紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的噴霧干燥工藝研究

＊賀韶欽 吳思怡 張梅 肖志勇 葉艷鵬 張燕杰*

（1.閩江學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 福建 350108 2.福州帥寶生物科技有限公司 福建 350008）

1.前言

紅豆（Vigna Angularis）是一種被廣為利用的藥食同源食物。中藥典籍記載，紅豆具有清熱祛濕、補(bǔ)脾補(bǔ)血、利水消腫等功效?，F(xiàn)代研究表明，紅豆富含多酚、多糖、多肽、皂苷、黃酮等多種生物活性物質(zhì)，并具有抗氧化、抗衰老、降血壓、預(yù)防改善糖尿病和抗腫瘤等多種藥理活性[1]。薏米（Semen Coicis）同樣是理想的藥食兼用的原材料，具有利水消腫、健脾滲濕、清熱補(bǔ)肺等功效。薏米富含蛋白質(zhì)、可溶性多糖、薏苡仁油、淀粉以及人體必須的氨基酸、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，還富含多酚、酯類、甾醇類等活性成分[2]。研究表明，薏苡仁具有增強(qiáng)免疫、降血糖、鎮(zhèn)痛消炎、抗腫瘤等藥理作用[3]。茯苓（Poria Cocos）是藥食兩用的大宗中藥材，臨床使用廣泛，具有利水滲濕、健脾寧心等功效。茯苓富含三萜類和多糖類化合物，具有抗氧化、抗炎、免疫活性調(diào)節(jié)、降血脂、降血糖、抗腫瘤等藥理作用[4-5]?？梢姡t豆、薏米和茯苓具有相似的功效和生理活性。將其中兩者或三者聯(lián)合食用，已被人們廣泛用于健脾胃、祛體濕、潤腸通便等保健目的[6]。

隨著人民生活水平的提高及飲食結(jié)構(gòu)的變化，人們對(duì)營養(yǎng)且兼具多重保健功效的新型食品日益青睞。目前，以紅豆、薏米或茯苓為原料開發(fā)的速食或飲料產(chǎn)品已有多種，如粥、茶、糕點(diǎn)、沖劑等，但多為初級(jí)加工產(chǎn)品，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝簡單，附加值不高。通過深加工及精細(xì)化加工將紅豆、薏米和茯苓加工為復(fù)合速溶粉，可以使三者的營養(yǎng)及活性物質(zhì)充分釋放，有利于促進(jìn)人體吸收，且攜帶及食用方便，可實(shí)現(xiàn)高值化利用。目前關(guān)于紅豆、薏米和茯苓三組分復(fù)合速溶粉的制備工藝研究尚未見報(bào)道。

噴霧干燥（Spray drying）技術(shù)是采用霧化器將原料液分散為霧滴，并用熱氣體干燥霧滴而獲得產(chǎn)品的一種干燥方法。該方法具有干燥效率高、適宜于連續(xù)化生產(chǎn)等特點(diǎn)；同時(shí)，由于熱氣體中的熱量主要用于汽化溶劑，物料本身可不承受高溫，因此特別適用于熱敏性物料的干燥；其產(chǎn)品直接為粉末，可省去粉碎等加工工序；且其產(chǎn)品通常具有良好的分散性和溶解性。目前，噴霧干燥技術(shù)已廣泛用于食品加工、制藥和化工行業(yè)。在食品加工領(lǐng)域，該技術(shù)已應(yīng)用于豆粉[7]、速溶棗粉[8]、枸杞速溶粉[9]、草莓速溶粉[10]等產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)加工。

為確定紅豆、薏米和茯苓復(fù)合速溶粉的最佳噴霧干燥工藝，為后續(xù)復(fù)合速溶粉產(chǎn)品的開發(fā)提供借鑒，本文以購置的紅豆、薏米和茯苓提取物為原料配置成復(fù)合提取液，以替代真實(shí)發(fā)酵提取液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)研究了不同噴霧干燥工藝條件對(duì)三組分復(fù)合速溶粉的出粉率和微觀形貌的影響。

2.實(shí)驗(yàn)部分

(1)材料及儀器

材料：紅豆比例提取物（10:1）、薏米比例提取物（10:1）、茯苓比例提取物（10:1）均購于西安四季生物科技有限公司，均為固體粉末。實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自制超純水。

儀器：噴霧干燥機(jī)（YC-501）：上海雅程儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)。超純水機(jī)（Milli-Q Simplicity）：德國默克集團(tuán)生命科學(xué)事業(yè)部。磁力攪拌器（DT-18）：常州兆圣實(shí)驗(yàn)設(shè)備制造有限公司。分析天平（ME104E）：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

