微波-熱風聯用制取筍干工藝條件優化

姚 荷，譚亦成，譚興和,*，李清明，王 鋒，張春艷，王欄樹，成才良，秦長光

（1.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；3.湖南佳宴食品有限公司，湖南 長沙 410000；4.龍山縣昶光農業科技發展有限公司，湖南 湘西土家族苗族自治州 416000）

竹筍肉質鮮嫩、美味爽口，富含膳食纖維、蛋白質、多糖、多種維生素和必需氨基酸[1]，且具有清熱解毒、抗菌消炎、改善腸道環境、調節血糖平衡等功效[2-3]。我國竹資源豐富，全國現有竹林面積約672萬 公頃，竹筍產量高達682.5萬 t。但竹筍采收季節短、集中且耐藏性差[4-6]，每年有大量竹筍資源遭到浪費。其中，廣大山區淡竹筍產量巨大，但鮮見其保藏加工研究報道。干燥是竹筍加工中常用的一種方法，可使采后竹筍得到有效地保藏[7-8]。傳統的干燥方法多采用熱風干燥，但熱風干燥的時間長、耗能多、產品褐變嚴重、品質差[9-10]。與熱風干燥相比，微波干燥不僅可滅酶殺菌、減少營養損失，防止竹筍褐變，還能使物料內、外同時升溫形成整體同步加熱，大大縮短干燥時間[11]，但是微波干燥速度過快，不便控制干燥終點，加熱時間稍長便會使產品燒焦[12-13]。短時間的微波處理，再結合熱風干燥，可以保證產品品質，縮短干燥時間，降低生產成本[14-15]。本研究以淡竹筍（Phyllostachys nigra (Lodd. ex Lindl.) Munro var.henonis (Mitf.) Stapf et Rendle）為原料，采用中心組合試驗設計對微波-熱風聯用制取筍干工藝條件進行優化，探討不同水平的微波干燥功率、微波干燥時間和熱風干燥溫度對竹筍干燥品質的影響，以期得到干燥時間短、干燥品質好的筍干產品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

淡竹筍采自湖南省長沙市長沙縣；檸檬酸（食品級） 山東優索化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

101A-3ET電熱鼓風干燥箱 上海實驗儀器廠有限公司；G70F20CN1L-DG（S0）微波爐 廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司；WSC-Y型自動測色色差計北京光學儀器廠；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；TA-XT plus質構儀 北京東方安諾生化科技有限公司；MA45-000230V1自動水分測定儀北京賽多利斯儀器系統有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

選擇粗細一致、厚度均勻的淡竹筍，去皮，切成長4 cm、寬1 cm的小段，放入含0.1%檸檬酸溶液中浸泡20 min護色，筍液比為1∶3（g/mL）。取出瀝干后，將100 g物料平鋪于微波爐中干燥一定時間，取出立刻進行熱風干燥，每30 min測筍干含水量，直至物料含水量不大于8 %（當含水量接近10%時，改為每10 min測1 次）。

1.3.2 微波-熱風聯用制取筍干單因素試驗

在預實驗基礎上，選擇效果較好的微波干燥功率、時間和熱風干燥溫度參數，進行單因素試驗。

1.3.2.1 微波干燥功率對竹筍干燥品質的影響

固定微波干燥時間90 s、熱風干燥溫度60 ℃，分別考察微波干燥功率3.5、4.2、4.9、5.6、6.3、7.0 W/g對竹筍干燥品質的影響。

1.3.2.2 微波干燥時間對竹筍干燥品質的影響

固定微波干燥功率6.3 W/g、熱風干燥溫度60 ℃，分別考察微波干燥時間0、30、60、90、120、150 s對竹筍干燥品質的影響。

1.3.2.3 熱風干燥溫度對竹筍干燥品質的影響

固定微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時間90 s，分別考察熱風干燥溫度55、60、65、70、75、85 ℃對竹筍干燥品質的影響。

