黑莓浓浆饮品的加工工艺研究

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(1.江南大学机械工程学院,江苏无锡 214122;2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏无锡 214122;3.江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

黑莓原产于北美,1986年由位于南京的中国科学院植物研究所首次引入我国,属蔷薇科悬钩子属中的藤本植物,以“高营养、高抗性、无污染、纯天然”等特点被联合国粮农组织(FAO)推荐为当今国际第三代新型特种浆果类品种[1],黑莓鲜果营养丰富,各种营养成份如表1[2]所示。黑莓属于加工型果蔬,随着人们健康意识的逐渐增强,纯天然果蔬汁作为具有一定生理功效的营养饮品越来越受到人们的重视[3-4]。

如今,黑莓加工中仍存在不少问题,以黑莓汁为例:观察发现黑莓原料含水量大、粘稠度高、韧性强。若烘干后在进行干法粉碎,产量低、机器磨损大、能耗高。若采取胶体磨或破碎机等传统的湿法粉碎设备进行粉碎加工,所得产品的品质较差,需要采用过滤等工序,加工过程中会产生大量的废弃物——黑莓渣,生产1吨黑莓汁将产生大约250kg的渣,不仅产量低,而且污染严重。因此,对黑莓渣进行开发和全利用,解决黑莓传统粉碎技术的难题,研制出品质优良的黑莓全果饮品,不仅能省时省力,提高产量,减少环境污染,还可以增加产品的附加值,为企业创效,对促进地方经济和区域性高效农业产业的健康发展具有重要的意义。

表1 黑莓鲜果营养成份含量Table 1 The nutrients content of the fresh fruits of BlackBerry

本研究基于高效剪切技术[5],剪切式粉碎机的基本原理是物料在高速运动的动静刀片之间像剪刀一样被剪断,在拉应力、剪应力、研磨力和离心力的综合作用下,物料被粉碎[6],随后经过静刀片之间的微小间隙排出。以新鲜黑莓为实验材料,采用高效剪切技术,在不同操作参数下研究了粉碎机转速、静刀片齿数和粉碎实验次数对黑莓浓浆稳定性的影响,确定了最佳的操作参数,为黑莓的全利用和黑莓浓浆饮品的开发提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜黑莓:“切斯特”品种(南京市溧水县白马镇提供)。

QDWⅠ3000-18型卧式湿法粉碎机 无锡轻大食品装备有限公司;QDGX-15型剪切式粉碎机(转子外径为50mm) 江南大学食品装备工程研究中心与无锡轻大食品装备有限公司联合研制;TCS-100型电子计价台秤 永康市香海衡器厂;NDJ-5S型数显粘度计 上海平轩科学仪器有限公司;Mastersizer2000型激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司;E02140 型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司;HC-TP11-2架盘天平 上海精科天平厂;AXTD4A型台式低速离心机 盐城市安信实验仪器有限公司;LYGDS-150型恒温恒湿实验箱 鲁毅实验设备(上海)有限公司;试管若干;操作台;不锈钢盆等。

1.2 实验方法

1.2.1 黑莓浓浆的加工工艺流程 黑莓浓浆制备的工艺流程为:新鲜黑莓→筛选→去除杂质→清洗沥干→粗破碎(QDWⅠ3000-18型卧式湿法粉碎机循环破碎)→细粉碎(配备不同齿数的QDGX-15型剪切式粉碎机)→细腻的黑莓浓浆→取样观察并测试

1.2.2 原料的筛选 以南京白马地区种植的“切斯特”新鲜黑莓为原料。要求黑莓新鲜,色泽鲜艳,干净,少杂质,大小均匀,果实饱满,无异味、无机械损伤等。

1.2.3 黑莓粗破碎 取筛选好的新鲜黑莓放入清水中多次清洗,力度不易过大,以免果实破裂,完毕后沥干水分,称重并取10kg,用卧式湿法粉碎机进行循环粉碎,循环时间约2min,粉碎完毕尽快将浓浆引出,以便减少氧化反应的发生。

