马铃薯雪花全粉真空冷冻干燥制备工艺及其性质

薛海，贺阳，孟祥敏，文连奎*

1. 吉林农业大学（长春 130000）；2. 和龙市扶贫办（和龙 133500）

马铃薯（Solanum tuberosum L.），属茄科草本植物，新鲜马铃薯中含9%～20%淀粉，是一种非常重要的全球化粮食作物[1]。马铃薯雪花全粉是以新鲜马铃薯为原料，经清洗、去皮、切片、预煮、冷却、蒸煮、捣泥等工艺过程，经脱水干燥而得到的片屑状或细粉末状产品[2]。但传统的热风和滚筒干燥方式常会使雪花全粉脱水时经过剧烈的热处理，有很高的糊化度，长时间加热会导致马铃薯淀粉晶体结构改变，干燥后复水性较差。

真空冷冻干燥是将物料中的水分先冻结成固态，在水的三相点压力下使冰升华成气态，而物质本身保留在冻结的冰架中，从而达到干燥目的[3]。冻干后物料体积几乎不变，保持原来结构，且疏松多孔，复水性好[4]。

试验采用响应面优化马铃薯雪花全粉真空冷冻干燥工艺，并对真空冷冻干燥与热风干燥马铃薯雪花全粉进行电镜扫描、X射线衍射、热特性和复水性分析，为真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉的制备工艺及品质研究及即食马铃薯泥等产品开发提供理论依据，并推动中国“马铃薯主食化”战略。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

马铃薯（坝薯9号）；马铃薯淀粉（内蒙古华欧淀粉工业股份有限公司）。

电子天平（上海精密仪器仪表有限公司）；LG 0.2真空冷冻干燥机（沈阳航天新阳冻干有限公司）；高速粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；多功能高速离心机（上海天美生化仪器设备工程有限公司）；ASX广角X射线衍射仪（德国BRUKER公司）；XL-30扫描电子显微镜（美国FEI公司）；Q 2000差式热量扫描仪（美国TA公司）；DGG-9003台式电热恒温鼓风干燥箱（上海森信实验仪器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉制备工艺流程

挑选质地较好的马铃薯，将冻伤、发芽、腐烂部位剔除。用清水将马铃薯清洗，清洗后将马铃薯去皮。将马铃薯切成厚度为0.5 cm的片状，放置到蒸锅中蒸煮。将熟制的土豆放置斩拌机中制成质地均匀泥状。将预处理好的马铃薯泥以一定厚度均匀平铺在冻干盘中，并放入预冻藏内预冻12 h，将预冻好的原料放入真空冷冻干燥机中进行冻干[5]。

1.2.2 热风干燥马铃薯雪花全粉制备工艺流程

预处理同真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉制备工艺，将预处理好的马铃薯泥采用鼓风干燥箱进行热风干燥，温度80 ℃左右，持续时间8 h[6]。

1.2.3 响应面法优化真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉工艺

根据预试验结果，对升华干燥真空度A（Pa）、升华干燥温度B（℃）、解析干燥真空度C（Pa）、解析干燥温度为D（℃）、装料量E（kg/m2）5个因素进行Box-Behnken Design优化设计，由于真空冷冻干燥时间长、功耗大，缩短干燥时间可以减少耗能、降低成本，因此选取冻干速率Y为响应值，评价5个因素对冻干速率的影响，试验设计见表1。

1.2.4 冻干速率的计算

按式（1）计算冻干速率[7]。

式中：F为冻干速率，%/h；M1为冻干前原料质量，g；M2为冻干后原料质量，g；t为总冻干时间，h。

1.2.5 显微结构扫描电子显微镜分析

取适量真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉样品于导电胶上，并固定在样品台上，置于真空镀金仪中镀金（10 mA，10 s），利用XL-30扫描电镜（FEI公司，美国）对真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉颗粒形貌进行观察。测定条件：工作电压5 kV，分别放大100倍及1 000倍进行观察[8]。

1.2.6 X射线衍射分析

取适量真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉样品置于样品架上，通过利用D8 X-射线衍射仪（ASX，布鲁克，德国）对真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉的晶体结构进行测定。

