超聲波噴霧-冷凍干燥與傳統干燥技術制備高湯粉體的比較

劉雨曦，薛 佳，傅寶尚,2，張玉瑩，祁立波,2，秦 磊,2,*

（1.大連工業大學食品學院，遼寧 大連 116034；2.國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連 116034）

傳統佛跳墻調味高湯是以豬筒骨、鴨肉、雞爪、豬蹄、豬皮、豬腱肉等為原輔料進行熬制，具有香鮮爽滑的調味效果。隨著生活節奏的加快，傳統高湯存在運輸攜帶困難、保質期短等弊端，大大降低了其商業價值[1]。因此，以高湯為原料經干燥工藝制備而成的調味粉迅速成為中餐工業化的典型代表，并且以其快捷、方便、營養等特點受到消費者的青睞[2]。藍德安[3]通過應用濃縮、微膠囊化及噴霧干燥（spray drying，SD）等技術制備高湯粉，達到降低成本、方便管控等目的。歐陽杰等[4]研制了牛肉、雞塊等風味高湯調味粉，并應用于方便面調味粉以增強面湯的營養價值，保障消費者的健康。目前常用的粉體干燥工藝主要有SD和真空冷凍干燥（vacuum freeze drying，FD）。SD具有干燥迅速、容易操作等優點。其不足之處表現為動力消耗大、易發生粘壁現象等，長時間掛壁的物料極易變質而影響產品質量[5-6]。FD能夠最大程度地保留物料的營養成分，缺點為能量損失大、干燥時間長等[7]。因此，單一的干燥方式不足以滿足食品工業的長遠發展，采取聯合干燥的方式得到質量好、能耗低的高湯粉，成為調味粉工藝的主要研究方向。因此，噴霧冷凍干燥（spray-freeze drying，SFD）技術應運而生。

SFD顆粒制備技術多應用于制藥業。近年來，這一新興技術在食品中的應用日漸廣泛[8]。其原理為液體物料被霧化成液滴，液滴與冷介質接觸后迅速固化，在低溫和高壓環境下升華[9]。其優點為低溫過程適合熱敏性物料的制備，彌補了SD對熱敏性產品有效成分的破壞，同時可形成尺寸可控的球形顆粒，進一步克服冷凍干燥粉體直徑大、分布范圍廣、顆粒不規則等缺點[10-11]。其霧化方式有離心、壓力、超聲波、靜電和氣流式等。本實驗采用超聲波霧化方式。超聲波頻率高于20 kHz能與媒質之間相互作用，使超聲波的相位和幅度發生改變[12]。利用超聲波對物料進行霧化產生的霧滴精確，顆粒尺寸小，更容易控制。超聲波噴霧-冷凍干燥（ultrasonic sprayfreeze drying，USFD）是SFD選擇超聲波霧化形式的一種技術。在低溫環境下，通過電子和霧化片的高頻震動將液體樣品霧化成尺寸可控且分布良好的霧滴瞬時凍結[13-14]。有研究表明，超聲處理后的SFD蛋白粉具有易碎、易分解的特點[15]。掃描電子顯微鏡結果表明，其顆粒形態為球形，具有高度多孔表面特性[16]，控制顆粒形態大小能夠影響產品的穩定性[17]。

本實驗研發了一種新型聯合干燥技術即USFD技術，將其應用于高湯粉生產中，并與傳統干燥方式進行對比。通過對不同干燥方式粉體的外觀形態、微觀結構、物理狀態等測定，分析USFD對高湯粉理化性質的影響及其優勢。另外，采用感官評定對高湯粉體進行香氣的綜合評價，利用頂空固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）-氣相色譜（gas chromatography，GC）-質譜（mass spectrometry，MS）聯用技術考察不同干燥方式對高湯粉揮發性化合物的保留效果。為USFD技術在調味粉工業中的推廣提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥芽糊精（食品級） 鄭州特正商貿有限公司；無水乙醇（分析純） 天津市恒興化學試劑制造有限公司；環己酮（分析純） 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氘代苯乙酮（色譜純）、碳標準品（C7～C30）美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

DF-191S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、HH-S水浴鍋鞏義市予華儀器有限責任公司；電熱恒溫干燥箱上海躍進醫療器械廠；SB-800DT超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司；AB204-N電子分析天平 上海梅特勒-托利多有限公司；JY2002電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱 上海恒科學儀器有限公司；高壓均質機 上海申鹿均質機有限公司；ADL310小型噴霧干燥器 日本大和YAMATO公司；冷凍干燥機 沈陽航天新陽速凍廠；冷場發射掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

