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響應面法優(yōu)化番木瓜滲透脫水工藝

2015-04-29 03:33:24李輝等
熱帶作物學報 2015年3期
關鍵詞:響應面番木瓜優(yōu)化

李輝等

摘 要 以糖液濃度(40%~60%)、滲透脫水溫度(30 ℃~60 ℃)和浸漬時間(2~8 h)為因素,以失水率(WL)和固形物增加率(SG)為響應變量,采用響應面法優(yōu)化番木瓜的滲透脫水條件。根據(jù)響應面(Box-Behnken)試驗設計進行試驗,以失水率最大和固形物增加率最小為指標對滲透脫水過程進行優(yōu)化。結果表明,番木瓜滲透脫水的最佳工藝參數(shù)為:糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、浸漬時間7.33 h。

關鍵詞 番木瓜;滲透脫水;響應面;優(yōu)化

中圖分類號 S668.2 文獻標識碼 A

Abstract Osmotic dehydration conditions of papaya pieces were optimized using response surface methodology. The independent process variables for osmotic dehydration process were sucrose concentration(40%-60%), process temperature (30-60 ℃) and immersion time(2-8 h)and the response variables were water loss(WL) and solid gain(SG). The experiments were conducted according to response surface methodology(Box-Behnken) design. The osmotic dehydration process was optimized for maximum water loss and minimum solid gain. The results showed that the optimum conditions of osmotic dehydration for papaya pieces were 60% sucrose concentration, 52.95 ℃ process temperature and 7.33 h immersion time.

Key words Papaya (Carica papaya L.);Osmotic dehydration;Response surface methodology;Optimization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.028

番木瓜(Carica papaya L.)又稱木瓜、乳瓜和萬壽果,在許多熱帶、亞熱帶國家和地區(qū)均有種植。中國主要分布在臺灣、廣東、海南、廣西和福建等省區(qū)[1]。番木瓜果實營養(yǎng)豐富,富含維生素、礦物質及抗氧化物質等,并具有健胃消食、減輕腸胃脹氣、利尿、化痰和美白等多重功效,所以又被稱為“百益之果”和“水果之王”[2-3]。但番木瓜果實不耐貯藏,采后容易遭受機械損傷、失水、冷害、病害和蟲害等,從而造成巨大的經濟損失。

滲透脫水是一種預處理的方式,是把果蔬浸在高滲溶液中,利用植物細胞和高滲溶液之間的高滲透壓使水分部分脫除的過程。在此過程中,水分會從植物組織中擴散到溶液中,同時溶液中的部分溶質也會擴散到植物組織中。滲透脫水是一種潛在的生產高品質產品的保藏方法之一。由于脫水是在較低的溫度下,水沒有發(fā)生相變,從而可以降低能耗。此外,滲透脫水還可以降低果蔬的水分活度、減少營養(yǎng)物質的損失和延長貨架期。盡管在脫水過程中可能有部分物質,如糖、有機酸、礦物質和鹽等,通過細胞膜擴散到滲透液中而造成營養(yǎng)物質的損失,但這是微不足道的。滲透脫水受許多因素的影響,如滲透劑的類型和濃度、滲透溫度、時間、溶液的攪拌或循環(huán)、料液比、食品物料的厚度和預處理的方式等。已有學者對蘋果[4]、獼猴桃[5]、香蕉[6]和菠蘿[7]等水果的滲透脫水工藝進行了研究,但關于番木瓜滲透脫水的研究還未見報道。

本研究以新鮮番木瓜為原料,分析糖液濃度、滲透脫水溫度和浸漬時間對脫水率(water loss,WL)和固形物增加率(solid gain,SG)的影響,并對番木瓜滲透脫水工藝參數(shù)進行優(yōu)化,以期為番木瓜的產業(yè)化加工提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

番木瓜:生理成熟的“臺農二號”番木瓜果實,購于福建省漳州市沃爾瑪超市。選擇大小均勻、色澤一致、質地結實的番木瓜果實進行試驗。番木瓜經清洗、去皮后,沿縱軸切成兩半,用不銹鋼平底勺將內部的種子去掉,剩下果肉,再用不銹鋼刀將果肉切成5 cm ×1 cm×1 cm的條狀。