1.2.4 细粉碎 将粗破碎后的黑莓浓浆放入剪切式粉碎机中进行细粉碎,参考相关资料[7],设计了单因素实验[8],剪切式粉碎机的初始操作参数如表2所示。实验中,除了被研究因素的取值依据实验方案变动外,其他操作参数均为初始操作值。

1.2.5 黑莓浓浆制作操作要点 由于黑莓破碎后产生的浓浆中含有大量果酸及维生素C,它们都属于还原酸,很容易发生氧化还原反应,使黑莓浓浆的颜色由紫变黑,因此整个操作过程中,为保证浓浆的品质,减少氧化反应的发生,粉碎过程采用全封闭的管道式加工系统,取样后应尽快进行观察和测试。

表2 初始操作参数Table 2 The initial operating parameters

1.2.6 黑莓浓浆的静置稳定性观察 浓浆饮品的静置稳定性也是评价其质量的重要因素,为了研究操作参数变化对浓浆静置稳定性的影响,分别在静刀片齿数、转子转速和粉碎循环次数发生变化时设计了三组单因素实验。通过实验一方面得出了各主要操作参数对浓浆静置稳定性的影响,另一方面也为浓浆饮品在常温下的保藏和应用提供了参考依据。

1.2.7 剪切机的操作参数变化对浓浆各项指标的影响 为了探究转子转速、静刀片齿数和粉碎循环次数对浓浆稳定性、粒度和粘度的影响,设计了如表3所示的五组对比实验,其中以浓浆的沉淀率来代表其稳定性[9],取各组样品,分别测定其粒度和粘度并计算沉淀率,通过观察和计算不同操作参数条件下各条曲线的斜率,来确定它们对浓浆各项指标的影响程度。

表3 操作参数变化对浓浆影响的实验方案Table 3 The experimental scheme of the operating parameters changes on the pulp

1.2.8 基本指标的测定和计算方法

1.2.8.1 粒度的测定 黑莓浓浆的细度决定了饮品的口感,粒度越细口感也就越滑爽,因此,可用浓浆的细度大小近似代表产品的口感好坏。取浓浆样品约10mL,放入盛有纯净水的粒度仪测试专用烧杯中,混合搅拌并摇匀,粒度仪分散头的旋转速度设定为2200r/min。稍候片刻,待黑莓浓浆在纯净水中完全分散均匀之后,仪器的系统分析软件会自动以表格和图像的形式将黑莓浓浆的粒度分布及体积平均粒径D[4,3]显示出来[10]。

1.2.8.2 静置稳定性观察 黑莓浓浆中含不溶性物质时,由于其密度与液体密度不同,在重力作用下,这些不溶性的物质会逐渐沉淀。取粉碎后的浆液约20mL,放入不同的试管中,静置于恒定温度(10℃)的环境下,定时观察各个试管的沉淀高度,比较不同工艺条件下黑莓浓浆的稳定性。

1.2.8.3 沉淀率的测定 果汁类饮品中原辅料的配比和加工工艺过程都是造成沉淀的重要原因,如何解决沉淀问题成为研究的关键技术之一。以沉淀率为评价指标,根据实验结果,计算各种不同工艺条件下黑莓浓浆的沉淀率。准确称取一定量的样品溶液(约20mL),放入离心试管中,离心机设置转速为1000r/min,离心10min后去除上清液,准确称取沉淀质量,计算沉淀率,公式如下[11]:

沉淀率(%)=沉淀质量/样品溶液质量×100

式(1)

1.2.8.4 粘度的测定 采用数显粘度计,选用3#转子,转速6r/min,在10℃的恒温环境下,测定不同工艺条件下黑莓浓浆的粘度[12]。

1.2.8.5 数据统计学分析 为了研究操作参数的变化与浓浆的静置稳定性、粒度、粘度和沉淀率变化之间的关系,根据实验数据绘制曲线图,通过计算数据的标准偏差绘制各条曲线的误差线,最后计算出不同操作参数和浓浆各种指标之间的相关系数r,公式如下[13]:

