響應面優化菠蘿蜜果粉 真空冷凍干燥工藝

王穎倩,張 偉,朱科學,譚樂和,張彥軍,吳 剛

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院,黑龍江大慶 163319;2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所,海南萬寧 571533 3.黑龍江八一農墾大學電氣與信息學院,黑龍江大慶 163319)

菠蘿蜜(ArtocarpusheterophyllusLam.)是一種典型的熱帶水果,又稱“樹菠蘿”和“木菠蘿”,是世界上最大的食用水果之一,單個果實重10～50 kg[1]。菠蘿蜜在我國種植已有一千多年的歷史,在海南、廣西、廣東、云南、福建和臺灣等地區均有種植[2-3]。菠蘿蜜果實碩大,產量高,種植經濟效益好。盛產期菠蘿蜜產量為37500 kg/hm2左右,產值保守估計近十幾萬元[4]。菠蘿蜜含有豐富的營養成分,如蛋白質、淀粉、維生素B6、硫胺素、鈉、鉀、鐵、鈣和鋅等,具有抗氧化、降血壓、治愈腹瀉、緩解哮喘、潰瘍和便秘等功效[5-7],是一種發展前景很好的熱帶水果。

據統計,美國菠蘿蜜的消費額由2011年6900美元增加到2015年1.09億美元[8]。此外,有關菠蘿蜜的開發利用也越來越受到重視,Haque[9]開發菠蘿蜜果肉和堅果仁的蛋糕,并研究了其儲存性;Panda[10]將菠蘿蜜加工成(8.23% v/v)果酒,有較高的抗氧化性能和感官評分;Alok S[11]對菠蘿蜜果肉采用熱風和冷凍組合干燥,制備了菠蘿蜜脆片;Maity T[12]研究了油炸菠蘿蜜脆片技術;Sayuti K[13]因菠蘿蜜富含纖維將其加工成了果醬。目前我國菠蘿蜜除了鮮食外,產品的加工主要集中在菠蘿蜜脆片的加工工藝[4]。王天陸[14-15]研究了菠蘿蜜脆片真空油炸和脫油技術工藝;徐飛[16]采用微波真空干燥技術探討了干燥功率、時間和投物量對菠蘿蜜脆片干燥效果的影響,并建立數學模型;王萍[17]研究了菠蘿蜜脆片的熱風變溫壓差膨化工藝;張彥軍[18]針對真空冷凍不同降溫模式對菠蘿蜜果肉脆片的干燥效果進行了研究。而菠蘿蜜果粉的加工工藝尚未見報道。新鮮水果含水率一般高達80%,被列為高度易腐商品[19],果肉作為菠蘿蜜主要食用部分,占整果重量的30%～35%[20],將果肉直接加工成果粉不僅能降低運輸成本,也能有效解決鮮果易腐爛難以遠銷的難題,還能豐富菠蘿蜜市場的產品種類。

果粉的加工分為干法加工和濕法加工,即干制品研磨制粉和鮮果打漿制粉。干法加工的粉末,產品顆粒粗大,溶解性差,且制成的粉由于多次加熱破壞了產品天然的營養成分和風味;濕法加工能在低溫條件下制備,能很好的保持產品天然物質,且干燥均勻[21]。噴霧干燥和真空冷凍干燥因其具有較好成粉效果,被認為是果粉加工的主要加工方式[22]。真空冷凍干燥與噴霧干燥相比,能有效地避免干燥過程中產生的粘壁現象,從而減少原料的浪費,且能較好的保持熱敏性物質的營養和色澤。

因此,本研究擬以菠蘿蜜果肉為實驗原材料,采用Box-Behnken法設計實驗,探究真空冷凍干燥濕法加工中干燥溫度、料液比和麥芽糊精添加量對菠蘿蜜果粉含水率、溶解度和色差值ΔE的影響,為菠蘿蜜果粉的生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菠蘿蜜 根據前期品種比較與篩選,選用馬來西亞1號品種作為研究對象[23]。

JDG-0.2T型凍干機 蘭州科近真空凍干技術有限公司;奧克斯(AUX)全營養果蔬調理機 奧克斯集團有限公司;海爾DW-86L728J超低溫冰箱 海爾集團;Master-S-Plus UVF型實驗室專用超純水機 上海和泰有限公司;艾卡Magic-Lab多功能乳化分散機 艾卡(廣州)儀器設備有限公司;MB45型快速水分測定儀 奧豪斯儀器(上海)有限公司;x-rite SP62分光測色儀 美國Xrite公司;DHG-9013A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學有限公司;LXJ-IIB低速離心機 上海安亭科學儀器廠;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司;AL 104電子天平 梅特勒-托利儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 菠蘿蜜去除果皮、果絲和種子,洗凈,取100 g菠蘿蜜果肉,在一定料液比(鮮果質量:去離子水質量)下,低溫條件下打漿5 min后,添加一定量的麥芽糊精,以4500 r/min的速度均質10 min,超低溫條件預凍12 h,真空冷凍干燥機設定一定溫度進行干燥,干燥后備用。。

