噴霧干燥法制備蔗汁桂圓固體飲料的研究

柴智慧，張佳欣，宋小榮，范松林，陸登俊，何惠歡

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；2.廣西工業(yè)職業(yè)技術學院，廣西南寧530001）

隨著人們生活方式的改變，生活節(jié)奏的加快，大眾追求健康和便捷飲食。固體飲料的研究始于20世紀70年代，憑借其營養(yǎng)豐富、食用方便、貨架期長等優(yōu)勢，在國內外發(fā)展迅速，成為當今便捷食品研究的熱點[1-3]。

甘蔗富含蔗糖、多酚、蛋白質、氨基酸等營養(yǎng)物質，具有抗腫瘤、抗病毒、抑菌等功效[4-6]。桂圓富含桂圓多糖，是一種藥食同源的傳統(tǒng)食材，具有延緩衰老、抗氧化、增強記憶等功效[7-10]。目前，甘蔗在我國主要用來制備白砂糖，桂圓主要用作鮮食水果或干燥后用作藥材或干食，兩者的產品結構較為單一。

噴霧干燥技術是將溶液、乳濁液、懸濁液等物料通過機械作用將物料分散形成霧滴，然后通入熱空氣使霧滴中的水分迅速氣化，以此獲得干制品。該技術的特點在于得到的產品顆粒均一，速溶性好，水分含量低，利于儲存，并可最大限度地保留其中的營養(yǎng)成分，具有獨特風味和香醇口感[11-15]。本試驗以蔗汁和桂圓為原料，添加麥芽糊精作輔料，采用噴霧干燥法，將混合液干燥成固態(tài)粉末，制備新型的固體飲料，并利用響應面試驗對噴霧干燥工藝條件進行優(yōu)化，最后對產品進行品質分析，以期為拓展甘蔗、桂圓的產品產業(yè)鏈提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

蔗汁：于2017年2月采購南寧甘蔗，自行壓榨；桂圓：南寧五里亭批發(fā)市場，產地南寧；麥芽糊精（20 DE值）、鹽酸（AR）、氯化鈉（AR）、氫氧化鈉（AR）、無水乙醇（AR）、其余試劑均為分析純：國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

WAY-2S數字阿貝折光儀：日本ATAGO公司；PHSJ4A酸度計：上海雷磁儀器公司；L500臺式低速離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；WZZ-2S自動旋光儀：上海精密科學儀器有限公司制造；RE-52旋轉蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；KQ-500DE數控超聲清冼器：昆山市超聲儀器有限公司；DC-1500實驗型噴霧干燥機：上海達程實驗設備有限公司；GYB30-60高壓均質機：上海東華高壓均質機廠。

1.2 方法

1.2.1 技術路線

噴霧干燥蔗汁桂圓固體飲料的工藝流程見圖1。

圖1 噴霧干燥蔗汁桂圓固體飲料的工藝流程Fig.1 The technological process of spray drying of sugarcane juice and longan solid beverage

1.2.2 操作要點

1）澄清處理[16]：采用振蕩離心的方法對甘蔗汁進行處理，振蕩溫度70℃，振蕩時間60 min，離心時間10 min，離心轉速7 000 r/min，旨在盡可能地保留蔗汁的營養(yǎng)成分。

