助干剂对山药喷雾干燥工艺的影响

徐文雅，于倩楠，张凡，孙剑锋，王文秀，王颉

（河北农业大学食品科技学院，河北 保定 071000）

山药，既是中药，又是常见蔬菜，是我国传统的药食同源性植物[1-2]。山药营养价值很高，含有人体所需的多种微量元素、维生素以及钙、铁、磷等[3-4]。同时，山药还具有较强的药理功能，能够起到降低血糖[5]、抗氧化、延缓衰老[6]、增强免疫[7]等作用。每年的10月份到11月份，山药陆续成熟，收获时间较为集中。新鲜山药水分含量很高，但是不宜储藏、易腐烂，从而造成严重的经济损失。利用干燥技术将山药加工成粉状，能有效地保持山药原有的风味和营养成分，且方便贮存和运输，具有较好的市场前景。

喷雾干燥是利用喷雾器将料液进行分散，当料液被分散成细小的雾滴时，与热空气接触后被极速干燥，最后经过分离、回收和冷却得到成品[8]。这种方法具有传热快、水分蒸发快的特点，在果蔬粉制备方面具有广泛的应用。如Can-Karaca等[9]在进风温度为150℃、进料浓度为5%、进料流量为10 mL/min的条件下对樱桃进行喷雾干燥，集粉率高达89%。于方圆等[10]采用喷雾干燥法制备草莓速溶粉，在进风温度为180℃、进料流量为850 mL/h的条件下，出粉率达到44.27%。然而，对于山药等含淀粉较多的果蔬来说，有较低的玻璃化转变温度，喷雾干燥时，设备喷头容易堵塞，产生严重的粘壁现象，导致山药粉的产量有所下降，集粉率大大降低。为了提高果蔬粉的品质和产量，通常将助干剂加入到料液中，从而改善喷雾效果[11]。经常使用的助干剂有麦芽糊精、β-环糊精、阿拉伯胶、大豆分离蛋白等，这些大分子物质有高玻璃化转变温度、高溶解度以及一定的成膜能力，能有效减少喷雾干燥时的粘壁问题。Lao等[12]在麦芽糊精添加量为5%的条件下对紫玉米进行喷雾干燥，得到的成品玉米粉集粉率高达89%，L*值为57.2，花青素含量稳定。由于不同的助干剂产生的效果有所不同，因此在实际生产中，通常采用复合型助干剂进行果蔬粉的生产。任彬等[13]在麦芽糊精、β-环糊精和羟甲基纤维素添加量分别为60%、12%和0.8%的条件下，对紫薯进行喷雾干燥，所得产品均匀分散，且能很好地保留紫薯独有的香味。郑唯等[14]研究助干剂配比对毛酸浆喷雾干燥性能的影响，确定麦芽糊精、β-环糊精、阿拉伯胶的添加量分别为65%、10%和1.0%时干燥效果最优，集粉率高达64.05%。Gong等[15]在喷雾干燥制备草莓粉的研究过程中发现，添加乳清分离蛋白和麦芽糊精能够提高草莓粉回收率。然而，目前关于助干剂组合和配比对山药喷雾干燥效果的影响缺乏系统的研究，如何提高助干剂辅助作用下山药料液的喷雾干燥性能仍是目前亟待解决的问题。

本研究以山药为试验原料，选择麦芽糊精，β-环糊精和阿拉伯胶作为助干剂，固定进风温度、热空气流量和进料温度等工艺条件，系统研究助干剂对喷雾干燥山药粉的集粉率和水分含量的影响。结合单因素试验和正交试验，优化助干剂组合和配比，确定适宜的助干剂添加量，为喷雾干燥获得高质量山药粉提供参考指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药：市售，产自河北省保定市；麦芽糊精（食品级）：广州赛国生物技术有限公司；β-环糊精（食品级）：太仓沪试试剂有限公司；阿拉伯胶（食品级）：天津大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

电子分析天平（CP214）：青岛路博建业环保科技有限公司；料理机（JYL-C91T）：河北德科机械科技有限公司；胶体磨（JMS-50）：江苏汉隆机械制造有限公司；高压均质机（GYB60-6S）：上海嘉格轻工机械设备有限公司；喷雾干燥机（SD-1000）：日本东京理化器械株式会社；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-914385-111）：常州康贝干燥工程有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程及操作要点

