響應面法優化微波-熱風脫水凍豆腐干燥工藝及其品質評價

曲 敏，趙思岑，朱秀清, ，萬兆祥，劉琳琳，黃雨洋，朱 穎，楊鑫鑫

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江省普通高校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江省谷物食品與綜合加工重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150028；2.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030）

脫水凍豆腐是一種新型豆制品，將凍豆腐解凍后經脫水干燥的工藝制得，其含水量低，解決了普通凍豆腐在儲存和運輸過程中耗能大的問題。干燥能夠最大限度地減少食品中水分產生的反應，有效抑制微生物的生長，并減少運輸過程中的能耗損失[1]。因此，干燥處理被認為是延長食品保質期的有效保護方法，廣泛應用于食品制造業[2]。

常用的干燥方式主要有熱風干燥、冷凍干燥等[3]。其中，熱風干燥具有熱效率高、干燥物料量大、設備簡單等優點，但通常因熱空氣和干燥物料接觸面積大，傳熱系數高而導致熱敏感性的生物活性成分降解、食物變色及結構改變[4]；微波干燥具有速率快、食品受熱作用時間短、對干燥產品的品質破壞很小的特點[5?6]，但存在電磁場不均勻性，引起樣品局部溫度快速升高灼熱的問題[7]，干燥后期易發生糊化現象[8]。為解決單一熱風干燥加熱速度慢、干燥時間長及單一微波干燥加熱不均[9]等缺點，近年來，發展了多種不同形式的聯合干燥方式[10?11]。其中微波和熱風聯合干燥，根據物料特性細分干燥過程，達到節能、高速、高成品率目的[12]。黃艷娜等[13]比較了不同干燥方式對干制凍豆腐品質的影響，結果發現不同條件制備的干制凍豆腐色澤、質構及復水比均有不同，四種干燥方式均有不同程度的優勢。

本文采用微波和熱風聯合干燥制備脫水凍豆腐，通過單因素及響應面實驗，詳細考查了熱風與微波干燥中的干燥順序、熱風溫度、微波功率及轉換點含水率對脫水凍豆腐復水率、色澤、質構特性及切面狀況的影響，確定了最佳干燥工藝與干燥參數，改善了脫水凍豆腐經復水后，存在切面孔隙大而不均、質地不良等缺點。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆 哈高科大豆食品有限公司；氯化鈣 食品級，北京Solarbio科技有限公司。

NN-CD997微波爐 日本 Panasonic公司；DHG-9145A烘箱 上海一恒有限公司；TA.New Plus質構儀 ISENSO公司；TrueDry CV9 水活計 美國Decagon公司；ZE-6000 色度儀 日本色電工業株式會社；S-3400N掃描電鏡 日本Hitachi公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 豆腐胚及凍豆腐的制備 將市售大豆，按豆水體積比1:3浸泡14 h。以熟漿法[14]煮漿，磨漿25 min后過濾，降溫至80 ℃，加入3.5%的氯化鈣溶液作為凝固劑（以干豆質量為基準）進行點腦，靜置蹲腦25 min，待自然放涼后，?21 ℃ 冷凍 3 h，最后?3 ℃熟化21 d備用。

1.2.3 脫水凍豆腐的制備 將1.2.2中豆腐放置在微波爐內，微波功率為240 W解凍85 s，以物料量為7 cm×7 cm×3 cm的小塊，在不同工藝條件下干燥，以含水量10%為干燥終點。

1.2.4 干燥順序的確定 微波+熱風（M-H）：將1.2.3中解凍后的豆腐先經600 W微波干燥，在含水轉化率 50% 時轉入 60 ℃熱風干燥，在含水率10%時終止，記錄干燥用時和各個時間點含水率及復水率。

熱風+微波（H-M）：將1.2.3中解凍后的豆腐先經60 ℃熱風干燥，在含水轉化率50%時轉入600 W微波干燥，在含水率10%時終止，記錄干燥用時和各個時間點含水率及復水率。

利用全自動多樣品水分含量分析儀在各干燥時間點對脫水凍豆腐進行含水率測定。

1.2.5 單因素實驗

1.2.5.1 微波干燥功率的選擇 凍豆腐解凍后在200、400、600、800、1000 W 條件下進行干燥，考察干燥速率、復水率和色澤，確定最佳微波干燥功率。