检测条件为：管压40 kV，电流40 mA，测量角度2θ=4°～60°，步长0.05°，扫描速度2°/min[9]。

式中：Dc为结晶区比例，%；Ac为结晶区；Aa为非结晶区。

1.2.7 热特性分析

精准称取3.00±0.02 mg真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉样品置于铝坩埚中，加入7 μL去离子水，搅拌均匀，用铝制坩埚盖密封，室温平衡2 h。将铝制坩埚置于Q 2000差示量热扫描仪（TA公司，美国），对真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉的热特性进行测定。检测条件为：起始温度20 ℃，终止温度120 ℃，升温速率5 ℃/min，用电脑记录DSC走势曲线。每个样品做3次平行试验，取3次结果平均值，并记录相变起始温度T0，峰值温度Tp，终止温度Tc和焓变ΔH[10]。

1.2.8 复水性的测定

取1 g真空冷冻干燥和热风干燥马铃薯雪花全粉于50 mL的离心管，加入20 mL蒸馏水，室温静置1 h，以4 500 r/min离心25 min，称取离心沉淀物的质量即为复水后的质量，按式（3）计算复水率[11]。

式中：R为复水率，%；M1为复水前样品质量，g；M2为复水后样品质量，g。

2 结果与分析

2.1 响应面法优化真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉工艺

Box-Behnken优化真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉试验设计及试验结果见表1。利用Design-Expert软件拟合分析，得出冻干速率Y的方程模型：Y=11.18+0.51A+0.55B+0.15C+0.46D+0.63E+0.027AB-0.53AC-0.075AD-0.70AE-0.47BC+0.045BD-0.36BE+0.023CD+0.15CE-0.46DE-1.51A2-1.35B2-1.42C2-1.38D2-0.86E2。

表1 Box-Behnken设计方案及试验结果

接表1

通过Design-Expert软件对回归方程求解，得出真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉的最佳工艺为：升华干燥真空度101.35 Pa、升华干燥温度76.05 ℃、解析干燥真空度70.24 Pa、解析干燥温度45.43 ℃、装料量7.62 kg/m2，此时冻干速率的理论值为11.359%/h。根据实际条件，调整参数为：升华干燥真空度100 Pa、升华干燥温度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥温度45 ℃、装料量7.5 kg/m2，进行3次验证试验。此时测定冻干速率为11.262%/h±0.172%/h，与理论值11.359%/h误差为0.9%，说明响应面优化工艺准确可靠，具有实际应用价值。

对该模型进行方差分析，结果见表2。

表2 Box-Behnken试验方差分析

采用响应面优化真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉的冻干工艺，模型极显著（p＜0.01），失拟项不显著（p≥0.05），回归显著。模型中一次项A、B、D、E极显著，C显著；二次项A2、B2、C2、D2、E2极显著；交互项AC、AE、BC、BE、DE极显著，CE显著，其余不显著。各因素对冻干速率的影响次序：E＞B＞A＞D＞C。决定系数R2=0.976 6，预测R2=0.909 9，调整R2=0.957 9，表明该模型拟合程度良好，可用来指导真空冷冻干燥法制备马铃薯雪花全粉。

2.2 电镜扫描结果分析

Oikonomopoulo等[12]研究表明，食品的干燥会导致食品的形貌和物理性质发生显著变化，对微观结构的观察可以说明干燥食品品质。通过扫描电子显微镜观察马铃薯雪花全粉颗粒的结构，图1（a）和（b）可以看出，真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒与热风干燥马铃薯雪花全粉均颗粒完整，且呈不规则形多角形结构。但真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒的粒径范围约123～147 μ m，热风干燥马铃薯雪花全粉颗粒的粒径范围约102～218 μ m，说明真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒均一[13]。图1（c）和（d）可以看出，真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒与热风干燥马铃薯雪花全粉颗粒的表面均因失水收缩，但真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒表面相对于热风干燥马铃薯雪花全粉颗粒表面收缩较为规整、均一，且形成的皱褶较小，表面比热风干燥处理的样品细腻。真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉的颗粒均匀，表面褶皱小是因为在冻干过程中马铃薯泥的水分是在冻结下直接升华，马铃薯可溶性物质不向物料表面转移，物料表面无沉积盐类，物料表面不会形成硬质薄皮，冻干产品形态完整，有利于复水，这一结论与Zhang等[14]的报道类似。

