不同载体剂对冻干生姜粉末品质的影响

赵静 罗玲慧 刘雨蝶 邹强

摘要：为探究麦芽糊精、海藻糖、阿拉伯胶对冻干生姜粉品质的影响，对添加载体剂后冷冻干燥的生姜粉的得率、物理特性、活性成分、粒径进行测定，用差示扫描量热法分析生姜粉在升温过程中的热流变化，并用傅里叶红外光谱法对特征基团进行分析，结果显示：与直接冻干的生姜粉相比，添加载体剂制备的样品的得率、物理特性及活性成分含量均有所提高，阿拉伯胶组得率最高；麦芽糊精组色差、吸湿性最小，生姜蛋白酶活力最高（65.84 U/g），姜辣素含量最高（24.4 mg/g）；海藻糖组溶解度最高。DSC曲线显示：添加载体剂的生姜粉玻璃态转化温度均有所提高，其中阿拉伯胶组最高，性质更稳定。通过红外光谱分析，3种生姜粉的主要基团无明显变化。综合考虑，麦芽糊精是冷冻干燥生姜粉生产中保留生化活性和保持功能特性的最佳载体剂。

关键词：真空冷冻干燥；生姜；冻干载体剂；姜辣素

中图分类号：TS202.3      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2024）04-0038-06

Effect of Different Carrier Agents on Quality of Freeze-Dried Ginger Powder

ZHAO Jing， LUO Ling-hui， LIU Yu-die， ZOU Qiang*

（College of Food and Bioengineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： In order to explore the effects of maltodextrin， trehalose and Arabic gum on the quality of freeze-dried ginger powder， the yield， physical properties， active components and particle size of freeze-dried ginger powder after adding carrier agents are measured， the change of heat flow in the heating process of ginger powder is analyzed by differential scanning calorimetry， and the characteristic groups are analyzed by Fourier infrared spectroscopy. The results show that compared with directly freeze-dried ginger powder， the yield， physical properties and active component content of the samples prepared by adding carrier agents are all improved.The yield of Arabic gum group is the highest， the color difference and hygroscopicity of maltodextrin group are the lowest， the ginger protease activity is the highest （65.84 U/g）， and the content of gingerol is the highest （24.4 mg/g）.The solubility of trehalose group is the highest. The DSC curve shows that the glass conversion temperature of ginger powder with carrier agents increases， among which， the glass conversion temperature of Arabic gum group is the highest and its properties are more stable. By infrared spectra analysis， there is no significant change in the main groups of the three kinds of ginger powder. Overall， maltodextrin is the best carrier agent to retain the biochemical activity and functional properties during the production of freeze-dried ginger powder.

Key words： vacuum freeze drying; ginger; freeze-dried carrier agent; gingerol

收稿日期：2023-10-29

基金項目：四川省重点研发项目（2022YFS0512）；四川省科技厅重大关键技术攻关项目（2022YFQ0067）

作者简介：赵静（1995—），女，硕士研究生，研究方向：食品加工。

*通信作者：邹强（1982—），男，副教授，博士，研究方向：食品科学与工程类的应用研究与开发。

生姜为姜科，属多年生草本植物姜的根茎，是我国药食同源的保健蔬菜之一[1]。我国的生姜年产量居世界首位，是生姜的主要出口国之一。鲜生姜含水量达90％以上，在保藏过程中易出现失水萎缩、纤维化、冷害等现象，影响鲜食生姜的品质[2]，因此常使用干制方法解决生姜的贮藏和运输问题，提高生姜的商品价值，延长生姜加工的产业链。传统的生姜干燥方法有燃烧焦煤的烘烤方式、自然干燥、热风干燥，存在干燥品质和干燥效率低的问题[3]。