式(2)

其中,n为样品的数量,x、y为不同的变量。|r|=1时,为完全相关,r=+1为完全正相关,r=-1为完全负相关;r=0时,不存在线性相关关系;-1≤r<0时,为负相关;0

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 剪切机的静刀片齿数对黑莓浓浆稳定性的影响 剪切机的静刀片齿数分别为180、200、206、216、222个时,数据如图1所示,粉碎机齿数和静置稳定性之间的相关系数r1h=0.859,r6h=0.985,r20h=-0.960,在开始阶段,随着时间的增加,浓浆的稳定性跟齿数变化呈现正相关,并且相关性逐渐紧密。随着剪切机齿数的增加,曲线的斜率逐渐减小,反映了浓浆的沉淀速度减慢。20h后呈现负相关,且浓浆趋于稳定,最终不同样品的沉淀高度也有所不同。采用180齿剪切机加工的浓浆开始沉淀速度最快,最终沉淀高度最高,而222齿开始沉淀速度最慢,最终沉淀高度比216齿略高一点。分析原因是由于齿数少、粒度大,开始时颗粒重量较大,因此沉淀速度较快,静置后所占体积也较大,因此沉淀高度最高,相反齿数多的剪切机粉碎的浓浆粒度较小,沉淀速度较慢,最终就由于颗粒体积小,沉淀高度低。随着浓浆粒径继续减小,颗粒间产生了一定的团聚现象,致使222齿最终的沉淀高度略高于216齿。

图1 不同静刀片齿数对浓浆稳定性的影响 Fig.1 The influence of different number of static blades on the stability of the BlackBerry pulp

2.1.2 剪切机的转子转速对黑莓浓浆稳定性的影响 剪切机的转子转速分别为4000、6000、7500、8500、9000r/min时,数据如图2所示,转子转速和静置稳定性之间的相关系数r1h=0.956,r6h=0.975,r20h=-0.97,开始阶段,随着转子转速的提高,浓浆的稳定性跟转速变化呈现正相关,并且相关性逐渐紧密,浓浆的初始沉淀速度逐渐降低,20h后呈现负相关,沉淀趋于稳定,最终转速为4000r/min时,沉淀高度最高,8500r/min时沉淀高度最低。分析原因是由于,转速越高,相同质量的物料被剪切的次数就越多,浓浆粒度就越小,因此转速为9000r/min时沉淀速度最慢,最终沉淀高度也较低。

图2 不同转子转速对浓浆稳定性的影响 Fig.2 The influence of different rotor speed on the stability of the BlackBerry pulp

2.1.3 粉碎循环次数的对黑莓浓浆稳定性的影响 黑莓物料的粉碎循环次数分别为1、2、3、4、5次时,实验数据如图3所示,循环次数和静置稳定性之间的相关系数r1h=0.866,r6h=0.99,r20h=-0.935,开始阶段,浓浆的稳定性跟循环次数变化呈现正相关,并且相关性逐渐紧密,随着循环次数增加,初始沉淀速度减慢,沉淀高度越来越低,20h后呈现负相关,并趋于稳定,当循环次数为4次时,样品的沉淀高度最低,稳定性最好,继续增加循环次数则沉淀高度略有升高。分析原因是由于随着粉碎循环次数的增加,一方面物料被切割次数增加,粒度减小,另一方面在多次循环粉碎的作用下,物料在粉碎过程中吸收了大量的机械能和热能,使较细的颗粒表面具有相当高的表面活化能,粒子处于不稳定状态。颗粒为了降低这些能量使其趋于稳定,往往通过相互聚拢来达到稳定状态。因此颗粒间团聚,粒径变大,沉淀高度升高。

图3 不同粉碎循环次数对浓浆稳定性的影响 Fig.3 The influence of different number of grinding cycles on the stability of the BlackBerry pulp

