馬蹄淀粉微波間歇干燥工藝研究

唐小閑湯 泉張 巧劉 艷段振華

(1. 賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學(xué)院廣西馬蹄加工工程技術(shù)研究中心，廣西 賀州 542899；3. 廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西 賀州 542899；4. 賀州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

馬蹄(Water chestnut)，又稱荸薺、地栗、通天草，是莎草科荸薺屬淺水性宿根草本植物[1]，其球莖扁圓，熟后皮呈栗色或紅棕色，表面光亮而細膩，果肉白凈。馬蹄可分為水果馬蹄和粉馬蹄[2]，其中粉馬蹄，莖小果細，肉質(zhì)粗糙，渣多，淀粉、低聚糖和單糖的干重占86%以上[3]。粉馬蹄經(jīng)加工制成淀粉，可作為食品加工業(yè)重要的原輔料，具有較大的資源優(yōu)勢和樂觀的發(fā)展前景[4-5]。

評價淀粉類食品品質(zhì)可以通過碘藍值[6]、酸度[7]、白度[8]等重要指標(biāo)來反映。在馬蹄淀粉加工過程中，褐變、焦化現(xiàn)象時有發(fā)生，要使產(chǎn)品品質(zhì)達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，就要采用先進的加工技術(shù)。微波干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工及食品工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，近兩年國內(nèi)外已有關(guān)于微波干燥松花粉[9]、板栗淀粉[10]等粉末類的相關(guān)研究，但微波間歇干燥未見在馬蹄淀粉加工中研究及應(yīng)用。

本研究擬以微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間為主要因素進行正交試驗，確定馬蹄淀粉微波間歇干燥最佳工藝，以期為淀粉微波干燥的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮馬蹄：廣西“鐘山小果粉馬蹄”，賀州市農(nóng)貿(mào)市場。

所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

微波爐：G80D20CN1P-D2(S0)型，輸入功率700 W，直徑18 cm圓形裝料盤，廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

加熱型磁力攪拌器：MR-Hei-Tec型，德國海道夫公司；

水分測定儀：MA150型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

色差計：CR-10型，日本柯尼卡美能達控股株式會社；

可見分光光度計：722N型，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理 馬蹄清洗去皮，破碎勻漿，過濾后制作成濕基含水率平均值為40%的馬蹄濕淀粉，備用。

1.3.2 馬蹄淀粉微波間歇干燥單因素試驗 以馬蹄淀粉的含水率、白度、酸度和碘藍值為考核指標(biāo)，選微波功率、裝載量、加熱時間和間歇時間進行單因素試驗，確定各因素對考核指標(biāo)的影響。

(1) 微波功率：固定裝載量1.96 kg/m2，加熱時間10 min，間歇時間1.5 min，考查微波功率(0，140，280，420，560，700 W)對馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍值的影響。

(2) 裝載量：固定微波功率140 W，加熱時間10 min，間歇時間1.5 min，考查裝載量(0.98，1.96，2.94，3.93，4.91，5.89 kg/m2)對馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍值的影響。

(3) 加熱時間：固定微波功率140 W，裝載量1.96 kg/m2，間歇時間1.5 min，考查加熱時間(4，6，8，10，12，14 min)對馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍值的影響。

(4) 間歇時間：固定微波功率140 W，裝載量1.96 kg/m2，加熱時間14 min，考查間歇時間(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 min)對馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍值的影響。

1.3.3 正交試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以馬蹄淀粉的含水率、白度、酸度、碘藍值為指標(biāo)進行四因素三水平正交試驗。

1.3.4 水分的測定 按GB 5009.3—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》執(zhí)行。

1.3.5 白度的測定 參照文獻[11]，利用色差計測定馬蹄淀粉的明度指數(shù)L*，數(shù)值顯示越大表明被測物越白亮。

1.3.6 馬蹄淀粉的酸度測定 參照GB/T 22427.9—2008《淀粉及其衍生物酸度測定》的方法，酸度以10 g樣品所耗用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)表示，按式(1)計算：

(1)

式中：

X——樣品酸度，mL；

c——已標(biāo)定的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；

V1——樣品所耗用的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

V2——空白所耗用的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

m——樣品的干基質(zhì)量，g。

1.3.7 馬蹄淀粉的碘藍值測定 根據(jù)上官佳等[12]的方法，碘藍值按式(2)計算：

BVI=A650 nm×54.2+5，

(2)