真空冷冻干燥可以最大限度保持物料的色、香、味、形和有效成分的活性，获得疏松多孔、复水性好的干燥产品[4-5]。但由于物料中含有大量糖和有机酸，导致干燥的产品吸湿、黏合，并且在储存期间容易降解，因此在冷冻干燥过程中可以添加高分子量载体或干燥助剂[6]。已有研究表明，载体剂对冻干果蔬制品的品质具有很大改善，Estupian-Amaya等[7]发现在冻干蓝莓粉中加入麦芽糊精可以有效增加粉体的流动性并且具有更好的储存稳定性。Li等[8]发现海藻糖的加入可提高冻干蜂王浆的自由基清除能力，降低吸湿性。Adetoro等[9]發现在冻干石榴汁中加入蜡质淀粉、阿拉伯胶可以提高产品的得率和花色苷的保留率。但载体剂对冻干生姜粉性质的影响还未见报道。

因此，本研究选用麦芽糊精、海藻糖和阿拉伯胶，研究不同的载体剂对真空冷冻干燥的生姜粉物理特性、活性成分的影响，以期为开发生姜冻干粉和生姜深加工产品提供技术参考。

1 材料和试剂

1.1 试剂

小黄姜：购自当地市场；海藻糖、阿拉伯胶、麦芽糊精（均为食品级）：河南万邦化工科技有限公司；L-半胱氨酸盐酸盐、氯化钠、无水乙醇、乙二胺四乙酸二钠、氢氧化钠、盐酸、酪蛋白、磷酸氢二钠亚硝酸钠、亚硝酸钠、香草醛（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器和设备

多功能榨汁机 九阳股份有限公司；ST2100实验室pH计 奥豪斯仪器（常州）有限公司；LGJ-10冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司；ESJ120-4B电子天平 沈阳龙腾电子有限公司；CS-220粉末色差仪 杭州彩谱科技有限公司；SB-5200DTDN超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司；HMS-901D磁力搅拌器 深圳市博大精科仪器厂；HH-6恒温水浴锅 常州国华电器有限公司；90Plus高灵敏度Zeta电位及粒度分析仪 美国布鲁克海文仪器公司;TGL-22S高速冷冻离心机 四川蜀科仪器有限公司;DSC3差示扫描量热仪 梅特勒托利多科技（中国）有限公司；FT-IR Spectrum 3TM傅里叶变换红外光谱仪 珀金埃尔默股份有限公司。

2 试验方法

2.1 样品处理

在正式试验开始前，通过查阅相关文献以及一系列预试验分析不同载体剂的作用效果，发现载体剂添加量为5%～15%时效果较好，为便于比较不同载体剂对冻干生姜粉粉末品质的影响，统一选择10%添加量进行试验。

将生姜去皮，洗净后打浆，分别加入10%麦芽糊精、海藻糖、阿拉伯胶于生姜汁中，以不加载体剂的样品为对照组，充分搅拌后放入－80 ℃冰箱中预冻2 h后，放入冷冻干燥机中干燥36 h，冻干机工作条件：－80 ℃、真空度0.01 kPa。结束后，将样品研磨成粉，放入干燥器中待用。

2.2 得率

以鲜重为基础测定样品的得率：

得率（%）=m2m0+m1×100%。（1）

式中：m0为冻干前样品的质量，g；m1为载体剂的质量，g；m2为冻干后样品的质量，g。

2.3 色差

冻干粉的颜色采用粉末色差仪测定，得到颜色值：L*值（明/暗），a*值（红/绿），b*值（黄/蓝）。将样品置于无色的培养皿中进行3次不同时间的测量并取平均值。

h=tan－1b*a*。（2）

C*= a*2+b*2。（3）

ΔE = ΔL*2+Δa*2+Δb*2。（4）

式中：h为色相角；C*为颜色属性；ΔE为总色差;ΔL*、Δa*和Δb*表示每个处理水平与对照组相比的变化值。

2.4 溶解性和溶解度

溶解性的测定方法：取0.5 g样品，在25 ℃下加入10 mL蒸馏水，用磁力搅拌器搅拌，记录样品完全溶解所需时间。

溶解度的测定方法：参照Adetoro等[9]的方法并加以修改。取0.5 g样品于50 mL烧杯中，加入10 mL蒸馏水，用磁力搅拌器搅拌10 min，使样品均匀分散于水中，离心10 min，离心条件：25 ℃、6 000 r/min。离心结束后，取上清液置于预先称重的培养皿中，在105 ℃条件下干燥至恒重。

