全 文 ：291※包装贮运 食品科学 2009, Vol. 30, No. 08
采用响应曲面法研究热处理对鲜切荸荠
色泽的影响
田维娜，明 建，曾凯芳 *
(西南大学食品科学学院，重庆 400715)
摘 要：本研究以荸荠为原料，采取中心复合旋转试验设计，研究不同的热处理温度、热处理时间以及不同贮藏
时间对鲜切荸荠冷藏过程中色泽的影响。通过响应曲面法建立热处理对鲜切荸荠变黄度、a*值和 b*值的二次多项
数学模型，对其显著性、拟合程度等进行分析，同时利用模型的响应面及等高线对影响鲜切荸荠品质的关键因素
及其相互作用进行了探讨。结果表明：热处理温度以及热处理温度和贮藏时间的交互作用对鲜切荸荠贮藏期的色泽
影响显著；防止鲜切荸荠褐变的较优处理条件为：热处理温度 52～55℃，热处理时间 20～22min，贮藏时间 3d。
关键词：热处理；鲜切荸荠；色泽；响应曲面法
Study on Effects of Heat Treatment on Color of Fresh-cut Chinese Water Chestnut by Response
Surface Method
TIAN Wei-na，MING Jian，ZENG Kai-fang *
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)
Abstract ：The effects of heat treatment temperature, time and storage time on the color of fresh-cut Chinese water chestnut
were studied by using a central composite rotation design. Three second order quadratic equations of fruit discolouration, a * and
b * values for heat treatment were established, and the significance of model and fitting degree were analyzed through response
surface method with SAS 9.0 software. The key factors and their interactions affecting fresh-cut water chestnuts were also
discussed through the response surface and contours. Results indicated that heat treatment temperature and the interaction of
temperature and storage time are the key factors, and the optimum heated temperature, time and storage time for inhibiting fruits
browning are 52 to 55 ℃, 20 to 22 minutes and 3 days, respectively.
Key words：heat treatment；fresh-cut Chinese water chestnut；color；response surface method
中图分类号：S609.3；TS205.9　　 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2009)08-0291-06
收稿日期：2008-06-27
基金项目：国家自然科学基金项目(30700556)；“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD22B03)
作者简介：田维娜 (1981-)，女，硕士研究生，研究方向为食品贮藏工程。E-mail：twn-cinderella@163.com
*通讯作者：曾凯芳(1972-)，女，副教授，博士，研究方向为食品贮藏。E-mail：zengkaifang@163.com
荸荠(Eleocharistuberose Schult)别名马蹄、乌芋、
地栗等，具有很好的食用和药用价值，但荸荠生长在
泥土中，外皮上会吸附姜片虫的囊蚴以及有害的生物排
泄物，食用时应去皮，所以生产鲜切荸荠有广阔的市
场前景[1]。然而鲜切荸荠在贮藏过程中非常容易发生褐
变，使其贮藏品质降低，严重影响其商品价值[ 2 ]。目
