荸荠脆片的工艺优化研究

张 梅，黎光会，肖家丽，蔡永梅，张红霞

（安顺学院化学化工学院，贵州安顺 561000）

荸荠（Eleocharis dulcis），是莎草科（Cyperaceae） 莎草属（Eleocharis R.Br） 植物，又称蹄、栗、乌芋。荸荠可食用部分为其地下球茎，有“地下雪梨”的美誉。研究表明，荸荠中含有丰富的蛋白质、粗纤维、维C、胡萝卜素及钙、磷、铁等元素[1-3]，荸荠球茎中含有黄酮、多糖、多酚、甾醇等多种活性成分，有润肺化痰、增强免疫功能、抗病消炎的功效，还可提高机体消化功能、增强食欲。荸荠的食用方法多样，既可直接削皮生食，也可以加热煮熟后食用，还可以用来炖汤调味。荸荠可加工成多种产品，一般可加工成削皮清水马蹄、糖荸荠、荸荠糖、荸荠脯、荸荠粉等产品，还可以用于加工成风味不同的荸荠饼、荸荠糕、威化马蹄件、马蹄香球、鲜奶马蹄盏、马蹄露、蜜汁荸荠、冰镇糖汁荸荠、雪花荸荠、酸辣荸荠等产品[4]。国内有关荸荠加工食品的研究报告较多，主要涉及马蹄糕、清水马蹄罐头、荸荠饮料及荸荠山楂复合饮料等。在荸荠果皮中发现一种不耐热的抑菌物质——荸荠英，此外还含有水溶性棕色素和膳食纤维，对荸荠加工副产物可以进一步提高其利用价值[5]。

荸荠淀粉含量较高，其淀粉颗粒易于糊化，有极强的黏性和抗冻能力。研究表明，荸荠粉具有较好的凝胶特性，比较不同的加工方式及不同的贮藏方式对荸荠粉的凝胶性和消化性的影响，室温贮藏和冷藏使荸荠淀粉凝胶的内聚性增加，而冻藏会使淀粉凝胶弹性明显降低[6-7]。荸荠经热处理后还能够保持很好的脆性、硬度等质构特性[8]。

荸荠采收具有季节性，由于水分含量高，不易贮藏，因此开展荸荠加工技术研究能够提升荸荠的经济价值。有研究用微波膨化技术加工荸荠鲜果切片得到荸荠脆片[9]，但存在切片大小不一致，可能影响膨化效果的问题。对脆片加工方式还有油炸和烘焙，油炸方式存在热量过高及油料重复使用的安全性问题，而烘焙型荸荠脆片的研究较少。以荸荠粉为原料，采用烘焙加工方法制成荸荠脆片，以加工后的脆片水分活度为考量，在考查单因素影响的基础上，通过响应曲面法优化荸荠脆片的工艺条件，筛选出最佳工艺条件，为荸荠的加工技术提供参考[10-12]。

1 材料与方法

1.1 材料

荸荠粉，广州市洲星食品有限公司提供。将颗粒状的荸荠粉碾磨成细粉，过40 目筛后室温密封保存备用。

1.2 仪器与设备

GYY1 冠亚活度仪（水分测定仪），深圳市冠亚技术科技有限公司产品；智能型电热恒温鼓风干燥箱，上海琅玕实验设备有限公司产品；AR224CN 型电子天平、烘烤箱等，奥豪斯仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 加工工艺流程

荸荠粉→粉碎过筛→称量→加水混合→搅拌均匀→倒入烘焙模具→烘烤成型→冷却。

1.3.2 荸荠脆片工艺优化单因素试验

准确称取9 g 荸荠淀粉5 份，按照表1 的料液比与水混合，进行单因素试验。通过考查料液比、烘焙时间、烘焙温度对荸荠脆片水分活度的影响，以获得制备工艺参数的优选范围。

表1 试验因素水平

试验因素水平见表1。

1.3.3 响应面试验

在单因素试验基础上，以料液比、烘焙温度、烘焙时间为自变量，根据Box-behnken 试验设计原理，采用三因素三水平的响应面分析法来模拟荸荠脆片的工艺优化的最佳参数。

响应面试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面试验因素与水平设计

1.4 数据分析处理

单因素试验数据采用Microsoft Office Excel 2016作图。响应面优化试验数据采用Design Expert V8.0进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.2.1 不同料液比对荸荠脆片水分活度的影响

不同料液比对荸荠水分活度的影响见图1。

图1 不同料液比对荸荠水分活度的影响

由图1 可知，随着水分的增加，脆片水分活度也随之升高，料液比达到1∶1.25 时，水分活度值达最高；当料液比为1∶3.00 时，脆片的水分活度值已经降低。其原因可能荸荠粉与水混合加热后发生糊化，黏稠性增强，水分子与淀粉分子发生交联，在一定湿热条件下也能够稳定淀粉分子的结构，最终形成具有一定含水量的凝胶。当水的比例增加后，所形成的凝胶黏稠性较差，在湿热处理条件下，淀粉分子发生断裂，导致淀粉中小分子成分增加，从而降低了与水分子间的作用，所得产品的水分活度值较低。

