慈姑粉的噴霧干燥工藝優化

陳 夢,段玉清,羅孝平,覃飄燕,余運波,張海暉

(江蘇大學食品與生物工程學院,江蘇鎮江 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成分,如碳水化合物、多糖、蛋白質、脂肪、鐵、鋅、硒、維生素E及膳食纖維等而深受消費者的喜愛[2-3]。此外,還有酚類、生物堿類等活性物質,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,很難貯存和運輸,再加上地域分布,嚴重制約其資源的開發和利用。目前慈姑的加工仍以產地初加工為主,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品,也少有此方面的文獻報道。

噴霧干燥是工業系統化技術集成應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、粉碎等工序,大大降低能耗和縮短干燥時間[8-9]。同時,利用噴霧干燥生產果蔬粉,其營養與風味損失少,制品顆粒度小且均勻,有很好的分散性和速溶性[10-11]。迄今,國內已將噴霧干燥生產線應用于規模化生產番茄粉、柑桔粉等產品。另外,還有研究對部分水果的噴霧干燥制粉工藝進行了探索,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、果膠等成分而導致粘性較大,較難進行噴霧干燥,且噴霧干燥過程中會因果粉的熱塑性和吸濕性而出現結塊問題。

一般加入麥芽糊精、β-環糊精、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于β-環糊精和可溶性淀粉[14-15]。

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

1 材料和方法

1.1 材料和設備

新鮮慈姑 產自江蘇省揚州市寶應縣,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-環糊精、麥芽糊精 均為食品級,購于山東西王糖業有限公司。

BS-124S 型電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司,HH-S4 型數顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市醫療儀器廠;B-290Spray Dryer 噴霧干燥儀 瑞士BUCHI實驗室儀器公司;DHG-9240A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司,LYT-380折光儀 上海淋譽貿易有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 新鮮慈姑的主要營養成分含量 含水量測定:GB 5009.3-2016;蛋白質含量測定: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煮并護色熱燙5 min;加入1.5倍質量的水進行打漿;按每克慈姑果肉(按原料重量計算)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2次,然后進行噴霧干燥,獲得慈姑粉成品[17]。

1.2.3 慈姑粉的感官評定 慈姑粉的感官評定由十位專業人員組成感官評價小組,對慈姑粉的色澤、風味、質地進行全面評價,感官評分滿分10分,具體見表1[19]。

表1 慈姑粉感官評定評分標準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-環糊精為備選助干劑,按慈姑酶解液中可溶性固形物含量計算,其添加量均為20%,噴霧干燥條件為進風溫度180 ℃,進料流量30%,熱空氣流量36 m3/h,以不添加助干劑為對照，比較不同助干劑對出粉率、粘壁情況和感官評定的影響。優選出麥芽糊精為助干劑時,按慈姑酶解液中可溶性固形物含量計算,考察不同添加量(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%)對出粉率、含水量和感官評分的影響?？扇苄怨绦挝锖繙y定,采用折光儀測定法[18]。出粉率的計算公式為:

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

1.2.5 噴霧干燥參數優化

1.2.5.1 單因素實驗 采用1.2.4中麥芽糊精的最優添加量,固定噴霧干燥參數為進料流量25%、熱空氣流量34 m3/h,考察不同進風溫度(140、160、180、200、210 ℃)對出粉率、含水量和感官評分的影響;固定噴霧干燥參數為進風溫度180 ℃、熱空氣流量34 m3/h,考察不同進料流量(15%、20%、25%、30%、35%)對出粉率、含水量和感官評分的影響;固定噴霧干燥參數為進風溫度180 ℃、進料流量為25%,考察不同熱空氣流量(30、32、34、36、38 m3/h)對出粉率、含水量和感官評分的影響。

1.2.5.2 正交實驗 在單因素實驗的基礎上,以進風溫度、進料流量和熱空氣流量為自變量,以出粉率為因變量,進行3因素3水平正交實驗,優化慈姑粉噴霧干燥的最佳參數,其因素與水平設計見表2。

