響應(yīng)面法優(yōu)化低脂甘薯片的預(yù)凍油炸加工工藝

李鑫，王雨生,2，陳海華*

1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院（青島 266109）；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部（青島 266109）

我國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國家，甘薯的種植面積和總產(chǎn)量均居世界首位[1]。甘薯是一種非常有潛力的糧食替代品，其功能性質(zhì)日益受到關(guān)注，將對我國糧食安全發(fā)揮重要作用[2]。甘薯營養(yǎng)豐富，富含淀粉、多種人體必需的維生素（如維生素A）和礦物質(zhì)，含氨基酸、蛋白質(zhì)、膳食纖維等。甘薯含有多種功能因子，因而具有多種保健功能，主要用于加工干制品和保健食品[3]，其中低脂低熱、酥脆、風(fēng)味各異的甘薯片被食品界譽(yù)為“21世紀(jì)的食品”和“太空食品”。用甘薯制成的炸薯片，作為食品多樣化發(fā)展的一種形式，因其質(zhì)地、風(fēng)味和外觀獨(dú)特而在全世界廣受歡迎[4-5]。

油炸甘薯片以優(yōu)質(zhì)新鮮甘薯為原料進(jìn)行油炸加工，但常壓油炸甘薯片含油量高[6]。關(guān)于降低各類常壓油炸薯片含油量的研究已有很多。Wang等[7]研究表明，通過凍融處理可制備低吸油率淀粉。Isnaini等[4]對木薯淀粉進(jìn)行氯化鈣涂層處理，降低木薯?xiàng)l含油量。近年來出現(xiàn)的利用真空油炸和涂層技術(shù)能有效地降低各類薯片的含油量[8]，但這些處理方法同時(shí)也降低油炸薯片的風(fēng)味品質(zhì)，且真空油炸技術(shù)要求和生產(chǎn)成本高，所采用的設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)高于常壓油炸設(shè)備，不利于在中小企業(yè)推廣。因此，降低油炸甘薯片含油量是一個(gè)亟須解決的問題，通過油炸工藝的優(yōu)化，有望降低甘薯片中的含油量，提高產(chǎn)品色澤、脆度、氣味等品質(zhì)。

冷凍是改善食品質(zhì)量和開發(fā)新產(chǎn)品的一個(gè)常用處理方法，它會(huì)影響食品的微觀結(jié)構(gòu)[9]。Raigond等[10]指出冷凍處理可以促進(jìn)馬鈴薯淀粉的糊化。Tao等[11]發(fā)現(xiàn)，冷凍過程中，淀粉顆粒中的通道被水晶體擴(kuò)張，壓縮淀粉顆粒，可引起更多直鏈淀粉的浸出。Zhang等[12]報(bào)道由于淀粉鏈的損傷，冷凍處理導(dǎo)致直鏈淀粉的浸出和淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)重組。Krok等[13]發(fā)現(xiàn)，冷凍處理導(dǎo)致淀粉顆粒受損，使孔隙率增大。Wang等[7]認(rèn)為冷凍處理破壞木薯淀粉顆粒，使油脂外溢。但冷凍處理對油炸甘薯片品質(zhì)提升及低脂油炸甘薯片的生產(chǎn)工藝影響的研究很少。

試驗(yàn)將油炸與干燥、預(yù)凍處理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用單因素試驗(yàn)與響應(yīng)面試驗(yàn)相結(jié)合的方法，優(yōu)化一種低脂油炸甘薯片加工工藝，該工藝較大程度保持甘薯的風(fēng)味和色澤，進(jìn)一步探討不同因素間的相互作用，為油炸甘薯片研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

甘薯（在當(dāng)?shù)爻匈徺I）；大豆油（五湖大豆油）。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9076A烘箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；油炸鍋（桂林萬卓商貿(mào)有限公司）；切片器（浙江臺(tái)州市黃巖樂尚生活用品有限公司）。

