響應(yīng)面法優(yōu)化黑蒜酶解液噴霧干燥工藝

任廣躍，劉航，劉亞男

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023）

響應(yīng)面法優(yōu)化黑蒜酶解液噴霧干燥工藝

任廣躍，劉航*，劉亞男

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023）

為獲得營養(yǎng)價值高、溶解性能好的黑蒜粉，以新鮮大蒜為原料，采用固態(tài)分段變溫發(fā)酵方式制備黑蒜，并對黑蒜進行酶解處理，使用噴霧干燥的方法對黑蒜酶解液進行制粉。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇進風溫度、料液濃度和進風流量為自變量，以出粉率為響應(yīng)值，運用Box-Behnken試驗對其噴霧干燥條件進行優(yōu)化，且對黑蒜粉的品質(zhì)進行研究。結(jié)果表明：用果膠酶和纖維素酶對黑蒜酶解后，其可溶性固形物得率達82.5%，且當酶解液濃度調(diào)至18%，麥芽糊精添加量為料液濃度的55%，進風溫度174℃、進風流量0.45 m3/min時，黑蒜粉得率為42.07%，含水率小于5%，符合固體飲料標準。由此說明，復合酶解與噴霧干燥相結(jié)合的工藝能有效應(yīng)用于黑蒜粉加工。

發(fā)酵黑蒜；酶解；噴霧干燥；響應(yīng)曲面法；黑蒜粉

大蒜（Allium Sativum L.）為百合科蔥屬植物鱗莖，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、維生素和各種微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)［1］。同時，研究表明大蒜中的活性酶和有機化合物不僅種類繁多，而且含量較高［2-3］。由于大蒜本身存在刺激性氣味，過度食用會對胃腸粘膜細胞造成損傷，而降低其食用價值［4］。黑蒜是以新鮮大蒜為原料，在高溫高濕環(huán)境下，經(jīng)過酶化及美拉德反應(yīng)共同作用下形成的，具有去除大蒜的臭味，增強原有生理活性的特點。但黑蒜產(chǎn)品層次單一，且含糖量較高，極易腐爛變質(zhì)。因此，為提高其儲藏性和附加值，對其進行深加工具有重要的意義［5-6］。

鄭資靖等［7］采用3種干燥方式制得紫薯全粉，發(fā)現(xiàn)紫薯處于粉狀時具有較好的保藏性，且真空冷凍干燥制得的全粉品質(zhì)最好，但真空冷凍設(shè)備投資大、干燥時間長、能量消耗高。而噴霧干燥具有干燥速度快，操作簡單，產(chǎn)品營養(yǎng)價值損失較少，溶解性好，適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品干燥中。通過噴霧干燥對黑蒜進行制粉處理，不僅便于食用，解決黑蒜易腐敗等問題，還可以為研發(fā)新產(chǎn)品提供原材料。在黑蒜噴霧制粉中，所廢棄的黑蒜渣中含有大量果膠和纖維素，若不經(jīng)過酶解會造成黑蒜營養(yǎng)物質(zhì)丟失，降低原料利用率。李長春［8］等研究表明，在果蔬汁加工中，果膠和纖維素是造成出汁率低的主要因素，補充纖維素酶以協(xié)同、促進果膠酶作用，可顯著提高果汁出汁率和產(chǎn)品得率。因此采用有效的水解和干燥技術(shù)是提升黑蒜粉產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵。

