助干劑對(duì)山藥噴霧干燥工藝的影響

徐文雅，于倩楠，張凡，孫劍鋒，王文秀，王頡

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北 保定 071000）

山藥，既是中藥，又是常見(jiàn)蔬菜，是我國(guó)傳統(tǒng)的藥食同源性植物[1-2]。山藥營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，含有人體所需的多種微量元素、維生素以及鈣、鐵、磷等[3-4]。同時(shí)，山藥還具有較強(qiáng)的藥理功能，能夠起到降低血糖[5]、抗氧化、延緩衰老[6]、增強(qiáng)免疫[7]等作用。每年的10月份到11月份，山藥陸續(xù)成熟，收獲時(shí)間較為集中。新鮮山藥水分含量很高，但是不宜儲(chǔ)藏、易腐爛，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。利用干燥技術(shù)將山藥加工成粉狀，能有效地保持山藥原有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分，且方便貯存和運(yùn)輸，具有較好的市場(chǎng)前景。

噴霧干燥是利用噴霧器將料液進(jìn)行分散，當(dāng)料液被分散成細(xì)小的霧滴時(shí)，與熱空氣接觸后被極速干燥，最后經(jīng)過(guò)分離、回收和冷卻得到成品[8]。這種方法具有傳熱快、水分蒸發(fā)快的特點(diǎn)，在果蔬粉制備方面具有廣泛的應(yīng)用。如Can-Karaca等[9]在進(jìn)風(fēng)溫度為150℃、進(jìn)料濃度為5%、進(jìn)料流量為10 mL/min的條件下對(duì)櫻桃進(jìn)行噴霧干燥，集粉率高達(dá)89%。于方圓等[10]采用噴霧干燥法制備草莓速溶粉，在進(jìn)風(fēng)溫度為180℃、進(jìn)料流量為850 mL/h的條件下，出粉率達(dá)到44.27%。然而，對(duì)于山藥等含淀粉較多的果蔬來(lái)說(shuō)，有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，噴霧干燥時(shí)，設(shè)備噴頭容易堵塞，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘壁現(xiàn)象，導(dǎo)致山藥粉的產(chǎn)量有所下降，集粉率大大降低。為了提高果蔬粉的品質(zhì)和產(chǎn)量，通常將助干劑加入到料液中，從而改善噴霧效果[11]。經(jīng)常使用的助干劑有麥芽糊精、β-環(huán)糊精、阿拉伯膠、大豆分離蛋白等，這些大分子物質(zhì)有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高溶解度以及一定的成膜能力，能有效減少?lài)婌F干燥時(shí)的粘壁問(wèn)題。Lao等[12]在麥芽糊精添加量為5%的條件下對(duì)紫玉米進(jìn)行噴霧干燥，得到的成品玉米粉集粉率高達(dá)89%，L*值為57.2，花青素含量穩(wěn)定。由于不同的助干劑產(chǎn)生的效果有所不同，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用復(fù)合型助干劑進(jìn)行果蔬粉的生產(chǎn)。任彬等[13]在麥芽糊精、β-環(huán)糊精和羥甲基纖維素添加量分別為60%、12%和0.8%的條件下，對(duì)紫薯進(jìn)行噴霧干燥，所得產(chǎn)品均勻分散，且能很好地保留紫薯獨(dú)有的香味。鄭唯等[14]研究助干劑配比對(duì)毛酸漿噴霧干燥性能的影響，確定麥芽糊精、β-環(huán)糊精、阿拉伯膠的添加量分別為65%、10%和1.0%時(shí)干燥效果最優(yōu)，集粉率高達(dá)64.05%。Gong等[15]在噴霧干燥制備草莓粉的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，添加乳清分離蛋白和麥芽糊精能夠提高草莓粉回收率。然而，目前關(guān)于助干劑組合和配比對(duì)山藥噴霧干燥效果的影響缺乏系統(tǒng)的研究，如何提高助干劑輔助作用下山藥料液的噴霧干燥性能仍是目前亟待解決的問(wèn)題。

