新型甘薯薯渣粉制備工藝優(yōu)化研究

楊曉寬 梁建蘭 孟 軍 劉素穩(wěn) 宋 鑫 常學(xué)東

（河北科技師范學(xué)院食品科技學(xué)院，秦皇島 066004）

薯類是重要的糧食作物，由于栽種粗放、產(chǎn)量高，尤其適合在山區(qū)及丘陵地區(qū)種植。目前我國薯類的種植面積和產(chǎn)量均為世界第一位。甘薯含有延緩人體衰老、防止肥胖病、保護(hù)肝腎結(jié)締組織的黏液蛋白和預(yù)防結(jié)腸癌和乳腺癌的脫氫表黃酮，因而近年來，國內(nèi)外掀起了“甘薯熱”［1-3］。目前，甘薯的加工主要是提取淀粉，在甘薯淀粉加工過程中，占10%～14%的甘薯渣常常被丟棄，新鮮薯渣極易腐爛發(fā)臭，嚴(yán)重污染環(huán)境，薯渣的處理成為困擾生產(chǎn)廠家的一大難題，同時(shí)企業(yè)產(chǎn)品單一，經(jīng)濟(jì)效益低下。研究表明，甘薯渣中含有大量膳食纖維［4］。膳食纖維對人體具有重要的生理功能，能有效的減少和預(yù)防心腦血管病、肥胖癥、心肌梗塞、冠心病、動(dòng)脈硬化、糖尿病、高血壓、結(jié)腸炎、便秘及腸道癌等疾病的發(fā)生，被稱之為繼水、碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素、蛋白質(zhì)、脂肪之外的“第七大營養(yǎng)素”［5-8］。因此，新型甘薯薯渣粉的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

目前，甘薯的加工產(chǎn)品很多，常見的有薯脯、薯片及薯?xiàng)l等，而已見報(bào)道的薯渣研究主要是通過利用薯渣開發(fā)出活性炭纖維，它有助于合成水樣的深度凈化［9］。本試驗(yàn)以甘薯薯渣粉白度和含水率綜合評分為優(yōu)化指標(biāo)，采用四元二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)對甘薯薯渣粉制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化［10-11］，目前在國內(nèi)外鮮見報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉豐一號甘薯（白皮白肉）薯渣：昌黎縣停泗澗小莊淀粉廠；Na2S2O4：天津開發(fā)區(qū)樂泰化工有限公司；食用花生油：萊陽魯花濃香花生油有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

JFSD-70實(shí)驗(yàn)室粗粉碎磨、細(xì)粉碎磨：上海嘉定糧油儀器有限公司；BPG-9040A鼓風(fēng)干燥箱、FA2204B萬分之一電子天平、HYC-613洞道干燥裝置：上海精密科學(xué)儀器有限公司；KQ5200E型超聲波清洗器：昆明市超聲儀器有限公司；WSC-S測色色差計(jì)：TGL-20M高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)：無錫市瑞江分析儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋HH6：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 甘薯薯渣粉的制備工藝流程［12-13］

甘薯薯渣→干燥（100℃，240 min）→除雜→粉碎→過篩→0.9%的Na2S2O4溶液脫色15 min（料液比為1∶10）→用200目尼絨布過濾→洞道干燥（80℃，150 min）→優(yōu)化甘薯薯渣粉成品

1.2.2 甘薯薯渣粉的干燥［14-17］

按操作流程調(diào)試洞道干燥裝置，對甘薯薯渣粉進(jìn)行干燥。

1.2.3 白度的測定

按照操作流程調(diào)試色差計(jì)，測定樣品白度。

1.2.4 常規(guī)營養(yǎng)成分分析

水分的測定：直接干燥法［18］；灰分：高溫灼燒法［19］；脂肪：索式提取法［20］；淀粉：GB 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》［21］；蛋白質(zhì)：微量凱氏定氮法［22］。

1.2.5 持水力［23］

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m0的樣品，置于50 mL燒杯中，加入20 mL水，于室溫下攪拌一定時(shí)間，測得干燥至恒重離心管質(zhì)量m1，然后在3 000 r／min的條件下離心15 min，稱量樣品的濕重m2，持水力

1.2.6 溶脹力

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m1的樣品，置于帶刻度的離心管中，離心2 min，讀取干物質(zhì)的體積V1，加入8 mL蒸餾水，室溫下攪拌均勻，37℃水浴靜置12 h，讀取膨脹后濕物質(zhì)的體積 V2。溶脹力

1.2.7 持油力

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為W0的樣品于離心管中，測定干燥至恒重離心管質(zhì)量為W1，加入食用花生油24 g，于37℃下靜置一定時(shí)間，4 000 r／min離心20min，去掉上層油，殘?jiān)脼V紙吸干游離的花生油，稱重得質(zhì)量W2，持油力

1.2.8 單因素試驗(yàn)

甘薯薯渣粉碎細(xì)度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、滿載量百分比進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

1.2.9 二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)四因素四水平的二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以白度和含水量的綜合評分為考察指標(biāo)，確定最優(yōu)提取工藝參數(shù)。