对山药进行喷雾干燥的工艺流程如下。

在喷雾干燥过程中，应采取措施防止焦炭粉末影响产品质量，控制入口温度，并防止热空气产生涡流和逆流。在整个过程中，防止空气将杂质带入产品中。喷雾干燥时，进风温度为180℃，进风量为0.5 m3/min，进料温度为60℃。

1.3.2 单因素试验设计

以山药料液中可溶性固形物含量为基准，选取麦芽糊精添加量为0%、25%、50%、75%和100%；β-环糊精添加量为0%、5%、10%、15%和20%；阿拉伯胶添加量为0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，分别考察这3种助干剂的添加量对喷雾干燥山药粉的集粉率和水分含量的影响，试验重复3次。

1.3.3 正交试验设计

在单因素试验的基础上，将麦芽糊精、β-环糊精和阿拉伯胶的添加量作为3个考察因素。采用L9（34）正交表进行试验设计，因素水平如表1所示，通过极差和方差分析结果来确定适宜的助干剂组合及配比。

表1 L9（34）正交试验因素水平Table 1Factors and levels for L9（34）orthogonal test

1.3.4 集粉率与水分含量的计算

1.3.4.1 集粉率

集粉率计算公式如下。

1.3.4.2 水分含量

称取约3 g的成品山药粉，记其质量为m1，将其置于105℃烘箱进行干燥处理，至质量恒定时停止干燥，记其质量为m2，则水分含量/%=（m1-m2）/m1×100。

1.4 数据统计处理

试验数据以平均值±标准差表示，统计学处理和图形处理分别在SPSS 22.0和Origin 2018中进行，显著性由P值表示，P＜0.05表示差异显著，P＜0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 麦芽糊精添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响

麦芽糊精是水果和蔬菜粉生产中很常用的干燥助剂。它具有低吸湿性、良好的分散性和溶解性、价格低等特点[16]。麦芽糊精添加量对集粉率和水分含量的影响见图1。

图1 麦芽糊精添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响Fig.1 Effect of maltodextrin addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如图1所示，山药粉的集粉率随麦芽糊精添加量的增大呈逐渐升高的趋势，水分含量呈逐渐下降的趋势（由5.86%降低至3.45%），方差分析结果显示，麦芽糊精的添加能显著提高产品集粉率并显著降低水分含量。这是由于麦芽糊精是一种较好的干燥载体[17]，能提升山药粉玻璃化转变温度，减少喷雾干燥中的粘壁问题，从而提高集粉率。当麦芽糊精添加量为50%～100%时，集粉率的增长趋势和水分含量的下降趋势均有所缓慢，且麦芽糊精添加量的增大导致成品山药粉中山药成分所占比例下降，色泽风味均会受到影响，香气变淡，甜味减少，糊精味加重。因此，为了提高山药粉的集粉率，降低产品水分含量，且能保持山药固有的风味和营养成分，确定麦芽糊精添加量50%为正交试验设计中间水平。

2.2 β-环糊精添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响

β-环糊精具有较强的水化能力[18]，在喷雾干燥时形成的雾滴较为均匀，是一种理想的助干剂。β-环糊精添加量对集粉率和水分含量的影响见图2。

图2 β-环糊精添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响Fig.2 Effect of β-cyclodextrin addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如图2所示，随着β-环糊精添加量的增加，山药粉集粉率先增加后降低，当β-环糊精添加量为10%时集粉率最高，达到30.80%，但当添加量大于10%后，集粉率呈现下降趋势。β-环糊精对提高山药粉集粉率作用明显，但过多的β-环糊精会增加山药浆料液的黏稠度，反而影响了喷雾干燥时料液的分散效果，造成喷嘴堵塞和挂壁现象，从而降低了集粉率。水分含量随着β-环糊精添加量的增加而逐渐降低，从5.86%下降至3.45%。方差分析结果表明，β-环糊精的添加对成品山药粉的水分含量整体上呈显著影响。此外，β-环糊精是一种具有筒状结构的大分子物质[19]，其内部有良好的疏水性，并且在两端和外部均有良好的亲水性。能产生较理想的包埋效果，起到稳定山药粉成品色泽的作用[20]。综合上述分析，确定β-环糊精添加量10%为正交试验设计中间水平。