(2)復(fù)合速溶粉的制備過程

代表性制備過程如下：準(zhǔn)確稱取10.0g紅豆提取物、5.0g薏米提取物和5.0g茯苓提取物，依次投入80mL超純水中，經(jīng)機(jī)械攪拌至完全溶解，得到三者的混合溶液。將混合溶液在YC-501噴霧干燥機(jī)上進(jìn)行噴霧干燥處理得到復(fù)合速溶粉，過程準(zhǔn)確控制進(jìn)料速率、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)壓力（0.2MPa）等參數(shù)。

(3)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

研究進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料流量和料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噴霧干燥出粉率及速溶粉微觀結(jié)構(gòu)的影響。在研究某一影響因素時(shí)，其它因素保持不變。各組實(shí)驗(yàn)條件如下：固定料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，進(jìn)料流量為6mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度分別取140℃、160℃、180℃和200℃；固定進(jìn)料流量為 6mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度為180℃，料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取5%、10%、20%、30%；固定料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，進(jìn)風(fēng)溫度為180℃，進(jìn)料流量分別取3mL/min、4.5mL/min、6mL/min和9mL/min。

(4)復(fù)合速溶粉的出粉率測(cè)定及結(jié)構(gòu)表征

①出粉率的測(cè)定

出粉率（%）=m/mt×100%

式中：m為噴霧干燥獲得產(chǎn)物質(zhì)量；mt為初始提取物粉末總質(zhì)量。

由圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)，不同開挖深度加載對(duì)圍護(hù)樁的水平位移影響較大。隨著基坑開挖深度增大而進(jìn)行加載，圍護(hù)樁最大位移逐漸減小，且加載時(shí)的開挖深度越大，圍護(hù)樁最大水平位移減小量越大，基坑未開挖之前進(jìn)行加載圍護(hù)樁產(chǎn)生的水平位移最大。因此，在實(shí)際工程中，基坑應(yīng)盡早施工并開挖至坑底，減少斜拱樁基施工產(chǎn)生的大水平推力對(duì)深基坑圍護(hù)樁變形的影響。

②掃描電子顯微鏡（SEM）分析

使用SU8000型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立）對(duì)復(fù)合速溶粉的微觀形貌進(jìn)行分析。采用冷場(chǎng)電子發(fā)射源，放大倍數(shù)為1000倍。

③粉末X-射線衍射（PXRD）分析

使用SmartLab型粉末X-射線衍射儀（日本理學(xué)）對(duì)復(fù)合速溶粉的結(jié)晶性進(jìn)行分析。采用高速一維陣列探測(cè)器，Cu靶X射線源，管電壓為40kV，管電流為15mA，掃描步長為0.02°，掃描速率10°/min，掃描范圍3°～40°。

3.結(jié)果與討論

(1)噴霧干燥工藝條件對(duì)紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉出粉率的影響

由噴霧干燥原理可知，在干燥室中料液經(jīng)噴槍霧化后與吹入的熱氣體混合。霧滴中的水分受熱快速汽化，同時(shí)形成細(xì)小速溶粉粒子。速溶粉粒子與含有蒸汽的濕空氣一同進(jìn)入旋風(fēng)分離器并與濕空氣分離。復(fù)合速溶粉最終被收集在旋風(fēng)分離器底部的儲(chǔ)罐中。濕空氣進(jìn)入冷凝器，其中的水分被冷凝，干空氣則被排空。

圖1為不同進(jìn)風(fēng)溫度所對(duì)應(yīng)的出風(fēng)溫度（旋風(fēng)分離器前端的氣體溫度）以及紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的出粉率。由圖可知，進(jìn)風(fēng)溫度為140℃時(shí)，出粉率為45.9%。隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，復(fù)合速溶粉出粉率逐漸升高。進(jìn)風(fēng)溫度為200℃時(shí)，出粉率達(dá)68.8%，較140℃時(shí)提高了約50%。這是由于在相同的進(jìn)料流量時(shí)，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，原料液霧化液滴中的水分發(fā)生汽化的時(shí)間縮短，汽化效率提高，從而降低了速溶粉顆粒因干燥不充分而發(fā)生在干燥室內(nèi)粘壁的可能性。最終使得最后經(jīng)旋風(fēng)分離器收集到的速溶粉的量逐漸提高，即出粉率提高。這與噴霧干燥出風(fēng)溫度隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高而升高的現(xiàn)象相吻合。