1.2.10 綜合評分的計(jì)算

設(shè)置白度和含水率的權(quán)重分別為0.5，白度的評分y1＝（測量值／白度最大值）×0.5×100；含水率的評分y2＝（1-測量值）／（1-含水率最小值）×0.5×100；綜合評分 ＝y(tǒng)1+y2。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 粉碎細(xì)度對白度和含水率綜合評分的影響在Na2S2O4濃度為0.3%，溫度為80℃，70%的滿載量的條件下，考察薯渣粉碎細(xì)度在140～40目時(shí)對白度和含水率綜合評分的影響，結(jié)果如圖1，由圖1可知，綜合評分隨著粉碎細(xì)度的提高，當(dāng)粉碎細(xì)度為80目時(shí)，綜合評分達(dá)最大值99.03，然后隨著粉碎細(xì)度的繼續(xù)提高略有下降。最適原料粉碎細(xì)度為80目。

圖1 粉碎細(xì)度對綜合評分的影響

2.1.2 Na2S2O4濃度對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細(xì)度為80目，溫度為80℃，70%滿載量條件下，考察Na2S2O4濃度在0.1%～1.1%時(shí)對白度和含水率綜合評分的影響，結(jié)果如圖2，可知，綜合評分隨著Na2S2O4濃度的增加先不斷升高至最高點(diǎn)后降低。當(dāng)Na2S2O4濃度為0.7%時(shí)，綜合評分達(dá)最大值，為99.19。因此最適脫色Na2S2O4濃度為0.7%。

圖2 Na2 S2O4濃度對綜合評分的影響

2.1.3 干燥溫度對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細(xì)度為80目，Na2S2O4濃度為0.3%，70%的滿載量的條件下，考察干燥溫度在60～80℃時(shí)對白度和含水率綜合評分的影響，結(jié)果如圖3，由圖3可知，綜合評分隨著干燥溫度的增加先不斷升高至最高點(diǎn)后降低。當(dāng)干燥溫度為72℃時(shí)，綜合評分達(dá)最大值，為99.54。最適干燥溫度為72℃。

圖3 干燥溫度對綜合評分的影響

2.1.4 載量對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細(xì)度為80目，Na2S2O4濃度為0.3%，干燥溫度為80℃的條件下，考察載量在40%～100%時(shí)對白度和含水率綜合評分的影響，結(jié)果如圖4，由圖4可知，綜合評分隨著Na2S2O4濃度的增加先不斷升高至最高點(diǎn)后降低。當(dāng)載量為70%時(shí)，綜合評分達(dá)最大值，為100。最適載量為70%。

圖4 載量對綜合評分的影響

2.2 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.2.1 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以白度和含水率的綜合評分為考察目標(biāo)，設(shè)計(jì)四因素四水平的二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。確定粉碎細(xì)度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量的零水平分別為100目、0.70%、72℃ 、70%，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1和表2。

表1 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)因素水平表

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2.2 回歸模型建立與檢驗(yàn)

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對表2中的結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得到綜合評分率（Y）和粉碎細(xì)度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量的回歸模型：

表3 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果方差分析

通過回歸方程的方差分析，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d＝2.07，相關(guān)系數(shù) R2＝0.92，顯著水平 P＝0.01，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S＝1.85，F(xiàn)＝3.09回歸方程達(dá)顯著水平，擬合情況良好，可用于描述綜合評分隨粉碎細(xì)度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量變化的規(guī)律。

在P＝0.05顯著水平上剔除不顯著項(xiàng)后，簡化的回歸方程：Y＝-163．48+1．00X1-26．65X2X2-0．01X1X3

2.2.3 主效應(yīng)分析

P值即概率，反映某一事件發(fā)生的可能性大小。各因素的P值可以反映出各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的重要性，P值越小，表明該因素對試驗(yàn)結(jié)果影響越大，即重要性越大［26］。由表3可見，4個(gè)試驗(yàn)因素對綜合評分影響大小依次為粉碎細(xì)度＞干燥溫度＞Na2S2O4濃度＞載量。

2.2.4 由回歸方程分析得最優(yōu)工藝條件

用偏導(dǎo)計(jì)算y最大值為100.55。當(dāng)X1＝60，X2＝0.90，X3＝80，X4＝64.5時(shí)，綜合評分最大值為100.55，優(yōu)于各試驗(yàn)組。粉碎細(xì)度60目，Na2S2O4濃度0.90%，干燥溫度80℃，載量64.5%，對應(yīng)的綜合評分為100.55。在統(tǒng)計(jì)分析的優(yōu)化試驗(yàn)中，其中一個(gè)因素是Na2S2O4處理，而其最佳工藝的Na2S2O4含量反而是很高的，達(dá)0.90%，這可能是由于統(tǒng)計(jì)分析的優(yōu)化試驗(yàn)是以甘薯薯渣粉白度及含水率綜合評分為優(yōu)化指標(biāo)，因此試驗(yàn)得到的最佳工藝甘薯薯渣粉白度一定是較高的，而其含水率應(yīng)較低，這樣其綜合評分才可能高于其他試驗(yàn)組，驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果也是如此，優(yōu)化工藝條件下的薯渣白度為75.10%，含水率2.027%，綜合評分為99.84。

