发酵的甜菜根可以渗透脱水，然后干燥，制成一种营养丰富的小吃，称为发酵甜菜片。为了保证最佳的产品质量，有必要确定渗透脱水的最佳参数。因此，本研究旨在确定脉冲真空渗透脱水(PVOD)发酵甜菜根片的最佳工艺参数。采用响应面法(RSM)对PVOD工艺进行优化，提高工艺效率。实验参数考虑:(T)加工温度(20 < T < 40°C)， (SC)糖浓度(40 < SC < 60%)， (VT)真空浸渍时间(10 < VT < 50 min)， (ST)切片厚度(2 < ST < 6 mm)。从甜菜根组织的硬度、热饱和度、红度、a*T、失水、WL、固重、SG和渗透溶液(干物质含量、DMS、红度、a*S)两方面对PVOD进行优化。在T=20°C, SC=60%， VT=10 min, ST=6 mm和T=40°C, SC=60%， VT=50 min, ST=2 mm条件下，甜菜根组织的最佳品质(HT=202.0 N, a*T=11.8, WL=55.5%， SG=7.1%)和渗透溶液(DMS=57.3%， a*S=38.9)。与PVOD前相比，最佳工艺条件下获得的甜菜组织的水分含量(MCF)为2.58±0.21 kg H2O/kg DM，总多酚含量(TPC)为4.64±0.37 mg GA/g DM，铁还原抗氧化能力(FRAP)为2.2±0.2 mg TE/g DM，密度(ρT)为1125±10 kg/m3，总颜色变化(ΔE*)为4.29±0.24。甜菜根表面结构的二维和三维图像可以观察到结构的坍塌和PVOD后材料上半透明涂层(很可能是糖溶液)的外观。
甜菜根(Beta vulgaris L.)是藜科的二年生植物。甜菜根的可食用部分是球形或圆柱形的根，根据甜菜的品种，颜色为红紫色、金黄色或红白色(Chhikara et al.， 2019)。甜菜根的特点是抗氧化能力高，主要归因于大量的着色剂(甜菜碱)(Kerr & Varner, 2020)。此外，甜菜根还含有叶酸、维生素C和B族维生素(Carrillo等人，2019)。由于甜菜根可以提高免疫力，降低血压，防止衰老或癌症的发生，因此应该将甜菜根纳入人类饮食中(Clifford et al.， 2015)。
大多数情况下，甜菜根可以新鲜食用或煮熟食用，但它们也可以用于加工业，用于乳酸发酵，以生产甜菜根酵(Chhikara等人，2019)。虽然酵母是甜菜根乳酸发酵的最终产物，但发酵后的组织通常被认为是废物。尽管如此，该产品仍然具有很高的营养价值，发酵甜菜根可以预防和治疗代谢紊乱、心血管疾病、改善认知、增强免疫力等(Sivamaruthi et al.， 2018)。利用发酵甜菜根的一个有趣的想法似乎是生产发酵甜菜根片。干甜菜根薯片是一种不错的零食，是油炸薯片的理想替代品。适当选择的热源、方法和工艺参数可能会对干燥时间产生重大影响，从而影响所获得的干燥薯片的特性和营养价值(Kudra & Mujumdar, 2009)。
为了部分减少物料中的初始水量，从而缩短干燥时间，同时保持产品的健康特性，可以使用渗透脱水等非热预处理方法(Pan等，2003年)。渗透脱水可以在常压(OD)下进行，也可以在过程开始时使用短时间的脉冲真空(PVOD)进行(James et al.， 2014)。在PVOD过程中，发生了水动力机制(HDM)和变形松弛现象(DRP)。由于HDM和DRP，与OD相比，PVOD开始时的失水和固体增益更高(Correa et al.， 2010)。在PVOD中，最重要的变量是温度、渗透溶液浓度、真空浸渍时间和工艺时间(Ito et al.， 2007)。然而，真空脉冲期间的传质强度会受到材料生物特性的显著影响(Correa et al.， 2010)。PVOD技术已应用于新鲜甜菜根、胡萝卜、茄子、苹果、蔓越莓、草莓、芒果、香蕉和无花果的脱水(Cheng et al.， 2014;de Jesus Junqueira等人，2018;Huerta-Vera et al.， 2017;Ito et al.， 2007;Liu et al.， 2020;Macedo等人，2021;Sahin & Ozturk, 2016;Wang et al.