慈姑粉的噴霧干燥工藝優(yōu)化

陳 夢,段玉清,羅孝平,覃飄燕,余運(yùn)波,張海暉

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

慈姑(SagittifoliaS.)又名白地栗、燕尾草,屬于澤瀉科慈姑屬的多年生宿根淺水草本植物,我國栽培面積廣泛[1]。慈姑以其球莖供食,因其球莖中含有豐富的營養(yǎng)成分,如碳水化合物、多糖、蛋白質(zhì)、脂肪、鐵、鋅、硒、維生素E及膳食纖維等而深受消費(fèi)者的喜愛[2-3]。此外,還有酚類、生物堿類等活性物質(zhì),具有抗氧化、降血糖、抗腫瘤以及解毒等生物活性[4-6]。慈姑因其含水量高,很難貯存和運(yùn)輸,再加上地域分布,嚴(yán)重制約其資源的開發(fā)和利用。目前慈姑的加工仍以產(chǎn)地初加工為主,即直接散裝上市,或真空包裝,偶見鮮切慈姑和慈姑咸菜[7]。迄今,市場上尚未見慈姑粉產(chǎn)品,也少有此方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

噴霧干燥是工業(yè)系統(tǒng)化技術(shù)集成應(yīng)用于物料干燥的一種方法。其主要是在干燥室中將稀料霧化后,再與熱空氣接觸,物料迅速汽化,即得到干燥產(chǎn)品。該法能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品,可省去蒸發(fā)、粉碎等工序,大大降低能耗和縮短干燥時(shí)間[8-9]。同時(shí),利用噴霧干燥生產(chǎn)果蔬粉,其營養(yǎng)與風(fēng)味損失少,制品顆粒度小且均勻,有很好的分散性和速溶性[10-11]。迄今,國內(nèi)已將噴霧干燥生產(chǎn)線應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)番茄粉、柑桔粉等產(chǎn)品。另外,還有研究對(duì)部分水果的噴霧干燥制粉工藝進(jìn)行了探索,如制取草葛粉、柑橘果粉、紅棗粉、山楂粉、枸杞沙棘復(fù)合粉、番木瓜粉等[12-13]。但果漿因含有大量葡萄糖、果糖、果膠等成分而導(dǎo)致粘性較大,較難進(jìn)行噴霧干燥,且噴霧干燥過程中會(huì)因果粉的熱塑性和吸濕性而出現(xiàn)結(jié)塊問題。

一般加入麥芽糊精、β-環(huán)糊精、可溶性淀粉等助干劑可解決此難題,而麥芽糊精的效果要優(yōu)于β-環(huán)糊精和可溶性淀粉[14-15]。

基于此,本文利用噴霧干燥技術(shù),以麥芽糊精為助干劑,研究慈姑粉的噴霧干燥技術(shù)參數(shù),確定最佳工藝，為慈姑資源的綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

新鮮慈姑 產(chǎn)自江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣,α-淀粉酶(40000 U/g) 購于江蘇銳陽生物科技有限公司;玉米淀粉、β-環(huán)糊精、麥芽糊精 均為食品級(jí),購于山東西王糖業(yè)有限公司。

BS-124S 型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司,HH-S4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠;B-290Spray Dryer 噴霧干燥儀 瑞士BUCHI實(shí)驗(yàn)室儀器公司;DHG-9240A電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司,LYT-380折光儀 上海淋譽(yù)貿(mào)易有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 新鮮慈姑的主要營養(yǎng)成分含量 含水量測定:GB 5009.3-2016;蛋白質(zhì)含量測定:GB 5009.5-2016;脂肪含量測定:GB 5009.6-2016;淀粉含量測定:GB 5009.9-2016;粗纖維含量測定:GB/T 5009.10-2003;灰分含量測定:GB 5009.4-2016。

1.2.2 慈姑粉的制備過程 將新鮮慈姑清洗去雜,再去皮、切成大小為0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm～1 cm×1 cm×1 cm方塊;將慈姑塊加入含有0.8%檸檬酸和0.15%抗壞血酸的沸水中預(yù)煮并護(hù)色熱燙5 min;加入1.5倍質(zhì)量的水進(jìn)行打漿;按每克慈姑果肉(按原料重量計(jì)算)加120 Uα-淀粉酶,于80 ℃下酶解30 min后,用100目尼龍紗布過濾得到慈姑酶解液[16];向慈姑酶解液中添加適量助干劑,于20 MPa下均質(zhì)2次,然后進(jìn)行噴霧干燥,獲得慈姑粉成品[17]。

1.2.3 慈姑粉的感官評(píng)定 慈姑粉的感官評(píng)定由十位專業(yè)人員組成感官評(píng)價(jià)小組,對(duì)慈姑粉的色澤、風(fēng)味、質(zhì)地進(jìn)行全面評(píng)價(jià),感官評(píng)分滿分10分,具體見表1[19]。