前有关鲜切荸荠的防褐变方法研究较少，而且多采用化
学药剂处理，对鲜切荸荠的食用安全性有负面影响，因
而需要寻求新的安全有效的保持鲜切荸荠色泽的方法[3]。
热处理作为一种无化学残留、安全高效、简便易行、
耗能低、无污染的处理方法，在果蔬保鲜相关领域的
研究相当活跃[4]。热处理能抑制果蔬呼吸强度，乙烯生
成及相关酶活性，保持果蔬色泽和硬度，有效防治冷
害、病虫害发生[ 5- 7]。目前，国内外采用的热处理方法
各异，且已经试用于多种果蔬中，但是对于适合某种
果蔬的热处理条件往往缺乏有针对性的优化方法。
响应曲面法是利用合理的试验设计，通过试验得到
一定的数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应
值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优
工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法。近年来
已有相关研究将响应面方法应用于微生物发酵工艺条件
筛选，天然产物提取工艺优化 [ 9 - 1 0 ]和果蔬采后保鲜，
2009, Vol. 30, No. 08 食品科学 ※包装贮运292
Abreu 等通过响应曲面法来评价不同时间 -温度搭配条件下
轻微热处理对鲜切 Rocha 梨和猕猴桃品质的影响，陈莉等
利用响应曲面法研究了热处理对苹果贮藏品质的影响，将
响应曲面法用于鲜切果蔬的研究报道目前还比较缺乏[10-12]。
本实验拟通过响应曲面法，研究不同热处理温度、时间
及贮藏时间对鲜切荸荠色泽的影响，建立热处理对鲜切荸
荠变黄度、a 值和 b 值的二次多项数学模型。
1 材料与方法
1.1 材料及其处理
荸荠购于重庆市北碚区天生农贸市场，原产地广西
荔浦。选取品种优良、成熟度适宜的荸荠，挑选鲜嫩、
大小均匀、无腐烂、无病虫害、无机械损伤的荸荠用
自来水洗净。用锋利的不锈钢刀具将荸荠去皮，将每
个果实切成 3～5片后，浸没于水浴锅中进行热处理，处
理完将水沥干。放置冷却后，将切片放入塑料盒中，
保鲜膜覆盖包装。以不用热水处理的果实切片作为对
照。包装后的鲜切荸荠贮藏于 4℃，90%～95%相对湿
度的环境中。
1.2 试验设计
采用 SAS 9.0软件，以热处理温度、处理时间和
贮藏时间为主要的考察因素(自变量)，分别以X1、X2和
X 3表示，并以 + 1、0、－ 1分别代表自变量的高、中、
低水平，按方程 xi＝(Xi－X0)/ΔX 对自变量进行编码。
式中，xi为自变量的编码值，Xi为自变量的真实值，X0
为试验中心点处自变量的真实值，ΔX 为自变量的变化
步长。根据预实验及参考文献选定热处理温度、处理
时间和贮藏时间范围分别为：35～75℃，5～35min，
0～14d[11-12]。试验因素编码及水平见表 1。
因素 编码 编码值 水平
－1 43
X1处理温度(℃) x1 0 55
1 67
－1 11
X2处理时间(min) x2 0 20
1 29
－1 3
X3贮藏时间(h) x3 0 7
1 11
表1 试验设计因素编码和水平
Table 1 Codes and levels of test factors
注：x1=(X1－ 55)/12；x2=(X2－ 20)/9；x3=(X3－ 7)/4。
以鲜切荸荠的品质指标为响应值Y，拟合二阶多项
式方程：
Y= a0+a1X1+ a11X1+ a2X2+a22X2+a3X3 + a33X3+
a12X1X2+a13X1X3+ a23X2X3 (1)
式中：Y 为预测值；a 0 为常数项；a 1、a 2、a 3 为
线性系数项；a 1 1、a 2 2、a 3 3、a 1 2、a 1 3、a 2 3 为二次项
系数，其中 a 1 2、a 1 3、a 2 3 为交互作用项系数。
试验设计结果见表 2。
自变量代码(试验设计) 试验自变量(试验方案)
热处理 热处理 贮藏 热处理 热处理 贮藏
温度 时间 时间 温度(℃) 时间(min) 时间(d)
－1 －1 －1 43 11 3
－1 －1 1 43 11 11
－1 1 －1 43 29 3
－1 1 1 43 29 11
1 －1 －1 67 11 3
1 －1 1 67 11 11
1 1 －1 67 29 3
1 1 1 67 29 11
－1.68179 0 0 35 20 7
1.68179 0 0 75 20 7
0 －1.68179 0 55 5 7
0 1.68179 0 55 35 7
0 0 － 1.68179 55 20 0
0 0 1.68179 55 20 14
0 0 0 55 20 7
0 0 0 55 20 7
0 0 0 55 20 7