2.2.2 不同烘焙温度对荸荠脆片水分活度的影响

不同烘焙温度对荸荠脆片水分活度的影响见图2。

图2 不同烘焙温度对荸荠脆片水分活度的影响

由图2 可知，相同的料液比条件下，随着温度的升高，荸荠脆片的水分活度也在逐渐升高，当烘焙温度达到55 ℃时，水分活度最高，温度高于55 ℃后，水分活度值开始降低。结果说明适当的温度能够促进荸荠淀粉凝胶中淀粉分子与水分子的相互作用，形成比较稳定的胶体；当温度过高时，这种稳定胶体中的水分子就会失去，形成含水量低的产品，得到的脆片硬度也相应增大。

2.2.3 不同烘焙时间对荸荠脆片水分活度的影响

不同烘焙时间对荸荠脆片水分活度的影响见图3。

图3 不同烘焙时间对荸荠脆片水分活度的影响

由图3 可知，当烘焙时间为12～22 min 时，随着烘焙时间的增加，水分活度也相应增高，在烘焙时间达到22 min 时，水分活度值达最高，随着烘焙时间的增加，水分活度值开始降低。说明在一定湿热条件下，加热时间的延长，有利于水分子与淀粉分子的相互作用，从而增加荸荠脆片的水分活度，随着加热时间的延长，这种稳定的凝胶结构中水分子会丢失，表现为脆片的水分活度值下降，导致脆片硬度增大。

2.3 响应面优化加工工艺

2.3.1 响应面优化试验设计与结果

在单因素试验的基础上，根据Design Expert 试验设计原理，找到优化荸荠脆片的最佳加工工艺条件，以水分活度（Y） 为响应面值、料液比为（A）、烘焙温度为（B）、烘焙时间为（C） 3 个对荸荠脆片品质有影响的因素进行响应面优化试验。

响应面试验设计及结果见表4，回归方程方差分析见表5，回归方程可靠性分析见表6。

表4 响应面试验设计及结果

表5 回归方程方差分析

表6 回归方程可靠性分析

利用Design Expert 8.06 软件对表4 数据进行二次回归分析，建立如下多元二次回归方程：

Y=59.04+2.03A-2.97B-7.10C+5.42AB-5.63AC-1.38BC-8.28A2-4.98B2-3.88C2.

由表5 和表6 可知，该回归模型的p=0.003 2＜0.01，达到极显著，说明该模型具有统计学意义。失拟项的p 值为0.238 7＞0.05，为不显著，模型的决定系数R2=0.927 2，说明模型的拟合度较好，表明该回归模型能与实测值进行较好拟合，可以用此模型来分析和预测荸荠脆片的水分活度值。校正系数R2Adj=0.833 6，说明与脆片水分活度有关的因素中，由此模型解释的可达到83%。回归方程中一次项C和二次项A2对脆片水分活度值的影响达极显著水平，交互项AB 和AC 对脆片水分活度值有显著影响，3 个因素对脆片水分活度值的影响顺序为C＞B＞A。

各因素交互作用对脆片水分活度的影响见图4。

图4 各因素交互作用对脆片水分活度的影响

经Design Expert V8.0 软件分析，得到各因素交互作用对脆片水分活动值影响的响应面图（图4）。为考查3 个因素交互作用对水分活度的影响，在其他因素条件不变的条件下，对模型进行降维分析[13]（见图4 中的等高线图）。由图4（a） 可知，在烘焙温度一定的条件下，随着料液比的增大，脆片水分活度值呈先增大后减小的趋势，从等高线图可知，沿烘焙温度方向的等高线密集，说明烘焙温度对脆片水分活度值的影响比料液比的大，等高线是椭圆形，说明2 个因素的交互作用显著。由图4（b） 可知，在料液比一定的条件下，随着烘焙时间的延长，水分活度值降低变化明显，等高线图呈椭圆形，说明这2 个因素的交互作用显著。由图4（c） 可知，在烘焙时间一定的条件下，随烘焙温度升高，水分活度值变化不明显，且从等高线图可知这2 个因素的交互作用不显著。在交互项对水分活度的影响中，烘焙时间（C） 极显著，影响作用明显，料液比与烘焙时间及烘焙温度（AB、AC） 之间交互影响作用明显，与分析方差结果一致。

2.3.2 最佳条件预测及验证

通过回归模型的预测，得到荸荠脆片制作工艺的最佳理论条件为料液比1∶2.5，烘焙温度53 ℃，烘焙时间17 min，在此条件下预测荸荠脆片水分活度值为0.631。结合实际制备条件，进行5 次平行试验，实际测得荸荠脆片水分活度为0.591，与理论预测值0.631 比较相差0.04，说明使用该模型拟合的最佳工艺条件对实际生产加工具有指导意义。

3 结论

淀粉经糊化、老化后形成凝胶，在相同质量分数时，不同淀粉所得凝胶形态会有所不同[14]。以荸荠粉为原料，以水分活度值作为评定指标，在单因素试验的基础上，通过Design Expert V8.0 试验设计进行响应面试验。将响应面试验运用到荸荠脆片水分活度测定中，进行最佳加工工艺条件的优化，经试验结果表明，最后确定最佳加工工艺条件为料液比1∶2.5，烘焙温度53 ℃，烘焙时间为17 min。在此条件下水分活度为0.631，理论最低值为0.599。与理论预测值相差较小，说明可以运用到实际生产中。经试验证明，通过烘烤的加工工艺方式对荸荠脆片进行工艺优化，是纯天然零添加的加工方法，能够很好的保持荸荠原有的营养成分，且感官性状与质构状态良好，是一款松脆可口、低热量、高纤维的新型休闲食品。