水中加入豬筒骨34.2%（質量分數，下同）、雞架17.1%、鴨肉8.5%、雞爪3.5%、豬蹄10.2%、豬皮3.5%、豬腱肉8.5%、牛腱肉8.5%、金華火腿片0.6%、干貝1.1%、黃酒3.5%、桂圓肉0.3%、陳皮0.1%、白胡椒粒0.2%、桂皮0.2%。以傳統鐵鍋進行熬制，通過添加鹽、雞精、味精、醬油、冰糖等進一步調味，最終制備得到傳統佛跳墻調味高湯。裝袋，封口，于-20 ℃條件下貯存。

3 種干燥方法物料前處理方法相同：取100 mL高湯解凍，根據其可溶性固形物質量分數（6%），以麥芽糊精作為包埋壁材，添加質量分數25%（1.5 g）麥芽糊精到解凍的高湯溶液中，混合均勻，于4 ℃貯存備用。

1.3.2 超聲波噴霧-冷凍干燥處理

圖1 USFD實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of theUSFD device

裝置搭建：USFD裝置搭建如圖1所示。從左向右，液料在注射泵的帶動下通過液管傳輸至超聲波噴頭處，霧化器是得到初始液滴的關鍵，噴嘴能夠優化液滴及顆粒的分布[18-19]。注射器和超聲波噴頭以液管連接，在注射泵帶動下勻速恒溫輸入液料，通過超聲波噴頭進行噴霧[20-21]。以液氮為冷介質，在磁力攪拌的作用下進行連續噴霧，裝置最右端為數字超聲波控制器，通過高頻信號線將超聲波功率傳遞給超聲波噴頭，進行真空冷凍干燥。

工藝參數：在超聲功率為3 W、進料流量為3 mL/min的噴霧條件下進行噴霧，噴霧后，將保溫裝置內的液氮和被噴霧迅速固化的小液滴轉移至-40 ℃的冰箱中，退火5 h。干燥壓力：1 kPa。升溫程序：隔板溫度為-25 ℃維持30 h，升溫至-15 ℃維持1 h，升溫至-5 ℃維持1 h，升溫至5 ℃維持1 h，升溫至20 ℃維持10 h。

1.3.3 真空冷凍干燥

樣品在-80 ℃環境預凍5 h，在真空度為1 kPa的條件下進行真空冷凍干燥，冷阱溫度設置-50 ℃，隔板加熱溫度為20 ℃，冷凍干燥48 h[22]。

1.3.4 噴霧干燥

采用ADL310小型噴霧干燥器對物料進行干燥，進風溫度設置為150 ℃，出風溫度設置為90 ℃，其中進料速率設置為2 mL/min，風速設置為3.5 m3/min[23]。

以上3 種干燥方式后的微膠囊粉體均在干燥環境下迅速轉移至鋁箔袋中，置于干燥器中儲存備用。

1.3.5 粉體理化特性的測定

集粉率按公式（1）計算。

水分質量分數的測定：3 種不同干燥方式粉體，均采取質量法（105 ℃）進行測定，重復3 次取平均值。水分質量分數按公式（2）計算。

式中：m1為稱量瓶和粉體干燥前的總質量/g；m2為稱量瓶和粉體干燥后的總質量/g；m3為稱量瓶的質量/g。

堆積密度的測定：將20 mL量筒置于烘箱中干燥至質量恒定m1/g，干燥溫度為110 ℃，取10 mL粉體添加至量筒中，稱質量m2/g，堆積密度ρ按公式（3）計算，單位為g/mL。

溶解性的測定：稱取0.5 g固體粉體，25 ℃的條件下溶解于50 mL水中，進行低速攪拌，記錄粉末完全溶解的時間，重復3 次取平均值。

色差分析：3 種干燥方式復水后的高湯粉和未經任何干燥處理的高湯（加質量分數25%麥芽糊精）的色度采用測色儀分別進行測定。采集L*、a*、b*及ΔE值，每個樣品測量3 次。ΔE值按公式（4）計算。

式中：ΔE為總色差值；L為明度值，＋表示偏白，-表示偏暗；L0為標準白板的明度值，93.37；a為紅度值，＋表示偏紅，-表示偏綠；a0為標準白板的紅度值，-0.91；b為黃度值，＋表示偏黃，-表示偏藍；b0為標準白板的黃度值，0.19。

