素對膨化香菇柄含水率的影響由圖1a可知,隨著膨化溫度和抽空溫度的升高產品含水率均明顯降低;由圖1b可知,當抽空溫度為中心水平值時,產品含水率隨著膨化溫度的升高緩慢下降后趨于平衡,含水率隨著抽空時間的延長不斷降低;由圖1c可知,含水率隨著抽空時間的延長逐漸降低后趨于平衡,產品含水率隨著抽空溫度的升高快速下降。膨化溫度過低,不能為膨化提供足夠的能量,過高會導致原料表面過早形成保護膜[12],不利于水分的充分擴散。隨著抽空溫度的升高,抽空時間的延長,產品含水率下降是必然趨勢。

2.3.2三因素對膨化香菇柄色差的影響由圖2a可知,產品色差值隨著膨化溫度的升高先增大后減小,隨著抽空溫度的升高先緩慢減小后顯著增大;由圖2b可知,當抽空溫度為中心水平值時,產品色差值隨著膨化溫度的升高先增大后減小,隨著抽空時間的延長先減小后增大。由圖2c可知,產品色差值隨著抽空溫度的升高先緩慢減小后顯著增大,隨著抽空時間的延長先緩慢減小后緩慢增大,隨著抽空溫度和抽空時間組合值的變大,產品色差值變小,在達到一定的組合值后,產品色差值開始增大,說明產品色差值在此條件下有一個最小值?？傮w來說,膨化溫度、抽空溫度越高,抽空時間越長越不利于色澤的保持,可能原因是由于加熱使香菇柄發生了美拉德反應及抗壞血酸降解在內的一系列化學反應,不斷生成黃褐色的物質[13]。

圖2　三因素對香菇柄色澤的影響Fig.2　Effect of three factors on color of mushroom stem

2.3.3三因素對膨化香菇柄膨化度的影響由圖3a可知,產品膨化度隨著抽空溫度的升高先增加后減小,在抽空溫度為中心水平時,產品膨化度較大,且受膨化溫度影響較大,當抽空溫度偏離中心水平時,產品膨化度較小,受膨化溫度影響相對較小;由圖3b可知,產品膨化度隨著膨化溫度的升高先增加后逐漸減小,隨著抽空時間的延長先略有增加后緩慢減小;由圖3c可知,當膨化溫度為中心水平值時,產品膨化度隨著抽空溫度的升高先顯著增大后緩慢減小,隨著抽空時間的延長先增大后減小。適當的膨化溫度有利于形成產品的結構網架,適宜的抽空溫度和抽空時間,有助于保持原料在膨化過程中形成的彈性小室,使其不易回縮,最終膨化形成多孔結構[14]。

圖3　三因素對香菇柄膨化度的影響Fig.3　Effect of three factors on puffing degree of mushroom stem

2.4最適工藝參數的確定

對于膨化產品的評價指標來說,膨化度越高,色澤越好,同時達到較低的含水量,則產品品質越佳。盡管這些指標的變化趨勢不同,但是對于膨化香菇柄產品,膨化度是首要考慮指標,色澤是其次,且色澤可以采用干燥前護色處理來進行調控,使色澤得到更好地保持[15]。因此,通過Design Expert 8.0軟件對膨化度進行優化,得到膨化度的最優工藝條件為:膨化溫度85.86 ℃,抽空溫度69.33 ℃,抽空時間2.12 h,考慮到實驗操作的便利,將最優工藝條件調整為:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時間2 h。為檢驗響應面法所得結果的可靠性,采用上述優化條件,經3次平行實驗,實際得到變溫壓差膨化干燥的香菇柄的膨化度為0.685,此條件下,產品的含水率為3.83%,色差值為42.29,與模型預測值相比,其相對偏差均較小,說明各指標模型能較好地模擬和預測香菇柄變溫壓差膨化干燥過程中三個指標的變化情況,進而用于香菇柄膨化干燥過程的控制。

2.5香菇柄熱風干燥和膨化干燥微觀結構的比較

圖4為香菇柄熱風干燥(50 ℃,含水率<13%)和變溫壓差膨化干燥后的微觀結構圖。從圖4可以看出,兩種干燥方式的香菇柄組織結構差異明顯,在相同的放大倍數下,熱風干燥的香菇柄,細胞收縮嚴重,孔隙糾結,產品結構緊密;變溫壓差膨化干燥的香菇柄組織結構較疏松、均勻,組織內具有較大的空腔,呈蜂窩狀,腔壁厚薄不一。鮮香菇柄含水率高達85%,干物質較少,在熱風干燥時水分由表及里逸出,物料表面存在兩種不同相態的水分,形成了較大的表面張力,且干燥時間較長,導致香菇柄體向內部擠壓,組織結構變形和坍塌[16],宏觀上表現出干縮現象。對比較而言,變溫壓差膨化干燥時,一方面,預干燥階段通過浸漬麥芽糊精,作為定型填充料滲透到物料內部,使菇體組織更加充實[17],以提供更多的膨化基質;另一方面,膨化干燥時瞬間抽真空,使水的沸點降低而汽化,細胞在外界作用下破裂,形成較大空腔,抽空干燥進一步使水分充分散失,最終形成多孔結構的質地[18]。