表2 正交實驗因素水平表Table 2 Factors and levels used for orthogonal array design

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 新鮮慈姑的主要營養成分含量

根據國標測定的新鮮慈姑的主要營養成分含量具體見表3。

表3 新鮮慈姑的主要營養成分含量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成分,其中淀粉含量最高,其次是蛋白質、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,經酶解后的慈姑汁中含糖量高、粘稠度大,導致流動性差,難以噴霧成粉,為此分別考察玉米淀粉、麥芽糊精、β-環糊精3種助干劑對慈姑粉的出粉率、噴霧粘壁情況和感官性狀影響,其結果見表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-環糊精略高,但粉體較粘,香味淡;β-環糊精的出粉率最低,而且粉體的沖調性差,有輕微沉淀;麥芽糊精是一種常用的助干劑,具有防結塊、增加產品分散性和溶解性等優點,其成本較低[15],本實驗中出粉率較高,而且粘壁少,感官品質佳,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塊和粘壁的問題,提高產品得率,但大量添加麥芽糊精后產品的溶解度和吸濕性均下降,口感變差,且慈姑粉的營養和風味等天然屬性大幅喪失。故本文考察麥芽糊精的添加量對慈姑粉的出粉率及其感官性能等的影響,其結果見圖1。由圖1可見,麥芽糊精添加量在10%～40%之間時,其慈姑粉出粉率隨著其添加量的增加而升高,當添加量達到40%時,其出粉率達到51.67%±0.83%,而且粉體含水量低于5%,符合《食品安全國家標準 飲料》(GB 7101-2015)中的規定[20],粉體的感官評定效果最佳;隨后繼續增加麥芽糊精的量,其出粉率趨于平穩,慈姑粉的感官性狀大幅下降,而且出現麥芽糊精味,影響產品風味。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 噴霧干燥各因素對慈姑粉出粉率、含水量和感官評分的影響

2.4.1 進風溫度對慈姑粉的出粉率、含水量及感官評分的影響 由圖2可知,進風溫度太低,不足以使全部液滴在干燥室內完全干燥,部分半干顆粒發生黏壁現象,導致產品得率較低。若進口熱風溫度過高,料液內糖類物質發生熔化及焦糖化反應,粘附于噴頭處,影響噴霧干燥的進程且粉體色澤變黃,產生焦糊味,慈姑粉品質劣化[21]。當進風溫度到達180 ℃時,含水率已低于5%,此時出粉率最高,達到50.68%±1.3%,粉體的感官性狀最佳。因此,進風溫度控制在180 ℃左右為宜。

圖2 進風溫度對噴霧干燥效果的影響Fig.2 Effect of inlet temperature on spray drying effect

2.4.2 進料流量慈姑粉的出粉率、含水量及感官評分的影響 由圖3可知,隨著進料流量的增大,慈姑粉出粉率呈先上升后下降趨勢,進料流量越大,料液受熱不充分,未能充分干燥而造成出粉率降低。同時,慈姑粉含水量逐漸增加,當進料流量超過30%時,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;粉體出現輕微結塊,感官質量下降。當進料流量較小時,料液受熱較充分,粉體含水量低,但出粉率偏低,從時間和成本整體考慮,選取進料流量25%左右為宜。

圖3 進料流量對噴霧干燥效果的影響Fig.3 Effect of feed flow rate on spray drying

2.4.3 熱空氣流量對慈姑粉的出粉率、含水量及感官評分的影響 由圖4可知,隨著熱空氣流量增大,產品的出粉率和含水量都增大,而感官評分先上升后下降。熱空氣流量太低,會導致氣流從干燥室的下部向上部逆流,這種空氣流動模式會影響液滴在干燥室的移動軌跡,使半干液滴撞向并黏附于干燥室壁,導致出粉率較低[22]。因此,增大熱空氣流量,能提高產品出粉率。但流量過大,液滴和熱空氣流在干燥室內停留時間降低,因此水分蒸發不完全,含水量增大,并且會導致顆?；ハ囵じ浇Y塊的趨勢更大,感官評分下降。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 正交實驗優化結果

正交實驗結果見表5,方差分析見表6。結果表明:在麥芽糊精添加量為40%的條件下,各實驗因素對慈姑粉出粉率的影響主次順序為:A>B>C,即進風溫度影響最大,其次是進料流量,熱空氣流量的影響最小。根據K值可知以上3因素的最優組合條件為A2B2C3,即進風溫度180 ℃、進料流量25%、熱空氣流量36 cm3/h。方差分析結果表明:進風溫度對慈姑出粉率具有顯著影響,進料流量和熱空氣流量對慈姑出粉率沒有顯著影響。在正交實驗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。驗證實驗表明: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 正交實驗結果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交實驗數據方差分析表Table 6 Variance analysis of orthogonal test data

3 結論

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%、進風溫度180 ℃、進料流量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%,具有較高穩定性,產品感官品質較好,適合于較長時間儲藏。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,對于慈姑粉的微觀結構對其性質的影響還有待于進行深入研究。

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