， 2022)。研究发现，在干燥前应用PVOD增加了有效水分扩散率，从而缩短了干燥时间，减少了干燥无花果的收缩率(Sahin & Ozturk, 2016)。然而，真空对渗透脱水传质参数和脱水物料性能的影响与食品微观结构密切相关(Derossi et al.， 2012)。例如，新鲜甜菜根被发现比胡萝卜或茄子对PVOD的影响不那么敏感，因为它们的多孔性更小，结构更紧凑(de Jesus Junqueira等人，2018)。此外，发酵是可以显著影响材料结构的处理方法之一。在食用橄榄的情况下，发酵引起皮肤角质层的降解，这促进了多酚从组织释放到盐水中(Servili et al.， 2008)。
PVOD过程中HDM和DRP相关的传质强度与食物的三维微观结构和固体基体的力学性能密切相关(Derossi et al.， 2012)。为了更好地了解发酵甜菜根的特性和潜在的健康益处，有必要对发酵甜菜根的PVOD进行优化研究。因此，本研究的目的是确定在脱水组织和渗透溶液条件下发酵甜菜根的最佳PVOD参数。采用响应面法(RSM)对PVOD工艺进行优化，提高工艺效率。本研究的具体目的是:(1)研究PVOD参数(温度、渗透液中糖浓度、真空浸渍时间和切片厚度)对渗透液传质参数、甜菜组织红度和硬度、干物质含量和红度的影响;(ii)将实验数据与数学模型拟合;(iii)寻找最佳的PVOD参数;(iv)验证估计的模型，即将预测的模型输出与实测输出进行比较;(v)表征PVOD产品(组织和溶液)的性能。
新鲜的甜菜根从当地超市(波兰Olsztyn)获得。新鲜甜菜根的初始水分含量估计为6.29±0.60 kg H2O/kg DM (AOAC, 1990)。成熟的蔬菜没有任何疾病，在新鲜度和大小上都相当。乳酸发酵前，用自来水清洗，切成2毫米、4毫米和6毫米的薄片。
甜菜根片(5公斤)和其他香料:胡椒(2.5克)、多香果(5.0克)、月桂叶(4.5克)和蒜瓣(125克)一起放在玻璃罐中。然后，用1.8%的NaCl水溶液倒入罐子里的内容物。料液比为1:1 .2。甜菜根在20°C下发酵9天。发酵甜菜根的水分含量估计为12.45±0.59 kg H2O/kg DM (AOAC, 1990)。发酵后，将甜菜根切片放在单层的绳袋中，使单个切片不相互接触。然后，将材料冷冻在- 18°C (LIEBHERR GT 4932 Comfort, Bischofshofen, Austria)并保存以供进一步处理。
实验条件根据Box-Behnken设计确定。自变量为:温度(T)、渗透溶液中糖浓度(SC)、真空浸渍时间(VT)和切片厚度(ST)。在渗透脱水情况下，甜菜根组织的因变量为:硬度(HT)、红度(a*T)、失水(WL)和固重(SG)。在渗透溶液条件下，以干物质含量(DMS)和红度(a*S)为因变量。采用由30个实验组成的矩阵对材料和溶液的最佳PVOD参数进行了评价。该矩阵在中心点包括6个副本，以帮助控制可变性并确保PVOD结果的可靠性。完整的实验设计见表1。
为了分析自变量与因变量之间的关系，采用二阶多项式方程(Eq. 1)对各因变量的实验数据进行拟合:
（1）式中，Y为响应变量，x为编码变量，下标i ~ n;A0表示模型常数;Ai是线性项的系数;Aii是二次项的系数;Aij是相互作用项的系数。
冷冻发酵的甜菜根在室温下保存大约。24 h解冻后再进行脱水处理。发酵甜菜根(解冻后)的水分含量估计为11.79±0.41 kg H2O/kg DM (AOAC, 1990)。在真空干燥箱(DZ ZBC II, Chemland, Stargard Szczecinski，波兰)中，在不同条件下进行PVOD，即温度(20、30和40℃)，渗透溶液中糖浓度(40、50和60%)，真空浸渍时间(10、30和50 min)，切片厚度(2、4和6 mm)。物料和渗透溶液先真空10 ~ 50 min，然后在常压下脱水180 min。PVOD过程中料液比设为1:4。渗透溶液中NaCl含量为5%。PVOD实验分三次进行。