1.2.2 指標測定方法

1.2.2.1 含水率 干燥結束后,立即利用MB45型快速水分測定儀對其含水率進行測定。

1.2.2.2 溶解度 取0.5 g菠蘿蜜果粉,加入50 mL的超純水,用磁力攪拌器以1500 r/min的轉速攪拌5 min,4000 r/min條件離心5 min,取上清液20 mL兩次,分別置于已知質量的玻璃培養皿中,烘箱105 ℃的條件干燥4 h,稱其質量,計算其溶解度。

式中:η表示菠蘿蜜果粉的溶解度(%),m0表示培養皿的質量(g),m1表示稱取菠蘿蜜果粉的質量(g);m2表示培養皿與蒸干菠蘿蜜殘余量的質量(g);δ表示菠蘿蜜果粉的含水率。

1.2.2.3 色差值ΔE 采用x-rite SP62 分光測色儀進行色差值ΔE的測定(標樣參數:L=87.15、a=3.86、b=35.16、c=35.37、h=83.73)。

1.2.3 單因素實驗設計 設置真空冷凍干燥機參數,真空度為20～80 Pa,冷肼溫度為-20 ℃,第一階段物料板溫度為60 ℃持續3 h,單因素實驗溫度研究為第二階段,待真空冷凍干燥機屏幕顯示物料恒重后取出物料實驗結束。

固定料液比為1∶4 g/mL,麥芽糊精添加量為12.50%,考察干燥溫度(40、50、60、70、80和90 ℃)對菠蘿蜜果粉品質的影響;固定溫度為60 ℃,麥芽糊精添加量為12.50%,考察料液比(1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7 g/mL)對菠蘿蜜果粉品質的影響;固定溫度為60 ℃,料液比為1∶4 g/mL考察麥芽糊精添加量(5.00%、7.50%、10.00%、12.50%、15.00%、17.50%)對菠蘿蜜果粉品質的影響。

1.2.4 響應面實驗設計 在單因素實驗基礎上,確定干燥溫度(A)、麥芽糊精添加量(B)和料液比(C)的實驗范圍,以含水率(Y1)、溶解度(Y2)和色差值ΔE(Y3)為實驗指標,采用Box-Behnken法對菠蘿蜜果粉品質進行綜合優化,因素水平及其編碼見表1。

表1 實驗因素水平及其編碼表Table 1 Independent variables and their levels

1.3 數據分析

單因素與指標的趨勢圖,通過Origin Pro 9.0軟件完成圖形的繪制;因素與指標間響應面圖的繪制和響應面回歸方程式的建立均采用Design-Expert 8.0.5軟件進行處理,因素間顯著性通過方差分析,p<0.01表示極顯著影響,p<0.05表示顯著影響。

2 結果與分析

2.1 單因素結果與分析

2.1.1 干燥溫度的確定 由圖1a可知,含水率隨著溫度的升高先降低后升高,溫度在真空冷凍干燥過程中主要為物料內部水分逸出提供能量,當干燥過程中干燥溫度較高時,物料失水處于內控狀態,供給的能量一部分用于水分的逸出,多余的能量會增加表層的溫度,因溫度過高,表層會出現水蒸氣通道堵塞和硬化現象,從而物料的含水率增大。由圖1b可知,溶解度隨著干燥溫度的升高,先升高后降低,溫度較高時,物料外皮硬化,導致溶解度降低,在干燥溫度為60 ℃,菠蘿蜜果粉具有較高的溶解度;由圖1c可知,溫度較高會破壞物料原有的色澤,菠蘿蜜果粉色差值ΔE隨著干燥溫度的升高逐漸升高。結果表明,干燥溫度直接影響菠蘿蜜果粉的效果,當干燥溫度較低時菠蘿果粉具有較好的色澤,但需要較長的干燥時間,較高的干燥溫度雖然能縮短干燥時間,但是果粉的品質受到一定影響。