0 0 0 55 20 7
0 0 0 55 20 7
0 0 0 55 20 7
表2 热处理荸荠试验设计分组结果
Table 2 Design of experimental schemes for heat treatment of
fresh-cut Chinese water chestnut
1.3 测定方法
切片表面的色泽通过全自动测色色差计测量。以标
准白板(L*=95.09、a*=0.36、b*=－ 228.52)为参照物。
以DYI值作为鲜切荸荠变黄度的测量值；a*值表示颜色
的绿红值，100为红色，－ 80为绿色；b* 值表示颜色
的蓝黄值，10 0 为黄色，－ 80 为蓝色。每个处理测 9
个切片，每个切片测 3 个点，取平均值。
1.4 数据处理
所有指标测定重复 3 次，取平均值。试验设计、
数据分析和二次模型的建立采用 SAS 9.0统计软件，做
图采用响应曲面图，通过软件对回归方程的解析以及响
应曲面的分析获得最佳变量水平。
2 结果与分析
2.1 鲜切荸荠热处理试验
鲜切荸荠热处理试验结果见表 3，利用 SAS 9.0软
件对表 2数据进行二次多元回归拟合，分别获得了DYI
值、a* 值和 b* 值的预测值对编码自变量热处理温度、
2 22
293※包装贮运 食品科学 2009, Vol. 30, No. 08
处理时间和贮藏时间的二次多项回归方程(2)、(3)和(4)，
且各回归方程系数显著性检验见表 4。
处理组 DYI值 a*值 b*值
1 172.80 －1.57 －148.46
2 616.12 －14.26 124.30
3 143.9 31.53 －145.56
4 397.16 －11.59 99.33
5 200.14 －0.81 －137.79
6 210.00 －8.66 84.30
7 242.62 －1.09 －134.41
8 312.02 －7.71 85.87
9 483.54 －3.24 114.16
10 234.76 －2.03 95.11
11 249.49 0.43 88.69
12 198.06 －1.20 89.13
13 209.11 －3.16 75.41
14 161.49 －3.45 78.38
15 192.58 0.95 80.15
16 375.42 －5.21 85.47
17 300.96 －4.69 76.63
18 239.97 －3.86 73.42
19 335.01 －3.80 80.52
20 336.05 －5.19 83.75
表3 热处理鲜切荸荠RSM试验结果
Table 3 Results corresponding to test designed in Table 2
变黄度(DYI)= 737.1416－ 24.844X1 － 14.08333X2 +
138.5307X3+ 0.202121X1 + 0.454086X1X2－1.607526 X1X3－
0.231567X2－ 0.453299X2X3－ 2.022502X3 (2)
R2=70.55%，RAdj= 44.04% 。
a*值 =－ 4.88157+ 0.265497X1+ 0.133329X2－
1.880605X3－0.002684X1－0.005903 X1X2 + 0.029531X1X3 +
0.005049X2+ 0.002778X2X3－ 0.038961X3 (3)
R2=50.83%，RAdj= 6.58%。
b*值=－563.766 + 11.8074X1+ 9.01506X2 + 52.20502X3
－0.104083X1+ 0.031273X1X2－0.196042X1X3－0.253674X2
－ 0.103056X2X3－ 1.549728X3 (4)
560
热处理
温度(
℃)
变
黄
度
热处理时间(min)
35
5
160
36
72
35
30
25
20
15
10
5
变黄度
热
处
理
时
间
(m
in
)
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
240 320
480
400
320
240
160560
R2= 49.20%，RAdj= 3.49%。
上述三个模型方程方差分析表明，本实验所选用的
DYI值的二次多项模型方程(2)的总拟合系数R2=70.55%，
校正后的总拟合系数R2= 44.04%，拟合不足检验概率为
0.184098，说明拟合不足不显著，该模型拟合程度好，
可以用此模型分析和预测热处理鲜切荸荠在贮藏过程中
DYI值的变化。预测果实 a*模型方程(3)中的总拟合系
数 R2=50.83%，校正后的总拟合系数 R2= 6.58%，拟合