目前，張培旗等［9-10］對黑大蒜粉噴霧干燥工藝條件進行了優(yōu)化，但未見把復合酶解處理這一概念引入噴霧干燥過程，并對黑蒜噴霧干燥過程機制以及產(chǎn)品的品質(zhì)和特性做出詳細介紹的報道。本文是采用果膠和纖維素酶對固態(tài)發(fā)酵黑蒜進行復合酶解后，運用響應(yīng)曲面法優(yōu)化黑蒜酶解液噴霧干燥工藝條件，并對黑蒜粉的品質(zhì)進行研究。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，使用Box-Behnken試驗方法，以黑蒜粉得率為響應(yīng)值對上述工藝參數(shù)進行優(yōu)化，找出各因素及其相互作用對指標的影響規(guī)律，確定進風溫度、料液濃度、進風流量和麥芽糊精添加量的最佳參數(shù)組合，所獲得的工藝參數(shù)為進一步開發(fā)利用黑蒜制品奠定基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟價值和推廣前景。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

新鮮、完整的白皮大蒜：采購于洛陽市大張超市；麥芽糊精（DE值16%～20%）：西王藥業(yè)有限公司；纖維素酶（酶活2萬U/g）、果膠酶（酶活3萬U/g）：南寧龐博生物工程有限公司；氫氧化鈉標準溶液：天津市德恩化學試劑有限公司；36%～38%甲醛溶液：洛陽昊華化學試劑有限公司；還原糖標準溶液：天津市北辰方正試劑廠；鄰苯三酚：天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

WS70型恒溫恒濕培養(yǎng)箱：上海樹立儀器有限公司；DZKW-S型電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；ZJ-145型恒聯(lián)壓榨機：廣州市昆粵食品設(shè)備有限公司；WYT-I型（精確度0.5%）手持折光儀：四川豪創(chuàng)儀器有限公司；RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；YC-015實驗型噴霧干燥機：上海雅程儀器設(shè)備有限公司；DZF-1型真空干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；X-rite Color I5色差計：美國愛色麗公司；UV2006型紫外可見分光光度計：尤尼柯上海儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1黑蒜漿的制備［11-12］

選取一定量新鮮完整的大蒜→去皮去蒂（1層～2層）→清水清洗→0.2%食鹽水浸泡30 min→自然瀝干→50℃前期發(fā)酵→80℃后期發(fā)酵（用錫紙包裹）→后熟化→剝皮切塊→稱重后加水打漿（料水質(zhì)量比1∶1）

操作要點：

1）自然瀝干：將大蒜均勻放在通風處，室溫下自然瀝干水分。

2）50℃前期發(fā)酵：將瀝干后的大蒜放置在恒溫恒濕箱內(nèi)（溫度50℃、濕度30%）培養(yǎng)48 h。

3）80℃后期發(fā)酵：將前期發(fā)酵后的大蒜用錫紙包裹，置于溫度80℃、濕度70%環(huán)境中發(fā)酵144 h。

4）后熟化：將發(fā)酵完成后的黑蒜取出，置于室溫下放置48 h。

1.3.2復合酶解［13］

為了提高原料利用率，使用果膠和纖維素復合酶對黑蒜進行酶解處理，使黑蒜溶液中可溶性固形物含量達到最大化，提高噴霧效果和產(chǎn)品得率。稱取定量的黑蒜漿，調(diào)節(jié)pH 4.5，加入復合酶（果膠酶與纖維素酶質(zhì)量比為2∶1），添加量為底物濃度的0.6%，50℃的水浴中酶解90 min，結(jié)束后將反應(yīng)液在沸水浴中滅酶15 min，終止酶解反應(yīng)。（酶解條件通過預試驗得到）。酶解完成后，采用板框式壓榨機對漿液進行榨汁，并取汁備用，棄去粗濾渣或用于其他。

1.3.3黑蒜粉噴霧干燥工藝流程

黑蒜酶解液→稀釋或濃縮到所需的料液濃度→按比例加入適量的麥芽糊精（干燥助劑）→30 MPa壓力下均質(zhì)10 min→噴霧干燥→成品

1.3.4噴霧干燥單因素試驗設(shè)計［14］

通過預試驗，找到較好的噴霧參數(shù)范圍，在此基礎(chǔ)上進行單因素試驗，每個單因素均做3次平行試驗。

1.3.4.1進風溫度對黑蒜粉出粉率的影響

在出風溫度為80℃、進料流量為1 025 mL/h、料液濃度為19%、進風流量為0.43 m3/min，麥芽糊精添加量為料液濃度的55%的條件下，分別研究進風溫度155、165、175、185、195℃對黑蒜粉出粉率的影響。