1.3 甘薯片的油炸工藝

選取直徑4～6 cm、無病蟲害的新鮮甘薯，去皮清洗后，用清水沖洗去除表面淀粉。切片厚度為2 mm，切片后，用清水浸泡30 min護(hù)色，預(yù)凍30 min后油炸。工藝流程：原料→選料→清洗→去皮→修整→切片→護(hù)色→脫水→預(yù)凍→油炸→甩油。

1.4 單因素試驗(yàn)

1.4.1 烘干溫度

分別選取60，70，80，90和100 ℃為烘干溫度。其他因素固定：烘干時(shí)間30 min，預(yù)凍溫度-80 ℃，160 ℃油炸100 s。

1.4.2 烘干時(shí)間

烘干時(shí)間分別選取0，15，30，45和60 min。其他固定因素：烘干溫度80 ℃，預(yù)凍溫度-80 ℃，160 ℃油炸100 s。

1.4.3 預(yù)凍溫度

選取常溫（20 ℃），4，-20，-80和-196 ℃為甘薯片的預(yù)凍溫度。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，160 ℃油炸100 s。

1.4.4 油炸溫度

設(shè)置油炸溫度130，140，150，160和170 ℃。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，-80 ℃預(yù)凍，油炸時(shí)間100 s。

1.4.5 油炸時(shí)間

油炸時(shí)間分別選取80，90，100，110和120 s。其他固定因素：80 ℃烘干30 min，-80 ℃預(yù)凍，160 ℃下油炸。

1.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用Design Expert V8.0.6軟件，以烘干時(shí)間、烘干溫度、油炸時(shí)間為3個(gè)關(guān)鍵因素，以油炸甘薯片的感官評分為響應(yīng)值，采用Box-Behnken方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)（BBD），因素水平見表1。

表1 因素與水平

1.6 感官評價(jià)方法

參照王雨生等[14]的方法，邀請多名食品專業(yè)研究人員經(jīng)培訓(xùn)后進(jìn)行油炸甘薯片的色澤、油膩感和酥脆性等感官品質(zhì)的評價(jià)，并設(shè)計(jì)油炸甘薯片感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 油炸甘薯片感官品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Design Expert V8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

烘干處理可以降低產(chǎn)品含油量[15]。由表3可知，烘干溫度對油炸甘薯片的色澤、酥脆性、油膩感的影響較大。烘干溫度80 ℃時(shí)，油炸甘薯片的感官評價(jià)總分最高，甘薯片呈橙紅色，表面無斑點(diǎn)，比較酥脆，外形平整，氣泡均勻。隨著烘干溫度升高，油炸薯片的感官評價(jià)總分呈先上升后下降趨勢，而顏色持續(xù)變深，色澤的評分迅速降低。烘干溫度超過80 ℃后，甘薯片邊角出現(xiàn)炸焦現(xiàn)象。隨著烘干溫度的升高，油膩感評分逐漸升高，在90 ℃烘干時(shí)酥脆性評分最高。烘干溫度較低時(shí)，甘薯片油炸前含水量大，油炸時(shí)大量水分蒸發(fā)，導(dǎo)致滲入的油脂過多[5]，油膩感強(qiáng)，另外，未炸干的水分進(jìn)一步降低甘薯片的酥脆性，感官評分降低；烘干溫度較高時(shí)，甘薯片含水量低，油炸時(shí)水分蒸發(fā)少，滲入的油脂少，甘薯片油膩感低，酥脆性高；過高的烘干溫度使甘薯片顏色變深、酥脆性下降。綜合色澤、酥脆性和油膩感3個(gè)感官指標(biāo)，選擇烘干溫度70～80 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 不同烘干溫度處理油炸甘薯片的感官評分

由表4可知，烘干時(shí)間30 min時(shí)，油炸甘薯片的感官評分最高，此時(shí)甘薯片呈橙紅色，表面無斑點(diǎn)，比較酥脆。隨著烘干時(shí)間的延長，甘薯片含水量逐漸降低，油膩感評分呈升高趨勢；酥脆性和色澤評分隨烘干時(shí)間的延長先升高后降低，烘干30 min時(shí)，酥脆性和色澤感官評分均較高。油炸時(shí)，甘薯中的水分由邊緣向內(nèi)蒸發(fā)，若烘干時(shí)間不足，中間水分較多，油膩感強(qiáng)、酥脆性差；若甘薯片含水量過低，油炸后的顏色變深，容易炸焦，口感和外形變差。因此，烘干時(shí)間會(huì)影響油炸甘薯片的色澤、酥脆性和油膩感。

