響應面法優化甘薯脆片干燥工藝

王輝，牟琴，聶廷，王梅，劉嘉，鄧仁菊

（貴州省生物技術研究所，貴州貴陽550006）

甘薯（Ipomoea balatas Lam.），又名甜薯、地瓜、紅薯等，它具有產量高、用途廣、適應性強等優點，是重要的糧食作物，我國的甘薯種植面積和產量都居世界前列[1]，僅次于水稻、小麥、玉米[2]，甘薯營養豐富，富含維生素C、B1、B2，胡蘿卜素以及鈣、磷等多種人體所需的維生素和礦物質，纖維素含量高達7.8%[3-5]。紫云紅心紅薯，為地理標志證明商標，產于貴州省安順市紫云苗族布依族自治縣，黃皮紅芯，含糖量高，水分較少，鮮食具有板栗香味，蒸熟后通體晶瑩，香甜感好，蛋白質、碳水化合物等含量都高。紫云紅心薯含有獨特的生物類黃酮成分，能有效抑制乳腺癌和結腸癌的發生。目前市場紫云紅心薯除了賣鮮薯外，還將紅芯紅薯加工成薯面條、薯泥等食品，個體農戶還將紅心薯制成紅薯干片，油炸后風味較好，成為貴州民間一道特色佳肴，但這類產品普遍為自家制作或小作坊生產，多為自然晾曬，且干片褐變嚴重，產品色澤差，品質易受氣候影響，原料浪費嚴重，易受到塵土、微生物等的污染，而無法推向市場且鮮為人知。

熱泵干燥是利用熱泵從低溫熱源中吸收熱量，將其在較高溫度下釋放從而對物料進行干燥的方法，是一種封閉的循環系統，熱效率幾乎接近100%[6-8]。具有節約能耗，提高產品質量，節約干燥時間、環境友好[9-10]，溫度范圍寬[11-12]等優點，因此將熱泵干燥技術應用于甘薯加工中，把甘薯制成甘薯脆片，不僅能夠減少甘薯的腐爛變質，提高利用率，而且能夠提高甘薯的附加值，大大提高農民收入，所以本試驗利用工業較為普遍使用的熱風干燥法替代傳統的日曬法，結合單因素試驗和響應面中心組合設計，優化干燥工藝，生產出色差好、口感好的甘薯脆片，從而為貴州當地特色甘薯脆片工業化節能生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯（紫云紅心薯）：由貴州省農科院食品加工研究所甘薯育種團隊提供；香滿園烹調油（餐飲專用棕櫚油）：嘉里糧油（防城港）有限公司；石油醚（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

NH310 便攜式電腦色差儀：深圳市三恩時科技有限公司；TMS-PRO 食品物性分析儀：美國FTC 公司；SOX500 粗脂肪測定儀：濟南海能儀器股份有限公司；CP213 電子天平、MB23 水分測定儀：奧豪斯儀器（常州）有限公司；STML7001 熱泵干燥機：上海濕騰電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 甘薯干片干燥工藝流程

新鮮甘薯→清洗→去皮、切片→汽漂→烘干→成品

選取無害、無芽眼的新鮮甘薯用流動自來水清洗后、去皮、切成一定厚度片狀，放入鍋中進行汽漂一定時間后轉移到托盤中。

將熱泵干燥器溫度設置到試驗所需溫度，放入待干燥甘薯片，干燥結束待其冷卻后，裝入自封袋中。

將甘薯干片進行油炸，得到甘薯脆片，測定其含水率、含油率、破碎力、b*值、L*值等，每次試驗3 次平行，取平均值。

1.3.2 樣品含水率測定

采用常壓干燥法，參考國標GB5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[13]。

1.3.3 樣品含油率測定

參照國標GB5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》[14]。

1.3.4 樣品破碎力測定

采用TMS-PRO 物性質構儀進行測定，應用質地剖面分析（texture profile analysis，TPA）模式，測試速度為30 mm/min，變形百分量為60%，下降距離為15 mm，檢測起始力為1.5 N。