2）超聲提取[17]：采用超聲法提取桂圓多糖及多酚兩種有效成分，浸泡時間90 min，超聲時間80 min，超聲功率300 W，提取溫度50℃。

3）兩倍濃縮：采用旋轉蒸發(fā)的方法將桂圓提取液濃縮至原體積的一半。

4）比例混合：將處理后的蔗汁和桂圓濃縮液以體積比為2∶1的比例混合制備成混合汁。

5）均質：將上述混合汁在20 MPa的條件下進行兩次均質。

6）滅菌：滅菌條件為 121℃、20 min。

7）噴霧干燥：在適宜的條件下進行噴霧干燥。

1.2.3 分析檢測

1）水分含量：參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》中減壓干燥方法。

2）集粉率[18]，其計算方法如下：

式中：S為集粉率，%；m為噴霧干燥后成品的質量，g；m0為噴霧干燥前料液的固形物含量，g；m1為噴霧干燥前加入麥芽糊精的質量，g。

1.3 噴霧干燥各工藝參數確定

1.3.1 單因素試驗

固定噴霧干燥的入料流量6 mL/min、進風溫度180℃、出風溫度80℃，研究不同的麥芽糊精添加量（10%、20%、30%、40%、50%）對產品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、進風溫度180℃、出風溫度80℃，研究不同的噴霧干燥的入料流量（3、6、9、12、15 mL/min）對產品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、出風溫度80℃，研究不同的噴霧干燥進風溫度（150、160、170、180、190 ℃）對產品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、進風溫度160℃，研究不同的噴霧干燥出風溫度（60、70、80、90、100℃）對產品集粉率和水分含量的影響。

1.3.2 響應面試驗

根據單因素試驗結果，響應面試驗優(yōu)化選取麥芽糊精添加量、入料流量、進風溫度、出風溫度四因素，以集粉率和水分含量為響應值。采用Design Expert8.0對試驗進行設計，試驗因素和水平如表1。

表1 響應面試驗因素水平表Table1 The level table of response surface experimental factors

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 麥芽糊精添加量對干燥效果的影響

麥芽糊精添加量對干燥效果的影響見圖2。

圖2 麥芽糊精添加量對干燥效果的影響Fig.2 The influence of maltodextrin addition on the drying effect

由圖2可知，成品集粉率隨著麥芽糊精添加量的增加而增大，麥芽糊精添加量在10%～30%時，集粉率變化明顯，集粉率由8.5%增至26.85%，在麥芽糊精添加量30%～50%之間時集粉率變化較慢，集粉率由26.85%增加到31.1%；麥芽糊精添加量在30%之前，產品的水分含量減少且效果顯著，在此之后再增加麥芽糊精的添加量，其水分含量變化不明顯；可能是在噴霧干燥過程中麥芽糊精可起到助干劑的作用，其添加量在30%之前，集粉率增加較多，水分減少，但超過之后，由于產品水分含量少，助干作用不明顯。因此，選取麥芽糊精的添加量為30%作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.2 入料流量對干燥效果的影響

入料流量對干燥效果的影響見圖3。

由圖3可看出，入料流量逐漸增加，產品集粉率隨之先增后減，在入料流量6 mL/min時，集粉效果較好；產品水分隨著入料流量的增加而增大。原因是在一定范圍內增加入料流量有利于提高產品的集粉率，但到達一定程度后再增加入料流量，此時物料的水分含量較多，不利于干燥集粉，使產品集粉率下降且水分含量偏大。因此，選取入料流量量為6 mL/min作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.3 進風溫度對干燥效果的影響

進風溫度對干燥效果的影響見圖4。

圖3 入料流量對干燥效果的影響Fig.3 The influence of feed flow rate on the drying effect

圖4 進風溫度對干燥效果的影響Fig.4 The influence of inlet air temperature on the drying effect

由圖4可知，隨著進風溫度的增加，干燥產品的集粉率呈現出先增加后降低的趨勢，在進風溫度為160℃時，干燥產品集粉率出現最大值31.28%。在噴霧干燥過程中，進風溫度過高過低均會影響集粉效果，進風溫度過低會導致產品干燥不完全，進風溫度過高會導致部分產品焦糖化；產品水分含量隨著進風溫度的升高逐漸降低，在干燥過程中，進風溫度可直接影響產品的水分含量，影響干燥的效果。因此，選取進風溫度為160℃作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.4 出風溫度對干燥效果的影響