掃描電子顯微鏡觀察：將不同干燥方式微膠囊粉體附著在雙面碳膠上，進行噴金處理（噴金條件5 mA、120 s）。應用冷場發射掃描電子顯微鏡進行顯微鏡圖像觀察、采集。

1.3.6 感官評定

使用定量描述性分析進行感官評價。10 位感官評定小組成員對樣本進行初步感官評估，選擇每個描述詞。

在室溫下，將原高湯與不同干燥方式處理后的樣品根據其粉體水分質量分數進行復水，貯存在具有特氟龍蓋的50 mL玻璃瓶中，每個樣品3 個水平，提供給感官評定員進行感官屬性和強度等級評估，根據氣味強度評分0～10 分，取平均值。感官屬性和強度標準如表1所示。

表1 感官評定描述詞及標準Table 1 Sensory evaluation descriptors and scoring scales

1.3.7 揮發性風味物質測定

1.3.7.1 樣品的制備

分別取未處理及3 種干燥工藝粉體復水液2 mL于20 mL頂空進樣瓶中，并分別加入20 μL內標氘帶苯乙酮（50 mg/L），選用SPME對樣品風味進行富集。

1.3.7.2 3 種干燥工藝粉體SPME-GC-MS測定

SPME萃取條件：采用50/30 μm DVB/Car/PDMS萃取纖維，在50 ℃下孵育40 min，萃取50 min后進行GC-MS分析。

色譜條件：7890B GC/7010B GC-MSD，采用毛細管色譜柱HP-5MS（30 m×250 μm，0.25 μm）。升溫程序：初始溫度45 ℃維持3 min，以5 ℃/min的升溫速率升溫至280 ℃，并維持10 min；進樣口溫度260 ℃；載氣流量1 mL/min。質譜條件：選擇EI的電離模式，Scan掃描模式，質量掃描范圍為m/z 40～400，電子能量70 eV，溶劑延遲設置為4 min。以相同GC條件檢測正構烷烴（C7～C30），計算保留指數（RI）。采用NIST 14譜庫檢索RI值，對化合物進行鑒定分析。

揮發性風味成分的定性定量分析：本實驗利用MS檢索和保留指數結合的方式對GC數據進行定性分析，采用內標法（氘帶苯乙酮）對定性結果中的揮發性風味物質進行定量分析。

1.4 數據處理

數據統計采用SPSS 16.0軟件進行單因素方差分析，顯著性差異采用最小顯著性差異法檢驗，設定差異顯著性水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 3 種干燥方式粉體形態比較

圖2 不同干燥方式對粉體表觀形態的影響Fig. 2 Effect of different drying methods on apparent morphology of powders

如圖2A所示，USFD粉體潔白細膩（圖2A1）；FD粉體呈乳白色塊狀（圖2A2），必須經過再次粉碎；SD粉體呈片狀且顏色暗淡（圖2A3）[24]。掃描電子顯微鏡圖中表明了不同干燥方式粉體的表觀形態。由圖2B1～B3可知，USFD粉體表觀形態優于FD和SD粉體，可能由于USFD霧化過程中能產生尺寸可控且分布良好的霧滴，微小的液滴在低溫環境下被瞬時凍結；而FD粉體是通過后續研磨粉碎得到的；SD霧化液滴在噴霧過程中因重力、阻力和碰撞等原因產生變形[25-26]。USFD微膠囊粉體呈球型顆粒狀，粉體平均粒徑23.11 μm（圖2C1）；FD粉體顆粒呈現多種不規則狀態（圖2C2）；SD粉體顆粒呈現扁球狀（圖2C3）。原因是SD通過霧化器的造粒過程，顆粒形狀基本相同；FD粉體在干燥過程中物料隨機結合，由此產生形狀多樣化的顆粒。從分散狀態可以看出，SD粉體與USFD粉體具有較大的中間空隙，而FD制備的粉體相對緊密。原因是SD主要是采取高溫的熱空氣，使得霧滴因水分蒸發而發生收縮，使其顆粒輪廓產生硬殼，而USFD過程是在低溫條件下運用升華完成，冰液滴的形態不易發生變化。因此，USFD粉體顆粒形態飽滿，分布均勻。

2.2 3 種干燥方式物理特性的比較

圖3 不同干燥方式對粉體物理性質的影響Fig. 3 Effect of different drying methods on physical properties of powders

