慈姑粉的喷雾干燥工艺优化

陈 梦,段玉清,罗孝平,覃飘燕,余运波,张海晖

(江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212000)

慈姑(SagittifoliaS.)又名白地栗、燕尾草,属于泽泻科慈姑属的多年生宿根浅水草本植物,我国栽培面积广泛[1]。慈姑以其球茎供食,因其球茎中含有丰富的营养成分,如碳水化合物、多糖、蛋白质、脂肪、铁、锌、硒、维生素E及膳食纤维等而深受消费者的喜爱[2-3]。此外,还有酚类、生物碱类等活性物质,具有抗氧化、降血糖、抗肿瘤以及解毒等生物活性[4-6]。慈姑因其含水量高,很难贮存和运输,再加上地域分布,严重制约其资源的开发和利用。目前慈姑的加工仍以产地初加工为主,即直接散装上市,或真空包装,偶见鲜切慈姑和慈姑咸菜[7]。迄今,市场上尚未见慈姑粉产品,也少有此方面的文献报道。

喷雾干燥是工业系统化技术集成应用于物料干燥的一种方法。其主要是在干燥室中将稀料雾化后,再与热空气接触,物料迅速汽化,即得到干燥产品。该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品,可省去蒸发、粉碎等工序,大大降低能耗和缩短干燥时间[8-9]。同时,利用喷雾干燥生产果蔬粉,其营养与风味损失少,制品颗粒度小且均匀,有很好的分散性和速溶性[10-11]。迄今,国内已将喷雾干燥生产线应用于规模化生产番茄粉、柑桔粉等产品。另外,还有研究对部分水果的喷雾干燥制粉工艺进行了探索,如制取草葛粉、柑橘果粉、红枣粉、山楂粉、枸杞沙棘复合粉、番木瓜粉等[12-13]。但果浆因含有大量葡萄糖、果糖、果胶等成分而导致粘性较大,较难进行喷雾干燥,且喷雾干燥过程中会因果粉的热塑性和吸湿性而出现结块问题。

一般加入麦芽糊精、β-环糊精、可溶性淀粉等助干剂可解决此难题,而麦芽糊精的效果要优于β-环糊精和可溶性淀粉[14-15]。

基于此,本文利用喷雾干燥技术,以麦芽糊精为助干剂,研究慈姑粉的喷雾干燥技术参数,确定最佳工艺，为慈姑资源的综合开发利用提供理论依据和参考。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

新鲜慈姑 产自江苏省扬州市宝应县,α-淀粉酶(40000 U/g) 购于江苏锐阳生物科技有限公司;玉米淀粉、β-环糊精、麦芽糊精 均为食品级,购于山东西王糖业有限公司。

BS-124S 型电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司,HH-S4 型数显恒温水浴锅 江苏金坛市医疗仪器厂;B-290Spray Dryer 喷雾干燥仪 瑞士BUCHI实验室仪器公司;DHG-9240A电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司,LYT-380折光仪 上海淋誉贸易有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 新鲜慈姑的主要营养成分含量 含水量测定:GB 5009.3-2016;蛋白质含量测定:GB 5009.5-2016;脂肪含量测定:GB 5009.6-2016;淀粉含量测定:GB 5009.9-2016;粗纤维含量测定:GB/T 5009.10-2003;灰分含量测定:GB 5009.4-2016。

1.2.2 慈姑粉的制备过程 将新鲜慈姑清洗去杂,再去皮、切成大小为0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm～1 cm×1 cm×1 cm方块;将慈姑块加入含有0.8%柠檬酸和0.15%抗坏血酸的沸水中预煮并护色热烫5 min;加入1.5倍质量的水进行打浆;按每克慈姑果肉(按原料重量计算)加120 Uα-淀粉酶,于80 ℃下酶解30 min后,用100目尼龙纱布过滤得到慈姑酶解液[16];向慈姑酶解液中添加适量助干剂,于20 MPa下均质2次,然后进行喷雾干燥,获得慈姑粉成品[17]。