表4 不同烘干時(shí)間處理油炸甘薯片的感官評分

由表5可知，預(yù)凍溫度越低，油炸甘薯片的感官評價(jià)總分越高，但-196 ℃預(yù)凍后，甘薯片極易破損，不能保持完整外形，-80 ℃預(yù)凍30 min后，油炸甘薯片外形平整、口感酥脆、色澤良好、氣泡均勻，感官評分很高，效果最好。降低預(yù)凍處理的溫度，油炸甘薯片的酥脆性和油膩感評分升高，說明預(yù)凍處理有助于降低油炸甘薯片的油脂含量。預(yù)凍溫度對油炸甘薯片感官品質(zhì)的影響可能與甘薯片內(nèi)水分的冷凍速度有關(guān)：預(yù)凍溫度較低時(shí)，甘薯片凍結(jié)速度快，形成的冰晶晶粒微小，均勻分布在甘薯片內(nèi)部，對甘薯片組織結(jié)構(gòu)的破壞作用小[16]，而油炸時(shí)，微小冰晶能均勻迅速地升華為水蒸氣并形成均勻氣泡，因而油炸甘薯片表面微孔細(xì)膩、外形平整，口感酥脆不油膩；預(yù)凍溫度高時(shí)，甘薯片凍結(jié)速度緩慢，形成冰晶大，分布不均勻，較大冰晶的形成破壞甘薯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[17]，而油炸時(shí)，大冰晶的融化使甘薯片含水率高，導(dǎo)致油炸后甘薯片松軟而油膩，食用品質(zhì)降低。

表5 不同預(yù)凍溫度處理油炸甘薯片的感官評分

由表6可以看出，油炸溫度對甘薯片色澤、酥脆性、油膩感影響較大。隨著油炸溫度升高，甘薯片的油膩感和酥脆性的感官評分逐漸升高，這可能是由于油炸溫度的升高導(dǎo)致熱應(yīng)力急劇增大，淀粉顆粒變形破裂、糊化，甘薯片變焦[18]，酥脆性升高。在160 ℃時(shí)色澤的感官評分最高，170 ℃時(shí)大幅降低，這應(yīng)該是因?yàn)橛驼囟容^低時(shí)，美拉德反應(yīng)緩慢，產(chǎn)生的顏色物質(zhì)較少，色澤較淡[19]，而油炸溫度過高時(shí)，美拉德反應(yīng)劇烈，使甘薯片顏色變深。因此，選擇甘薯片的油炸溫度160 ℃為宜。

表6 不同油炸溫度處理甘薯片的感官評分

由表7可以看出，隨著油炸時(shí)間延長，甘薯片的油膩感、酥脆性的感官評分逐漸升高，這可能是由于延長油炸時(shí)間，甘薯片內(nèi)水分蒸發(fā)，導(dǎo)致含水量逐漸降低。油炸時(shí)間100 s時(shí)，甘薯片的感官評分最高，色澤最好，品質(zhì)最佳。油炸時(shí)間超過100 s時(shí)，美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)生過多的顏色物質(zhì)，使甘薯片顏色變深，并出現(xiàn)苦味[20]。因此，選擇油炸時(shí)間為100 s較合適。

表7 不同油炸時(shí)間處理甘薯片的感官評分

2.2 回歸模型與方差分析

應(yīng)用Design Expert V8.0.6軟件對表8的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到色澤、酥脆性、油膩感3個(gè)因素與感官評價(jià)總分之間的二次關(guān)聯(lián)模型，如式（1）所示。