出風溫度對干燥效果的影響見圖5。

由圖5可看出，隨著出風溫度逐漸增加，產品的集粉率隨之先增加后減小，在出風溫度為90℃時，干燥產品集粉率出現最大值30.83%；在出風溫度為60℃～100℃的范圍內，干燥產品的水分含量隨出風溫度的增加而降低。在噴霧干燥過程中出風溫度和進風溫度的作用相似，溫度高有利于降低產品的水分含量。因此，出風溫度選取90℃。

圖5 出風溫度對干燥效果的影響Fig.5 The influence of outlet air temperature on the drying effect

2.2 噴霧干燥工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應面優(yōu)化

在單因素試驗的基礎上，設計響應面試驗，選取影響干燥效果的4個主要因素麥芽糊精添加量、入料流量、進風溫度、出風溫度為自變量，設計響應面試驗。采用Design Expert8.0軟件對試驗數據回歸分析，試驗結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table2 The design of response surface experiment and its result

2.2.2 回歸模型

由表2的試驗結果，根據Design Expert8.0軟件可得出，各因子與集粉率和水分含量之間的回歸方程如下：

水分含量回歸模型

式中：Y1為物料的集粉率，%；Y2為物料的水分含量，%；A為麥芽糊精添加量，%；B為入料流量，mL/min；C為進風溫度，℃；D為出風溫度，℃。

2.2.3 模型檢驗

2.2.3.1 集粉率回歸模型方差分析

集粉率回歸模型方差分析見表3。

表3 集粉率回歸模型方差分析Table3 The variance analysis of set regression model

續(xù)表3 集粉率回歸模型方差分析Continue table 3 The variance analysis of set regression model

由表3可知，回歸模型F檢顯著，P值＜0.001，該回歸模型極顯著，其失擬項P值＞0.05，該模型失擬項不顯著，相關系數R2=0.880 1，此模型可解釋88.01%的數據變化，說明該模型擬合度較好。從表中可以看出，麥芽糊精添加量和入料流量對集粉率的線性效應均極顯著（P＜0.01），麥芽糊精添加量和入料流量的交互效應、麥芽糊精添加量和出風溫度的交互效應均顯著，其余影響均不顯著。將不顯著因素忽略后，回歸方程可簡化為：Y1=30.53+4.06A-2.67B-5.03AB-3.02AD。

2.2.3.2 水分含量回歸模型方差分析

水分含量回歸模型方差分析見表4。

表4 水分含量回歸模型方差分析Table4 The variance analysis of regression model of water content

續(xù)表4 水分含量回歸模型方差分析Continue table 4 The variance analysis of regression model of water content

由表4可知，回歸模型F檢顯著，P值＜0.001，回歸模型極顯著，其失擬項P值=0.273 8＞0.05，該模型失擬項不顯著，相關系數R2=0.891 4，此模型可解釋89.14%的數據變化，說明該模型擬合度較好。從表中可以看出，麥芽糊精添加量、進風溫度和出風溫度對集粉率的線性效應均極顯著（P＜0.01），4個因素的交互作用均不顯著。將不顯著因素忽略后，回歸方程可簡化為：Y2=1.41-0.74A-0.49C-0.43D。

2.2.4 噴霧干燥回歸模型的響應面分析

圖6、圖7分別為麥芽糊精添加量和出風溫度共同作用、進料流量和進風溫度共同作用對物料的集粉率和水分含量的響應曲面圖。

圖6 集粉率響應圖Fig.6 The powder collecting rate response chart

圖7 水分含量響應圖Fig.7 The moisture content response chart

圖6 中a為麥芽糊精添加量和出風溫度交互作用對產品集粉率的響應面曲線，可以看出，麥芽糊精添加量和出風溫度對產品集粉率均有影響，其中麥芽糊精添加量對集粉率的影響比出風溫度的影響更顯著。當保持出風溫度不變時，集粉率隨著麥芽糊精添加量的增大而增加；當保持麥芽糊精添加量不變時，隨著出風溫度的升高，干燥時間呈現先增加到最大值再降低的趨勢，其原因可能是出風溫度過高，導致物料發(fā)生焦糖化，從而降低其集粉率。