测定了PVOD前后甜菜根的重量和水分含量。体重测量精度为±0.001 (PS 210)。R2, RADWAG，比亚韦斯托克，波兰)。水分含量采用真空干燥箱(DZ ZBC II, Chemland, Stargard Szczecinski，波兰)，根据标准(AOAC, 1990)进行重量测定。干燥室内空气温度设定为70℃，加热时间为24 h。根据文献(El-Aouar et al.， 2006)给出的公式计算失水(WL)和固重(SG)。
用干燥箱(FED53 127, Binder, Bohemia, USA)重量法测定溶液的干物质含量(DMS)。溶液(约5 g)在105°C下干燥24小时。DMS根据文献中的公式计算(Khajehei et al.， 2015)。测量分6个重复进行。
纹理轮廓分析(TPA)使用纹理分析仪(TA-HD plus, Stable Micro Systems, Godalming, UK)进行。压缩间隔时间为1 s，相对变形为50%，活塞速度为2mm /s。使用MATLAB软件(R2019a, MathWorks, Natick, USA)计算甜菜根样品的力学性能。硬度(H)、内聚性(C)、弹性(Sp)、胶性(G)、咀嚼性(Ch)等性能均由力-变形曲线获得(Zielinska et al.， 2015)。每个样品进行15次重复分析。
甜菜根组织和溶液颜色测量使用分光光度计(3Color 9000Neo, TRI-COLOR, Narama，波兰)在反射模式下，在标准D65照明下，10°观察者，18mm光圈下进行。结果用CIEL*a*b*空格表示。指数-ΔE *(总色差)、ΔC*(总饱和度差)和ΔH*(总色差)根据文献(Zielinska & Markowski, 2012)给出的公式计算。甜菜根组织和渗透溶液的测量结果分别为30次和6次。
以去矿化水为参比，用比重法测定渗透溶液的密度。甜菜根组织的密度是通过流体静力法测定的，即在空气和去矿化水中称重。体重测量精度为±0.001 (PS 210)。R2, RADWAG，比亚韦斯托克，波兰)。在室温(20±1°C)下分别进行3次和5次渗透溶液和甜菜根组织的密度测量。
采用旋转式流变仪(Rheotest 2.1, VEB MLW, Medingen, Germany)测定渗透溶液的动态粘度(η)。根据在0.03 ~ 1300 1/s剪切速率范围内测量的切向应力值，绘制了流动曲线。流变仪的测量室被热循环水套包围，这有助于保持所需的测量温度(t=20°C)。测量一式三次。
采用质构分析仪(TA)进行应力松弛试验，评价发酵甜菜根组织的流变特性。HD plus, Stable Micro Systems Ltd, Godalming, UK)。试验设置的应变和持续时间分别为20%和60 s。实验采用直径12.5 mm，厚度6 mm的切片。利用Excel Solver作为工具(MS Excel, Microsoft, Washington, USA)，基于应力松弛曲线在时域上估计三元Maxwell模型(Eq. 2)的参数:
（2）式中σ为应力[Pa];ε0为初始变形[-];E为刚度模量[Pa];T是时间[s];τR为松弛时间[s]。
随后，计算刚度模量(ΣE，即E0、E1、E2和E3的和)和平均松弛时间(τRM，即τR1、τR2和τR3的平均值)。测量分12次重复进行。
采用数字图像显微镜，分别在× 20、× 100、× 500倍率下，采集甜菜根组织在PVOD处理前后的二维、三维表面图像。使用专用软件(Keynes VHX 7000, Mechelen, Belgium)的数码显微镜获得图像，并使用全照度系统以4 k分辨率捕获图像。
生物活性化合物从粉末状干燥样品中提取(大约。0.05 g)，用1ml酸化的80%甲醇(0.1% HCl: v/v)超声(VC 750, Sonics & Materials, Newtown, CT, USA) 30 s。文献中详细描述了提取过程(Zielinska & Zielinska, 2019)。提取分三次进行。
根据Zielinska和Zielinska (Zielinska & Zielinska, 2019)描述的程序测定总酚含量(TPC)和铁还原抗氧化能力(FRAP)。TPC和FRAP值分别以每g干物质(g DM)中没食子酸(mg GA)和Trolox (mg TE)当量mg表示。所有测量均为三份。