2.2 操作参数变化对浓浆各项指标影响的分析

图4反映了操作参数变化与浓浆粒度变化之间的曲线图。由图中数据可得出它们之间的相关系数r齿数=-0.997,r转速=-0.996,r循环次数=-0.991,因此齿数变化和粒度变化的关系最密切,也就是影响最大,其次是转子转速,最小的是粉碎循环次数,并且均呈现负相关,及随着齿数、转速和粉碎循环次数的增加,粒度逐渐减小。

图4 操作参数变化对浓浆粒度的影响 Fig.4 The influence of different mainly process parameters on the particle size of the pulp of BlackBerry

图5反映了操作参数变化与浓浆粘度变化之间的曲线图,由图中数据可得出操作参数变化与浓浆粘度之间的相关系数r齿数=0.981,r转速=0.978,r循环次数=0.972,因此齿数变化和浓浆粘度变化的关系最密切,也就是影响最大,其次是转子转速,最小的是粉碎循环次数,并且均呈现正相关,即随着齿数、转速和粉碎循环次数的增加,浓浆粘度逐渐增大。由图中曲线的末端可以看出随着齿数和转子转速的持续增加,浓浆的粘度有一定程度的下降,分析原因是由于黑莓颗粒过小,产生了团聚现象,使浓浆粒径变大,粘度降低。

图6反映了操作参数变化与浓浆沉淀率变化之间的曲线图,由图中数据可得出操作参数变化与浓浆沉淀率之间的相关系数r齿数=-0.973,r转速=-0.964,r循环次数=-0.956,因此齿数变化对浓浆沉淀率的影响最大,其次是转子转速,最小的是粉碎循环次数,并且均呈现负相关,及随着齿数、转速和粉碎循环次数的增加,浓浆的沉淀率逐渐减小。在各条曲线的最后阶段浓浆的沉淀率都略有上升,其原因也是由于黑莓浓浆的颗粒过小产生了团聚现象,使沉淀率有所提高。

图5 操作参数变化对浓浆粘度的影响 Fig.5 The influence of different process parameters on the viscosity of the pulp of BlackBerry

图6 操作参数变化对浓浆沉淀率的影响 Fig.6 The influence of different process parameters on the rate of deposition of the pulp of BlackBerry

2.3 产品质量指标

通过实验和数据分析表明,当剪切机的转子转速为8500r/min,静刀片齿数为216个,粉碎循环4次时,黑莓浓浆饮品的粒度为87.494μm,粘度为398MPa·s,沉淀率为21.83%,所得产品静置后的最终沉淀高度为69mm,为所有样品中的最低值。因此,采用此工艺生产的浓浆饮品其粘度、沉淀率、粒度和静置稳定性都较佳。

3 结论

本文运用高效剪切技术加工新鲜黑莓全果,研制出一种黑莓浓浆饮品,通过观察黑莓浓浆的静置稳定性以及测量浓浆的粒度、粘性、沉淀率等,研究了主要工艺操作参数对浓浆的影响。结果表明:剪切机的静刀片齿数对浓浆的粒度、粘性和稳定性影响最大,其次是转子转速,影响最小的是粉碎循环次数,当剪切机的转子转速设置为8500r/min,静刀片齿数为216,粉碎循环4次时,浓浆的各项指标都较好。本研究初次将剪切技术应用与黑莓全果的制浆中,仅从工艺的角度对浓浆的粒度、粘性和稳定性做了分析,今后还需对浓浆饮品的可溶性固形物含量、营养价值分析、产品接受程度等方面进行深入的分析与研究。本次实验得到的浓浆产品,其细度可达87μm,完全可以满足生产实际需求,不仅可以作为鲜榨果汁直接饮用,也可为进一步的深加工提供更优的选择,各项工艺操作参数对浓浆粘度和稳定性的影响也可为生产过程提供相关数据参考,为新鲜黑莓的加工全利用提供更新、更好、更有效的加工方法。

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