如圖3A所示，3 種干燥方式獲得的粉體的水分質量分數存在一定的差異，由大到小依次為FD＞USFD＞SD，其中USFD粉體的水分質量分數為4.79%。原因是USFD和SD在干燥過程中由于物料經過霧化，顆粒較小，有利于水分從顆粒內部向外擴散；而FD物料僅從平板吸收熱量，物料堆積緊密，不利于水分的溢出。故USFD制備的粉體水分質量分數較低。

由圖3A可知，3 種不同干燥工藝粉體集粉率由大到小依次為USFD＞FD＞SD，由于其粉體在塔內殘留嚴重，管路中亦會有粉體的堆累，因此集粉率小；USFD和FD在干燥盤中處于靜止狀態，損失極低。

由圖3B可知，采用不同干燥方法制得的粉體堆積密度差異顯著，由大到小依次為SD＞USFD＞FD，其中USFD粉體堆積密度為102 mg/mL。FD粉體堆積密度小于USFD粉體，是因為FD經凍結形成穩定的固體骨架，脫水時基架結構不發生改變，所得粉體的結構疏松多孔，物料間存在較大的空隙，因此堆積密度較小；SD獲得的是球型顆粒狀產品，顆粒形狀平滑、均勻、無縫隙、破裂現象，且比表面積小，排列緊密，因此堆積密度較大。

3 種不同干燥方式所制備的粉體的溶解性由大到小依次為SD＞FD＞USFD（圖3B），理論上，USFD粉體具有球形顆粒狀，形狀可控，應具有良好的溶解性，但由于高湯濃度略高，所得粉體流動性差，以至于在測定流動性和堆積密度時粉體難以實現自由散落，這樣的粉體在復水時結塊嚴重，因此USFD粉體溶解性較差[27]。

從色度分析來看，由表2可知，L*FD＞L*SD＞L*USFD，且均小于原高湯樣品，說明FD粉體能更好地保持物料原色；偏紅度上，三者偏紅程度較為接近；偏黃度上，b*SD＜b*USFD＜b*FD均大于原高湯樣品，可能與粉體水分質量分數有關；FD粉體色差最小為44.60。因此，FD粉體更接近于原高湯顏色，但從整體看來USFD粉體更具有商業優勢。

表2 干燥方式對粉體色差的影響Table 2 Effect of different drying methods on color difference of powders

2.3 不同干燥方式對干燥粉體風味的影響

2.3.1 感官評定結果

表3為未經干燥處理的樣品與經3 種不同干燥方式處理后的樣品，根據其粉體水分質量分數進行復水后的感官評定的對比結果。可知，原高湯樣品經感官評定可聞到良好的肉香味；經USFD處理的樣品再經復水處理感官評定結果相比于原高湯樣品略差，但結果優于FD和SD處理的樣品。因此，USFD粉體與原高湯總體風味更接近。

表3 不同干燥方式感官評定對比Table 3 Comparison of sensory evaluation of powers from different drying methods

2.3.2 SPME-GC-MS分析結果

由表4可知，未經干燥處理的高湯中共檢測出35 種揮發性風味物質，其中醇類6 種、醛類7 種、酮類1 種、酯類2 種、酸類2 種、雜環類4 種、烷烴類13 種。USFD樣品中共檢測出39 種揮發性風味物質，其中醇類7 種、醛類7 種、酮類1 種、酯類4 種、雜環類8 種、烷烴類12 種。FD樣品中共檢測出33 種揮發性風味物質，其中醇類5 種、醛類7 種、酯類3 種、雜環類5 種、烷烴類13 種。SD樣品中共檢測出31 種揮發性風味物質，其中醇類5 種、醛類8 種、酮類2 種、酯類2 種、雜環類5 種、烷烴類9 種。由結果可知，USFD粉體相較于其他干燥方式檢測出較多種類的揮發性風味物質。在醇類中，飽和醇類閾值較高，對粉體氣味貢獻率低，而不飽和醇類閾值低，具有蘑菇香氣和類金屬味，對粉體氣味貢獻率較高。在表4中可以看出，USFD加工的高湯粉揮發性醇類物質中，2-乙基-1-己醇含量較高，其次是苯乙醇、3-甲基-1-丁醇。另外，1-辛烯-3-醇來自亞油酸的氫過氧化物的降解產物，具有蘑菇和土腥味[28]。而SD和FD樣品中的醇類物質較少，說明SD和FD干燥方式會損失粉體部分風味物質。