使用STATISTICA 13.0软件(TIBCO software Inc.， Palo Alto, CA, USA)进行统计分析。采用回归分析和方差分析(ANOVA)对Eq. 1所表示的模型进行拟合，并检验模型条件的统计显著性。只有显著的模型条件被纳入最终版本(p < 0.05)。为了评估模型与实验数据的拟合质量，我们使用了两个指标，即决定系数(R2)和近似的百分比全局相对平方误差(GRSE)。GRSE的最小值(最接近于零)和R2的最大值(> 0.90)表示模型与实验数据的拟合最佳(Staniszewska et al.， 2022)。使用Pearson相关系数检验分析自变量和因变量之间的相关性(r)。
使用STATISTICA 13.0软件(TIBCO software Inc.， Palo Alto, CA, USA)对PVOD进行优化。优化的目的是确定4个因素(温度、渗透液中糖浓度、真空浸渍时间和切片厚度)的适宜水平，使脱水甜菜根组织的a*S和WL最高，HT和SG最低，渗透液的a*S和DMS最高。
为了验证预测的工艺条件，利用优化后的工艺条件进行了实验，并将模型预测值与实验实际值进行了比较。用相对误差(RE)对实验值和预测值进行比较。RE根据文献给出的公式计算(Gao et al.， 2006)。
摘要
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结果与讨论
结论
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实验设计，包括四个自变量的水平和每种组合的实际反应，见表1。甜菜根组织的硬度(HT)、红度(a*T)、失水(WL)、固重(SG)和最终含水率(MCF)的变化范围分别为212 ~ 549 N、8.4 ~ 16.6、34.5 ~ 65.4%、6.2 ~ 23.1%和1.42±0.21 ~ 2.74±0.30 kg H2O/kg DM。渗透溶液干物质含量(DMS)和红度(a*S)的实验响应范围分别为38.1 ~ 58.3%和30.2 ~ 44.0(表1)。根据实验数据拟合二阶多项式方程(Eq. 1)。表2给出了全部模型参数的值，以及各估计回归系数的t值和p值。
较高的决定系数(0.97 > R2 > 0.72)表明所得到的二次模型很好地描述了自变量对分析响应的影响。然而，方差分析(ANOVA)和计算的p值表明，并非所有模型项都显著。因此，相对于分析的因变量，模型的完整形式被非显著系数减少(p > 0.05)。同时采用R2和GRSE评价缩短时间。因变量简化模型如下:
(3) (4) (5) (6) (7) (8)简化模型的R2和GRSE值分别在0.75 ~ 0.98和2.5 ~ 18.1之间变化(公式3 ~ 8)。结果表明，实际值与预测值之间具有良好的相关性(0.98 > r > 0.79)(图1)。可以注意到，特别是在SG和a*S的情况下，模型的简化可以获得更高的拟合系数。
a - HT、b - a*T、c - WL、d - SG、e - DMS、f - a*S预测值与实验值的拟合线图关系符号:H、硬度、N;A *，红色，-;WL:失水，%;SG，糖增益，%;DM，干物质含量，%。下标:T，甜菜根组织;S，渗透溶液
因变量与工艺参数之间的相关性最高，即DMS与SC (r=0.97)， HT与ST (r=- 0.81)， WL与SC (r=0.79)， a*S与ST (r=- 0.64)， a*T与ST (r=- 0.62)和SG与ST (r=- 0.61)。这些相关性反映在回归系数的显著性上。发现与自变量最相关的因变量的模型的回归系数是最显著的或最显著的(p=0.001)(表2)。
通过简化模型预测的变量的响应面图如图2所示。可以看出，切片厚度(ST)是影响最大的工艺条件，在所有研究的输出变量中都是一个显著的因素。
