馬蹄淀粉微波間歇干燥工藝研究

唐小閑湯 泉張 巧劉 艷段振華

(1. 賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學(xué)院廣西馬蹄加工工程技術(shù)研究中心，廣西 賀州 542899；3. 廣西果蔬保鮮和深加工研究人才小高地，廣西 賀州 542899；4. 賀州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

馬蹄(Water chestnut)，又稱荸薺、地栗、通天草，是莎草科荸薺屬淺水性宿根草本植物[1]，其球莖扁圓，熟后皮呈栗色或紅棕色，表面光亮而細(xì)膩，果肉白凈。馬蹄可分為水果馬蹄和粉馬蹄[2]，其中粉馬蹄，莖小果細(xì)，肉質(zhì)粗糙，渣多，淀粉、低聚糖和單糖的干重占86%以上[3]。粉馬蹄經(jīng)加工制成淀粉，可作為食品加工業(yè)重要的原輔料，具有較大的資源優(yōu)勢(shì)和樂觀的發(fā)展前景[4-5]。

評(píng)價(jià)淀粉類食品品質(zhì)可以通過碘藍(lán)值[6]、酸度[7]、白度[8]等重要指標(biāo)來反映。在馬蹄淀粉加工過程中，褐變、焦化現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，要使產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，就要采用先進(jìn)的加工技術(shù)。微波干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工及食品工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，近兩年國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于微波干燥松花粉[9]、板栗淀粉[10]等粉末類的相關(guān)研究，但微波間歇干燥未見在馬蹄淀粉加工中研究及應(yīng)用。

本研究擬以微波功率、裝載量、加熱時(shí)間和間歇時(shí)間為主要因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定馬蹄淀粉微波間歇干燥最佳工藝，以期為淀粉微波干燥的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮馬蹄：廣西“鐘山小果粉馬蹄”，賀州市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

微波爐：G80D20CN1P-D2(S0)型，輸入功率700 W，直徑18 cm圓形裝料盤，廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

加熱型磁力攪拌器：MR-Hei-Tec型，德國(guó)海道夫公司；

水分測(cè)定儀：MA150型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

色差計(jì)：CR-10型，日本柯尼卡美能達(dá)控股株式會(huì)社；

可見分光光度計(jì)：722N型，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理 馬蹄清洗去皮，破碎勻漿，過濾后制作成濕基含水率平均值為40%的馬蹄濕淀粉，備用。

1.3.2 馬蹄淀粉微波間歇干燥單因素試驗(yàn) 以馬蹄淀粉的含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值為考核指標(biāo)，選微波功率、裝載量、加熱時(shí)間和間歇時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定各因素對(duì)考核指標(biāo)的影響。

(1) 微波功率：固定裝載量1.96 kg/m2，加熱時(shí)間10 min，間歇時(shí)間1.5 min，考查微波功率(0，140，280，420，560，700 W)對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值的影響。

(2) 裝載量：固定微波功率140 W，加熱時(shí)間10 min，間歇時(shí)間1.5 min，考查裝載量(0.98，1.96，2.94，3.93，4.91，5.89 kg/m2)對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值的影響。

(3) 加熱時(shí)間：固定微波功率140 W，裝載量1.96 kg/m2，間歇時(shí)間1.5 min，考查加熱時(shí)間(4，6，8，10，12，14 min)對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值的影響。

(4) 間歇時(shí)間：固定微波功率140 W，裝載量1.96 kg/m2，加熱時(shí)間14 min，考查間歇時(shí)間(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 min)對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值的影響。

1.3.3 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以馬蹄淀粉的含水率、白度、酸度、碘藍(lán)值為指標(biāo)進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)。

1.3.4 水分的測(cè)定 按GB 5009.3—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》執(zhí)行。

1.3.5 白度的測(cè)定 參照文獻(xiàn)[11]，利用色差計(jì)測(cè)定馬蹄淀粉的明度指數(shù)L*，數(shù)值顯示越大表明被測(cè)物越白亮。

1.3.6 馬蹄淀粉的酸度測(cè)定 參照GB/T 22427.9—2008《淀粉及其衍生物酸度測(cè)定》的方法，酸度以10 g樣品所耗用0.1 mol/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù)表示，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

X——樣品酸度，mL；

c——已標(biāo)定的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L；

V1——樣品所耗用的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

V2——空白所耗用的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

m——樣品的干基質(zhì)量，g。

1.3.7 馬蹄淀粉的碘藍(lán)值測(cè)定 根據(jù)上官佳等[12]的方法，碘藍(lán)值按式(2)計(jì)算：

BVI=A650 nm×54.2+5，

(2)