1.2.3 慈姑粉的感官评定 慈姑粉的感官评定由十位专业人员组成感官评价小组,对慈姑粉的色泽、风味、质地进行全面评价,感官评分满分10分,具体见表1[19]。

表1 慈姑粉感官评定评分标准Table 1 Sensory evaluation standards for arrowhead powder

1.2.4 助干剂的选择和添加量 分别选用玉米淀粉、麦芽糊精、β-环糊精为备选助干剂,按慈姑酶解液中可溶性固形物含量计算,其添加量均为20%,喷雾干燥条件为进风温度180 ℃,进料流量30%,热空气流量36 m3/h,以不添加助干剂为对照，比较不同助干剂对出粉率、粘壁情况和感官评定的影响。优选出麦芽糊精为助干剂时,按慈姑酶解液中可溶性固形物含量计算,考察不同添加量(0、10%、20%、30%、40%、50%、60%)对出粉率、含水量和感官评分的影响。可溶性固形物含量测定,采用折光仪测定法[18]。出粉率的计算公式为:

式中:X-出粉率,%;m1-收集瓶中粉末的质量,g;m2-喷雾干燥前慈姑酶解液的总固形物质量,g;m3-助干剂的质量,g。

1.2.5 喷雾干燥参数优化

1.2.5.1 单因素实验 采用1.2.4中麦芽糊精的最优添加量,固定喷雾干燥参数为进料流量25%、热空气流量34 m3/h,考察不同进风温度(140、160、180、200、210 ℃)对出粉率、含水量和感官评分的影响;固定喷雾干燥参数为进风温度180 ℃、热空气流量34 m3/h,考察不同进料流量(15%、20%、25%、30%、35%)对出粉率、含水量和感官评分的影响;固定喷雾干燥参数为进风温度180 ℃、进料流量为25%,考察不同热空气流量(30、32、34、36、38 m3/h)对出粉率、含水量和感官评分的影响。

1.2.5.2 正交实验 在单因素实验的基础上,以进风温度、进料流量和热空气流量为自变量,以出粉率为因变量,进行3因素3水平正交实验,优化慈姑粉喷雾干燥的最佳参数,其因素与水平设计见表2。

表2 正交实验因素水平表Table 2 Factors and levels used for orthogonal array design

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 新鲜慈姑的主要营养成分含量

根据国标测定的新鲜慈姑的主要营养成分含量具体见表3。

表3 新鲜慈姑的主要营养成分含量Table 3 Main nutrient content of fresh arrowhead

新鲜慈姑含水量较高,除此之外,慈姑含有丰富的营养成分,其中淀粉含量最高,其次是蛋白质、粗纤维和灰分,脂肪含量最少,是一种低脂肪、高碳水化合物的食品。

2.2 助干剂对慈姑粉出粉率和感官性能的影响

已知慈姑中淀粉含量高,经酶解后的慈姑汁中含糖量高、粘稠度大,导致流动性差,难以喷雾成粉,为此分别考察玉米淀粉、麦芽糊精、β-环糊精3种助干剂对慈姑粉的出粉率、喷雾粘壁情况和感官性状影响,其结果见表4。由表4可知,与不添加助干剂的相比,添加麦芽糊精、β-环糊精和玉米淀粉作为助干剂能够显著提高出粉率,减轻粘壁情况,改善粉体的感官性状;其中,玉米淀粉作为助干剂虽然出粉率较β-环糊精略高,但粉体较粘,香味淡;β-环糊精的出粉率最低,而且粉体的冲调性差,有轻微沉淀;麦芽糊精是一种常用的助干剂,具有防结块、增加产品分散性和溶解性等优点,其成本较低[15],本实验中出粉率较高,而且粘壁少,感官品质佳,故选用麦芽糊精作为慈姑粉喷雾干燥的助干剂。

表4 助干剂对喷雾干燥效果的影响Table 4 Effect of drying aids on spray drying

2.3 麦芽糊精的添加量对喷雾干燥效果的影响

在喷雾干燥过程中,虽然添加麦芽糊精可解决结块和粘壁的问题,提高产品得率,但大量添加麦芽糊精后产品的溶解度和吸湿性均下降,口感变差,且慈姑粉的营养和风味等天然属性大幅丧失。故本文考察麦芽糊精的添加量对慈姑粉的出粉率及其感官性能等的影响,其结果见图1。由图1可见,麦芽糊精添加量在10%～40%之间时,其慈姑粉出粉率随着其添加量的增加而升高,当添加量达到40%时,其出粉率达到51.67%±0.83%,而且粉体含水量低于5%,符合《食品安全国家标准 饮料》(GB 7101-2015)中的规定[20],粉体的感官评定效果最佳;随后继续增加麦芽糊精的量,其出粉率趋于平稳,慈姑粉的感官性状大幅下降,而且出现麦芽糊精味,影响产品风味。因此,麦芽糊精的添加量控制在40%。