白砂糖:食品級,購于福建省漳州市沃爾瑪超市。

試驗儀器及設備:HH-4型恒溫水浴鍋(常州國華電器有限公司)、CP2102型電子天平(奧豪斯儀器(上海)有限公司)、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 初始含水率的測定 將切分好的番木瓜條切碎,用稱量瓶稱取5.0 g,每個試樣稱取3份,置于恒溫鼓風干燥箱中,在105 ℃進行干燥,每隔1 h取出稱重,直至前后2次質量相差小于2 mg,即為恒重。濕基含水率/%=(干燥前重量-干燥后重量)/干燥前重量×100。

1.2.2 滲透脫水工藝流程 將切好的番木瓜條浸入預先配制好的糖液中,在30、45、60 ℃分別浸漬2、5、8 h。每次試驗時,將50 g番木瓜條放入500 mL盛有250 mL糖液的燒杯中(物料與糖液之比統(tǒng)一為1 ∶ 5),放入恒溫水浴鍋進行保溫。燒杯上加蓋密封,以防止?jié)B透液水分的蒸發(fā)。每隔30 min用玻璃棒攪拌1次。到預定時間后,將番木瓜條迅速撈出,用蒸餾水輕輕地沖洗掉表面糖液,并用濾紙輕輕地擦干表面水分。然后將番木瓜條進行稱重,并在70 ℃的恒溫鼓風干燥箱中干燥,測定其滲透后的含水率。重復3次。

1.2.4 試驗設計 采用響應面(Box-Behnken)試驗設計方法研究番木瓜的滲透脫水過程。經過前期的預實驗,選取糖液濃度、滲透脫水溫度和浸漬時間為自變量,失水率(WL)和固形物增加率(SG)作為響應值。各因素的取值范圍為蔗糖糖液濃度40%~60%、滲透溫度30~60 ℃、時間2~8 h。因素水平編碼表見表1。

1.3 統(tǒng)計分析

2 結果與分析

2.1 失水率的影響因素分析

番木瓜的初始含水率為(89.15±0.36)%。由表2可知,番木瓜滲透脫水的失水率最大值為67.04%,最小值為18.64%。采用Design-Expert軟件建立失水率與各因素的關系式,得到失水率的二次多項式回歸方程為Y1=43.70+6.96x1+11.47x2+13.05x3+1.73x1x2+1.47x1x3+2.48x2x3-1.47x12+0.058x22-3.40x32。由表3可知,根據(jù)方差分析,失水率二次回歸模型極顯著(p<0.01),而失擬項不顯著(p>0.05),說明擬合程度很好(R2=0.999 0)。所有因素的一次項、糖液濃度與溫度的交互項、溫度與時間的交互項、時間的二次項對失水率的影響極顯著(p<0.01),糖液濃度與時間的交互項、濃度的二次項對失水率的影響顯著(p<0.05),而溫度的二次項對失水率的影響不顯著(p>0.05)。各因素對失水率影響程度的大小依次為:時間>溫度>糖液濃度。

糖液濃度、滲透溫度和時間對失水率影響的響應面圖和等高線圖見圖1。由圖1-A可知,失水率隨糖液濃度的增加而增加,失水率隨溫度的升高而增加;當糖液濃度和溫度同時增加時,番木瓜條的脫水效果更顯著,表明二者的交互作用促進了滲透脫水。由圖1-B可知,失水率隨著糖液濃度的增加和時間的延長而增加。高濃度糖液比低濃度糖液的脫水速率快,所需時間短。糖液濃度和時間的交互作用對滲透脫水有促進作用。由圖1-C可知,失水率隨著溫度的升高和時間的延長而增加,溫度較高時滲透脫水所需的時間較短。溫度和時間的交互作用對滲透脫水有促進作用。

