響應面法優化熱泵干燥綠色葡萄干防褐變工藝

廉葦佳，陳 雅，韓 琛，李海峰，劉志剛，徐桂香，雷 靜，吳久赟

(新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000)

0 引 言

【研究意義】對綠色葡萄干進行清洗不僅可以洗去葡萄干表面的灰塵、雜菌，而且可以洗去部分葡萄干表面殘留的促干劑，保護消化系統[1-2]。綠色葡萄干清洗極易褐變，清洗之后迅速脫去表面清洗溶劑非常重要，才能減少綠色葡萄干中更多多酚氧化酶被激活，減少褐變的發生[3]。研究一種綠色葡萄干的防褐變干燥技術，對干燥清洗后綠色葡萄干有重要意義。【前人研究進展】劉清等[4]利用薄層試驗干燥臺模擬流化床干燥和網帶干燥清洗后的無核白葡萄干表明：流化床干燥的較佳條件為：風溫30～40℃，風速3.5～4.5 m/s，料層厚度4層(約 22 mm)，干燥時間為4 min；網帶干燥的較佳條件為：風溫(40±2)℃，風速1.5 m/s，料層厚度2.5層(約 15 mm)，干燥時間約為9 min；張英麗等[5]研究結果表明，30℃下干制無核白葡萄可較好的保持其色澤。【本研究切入點】綠色葡萄干清洗過程中和清洗后干燥過程中褐變問題已成為綠葡萄干產業進一步發展的瓶頸問題[6-7]。亟需研究一種清洗后綠色葡萄干防褐變干燥技術。【擬解決的關鍵問題】采用干燥效率高、產品品質好的熱泵干燥技術，在單因素試驗基礎上，找到一種干燥清洗后綠色葡萄干的方法，該方法與常用的熱風干燥方法相比，能夠顯著降低葡萄干褐變指數，為解決葡萄干精深加工面臨清洗后褐變瓶頸問題提供方法。

1 材料與方法

1.1 材 料

綠色葡萄干產于新疆吐魯番市，品種為無核白(V.vinifera cv.Thompson Seedless)。

試劑為酒精，食品級，純度95%，購于吐魯番冰玉冰葡萄酒業有限公司。

儀器設備為KQ5200DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；NH310型色差儀，深圳市三恩時科技有限公司；L3.5TB1型熱泵干燥機，廣東威而信實業有限公司；TP-A500型電子分析天平，美國康州HZ電子有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 樣品制備

綠葡萄干，2019年9月中旬購于吐魯番市高昌區吐魯番葡萄干交易市場，挑去其中的病害粒、蟲蛀粒和霉變粒。取500 g綠色葡萄干在9℃下超聲波輔助清洗90s(清洗劑：44% vol食用酒精溶液)，清洗完成后迅速放入熱泵干燥機中干燥，厚度1層(0.3～0.6 cm)，每隔30 min測定葡萄干重量，直到干燥至葡萄干水分含量15%及以下時為干燥終點。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 干燥溫度對葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在35、40、45、50和55℃溫度下熱泵干燥，相對濕度5%，排潮時間2 min，干燥后取出，測量色澤各項指標。

1.2.2.2 相對濕度對葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在5%、6%、7%、8%和9%相對濕度下熱泵干燥，干燥溫度50℃，排潮時間2 min，干燥后取出，測量色澤各項指標。

1.2.2.3 排潮時間對葡萄干色澤的影響

稱取500 g葡萄干，用超聲波清洗后，分別在1、2、3、4和5 min排潮時間下熱泵干燥，干燥溫度50℃，相對濕度7%，干燥后取出，測量色澤各項指標。

1.2.3 Box-Behnken中心組合試驗設計

在單因素實驗基礎上，每個因素選取3個對葡萄干褐變指數BI值影響較大的水平，建立三因素三水平的Box-Behnken中心組合實驗，以葡萄干褐變指數BI值為響應值，各因素的3個水平采用-1、0、1進行編碼。表1

表1 響應曲面設計實驗因素水平和編碼

1.2.4 色澤

用色差儀進行色澤的分析，取干燥后的綠色葡萄干樣品，測定亮度值L*、紅綠值a*和黃藍值b*，以未清洗的葡萄干樣品作為測定的參比樣，每個樣品重復3次。并根據公式(1)計算總色差△E值，根據公式(2)和公式(3)計算褐變指數BI值，取平均值。