為防止粉末產品結塊,規定產品包裝前的含水率不能高于4%[24],為了保證有充足的包裝時間,果粉的含水率越低越好。關于溶解度現在還沒有明確的標準,溶解度越高越容易被人體消化吸收,同時考慮到果粉后期多元化的利用,溶解度越高越好。當色差值ΔE超過7后就會超過可接受誤差。綜合考慮干燥溫度對含水率,溶解度和色差值ΔE的影響,因此選取干燥溫度為50～70 ℃作為響應面實驗的實驗范圍。

2.1.2 麥芽糊精添加量的確定 如圖2a所示,隨著麥芽糊精添加量的增加,

圖2 麥芽糊精對(a)含水率、

含水量逐漸減小并趨于穩定,是由于麥芽糊精易溶于水也易失水的結構,當麥芽糊精與被干燥的物料混合后,改變了物料之間的粘黏度,增大了果粉顆粒之間間隔,加速樣品的干燥。本研究發現,添加麥芽糊精的量越多,干燥終點的含水率越低,可能是由于果漿微粒間夾雜的麥芽糊精的量增多,減小了物料的粘黏性和增大了干燥過程中形成的干燥通道,使菠蘿蜜果漿越容易被干燥;圖2b所示,溶解度隨著麥芽糊精添加量的增加逐漸增加,添加適當的麥芽糊精改善了菠蘿蜜果粉的外層形態,使果粉之間的粘黏性降低,溶解度升高;如圖2c所示,隨著麥芽糊精添加量的增加,色差值ΔE也逐漸增大,用于麥芽糊精的本體顏色為白色,菠蘿蜜果粉的本體顏色為黃色,當隨著麥芽糊精添加量逐漸增大時,菠蘿蜜果粉越來越偏離本體顏色。

綜合考慮麥芽糊精添加量對果粉含水率、溶解度和色差值ΔE的影響,因此選取麥芽糊精添加量為5%～10%作為響應面實驗的實驗范圍。

2.1.3 料液比的確定 由圖3a可知,隨著料液比的增加,菠蘿蜜果粉的含水率總體呈現下降趨勢,料液比達到1∶5后,隨著料液比的增加含水率趨于穩定。料液比越大,菠蘿蜜微粒的距離就越大,自由水較易從果漿中逸出,逸出的自由水,使菠蘿蜜微粒之間的干燥通道變大,水蒸氣從凍結的物料中逸出就越容易,物料也越容易被充分干燥。在同一干燥溫度下,此溫度的干燥能力有限,當物料內部的自由水逸出后,物料的水分不再隨著料液比的增加發生變化,即含水率隨著料液比的增加趨于平穩[25];由圖3b可知,溶解度隨著料液比的增加呈現下降趨勢,料液比越大,菠蘿蜜果粉的溶解度越低。由圖3c可知,料液比對色差值ΔE幾乎沒有影響。

圖3 料液比對(a)含水率、

料液比越小所需要的干燥時間就越短,考慮到能耗和以及對干燥后果粉的含水率,溶解度和色差值ΔE的影響,因此選擇料液比為1∶2～1∶4 g/mL作為響應面實驗的實驗范圍。

2.2 響應面實驗設計與結果分析

根據Box-Behnken中心組合設計原則,利用Design-Expert 8.0.5軟件設計實驗,實驗設計與結果見表2。以含水率、溶解度、色差值ΔE作為相應值,設計了三因素三水平共計17個實驗點的響應面實驗方案,其中有12個析因實驗,5個零點實驗,用以估計實驗誤差。

表2 實驗設計與結果Table 2 Experimental design and results

利用Design-Expert 8.0.5軟件對表2中的數據進行方差分析,結果見表3。

表3 回歸系數顯著性分析Table 3 Regression coefficient significance analysis

2.2.1 回歸方程分析 利用Design-Expert 8.0.5軟件,對表2中的數據進行回歸處理,得到Y1(含水率)、Y2(溶解度)和Y3(色差值ΔE)三個響應面回歸方程:

Y1=2.35-0.13A-0.096B-0.033C+0.032AB+0.005BC+0.39A2+0.00075B2-0.032C2

Y2=87.53+0.010A+0.44B-0.35C+0.11AB-0.14AC-0.45BC-1.79A2-0.33B2-0.30C2

Y3=6.35+0.50A+0.11B-0.00625C-0.040AB+0.0025AC-0.010BC-0.20A2+0.020B2-0.063C2

2.2.2 響應面圖分析 根據回歸方程得出不同因素影響指標的響應面圖見圖4～圖6,響應面圖能直觀的反應出因素對指標的影響情況。

2.2.2.1 工藝參數對含水率的影響 由表3可知,一次項中,干燥溫度和麥芽糊精的添加量對含水率的影響極顯著(p<0.01),料液比對含水率的影響不顯著(p>0.05),由p的大小可以得出影響菠蘿蜜粉含水率的主次因素為:A(干燥溫度)>B(麥芽糊精添加量)>C(料液比);二次項中,干燥溫度A2達到了極顯著水平(p<0.01),說明溫度對菠蘿蜜含水率有直接影響,是限制含水率的主要因素;交互項中可以看出個交互項對含水率影響不顯著(p>0.05),說明因素對指標的影響沒有產生疊加效應。