2.2 固形物增加率的影響因素分析

由表2可知,番木瓜滲透脫水的固形物增加率最大值為15.97%,最小值為6.46%。建立固形物增加率與各因素的關系式,得到固形物增加率的二次多項式回歸方程為Y2=10.86-2.22x1+1.81x2+1.86x3-0.57x1x2-0.79x1x3-0.062x2x3-0.20x12-0.014x22-0.43x32。由表3可知,根據(jù)方差分析,失水率二次回歸模型極顯著(p<0.01),而失擬項不顯著(p>0.05),說明擬合程度很好(R2=0.951 9)。所有因素的一次項對固形物增加率的影響極顯著(p<0.01),其他項則影響不顯著(p>0.05)。各因素對固形物增加率影響程度的大小依次為:糖液濃度>時間>溫度。

糖液濃度、滲透溫度和時間對固形物增加率影響的響應面圖和等高線圖見圖2。由圖2可知,固形物增加率隨糖液濃度的增加而降低;固形物增加率隨著滲透液溫度的升高而加快;固形物增加率隨著溫度和時間的增加而增加。

2.3 番木瓜滲透脫水條件的優(yōu)化

番木瓜經過滲透脫水后,還需采用干燥技術進行后續(xù)脫水,所以希望滲透脫水過程能得到較高的失水率和較低的固形物增加率。將失水率和固形物增加率方程中的差異不顯著項剔除,并將規(guī)范變量回代后,得到失水率和固形物增加率的方程分別為:

WL=-43.047+1.412A-0.087B+3.195C+0.012AB +0.049AC+0.055BC-0.015A2-0.378C2(R2=0.999 0)

SG=6.475-0.090A+0.121B+1.942C-0.026AC (R2=0.931 6)

以失水率最大和固形物增加率最小為目標,運用Design-Expert軟件對試驗結果進行多目標優(yōu)化分析,得到番木瓜滲透脫水的最優(yōu)工藝條件為:糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、滲透時間7.33 h。在此條件下,番木瓜失水率和固形物增加率的預測值分別為66.4%和10.1%,而試驗驗證值為67.1%和9.86%,說明優(yōu)化得到的番木瓜滲透脫水工藝條件是可行的,效果較好。

3 討論與結論

本研究結果中失水率隨糖液濃度的增加而增加,失水率隨溫度的升高而增加,可能因為糖液濃度增大時,番木瓜組織細胞和滲透液之間的壓力梯度越大,促進番木瓜的脫水;隨著溫度的升高,滲透液的黏度下降,降低了番木瓜表面?zhèn)髻|的外部阻力,使水更容易穿過細胞膜而流出[9]。

本研究結果中固形物增加率隨糖液濃度的增加而降低,這可能是由于在滲透脫水中,番木瓜表面形成的溶質層阻礙了溶質的擴散。此外,高濃度的糖溶液具有較高的黏度,會形成較大的傳質阻力。研究表明,糖液濃度對番石榴[9]、甜瓜[10]和芒果[11]等果實滲透脫水的固形物增加率也有負影響,即糖液濃度的增加會導致固形物增加率的下降。本研究結果中固形物增加率隨著滲透液溫度的升高而加快,可能是因為較高的溫度會破壞膜的滲透性,引起通透性增大,以及溫度的升高會導致滲透液黏度的下降,降低外部的傳質阻力,使溶質的傳遞更加容易[12]。滲透脫水的時間對固形物增加率有促進作用。固形物增加率隨著溫度和時間的增加而增加,還可能因為滲透脫水期間的攪拌,降低了番木瓜表面和滲透液之間的傳質阻力[13]。

本研究以失水率最大和固形物增加率最小為目標,采用響應面法優(yōu)化番木瓜滲透脫水工藝參數(shù)。方差分析表明,糖液濃度、溫度和時間對滲透脫水過程的影響都是極顯著的(p<0.01)。建立了二階多項式回歸方程用于預測番木瓜失水率和固形物增加率。通過多目標優(yōu)化分析,得到番木瓜滲透脫水的最優(yōu)工藝條件為:糖液濃度60%、溫度52.95 ℃、滲透時間7.33 h。

參考文獻

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