2.3 阿拉伯胶添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响

阿拉伯胶具有较好的成膜特性、乳化特性，能在芳香物质周围形成保护膜，起到稳定风味、防止氧化的作用[21]。与其他亲水胶体不同的是，阿拉伯胶在水中具有较高的溶解度[22]，可高达60%。阿拉伯胶添加量对集粉率和水分含量的影响见图3。

图3 阿拉伯胶添加量对山药粉集粉率和水分含量的影响Fig.3 Effect of arabic gum addition on yied and moisture content of Chinese yam powder

如图3所示，随着阿拉伯胶添加量的增多，山药粉集粉率先上升后下降，添加量为1.0%时，集粉率最高，达到29.50%。阿拉伯胶的添加量超过1.0%，集粉率反而呈现下降趋势。这是由于阿拉伯胶是分子量极大的多糖类物质，浓度过大会导致黏度过高，不利于喷雾干燥，集粉率会显著下降。同时，水分含量随着阿拉伯胶添加量的增加，呈逐渐下降趋势，由5.65%降低到4.86%。方差分析结果表明，阿拉伯胶的添加整体上对山药粉的水分含量影响显著。综合考虑集粉率和水分含量，确定阿拉伯胶添加量1.0%为正交试验设计中间水平。

2.4 正交试验结果分析

采用正交试验进一步优化助干剂的组合和配比，结果如表2所示，方差分析结果见表3。

表3 方差分析结果Table 3 Results of variance analysis

由表2可知，麦芽糊精添加量对山药粉集粉率的影响最大，其次为β-环糊精添加量和阿拉伯胶添加量；对于水分含量，各助干剂的影响顺序同样为麦芽糊精添加量＞β-环糊精添加量＞阿拉伯胶添加量。另外，两个测定指标空白列的极差最小，表明试验数据具有较高的可靠性。由表3可知，麦芽糊精添加量和β-环糊精添加量对集粉率的影响极显著（P＜0.01），阿拉伯胶添加量对集粉率的影响显著（P＜0.05）。对于水分含量而言，具有相同的试验结果，即麦芽糊精添加量和β-环糊精添加量的影响极显著（P＜0.01），阿拉伯胶添加量影响显著（P＜0.05）。极差和方差分析表明，助干剂辅助山药喷雾干燥的最佳组合和配比为A2B2C2，即麦芽糊精的添加量为50%，β-环糊精的添加量为10%，阿拉伯胶的添加量为1.0%。

2.5 验证试验

在优化得到的最佳助干剂组合和配比条件下，进行3次山药喷雾干燥验证试验，得到山药粉的集粉率平均值为36.25%，水分含量平均值为5.49%。结果均优于正交试验任一组合。

3 讨论与结论

对于山药等含低玻璃化转变温度糖类的果蔬而言，进行喷雾干燥时，极易产生粘壁现象。加入麦芽糊精、阿拉伯胶、大豆分离蛋白等玻璃化转变温度较高的大分子物质，能有效改善喷雾干燥粘壁现象。不同助干剂对喷雾干燥的影响不同。麦芽糊精是更常用的干燥助剂，其具有低吸湿性和良好分散性的优点，制备的山药粉无结块现象，但成品山药粉的色泽和香味偏淡。而以β-环糊精为助干剂制备的山药粉则能较好地保留山药特有的色泽和香气成分，这得益于其独特的筒状结构产生的包合作用。阿拉伯胶具有成膜性好的特点，能对香气成分起到一定的包裹作用，常用其与麦芽糊精复配使用，以提高产品质量。

因此，在实际生产中，通常采用复合型助干剂进行果蔬粉的生产，充分利用不同种类助干剂的优势。在本研究中，通过单因素试验和正交试验，将集粉率和水分含量用于评价喷雾干燥的经济性能和产品质量，分别探讨了麦芽糊精、β-环糊精和阿拉伯胶的添加量对喷雾干燥的影响。结果显示，麦芽糖糊精添加量和β-环糊精添加量对集粉率和水分含量的影响极显著，阿拉伯胶添加量的影响显著。得到最优的助干剂组合和配比：麦芽糊精、β-环糊精和阿拉伯胶的添加量分别为50%、10%和1.0%。在该条件下，山药粉的集粉率为36.25%，水分含量为5.49%，具有较优的产品品质。本研究对采用喷雾干燥助剂制备山药粉具有一定的参考作用。