1.2.5.2 熱風干燥溫度的選擇 凍豆腐解凍后在40、50、60、70、80 ℃ 條件下進行干燥，考察干燥速率、復水率和色澤，確定最佳熱風干燥溫度。

1.2.5.3 轉換點含水率的選擇 將解凍的凍豆腐經600 W微波干燥至含水率從初始值降至30%、35%、40%、45%、50%時,轉為60 ℃熱風干燥，使其降至10%停止干燥，即脫水凍豆腐的轉換點含水率記為30%、35%、40%、45%、50%。考察不同轉換點含水率對脫水凍豆腐干燥速率、復水率和色澤的影響。

1.2.6 干燥技術響應曲面優化 基于單因素驗實驗結果，以脫水凍豆腐復水率為響應值，以Box-Behnken試驗設計原理，進行3因素3水平試驗，確定最優工藝參數。響應面試驗因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平表Table 1 Response surface test factors and level table

1.2.7 色澤的測定 采用ZE-6000 色差計測定鮮豆腐及脫水凍豆腐復水后的色澤。采用L*、a*、b*系統對同一樣品選不同部位進行測定，記錄L*、a*、b*、E值，并計算色差△E*值，平行4次，其中△E*值公式如下：

1.2.8 復水率的測定 在稱量干燥的脫水凍豆腐的質量后轉入沸水，復水至恒重，并平行3次[15]。測定復水率公式為：

式中：V表示復水率，%；m2表示脫水凍豆腐復水后的質量，g；m1表示干燥狀態下脫水凍豆腐的質量，g。

1.2.9 質構特性的測定 將復水后的脫水凍豆腐以2 cm×5 cm×5 cm大小放在質構儀上。選定硬度、彈性、咀嚼性與內聚性指標，探頭型號：P/36R柱形探頭；觸發點負載：5.0 g；下壓距離：7.5 mm；負載單元：1500 g；測試速率 0.5 mm/s；返回速率 0.5 mm/s；預測試速率：2 mm/s；夾具：TA-RT-KIT。同一樣品測定5個不同的部位，取平均值。

1.2.10 脫水凍豆腐品質評價

1.2.10.1 基本成分分析 灰分的測定，采用GB 5009.4-2016的方法；脂肪的測定，采用GB 5009.6-2016的方法；水分的測定，采用GB 5009.3-2016的方法；粗蛋白的測定，采用GB/T 24870-2010的方法。

1.2.10.2 掃描電鏡觀察 取冷凍后、熟化后、干燥后豆腐中心部位，以3 mm×3 mm×3 mm塊狀浸入2.5%戊二醛溶液，4 ℃靜置1 h，蒸餾水洗滌4次，再分別用50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇洗脫后與乙酸異戊酯置換，置換后進行真空冷凍干燥，然后在 15 kV，15 mA，1.5 min條件下濺射金膜處理[16]，掃描電鏡觀察。

1.3 統計分析方法

利用SPSS 20.0分析數據顯著性，利用Design-Expert 12 進行響應面分析，利用Origin 2018進行作圖，每組數據重復3次取平均值。

2 結果與分析

2.1 豆腐胚的初始含水量及色澤

豆腐的色澤影響消費者的購買欲[17]。本實驗所制的新鮮豆腐顏色呈乳白色，L*值為89.23，a*值為2.67，b*值為12.9，色澤良好。豆腐胚的初始含水量為66.07%，蛋白含量為15.7%，脂肪含量為8.6%。

2.2 干燥順序的選擇

如圖2和3所示，在H-M過程中，脫水凍豆腐先經60 ℃熱風干燥至含水轉化率為50%，耗時100 min，由于內外水分蒸發速率不同，導致豆腐外硬內軟；后轉換為600 W微波干燥，至干基含水量為10%不變，此時脫水凍豆腐基本完成了干燥過程，干燥速率不再發生變化、干燥停止。這是因為此時豆腐表面出現硬化狀態，而使內部的水分無法繼續蒸發出去。H-M總過程共計 120 min，復水率為390.17%，干燥速率相對較緩。而在M-H中，脫水凍豆腐先經600 W干燥至含水轉換率為50%，此時樣品中心已干硬，但四角仍濕潤，含水量較多；后轉換為 60 ℃熱風干燥，干燥至豆腐干基含水量為10%不變，該干燥過程共計 80 min，較H-M省時40 min；復水率為410.03%，較 H-M提高 19.86%；干燥速率明顯加快。可見，M-H聯合干燥較H-M聯合干燥速率快、省時且復水率高。

圖2 干燥順序對脫水凍豆腐含水率的影響Fig.2 Effect of drying sequence on moisture content of dehydrated frozen tofu