式中：

BVI——碘藍(lán)值；

A650 nm——樣品在波長(zhǎng)650 nm處的吸光度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均設(shè)定3個(gè)平行，測(cè)定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示，應(yīng)用Origin Pro 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬蹄淀粉微波間歇干燥單因素試驗(yàn)

2.1.1 微波功率對(duì)馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖1、2可知，在相同物料裝載量、加熱時(shí)間、間歇時(shí)間條件下，微波功率越大，物料的含水率下降越顯著，碘藍(lán)值先升后降，酸度呈上升的趨勢(shì)，物料白度呈下降的趨勢(shì)，但變化不明顯 (P>0.05)。不同功率，各項(xiàng)指標(biāo)大小不相同。研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過程中，微波功率過大，淀粉容易產(chǎn)生焦化、結(jié)塊的現(xiàn)象而影響品質(zhì)，在較低功率范圍品質(zhì)較好。在功率140 W時(shí)，物料含水率為30.31%；白度和碘藍(lán)值最高，分別為97.3%和16.76；酸度較低，為0.50 mL。綜合馬蹄淀粉品質(zhì)要求，故選140 W為較佳微波功率。

圖1 微波功率對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 1 Effect of microwave power on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖2 微波功率對(duì)馬蹄淀粉酸度、碘藍(lán)值的影響

Figure 2 Effect of microwave power on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.2 裝載量對(duì)馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖3、4可知，在恒定微波功率、加熱時(shí)間、間歇時(shí)間條件下，裝載量越大，物料的含水率越大，碘藍(lán)值和白度呈先升后降的趨勢(shì)，但白度變化不顯著(P>0.05)，酸度呈先降后升的趨勢(shì)。在裝載量1.96 kg/m2時(shí)，物料含水率為30.31%，碘藍(lán)值為15.14，白度為97.3%，酸度為0.94 mL，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選 1.96 kg/m2為較佳裝載量。

圖3 裝載量對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 3 Effect of loading on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖4 裝載量對(duì)馬蹄淀粉酸度、碘藍(lán)值的影響

Figure 4 Effect of loading on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.3 加熱時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖5、6可知，在恒定微波功率、裝載量、間歇時(shí)間條件下，隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，物料含水率降低，白度變化不顯著(P>0.05)，碘藍(lán)值呈先減少后增加的趨勢(shì)，淀粉酸度逐漸增加。酸度增加的原因可能是微波干燥加熱方式從內(nèi)向外加熱，可以加快淀粉水解產(chǎn)生脂肪酸，導(dǎo)致馬蹄淀粉酸度升高。在加熱時(shí)間14 min時(shí)，物料的含水率為20.45%，白度為97.6%，碘藍(lán)值為16.79，酸度為0.51 mL，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選 14 min為較佳加熱時(shí)間。

2.1.4 間歇時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉品質(zhì)指標(biāo)的影響 由圖7、8可知，在恒定微波功率、裝載量、加熱時(shí)間條件下，隨間歇時(shí)間的延長(zhǎng)，物料含水率和酸度的呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，碘藍(lán)值呈先升后降的趨勢(shì)，白度變化不明顯(P>0.05)。間歇時(shí)間較長(zhǎng)，含水率下降緩慢，原因是在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，微波間歇時(shí)間越長(zhǎng)，加熱時(shí)間相對(duì)縮短，導(dǎo)致含水率升高。在間歇時(shí)間為1.0 min，物料的含水率為16.69%，白度為97.5%，酸度為0.45 mL，碘藍(lán)值為16.84，馬蹄淀粉綜合品質(zhì)最好。故選1.0 min為較佳間歇時(shí)間。

圖5 加熱時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉含水率的影響

Figure 5 Effect of heating time on the water content and whiteness of water chestnut starch

圖6 加熱時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉酸度、碘藍(lán)值的影響

Figure 6 Effect of heating time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

圖7 間歇時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉含水率、白度的影響

Figure 7 Effect of intermittent time on the water content and whiteness of water chestnut starch

2.2 馬蹄淀粉微波間歇干燥正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用L9(34)正交表(表1)，以淀粉的含水率、白度、酸度、碘藍(lán)值為指標(biāo)，對(duì)馬蹄淀粉進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

圖8 間歇時(shí)間對(duì)馬蹄淀粉酸度、碘藍(lán)值的影響

Figure 8 Effect of intermittent time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

在本試驗(yàn)中，含水率和酸度這2個(gè)指標(biāo)都是越小越好，白度和碘藍(lán)值指標(biāo)都是越大越好，根據(jù)各指標(biāo)的重要程度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)分，使用隸屬度來表示指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，隸屬FD按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：

