喷雾干燥法制备蔗汁桂圆固体饮料的研究

柴智慧，张佳欣，宋小荣，范松林，陆登俊，何惠欢

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；2.广西工业职业技术学院，广西南宁530001）

随着人们生活方式的改变，生活节奏的加快，大众追求健康和便捷饮食。固体饮料的研究始于20世纪70年代，凭借其营养丰富、食用方便、货架期长等优势，在国内外发展迅速，成为当今便捷食品研究的热点[1-3]。

甘蔗富含蔗糖、多酚、蛋白质、氨基酸等营养物质，具有抗肿瘤、抗病毒、抑菌等功效[4-6]。桂圆富含桂圆多糖，是一种药食同源的传统食材，具有延缓衰老、抗氧化、增强记忆等功效[7-10]。目前，甘蔗在我国主要用来制备白砂糖，桂圆主要用作鲜食水果或干燥后用作药材或干食，两者的产品结构较为单一。

喷雾干燥技术是将溶液、乳浊液、悬浊液等物料通过机械作用将物料分散形成雾滴，然后通入热空气使雾滴中的水分迅速气化，以此获得干制品。该技术的特点在于得到的产品颗粒均一，速溶性好，水分含量低，利于储存，并可最大限度地保留其中的营养成分，具有独特风味和香醇口感[11-15]。本试验以蔗汁和桂圆为原料，添加麦芽糊精作辅料，采用喷雾干燥法，将混合液干燥成固态粉末，制备新型的固体饮料，并利用响应面试验对喷雾干燥工艺条件进行优化，最后对产品进行品质分析，以期为拓展甘蔗、桂圆的产品产业链提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

1.1.1 材料与试剂

蔗汁：于2017年2月采购南宁甘蔗，自行压榨；桂圆：南宁五里亭批发市场，产地南宁；麦芽糊精（20 DE值）、盐酸（AR）、氯化钠（AR）、氢氧化钠（AR）、无水乙醇（AR）、其余试剂均为分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器

WAY-2S数字阿贝折光仪：日本ATAGO公司；PHSJ4A酸度计：上海雷磁仪器公司；L500台式低速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；WZZ-2S自动旋光仪：上海精密科学仪器有限公司制造；RE-52旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；KQ-500DE数控超声清冼器：昆山市超声仪器有限公司；DC-1500实验型喷雾干燥机：上海达程实验设备有限公司；GYB30-60高压均质机：上海东华高压均质机厂。

1.2 方法

1.2.1 技术路线

喷雾干燥蔗汁桂圆固体饮料的工艺流程见图1。

图1 喷雾干燥蔗汁桂圆固体饮料的工艺流程Fig.1 The technological process of spray drying of sugarcane juice and longan solid beverage

1.2.2 操作要点

1）澄清处理[16]：采用振荡离心的方法对甘蔗汁进行处理，振荡温度70℃，振荡时间60 min，离心时间10 min，离心转速7 000 r/min，旨在尽可能地保留蔗汁的营养成分。

2）超声提取[17]：采用超声法提取桂圆多糖及多酚两种有效成分，浸泡时间90 min，超声时间80 min，超声功率300 W，提取温度50℃。

3）两倍浓缩：采用旋转蒸发的方法将桂圆提取液浓缩至原体积的一半。

4）比例混合：将处理后的蔗汁和桂圆浓缩液以体积比为2∶1的比例混合制备成混合汁。

5）均质：将上述混合汁在20 MPa的条件下进行两次均质。

6）灭菌：灭菌条件为 121℃、20 min。

7）喷雾干燥：在适宜的条件下进行喷雾干燥。

1.2.3 分析检测

1）水分含量：参照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》中减压干燥方法。

2）集粉率[18]，其计算方法如下：

式中：S为集粉率，%；m为喷雾干燥后成品的质量，g；m0为喷雾干燥前料液的固形物含量，g；m1为喷雾干燥前加入麦芽糊精的质量，g。

1.3 喷雾干燥各工艺参数确定

1.3.1 单因素试验

固定喷雾干燥的入料流量6 mL/min、进风温度180℃、出风温度80℃，研究不同的麦芽糊精添加量（10%、20%、30%、40%、50%）对产品集粉率和水分含量的影响；固定喷雾干燥的麦芽糊精添加量30%、进风温度180℃、出风温度80℃，研究不同的喷雾干燥的入料流量（3、6、9、12、15 mL/min）对产品集粉率和水分含量的影响；固定喷雾干燥的麦芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、出风温度80℃，研究不同的喷雾干燥进风温度（150、160、170、180、190 ℃）对产品集粉率和水分含量的影响；固定喷雾干燥的麦芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、进风温度160℃，研究不同的喷雾干燥出风温度（60、70、80、90、100℃）对产品集粉率和水分含量的影响。

1.3.2 响应面试验

根据单因素试验结果，响应面试验优化选取麦芽糊精添加量、入料流量、进风温度、出风温度四因素，以集粉率和水分含量为响应值。采用Design Expert8.0对试验进行设计，试验因素和水平如表1。

