响应面法优化猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉喷雾干燥工艺
2020-06-03叶双双楚文靖姜薇赵磊
叶双双，楚文靖*，姜薇，赵磊
1. 黄山学院生命与环境科学学院（黄山 245041）；2. 黄山学院旅游学院（黄山 245041）
水果和蔬菜是人体维生素、矿物质、膳食纤维和植物化学物的重要来源。果蔬水分多，季节性强，较易在贮藏、运输和销售过程中腐烂变质。将新鲜果蔬直接加工成果蔬粉，是近几年出现的一种新趋势[1]。果蔬粉具有水分含量低，贮藏稳定性好，综合利用率高，营养丰富等特点，能够满足人们对果蔬多样化、方便化和功能化趋势的需求，具有广阔的开发前景。
喷雾干燥具有干燥速度快、产品品质好、工艺简单、生产效率高等优点，是目前食品工业最常用的果蔬粉制备技术之一。有较多文献报道喷雾干燥法生产复合果蔬粉，如西瓜胡萝卜复合粉[2]、核桃粕红枣复合粉[3]、葛根核桃肽复合粉[4]等。猕猴桃富含VC、糖、酸和酚类物质等营养成分和功能性成分，对人体健康具有重要作用[5]。胡萝卜具有较高的营养价值和保健功能，享有“小人参”的美誉[6]。猕猴桃胡萝卜复合粉喷雾干燥的研究还鲜见报道。试验通过单因素试验及响应面设计试验，以复合果蔬粉得率为指标，探讨进料浓度、喷雾干燥机进口温度、进风量对得粉率的影响，优化猕猴桃胡萝卜复合粉喷雾干燥的工艺参数，为猕猴桃胡萝卜喷雾干燥果蔬粉的开发利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
胡萝卜、猕猴桃（黄山市屯溪区阳湖农贸市场）；食品级麦芽糊精（河南万邦实业有限公司）。
1.2 仪器与设备
ADL-311喷雾干燥器（YAMATO科技有限公司）；HX-PB9636破壁料理机（奥克斯集团有限公司）；AD500S-P实验室分散均质机（上海昂尼仪器仪表有限公司）；热风干燥机（YAMATO科技有限公司）；AR124CN电子天平（奥豪斯仪器有限公司）；DZ500/2S型真空封口机（上海青葩食品包装机械有限公司）；80-2离心机（金坛市杰瑞尔电器有限公司）。
1.3 试验方法
1.3.1 工艺流程
原料挑选→清洗→切分→与一定质量的水混合→打浆→添加助干剂→均质→过滤→喷雾干燥→真空包装→成品
1.3.2 操作要点
1) 原料挑选及预处理
选择成熟度良好、无病虫害、无机械损伤的胡萝卜和绿心猕猴桃。去皮后用流动水清洗，切分成块，块状大小约2 cm×2 cm×2 cm。切块后胡萝卜放置于沸水中软化2～3 min，沥干备用。
2) 混合打浆
根据前期预试验结果，将猕猴桃与胡萝卜按质量比2∶1混合，并加入一定比例的纯净水，于破壁机中打浆2 min。
3) 添加助干剂
根据文献资料[7-9]和前期预试验结果，选择麦芽糊精为助干剂，添加量为打浆后浆液质量的6%。
4) 喷雾干燥
以进料浓度、进口温度和进风量为因素，对处理好的果蔬料液进行喷雾干燥。
1.3.3 得粉率的计算[10-11]
式中：Y为得粉率，%；m1为喷雾干燥后得到的干粉质量，g；m2为猕猴桃和胡萝卜的质量，g；m3为麦芽糊精质量，g。
1.3.4 喷雾干燥单因素试验
1) 进料浓度的确定
准确配比10%，15%，20%，25%和30%浓度的猕猴桃胡萝卜混合浆液，并加入浆液质量6%的麦芽糊精为助干剂，在进风口温度140 ℃，进风量0.31 m3/min下进行喷雾干燥，计算复合果蔬粉的得粉率。
2) 进风口温度的确定
在进料浓度20%，进风量0.31 m3/min条件下，分别在进风口温度120，130，140，150和160 ℃下进行喷雾干燥，计算复合果蔬粉的得粉率。
3) 进风量的确定
在进料浓度20%，进口温度140 ℃条件下，分别在进风量为0.08，0.12，0.19，0.31和0.43 m3/min下进行喷雾干燥，计算复合果蔬粉的得粉率。
1.3.5 响应面试验设计
在单因素试验结果基础上，选取进料浓度（A）、进口温度（B）和进风量（C）3个因素为自变量，以喷雾干燥得粉率为响应值，采用响应面试验设计对猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉喷雾干燥工艺进行优化。响应面试验因素与水平见表1。
表1 Box-Behnken因素水平表
1.3.6 数据处理
每组试验3次重复，结果取其平均值。采用Design-Expert 8.0软件进行响应面试验设计、数据分析和作图。
2 结果与分析
2.1 单因素试验结果与分析
2.1.1 进料浓度对得粉率的影响
