CO2高壓低溫氣流膨化干燥蘋果片的工藝優(yōu)化

王璐，陳海峰，袁越錦，宋一凡

陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院（西安 710021）

蘋果是薔薇科蘋果屬植物，果實富含礦物質(zhì)和維生素，是人們最常食用的水果之一。由于蘋果含有豐富的營養(yǎng)價值，因此對蘋果的二次加工方式層出不窮。

近幾年來，氣流高壓低溫膨化干燥技術(shù)正在逐漸興起，作為一種新興干燥技術(shù)，它無需油炸，且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。工業(yè)上對蘋果片膨化的加工方式有微波膨化[1-2]、變溫壓差膨化[3-4]、氣流膨化[5-6]等。氣流高壓低溫膨化技術(shù)是利用H2、N2、He等氣體作為介質(zhì)產(chǎn)生壓差，達到膨化的效果。研究選取CO2作為介質(zhì)進行高壓低溫膨化。CO2為惰性氣體且不易與物料發(fā)生反應(yīng)，動力直徑0.33 nm，其動力直徑與N2相近，因此選取CO2作為蘋果氣流高壓低溫膨化的介質(zhì)進行研究。

試驗選取陜西紅富士蘋果，進行CO2高壓低溫氣流膨化干燥試驗。在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化膨化工藝，開發(fā)出更好加工工藝，為蘋果氣流膨化干燥技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣提供研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器設(shè)備

陜西紅富士蘋果。

鼓風干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；低溫高壓氣流膨化罐（自制）；小型真空封裝機（新型DZ-280/2SE，綠葉牌）；電子天平（FA2204C，上海佑科儀器儀表有限公司）。

1.2 工藝流程

原料的篩選→預(yù)處理（清洗、削皮、去核、切片）→熱風預(yù)干燥→放入膨化罐→通入高壓CO2并保壓→迅速泄壓→蘋果片膨化→抽真空干燥→冷卻定型→真空包裝→成品

1.3 工藝設(shè)計

1.3.1 單因素設(shè)計

切取蘋果片后，CO2高壓低溫氣流膨化干燥試驗以3片為1組進行。研究預(yù)干燥含水率、切片厚度、膨化壓差、膨化溫度、抽真空時間對蘋果脆片含水率，膨化度，復(fù)水比的影響。

切片厚度對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率10%，膨化壓差1.2 MPa，膨化溫度70 ℃，抽真空時間30 min條件下膨化，研究切片厚度（3，5，7和9 mm）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

預(yù)干燥含水率對蘋果脆片的影響。在切片厚度5 mm，膨化壓差1.2 MPa，膨化溫度70 ℃，抽真空時間30 min條件下膨化，研究預(yù)干燥含水率（10%，15%，20%和25%）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

膨化壓差對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化溫度70 ℃，抽真空時間30 min條件下進膨化，研究膨化壓差（1.0，1.2，1.4和1.6 MPa）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

膨化溫度對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化壓差1.4 MPa抽真空時間30 min條件下膨化，研究膨化溫度（60，70，80和90℃）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

抽真空時間對蘋果脆片的影響。在預(yù)干燥含水率15%，切片厚度5 mm，膨化壓差1.4 MPa，膨化溫度70℃，條件下膨化，研究抽真空時間（30，45，60和75 min）對蘋果脆片含水率、膨化度和復(fù)水比的影響。

1.3.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取CO2高壓低溫氣流膨化干燥中的主要因素：以膨化壓差、膨化溫度、抽真空時間為自變量，以蘋果脆片膨化度，復(fù)水比為因變量，進行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗[7-8]，優(yōu)化CO2高壓低溫氣流膨化干燥制備蘋果脆片工藝。試驗設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面試驗水平及因素

1.4 檢測指標

1.4.1 含水率的測定

根據(jù)GB 5009.3—2016，采用直接干燥法測定[9]。

1.4.2 膨化度的測定

采用比容法[10]，利用超細石英砂填埋體積置換法測定蘋果片的體積。3次測量求其平均值，誤差不超過0.2 mL。

式中：ER為膨化度；V0為膨化后體積，mL；V為膨化前體積，mL；m0為膨化前質(zhì)量，g；m為膨化后質(zhì)量，g。

1.4.3 復(fù)水比的測定

選取3組膨化后的樣品稱質(zhì)量并記錄，將樣品放入清水中浸泡1.5 h后取出瀝干，稱質(zhì)量并記錄，處理3次平行[11]。

式中：RR為復(fù)水比；WD為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g；WR為復(fù)水后樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 切片厚度對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表2可得，在同一條件下進行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時，切片厚度對膨化干燥的效果影響較大。厚度5 mm時，蘋果脆片的膨化度1.306，復(fù)水比為1.849，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮當蘋果切片厚度5 mm時，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表2 切片厚度影響

2.1.2 預(yù)干燥含水率對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表3可得，在同一條件下進行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時，預(yù)干燥含水率對膨化干燥的效果影響較大。預(yù)干燥含水率15%時，蘋果脆片膨化度為1.698，復(fù)水比為2.159，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片預(yù)干燥含水率15%時，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表3 預(yù)干燥含水率的影響

2.1.3 膨化壓差對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表4可得，在同一條件下進行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時，膨化壓差對膨化干燥的效果影響較大。膨化壓差1.2 MPa時，蘋果脆片膨化度為1.678，復(fù)水比為2.161，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片膨化壓差1.2 MPa時，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表4 膨化壓差的影響

2.1.4 膨化溫度對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表5可得，在同一條件下進行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時，膨化溫度對膨化干燥的效果影響較大。膨化溫度70 ℃時，蘋果脆片的膨化度為1.608，復(fù)水比為2.119，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片膨化溫度70 ℃時，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表5 膨化溫度的影響