FD——指標(biāo)隸屬；

F——指標(biāo)值；

FMAX——指標(biāo)最大值；

FMIN——指標(biāo)最小值。

指標(biāo)最大值的隸屬度為1，指標(biāo)最小值的隸屬度為0。含水率、白度、酸度、碘藍(lán)值4個(gè)指標(biāo)重要性不一樣，需要求出加權(quán)和作為綜合分?jǐn)?shù)。將含水率、白度、酸度、碘藍(lán)值權(quán)重分別取0.5，0.1，0.2，0.2，則每個(gè)試驗(yàn)的綜合分?jǐn)?shù)=含水率隸屬度×0.5+白度隸屬度×0.1+酸度隸屬度×0.2+碘藍(lán)值隸屬度×0.2，綜合分最高的最好。由表3可知，試驗(yàn)號(hào)7的綜合分最高。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平表

表2 L9(34)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，得到因素的主次和最優(yōu)方案，見表4～7。

根據(jù)表4～7，運(yùn)用綜合平衡法得到綜合的最優(yōu)方案，具體平衡過程：

(1) 因素A：白度是取A2好，含水率、酸度和碘藍(lán)值3個(gè)指標(biāo)都是以A3為最佳水平；對(duì)含水率、白度、酸度和碘藍(lán)值4個(gè)指標(biāo)，A因素是最主要因素，在確定最優(yōu)水平時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。根據(jù)多數(shù)傾向和A因素對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取A3。

(2) 因素B：含水率和碘藍(lán)值均是取B1好，白度與酸度均是取B3好；白度和酸度從Ki(ki)可以看出，白度B因素取B1或B3時(shí)相差很小，酸度B因素取B1或B3時(shí)相差不大；而從極差可以看出，白度為末位的次要因素，含水率和酸度的B因素均為第3位因素，而碘藍(lán)值的B因素為第2位因素，所以根據(jù)多數(shù)傾向和B因素對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取B1。

(3) 因素C：含水率和碘藍(lán)值均是取C2好，白度取C3好，從Ki(ki)可以看出，白度C因素取C2與C3時(shí)白度相差較小，酸度取C1好。從極差可以看出，碘藍(lán)值的C因素為末位，含水率、白度和酸度3個(gè)指標(biāo)的C因素均排第2位因素，但含水率的極差懸殊最大，應(yīng)重點(diǎn)考慮，所以根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)原則和C因素對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取C2。

表3 試驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)分表

表4 含水率試驗(yàn)結(jié)果分析

表5 白度試驗(yàn)結(jié)果分析

表6 酸度試驗(yàn)結(jié)果分析

表7 碘藍(lán)值試驗(yàn)結(jié)果分析

(4) 因素D：含水率和白度都是取D3好，酸度取D2好，碘藍(lán)值取D1好，從Ki(ki)可以看出，白度D因素取D1與D3時(shí)白度相差較小；而從極差可以看出，含水率和酸度指標(biāo)中的D因素均為末位的次要因素，白度和碘藍(lán)值指標(biāo)的D因素為第3位的次要因素，根據(jù)多數(shù)傾向和D因素對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取D1。

綜合上述分析，正交試驗(yàn)的最佳工藝條件為A3B1C2D1，即微波功率210 W，裝載量1.47 kg/m2，加熱時(shí)間14 min，間歇時(shí)間0.75 min。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在最佳工藝條件A3B1C2D1下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表8。

表8 最佳工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在最優(yōu)條件下，微波間歇干燥后的馬蹄淀粉含水率10.12%，白度97.5%，酸度0.21 mL，碘藍(lán)值17.90，與正交試驗(yàn)表中最好的第7號(hào)作對(duì)比，可知最優(yōu)方案比第7號(hào)試驗(yàn)結(jié)果更好，所以認(rèn)為A3B1C2D1是最佳工藝。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過正交試驗(yàn)確定馬蹄淀粉微波間歇干燥的最佳工藝條件為：微波功率210 W，裝載量1.47 kg/m2，加熱時(shí)間14 min，間歇時(shí)間0.75 min。在最優(yōu)條件下，微波間歇干燥后的馬蹄淀粉含水率10.12%、白度97.5%、酸度0.21 mL、碘藍(lán)值17.90。此時(shí)含水率達(dá)到淀粉安全含水率的標(biāo)準(zhǔn)，白度得到小幅提高，酸度下降，碘藍(lán)值上升，因而綜合品質(zhì)得到提高。

微波間歇干燥作為一種新型干燥方式，干燥時(shí)間短、能量利用率高、干后品質(zhì)較好。該研究結(jié)果可以為實(shí)際生產(chǎn)中馬蹄淀粉微波干燥工藝提供參考依據(jù)，并促進(jìn)傳統(tǒng)馬蹄淀粉加工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品品質(zhì)的提高。

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