1.3.3 微波-熱風聯用制取筍干響應面優化試驗

根據單因素試驗的結果，以微波干燥功率、時間和熱風干燥溫度為自變量，以干燥時間、復水比、感官評分、色澤、硬度等為響應值，進行3因素3水平響應面分析試驗，優化微波-熱風聯用制取筍干工藝條件，試驗因素及水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels used in response surface methodology

1.3.4 指標測定

1.3.4.1 感官評分

感官評分是評價竹筍干燥效果的一個重要指標，分別由10 位有經驗的感官評價員根據表2的標準對筍干及復水后竹筍進行打分[14,16]。

表2 筍干感官評分標準Table 2 Criteria for sensory score of dried bamboo shoots

1.3.4.2 總干燥時間

記錄水分含量不大于8%所用干燥時間。總干燥時間為微波干燥時間與熱風干燥時間之和。

1.3.4.3 復水比

參考郭玲玲等[17]的方法并稍作修改：取5 片筍干稱質量，記為m干，在300 mL的蒸餾水中常溫浸泡1 h后取出，用干凈的紙巾將復水后的竹筍表面擦干，稱質量記為m復。復水比值大反映產品復水性能好。平行測定3 次，取平均值。復水比為m復與m干的比值。

1.3.4.4 色差ΔE*

使用WSC-Y型色差儀測定筍干和復水后竹筍的明度指數L*，彩度指數a*和b*。使用以上值計算色差ΔE*[18]。ΔE*=[（ΔL*）2＋（Δa*）2＋（Δb*）2]1/2。ΔE*值越小，筍干和復水后竹筍與鮮筍的色差越小[19]。每組樣品測3 次后取平均值。

1.3.4.5 硬度

采用TA-XT plus型質構儀測定筍干和復水后竹筍的硬度[20]。測定條件如下：探頭P/36R，測前速率2 mm/s，測試速率1 mm/s，測后速率1 mm/s，壓縮程度80%，停頓時間5 s，測試距離30.0 mm，觸發值5 g。選取形狀、大小接近的筍干測定硬度，重復6 次。硬度是曲線中最高峰值，單位為g，值越大表示所測樣品硬度越大[21]。

1.4 數據分析

使用SPSS 18、Origin 8.5和Design Expert 8.0.6軟件進行實驗設計和數據分析。

2 結果與分析

2.1 微波-熱風聯用制取筍干單因素試驗結果

2.1.1 微波干燥功率對竹筍干燥品質的影響

圖1 微波干燥功率對總干燥時間（A）、復水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 1 Effects of microwave power on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由圖1A可知，隨著微波干燥功率的增大，總干燥時間越來越短。根據微波干燥物料原理，物料中的水分子吸收微波能量，使其以極快的速度改變方向，分子間發生碰撞和摩擦，產生大量熱量，使物料內部水分迅速蒸發[22]。微波功率越大，水分子吸收能量越多，分子在單位時間內方向改變次數越多，竹筍干燥速度越快。由圖1B～D可知，不同微波干燥功率對產品感官評分、復水比、色澤和硬度有顯著性影響（P＜0.05）。當微波干燥功率為5.6～6.3 W/g，筍干復水比較高，筍干及復水制品的色差和硬度較小，其中當功率是6.3 W/g時，產品感官評分達到最高78.6±1.85（P＜0.05）。這是由于微波干燥功率低時、干燥時間長、產品中VC損失大、褐變嚴重，且失水過程中，產品中蒸發掉的水分空間還在，因而具有多孔結構，吸水性和快速復水性較好；微波干燥功率過高時，細胞壁組織被破壞，果膠物質流失[23]，且物料急劇失水，使纖維結構明顯并導致焦糊現象發生，產品易碎，因此，筍干及復水制品硬度下降，產品復水性也更差[24]。故確定微波干燥功率6.3 W/g為優化試驗的0水平。

2.1.2 微波干燥時間對竹筍干燥品質的影響

圖2 微波干燥時間對總干燥時間（A）、復水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 2 Effects of microwave drying time on total drying time (A),rehydration rate (B), ΔE* (C), and hardness (D)