圖3 干燥順序對脫水凍豆腐復水率的影響Fig.3 Effect of drying sequence on rehydration rate of dehydrated frozen tofu

經微波穿透，凍豆腐干料內部的水分子運動產熱，熱能向外擴散，達到干燥物料的目的。熱風干燥通過對流循環的方式，使凍豆腐表面水分透過氣膜向外擴散，使得內部水分得以干燥。在H-M聯合干燥中，先進行熱風干燥會導致豆腐的外部水分蒸發過快、出現硬化，使得微波干燥時內部水分向外擴散受阻，降低干燥效率。而在M-H聯合干燥中，先微波干燥，使高水分的凍豆腐迅速吸收微波，提高干燥速率，縮短了干燥時間，降低了生產能耗，同時解決了熱風易造成硬化和微波造成外部難干燥的問題。黃艷娜等[13]在研究凍豆腐的干燥順序時，發現M-H干燥凍豆腐時間特性彈性和咀嚼性均優于H-M干燥，與本研究確定的干燥順序結論相同。因此，后續采用M-H聯合干燥制備脫水凍豆腐。

2.3 微波-熱風聯合干燥對脫水凍豆腐品質的影響

2.3.1 微波功率對脫水凍豆腐品質影響 如圖4所示，微波功率升高，脫水凍豆腐干燥速率（即斜率）隨之增加。200 W的干燥速率最慢，第270 min，含水率降至10%，干燥停止；1000 W的干燥速率最快，僅用180 min含水量降到10%。隨著微波功率的增高，水分從物料內傳遞至表面的過程也逐漸加快，使速率更高、更省時。

圖4 微波功率對脫水凍豆腐干燥速率的影響Fig.4 Effect of microwave power on drying rate

如圖5所示，微波功率從200 W升高到600 W，復水率逐漸上升，在600 W時，復水率達到最高472.21%；600 W升至1000 W時，復水率下降。脫水凍豆腐復水時由于表面毛細管的吸力，表面被吸濕，隨著復水時間的增加，水通過毛細作用迅速填充了干基質的空隙，使吸水率瞬間增加[18]。復水過程中水分的重新分配可能有助于樣品保持其多孔結構，提高了脫水凍豆腐吸收水分的能力[19]。然而微波功率過高會導致在物料內部基質在短時間內產生多處燃點，造成物料表面變硬，水分無法及時從內部傳遞至表面，使內部孔隙大小不一，從而導致脫水凍豆腐復水率降低[20]。

圖5 微波功率對復水率的影響Fig.5 Effect of microwave power on rehydration rate of dehydrated frozen tofu

如表2所示，隨著微波功率升高，a*值先增加后減少。當微波功率從200 W增加至600 W時，a*值隨之增大，說明脫水凍豆腐愈發偏紅；當微波功率從600 W增加至1000 W，a*值隨之減少，紅色減弱；當微波功率從200 W增加至1000 W，L*值總體增大，說明脫水凍豆腐的色度越來越亮，功率為1000 W時顏色最接近新鮮豆腐；隨微波功率升高，△E*越來越小，最低為21.77。說明隨著微波功率的提高，干燥時間縮短，使得脫水凍豆腐的色澤變化減輕，逐漸接近豆腐胚的原有色澤。但過高功率導致脫水凍豆腐在干燥過程中出現板結現象，組織結構被破壞，綜合脫水凍豆腐色澤及組織狀態，最適微波功率為600 W。

表2 微波功率對脫水凍豆腐色澤的影響Table 2 Effect of microwave power on color of dehydrated frozen tofu

2.3.2 熱風干燥溫度對脫水凍豆腐品質的影響 如圖6所示，溫度越高，干燥速率越快。80 ℃時干燥速率最快；40 ℃時干燥速率最小。較高的干燥溫度對應著較少的干燥時間，這是由于干燥介質和材料之間的傳熱增加，從而加速了樣品中水分的蒸發[21?22]。脫水凍豆腐干燥速率的增加主要是由于冷凍過程中形成的冰晶形成了一個更多孔的結構[23]，當熱風溫度升高，物料表面汽化，內部水分迅速向外散發[24]，干燥速率變快。

圖6 不同熱風溫度對脫水凍豆腐干燥速率的影響Fig.6 Effect of different hot air temperature on drying rate of dehydrated frozen tofu