圖4　干燥后香菇柄微觀結構圖Fig.4　Microstructure of mushroom stem after drying

3　結論

通過統計分析,分別建立了膨化溫度、抽空溫度及抽空時間對變溫壓差膨化干燥香菇柄含水率、色澤和膨化度的影響的多元回歸模型,經驗證,該模型擬合度良好,可用于預測膨化干燥后香菇柄的含水率、色澤及膨化度。響應面分析得出的最佳工藝條件為:膨化溫度86 ℃,抽空溫度69 ℃,抽空時間2 h。此條件下,得到膨化干燥的香菇柄的含水率為3.83%,色差值為42.29,膨化度為0.685,與模型預測值非常接近,且在此工藝參數下得到的膨化香菇柄品質較好。通過與熱風干燥對比,變溫壓差膨化干燥的香菇柄由于溫度和瞬間真空作用,水分瞬間汽化,減壓膨脹,從而形成均勻多孔的結構,賦予產品一定的膨化度。本文研究結果表明變溫壓差膨化干燥技術可以應用于香菇柄的膨化產品,為香菇柄的利用提供了一種新的途徑,但如何通過預處理工藝在獲得好的膨化效果的同時,又能使色澤更佳,還有待于進一步的研究。

[1]王賀祥.食用菌學[M].北京:中國農業大學出版社,2007:76.

[2]高虹,史德芳,何建軍,等.超微粉碎對香菇柄功能成分和特性的影響[J].食品科學,2010,31(5):40-43.

[3]畢金峰,魏益民.果蔬變溫壓差膨化干燥關鍵技術研究進展[J].農業工程報,2008,24(6):308-312.

[4]高鶴,易建勇,劉璇,等.響應面法優化番木瓜變溫壓差膨化干燥工藝[J].食品科學,2014,35(24):51-56.

[5]劉志勇,葛邦國,崔春紅,等.葡萄低溫氣流膨化干燥工藝研究[J].食品科技,2012,(12):72-77.

[6]嚴啟梅.杏鮑菇真空微波聯合氣流膨化干燥研究[D].南京:南京師范大學,2012.

[7]He Xin-yi,Liu jin-fu,Huang Zong-huang.Preparation of cold brew tea by explosion puffing drying at variable temperature and pressure[J].Drying Technology,2011,29(8):888-895.

[8]Zou Ke-jian,Teng Jing-wen,Huang Li,et al.Effect of osmotic pretreatment on quality of mango chips by explosion puffing drying[J].LWT-Food Science and Technology,2013,(51):253-259.

[9]Tabtiang S,Prachayawarakon S,Soponronnarit S.Effects of osmotic treatment and superheated steam puffing temperature on drying characteristics and texture properties of banana slices[J]. Drying Technology,2012,30(1):20-28.

[10]GB 5009.3-2010,食品安全國家標準食品中水分的測定[S].北京:中國標準出版社,2010.

[11]Hawlader Mna,Perera Co,Tian M,et al.Drying of guava and papaya:impact of different drying methods[J].Drying Technology,2006,24(1):77-87.

[12]呂健,畢金峰,盧勇,等.響應面法優化桃變溫壓差膨化干燥工藝[J].中國食品學報,2014,14(6):110-120.

[13]宋江峰,李大婧,劉春泉.溫度對甜玉米果泥β-胡蘿卜素和色澤變化的影響[J].江蘇農業學報,2011,27(4):863-867.

[14]王萍,易建勇,畢金峰,等.菠蘿蜜熱風-變溫壓差膨化干燥工藝研究[J].食品與機械,2015,31(4):218-222.

[15]齊琳琳,張慜,祁會林.不同加工工藝對香菇[J].食品與生物技術學報,2012,31(12):1275-1281.

[16]Dissa AO,Desmorieux H,Savadogo PW,et al.Shrinkage,porosity and density behaviour during convective drying of

spirulina[J].Journal of Food Engineering,2010,97(3):410-418.

[17]徐德峰,張衛明,孫曉明,等.不同預處理對馬鈴薯片浸漬速率及感官品質的影響[J].食品工業科技,2007,28(5):98-103.

[18]王雪媛,陳芹芹,畢金峰,等.熱風-脈動壓差閃蒸干燥對蘋果片水分及微觀結構的影響[J].農業工程學報,2015,31(20):287-293.

Optimization of explosion puffing drying process at variable temperature and pressure for mushroom stem by response surface methodology

LIU Li-na,WANG An-jian,TIAN Guang-rui,LI Jing,WEI Shu-xin

(Institute of Agricultural Products Processing,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

In order to optimize the technology for explosion puffing drying of mushroom stem,the central composite design of response surface methodology was adopted. The effect of puffing temperature(X1),vacuum drying temperature(X2)and vacuum drying time(X3)on moisture content(Y1),color(Y2)and puffing degree(Y3)of product were studied. Based on the experimental data,the quadratic regression models of three indexes were deduced,then variables were analyzed with response surface methodology. The optimal puffing drying conditions were determined as 86 ℃ of puffing temperature,69 ℃ of vacuum drying temperature,2 h of vacuum drying time. Under this condition,the moisture content,color and puffing degree of mushroom stem were 3.83%,42.29 and 0.685.Compared with hot air drying,the technology has a better puffing effect,and can be applied to puffed product of mushroom stem.

Response surface methodology;Mushroom stem;Explosion puffing drying;Technology optimization

2016-01-27

劉麗娜(1982-)，女，碩士研究生，主要從事食用菌保鮮與加工研究，E-mail：liuln1982@163.com。

河南省財政預算項目(20157815)。

TS255.3

B

1002-0306(2016)15-0198-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.15.030