由圖4可知,溫度較低時物料有較高的含水率,當溫度超過60 ℃后,物料的含水率出現上升趨勢,但增加幅度較小。隨著干燥溫度的升高含水率呈現先降低后升高的趨勢,當干燥溫度為60 ℃時,含水率最低。在真空冷凍升華干燥階段,介質傳入的熱量主要使冰晶升華,升華干燥結束后進入解析階段,此時物料內部仍具有約10%的含水量,大部分以吸附水的形式存在,去除吸附水比去除自由水具有更高的難度,因此,干燥溫度較低時吸附水較難去除,具有較高的含水率;然而,當干燥溫度升高到一定程度后,傳入的能量一部分用于冰晶的升華,多余的熱量會增加凍干體表層的溫度,使基質粘度升高,導致局部氣流通道粘結,使內部水汽蒸發通道受阻,甚至出現表層硬化的現象[26];Akkaya Z[27]和Sathalakshmy[28]研究發現含糖量高的物料水分蒸發過程受外表皮結殼狀態的影響顯著,表皮結殼后,內部水分較難逸出,這就是高溫時含水率較高的原因[28]。此外,在料液比不變的條件下,隨著麥芽糊精添加量的增加,含水率呈現下降趨勢,這與陳啟聰等[29]的研究結果相一致。麥芽糊精添加和料液比對含水率的影響呈現線性關系,麥芽糊精添加量曲面變化較料液比曲面變化明顯要陡,這說明麥芽糊精添加量對含水率影響較料液比更顯著,與表3中的回歸系數顯著性結果分析相一致。

圖4 各因素對含水率影響的響應面分析Fig.4 Response surface analysis of various factors affecting moisture content

2.2.2.2 工藝參數對溶解度的影響 由表3可知,在一次項中,麥芽糊精添加量對溶解度有顯著影響(p<0.05),溫度和料液比對溶解度影響不顯著。從p值大小順序確定影響溶解度的主次順序為:B(麥芽糊精添加量)>C(料液比)>A(干燥溫度);二次項中干燥溫度A2對溶解度有極顯著影響(p<0.01);交互項對溶解度的影響不顯著(p>0.05)。

從圖5可知,隨著麥芽糊精添加量的增大,菠蘿蜜果粉的溶解度逐漸增加,這點與Caliskan G[30]的研究結果相一致,可能是通過加入麥芽糊精減少了物料粘性,并于干燥過程中在果粉顆粒表面形成外層,在外層麥芽糊精的保護下,物料一定程度上避免了長時間與熱空氣直接接觸,另一方面麥芽糊精縮短了干燥時間,也縮短果粉與熱空氣接觸的時間,從而進一步提高了溶解度。料液比對溶解度的影響接近顯著(p=0.0517>0.05)。溶解度隨著料液比的增加逐漸減小(圖5),可能是因為料液比越大,升華時水蒸氣逸出的通道就越大,水蒸氣逸出后,解析階段,增大了物料與熱空氣接觸的相對表面積,受干燥溫度影響表面形成一層致密的硬殼,從而導致菠蘿蜜果粉的溶解度降低;Si X[31]研究還發現高溫或者長時間的干燥方法會導致果粉的溶解度降低,可能是因為干燥過程中美拉德反應使單糖損失嚴重所以導致溶解度減低,料液比越大意味著干燥時間越長,單糖損失的越嚴重,溶解度就越低。

圖5 各因素對溶解度影響的響應面分析Fig.5 Response surface analysis of various factors affecting solubility

2.2.2.3 工藝參數對色差值ΔE的影響 由表3可知,在一次項中,干燥溫度和麥芽糊精添加量對色差值ΔE有極顯著的影響(p<0.01),料液比對色澤的影響不顯著(p>0.05)。影響菠蘿蜜粉溶色差值ΔE的主次因素為:干燥溫度(A)>麥芽糊精添加量(B)>料液比(C);二次項中干燥溫度A2對溶解度有極顯著影響(p<0.01);交互項對色差值ΔE的影響不顯著(p>0.05)。