不足检验概率为 0 .05736，说明拟合不足不显著。若
按α=0.05，只有 X3(贮藏时间)在模型中是显著的。岭
嵴分析得到坐标为 X 1= － 0.25240、X2=0.23014、X 3=
－ 0.93986，即处理温度为 52℃、处理时间为 22min、贮
藏到第 3d，荸荠切片的 a * 值最优。对于预测果实 b *
模型方程(4)中的结果表明，只有X3(贮藏时间)在模型中
是显著的。通过岭嵴分析得到坐标为X1=－ 0.03767、X2=
－ 0.022927、X3=－ 0.89892，即处理温度为 55℃、处
理时间为 2 0 m i n、贮藏到第 3 d，荸荠切片的 b * 值
最优。
2.2 热处理对鲜切荸荠切片变黄度的影响
变黄度(DYI)即待测切片表面色泽与标准白板的黄度
之差，变黄度的测定能够对果实切片表面褐变的程度进
行判定，因而测定荸荠切片表面的黄度值，可以了解
热处理对荸荠切片褐变程度的影响，是影响鲜切荸荠保
藏期色泽变化的主要指标。
2
2
2
系数项
DYI值 a*值 b*值
回归系数 pr>|t| 回归系数 pr>|t| 回归系数 pr>|t|
X1 －57.37977 0.037458 0.70697 0.521291 －4.662693 0.857547
X2 －13.89957 0.57421 0.2708297 0.804171 －1.19936 0.963145
X3 50.943213 0.059141 －2.985148 0.018584 70.661673 0.019076
X1 29.105436 0.239974 －0.386503 0.71673 －14.98795 0.556618
X1X2 49.04125 0.14784 －0.6375 0.656236 3.3775 0.920684
X1X3 －77.16125 0.033227 1.4175 0.33177 － 9.41 0.78183
X2 －18.75694 0.439448 0.4089928 0.701136 －20.54759 0.423862
X2X3 －16.31875 0.613089 0.1 0.944054 － 3.71 0.91291
X3 －32.36003 0.194958 －0.623379 0.56054 －24.79565 0.338053
表4 回归方程系数显著性检验
Table 4 Significance test of regression coefficients
2
2
2
2 2
2
2
2
2
2
2
2
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通过热处理温度和热处理时间的交互因素可以看
出：随着处理温度的升高、时间的延长，变黄度值减
小；热处理温度的响应面图较陡峭，等高线图密集，
说明热处理温度对切片表面色泽变黄度值的影响较强。
通过热处理温度和贮藏时间的交互因素可以看出：贮藏
时间对荸荠切片变黄度值的影响的响应曲面坡度陡峭，
图1 试验因素交互影响荸荠切片变黄度值的响应曲面图及其等高线图
Fig.1 Response surface and contour plots for degree of yellowing
versus any two of three experimental factors
600
热处理
温度(
℃)
变
黄
度
贮藏时间(d)
12.5
2.5
100
36
72
300
热处理
时间(
min)
变
黄
度
贮藏时间(d)
12.5
2.5
50
5
35
贮
藏
时
间
(d
)
12.5
10
7.5
5
2.5
变黄度
热处理时间(min)
5 10 15 20 25 30 35
100 150
200
250
300
200
等高线密集，表明变黄度值对于贮藏时间的改变敏感，
贮藏时间越长，变黄度值越大。通过热处理时间和贮
藏时间的交互因素可以看出：热处理时间对变黄度值的
影响响应曲面坡度相对平缓，等高线图较稀疏，说明
荸荠切片可以忍受热处理时间的变异，对变黄度值的影
响较小，热处理时间和贮藏时间的交互作用可以忽略。
2.3 热处理对鲜切荸荠切片 a*值和 b*值的影响
－1
热处理
温度(
℃)
a*
值
热处理时间(min)
35
5
－6
36
72
热
处
理
时
间
(m
in
)
35
30
25
20
15
10
5
a*值
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
－6
－5
－4
－3
－2
－3
－2
0
热处理
温度(
℃)
a*
值
贮藏时间(d)
12.5