1.3.4.2料液濃度對黑蒜粉出粉率的影響

在出風溫度為80℃、進料流量為1 025 mL/h、進風溫度為175℃、進風流量為0.43 m3/min、麥芽糊精添加量為料液濃度的55%的條件下，分別研究料液濃度10%、13%、16%、19%、22%對黑蒜粉出粉率的影響。

1.3.4.3進風流量對黑蒜粉出粉率的影響

在出風溫度為80℃、進料流量為1 025 mL/h、進風溫度為175℃、料液濃度為19%、麥芽糊精添加量為料液濃度的55%的條件下，分別研究進風流量0.40、0.43、0.46、0.49、0.52 m3/min對黑蒜粉出粉率的影響。

1.3.4.4麥芽糊精添加量對黑蒜粉出粉率的影響

在出風溫度為80℃、進料流量為1025mL/h、進風溫度為175℃、料液濃度為19%、進風流量為0.46 m3/min的條件下，分別研究麥芽糊精添加量為料液濃度的40%、45%、50%、55%、60%對黑蒜粉出粉率的影響。

1.3.5響應(yīng)曲面法優(yōu)化噴霧干燥條件的試驗設(shè)計

采用Box-Behnken試驗設(shè)計原理［15］，選取進風溫度A，料液濃度B和進風流量C為試驗因素，以出粉率Y為指標，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，進行三因素三水平的響應(yīng)面分析，確定最佳噴霧干燥工藝參數(shù)，如表1所示。

表1　Box-Behnken試驗設(shè)計因素水平表Table 1　The factors and levels of Box-Behnken design

1.4指標的測定與方法

1.4.1可溶性固形物含量的測定

測定方法：稱取一定量的黑蒜酶解液，攪拌均勻后使用阿貝折射儀測定其可溶性固形含量即料液濃度，用質(zhì)量體積分數(shù)（%）表示。

1.4.2堆積密度的測定［16］

用15 mL量筒測定2 g黑蒜粉所占體積，質(zhì)量體積比即為堆積密度。

1.4.3總可溶性固形物（TSS）得率的測定［16-17］

精確稱取一定量的黑蒜漿，105℃烘干至恒重，計算TSS得率。

式中：X為TSS得率，%；m為黑蒜汁TSS質(zhì)量，g；m1為黑蒜漿總固形物質(zhì)量，g。

1.4.4產(chǎn)品得率（出粉率）的測定［18］

式中：X為產(chǎn)品得率，%；M為噴霧干燥后黑蒜粉的質(zhì)量，g；M0為噴霧干燥前黑蒜汁中總固形物質(zhì)量與添加麥芽糊精量的總和，g。

1.4.5含水率的測定

按照國標GB/T 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》中減壓干燥法進行干燥。

式中：X為濕基含水率，%；m1為稱量瓶和樣品總質(zhì)量，g；m2為稱量瓶和干燥后樣品的質(zhì)量，g；m3為稱量瓶的質(zhì)量，g。

1.4.6溶解性的測定［18］

測定方法：將5 g大蒜粉溶于25℃、100 mL的水中，同時開動磁力攪拌器勻速攪動（轉(zhuǎn)速750 r/min），記錄攪拌開始到粉末完全溶解所需時間。溶解過程中觀察有無結(jié)塊和沉淀，溶液是否均勻穩(wěn)定。

1.4.7其他測定方法

色差測定［19］；還原糖含量，按GB/T 5009.7-2008《食品中還原糖的測定》方法進行測定；氨基態(tài)氮含量，按ZBX66038-87《氨基態(tài)氮測定法》進行測定；超氧化物歧化酶活性（SOD），按GB/T5009.171-2003《保健食品中超氧化物歧化酶活性的測定》方法進行測定；多酚含量［20］，采用紫外分光光度法測定。