圖1 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥制備紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉出粉率的影響

圖2為不同進(jìn)料流量時(shí)，噴霧干燥出風(fēng)溫度及制備的紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的出粉率。由圖可知，進(jìn)料流量為3mL/min時(shí)，出粉率為72.1%。隨著進(jìn)料流量的升高，復(fù)合速溶粉出粉率逐漸降低，進(jìn)料流量為9mL/min時(shí)，出粉率為25.5%，較3mL/min時(shí)降低了64.6%。由于在相同的進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)壓力條件下，單位時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的熱量是恒定的。隨著進(jìn)料流量的升高，原料液霧化液滴中的水分發(fā)生汽化所需的熱量增大，導(dǎo)致部分霧滴未完全干燥，出現(xiàn)物料黏壁現(xiàn)象，從而出粉率降低。這與圖2中噴霧干燥出風(fēng)溫度隨著進(jìn)料流量的增大而降低的現(xiàn)象相吻合。

圖2 進(jìn)料流量對(duì)噴霧干燥制備紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉出粉率的影響

圖3為料液中含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提取物時(shí)，噴霧干燥出風(fēng)溫度及制備的紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的出粉率。由圖可知，當(dāng)料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)（如5%和10%），噴霧干燥出粉率僅為30%～35%。而當(dāng)料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，噴霧干燥出粉率明顯增大至54%～56%。由于進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)壓力不變，單位時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的熱量恒定不變。在進(jìn)料流量相同的情況下，料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，料液中的含水量相應(yīng)較低，原料霧滴的干燥效率則相應(yīng)較高，最終的噴霧干燥出粉率就較高。圖3中，料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，噴霧干燥出口溫度也相應(yīng)較高，這一現(xiàn)象也較好的印證了上述解釋。

圖3 料液中提取物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)噴霧干燥制備紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉出粉率的影響

(2)紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的微觀結(jié)構(gòu)表征

為研究紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉微觀形貌，本文對(duì)不同進(jìn)風(fēng)溫度下獲得的復(fù)合速溶粉進(jìn)行了SEM表征，結(jié)果如圖4所示。圖4可知，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為140℃時(shí)，復(fù)合速溶粉無特定形貌，尺寸分布范圍較寬。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為160℃和180℃時(shí)，復(fù)合速溶粉均具有較規(guī)則的類球狀結(jié)構(gòu)，尺寸約為5～20μm，部分顆粒間粘連現(xiàn)象明顯。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為200℃時(shí)，復(fù)合速溶粉顆粒尺寸同樣約為5～20μm，但顆粒間較少發(fā)生粘連現(xiàn)象，表明此進(jìn)風(fēng)溫度下獲得的復(fù)合速溶粉顆粒具有較好的單分散性。

圖4 噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)制備的紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉微觀形貌的影響

進(jìn)一步對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度為200℃時(shí)制得的復(fù)合速溶粉進(jìn)行XRD表征，結(jié)果如圖5所示?？梢?，復(fù)合速溶粉的晶體學(xué)形態(tài)為無定形態(tài)。無定形態(tài)的形成可能與原料中各組分間具有相互作用以及高溫噴霧干燥操作致使霧滴快速脫除水分等因素有關(guān)。溶液中各組分間的相互作用有助于抑制產(chǎn)物中結(jié)晶態(tài)的形成，同時(shí)，從動(dòng)力學(xué)角度高溫噴霧干燥快速脫除水分的過程不利于結(jié)晶產(chǎn)物的形成。相較于結(jié)晶形態(tài)，無定形態(tài)具有較高的比表面積和較好的水溶性，有利于產(chǎn)品速溶。

圖5 紅豆薏米茯苓復(fù)合速溶粉的XRD譜圖

4.結(jié)論

本文以紅豆、薏米和茯苓的提取物為原料，采用噴霧干燥法制備了三者的復(fù)合速溶粉。研究發(fā)現(xiàn)，在所關(guān)注的變量范圍內(nèi)，隨著進(jìn)風(fēng)溫度（160～200℃）的升高、進(jìn)料流量（3～9mL/min）的減小以及料液中提取物質(zhì)量含量（5%～30%）的提高，速溶粉的出粉率相應(yīng)提高，且復(fù)合速溶粉的出粉率與出風(fēng)溫度間呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性。進(jìn)風(fēng)溫度為200℃時(shí)，可獲得的類球狀的高分散復(fù)合速溶粉微球，其晶體學(xué)形態(tài)為無定形態(tài)。