响应面图如下:高温与温度和温度的关系;b a*T相对于VT和ST;c与ST和SC有关的WL;d相对于T和ST的SG;e DMS与ST和SC的关系，fa *S与ST和SC的关系。其他因素的条件保持其中心值不变，即T在30℃，SC在50%，VT在30 min, ST在4 mm。符号:T，加工温度，℃;SC，渗透溶液中糖浓度，%;VT:真空浸渍时间，最小;ST，切片厚度，mm;H，硬度，N;A *，红色，-;WL:失水，%;SG，糖增益，%;DM，干物质含量，%。下标:T，甜菜根组织;S，渗透溶液
组织硬度
PVOD后甜菜根组织硬度(HT)的模型值在202 ~ 463 N之间变化(图2a)。观察到切片厚度(ST)对HT的线性负显著影响(表2)，线性回归系数值为- 110.79 (Eq. 3)。这表明组织硬度随着切片厚度的减小而增加(图2a)。这可能与PVOD过程中切片厚度(ST)对固体增益(SG)的显著线性负影响有关(公式6)。较薄样品中的干物质含量可能导致其硬度直接增加(Zhao et al.， 2014)。
在二次元水平上，影响HT的最显著工艺参数是渗透溶液的糖浓度(SC)(表2)。与该自变量相关的二次回归系数值为-39.57 (Eq. 3)。
组织发红
PVOD后，甜菜根组织的预测红度(a*T)在9.6到16.5之间变化(图2b)。由表2可知，工艺温度(T)是唯一对a*T值没有显著影响(p < 0.05)的工艺变量。根据简化模型的线性回归系数，可以看出，薄片厚度(ST)(- 1.94)、真空时间(VT)(- 1.27)和固体浓度(SC)(- 0.76)对甜菜根的红度有最显著的负面影响(公式4)。水溶性甜菜素在溶液中的扩散系数较低，可能导致较低固体浓度下红色色素的保留率较高(de Jesus Junqueira etal .， 2018)。
betalins是一种水溶性色素，在许多植物中负责红色，与其他色素相比，betalins在水中的扩散系数也较低。因此，在较低的固体浓度下，甜菜素在溶液中的扩散速度较慢，导致植物组织中红色色素的保留率较高。
然而，真空时间(VT)和切片厚度(ST)也是二次元水平上的显著参数，其作用与线性项相反(表2)。这表明，只有糖浓度(SC)对甜菜组织红度的影响可以明确地解释为线性和负向，而其他显著变量的影响更为复杂，解释不明显。
组织失水
PVOD期间的预测失水(WL)从33.6到64.8%(图2c)。线性回归系数最显著的是糖浓度(SC)，其值为10.04(表2,Eq. 5)。在简化模型中，二次水平的薄片厚度(ST)是唯一显著的回归系数，其值为-5.87 (Eq. 5)。结果表明，随着糖浓度(SC)的增加，水分损失(WL)的性质逐渐增加，固体浓度(ST)为4 mm时(每个SC)的水分损失最高。
组织固体增益
简化模型预测的固体增益(SG)值范围为7.0 ~ 21.7%(图2d)。研究发现，切片厚度(ST)对甜菜根组织的固体增益具有最显著的负线性影响(- 4.37)(公式6)。这可能是由于在PVOD过程中，糖通过渗透作用渗透到较深层的部分较少。研究结果与速溶姜糖的数据一致(Nath et al.， 2013)。二次水平上的薄片厚度(ST)对甜菜根组织的固体增重(SG)也有显著影响(表2)，SG的平方回归系数为2.66 (Eq. 6)。加工温度(T)对固体增重(SG)呈线性正影响(2.35)(Eq. 6)。文献中描述了马铃薯和苹果渗透脱水过程中温度(T)对固体增重(SG)的类似影响(Eren & kaymake - ertekin, 2007;Sereno et al.， 2001)。
干物质公司溶液含量
预测的渗透溶液(DMS)干物质含量范围为38.8% ~ 57.3%(图2e)。溶液浓度(SC)对DMS具有显著的线性效应，而切片厚度(ST)对DMS具有显著的二次正效应(表2,Eq. 7)。切片厚度(ST)对水分损失程度(DMS)的二次正效应可能与切片厚度对水分损失(WL)具有显著的负二次效应(Eq. 5)密切相关。因此，在PVOD期间，切片厚度为4 mm的样品表现出最高的水分损失(WL)。导致渗透溶液中干物质含量的百分比较低(图2c, e)。
溶液发红