1.3.5 樣品色差（L*值、b*值）測定

用便攜式色差儀測定，依次讀取L*值、b*值。

1.3.6 感官評價

組織10 人小組對甘薯脆片進行感官評定，用平均值表示甘薯脆片所得感官評定總分，評分標準見表1。

表1 甘薯脆片感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria of sweet potato chips

1.4 單因素試驗

1.4.1 烘干溫度對甘薯脆片品質的影響

將厚度為3 mm 甘薯片汽漂4 min 后置于熱風溫度分別為 50、60、70、80、90 ℃下烘干 3 h，油炸后測定其含水率、含油率、破碎力、L*值、b*值、感官評分確定最佳烘干溫度。

1.4.2 汽漂時間對甘薯脆片品質影響

將厚度為 3 mm 甘薯片汽漂 2、3、4、5、6 min 于70 ℃下烘3 h，油炸后測定其含水率、含油率、破碎力、L*值、b*值、感官評分確定最佳汽漂時間。

1.4.3 切片厚度對甘薯脆片品質影響

將厚度為 2、2.5、3、3.5、4 mm 的甘薯將甘薯汽漂4 min 后置于熱風溫度70 ℃，下烘干3 h，油炸后測定其含水率、含油率、破碎力、L*值、b*值、感官評分確定最佳切片厚度。

1.4.4 干燥時間對甘薯脆片品質的影響

將厚度為3 mm 甘薯片汽漂4 min 后置于熱風溫度 70 ℃下干燥 2、2.5、3、3.5、4 h，油炸后測定其含水率、含油率、破碎力、L*值、b*值、感官評分確定最佳干燥時間。

1.5 響應面試驗設計工藝優化

在單因素試驗的基礎上，采用Design Expert 8.0.6根據Box-Bnheken 試驗設計原理，以烘干溫度（A）、汽漂時間（B）、干燥時間（C）、切片厚度（D）為 4 個影響因素，以感官評分（Y1）、含油率（Y2）為響應值，采用響應面法進行中心組合設計試驗，因素水平表見表2。

表2 工藝確定試驗因素水平表Table 2 Process determination experimental factor level table

1.6 模型的驗證

利用響應面模型優化的最佳條件進行烘干試驗，比較模型預測值與試驗值，驗證模型的有效性。

1.7 數據統計與分析

使用Origin 8 進行數據記錄、初步處理和繪制圖表；采用spss 17 軟件進行單因素方差分析與顯著差異分析，Design Expert 8.0.6 進行 Box-Bnheken 試驗設計。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 烘干溫度對甘薯干片品質的影響

不同烘干溫度對甘薯脆片品質的影響見表3 和圖1。

表3 不同烘干溫度對甘薯脆片品質的影響Table 3 Effects of different drying temperatures on the quality of sweet potato chips

圖1 烘干溫度對甘薯脆片品質的影響Fig.1 Effects of the drying temperatures on the quality of sweet potato chips

由表3 可知，隨著溫度增加，甘薯脆片破碎力、含水率、含油率具有顯著性的變化（P＜0.05），當溫度大于70 ℃時，破碎力顯著性（P＜0.05）增大；由圖1 可看出，溫度越高，在美拉德反應的作用下b*值增大、L*值逐漸減小；由于薯片的油炸過程實際是一個油取代水的過程，因此高含水率的甘薯脆片相應具有較高的含油量[15]，所以50 ℃下烘干的甘薯干片油炸后含油率顯著性高（P＜0.05）；通過感官可得烘干溫度越高，油炸時產品容易出現焦糊味兒，溫度越低，產品油炸風味不足，所以綜合分析可得70 ℃下烘干的甘薯干片油炸后色香味俱佳。

2.1.2 不同汽漂時間對甘薯片品質的影響

不同汽漂時間對甘薯脆片品質的影響見表4 和圖2。

表4 汽漂時間對甘薯脆片品質的影響Table 4 Effects of Vapor bleaching time on the quality of sweet potato chips

圖2 蒸汽漂燙時間對甘薯片品質的影響Fig.2 Effect of the steam bleaching time on the quality of sweet potato slices