本研究以山藥為試驗(yàn)原料，選擇麥芽糊精，β-環(huán)糊精和阿拉伯膠作為助干劑，固定進(jìn)風(fēng)溫度、熱空氣流量和進(jìn)料溫度等工藝條件，系統(tǒng)研究助干劑對(duì)噴霧干燥山藥粉的集粉率和水分含量的影響。結(jié)合單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，優(yōu)化助干劑組合和配比，確定適宜的助干劑添加量，為噴霧干燥獲得高質(zhì)量山藥粉提供參考指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山藥：市售，產(chǎn)自河北省保定市；麥芽糊精（食品級(jí)）：廣州賽國(guó)生物技術(shù)有限公司；β-環(huán)糊精（食品級(jí)）：太倉(cāng)滬試試劑有限公司；阿拉伯膠（食品級(jí)）：天津大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平（CP214）：青島路博建業(yè)環(huán)?？萍加邢薰荆涣侠頇C(jī)（JYL-C91T）：河北德科機(jī)械科技有限公司；膠體磨（JMS-50）：江蘇漢隆機(jī)械制造有限公司；高壓均質(zhì)機(jī)（GYB60-6S）：上海嘉格輕工機(jī)械設(shè)備有限公司；噴霧干燥機(jī)（SD-1000）：日本東京理化器械株式會(huì)社；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-914385-111）：常州康貝干燥工程有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

對(duì)山藥進(jìn)行噴霧干燥的工藝流程如下。

在噴霧干燥過(guò)程中，應(yīng)采取措施防止焦炭粉末影響產(chǎn)品質(zhì)量，控制入口溫度，并防止熱空氣產(chǎn)生渦流和逆流。在整個(gè)過(guò)程中，防止空氣將雜質(zhì)帶入產(chǎn)品中。噴霧干燥時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度為180℃，進(jìn)風(fēng)量為0.5 m3/min，進(jìn)料溫度為60℃。

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以山藥料液中可溶性固形物含量為基準(zhǔn)，選取麥芽糊精添加量為0%、25%、50%、75%和100%；β-環(huán)糊精添加量為0%、5%、10%、15%和20%；阿拉伯膠添加量為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，分別考察這3種助干劑的添加量對(duì)噴霧干燥山藥粉的集粉率和水分含量的影響，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將麥芽糊精、β-環(huán)糊精和阿拉伯膠的添加量作為3個(gè)考察因素。采用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平如表1所示，通過(guò)極差和方差分析結(jié)果來(lái)確定適宜的助干劑組合及配比。

表1 L9（34）正交試驗(yàn)因素水平Table 1Factors and levels for L9（34）orthogonal test

1.3.4 集粉率與水分含量的計(jì)算

1.3.4.1 集粉率

集粉率計(jì)算公式如下。

1.3.4.2 水分含量

稱(chēng)取約3 g的成品山藥粉，記其質(zhì)量為m1，將其置于105℃烘箱進(jìn)行干燥處理，至質(zhì)量恒定時(shí)停止干燥，記其質(zhì)量為m2，則水分含量/%=（m1-m2）/m1×100。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，統(tǒng)計(jì)學(xué)處理和圖形處理分別在SPSS 22.0和Origin 2018中進(jìn)行，顯著性由P值表示，P＜0.05表示差異顯著，P＜0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥芽糊精添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響

麥芽糊精是水果和蔬菜粉生產(chǎn)中很常用的干燥助劑。它具有低吸濕性、良好的分散性和溶解性、價(jià)格低等特點(diǎn)[16]。麥芽糊精添加量對(duì)集粉率和水分含量的影響見(jiàn)圖1。