如圖7所示，熱風溫度從40 ℃上升至60 ℃時，脫水凍豆腐的復水率會隨著溫度的升高而上升。60 ℃下，復水率達到最高441.29%，60 ℃升至80 ℃，復水率隨之下降。熱風干燥的熱傳遞由外向內，溫度越高水分蒸發越迅速，使其內部的孔徑均勻，復水速率越快，但是溫度過高會使其物料結構收縮，孔徑變小，干燥后復水力變差[25]，造成熱風干燥過程中脫水凍豆腐完整性被破壞和結構坍塌[26?27]。因此，60 ℃為最優干燥條件。

圖7 不同熱風溫度對脫水凍豆腐復水率的影響Fig.7 Effect of different hot air temperature on rehydration rate of dehydrated frozen tofu

如表3所示，隨著熱風溫度上升，脫水凍豆腐復水后的L*值先增大后減小，a*值與b*值先減小后增大 ，60 ℃ 時L*最 大 為 83.48，a*值 與b*值 最 小 ，△E*值最小為8.84，表明色差最小，此時的顏色與鮮豆腐接近。其原因可能是，較低溫所需的干燥時間長，在此過程中豆腐發生了氧化，顏色加深[28]，而在高溫條件下，脂肪酸氧化加劇，顏色也會變深。綜上所述，熱風溫度為60 ℃時脫水凍豆腐復水后的顏色最接近新鮮豆腐。因此，最適熱風干燥溫度為60 ℃。

表3 熱風干燥溫度對脫水凍豆腐色澤的影響Table 3 Effect of hot air drying temperature on color of dehydrated frozen tofu

2.3.3 轉換點含水率對脫水凍豆腐品質的影響 如圖8所示，隨著轉換點含水率上升，干燥速率變慢。轉換點含水率為35%時干燥速率最高，用時最短為71 min，當轉換點含水率為50%時干燥速率最慢，用時最長為80 min。

圖8 轉換點含水率對干燥速率的影響Fig.8 Effect of moisture content at transition point on drying rate

如圖9所示，隨著轉換點含水率的升高，脫水凍豆腐的復水率呈先升高后降低的趨勢。在轉換點含水率為35%時，復水率最高為467.15%。其后，隨著轉換點含水率的增加，復水率顯著降低（P<0.05），當轉換點含水率為50%時，復水率最低為410.03%。因為當轉換點含水率升高時，微波作用減弱，熱風干燥時間長，豆腐出現板結現象，結構被破壞，造成復水時吸水性差，復水率降低。

圖9 轉換點含水率對脫水凍豆腐復水率的影響Fig.9 Effect of moisture content at transition point on rehydration rate of dehydrated frozen tofu

不同轉換點含水率對脫水凍豆腐色澤的影響如表4所示，隨轉換點含水率的增大，脫水凍豆腐的L*值先增大后減小，a*、b*、△E*值先減小后增大，在轉換點含水率為35%時，L*值最大為73.59，a*、b*值最小分別為6.57和24.29，△E*值最小為19.73，表明復水豆腐的色度接近于新鮮豆腐，且色差最小。綜上，最適轉換點含水率為35%。

表4 轉換點含水率對脫水凍豆腐色澤的影響Table 4 Effect of moisture content at transition point on color of dehydrated frozen tofu

2.4 響應面試驗分析

2.4.1 響應面試驗設計及結果 以熱風溫度、微波功率、轉換點含水率為自變量，以脫水凍豆腐的復水率（Y1）為響應值，利用 Design-Expert 12進行響應面試驗。試驗方案及結果見表5。

表5 響應面試驗設計及結果Table 5 Response surface test design and results

2.4.2 響應面法脫水凍豆腐干燥技術優化

2.4.2.1 回歸模型與方差分析 通過統計分析，建立二次響應面回歸模型：

回歸模型如表6所示，模型回歸顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P>0.05）；從方差分析得到回歸方程顯示，模型擬合度R2和校正擬合度R2Adj均是1，說明多項式模型可信，通過此模型方程能預測出在任何變量值下的脫水凍豆腐干燥技術。自變量與響應值線性關系顯著，可以進行凍豆腐干燥工藝分析與預測。由F檢驗可以得到因素貢獻率為：轉換點含水率>熱風溫度>微波功率。

表6 脫水凍豆腐復水率回歸與方差分析結果Table 6 Analysis of regression and variance of rehydration rate of dehydrated frozen tofu

2.4.2.2 響應面分析及確定最佳工藝參數 如圖10、圖11、圖12所示，分別對微波功率、熱風溫度和轉換點含水率進行交互試驗。可以看出等值線區域，熱風溫度、微波功率和轉換點含水率三項，每兩項交互作用顯著。

圖1 脫水凍豆腐工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of dehydrated frozen tofu