进料浓度与喷雾干燥得粉率的关系如图1所示，随着进料浓度逐渐增加，喷雾干燥得粉率逐渐增加，进料浓度20%时，得粉率达到最大值23.5%左右。随着进料浓度继续增大，得粉率又随之下降，进料浓度为25%时，得粉率下降到22%左右。
图1 进料浓度对得粉率的影响
2.1.2 进口温度对得粉率的影响
进口温度与得粉率的关系如图2所示，进口温度120～140 ℃时，温度升高，得粉率也随之增大，进口温度140 ℃时，喷雾干燥得粉率达到最大，达到20.1%。随着进口温度继续增大，得粉率又逐渐下降，进口温度160 ℃时，由于进口温度过高，大量料液糊化而黏附在壁上形成黄褐色残渣，此时得粉率只有10%左右。
图2 进口温度对得粉率的影响
2.1.3 进风量对得粉率的影响
进风量与得粉率的关系如图3所示，从曲线图可以看出，进风量增大，喷雾干燥得粉率随之增大，达到峰值后又开始下降。得粉率峰值19.6%出现在进风量0.31 m3/min处，而进风量增大到0.43 m3/min时，得粉率下降18.8%。
图3 进风量对得粉率的影响
2.2 响应面试验结果与分析
2.2.1 回归模型的建立及方差分析
响应面法优化猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉喷雾干燥工艺的试验设计与结果见表2。
对表2数据进行分析，得到得粉率Y与进料浓度（A）、进口温度（B）、进风量（C）3个因素之间的二次多项回归模型方程：Y=24.82+1.81A-0.11B-0.13C+0.000AB+0.12AC+0.13BC-4.74A2-1.83B2-0.91C2。
表2 响应面试验设计与结果
由表3可知，该模型极显著（p＜0.01），失拟项不显著，模型相关系数（R2=0.942 7）较高，说明模型与实际拟合程度较好，模型可以对猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉的喷雾干燥工艺进行分析和预测。一次项A、B、C，二次项A2、B2、C2差异极显著（p＜0.01），说明进料浓度，进口温度和进风量对猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉的得率影响极显著。F值可以反映出各因素对试验指标的重要性，F值越大，表明对试验指标的影响越大[12-13]。结合表3可知，对猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉得粉率影响程度大小顺序为：进料浓度＞进口温度＞进风量。
表3 猕猴桃胡萝卜复合喷雾干燥回归模型方差分析表
2.2.2 各因素间交互作用的影响
由图4～图6可知，进料浓度、进口温度和进风量对猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉得粉率的影响不是简单的线性关系，具有交互作用。2个变量之间交互作用的强弱可以从等高线的形状判断，椭圆形表示2个变量间交互作用较强，圆形则表示较弱[14]。3个变量两两交互时，其中1个变量不变，随着另外2个变量增加，得粉率呈现先上升，达到一定值时又下降趋势。其中，进料浓度与进风量交互作用较强，进料浓度与进口温度，进口温度与进风量交互作用相对较弱。
图4 进料浓度（A）与进口温度（B）交互作用的等高线图和响应面
图6 进口温度（B）与进风量（C）交互作用的等高线图和响应面
2.3 验证性试验
由Design-Expert 8.0软件分析得到，响应面值最大时，对应的最佳条件为：进料浓度21%、进口温度139.67 ℃、进风量0.30 m3/min，得粉率24.998 2%。为了方便实际操作，对试验条件进行简化，选取进料浓度20%，进口温度140 ℃，进风量0.31 m3/min开展试验，得粉率为24.1%，与预测值基本相符。试验结果表明响应面法优化猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉喷雾干燥工艺可行。
3 结论
以新鲜猕猴桃和胡萝卜为原料，以进料浓度、进口温度、进风量为影响因素，以得粉率为响应值，进行猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉喷雾干燥工艺的响应面分析，并建立回归方程。结合生产实际得到最佳工艺条件为：进料浓度20%，进口温度140 ℃，进风量0.31 m3/min。在此条件下得粉率达24.1%，所得的猕猴桃胡萝卜复合果蔬粉色泽呈橙黄色，细腻均匀，分散性好，保留果蔬原有香味。