图1 麦芽糊精的添加量对喷雾干燥效果的影响Fig.1 Effect of the addition of maltodextrin on spray drying effect

2.4 喷雾干燥各因素对慈姑粉出粉率、含水量和感官评分的影响

2.4.1 进风温度对慈姑粉的出粉率、含水量及感官评分的影响 由图2可知,进风温度太低,不足以使全部液滴在干燥室内完全干燥,部分半干颗粒发生黏壁现象,导致产品得率较低。若进口热风温度过高,料液内糖类物质发生熔化及焦糖化反应,粘附于喷头处,影响喷雾干燥的进程且粉体色泽变黄,产生焦糊味,慈姑粉品质劣化[21]。当进风温度到达180 ℃时,含水率已低于5%,此时出粉率最高,达到50.68%±1.3%,粉体的感官性状最佳。因此,进风温度控制在180 ℃左右为宜。

图2 进风温度对喷雾干燥效果的影响Fig.2 Effect of inlet temperature on spray drying effect

2.4.2 进料流量慈姑粉的出粉率、含水量及感官评分的影响 由图3可知,随着进料流量的增大,慈姑粉出粉率呈先上升后下降趋势,进料流量越大,料液受热不充分,未能充分干燥而造成出粉率降低。同时,慈姑粉含水量逐渐增加,当进料流量超过30%时,慈姑粉含水量超过25.0%,该含水量的慈姑粉不利于长期保存;粉体出现轻微结块,感官质量下降。当进料流量较小时,料液受热较充分,粉体含水量低,但出粉率偏低,从时间和成本整体考虑,选取进料流量25%左右为宜。

图3 进料流量对喷雾干燥效果的影响Fig.3 Effect of feed flow rate on spray drying

2.4.3 热空气流量对慈姑粉的出粉率、含水量及感官评分的影响 由图4可知,随着热空气流量增大,产品的出粉率和含水量都增大,而感官评分先上升后下降。热空气流量太低,会导致气流从干燥室的下部向上部逆流,这种空气流动模式会影响液滴在干燥室的移动轨迹,使半干液滴撞向并黏附于干燥室壁,导致出粉率较低[22]。因此,增大热空气流量,能提高产品出粉率。但流量过大,液滴和热空气流在干燥室内停留时间降低,因此水分蒸发不完全,含水量增大,并且会导致颗粒互相黏附结块的趋势更大,感官评分下降。因此,热空气流量以不高于36 m3/h为宜。

图4 热空气流量对喷雾干燥效果的影响Fig.4 Effect of hot air flow rate on spray drying

2.5 正交实验优化结果

正交实验结果见表5,方差分析见表6。结果表明:在麦芽糊精添加量为40%的条件下,各实验因素对慈姑粉出粉率的影响主次顺序为:A>B>C,即进风温度影响最大,其次是进料流量,热空气流量的影响最小。根据K值可知以上3因素的最优组合条件为A2B2C3,即进风温度180 ℃、进料流量25%、热空气流量36 cm3/h。方差分析结果表明:进风温度对慈姑出粉率具有显著影响,进料流量和热空气流量对慈姑出粉率没有显著影响。在正交实验中得到的理论最佳组合条件下测定慈姑出粉率,并做3组平行。验证实验表明:在最佳条件下慈姑粉出粉率为48.51%±0.63%,含水量为4.86%±0.07%。

表5 正交实验结果Table 5 Orthogonal test results

表6 正交实验数据方差分析表Table 6 Variance analysis of orthogonal test data

3 结论

慈姑粉的喷雾干燥法制备最佳工艺条件为:麦芽糊精添加量40%、进风温度180 ℃、进料流量25%、热空气流量36 cm3/h。在此最佳条件下慈姑粉的出粉率为48.51%±0.63%,含水量为4.86%±0.07%,具有较高稳定性,产品感官品质较好,适合于较长时间储藏。因此,利用喷雾干燥制备慈姑粉是可行的,是慈姑深加工的重要途径之一。除此之外,对于慈姑粉的微观结构对其性质的影响还有待于进行深入研究。

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