表1 响应面试验因素水平表Table1 The level table of response surface experimental factors

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 麦芽糊精添加量对干燥效果的影响

麦芽糊精添加量对干燥效果的影响见图2。

图2 麦芽糊精添加量对干燥效果的影响Fig.2 The influence of maltodextrin addition on the drying effect

由图2可知，成品集粉率随着麦芽糊精添加量的增加而增大，麦芽糊精添加量在10%～30%时，集粉率变化明显，集粉率由8.5%增至26.85%，在麦芽糊精添加量30%～50%之间时集粉率变化较慢，集粉率由26.85%增加到31.1%；麦芽糊精添加量在30%之前，产品的水分含量减少且效果显著，在此之后再增加麦芽糊精的添加量，其水分含量变化不明显；可能是在喷雾干燥过程中麦芽糊精可起到助干剂的作用，其添加量在30%之前，集粉率增加较多，水分减少，但超过之后，由于产品水分含量少，助干作用不明显。因此，选取麦芽糊精的添加量为30%作为后续单因素的试验水平。

2.1.2 入料流量对干燥效果的影响

入料流量对干燥效果的影响见图3。

由图3可看出，入料流量逐渐增加，产品集粉率随之先增后减，在入料流量6 mL/min时，集粉效果较好；产品水分随着入料流量的增加而增大。原因是在一定范围内增加入料流量有利于提高产品的集粉率，但到达一定程度后再增加入料流量，此时物料的水分含量较多，不利于干燥集粉，使产品集粉率下降且水分含量偏大。因此，选取入料流量量为6 mL/min作为后续单因素的试验水平。

2.1.3 进风温度对干燥效果的影响

进风温度对干燥效果的影响见图4。

图3 入料流量对干燥效果的影响Fig.3 The influence of feed flow rate on the drying effect

图4 进风温度对干燥效果的影响Fig.4 The influence of inlet air temperature on the drying effect

由图4可知，随着进风温度的增加，干燥产品的集粉率呈现出先增加后降低的趋势，在进风温度为160℃时，干燥产品集粉率出现最大值31.28%。在喷雾干燥过程中，进风温度过高过低均会影响集粉效果，进风温度过低会导致产品干燥不完全，进风温度过高会导致部分产品焦糖化；产品水分含量随着进风温度的升高逐渐降低，在干燥过程中，进风温度可直接影响产品的水分含量，影响干燥的效果。因此，选取进风温度为160℃作为后续单因素的试验水平。

2.1.4 出风温度对干燥效果的影响

出风温度对干燥效果的影响见图5。

由图5可看出，随着出风温度逐渐增加，产品的集粉率随之先增加后减小，在出风温度为90℃时，干燥产品集粉率出现最大值30.83%；在出风温度为60℃～100℃的范围内，干燥产品的水分含量随出风温度的增加而降低。在喷雾干燥过程中出风温度和进风温度的作用相似，温度高有利于降低产品的水分含量。因此，出风温度选取90℃。

图5 出风温度对干燥效果的影响Fig.5 The influence of outlet air temperature on the drying effect

2.2 喷雾干燥工艺的优化

2.2.1 响应面优化

在单因素试验的基础上，设计响应面试验，选取影响干燥效果的4个主要因素麦芽糊精添加量、入料流量、进风温度、出风温度为自变量，设计响应面试验。采用Design Expert8.0软件对试验数据回归分析，试验结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果Table2 The design of response surface experiment and its result

2.2.2 回归模型

由表2的试验结果，根据Design Expert8.0软件可得出，各因子与集粉率和水分含量之间的回归方程如下：

水分含量回归模型

式中：Y1为物料的集粉率，%；Y2为物料的水分含量，%；A为麦芽糊精添加量，%；B为入料流量，mL/min；C为进风温度，℃；D为出风温度，℃。

2.2.3 模型检验

2.2.3.1 集粉率回归模型方差分析

集粉率回归模型方差分析见表3。

表3 集粉率回归模型方差分析Table3 The variance analysis of set regression model

续表3 集粉率回归模型方差分析Continue table 3 The variance analysis of set regression model

由表3可知，回归模型F检显著，P值＜0.001，该回归模型极显著，其失拟项P值＞0.05，该模型失拟项不显著，相关系数R2=0.880 1，此模型可解释88.01%的数据变化，说明该模型拟合度较好。从表中可以看出，麦芽糊精添加量和入料流量对集粉率的线性效应均极显著（P＜0.01），麦芽糊精添加量和入料流量的交互效应、麦芽糊精添加量和出风温度的交互效应均显著，其余影响均不显著。将不显著因素忽略后，回归方程可简化为：Y1=30.53+4.06A-2.67B-5.03AB-3.02AD。

2.2.3.2 水分含量回归模型方差分析

水分含量回归模型方差分析见表4。

表4 水分含量回归模型方差分析Table4 The variance analysis of regression model of water content

续表4 水分含量回归模型方差分析Continue table 4 The variance analysis of regression model of water content

