香蔥粉噴霧干燥工藝優(yōu)化

趙 磊，楚文靖,*，姜 薇，葉雙雙

（1.黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.黃山學(xué)院旅游學(xué)院，安徽 黃山 245041）

香蔥屬于百合科蔥屬植物，是日常膳食必備的調(diào)味品。香蔥不僅風(fēng)味辛香、營養(yǎng)豐富，還具有一定的抗氧化[1]、抗腫瘤[2]、抑菌[3]、降血脂[4]等作用。脫水香蔥作為方便食品和休閑食品的調(diào)味料，在國內(nèi)外具有廣闊的市場。目前，研究報(bào)道的香蔥干燥技術(shù)有熱風(fēng)干燥[5]、微波干燥[6]、真空冷凍干燥[7]、催化式紅外干燥[8]等。

噴霧干燥是食品工業(yè)用于果蔬粉生產(chǎn)的常用干燥方式之一，如山藥粉[9]、慈姑粉[10]、乳酸發(fā)酵芥菜調(diào)味粉[11]等。噴霧干燥工藝參數(shù)的選擇直接影響到產(chǎn)品的出粉率和品質(zhì)。因此本研究以香蔥為原料，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化了香蔥粉的噴霧干燥工藝參數(shù)，以期為香蔥粉的連續(xù)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

新鮮香蔥：購于黃山市屯溪區(qū)萬貫家園菜市場；麥芽糊精：食品級，河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司，購于京東商城。

1.1.2 儀器與設(shè)備

ADL-311 型噴霧干燥器，AD500S-P 試驗(yàn)室分散均質(zhì)機(jī)，HX-PB9636 型破壁料理機(jī)，A2124CN 型電子天平，DZ500/2S 型真空包裝機(jī)。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

原料挑選→清洗→瀝干→切分→與水按照比例混合→置于破壁機(jī)初步粉粹→加8%的麥芽糊精（助干劑）→分散均質(zhì)機(jī)均質(zhì)→過濾→噴霧干燥→真空包裝→成品

1.2.2 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

噴霧干燥時，在進(jìn)料液之前先進(jìn)一段時間的純凈水，清洗噴嘴以及管道。每組試驗(yàn)結(jié)束后都要將噴霧干燥機(jī)進(jìn)行清洗，防止不同組的料液和香蔥粉互相混合污染。噴霧干燥得出的香蔥粉，應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行真空包裝，防止香蔥粉吸濕。

1.2.3 助干劑的選擇

蔬菜中有許多糖類和有機(jī)酸，這些小分子物質(zhì)使噴霧干燥過程發(fā)生粘壁現(xiàn)象，貯藏過程中產(chǎn)品具有高吸濕性和結(jié)塊性，對噴霧干燥具有不利的影響，加入助干劑可以有效緩解這一現(xiàn)象。麥芽糊精因其具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、無味、價格低廉，常常添加到果粉中以提高粉體的流動性，減少吸濕結(jié)塊現(xiàn)象[12-13]。另外，麥芽糊精特有的中空結(jié)構(gòu)可以作為微膠囊的壁材，有效提高香味成分耐氧、耐光的能力，保護(hù)并截留香蔥中有效的香味成分[14]。因此本研究選用麥芽糊精為助干劑，一方面可以減少噴霧干燥過程中粘壁的現(xiàn)象，另一方面可以起到保護(hù)香蔥中揮發(fā)性成分的作用。

1.2.4 噴霧干燥單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.4.1 料液濃度范圍的確定

分別準(zhǔn)確配比10%、20%、30%、40%、50%濃度的香蔥溶液，并且加入總質(zhì)量8%的麥芽糊精作為助干劑，進(jìn)口溫度120 ℃，熱空氣流量0.43 m3/min 進(jìn)行噴霧干燥，計(jì)算噴霧干燥香蔥粉得率，篩選適宜的料液濃度范圍。

1.2.4.2 進(jìn)口溫度范圍的確定

通過調(diào)節(jié)噴霧干燥機(jī)的進(jìn)口溫度分別為80、100、120、140、160 ℃，將進(jìn)料濃度調(diào)配到 40%，熱空氣流量0.43 m3/min 的條件下進(jìn)行噴霧干燥，計(jì)算噴霧干燥香蔥粉得率，篩選適宜的進(jìn)口溫度范圍。