統(tǒng)計(jì)分析的最優(yōu)工藝條件中原料粉碎細(xì)度為60目，對比單因素試驗(yàn)最適條件的80目有所下降，導(dǎo)致薯渣粉的比表面積下降，降低了Na2S2O4的脫色效率，而最優(yōu)工藝條件下的薯渣白度為75.10%，均高于單因素各試驗(yàn)組，因此脫色消耗的Na2S2O4有所增加。最優(yōu)工藝條件下的干燥溫度達(dá)80℃，高于單因素試驗(yàn)最適條件的72℃，最優(yōu)工藝條件下的載量為64.5%，低于單因素試驗(yàn)最適條件的70%，溫度的上升和載量的下降使甘薯薯渣粉干燥的更徹底，從而使甘薯薯渣粉含水率較低，同時(shí)較高的溫度也可能對薯渣的白度產(chǎn)生不利的影響，因此最佳工藝的Na2S2O4含量反而很高可能是由于上述影響因素綜合作用所致。

2.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

從優(yōu)化工藝參數(shù)范圍內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

由表4可見，3次驗(yàn)證試驗(yàn)平均理論值為100.55，平均實(shí)際值為99.84，兩者僅相差0.71，實(shí)際值與理論值的相對偏差均小于5%，可見實(shí)際值與理論值基本吻合。由此可知，采用本試驗(yàn)的工藝參數(shù)，可獲得新型甘薯薯渣粉的最優(yōu)工藝。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 最優(yōu)工藝甘薯薯渣粉干燥曲線［27］

由圖5所示，添加趨勢線，R2＝0.998干基含水量隨時(shí)間變化方程為 Y＝0．005x2-0．075x+2．447，隨著干燥時(shí)間的增加，干基含水量逐漸降低，逐步接近0。

圖5 最優(yōu)工藝甘薯薯渣粉干燥曲線

4 甘薯薯渣粉工藝優(yōu)化前后指標(biāo)比較

優(yōu)化工藝和初始工藝甘薯薯渣粉常規(guī)組成成分及品質(zhì)性能如表5～表6所示。

由表5和表6可知，對比優(yōu)化工藝甘薯薯渣粉和初始工藝甘薯薯渣粉的常規(guī)組成成分存在顯著差異，隨著甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的脂肪百分含量、淀粉百分含量和蛋白質(zhì)百分含量均有所下降，灰分有所提高；而隨著甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的持油力有顯著提高，持水力稍有下降。優(yōu)化工藝甘薯薯渣粉部分理化和功能性品質(zhì)特性顯著提高。由表6可知，優(yōu)化后甘薯薯渣粉白度和持油力均比初始工藝甘薯薯渣粉白度和持油力顯著提高，優(yōu)化前后甘薯薯渣粉的持水力基本持平。優(yōu)化工藝甘薯薯渣粉的持水力、溶脹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陳培基等［28］研究的高活性麒麟菜膳食纖維持水力17.50 g／g，膨脹力29.50 mL／g，可見優(yōu)化工藝甘薯薯渣粉的功能性品質(zhì)性能優(yōu)良。

表5 優(yōu)化和初始工藝甘薯薯渣粉常規(guī)組成成分表

表6 優(yōu)化和初始工藝甘薯薯渣粉品質(zhì)性能對比

5 結(jié)論

5.1 二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析結(jié)果表明，對甘薯薯渣粉白度和含水率綜合評分影響大小的因素依次為粉碎細(xì)度＞干燥溫度＞Na2S2O4濃度＞載量，制備新型甘薯薯渣粉的最佳工藝條件為粉碎細(xì)度60目、Na2S2O4濃度0.9%、干燥溫度80℃、滿載量64.5%，綜合評分預(yù)測值為100.55。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，甘薯薯渣粉白度為75.10%，含水率為2.027%，綜合評分達(dá)到99.84，結(jié)果與預(yù)測值基本吻合。

5.2 利用洞道干燥設(shè)備測定最佳工藝條件甘薯薯渣粉的干燥曲線，結(jié)果表明，干基含水量隨時(shí)間變化成曲線關(guān)系，添加趨勢線得到回歸方程Y＝0．005x2-0．075x+2．447，R2＝0.998。

5.3 優(yōu)化工藝和初始工藝甘薯薯渣粉的常規(guī)成分和品質(zhì)性能對比表明，優(yōu)化工藝甘薯薯渣粉常規(guī)成分進(jìn)一步優(yōu)化，白度和持油力顯著提高，持水力與初始工藝甘薯薯渣粉基本相當(dāng)。其優(yōu)良的理化和功能性品質(zhì)性能使其可廣泛應(yīng)用與食品行業(yè)，且工藝簡單，穩(wěn)定性好，可為薯渣粉相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)及開發(fā)提供技術(shù)參考［29］。

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