表1 慈姑粉感官評(píng)定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation standards for arrowhead powder

1.2.4 助干劑的選擇和添加量 分別選用玉米淀粉、麥芽糊精、β-環(huán)糊精為備選助干劑,按慈姑酶解液中可溶性固形物含量計(jì)算,其添加量均為20%,噴霧干燥條件為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,進(jìn)料流量30%,熱空氣流量36 m3/h,以不添加助干劑為對(duì)照，比較不同助干劑對(duì)出粉率、粘壁情況和感官評(píng)定的影響。優(yōu)選出麥芽糊精為助干劑時(shí),按慈姑酶解液中可溶性固形物含量計(jì)算,考察不同添加量(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%)對(duì)出粉率、含水量和感官評(píng)分的影響?？扇苄怨绦挝锖繙y定,采用折光儀測定法[18]。出粉率的計(jì)算公式為:

式中:X-出粉率,%;m1-收集瓶中粉末的質(zhì)量,g;m2-噴霧干燥前慈姑酶解液的總固形物質(zhì)量,g;m3-助干劑的質(zhì)量,g。

1.2.5 噴霧干燥參數(shù)優(yōu)化

1.2.5.1 單因素實(shí)驗(yàn) 采用1.2.4中麥芽糊精的最優(yōu)添加量,固定噴霧干燥參數(shù)為進(jìn)料流量25%、熱空氣流量34 m3/h,考察不同進(jìn)風(fēng)溫度(140、160、180、200、210 ℃)對(duì)出粉率、含水量和感官評(píng)分的影響;固定噴霧干燥參數(shù)為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、熱空氣流量34 m3/h,考察不同進(jìn)料流量(15%、20%、25%、30%、35%)對(duì)出粉率、含水量和感官評(píng)分的影響;固定噴霧干燥參數(shù)為進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、進(jìn)料流量為25%,考察不同熱空氣流量(30、32、34、36、38 m3/h)對(duì)出粉率、含水量和感官評(píng)分的影響。

1.2.5.2 正交實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料流量和熱空氣流量為自變量,以出粉率為因變量,進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn),優(yōu)化慈姑粉噴霧干燥的最佳參數(shù),其因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels used for orthogonal array design

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 新鮮慈姑的主要營養(yǎng)成分含量

根據(jù)國標(biāo)測定的新鮮慈姑的主要營養(yǎng)成分含量具體見表3。

表3 新鮮慈姑的主要營養(yǎng)成分含量Table 3 Main nutrient content of fresh arrowhead

新鮮慈姑含水量較高,除此之外,慈姑含有豐富的營養(yǎng)成分,其中淀粉含量最高,其次是蛋白質(zhì)、粗纖維和灰分,脂肪含量最少,是一種低脂肪、高碳水化合物的食品。

2.2 助干劑對(duì)慈姑粉出粉率和感官性能的影響

已知慈姑中淀粉含量高,經(jīng)酶解后的慈姑汁中含糖量高、粘稠度大,導(dǎo)致流動(dòng)性差,難以噴霧成粉,為此分別考察玉米淀粉、麥芽糊精、β-環(huán)糊精3種助干劑對(duì)慈姑粉的出粉率、噴霧粘壁情況和感官性狀影響,其結(jié)果見表4。由表4可知,與不添加助干劑的相比,添加麥芽糊精、β-環(huán)糊精和玉米淀粉作為助干劑能夠顯著提高出粉率,減輕粘壁情況,改善粉體的感官性狀;其中,玉米淀粉作為助干劑雖然出粉率較β-環(huán)糊精略高,但粉體較粘,香味淡;β-環(huán)糊精的出粉率最低,而且粉體的沖調(diào)性差,有輕微沉淀;麥芽糊精是一種常用的助干劑,具有防結(jié)塊、增加產(chǎn)品分散性和溶解性等優(yōu)點(diǎn),其成本較低[15],本實(shí)驗(yàn)中出粉率較高,而且粘壁少,感官品質(zhì)佳,故選用麥芽糊精作為慈姑粉噴霧干燥的助干劑。