△E=

(1)

(2)

(3)

式中：△E表示總色差；L0*、a0*、b0*表示未清洗葡萄干測得的顏色指標；L*、a*、b*—清洗后葡萄干測得的顏色指標。

1.3 數據處理

數據采用Excel 2007 統計分析，重復3次，結果用“平均值±標準差”表示，采用SPSS軟件對數據進行處理與回歸分析。通過Design-Expert 8.0.6統計分析軟件進行響應面應用實驗設計與結果分析。

2 結果與分析

2.1 單因素

2.1.1 干燥溫度對葡萄干色澤的影響

研究表明，當相對濕度和排潮時間一定時，不同干燥溫度對葡萄干紅綠值a*值和褐變指數BI值影響極顯著(P<0.01)對葡萄干亮度值L*值、黃藍值b*值和總色差△E影響不顯著(P﹥0.05)。亮度值L*值和紅綠值a*值總體呈現先增加再降低的趨勢，都在50℃時達到最高值，分別為21.22和-10.50，此時葡萄干色澤亮度和綠度均最高；總色差△E在干燥溫度35～55℃內差值小于3；褐變指數BI值先降低后升高，在50℃時達到最小值25.46；不同干燥溫度下的葡萄干黃藍值b*值相差不大。當干燥溫度較低時，清洗后附著在葡萄干表面的水分不能及時被去除，水分子會進入葡萄干內部，激活多酚氧化酶，發生酶促褐變，褐變指數變大，隨著干燥溫度的增加，更多葡萄干表面的水分子被迅速蒸發或除去，減少褐變的發生。35～40℃干燥溫度范圍內，褐變指數BI值從32.44降低至30.65，降低了5.52%，40～50℃干燥溫度范圍內，40～50℃對于葡萄干多酚氧化酶來說屬于高溫，酶被高溫鈍化，失活，這段時間范圍葡萄干褐變指數減小的幅度較大，在50℃時褐變指數BI值最小為25.46，隨著溫度增加到55℃，褐變指數開始增大。在50℃干燥溫度下葡萄干的褐變指數BI值最小。表2

表2 不同干燥溫度下葡萄干色澤變化

2.1.2 相對濕度對葡萄干色澤的影響

研究表明，不同相對濕度對葡萄干紅綠值a*值、褐變指數BI值影響極顯著(P<0.01)，隨著相對濕度的增加，葡萄干紅綠值a*值總體呈下降趨勢，從相對濕度5%～9%，紅綠值a*值從-10.24降低到-8.71，降低了14.94%；隨著相對濕度的增加，葡萄干褐變指數BI值總體呈先降低后升高趨勢，當相對濕度從5%增加到7%時，葡萄干褐變指數BI值從27.48降低到24.60，降低了10.48%，當相對濕度繼續增大到9%時，葡萄干褐變指數BI值從24.60升高到33，升高了34.15%。相對濕度7%時獲得的葡萄干褐變指數BI值最小。表3

表3 不同相對濕度下葡萄干色澤變化

2.1.3 排潮時間對葡萄干色澤的影響

研究表明，排潮時間對葡萄干亮度值L值和黃藍值b值影響極顯著(P<0.01)，對總色差△E和BI值影響顯著(P<0.05)，對紅綠值a值影響不顯著(P﹥0.05)。葡萄干亮度值L值和黃藍值b值都呈先降低后升高的趨勢，都在排潮時間3 min時達到最小值19.39和10.82；排潮時間1～5 min范圍內，葡萄干總色差△E值變化最大為1.82，小于3，不能夠用視覺發現葡萄干顏色的變化；葡萄干BI值呈先降低后升高的趨勢，排潮3 min時的BI值分別較排潮1 min和排潮5 min降低13.89%和7.96%，在相同時間內，排潮時間越長，葡萄干干燥速率越快，但是當熱泵干燥室中濕度小于環境濕度時，排濕過程中環境的濕度會進去，葡萄干干燥速率減慢，酶促褐變加劇，葡萄干BI值增大。排潮時間3 min時干燥的葡萄干褐變指數最小。表4