由圖2A可知，隨著微波干燥時間的延長，總干燥時間不斷減少，當達到120 s后，總干燥時間基本不變。由圖2B～D可知，不同微波干燥時間對產品感官評分、復水比、色差和硬度有顯著性影響（P＜0.05）。當微波干燥時間為60～90 s時，產品復水性較好，筍干及復水制品色差和硬度較低，產品感官評分在干燥時間為90 s時達到最大值80.3±2.15（P＜0.05）。說明微波短時干燥期間，物料吸收能量，溫度上升很快，微波的快速熱釋放促使物料中水蒸氣強制排出，竹筍含水量迅速下降[25]，但干燥時間過長時，會由于升溫過快使蒸發的水得不到即時散失，物料表面與內部水分不平衡，發生了焦糊現象，形成的糊狀物覆蓋了表面[26]，不僅影響水分散發，同時也使產品色差增大，此時微波干燥時間的延長對干燥速率影響不大。雖然增加微波干燥時間可加快干燥速率、減少干燥時間、降低干燥能耗，但同時很難保證良好的干燥品質。綜上可知，確定微波干燥時間90 s為優化試驗的0水平。

2.1.3 熱風干燥溫度對竹筍干燥品質的影響

由圖3可知，當熱風干燥溫度不斷升高時，總干燥時間隨之減少。不同熱風干燥溫度對產品感官評分、復水比、筍干色差、筍干及復水制品的硬度有顯著性影響（P＜0.05），對復水制品的色差沒有顯著性影響（P＞0.05）。在熱風干燥溫度為55～65 ℃時，產品復水比較高，筍干和復水制品的色差較小，在55～60 ℃時，筍干和復水制品的硬度較低，在熱風干燥溫度為60 ℃時，感官評分達到最高為80.5±2.67。高溫和長時間干燥會使物料VC和葉綠素流失，并增加了一系列酶促和非酶促褐變反應機會，導致產品褐變嚴重，顏色不均勻[27]。高溫致使物料水分及果膠等物質大量散失，干燥層崩解，物料塌陷收縮，硬度因此增大，復水比相應減小。而熱風干燥溫度過低不僅延長了總干燥時間，還加劇了美拉德反應，使色差變大。綜合考慮，確定熱風干燥溫度60 ℃為優化試驗的0水平。

圖3 熱風干燥溫度對總干燥時間（A）、復水比（B）、色差ΔE*（C）和硬度（D）的影響Fig. 3 Effects of hot air drying temperature on total drying time(A),rehydration rate(B), ΔE* (C), and hardness (D)

2.2 響應面優化試驗設計與結果

結合單因素試驗結果，根據中心組合試驗設計原理，選取微波干燥功率、時間和熱風干燥溫度為試驗因素，進行微波-熱風聯用制取筍干工藝條件優化試驗，如表3所示。

表3 響應面試驗設計方案及結果Table 3 Experimental design and results of response surface methodology

2.3 回歸方程的建立及變量分析

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行二次多項式回歸分析，得到各因素對產品感官評分、總干燥時間、復水比、色差及硬度響應值之間的三元二次回歸方程（1）～（7），方程回歸系數及顯著性分析如表4所示。

如表4所示，試驗各指標的模型極顯著（P＜0.01），說明各響應值與三因素的二次回歸方程存在極顯著的線性相關性。各響應值的失擬項不顯著（P＞0.05），說明該模型與實際情況的擬合程度較好，試驗誤差小。方程的多重相關系數R2分別為0.985 6、0.992 0、0.922 2、0.971 1、0.964 4、0.926 1、0.953 9，說明試驗建立的模型能分別解釋98.56%、99.20%、92.22%、97.11%、96.44%、92.61%、95.39%響應值的變化，且模型的信噪比分別為21.561、36.956、8.393、18.174、13.615、9.335、12.543，變異系數分別為1.93%、2.97%、2.96%、5.75%、5.58%、8.30%、3.63%，所以該模型能很好地表述竹筍在微波-熱風干燥后其品質隨干燥條件的變化規律。因此，可以用該模型來分析和預測微波-熱風聯用制取筍干的工藝條件。