圖1 麥芽糊精添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響Fig.1 Effect of maltodextrin addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如圖1所示，山藥粉的集粉率隨麥芽糊精添加量的增大呈逐漸升高的趨勢(shì)，水分含量呈逐漸下降的趨勢(shì)（由5.86%降低至3.45%），方差分析結(jié)果顯示，麥芽糊精的添加能顯著提高產(chǎn)品集粉率并顯著降低水分含量。這是由于麥芽糊精是一種較好的干燥載體[17]，能提升山藥粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，減少?lài)婌F干燥中的粘壁問(wèn)題，從而提高集粉率。當(dāng)麥芽糊精添加量為50%～100%時(shí)，集粉率的增長(zhǎng)趨勢(shì)和水分含量的下降趨勢(shì)均有所緩慢，且麥芽糊精添加量的增大導(dǎo)致成品山藥粉中山藥成分所占比例下降，色澤風(fēng)味均會(huì)受到影響，香氣變淡，甜味減少，糊精味加重。因此，為了提高山藥粉的集粉率，降低產(chǎn)品水分含量，且能保持山藥固有的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)成分，確定麥芽糊精添加量50%為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中間水平。

2.2 β-環(huán)糊精添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響

β-環(huán)糊精具有較強(qiáng)的水化能力[18]，在噴霧干燥時(shí)形成的霧滴較為均勻，是一種理想的助干劑。β-環(huán)糊精添加量對(duì)集粉率和水分含量的影響見(jiàn)圖2。

圖2 β-環(huán)糊精添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響Fig.2 Effect of β-cyclodextrin addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如圖2所示，隨著β-環(huán)糊精添加量的增加，山藥粉集粉率先增加后降低，當(dāng)β-環(huán)糊精添加量為10%時(shí)集粉率最高，達(dá)到30.80%，但當(dāng)添加量大于10%后，集粉率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。β-環(huán)糊精對(duì)提高山藥粉集粉率作用明顯，但過(guò)多的β-環(huán)糊精會(huì)增加山藥漿料液的黏稠度，反而影響了噴霧干燥時(shí)料液的分散效果，造成噴嘴堵塞和掛壁現(xiàn)象，從而降低了集粉率。水分含量隨著β-環(huán)糊精添加量的增加而逐漸降低，從5.86%下降至3.45%。方差分析結(jié)果表明，β-環(huán)糊精的添加對(duì)成品山藥粉的水分含量整體上呈顯著影響。此外，β-環(huán)糊精是一種具有筒狀結(jié)構(gòu)的大分子物質(zhì)[19]，其內(nèi)部有良好的疏水性，并且在兩端和外部均有良好的親水性。能產(chǎn)生較理想的包埋效果，起到穩(wěn)定山藥粉成品色澤的作用[20]。綜合上述分析，確定β-環(huán)糊精添加量10%為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中間水平。

2.3 阿拉伯膠添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響

阿拉伯膠具有較好的成膜特性、乳化特性，能在芳香物質(zhì)周?chē)纬杀Ｗo(hù)膜，起到穩(wěn)定風(fēng)味、防止氧化的作用[21]。與其他親水膠體不同的是，阿拉伯膠在水中具有較高的溶解度[22]，可高達(dá)60%。阿拉伯膠添加量對(duì)集粉率和水分含量的影響見(jiàn)圖3。

圖3 阿拉伯膠添加量對(duì)山藥粉集粉率和水分含量的影響Fig.3 Effect of arabic gum addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如圖3所示，隨著阿拉伯膠添加量的增多，山藥粉集粉率先上升后下降，添加量為1.0%時(shí)，集粉率最高，達(dá)到29.50%。阿拉伯膠的添加量超過(guò)1.0%，集粉率反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于阿拉伯膠是分子量極大的多糖類(lèi)物質(zhì)，濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致黏度過(guò)高，不利于噴霧干燥，集粉率會(huì)顯著下降。同時(shí)，水分含量隨著阿拉伯膠添加量的增加，呈逐漸下降趨勢(shì)，由5.65%降低到4.86%。方差分析結(jié)果表明，阿拉伯膠的添加整體上對(duì)山藥粉的水分含量影響顯著。綜合考慮集粉率和水分含量，確定阿拉伯膠添加量1.0%為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中間水平。