表4 不同排潮時間下葡萄干色澤變化

2.2 BBD試驗

2.2.1 響應面

研究表明，以葡萄干褐變指數BI值為響應值，以干燥溫度(A)、相對濕度(B)和排潮時間(C)為自變量，建立三因素三水平中心組合實驗設計共包括17個實驗方案，其中12個析因實驗點，5個中心實驗點，用以計算實驗誤差。表5

表5 響應面試驗設計及BI值

2.2.2 回歸方程擬合及方差

對各因素回歸擬合后，得到回歸方程：

BI=25.70-1.18A+0.26B-0.081C+0.99AB-0.032AC-0.50BC+3.13A2+0.85B2+0.47C2.

F模型=315.01，P模﹤0.000 1，擬合獲得的模型方程極顯著，回歸模型與實測值擬合程度好，可用該回歸方程替代實驗真實點值對實驗結果進行分析。F失擬=2.62，P失擬=0.187 9>0.100 0，失擬項不顯著，該回歸方程能充分反映實際情況。模型的決定系數R2=0.997 5，校正決定系數是0.994 4，為總變異的0.54%，實驗值與模型回歸值一致性良好，該模型能夠解釋0.994 4的響應值變化，實驗誤差小。各因素對葡萄干褐變指數BI值的影響順序為干燥溫度>相對濕度>排潮時間。表6

表6 回歸模型及方差

2.2.3 干燥溫度、相對濕度和排潮時間對葡萄干褐變指數BI值的影響

研究表明，干燥溫度和相對濕度均對葡萄干褐變指數BI值產生影響，隨著干燥溫度在45～50℃增加和相對濕度在6%～7%增加，綠色葡萄干褐變指數BI值逐漸減小，在達到極小值后，繼續增加干燥溫度或相對濕度，BI值逐漸增大。當干燥溫度為49～51℃且相對濕度為7%左右時，葡萄干具有較低的褐變指數BI值，當干燥溫度在49～53℃時，等高線密度最大，表示在該干燥溫度條件下，隨著相對濕度的增加，葡萄干褐變指數BI值降低最快。等高線形狀呈橢圓形，干燥溫度和相對濕度對葡萄干褐變指數BI值的影響有很強的交互作用，干燥溫度對綠色葡萄干褐變指數BI值的影響大于相對濕度。圖1

圖1 干燥溫度和相對濕度對BI值的影響響應面圖(a)和等高線圖(b)

研究表明，干燥溫度和排潮時間均對葡萄干褐變指數BI值產生影響，隨著干燥溫度的增大和排潮時間的延長，葡萄干褐變指數BI值趨于變小，在達到極小值之后，繼續增大干燥溫度或者延長排潮時間，褐變指數BI值逐漸增大。當干燥溫度在49～51℃、且排潮時間為3 min左右時，綠色葡萄干褐變指數BI值較低，等高線的形狀為趨向于圓形，干燥溫度和排潮時間對綠色葡萄干褐變指數BI值的影響具有弱的交互性。圖2

圖2 干燥溫度和排潮時間對BI值的影響響應面圖(a)和等高線圖(b)

相對濕度和排潮時間均對葡萄干褐變指數BI值產生影響，隨著相對濕度的增大和排潮時間的延長，葡萄干褐變指數BI值趨于變小，在達到極小值之后，繼續增大相對濕度或者延長排潮時間，褐變指數BI值逐漸增大。當相對濕度在7%左右、且排潮時間為3 min左右時，綠色葡萄干褐變指數BI值較低。等高線的形狀為橢圓形，相對濕度和排潮時間對綠色葡萄干褐變指數BI值的影響具有很強的交互性。圖3

圖3 相對濕度和排潮時間對BI值的影響響應面圖(a)和等高線圖(b)

2.2.4 驗證實驗

回歸模型預測的熱泵干燥清洗后葡萄干最佳條件為干燥溫度51.19℃，相對濕度6.68%，排潮時間2.93 min，在此清洗條件下的葡萄干褐變指數BI值為25.52。在干燥溫度51℃、相對濕度7%、排潮時間3 min條件下進行驗證實驗，葡萄干的褐變指數BI僅為25.55，相對誤差0.12%，與理論預測值基本相符。