2　結(jié)果與分析

2.1噴霧干燥單因素試驗結(jié)果

2.1.1進風溫度對黑蒜粉出粉率的影響

進風溫度對黑蒜粉出粉率的影響見圖1。

圖1　進風溫度和料液濃度分別對黑蒜粉出粉率的影響Fig.1　The effect of inlet air temperature and concentration of feed liquid on the flour yield

由圖1可知，隨著進風溫度的升高，出粉率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當進風溫度為175℃時，出粉率達到最大值，這是由于較高的進風溫度使得氣流分子無規(guī)則運動的劇烈程度加快，料液對流傳熱傳質(zhì)的推動力增強，其干燥速率得到提高；當進風溫度為小于175℃時，出粉率較低，這與較低的進風溫度使得料液干燥速率降低，料液因干燥不充分而易造成粘壁，甚至出現(xiàn)流液現(xiàn)象有關(guān)；當進風溫度大于175℃時，隨著溫度的升高，出粉率反而下降，可能是因為過高的進風溫度，超過物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并在干燥塔壁面發(fā)生焦糖化反應(yīng)，出現(xiàn)少量的粘壁現(xiàn)象［21-22］。由此確定進風溫度的范圍為165℃～185℃。

2.1.2料液濃度對黑蒜粉出粉率的影響

料液濃度對黑蒜粉出粉率的影響見圖1。

由圖1可知，出粉率受料液濃度的影響十分顯著。在10%～19%的范圍內(nèi)，隨著料液濃度的增加，出粉率接近直線上升，料液濃度為19%時出粉率達到最大，之后呈下降趨勢。這可能是由于料液濃度過低，含水量高，使噴霧干燥效率下降的緣故。而濃度太高，使物料流動性變差，從而降低料液的噴出速度，且易堵塞噴頭，難清洗。因此選擇料液濃度在13%～19%的范圍內(nèi)。2.1.3進風流量對黑蒜粉出粉率的影響

進風流量對黑蒜粉出粉率的影響見圖2。

圖2　進風流量和麥芽糊精添加量分別對黑蒜粉出粉率的影響Fig.2　The effect of inlet air flow rate and adding amount of dextrinand on the flour yield

由圖2可知，隨著進風流量的增大，出粉率先呈增長趨勢，在0.46 m3/min時達到最大，這是由于干燥介質(zhì)和液滴的相對速度愈大，愈能提高傳熱傳質(zhì)的效果；當進風流量大于0.46 m3/min時，出粉率逐漸下降，這大概是因為提高熱風流量可以使被蒸發(fā)的水分快速離開干燥筒，但物料在干燥筒中的停留時間也隨之變短，故易導致黑蒜粉水分含量升高，從而出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象；當進風流量小于0.46 m3/min時，出粉率呈下降趨勢，這是由于較低的進風流量降低傳質(zhì)傳熱效果，增大物料粘性，同時，不能被及時抽走，而粘于壁上。因此進風流量應(yīng)選擇在0.43 m3/min～0.49 m3/min范圍內(nèi)。

2.1.4麥芽糊精添加量對黑蒜粉出粉率的影響

麥芽糊精添加量對黑蒜粉出粉率的影響見圖2。

由圖2可知，隨著麥芽糊精添加量的添加，出粉率逐漸上升，當麥芽糊精添加量達到料液濃度的55%時，出粉率最高，之后卻逐漸降低，這可能是由于麥芽糊精添加過多，導致料液濃度過高，噴霧難度增大，且添加過多會影響產(chǎn)品風味。相反，若麥芽糊精添加過少，使物料無法被完全包埋，不能提高其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度［23-24］，易出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，影響產(chǎn)品溶解性。綜合評價，選取麥芽糊精添加量為料液濃度的55%。