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用正交試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化助干劑的組合和配比，結(jié)果如表2所示，方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis

由表2可知，麥芽糊精添加量對(duì)山藥粉集粉率的影響最大，其次為β-環(huán)糊精添加量和阿拉伯膠添加量；對(duì)于水分含量，各助干劑的影響順序同樣為麥芽糊精添加量＞β-環(huán)糊精添加量＞阿拉伯膠添加量。另外，兩個(gè)測(cè)定指標(biāo)空白列的極差最小，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。由表3可知，麥芽糊精添加量和β-環(huán)糊精添加量對(duì)集粉率的影響極顯著（P＜0.01），阿拉伯膠添加量對(duì)集粉率的影響顯著（P＜0.05）。對(duì)于水分含量而言，具有相同的試驗(yàn)結(jié)果，即麥芽糊精添加量和β-環(huán)糊精添加量的影響極顯著（P＜0.01），阿拉伯膠添加量影響顯著（P＜0.05）。極差和方差分析表明，助干劑輔助山藥噴霧干燥的最佳組合和配比為A2B2C2，即麥芽糊精的添加量為50%，β-環(huán)糊精的添加量為10%，阿拉伯膠的添加量為1.0%。

2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

在優(yōu)化得到的最佳助干劑組合和配比條件下，進(jìn)行3次山藥噴霧干燥驗(yàn)證試驗(yàn)，得到山藥粉的集粉率平均值為36.25%，水分含量平均值為5.49%。結(jié)果均優(yōu)于正交試驗(yàn)任一組合。

3 討論與結(jié)論

對(duì)于山藥等含低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度糖類(lèi)的果蔬而言，進(jìn)行噴霧干燥時(shí)，極易產(chǎn)生粘壁現(xiàn)象。加入麥芽糊精、阿拉伯膠、大豆分離蛋白等玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高的大分子物質(zhì)，能有效改善噴霧干燥粘壁現(xiàn)象。不同助干劑對(duì)噴霧干燥的影響不同。麥芽糊精是更常用的干燥助劑，其具有低吸濕性和良好分散性的優(yōu)點(diǎn)，制備的山藥粉無(wú)結(jié)塊現(xiàn)象，但成品山藥粉的色澤和香味偏淡。而以β-環(huán)糊精為助干劑制備的山藥粉則能較好地保留山藥特有的色澤和香氣成分，這得益于其獨(dú)特的筒狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的包合作用。阿拉伯膠具有成膜性好的特點(diǎn)，能對(duì)香氣成分起到一定的包裹作用，常用其與麥芽糊精復(fù)配使用，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用復(fù)合型助干劑進(jìn)行果蔬粉的生產(chǎn)，充分利用不同種類(lèi)助干劑的優(yōu)勢(shì)。在本研究中，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，將集粉率和水分含量用于評(píng)價(jià)噴霧干燥的經(jīng)濟(jì)性能和產(chǎn)品質(zhì)量，分別探討了麥芽糊精、β-環(huán)糊精和阿拉伯膠的添加量對(duì)噴霧干燥的影響。結(jié)果顯示，麥芽糖糊精添加量和β-環(huán)糊精添加量對(duì)集粉率和水分含量的影響極顯著，阿拉伯膠添加量的影響顯著。得到最優(yōu)的助干劑組合和配比：麥芽糊精、β-環(huán)糊精和阿拉伯膠的添加量分別為50%、10%和1.0%。在該條件下，山藥粉的集粉率為36.25%，水分含量為5.49%，具有較優(yōu)的產(chǎn)品品質(zhì)。本研究對(duì)采用噴霧干燥助劑制備山藥粉具有一定的參考作用。