1.2.4.3 熱空氣流量范圍的確定

通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量檔位分別為 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，分別對應(yīng)的平均進(jìn)風(fēng)量為 0.12、0.19、0.32、0.43、0.50、0.57 m3/min，將料液濃度固定在 40%，進(jìn)口溫度120 ℃下進(jìn)行噴霧干燥，計(jì)算噴霧干燥香蔥粉得率，篩選適宜的熱空氣流量范圍。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，以香蔥粉的得率（R）為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面試驗(yàn)對噴霧干燥的料液濃度、進(jìn)口溫度和熱空氣流量3 個影響得率的因素進(jìn)行考察優(yōu)化，響應(yīng)面試驗(yàn)水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken 設(shè)計(jì)水平編碼表Table 1 Factors and levels for Box-Behnken design

1.2.6 香蔥粉得率的測定

得率（%）=噴霧干燥制得的香蔥粉質(zhì)量/(新鮮香蔥質(zhì)量+麥芽糊精質(zhì)量）×100

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)3 次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。采用Design Expert v8.0 軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液濃度對香蔥粉得率的影響

如圖1 所示，在料液濃度為30%時，香蔥粉得率最高，為25.7%，料液濃度從10%增加到30%時，香蔥粉得率逐漸增大，這是因?yàn)榱弦褐兴谋壤谥饾u減少。而料液濃度從30%增加到50%時，香蔥粉的得率反而降低，這是因?yàn)榱弦簼舛冗^大時，黏度也相應(yīng)地增高，不利于噴霧干燥過程中料液的霧化，從而使料液與熱空氣的接觸面積減少，降低干燥效率。因此選取25%、30%、35%作為響應(yīng)面分析時料液濃度因素的3 個水平為宜。

2.1.2 進(jìn)口溫度對香蔥粉得率的影響

如圖2 所示，當(dāng)進(jìn)口溫度140 ℃時，噴霧干燥具有最高的得粉率。進(jìn)口溫度低于140 ℃時，升溫對于噴霧干燥得率是有利的影響，這是因?yàn)闇囟鹊纳?，可以增加水分的蒸發(fā)速率，促進(jìn)噴霧干燥過程的進(jìn)行，提高噴霧干燥的效率。而進(jìn)口溫度從140 ℃增加到160 ℃時，噴霧干燥香蔥粉的得粉率反而下降，這是因?yàn)檫^高的溫度一方面增加料液在噴嘴處發(fā)生焦糊現(xiàn)象的可能，會堵塞噴嘴，另一方面溫度的升高會伴隨料液黏度及麥芽糊精黏度的增加，阻擋料液的霧化過程，使得料液噴霧干燥效率降低。因此選取130、140、150 ℃作為響應(yīng)面分析中進(jìn)口溫度的3 個水平為宜。

2.1.3 熱空氣流量對香蔥粉得率的影響

如圖3 所示，在熱空氣流量檔位為4.0（對應(yīng)的熱空氣流量為0.32 m3/min）時，噴霧干燥所得香蔥粉的得率最高，為26.2%。在熱空氣流量檔位為3.0、3.5、4.0 時，隨著熱空氣流量的增加，得率逐漸增加，這是由于熱空氣流量的增加不僅能夠使對流換熱系數(shù)增大，而且能夠增加干燥空氣與食品接觸的頻率，從而能夠吸收和帶走更多的水分，提高噴霧干燥的效率。當(dāng)熱空氣流量檔位大于4.0 時，熱空氣流量的增加反而使香蔥粉得率降低，分析這是因?yàn)闊峥諝饬髁窟^高，使得干燥空氣的流速過高，香蔥粉在干燥腔中完成干燥后，在旋風(fēng)部并未到達(dá)收集瓶中，而是隨著干燥空氣排出到環(huán)境中，造成香蔥粉的損失，引起噴霧干燥的效率降低。因此選取熱空氣流量檔位分別為3.5、4.0、4.5（所對應(yīng)的熱空氣流量分別為0.19、0.32、0.43 m3/min）作為響應(yīng)面試驗(yàn)的 3 個水平為宜。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以料液濃度、進(jìn)口溫度、熱空氣流量為主要影響因素，得率為響應(yīng)值得到響應(yīng)面分析結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiments

2.2.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)

采用Design Expert v8.0 軟件對表2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析多元非線性回歸分析，得到A料液濃度、B進(jìn)口溫度、C平均干燥空氣進(jìn)量對香蔥粉得率R的擬合方程：

R=30.06+0.95A+0.86B+1.24C-0.43AB-0.33AC-0.50BC-2.06A2-2.78B2-1.83C2

對該模型進(jìn)行方差分析，各項(xiàng)回歸系數(shù)及其顯著性結(jié)果如表3～4 所示。

表3 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)Table 3 The variance analysis and significance test of regression model for yield