醛類化合物來源于脂質的自動氧化，酮類化合物則主要來源于不飽和脂肪酸的熱氧化或降解。羰基化合物（醛、酮）的閾值比醇類化合物低，尤其是C8以上醛類物質對肉制品風味影響較大，而酮類化合物則對肉制品風味有增強作用。在醛類中，己醛的含量最高，己醛主要來自ω-6不飽和脂肪酸，具有油脂香氣，若含量過大則說明油脂腐敗嚴重。己醛含量經USFD后由128.89 ng/g降低至89.40 ng/g，說明高湯干燥后可以減緩油脂的腐敗。辛醛、壬醛具有脂肪與水果的香氣，苯甲醛具有苦杏仁香氣，這些物質可能是高湯形成柔和、淺淡和令人愉快氣味的主要原因[29]。USFD粉體保留了3-甲基-丁醛、苯甲醛、庚醛、壬醛等原高湯存在的特征香氣物質[30]。

對于烴類及芳香族化合物，烴類物質閾值較高，主要由烷烴、烯烴和芳香烴組成，對樣品整體風味貢獻不成比例。烷烴類化合物賦予產品清香或甜香的氣味，主要來自脂肪酸烷基自由基的均裂或類胡蘿卜素的分解，因此烴類物質的含量可以反映高湯粉脂肪的氧化程度[31-33]。USFD粉體烷烴類物質的種類數量少于原高湯，3-蒈烯、(R)-1-甲基-5-(1-甲基乙烯基)環己烯等含量下降幅度大。而芳香烴如甲苯、對二甲苯、萘的同系物等能造成不愉快氣味，一般由脂類氧化或苯丙氨酸分解代謝產生，可能通過環境污染轉移到生物體內，此類化合物極有可能是導致樣品異味的主要原因。由表4可知，在3 種干燥加工過程后，甲苯、對二甲苯、1-甲基-3-(1-甲基乙基)-苯含量均有所下降。說明USFD、FD和SD對產品風味具有積極的影響。

酯類化合物是由低級飽和脂肪酸和飽和脂肪醇經過醇酯化反應而形成的[34]。酯類物質是食品香氣的主要成分，短鏈脂肪酸形成的酯具有水果香味，而長鏈酸形成的酯具有輕微的油脂味[35]。USFD中主要存在2-羥基-丙酸乙酯、乙酸乙酯、苯甲酸甲酯、丁二酸二乙酯，酯類種類多大于SD和FD樣品，且含量更高。乙酯類物質賦予產品果香味和奶油香味，是促進產品風味形成的重要物質[36]。其中在USFD粉體中檢測到的2-羥基-丙酸乙酯（62.69 ng/g），具有特殊的朗姆酒、水果及奶油的香氣，是令人愉悅的香氣物質。USFD樣品中乙酸乙酯含量為10.93 ng/g，具有強烈的水果香[37]，而原高湯和SD樣品中未檢測到其存在；丁二酸二乙酯含量為19.47 ng/g，高于FD和SD樣品。因此，USFD樣品酯香味更為豐富。由此分析，在醛類、酯類、芳香族化合物和烷烴類物質中，USFD粉體對高湯香味物質貢獻最大。

表4 不同干燥方式高湯粉的揮發性成分SPME-GC-MS結果Table 4 SPME-GC-MS analysis results of volatile compounds in powders from different drying methods

續表4

3 結 論

通過粉體物理性質和微觀結構將3 種干燥方式USFD、FD和SD進行對比，顯示出經USFD處理的高湯粉體具有水分質量分數低、堆積密度小、溶解性好、粒徑小、顆粒均勻的優點。經USFD制備的粉體呈球型顆粒狀；FD的粉末顆粒呈現針形、扁片形，形狀呈現不規則狀態且多種多樣；SD制備的粉體呈現扁球形狀。感官評定結果顯示，USFD粉體總體風味接近于原高湯。通過GC-MS對3 種干燥方式粉體的風味物質進行對比，結果顯示USFD粉體檢測出39 種揮發性風味物質，而FD粉體33 種，SD粉體31 種。USFD粉體中含有醇類7 種、醛類7 種、酮類1 種、酯類4 種、雜環類8 種和烷烴類12 種，由此可見USFD對揮發性風味化合物的保存效果較好。以上結果表明，USFD處理的樣品粉質細膩，溶解性強且揮發性風味物質保存效果好，最接近未經處理的高湯風味。另外，其理化性質與總體風味優于其他兩種干燥方式，并且成本較低，能源消耗較小。因此，本實驗運用USFD技術對高湯粉體的研發，將彌補傳統粉體干燥方式的缺陷，為生產高品質調味品提供技術支持。