與漂燙相比，汽漂不僅能鈍化酶活性，排除組織中空氣，還能穩定色澤，改變風味和穩定組織結構。由表4 可知，汽漂時間對含水率的影響較小，甘薯脆片破碎力下降顯著（P＜0.05）[16]，汽漂5 min 時破碎力最低10.5 N；隨著汽漂時間增加，含油率逐漸減少，汽漂2 min 最高含油率16.49%，由圖2 可看出，b*先增加后減小、汽漂3 min～4 min 時L*值不存在差異，汽漂3 min 以后甘薯脆片色澤變化不明顯，汽漂2、3 min 的甘薯脆片由于酶促褐變較大，油炸后顏色較深；汽漂4 min 評分最高（88.9 分），3min 其次，綜合可得，汽漂時間為4 min 時，甘薯干片品質最佳。

2.1.3 不同烘干時間對甘薯片品質的影響

不同烘干時間時間對甘薯脆片品質的影響見表5和圖3。

表5 烘干時間時間對甘薯脆片品質的影響Table 5 Effect of drying time on the quality of sweet potato chips

圖3 干燥時間對甘薯片品質的影響Fig.3 Effects of the drying time on the quality of sweet potato chips

由表5 可知，烘干時間對甘薯干片油炸后破碎力、含水率、含油率具有顯著性的影響（P＜0.05）；隨著烘干時間延長，破碎力先減小后增加，烘干3 h 時，破碎力最低8.13 N；由圖3 可看出L*值隨著溫度增加逐漸降低，b*緩慢上升，烘干時間越長，脆片出現不規則彎曲，美拉德反應生成物增加，顏色加深；烘干2 h 與2.5 h后甘薯片氣泡均勻、顏色均勻、無過焦現象，但香氣低，酥脆性不好，烘干3.5 h 后甘薯脆片顏色不均勻、焦糊味強烈，脆度小，因此，綜合分析，烘干時間選擇3 h較佳。

2.1.4 切片厚度對甘薯片品質的影響

不同厚度對甘薯脆片品質的影響見表6 和圖4。

表6 厚度對甘薯脆片品質的影響Table 6 Effect of the thickness on quality of sweet potato chips

圖4 厚度對甘薯片品質的影響Fig.4 Effects of thickness on quality of sweet potato chips

紅薯的切片厚度對油炸后脆片含油率及色差等指標具有一定影響。由表6 可知，切片厚度對甘薯干片油炸后破碎力、含水率、含油率均有顯著性影響（P＜0.05）。水分可作為化學反應進行的介質，促進酶促褐變的進行[17]，所以由圖4 可看出，在其他條件恒定時，隨切片厚度的增加，b*值顯著增加，L*值顯著性降低，相同時間內烘干甘薯脆片的破碎力逐漸增大，2.5 mm與3 mm 之間破碎力差異不顯著，最高破碎力可達21.3 N。含水率、含油率逐漸增加；3 mm 甘薯脆片顏色較均勻，油炸后的成品呈黃色，氣泡均勻，具有油炸后的香氣，所以綜合以上分析厚度為3 mm 甘薯干片綜合評價最好（87.7 分）。

2.2 Box-Benhnken中心組合設計試驗

根據單因素試驗結果，利用Design Expert 8.0 軟件采用Box-Behnken 中心組合原理設計建立數學模型[18]。中心組合試驗設計方案及結果見表7。

利用Design-Expert 8.0 軟件對試驗結果進行多元回歸擬合后，得到關于甘薯脆片感官評分（Y1）、含油率（Y2）對各影響因子的二次多項回歸模型方程為：

感官得分Y1=88.23+2.88A+0.67B-1.02C+1.13D-1.28AB +1.1AC -1.23AD +1.02BC -0.54BD -0.50CD -3.70A2-1.12B2-2.99C2-0.89D2；

表7 中心組合試驗設計及結果Table 7 Center combination experiment design and results

含油率Y2=15.67-1.42A-0.92B+1.14C-1.28D+1.60AB+0.48AC-0.10AD+0.100BC+1.00BD+1.26CD-1.13A2-1.81B2-1.63C2-2.48D2。

甘薯脆片二次響應模型方差分析見表8。

表8 甘薯脆片二次響應模型方差分析Table 8 Variance analysis of secondary response model of sweet potato chips