表4 助干劑對(duì)噴霧干燥效果的影響Table 4 Effect of drying aids on spray drying

2.3 麥芽糊精的添加量對(duì)噴霧干燥效果的影響

在噴霧干燥過程中,雖然添加麥芽糊精可解決結(jié)塊和粘壁的問題,提高產(chǎn)品得率,但大量添加麥芽糊精后產(chǎn)品的溶解度和吸濕性均下降,口感變差,且慈姑粉的營養(yǎng)和風(fēng)味等天然屬性大幅喪失。故本文考察麥芽糊精的添加量對(duì)慈姑粉的出粉率及其感官性能等的影響,其結(jié)果見圖1。由圖1可見,麥芽糊精添加量在10%～40%之間時(shí),其慈姑粉出粉率隨著其添加量的增加而升高,當(dāng)添加量達(dá)到40%時(shí),其出粉率達(dá)到51.67%±0.83%,而且粉體含水量低于5%,符合《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲料》(GB 7101-2015)中的規(guī)定[20],粉體的感官評(píng)定效果最佳;隨后繼續(xù)增加麥芽糊精的量,其出粉率趨于平穩(wěn),慈姑粉的感官性狀大幅下降,而且出現(xiàn)麥芽糊精味,影響產(chǎn)品風(fēng)味。因此,麥芽糊精的添加量控制在40%。

圖1 麥芽糊精的添加量對(duì)噴霧干燥效果的影響Fig.1 Effect of the addition of maltodextrin on spray drying effect

2.4 噴霧干燥各因素對(duì)慈姑粉出粉率、含水量和感官評(píng)分的影響

2.4.1 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)慈姑粉的出粉率、含水量及感官評(píng)分的影響 由圖2可知,進(jìn)風(fēng)溫度太低,不足以使全部液滴在干燥室內(nèi)完全干燥,部分半干顆粒發(fā)生黏壁現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)品得率較低。若進(jìn)口熱風(fēng)溫度過高,料液內(nèi)糖類物質(zhì)發(fā)生熔化及焦糖化反應(yīng),粘附于噴頭處,影響噴霧干燥的進(jìn)程且粉體色澤變黃,產(chǎn)生焦糊味,慈姑粉品質(zhì)劣化[21]。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度到達(dá)180 ℃時(shí),含水率已低于5%,此時(shí)出粉率最高,達(dá)到50.68%±1.3%,粉體的感官性狀最佳。因此,進(jìn)風(fēng)溫度控制在180 ℃左右為宜。

圖2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥效果的影響Fig.2 Effect of inlet temperature on spray drying effect

2.4.2 進(jìn)料流量慈姑粉的出粉率、含水量及感官評(píng)分的影響 由圖3可知,隨著進(jìn)料流量的增大,慈姑粉出粉率呈先上升后下降趨勢,進(jìn)料流量越大,料液受熱不充分,未能充分干燥而造成出粉率降低。同時(shí),慈姑粉含水量逐漸增加,當(dāng)進(jìn)料流量超過30%時(shí),慈姑粉含水量超過25.0%,該含水量的慈姑粉不利于長期保存;粉體出現(xiàn)輕微結(jié)塊,感官質(zhì)量下降。當(dāng)進(jìn)料流量較小時(shí),料液受熱較充分,粉體含水量低,但出粉率偏低,從時(shí)間和成本整體考慮,選取進(jìn)料流量25%左右為宜。

圖3 進(jìn)料流量對(duì)噴霧干燥效果的影響Fig.3 Effect of feed flow rate on spray drying

2.4.3 熱空氣流量對(duì)慈姑粉的出粉率、含水量及感官評(píng)分的影響 由圖4可知,隨著熱空氣流量增大,產(chǎn)品的出粉率和含水量都增大,而感官評(píng)分先上升后下降。熱空氣流量太低,會(huì)導(dǎo)致氣流從干燥室的下部向上部逆流,這種空氣流動(dòng)模式會(huì)影響液滴在干燥室的移動(dòng)軌跡,使半干液滴撞向并黏附于干燥室壁,導(dǎo)致出粉率較低[22]。因此,增大熱空氣流量,能提高產(chǎn)品出粉率。但流量過大,液滴和熱空氣流在干燥室內(nèi)停留時(shí)間降低,因此水分蒸發(fā)不完全,含水量增大,并且會(huì)導(dǎo)致顆?；ハ囵じ浇Y(jié)塊的趨勢更大,感官評(píng)分下降。因此,熱空氣流量以不高于36 m3/h為宜。

圖4 熱空氣流量對(duì)噴霧干燥效果的影響Fig.4 Effect of hot air flow rate on spray drying

2.5 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5,方差分析見表6。結(jié)果表明:在麥芽糊精添加量為40%的條件下,各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)慈姑粉出粉率的影響主次順序?yàn)?A>B>C,即進(jìn)風(fēng)溫度影響最大,其次是進(jìn)料流量,熱空氣流量的影響最小。根據(jù)K值可知以上3因素的最優(yōu)組合條件為A2B2C3,即進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、進(jìn)料流量25%、熱空氣流量36 cm3/h。方差分析結(jié)果表明:進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)慈姑出粉率具有顯著影響,進(jìn)料流量和熱空氣流量對(duì)慈姑出粉率沒有顯著影響。在正交實(shí)驗(yàn)中得到的理論最佳組合條件下測定慈姑出粉率,并做3組平行。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明:在最佳條件下慈姑粉出粉率為48.51%±0.63%,含水量為4.86%±0.07%。