圖6中b為進風溫度和入料流量交互作用對產品集粉率的響應面曲線，可以看出，同一進風溫度水平下，開始時干燥樣品集粉率隨入料流量的增大而增大，當達到一定值后集粉率隨入料流量的增加而降低，原因可能是當超過一定的入料流量后再增加流量會造成物料干燥不充分，干燥產品未被收集，從而集粉率降低。在同一入料流量下，隨著進風溫度的升高，產品集粉率先增加后降低。

圖7中a為麥芽糊精添加量和出風溫度交互作用對產品水分含量的響應面曲線，可以看出，麥芽糊精添加量和出風溫度對產品水分含量均有影響。當保持出風溫度不變時，隨著麥芽糊精添加量的增加，水分含量先快速降低后趨于穩(wěn)定。當保持麥芽糊精添加量不變時，隨著出風溫度的升高，水分含量呈緩慢降低的趨勢。

圖7中b為進風溫度和入料流量交互作用對產品集粉率的響應面曲線，可以看出，進風溫度和入料流量對干燥產品的水分含量均有影響。當保持入料流量不變時，水分含量隨著進風溫度的升高而逐漸減小。當保持進風溫度不變時，入料流量對水分含量的影響與進風溫度相反，水分含量隨著入料流量的升高而增加。

2.2.5 優(yōu)化試驗的響應面分析

綜合響應面分析結果來看，選取最佳的噴霧干燥制備蔗汁桂圓固體飲料的工藝參數為：麥芽糊精添加量為40%，入料流量為3 mL/min，進風溫度167℃，出風溫度65℃。

2.3 產品質量分析

蔗汁桂圓固體飲料的制備工藝包括澄清、提取、濃縮、均質、干燥等過程，根據2.2.5最佳工藝條件制備蔗汁桂圓固體飲料，并進行產品質量分析。

2.3.1 產品品質分析

產品品質分析見表5。

表5 產品品質分析表Table5 The product quality analysis form

根據國家標準GB/T 29602-2013《固體飲料》中明確區(qū)別固體飲料的分類，并給出了定義及部分成分含量要求，但其對果蔬類固體飲料的理化指標等未有明確說明。因此，蔗汁桂圓固體飲料品質分析指標參考QB/T 3623-1999《果香型固體飲料》輕工行業(yè)標準，由表5可以看出，各檢驗指標均符合要求。

2.3.2 衛(wèi)生品質分析

衛(wèi)生品質分析見表6。

如表6所示為參考QB/T 3623-1999《果香型固體飲料》輕工行業(yè)標準對固體飲料衛(wèi)生指標的規(guī)定對產品衛(wèi)生品質進行分析，從表中可以看出，所生產的固體飲料符合衛(wèi)生要求。

2.3.3 沖調性分析

沖調前后蔗汁桂圓固體飲料照片見圖8。

表6 衛(wèi)生品質分析表Table6 The hygienic quality analysis form

圖8 沖調前后蔗汁桂圓固體飲料照片Fig.8 The photo of sugar cane juice and longan solid drink before and after the adjustment

由圖8可知：沖調前固體飲料為淡黃色，沖調后液體呈深黃色，具有蔗汁及圓應有的色澤。

綜上所述，蔗汁桂圓固體飲料的理化指標及衛(wèi)生指標達到了國家相關規(guī)定，并具有較好的飲用價值和感官效果。

3 結論

本文主要研究了在一定的噴霧干燥條件下，以蔗汁、桂圓為原料，添加麥芽糊精為輔料，制備蔗汁桂圓速溶固體飲料。確定最佳噴霧干燥工藝條件和蔗汁桂圓固體飲料的配方。試驗表明，蔗汁與桂圓濃縮汁的添加體積比為2∶1，麥芽糊精添加量為40%，入料流量為3 mL/min，進風溫度167℃，出風溫度65℃的條件下進行噴霧干燥所得蔗汁桂圓固體飲料溶解速度快，香甜可口，具有蔗汁桂圓特有的風味。