模拟的渗透溶液的红度(a*S)范围为31.5 ~ 42.9(图2f)。值得注意的是，在相同的温度(T)和真空时间(VT)以及不同的固体浓度(SC)和层厚(ST)下，预测出a*S的最低值和最高值。这可以归因于SC和ST对a*S的显著影响，其中SC具有线性负面影响，而ST具有线性负面影响和二次积极影响(表2,Eq. 8)。
最佳PVOD工艺参数仅在选定的实验范围内有效，即温度为20-40°C, SC为40-60%，VT为10-50 min, st为2-6 mm，以HT和SG最小，a*T和WL最大为标准优化甜菜根组织PVOD。最佳温度为20℃，SC=60%， VT=10 min, SC=6 mm。最适条件下的预测HT、a*T、WL和SG值分别为202 N、11.8%、55.5%和7.1%。DMS和a*S的最大化是优化渗透溶液PVOD的标准。在这种情况下，最佳工艺参数为:T=40℃，SC=60%， VT=50 min, ST=2 mm。通过该方法确定的最佳工艺参数，预测DMS和a*S值分别为57.3%和38.9。
利用甜菜根组织特性优化方法确定的最佳PVOD参数，即T=20°C, SC=60%， VT=10 min, ST=6 mm，对模型进行验证。根据回归模型，在上述条件下，HT、a*T、WL、SG、DMS和a*S的预测值分别为202 N、11.8、55.5%、7.1%、57.3%和31.5(表3)。从相对误差(RE)来看，表3认为输出变量的值是令人满意的，相对误差范围为1 ~ 3%。
在最佳发酵条件下对甜菜根切片进行PVOD处理，可使甜菜根组织含水量降低78%，即从11.79±0.41 kg H2O/kg DM降至2.58±0.21 kg H2O/kg DM，在PVOD处理期间，甜菜根组织TPC和FRAP分别降低48%和83%。与此同时，渗透溶液中的TPC和FRAP增加，分别达到49.2±9.6 mg GA/g DM和204±12 mg TE/g DM(表4)。PVOD过程中甜菜根组织中酚类化合物减少的主要机制是水扩散。可以这样说，水溶性酚可以通过水流从植物材料中浸出到周围的渗透溶液中(Nicetin et al.， 2022)。
与甜菜根组织相比，PVOD对渗透溶液的颜色参数(L*、a*、b*)和颜色指数(ΔE*、ΔC*、ΔH*)的影响更为显著(表4)。这可能是由于甜菜根组织的天然色素甜菜素等其他水溶性化合物的浸出(de Jesus Junqueira etal .， 2018)。由于脱水前溶液的颜色是透明的，所以加入这些化合物会引起颜色的显著变化。
PVOD对甜菜根组织的力学和流变特性也有显著影响(表4)。在加工过程中，材料的硬度从333±15 n下降到197±15 n，这些结果与文献数据一致(Pei et al.， 2023)。其他力学性能，如黏结性、咀嚼性、胶性和弹性也在加工过程中增加(表4)。甜菜根组织流变参数ΣE和τRM的平均值表明，组织在渗透脱水后硬度和弹性降低，更容易发生应力松弛(表4)。
在PVOD期间，甜菜根组织密度增加了9%，而渗透溶液密度下降了4%。这是由于水分从材料扩散到溶液和固体(糖)从溶液进入材料。此外，由于渗透溶液的稀释，渗透溶液的动态粘度从135±1降低到35±1 mPa·s，降低了75%(表4)。
PVOD对甜菜根组织表面结构的影响如图3所示。在每个给定的放大倍数下，可以在样品的3D图像中发现样品的最大相对高度(检测区域中最高点和最低点之间的差异)的显著变化。例如，PVOD前甜菜根组织的最大相对高度为938 μm(图3a，放大倍数为× 20)，而PVOD后，甜菜根组织的最大相对高度增加到2026 μm(图3d，放大倍数为× 20)。最有可能的是，这种差异与加工过程中甜菜根组织的水分流失有关，这导致了体积缩小和材料收缩。在PVOD之前，通过样品的二维图像可以清楚地看到甜菜根组织表面的高度多孔结构(图3a, b)。在渗透脱水后，半透明的糖溶液层覆盖在甜菜根组织表面，为后续干燥过程中的水分去除提供了额外的屏障(图3e, f)。
甜菜根组织表面在a × 20、b × 100、c × 500倍率下PVOD前和d × 20、e × 100、f × 500倍率下PVOD后的二维和三维图像
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