2.5
－15
36
72
贮
藏
时
间
(d
)
12.5
10
7.5
5
2.5
a*值
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
－15
－12
－9
－6
－3
0
12.5
10
7.5
5
2.5
变黄度
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
600
500
400
300
200
100
200
100
300
贮
藏
时
间
(d
)
295※包装贮运 食品科学 2009, Vol. 30, No. 08
图2 试验因素交互影响荸荠切片a*值的响应曲面图及其等高线图
Fig.2 Response surface and contour plots for a* values versu any
two of three experimental factors
0
热处理
时间(
min)
a*
值
贮藏时间(d)
12.5
2.5
－10
5
35
贮
藏
时
间
(d
)
12.5
10
7.5
5
2.5
a*值
热处理时间(min)
5 10 15 20 25 30 35
－10
0 0
－8
－6
－4
－2
根据模型所作的影响荸荠切片 a*值和 b*值响应曲
面图及其等高线图见图 2、3。
100
热处理
温度(
℃)
b*
值
贮藏时间(d)
12.5
2.5
－150
36
72
80
热处理
温度(
℃)
b*
值
热处理时间(min)
35
5
－20
36
72
热
处
理
时
间
(m
in
)
35
30
25
20
15
10
5
b*值
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
20
0
40
60
80
80
60
20
40 20 0
20
0
贮
藏
时
间
(d
)
12.5
10
7.5
5
2.5
b*值
热处理温度(℃)
36 42 48 54 60 66 72
100
50
0
－50
－100－100
图3 试验因素交互影响荸荠切片b*值的响应曲面图及其等高线图
Fig.3 Response surface and contour plots for b*value versus any
two of three experimental factors
100
热处理
时间(
min)
b*
值
贮藏时间(d)
12.5
2.5
－150
5
35
贮
藏
时
间
(d
)
12.5
10
7.5
5
2.5
b*值
热处理时间(min)
5 10 15 20 25 30 35
100
50
0
－50－100 －100
通过热处理温度和热处理时间的交互作用可以看
出：随着处理温度的升高和处理时间的延长，a * 值增
加；热处理温度的响应面图较陡峭，等高线图密集，
说明热处理温度对切片表面色泽 a* 值的影响较强。通
2009, Vol. 30, No. 08 食品科学 ※包装贮运296
泽的最优条件还需要进一步验证。
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过热处理温度和贮藏时间的交互因素可以看出：贮藏时
间对荸荠切片 a* 值的影响的响应曲面坡度陡峭，等高
线密集，表明 a* 值对于贮藏时间的改变非常敏感，贮
藏时间越长，a* 值越大；当处理温度为 35～54℃时，
a*值能在贮藏的前 2d保持在 0附近。通过热处理时间
和贮藏时间的交互作用可以看出：热处理时间对 a*值的
影响的响应曲面坡度相对平缓，等高线图稀疏，说明
荸荠切片可以忍受热处理时间的变异，而对 a* 值的影
响较小。B*值测定结果中，热处理温度和热处理时间
的等高线图最趋向于圆形，交互作用不显著，可以忽
略。而贮藏时间对荸荠切片 b*值的影响的响应曲面坡
度陡峭，等高线密集，表明 b*值对于贮藏时间的改变
敏感，贮藏时间越长，b* 值越大。这与变黄度测定结
果基本一致。
3 结 论
本研究利用 SAS 9.0软件，首次通过响应曲面法
(RSM) 建立了热处理对鲜切荸荠色泽(DYI值、a*值和
b*值)的二次多项数学模型。三个拟合二阶多项式方程
均具有显著性，拟合程度良好，试验误差小。同时利
用模型的响应面及其等高线对影响鲜切荸荠的关键因素
及其相互作用进行了探讨，结果表明热处理温度，以
及热处理温度和贮藏时间的交互作用对鲜切荸荠贮藏期
的色泽影响显著；而鲜切荸荠的色泽对热处理时间及其
他交互作用并不敏感。防止鲜切荸荠贮藏期色泽褐变的
较优处理条件为：热处理温度 52～55℃，热处理时间
20～22min，贮藏时间 3d。有关热处理保持鲜切荸荠色