表4 回歸系數及顯著性分析Table 4 Significance analysis of regression coefficients

由各因素對響應值影響程度分析可知，影響產品感官評分和總干燥時間的因素主次順序為微波干燥時間（B）＞熱風干燥溫度（C）＞微波干燥功率（A）；影響產品復水比和復水制品硬度的因素主次順序為微波干燥功率（A）＞熱風干燥溫度（C）＞微波干燥時間（B）；影響干制品色差的因素主次順序為微波干燥功率（A）＞微波干燥時間（B）＞熱風干燥溫度（C）；影響復水制品色差的因素主次順序為微波干燥時間（B）＞微波干燥功率（A）＞熱風干燥溫度（C）；影響干制品硬度的因素主次順序為熱風干燥溫度（C）＞微波干燥功率（A）＞微波干燥時間（B）。其中，微波干燥功率對產品感官評分、總干燥時間、干制品和復水制品色差、復水制品硬度影響極為顯著，對產品復水比和干制品硬度影響顯著；微波干燥時間對產品感官評分、總干燥時間、干制品和復水制品色差影響極為顯著，對干制品硬度影響顯著，對產品復水比和干制品硬度影響不顯著；熱風干燥溫度對產品感官評分、總干燥時間影響極為顯著，對產品復水比、干制品色差、干制品和復水制品硬度影響顯著，對復水制品色差影響不顯著。

2.4 交互作用分析

為更直觀地反映各因素對微波-熱風干燥的竹筍品質的影響，根據回歸分析結果做出影響顯著的各因素交互作用響應面圖，見圖4。

圖4 各因素交互作用對竹筍干燥品質影響的響應面圖Fig. 4 Response surface graphs showing the interactive effect of factors on hardness of dried product

從圖4a可以看出，當固定熱風干燥溫度為60 ℃時，觀察微波干燥功率和時間交互作用對干制品硬度的影響，干制品硬度隨微波干燥功率增加而緩慢地先增大后變小，隨微波干燥時間的延長先減小后增大，響應面呈現一個明顯凹面，因此微波干燥功率和時間交互作用對干制品硬度有影響。從圖4b可以看出，固定熱風干燥溫度為60 ℃，觀察微波干燥功率和時間交互作用對復水制品硬度的影響，復水制品硬度隨微波干燥時間的延長先減小后增大，當微波干燥功率從5.6 W/g增加到7.0 W/g時，復水制品硬度隨之不斷增大，因此微波干燥功率和時間交互作用對復水制品硬度有影響。

2.5 最佳工藝條件的確定及驗證實驗

表5 各指標理論值和驗證實驗結果Table 5 Theoretical and experimental values of drying characteristics and quality

根據響應面優化分析所得微波-熱風聯用制取筍干最佳工藝條件為：微波干燥功率6.5 W/g、微波干燥時間60 s、熱風干燥溫度65 ℃。為進一步驗證模型的可靠性，在此最佳條件下進行驗證實驗，考慮到實際可操作性，將最佳工藝條件修改為：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時間60 s、熱風干燥溫度65 ℃，得到驗證實驗結果見表5。驗證實驗結果與模型理論值較接近，說明采用該工藝條件可靠。

3 結 論

本實驗研究了微波干燥功率、時間和熱風干燥溫度對竹筍微波-熱風干燥產品感官評分、總干燥時間、復水比、色差和硬度的影響，采用響應面試驗設計優化得到了各因素與響應值關系的回歸模型，得到微波-熱風聯用制取筍干最佳工藝條件為：微波干燥功率6.3 W/g、微波干燥時間60 s、熱風干燥溫度65 ℃。在此條件下得到的筍干感官評分85.6、總干燥時間200 min、復水比6.17，干制品色澤ΔE* 19.99、復水制品色差ΔE* 13.92、干制品硬度19 511.23 g、復水制品硬度20 010.71 g。實驗證明此模型合理可靠，可用于生產預測和控制。使用此工藝得到的產品品質好、干燥時間少，即可避免竹筍季節性浪費，又可節省生產成本，對今后竹筍產業發展具有重要意義。