2.2響應(yīng)曲面法優(yōu)化噴霧干燥條件的試驗結(jié)果

2.2.1響應(yīng)曲面試驗設(shè)計與結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，確定麥芽糊精添加量為料液濃度的55%、進料流量為1 025 mL/h，以進風溫度，料液濃度和進風流量為自變量，以出粉率Y為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗設(shè)計，進行響應(yīng)面分析，試驗設(shè)計與結(jié)果如表2所示。

表2　Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2　Box-Behnken experimental design and results

采用Design-Expert8.0軟件對以上的試驗數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸分析，得到的回歸方程：Y=40.89-1.59A+5.91B-1.47C-0.57AB-1.01AC+0.015BC-8.33A2-4.32B2-1.60C2，并對該方程進行方差分析。

2.2.2響應(yīng)曲面試驗分析

響應(yīng)曲面試驗分析見表3。

表3　方差分析表Table 3　Analysis of variance table

由表3可知：回歸模型顯著（P＜0.000 1），并且失擬項不顯著（P=0.164 2>0.05），R2=0.983 0、R2Adj=0.961 2說明此模型能解釋96.12%響應(yīng)區(qū)面的變化，多項回歸方程與實際數(shù)據(jù)擬合良好，因此此模型可以真實地擬合和預測實際情況。從回歸方程系數(shù)顯著性檢驗可知：一次項B、二次項A2、B2對出粉率影響極顯著，一次項A、C和二次項C2對出粉率影響顯著，其余交互項的影響均不顯著。由此可見，進風溫度、進風流量和料液濃度對出粉率的影響均顯著。3個因素影響出粉率效果的主次依次為：B>A>C，即料液濃度>進風溫度>進風流量。

2.2.3各因素及交互作用對黑蒜粉出粉率的影響

各因素及交互作用對黑蒜粉出粉率的影響見圖3。

圖3是通過分別固定進風溫度、料液濃度和進風流量，研究其他兩個因素之間的交互作用，并分析其對黑蒜出粉率的影響規(guī)律。

由圖3a可知，進風流量為0.46 m3/min時，出粉率隨著進風溫度和料液濃度的增加均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當進風溫度和料液濃度分別在172℃～178℃、17%～19%的范圍內(nèi)有極大值；從圖3b中可以看出，料液濃度為16%時，隨著進風流量的增加，出粉率先增加再減少，當進風流量在0.44 m3/min～0.47 m3/min的范圍內(nèi)，出粉率達到最高。且進風溫度在172℃～179℃范圍內(nèi)，出粉率先逐漸增加，達到極大值后逐漸降低；圖3c顯示，進風溫度為175℃時，出粉率隨著進風流量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而隨著料液濃度的增加呈現(xiàn)出先升高后趨于穩(wěn)定趨勢，當進風流量和料液濃度分別在0.44 m3/min～0.46 m3/min、17.5%～19%的范圍內(nèi)，可使黑蒜的出粉率達到最大值。

2.2.4黑蒜粉噴霧干燥工藝最佳參數(shù)的確定及模型驗證結(jié)果

根據(jù)二次多項式回歸分析，得到黑蒜粉噴霧干燥的最佳工藝參數(shù)為：進風溫度174.06℃、料液濃度18.07%、進風流量0.45 m3/min，出粉率為43.31%。在該優(yōu)化條件下進行模型驗證試驗，為保證試驗的可行性，將試驗參數(shù)改為：進風溫度174℃、料液濃度18%、進風流量0.45 m3/min，經(jīng)試驗得到的黑蒜粉平均出粉率為42.07%，比理論值下降2.86%，小于5%，試驗值與理論值基本吻合，能較好地預測黑蒜粉噴霧干燥效果。