3 討 論

褐變是果蔬或果蔬制品在加工和貯藏過程中，在內、外因素的綜合作用下顏色發生變化的現象[8-9]。鄭永菊[6]和張利娟[10]研究得出葡萄干加工和貯藏過程中的褐變主要是酶促褐變。葡萄干中酚類物質分布于液泡中，而與褐變有關的酶分布于線粒體、質體等細胞器內膜和細胞質中[11]，這種區域性分布可以使酚類物質與褐變酶類不接觸，從而不會發生酶促褐變。綠色葡萄干在清洗時空氣和水分子進入細胞內部，活性氧的增加導致膜脂過氧化，細胞膜流動性下降，通透性增加，酚類物質和酶的區域分布被打破，兩者相互接觸[12-13]，多酚氧化酶在氧氣存在的條件下催化酚類物質向醌及其聚合物轉變，隨后醌類聚合或與其他物質反應生成褐色或黑色聚合物，從而造成綠色葡萄干褐變現象[14-15]，褐變嚴重影響葡萄干的使用和銷售[16]。根據綠色葡萄干清洗會發生酶促褐變的機理，清洗之后迅速脫去表面清洗溶劑非常重要，如果干燥溫度過高，葡萄干褐變嚴重并且質地發軟不利于儲藏運輸，且會有滲糖現象，不符合葡萄干產品要求；但如果干燥溫度降低，干燥時間會隨之增加，清洗后附著在葡萄干表面的水分會滲入葡萄干內部，加速酶促褐變反應，褐變也會很嚴重[17-19]。熱泵干燥具有干燥方式溫和的優點，可通過調節干燥室的溫濕度、排潮與停排時間和風量使物料表面水分的揮發速度與內部水分向表面遷移速度基本一致，與自然干燥相似，得到外觀、色澤和質地等品質較好的產品，提高產品的商品價值[20]。熱泵干燥技術不僅能夠快速除去葡萄干表面水分而且可以保持葡萄干本身質地結構、營養成分和感官品質，還具有高效環保、節能無污染的優點。干燥溫度單因素實驗中，在40～50℃干燥溫度范圍內，葡萄干褐變指數BI值降低了16.93%，這是因為溫度超過多酚氧化酶的最適溫度25～40℃[21]，40～50℃對于葡萄干多酚氧化酶來說屬于高溫，酶被高溫鈍化，失活，因此這段時間范圍葡萄干褐變指數減小的幅度較大。葡萄干在50℃時褐變指數BI值最小，隨著溫度增加，褐變指數開始增大，這可能是因為高溫引起了葡萄干中酚類物質的氧化，導致摩擦損傷處、果梗處發生褐變。隨著相對濕度的增加，葡萄干褐變指數BI值總體呈先降低后升高趨勢，降低是因為較大的相對濕度可使干燥介質中的焓值增加，使葡萄干快速升溫，因此，干燥前期用較大的相對濕度有利于迅速升溫，去除葡萄干表面水分，降低酶促褐變。當相對濕度繼續增大時，葡萄干褐變指數BI值升高了34.15%，這是因為較大的相對濕度減緩了葡萄干內部水分向外的擴散，為酶促褐變的發生創造了條件，葡萄干褐變指數BI值增大，這與張波[22]、謝樂芳[23]等實驗結果相似。在排潮時間單因素實驗中，葡萄干BI值呈先降低后升高的趨勢。在相同時間內，排潮時間越長，葡萄干干燥速率越快，但是當熱泵干燥室中濕度小于環境濕度時，排濕過程中環境中的濕度會進去，葡萄干干燥速率減慢，酶促褐變加劇，葡萄干BI值增大。

4 結 論

實驗響應面優化后的葡萄干熱泵最佳干燥條件為干燥溫度51.19℃、相對濕度6.68%和排潮時間2.93 min，受熱泵干燥設備參數限制，選取干燥溫度51℃、相對濕度7%和排潮時間3 min進行驗證實驗，此時葡萄干的褐變指數BI值僅為25.55，較傳統熱風干燥降低23.23%。此法顯著降低了干燥過程中綠色葡萄干的褐變指數BI值，獲得的葡萄干清潔衛生，感官品質優良，適于綠色葡萄干清洗后的干燥。