圖10 熱風溫度與微波功率的交互影響Fig.10 Interaction between microwave power and hot air temperature

圖11 轉換點含水率與微波功率的交互影響Fig.11 Interaction between moisture content at transition point and microwave power

圖12 轉換點含水率與熱風溫度的交互影響Fig.12 Interaction between moisture content at transition point and hot air temperature

通過模型可以得到最優工藝條件為：熱風溫度為67.778 ℃，微波功率為515.838 W，轉換點含水率36.591%，復水率為531.54%。從試驗實際情況考慮，確定最佳工藝條件如下：先516 W微波干燥，在轉換點含水率為37%時，再68 ℃熱風干燥。此時復水率為531.97%±0.01%，與理論預測差絕對值低于5%，說明此響應面優化制作模型可靠。

2.5 脫水凍豆腐品質評價

2.5.1 脫水凍豆腐基本成分的測定 從表7可以看出，脫水凍豆腐的水分含量為10.31%，這是脫水凍豆腐貨架期長、運輸方便的主要原因。

表7 脫水凍豆腐基本成分Table 7 Basic components and rehydration rate of dehydrated frozen tofu

2.5.2 脫水凍豆腐的質構 從表8可以看出，脫水凍豆腐比普通凍豆腐復水后硬度高，這是因為凍腐脫水后破壞了其凝膠網絡，在脫水過程中，凝膠網絡中的蛋白質與水之間的相互作用轉變為蛋白質與蛋白質之間的相互作用，增強了凝膠強度，導致其硬度增強；但脫水凍豆腐復水后彈性、咀嚼性和內聚性都高于普通凍豆腐，這是因為脫水凍豆腐經干燥結構更均勻，質構特性更優。

表8 脫水凍豆腐質構Table 8 Evaluation of texture of dehydrated frozen tofu

2.5.3 脫水凍豆腐色差值 如表9所示，經與2.1中豆腐胚初始色澤對比后可以看出，普通凍豆腐解凍后比脫水凍豆腐復水后的色差值小，說明普通凍豆腐解凍后比脫水凍豆腐復水后的色澤更接近豆腐胚。這是因為脫水凍豆腐比普通凍豆腐多經歷微波與熱風的干燥過程，干燥過程中水分迅速減少，脂肪氧化速度快，因此，與普通凍豆腐解凍后相比，色差變大、色澤偏暗。

表9 脫水凍豆腐的色差值Table 9 Color difference of dehydrated frozen tofu

2.5.4 脫水凍豆腐的表觀特征 如圖13所示，分別為冷凍后、熟化后、干燥后的掃描電鏡圖（A~C）及對應的切面結構圖（D~F）。如圖A和D所示，豆腐在冷凍后，豆腐孔徑疏松且大小不一，這可能是因為在冷凍期間，水變為冰的速度較快，形成了較大且結構不規則的冰晶體[29]。如圖B和E所示，熟化后豆腐孔隙更加均勻，可能是因為冰晶升華，使豆腐氧化，孔隙更為均勻[30]。疏水相互作用的增強和分子間二硫鍵可能是干燥后的脫水凍豆腐微觀形貌更密集有序的原因。如圖C和F所示，經過干燥后的豆腐孔隙最均勻，這是因為在溫度與氧化共同作用下，水分蒸發使豆腐結構更緊湊。通過對比圖D與圖F的色澤，可以看出，圖F中脫水凍豆腐顏色略深于圖D，與2.5.3中色差的檢測結果一致。

圖13 不同工藝階段脫水凍豆腐的SEM圖（200×）及切面結構圖Fig.13 SEM images of dehydrated frozen tofu at different process stages（200×）and section structure diagram

3 結論

采用微波與熱風聯合干燥脫水凍豆腐，通過考察脫水凍豆腐含水率和復水率的變化，確定了干燥順序為M-H。以脫水凍豆腐的干燥速率、復水率和色澤為指標，利用響應面法對干燥工藝進行優化，得出先516 W微波干燥，當轉換點含水率為 37%時，轉為 68 ℃熱風干燥，此條件下脫水凍豆腐復水率為531.97%。此條件下的脫水凍豆腐復水后的彈性、咀嚼性和內聚性都高于普通凍豆腐；與普通凍豆腐解凍后相比，色差變大、色澤變暗。SEM表征及切面結構結果顯示，經過干燥后的豆腐內部之間的水分蒸發，凝膠網絡結構更加緊湊，孔隙變得更加均勻。說明經微波-熱風聯合干燥工藝優化后的脫水凍豆腐品質更高。