續表8 甘薯脆片二次響應模型方差分析Continue table 8 Variance analysis of secondary response model of sweet potato chips

由表8 可見，以感官得分（Y1）為響應值時，模型是極顯著的（P＜0.01），響應值與自變量之間的線性關系顯著（R2=0.737 3），說明該模型能解釋73.73%響應值得變化，失擬項不顯著（P＞0.05），模型的調整復相關系數（RAdj=0.900 9）接近 1。表中 A、C、D 影響均為極顯著（P＜0.01），B 為顯著，交互項中 AB、AC、AD 的偏回歸系數顯著（P＜0.01），二次項中 A2、C2的偏回歸系數極顯著，B2、D2為顯著，其他各項對感官評分的影響均未達到顯著（P＞0.05）。對甘薯脆片感官評分影響作用的大小順序為：A＞D＞C＞B，烘干溫度＞烘干時間＞切片厚度＞汽漂時間。

以含油率（Y2）為響應值時，模型是極顯著的（P＜0.01），響應值與自變量之間的線性關系顯著（R2=0.959），說明該模型能解釋95.9%響應值變化，失擬項不顯著（P＞0.05），模型的調整復相關系數（RAdj=0.919）接近 1。表中 A、B、C、D 均為極顯著（P＜0.01），交互項AB、BC、BD 的偏回歸系數顯著為極顯著，二次項中A2、B2、C2、D2的偏回歸系數顯著為極顯著。對甘薯脆片含油率影響作用的大小順序為：A＞D＞C＞B，烘干溫度＞烘干時間＞切片厚度＞汽漂時間。

烘干溫度與汽漂時間、烘干時間、切塊厚度交互作用對感官評分影響的響應面及等高線見圖5。

圖5 烘干溫度與切片厚度、汽漂時間、烘干時間之間的交互作用對感官評分影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface and contour of the interaction between drying temperature and slice thickness，vapor bleaching time，drying time on sensory score

烘干溫度與汽漂時間、烘干時間、切塊厚度交互作用對含油率影響的響應面及等高線見圖6。

2.3 驗證試驗

圖6 烘干溫度與切片厚度、汽漂時間、烘干時間之間的交互作用對含油率影響的響應面及等高線Fig.6 Interaction between drying temperature and slice thickness，steam bleaching time，drying time on oil content response surface and contour

利用Design Expert 8.0 軟件處理后，優化得到各個因素的最優值分別為：烘干溫度為74 ℃、汽漂時間為3.2 min、切片厚度為2.76 mm、烘干時間為3.5 h，為驗證試驗結果與真實情況的一致性，對上述優化條件進行驗證試驗。同時考慮到實際操作的便利，將最佳工藝條件修正為烘干溫度74 ℃、切片厚度2.7 mm、汽漂時間3 min，烘干時間為3.5 h，在此條件下進行3 組平行試驗，得到實際值感官評分為88.75 分，含油率為7.84%。因此，該模型感官評分及含油率預測值與試驗值之間的誤差在3%以內，經響應面法優化所得的干燥甘薯脆片最佳工藝參數準確可靠，具有實際應用價值。

3 結論

通過單因素試驗和響應面優化試驗，可以得出影響因素對甘薯脆片感官評分及含油率的影響次序分別為：烘干溫度＞烘干時間＞切片厚度＞汽漂時間、烘干溫度＞烘干時間＞切片厚度＞汽漂時間；通過二次多元回歸方程，確定最優烘干條件為：烘干溫度74 ℃、切片厚度2.7 mm、汽漂時間3 min，烘干時間為3.5 h，優化工藝得到的產品無明顯褐變，色澤良好，硬度適中，適合大眾消費。干燥工藝的優化為甘薯脆片加工產業提供了良好的技術支撐。