感官評分=22.30+0.78A-1.70B+1.00C-1.25AB-0.60AC-0.5BC-2.7A2-3.6B2-5.8C2（1）

式中：A為烘干時(shí)間，min；B為烘干溫度，℃；C為油炸時(shí)間，s。

對表8的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，各項(xiàng)的方差分析結(jié)果見表9。

表8 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值

由表9可知，模型的F值為42.05，p＜0.05，表明二次模型（1）具有顯著性和可靠性，B、A2、B2、C2的p＜0.01表明它們對感官評分有極顯著影響，A、C、AB的p＜0.05，表明它們對感官評分有顯著影響，而AC、BC的p＞0.05，表明它們對感官評分沒有顯著影響。二次模型失擬度p（0.102 6）＞0.05，影響不顯著，校正系數(shù)Radj2=0.985 8接近于1，說明試驗(yàn)誤差小，模型有較高的可信度和精度[21]，可用于預(yù)測分析烘干時(shí)間、烘干溫度、油炸時(shí)間3個(gè)關(guān)鍵因素與油炸甘薯片感官評價(jià)總分之間的關(guān)系。

表9 回歸模型方差分析

2.3 因素交互作用分析

利用Design Expert V8.0.6軟件對表8的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三元二次回歸擬合分析，響應(yīng)面及等高線如圖1～圖3所示。由圖1（a）可知，油炸時(shí)間位于中心水平時(shí)，烘干時(shí)間與烘干溫度所形成的等高線呈橢圓形，說明兩者的交互作用較強(qiáng)[22-23]。烘干溫度的變化對油炸甘薯片感官評分的影響相對較大，表現(xiàn)為響應(yīng)曲面對烘干溫度（圖2b）的坡度較大[24]，對烘干時(shí)間的坡度較緩。從圖2可知，烘干時(shí)間和油炸時(shí)間所形成的等高線圖呈橢圓形，二者交互作用較強(qiáng)。油炸時(shí)間變化對甘薯片感官評分影響的等高線較為密集，說明油炸時(shí)間對甘薯片感官評分的影響較大[25]。從圖3可以看出，烘干溫度與油炸時(shí)間有一定交互作用，相比烘干溫度的變化，油炸時(shí)間的變化對甘薯片感官評分的影響較大。

圖1 烘干時(shí)間與烘干溫度交互作用影響油炸甘薯片感官評分的等高線圖（a）與響應(yīng)面圖（b）

圖2 烘干時(shí)間與油炸時(shí)間交互作用影響油炸甘薯片感官評分的等高線圖（a）與響應(yīng)面圖（b）

圖3 烘干溫度與油炸時(shí)間交互作用影響油炸甘薯片感官評分的等高線圖（a）與響應(yīng)面圖（b）

2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證結(jié)果

對二次關(guān)聯(lián)模型（1）求解，計(jì)算雙曲面最高點(diǎn)對應(yīng)的各因素值[21]，當(dāng)A=31.5，B=73.8，C=98.5時(shí)，響應(yīng)值最大為22.3，為最優(yōu)值，即取最優(yōu)工藝參數(shù)烘干時(shí)間、烘干溫度和油炸時(shí)間分別為31.5 min，73.8℃和98.5 s。對最優(yōu)工藝進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表10所示，油炸甘薯片的實(shí)物照片如圖4所示。從表10可以得出，在最優(yōu)工藝參數(shù)下，油炸甘薯片的感官評價(jià)總分平均值可達(dá)22.3分。

表10 最優(yōu)條件下驗(yàn)證試驗(yàn) 單位：分

圖4 響應(yīng)面優(yōu)化的油炸甘薯片

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定甘薯片的最佳預(yù)凍溫度-80 ℃、油炸溫度160 ℃，根據(jù)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)確定低脂油炸甘薯片的最佳工藝參數(shù)：烘干時(shí)間31.5 min、烘干溫度73.8 ℃、油炸時(shí)間98.5 s，該條件下油炸甘薯片感官評分總分為22.3分。該試驗(yàn)引入了超低溫冷凍技術(shù)，優(yōu)化了油炸甘薯片的制備工藝，降低了產(chǎn)品油含量，為低脂油炸甘薯片的生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。