2.3 X射线衍射结果分析

通过真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉及热风干燥马铃薯全粉的X射线扫描光谱图（图2）及数据可以看出，2θ衍射角度分别在17.093°、21.805°、24.064°和17.289°、22.192°、23.877°处出现衍射峰，马铃薯雪花全粉属于B型淀粉（B型淀粉衍射角为17.2°、22.2°、24°），这与Xu等[15]研究结果一致。2种处理方法没有改变马铃薯淀粉的晶型，但真空冷冻干燥处理的马铃薯雪花全粉的衍射强度要高于热风干燥的马铃薯雪花全粉，冻干马铃薯雪花全粉的相对结晶度为21.79%高于热风干燥的相对结晶度（16.04%）（表3）。Ye等[16]在研究膳食纤维时表明结晶度是判断食品热特性的一个重要因素，结晶度与热特性成正相关，真空冷冻干燥处理的马铃薯雪花全粉具有较高的热稳定性。这可能是由于在热风干燥过程中的热效应使得淀粉分子和水分子之间发生振荡，而真空冷冻干的干燥方式对淀粉分子的影响相对较小。这与徐忠等[17]研究马铃薯雪花全粉的X射线衍射结果一致。

图1 真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉和热风干燥马铃薯全粉电镜图片

图2 X射线扫描光谱图

表3 X射线数据

2.4 热特性结果分析

采用差式热量扫描仪对真空冷冻干燥、热风干燥马铃薯雪花全粉进行热特性分析，热力学性质参数见表4。糊化是指在淀粉受热后，在一定温度范围内，淀粉颗粒溶胀、崩溃，并且结晶结构消失的过程。Karlsson[18]研究表明，在淀粉糊化过程中，ΔH可以直观反应淀粉颗粒的有序性和结晶度。牛晴[10]在研究淀粉的回生机制中指出，淀粉在糊化过程中需要吸收热量，ΔH越高，结晶度越高，说明糊化所需要的热量越多，说明稳定性好，结晶度较高。

从表4可知，真空冷冻干燥马铃薯全粉的热焓值要明显高于热风干燥马铃薯全粉（p＜0.05），这是由于在全粉干燥的过程中，真空冷冻干燥过程中的热量作用于冰的升华，并非直接作用于物料；热风干燥制备的马铃薯全粉，由于长时间直接加热导致淀粉糊化度高，失去结晶结构。这与唐小闲等[19]研究莲藕淀粉不同干燥方式对其影响的结果类似。

表4 马铃薯全粉的热特性

2.5 复水性测定结果分析

真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉的复水性显著高于热风干燥马铃薯雪华全粉（图3）。这一结果在扫描电镜图中很好体现，真空冷冻干燥工艺制备的马铃薯雪花全粉颗粒小而均一，表面平整褶皱小，复水时与水接触面积较大，可吸纳更多水分，具有比烘干粉更好的复水性。热风干燥马铃薯雪花全粉在干燥过程中，大量热使细胞组织结构严重破坏，整个组织呈紧密状态，接触面积减小，因此热风干燥马铃薯全粉的复水性较差[20]。

图3 马铃薯全粉复水性

3 结论与讨论

真空冷冻干燥马铃薯全粉的最佳工艺条件为：升华干燥真空度100 Pa、升华干燥温度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥温度45 ℃、装料量7.5 kg/m2、冻干速率11.362 3%/h。扫描电子显微镜观察真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉颗粒较均一，表面褶皱较小；X射线衍射结果表明，真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉可保留较高结晶度，减少结构破坏；热特性结果表明真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉在糊化过程中焓值较高，热稳定性较好，糊化度低于热风干燥马铃薯雪花全粉；真空冷冻干燥制备马铃薯雪花全粉复水性好于热风干燥马铃薯雪花全粉。因此，真空冷冻干燥马铃薯雪花全粉品质优于热风干燥马铃薯雪花全粉。真空冷冻干燥工艺可有效提升马铃薯雪花全粉的品质，具有广阔的应用前景。试验积极响应农业部提出的“马铃薯主食化”战略。真空冷冻干燥过程中，预冻对马铃薯冻干速率的影响、真空冷冻干燥与热风干燥对马铃薯的营养成分影响等尚有待深入研究。