2.1.5 抽真空時間對蘋果脆片品質(zhì)的影響

由表6可得，在同一條件下進行CO2氣流高壓低溫膨化蘋果片時，抽真空時間對膨化干燥的效果影響較小。抽真空時間45 min，蘋果脆片的膨化度為1.654，復(fù)水比為2.121，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮蘋果片抽真空時間45 min時，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

2.2 響應(yīng)面分析法對CO2氣流膨化干燥蘋果脆片工藝進行優(yōu)化

依據(jù)單因素試驗選擇膨化壓差（A）、膨化溫度（B）、抽真空時間（C）為影響因素，膨化度（Y1）、復(fù)水比（Y2）為響應(yīng)值進行響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果見表7。

表7 響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果

2.2.1 回歸方程分析

運用Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)Central Composite試驗設(shè)計[12]，獲得蘋果脆片膨化度（Y1）、復(fù)水比（Y2）與各因素之間的響應(yīng)面回歸方程為：Y1=-4.067 96+4.244 69A+0.076 848B+0.004 89C-0.005 13AB+0.000 63C+0.000 005BC-1.524 69A2-0.000 46B2-0.000 07C2；Y2=-270 783+4.330 33A+0.057 009B-0.001 64C+0.008 81AB+0.000 56AC+0.000 03BC-1.975 36A2-0.000 45B2-0.000 03C2。

由表8和表9可得，各方程的決定系數(shù)R2＞0.8[13]，說明該等式有意義。根據(jù)方差分析結(jié)果，膨化溫度對蘋果脆片膨化度和復(fù)水比的影響最為顯著，膨化壓差對蘋果脆片膨化度和復(fù)水比的影響較顯著，而抽真空時間對膨化后的膨化度和復(fù)水比并無顯著影響。

表8 CO2氣流膨化蘋果脆片膨化度回歸與方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析

如圖1所示，抽真空時間一定時，產(chǎn)品的膨化度隨膨化壓差和膨化溫度的增大先呈遞增趨勢到達某一峰值后又呈遞減趨勢，且圖形弧度較明顯；膨化溫度一定時，產(chǎn)品的膨化度隨膨化壓差和抽真空時間的增大先呈遞增趨勢到達某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩；膨化壓力一定時，產(chǎn)品的膨化度隨膨化溫度和抽真空時間增大呈先遞增趨勢，到達某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩。由此可說明，膨化壓差和膨化溫度對膨化蘋果脆片的膨化度的影響較大。

圖1 三因素對蘋果脆片膨化度的影響

圖2 三因素對蘋果脆片復(fù)水比的影響

如圖2所示，抽真空時間一定時，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化壓差和膨化溫度增大先呈遞增趨勢，到達某一峰值后又呈遞減趨勢，且圖形弧度較明顯；膨化溫度一定時，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化壓差和抽真空時間增大先呈遞增趨勢，到達某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩；膨化壓力一定時，產(chǎn)品復(fù)水比隨膨化溫度和抽真空時間增大先呈遞增趨勢，到達某一峰值后又呈遞減趨勢，但圖形弧度較平緩。由此說明，膨化壓差和膨化溫度對膨化蘋果脆片的復(fù)水比的影響較大。

2.2.3 最佳工藝條件的確定及驗證試驗結(jié)果

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，利用Design Expert 8.0.6統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到CO2高壓低溫氣流膨化干燥蘋果片的最佳工藝條件為：膨化壓差1.27 MPa、膨化溫度76.74 ℃、抽真空時間41.31 min。在該條件下，膨化度為1.672 97，復(fù)水比為2.110 92。考慮實際因素，最佳工藝條件應(yīng)選膨化壓力1.3 MPa、膨化溫度77 ℃、抽真空時間41 min。

為進一步驗證模擬數(shù)據(jù)估算出的可靠性，應(yīng)在最佳條件下進行試驗。最終得到蘋果脆片膨化度為1.617±0.024，復(fù)水比為2.131±0.036。試驗所得數(shù)據(jù)與模擬預(yù)估值相近，說明通過Design Expert 8.0.6統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果可靠。

2.3 蘋果脆片膨化后的微觀結(jié)構(gòu)

在CO2高壓低溫氣流膨化干燥后，通過SEM觀察蘋果脆片的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。蘋果脆片屬于多孔結(jié)構(gòu)，細胞壁破裂且質(zhì)壁分離清晰，細胞層呈較規(guī)律孔狀結(jié)構(gòu)。這些變化可能是由于細胞膜的滲透性增加導(dǎo)致細胞膜通道打開使得胞內(nèi)物質(zhì)外流所致[14]。細胞的分離破碎常伴隨著細胞壁多聚物的凝膠化和果膠的分解[15]，這些變化對產(chǎn)品的口感和品質(zhì)有影響。

圖3 蘋果脆片膨化后的微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

通過單因素試驗探究預(yù)干燥含水率、切片厚度、膨化壓差、膨化溫度、抽真空時間5個因素對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響。

通過響應(yīng)面法探究膨化壓差、膨化溫度、抽真空時間對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響。分析得出，膨化壓差和膨化溫度對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響顯著，而抽真空時間對蘋果脆片的膨化度和復(fù)水比的影響不顯著。通過Design-Expert 8.0.6分析并與實際相結(jié)合得出最佳工藝參數(shù)為：膨化壓差1.3 MPa、膨化溫度77 ℃、抽真空時間41 min。

通過SEM觀察蘋果脆片的微觀結(jié)構(gòu)，蘋果脆片屬于多孔結(jié)構(gòu)，細胞壁破裂且質(zhì)壁分離清晰，細胞層呈較規(guī)律孔狀結(jié)構(gòu)。