2.3黑蒜粉產(chǎn)品質(zhì)量指標

2.3.1感官指標

經(jīng)上述參數(shù)優(yōu)化制成的黑蒜粉，外觀呈細微粒粉末狀，顏色為淺褐色，口感酸甜，具有黑蒜特有的香味，沖飲口感細膩，無結(jié)塊現(xiàn)象。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，主要成分為糖類，并含有多種活性物質(zhì)，且水分含量低，適宜密封長期儲存。

2.3.2理化指標

理化指標見表4。

2.3.3粉體特性

粉體特性見表5。

圖3　各因素間交互作用影響出粉率效果的響應(yīng)面及等高線圖Fig.3　Response surface and contour plot of the effect of the interaction of each factor on the black garlic powder rate

表4　黑蒜粉營養(yǎng)成分含量Table 4　Nutrient content of black garlic powder

表5　黑蒜粉粉體特性Table 5　Characteristics of black garlic powder

3　結(jié)論

1）用果膠酶和纖維素酶同時酶解黑蒜漿，在復合酶（果膠酶與纖維素酶質(zhì)量比為2∶1）添加量為底物濃度的0.6%，pH4.5，溫度50℃，酶解時間90 min的條件下，其可溶性固形物得率達82.5%，比不加酶（70.5%）增長了17%，顯著提高了黑蒜中有效成分的溶出率，降低物料粘度，增強噴霧效果和原料利用率。因此，結(jié)合酶解工藝對黑蒜進行噴霧干燥可提升黑蒜粉的品質(zhì)和產(chǎn)量。

2）運用響應(yīng)曲面法對黑蒜酶解液的噴霧干燥工藝進行優(yōu)化，得到的模型顯著，與實際數(shù)據(jù)擬合良好。各因素對出粉率的影響為：料液濃度>進風溫度>進風流量。通過多項式回歸分析，得到黑蒜粉噴霧干燥的最佳條件：出風溫度為80℃，進料流量為1 025 mL/h，麥芽糊精添加量為料液濃度的55%，進風溫度為174℃、料液濃度為18%、進風流量為0.45 m3/min，經(jīng)3次重復試驗，黑蒜粉得率為42.07%。

3）該工藝條件下制得的黑蒜粉品質(zhì)良好，具有黑蒜獨特的香味和良好的水溶性，含水率小于5%，具有較高穩(wěn)定性，適合于較長時間儲藏。因此，利用噴霧干燥制備黑蒜粉是可行的，是黑蒜加工的重要途徑之一。

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Optimization of Spray Drying Process of Black Garlic Enzymatic Hydrolysate by Response Surface Methodology

REN Guang-yue，LIU Hang*，LIU Ya-nan
（College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China）

In order to obtain the black garlic powder with high nutritional retain and good solubility，the fresh garlic was fermented using solid state subsection temperature-changing fermentation to get black garlic.The black garlic was preprocessed by the means of enzymolysis.Then，enzymatic hydrolysate was dried to powder through spray drying.Based on the single factor test，the inlet air temperature，feed concentration and inlet air flow were selected as independent variables，and the powder rate was optimized by Box-Behnken test.In addition，the quality attribute of black garlic powder which obtained under the optimized drying condition had also been examined.The results showed that the soluble solids yield of black garlic enzymatic hydrolysate was in a high level of 82.5%.The flour yield was highest and reached 42.07%，when the enzymatic hydrolysate concentration was adjusted to 18%，the maltodextrin addition was 55%of feed concentration，inlet air temperature was 174℃and inlet air flow was 0.45 m3/min.Under these conditions，the moisture content of black garlic powder was less than 5%，which met the standard of solid beverage.Such the combination of enzymatic hydrolysis and spray drying process could be used for the processing of black garlic powder.

fermentation black garlic；enzymolysis；spray drying；response surface methodology；black garlic powder

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.21.017

國家自然科學基金項目（31271972）

任廣躍（1971—），男（漢），教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)。

2015-12-22