表5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表Table 6 Variance analysis of orthogonal test data

3 結(jié)論

慈姑粉的噴霧干燥法制備最佳工藝條件為:麥芽糊精添加量40%、進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、進(jìn)料流量25%、熱空氣流量36 cm3/h。在此最佳條件下慈姑粉的出粉率為48.51%±0.63%,含水量為4.86%±0.07%,具有較高穩(wěn)定性,產(chǎn)品感官品質(zhì)較好,適合于較長時(shí)間儲(chǔ)藏。因此,利用噴霧干燥制備慈姑粉是可行的,是慈姑深加工的重要途徑之一。除此之外,對(duì)于慈姑粉的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)的影響還有待于進(jìn)行深入研究。

[1]戢得蓉,涂彩虹,段麗麗,等. 慈姑藥用價(jià)值研究進(jìn)展[J]. 新農(nóng)業(yè),2016,46(13):25-26.

[2]Idrees Ahmed,W G Adil,T Aanisa,et al. Effect of roasting on physicochemical,functional and antioxidant properties of arrowhead(SagittariasagittifoliaL.)flour[J]. Food Chemistry,2016(197):345-352.

[3]Lim T K. Edible medicinal and non medicinal plants[M]. 9 volumes. Dordrecht:Springer Science+Business Media,2015:98-100.

[4]第二軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系生藥學(xué)教研室. 中國藥用植物圖鑒[M]. 上海:上海教育出版社,1960:125.

[5]吳小楠,汪家梨. 慈菇對(duì)大鼠體內(nèi)抗氧化能力的影響[J]. 中國公共衛(wèi)生學(xué)報(bào),1996,15(2):89-89.

[6]譚志靜. HPLC法測定慈姑中幾種酚類組分和綠原酸[J]. 化學(xué)工程師,2007,21(6):20-21.

[7]趙龍. 慈姑保健飲料工藝及特性研究[D]. 天津:天津科技大學(xué),2009.

[8]宋超洋. 小米速溶粉的制備及其性質(zhì)研究[D]. 無錫:江南大學(xué),2016.

[9]崔春利,楊范莉,曾凱竹,等. 山茱萸速溶粉的噴霧干燥工藝研究[J]. 西北藥學(xué)雜志,2016,31(2):180-183.

[10]張妍,高蕾,王正紅,等. 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化噴霧干燥制備核桃分心木速溶粉及其沖調(diào)性分析[J]. 食品科學(xué),2016,37(18):47-51.

[11]Shishir M R I,W Chen. Trends of spray drying:A critical review on drying of fruit and vegetable juices[J]. Trends in Food Science & Technology,2017(65):49-67.

[12]熊曼萍,姜瓊. 利用熱風(fēng)噴霧干燥方法生產(chǎn)純天然柑橘(橙)果粉[J]. 食品與機(jī)械,2007,23(1):123-124.

[13]王澤南,范方宇,王華,等. 草莓粉噴霧干燥工藝參數(shù)及助干劑配料的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2006,28(9):117-119.

[14]程麗娜,唐道邦,徐玉娟,等. 荔枝原漿噴霧干燥配方優(yōu)化研究[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,40(3):71-74.

[15]S N Bhusari,K Muzaffar P Kumar. Effect of carrier agents on physical and microstructural properties of spray dried tamarind pulp powder[J]. Powder Technology,2014(266):354-364.

[16]Ahmed M,Akter M S,Eun J B. Impact of alpha-amylase and maltodextrin on physicochemical,functional and antioxidant capacity of spray-dried purple sweet potato flour[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture,2010,90(3):494.

[17]Liu J,Zhang M,Wang S. Processing characteristics and flavour of full lotus root powder beverage[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture,2010,90(14):2482-2489.

[18]肖貴平. 蓮心菊花保健飲料的研制[N]. 農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2012,2(3):44-49.

[19]周愛梅,萬艷娟,李少華,等. 噴霧干燥及熱風(fēng)干燥對(duì)南瓜粉營養(yǎng)特性和感官品質(zhì)的影響[J]. 現(xiàn)代食品科技,2011,27(5):528-533.

[20]中國飲料工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)部. GB7101-2015食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲料標(biāo)準(zhǔn)解讀[J]. 飲料工業(yè),2016,19(1):8-9.

[21]任彬,李銳,張伍金. 速溶紫薯粉加工的助干劑與噴霧干燥工藝優(yōu)化[J]. 食品科技,2015,41(6):212-216.

[22]陳啟聰,黃惠華,王娟,等. 香蕉粉噴霧干燥工藝優(yōu)化[N].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(8):331-337.