式中：

BVI——碘藍值；

A650 nm——樣品在波長650 nm處的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗均設(shè)定3個平行，測定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示，應(yīng)用Origin Pro 2016軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬蹄淀粉微波間歇干燥單因素試驗

2.1.1 微波功率對馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖1、2可知，在相同物料裝載量、加熱時間、間歇時間條件下，微波功率越大，物料的含水率下降越顯著，碘藍值先升后降，酸度呈上升的趨勢，物料白度呈下降的趨勢，但變化不明顯 (P>0.05)。不同功率，各項指標(biāo)大小不相同。研究發(fā)現(xiàn)，在試驗過程中，微波功率過大，淀粉容易產(chǎn)生焦化、結(jié)塊的現(xiàn)象而影響品質(zhì)，在較低功率范圍品質(zhì)較好。在功率140 W時，物料含水率為30.31%；白度和碘藍值最高，分別為97.3%和16.76；酸度較低，為0.50 mL。綜合馬蹄淀粉品質(zhì)要求，故選140 W為較佳微波功率。

圖1 微波功率對馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 1 Effect of microwave power on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖2 微波功率對馬蹄淀粉酸度、碘藍值的影響

Figure 2 Effect of microwave power on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.2 裝載量對馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖3、4可知，在恒定微波功率、加熱時間、間歇時間條件下，裝載量越大，物料的含水率越大，碘藍值和白度呈先升后降的趨勢，但白度變化不顯著(P>0.05)，酸度呈先降后升的趨勢。在裝載量1.96 kg/m2時，物料含水率為30.31%，碘藍值為15.14，白度為97.3%，酸度為0.94 mL，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選 1.96 kg/m2為較佳裝載量。

圖3 裝載量對馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 3 Effect of loading on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖4 裝載量對馬蹄淀粉酸度、碘藍值的影響

Figure 4 Effect of loading on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.3 加熱時間對馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖5、6可知，在恒定微波功率、裝載量、間歇時間條件下，隨加熱時間的延長，物料含水率降低，白度變化不顯著(P>0.05)，碘藍值呈先減少后增加的趨勢，淀粉酸度逐漸增加。酸度增加的原因可能是微波干燥加熱方式從內(nèi)向外加熱，可以加快淀粉水解產(chǎn)生脂肪酸，導(dǎo)致馬蹄淀粉酸度升高。在加熱時間14 min時，物料的含水率為20.45%，白度為97.6%，碘藍值為16.79，酸度為0.51 mL，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選 14 min為較佳加熱時間。

2.1.4 間歇時間對馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖7、8可知，在恒定微波功率、裝載量、加熱時間條件下，隨間歇時間的延長，物料含水率和酸度的呈現(xiàn)先降后升的趨勢，碘藍值呈先升后降的趨勢，白度變化不明顯(P>0.05)。間歇時間較長，含水率下降緩慢，原因是在一定的時間范圍內(nèi)，微波間歇時間越長，加熱時間相對縮短，導(dǎo)致含水率升高。在間歇時間為1.0 min，物料的含水率為16.69%，白度為97.5%，酸度為0.45 mL，碘藍值為16.84，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選1.0 min為較佳間歇時間。

圖5 加熱時間對馬蹄淀粉含水率的影響

Figure 5 Effect of heating time on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖6 加熱時間對馬蹄淀粉酸度、碘藍值的影響

Figure 6 Effect of heating time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

圖7 間歇時間對馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 7 Effect of intermittent time on the water content and whiteness of water chestnut starch

2.2 馬蹄淀粉微波間歇干燥正交試驗結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選用L9(34)正交表(表1)，以淀粉的含水率、白度、酸度、碘藍值為指標(biāo)，對馬蹄淀粉進行四因素三水平正交試驗，結(jié)果見表2。

圖8 間歇時間對馬蹄淀粉酸度、碘藍值的影響

Figure 8 Effect of intermittent time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

在本試驗中，含水率和酸度這2個指標(biāo)都是越小越好，白度和碘藍值指標(biāo)都是越大越好，根據(jù)各指標(biāo)的重要程度對試驗結(jié)果進行綜合評分，使用隸屬度來表示指標(biāo)的分數(shù)，隸屬FD按式(3)計算：

(3)