由圖6可知,隨著干燥溫度的升高,色差值ΔE增大。資料顯示物料水汽逸出溫度越低時,干燥過程中產品褐變減少,產品的色澤越好[32]。當干燥溫度較高時,導致色澤熱降解或者在干燥過程中發生美拉德反應,致使色澤產生變化[31]。隨著麥芽糊精添加量的增加,菠蘿蜜果粉色差值越大。這是由于麥芽糊精所占的比例越大,使得菠蘿蜜果粉的顏色越偏離本色。從圖6可以看出無論溫度和麥芽糊精添加量如何變化,料液比對色差值ΔE的影響值都保持水平值,說明料液比對色差值ΔE幾乎沒有影響。

圖6 因素對色澤的影響相應面分析Fig.6 Response surface analysis of various factors affecting color

2.3 優化結果分析

利用Design-Expert 8.0.5軟件中的優化程序,對表3中的相關數據進行優化,Y1(含水率)和Y3(色差值ΔE)在實驗條件下達到最小值,Y2(溶解度)在實驗條件下達到最大值,即Yj=MinY(j=1,3),Y2=MaxY,各實驗指標的優化值及對應的工藝參數組合如表4。

表4 指標優化值Table 4 Indicator optimization values

通過對實驗的3個指標進行加權分析,令:F0=λ1Y1+λ2Y2+λ3Y3,其中λ1、λ2、λ3分別對應Y1(含水率)、Y2(溶解度)、Y3(色差值ΔE)的加權系數,且λ1+λ2+λ3=1。參照文獻[33-34]方法評定菠蘿蜜果粉的權重系數,果粉產品在安全水分內(含水率5%),對各個指標的重要性達成以下共識:色澤相對重要,含水率和溶解度略重要,得出權重系數的分配情況為λ1=0.3、λ2=0.3、λ3=0.4。

利用Design-Expert 8.0.5軟件對其進行加權綜合優化分析得到綜合優化分析的參數組合為干燥溫度(A)=55.90 ℃,麥芽糊精添加量(B)=9.10%,料液比(C)=1∶2 g/mL,得到各指標理論最優值為:含水率(Y1)為2.21%,溶解度(Y2)為87.40%,色澤(Y3)為5.71,對最優工藝參數進行相應的修正,工藝參數為干燥溫度(A)=56 ℃,麥芽糊精添加(B)=9.00%,料液比(C)=1∶2 g/mL。

參照修正后的工藝參數進行驗證實驗,獲得菠蘿蜜果粉的含水率(Y1)為2.29%,溶解度(Y2)為88.10%,色澤(Y3)為5.86,三個實驗指標含水率,溶解度,色差值ΔE接近的理論值最優值,表明本研究優化的干燥工藝參數達到預期。

3 討論與結論

真空冷凍干燥制備果蔬粉兩種(干法和濕法)加工方式中,濕法加工在干燥過程中能有效的縮短干燥時間,降低含水率低,還可以通過添加助干劑提高產品品質。鄧資靖等[35]以紫薯為原料,通過真空干燥、真空冷凍干燥、鼓風干燥三種干燥方法對紫薯濕法加工全粉干燥工藝進行了研究,發現真空冷凍干燥較其他兩種干燥方式能較好的保存紫薯的營養物質,且有較高的出粉率。李翠麗等[36]采用四種干燥方式制備梨棗粉,發現真空冷凍濕法加工不僅能夠很好的保持梨棗的理化性質,而且梨棗粉的抗氧化活性也能較好保留。王偉等[37]探究了濕法凍干草莓粉的加工工藝,確定了最優工藝為在-25 ℃的條件下預凍5 h,裝料厚度為6 mm,升華溫度為55 ℃,解析溫度為70 ℃時制備的草莓粉品質最佳。張康逸等[38]將三種鮮食谷物玉米、青麥仁、青豆磨漿處理后采用真空冷凍干燥方式獲得復水性、溶解性較好,吸濕率低,顆粒細膩、色澤均一、具有特有的香氣谷物全粉,綜合感官評分為96分。

綜上所述,真空冷凍濕法加工在干燥果蔬粉過程中保持物料原有的色澤和營養成分方面,具有其他干燥方式不可比擬的優勢。本文通過濕法加工菠蘿蜜果粉,在單因素實驗的基礎上,利用響應面優化得到菠蘿果粉真空冷凍干燥工藝參數為干燥溫度56 ℃、麥芽糊精添加量9.00%、料液比1∶2 g/mL,在此工藝參數下制備的菠蘿蜜果粉含水率為2.29%,溶解度為88.10%,色差值ΔE為5.86。優化后的工藝參數制備的菠蘿蜜果粉品質更好,為菠蘿蜜果粉后續的研究和產業化生產提供理論參考。