由表4可知，回归模型F检显著，P值＜0.001，回归模型极显著，其失拟项P值=0.273 8＞0.05，该模型失拟项不显著，相关系数R2=0.891 4，此模型可解释89.14%的数据变化，说明该模型拟合度较好。从表中可以看出，麦芽糊精添加量、进风温度和出风温度对集粉率的线性效应均极显著（P＜0.01），4个因素的交互作用均不显著。将不显著因素忽略后，回归方程可简化为：Y2=1.41-0.74A-0.49C-0.43D。

2.2.4 喷雾干燥回归模型的响应面分析

图6、图7分别为麦芽糊精添加量和出风温度共同作用、进料流量和进风温度共同作用对物料的集粉率和水分含量的响应曲面图。

图6 集粉率响应图Fig.6 The powder collecting rate response chart

图7 水分含量响应图Fig.7 The moisture content response chart

图6 中a为麦芽糊精添加量和出风温度交互作用对产品集粉率的响应面曲线，可以看出，麦芽糊精添加量和出风温度对产品集粉率均有影响，其中麦芽糊精添加量对集粉率的影响比出风温度的影响更显著。当保持出风温度不变时，集粉率随着麦芽糊精添加量的增大而增加；当保持麦芽糊精添加量不变时，随着出风温度的升高，干燥时间呈现先增加到最大值再降低的趋势，其原因可能是出风温度过高，导致物料发生焦糖化，从而降低其集粉率。

图6中b为进风温度和入料流量交互作用对产品集粉率的响应面曲线，可以看出，同一进风温度水平下，开始时干燥样品集粉率随入料流量的增大而增大，当达到一定值后集粉率随入料流量的增加而降低，原因可能是当超过一定的入料流量后再增加流量会造成物料干燥不充分，干燥产品未被收集，从而集粉率降低。在同一入料流量下，随着进风温度的升高，产品集粉率先增加后降低。

图7中a为麦芽糊精添加量和出风温度交互作用对产品水分含量的响应面曲线，可以看出，麦芽糊精添加量和出风温度对产品水分含量均有影响。当保持出风温度不变时，随着麦芽糊精添加量的增加，水分含量先快速降低后趋于稳定。当保持麦芽糊精添加量不变时，随着出风温度的升高，水分含量呈缓慢降低的趋势。

图7中b为进风温度和入料流量交互作用对产品集粉率的响应面曲线，可以看出，进风温度和入料流量对干燥产品的水分含量均有影响。当保持入料流量不变时，水分含量随着进风温度的升高而逐渐减小。当保持进风温度不变时，入料流量对水分含量的影响与进风温度相反，水分含量随着入料流量的升高而增加。

2.2.5 优化试验的响应面分析

综合响应面分析结果来看，选取最佳的喷雾干燥制备蔗汁桂圆固体饮料的工艺参数为：麦芽糊精添加量为40%，入料流量为3 mL/min，进风温度167℃，出风温度65℃。

2.3 产品质量分析

蔗汁桂圆固体饮料的制备工艺包括澄清、提取、浓缩、均质、干燥等过程，根据2.2.5最佳工艺条件制备蔗汁桂圆固体饮料，并进行产品质量分析。

2.3.1 产品品质分析

产品品质分析见表5。

表5 产品品质分析表Table5 The product quality analysis form

根据国家标准GB/T 29602-2013《固体饮料》中明确区别固体饮料的分类，并给出了定义及部分成分含量要求，但其对果蔬类固体饮料的理化指标等未有明确说明。因此，蔗汁桂圆固体饮料品质分析指标参考QB/T 3623-1999《果香型固体饮料》轻工行业标准，由表5可以看出，各检验指标均符合要求。

2.3.2 卫生品质分析

卫生品质分析见表6。

如表6所示为参考QB/T 3623-1999《果香型固体饮料》轻工行业标准对固体饮料卫生指标的规定对产品卫生品质进行分析，从表中可以看出，所生产的固体饮料符合卫生要求。

2.3.3 冲调性分析

冲调前后蔗汁桂圆固体饮料照片见图8。

表6 卫生品质分析表Table6 The hygienic quality analysis form

图8 冲调前后蔗汁桂圆固体饮料照片Fig.8 The photo of sugar cane juice and longan solid drink before and after the adjustment

由图8可知：冲调前固体饮料为淡黄色，冲调后液体呈深黄色，具有蔗汁及圆应有的色泽。

综上所述，蔗汁桂圆固体饮料的理化指标及卫生指标达到了国家相关规定，并具有较好的饮用价值和感官效果。

3 结论

本文主要研究了在一定的喷雾干燥条件下，以蔗汁、桂圆为原料，添加麦芽糊精为辅料，制备蔗汁桂圆速溶固体饮料。确定最佳喷雾干燥工艺条件和蔗汁桂圆固体饮料的配方。试验表明，蔗汁与桂圆浓缩汁的添加体积比为2∶1，麦芽糊精添加量为40%，入料流量为3 mL/min，进风温度167℃，出风温度65℃的条件下进行喷雾干燥所得蔗汁桂圆固体饮料溶解速度快，香甜可口，具有蔗汁桂圆特有的风味。