式中：

FD——指標(biāo)隸屬；

F——指標(biāo)值；

FMAX——指標(biāo)最大值；

FMIN——指標(biāo)最小值。

指標(biāo)最大值的隸屬度為1，指標(biāo)最小值的隸屬度為0。含水率、白度、酸度、碘藍值4個指標(biāo)重要性不一樣，需要求出加權(quán)和作為綜合分數(shù)。將含水率、白度、酸度、碘藍值權(quán)重分別取0.5，0.1，0.2，0.2，則每個試驗的綜合分數(shù)=含水率隸屬度×0.5+白度隸屬度×0.1+酸度隸屬度×0.2+碘藍值隸屬度×0.2，綜合分最高的最好。由表3可知，試驗號7的綜合分最高。

表1 正交試驗因素與水平表

表2 L9(34)試驗設(shè)計與結(jié)果

根據(jù)正交試驗結(jié)果進行直觀分析，得到因素的主次和最優(yōu)方案，見表4～7。

根據(jù)表4～7，運用綜合平衡法得到綜合的最優(yōu)方案，具體平衡過程：

(1) 因素A：白度是取A2好，含水率、酸度和碘藍值3個指標(biāo)都是以A3為最佳水平；對含水率、白度、酸度和碘藍值4個指標(biāo)，A因素是最主要因素，在確定最優(yōu)水平時應(yīng)重點考慮。根據(jù)多數(shù)傾向和A因素對不同指標(biāo)的重要程度，選取A3。

(2) 因素B：含水率和碘藍值均是取B1好，白度與酸度均是取B3好；白度和酸度從Ki(ki)可以看出，白度B因素取B1或B3時相差很小，酸度B因素取B1或B3時相差不大；而從極差可以看出，白度為末位的次要因素，含水率和酸度的B因素均為第3位因素，而碘藍值的B因素為第2位因素，所以根據(jù)多數(shù)傾向和B因素對不同指標(biāo)的重要程度，選取B1。

(3) 因素C：含水率和碘藍值均是取C2好，白度取C3好，從Ki(ki)可以看出，白度C因素取C2與C3時白度相差較小，酸度取C1好。從極差可以看出，碘藍值的C因素為末位，含水率、白度和酸度3個指標(biāo)的C因素均排第2位因素，但含水率的極差懸殊最大，應(yīng)重點考慮，所以根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)原則和C因素對不同指標(biāo)的重要程度，選取C2。

表3 試驗結(jié)果綜合評分表

表4 含水率試驗結(jié)果分析

表5 白度試驗結(jié)果分析

表6 酸度試驗結(jié)果分析

表7 碘藍值試驗結(jié)果分析

(4) 因素D：含水率和白度都是取D3好，酸度取D2好，碘藍值取D1好，從Ki(ki)可以看出，白度D因素取D1與D3時白度相差較小；而從極差可以看出，含水率和酸度指標(biāo)中的D因素均為末位的次要因素，白度和碘藍值指標(biāo)的D因素為第3位的次要因素，根據(jù)多數(shù)傾向和D因素對不同指標(biāo)的重要程度，選取D1。

綜合上述分析，正交試驗的最佳工藝條件為A3B1C2D1，即微波功率210 W，裝載量1.47 kg/m2，加熱時間14 min，間歇時間0.75 min。

2.3 驗證實驗

在最佳工藝條件A3B1C2D1下進行驗證實驗，結(jié)果見表8。

表8 最佳工藝驗證實驗

在最優(yōu)條件下，微波間歇干燥后的馬蹄淀粉含水率10.12%，白度97.5%，酸度0.21 mL，碘藍值17.90，與正交試驗表中最好的第7號作對比，可知最優(yōu)方案比第7號試驗結(jié)果更好，所以認為A3B1C2D1是最佳工藝。

3 結(jié)論

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過正交試驗確定馬蹄淀粉微波間歇干燥的最佳工藝條件為：微波功率210 W，裝載量1.47 kg/m2，加熱時間14 min，間歇時間0.75 min。在最優(yōu)條件下，微波間歇干燥后的馬蹄淀粉含水率10.12%、白度97.5%、酸度0.21 mL、碘藍值17.90。此時含水率達到淀粉安全含水率的標(biāo)準(zhǔn)，白度得到小幅提高，酸度下降，碘藍值上升，因而綜合品質(zhì)得到提高。

微波間歇干燥作為一種新型干燥方式，干燥時間短、能量利用率高、干后品質(zhì)較好。該研究結(jié)果可以為實際生產(chǎn)中馬蹄淀粉微波干燥工藝提供參考依據(jù)，并促進傳統(tǒng)馬蹄淀粉加工業(yè)技術(shù)的進步和產(chǎn)品品質(zhì)的提高。

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