表4 回歸模型方差分析Table 4 The variance analysis of regression model

由表3 可見，此擬合方程模型的P＜0.01，表明此模型極顯著，A、B、C、A2、B2、C2的P值均小于 0.01，說明料液濃度、進(jìn)口溫度和熱空氣流量對香蔥粉得率的影響極顯著。根據(jù)表4 可以看到，該模型對噴霧干燥香蔥得率的擬合度為0.979 2，校正擬合度為0.952 4，說明該模型能夠解釋95.24%的響應(yīng)曲面的變化，擬合程度較高，可以用來預(yù)測香蔥粉的得率。

2.2.3 各因素的交互作用對香蔥粉得率的影響分析

響應(yīng)面中兩個因素交互作用的強(qiáng)弱可以根據(jù)等高線的形狀反應(yīng)，橢圓形表示兩個因素交互作用強(qiáng)，圓形則表示交互作用較弱。通過固定一個因素，可以分析另外兩個因素的交互作用。對圖4～6 進(jìn)行分析可知，進(jìn)口溫度在135～145 ℃，料液濃度在30%～32.5%，熱空氣流量在3.5～4.5 可以獲得較高的噴霧干燥香蔥粉的得率，進(jìn)一步驗(yàn)證了單因素分析的結(jié)果。

當(dāng)固定熱空氣流量水平為0（實(shí)際值為0.32 m3/min）時，由圖4 可見，隨著料液濃度和進(jìn)口溫度的增加，香蔥粉得率先增加后減少，說明存在進(jìn)口溫度和料液濃度的最佳組合，可使得得率最高。且料液濃度相較于進(jìn)口溫度使得率變化更加明顯，即料液濃度更能夠影響香蔥粉的得率。將進(jìn)口溫度固定在140 ℃，料液濃度固定在30%時，香蔥粉的得率不低于30%。

當(dāng)固定進(jìn)口溫度水平為0（實(shí)際值為140 ℃）時，由圖5 可見，隨著熱空氣流量和料液濃度的增加，噴霧干燥香蔥粉的得率先增加后減少。且熱空氣流量相比較于料液濃度對得率的影響更加顯著，在料液濃度固定在30%，熱空氣流量在0.32 m3/min，噴霧干燥香蔥粉得率不低于30%。

當(dāng)固定料液濃度水平在0（實(shí)際值為30%）時，由圖6 可見，隨著進(jìn)口溫度和熱空氣流量的增加，香蔥粉的得率先增加后減少，說明存在可使得率最高的進(jìn)口溫度和熱空氣流量組合。且進(jìn)口溫度比熱空氣流量對得率的影響更加顯著。當(dāng)熱空氣流量在0.32 m3/min，進(jìn)口溫度在140 ℃時，香蔥粉的得率不低于30%。

2.3 噴霧干燥香蔥粉得率的工藝優(yōu)化及驗(yàn)證

根據(jù)Design Expert v8.0 軟件的優(yōu)化結(jié)果可知，當(dāng)料液濃度31%，進(jìn)口溫度141 ℃，噴霧干燥機(jī)的平均進(jìn)風(fēng)量示數(shù)為4.1 時，可得到理論值為30.4%的香蔥粉得率。為了驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果，同時考慮實(shí)際試驗(yàn)操作的可行性，將試驗(yàn)條件確定為：料液濃度30%，進(jìn)口溫度140 ℃，熱空氣流量0.32 m3/min（對應(yīng)進(jìn)風(fēng)量檔位為4.0）。采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行噴霧干燥試驗(yàn)，所得香蔥粉得率為30.9%，與預(yù)測值基本一致。說明響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果具有可行性和良好的重現(xiàn)性。

3 結(jié)論

以市售香蔥為原料，以料液濃度、進(jìn)口溫度、熱空氣流量為影響因素，以噴霧干燥香蔥粉得率為響應(yīng)值，進(jìn)行香蔥粉噴霧干燥工藝的響應(yīng)面分析，并建立了回歸方程。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際得到優(yōu)化的最佳工藝條件為：料液濃度30%，進(jìn)口溫度140 ℃，熱空氣流量0.32 m3/min（對應(yīng)進(jìn)風(fēng)量檔位為4.0），在此條件下香蔥粉的得率為30.9%，得到的香蔥粉淡綠色，分散性好，并保留了香蔥特有的氣味。