溶解度（%）=m1－mm1×100%。（5）

式中：m为称取粉末样品的质量，g；m1为干燥后样品的重量，g。

2.5 吸湿性

采用Cristhiane等[10]的方法测定冻干粉末的吸湿性并略作修改。将0.5 g样品置于密封瓶中，用饱和NaCl溶液控制，置于相对湿度恒定的试验室中12 h，湿度为30%，环境温度为25 ℃。冻干粉的吸湿性用吸湿率进行表征。

吸湿率（%）=m1－m0m1×100%。（6）

式中：m0为吸湿前样品的质量，g；m1为吸湿后样品的质量，g。

2.6 粒径分布

取少量样品于10 mL离心管中，加入蒸馏水溶解，用涡旋振荡器振荡使其完全溶解，使用纳米粒度仪检测粉末的粒径分布，每组样品平行测定6次。

2.7 活性成分

2.7.1 生姜蛋白酶活力的测定

生姜蛋白酶活力的测定参照邵良伟等[11]的方法并加以修改。准确称取生姜冻干粉4.0 mg于100 mL容量瓶中，加入少量酶稀释液，超声溶解，定容至刻度。精确移取1.00 mL样品溶液于25 mL具塞比色管中，与5.0 mL 0.6 g/dL的酪蛋白溶液混合后，在37.5 ℃恒温水浴锅中精确反应10 min，反应结束后立即加入5.00 mL 0.4 mol/L三氯乙酸溶液终止反应。在样品溶液与酪蛋白溶液混合反应前加入三氯乙酸作为对照组。反应结束后将反应液于8 000 r/min转速下离心20 min，取上清液测定275 nm处的吸光度。每组样品平行测定5次。生姜蛋白酶活力（C）计算公式如下：

C（U/g）=Ci×K×1110×m×1 000。（7）

式中：Ci为通过酪氨酸标准曲线计算出的酪氨酸浓度，μg/mL；K为酶溶液稀释倍数；m为样品重量，mg；11为反应液总体积，mL；10为样品水解酪蛋白底物的时间，min。

2.7.2 姜辣素含量的测定

姜辣素含量的测定按照张明昶等[12]的方法并加以修改。准确称取生姜冻干粉0.2 g于100 mL容量瓶中，加入50 mL无水乙醇，超声溶解2 min，用无水乙醇定容至刻度，必要时过滤。吸取1 mL样品溶液于25 mL具塞比色管中，加无水乙醇至刻度，30 min內用无水乙醇作为空白，测定280 nm处样品的吸光度，每组样品平行测定5次。姜辣素计算公式如下：

姜辣素含量（mg/g）=2.003×C×V×Nm×106。（8）

式中：C为由标准曲线计算得到的香草醛浓度， μg/mL；N为样品液的稀释倍数；m为称取的生姜粉末质量，g；V为样品液的总体积，mL；2.003为香草醛和姜辣素的换算系数。

2.8 DSC

参照Stpień等[13]的方法并加以修改。称取约3.0 mg样品于热分析坩埚中，用空坩埚作为对照，密封后进行DSC分析，DSC设定参数：升温区间在25～100 ℃之间，升温速率为10 ℃/min，N2流量为50 mL/min。

2.9 FTIR

使用ATR-FTIR测定生姜冻干粉的红外光谱。使用条件：温度25 ℃，扫描范围650～4 000 cm-1，分辨率8 cm-1，扫描次数32次。

2.10 数据分析

数据均采用IBM SPSS Statistics 17.0进行分析处理，取置信度95%（P＜0.05表示差异显著），采用OriginPro 2021软件进行图形绘制。

3 结果和讨论

3.1 冻干生姜粉得率

载体剂对生姜冻干粉得率的影响见表1。不添加任何载体剂的样品得率最小，仅为10.25%，添加载体剂后样品得率显著增大。添加阿拉伯胶的样品得率最大，为30.28%，增加率高达2倍，这与Yousefi等[14]的研究结论类似，他们在研究不同载体剂和干燥方式对石榴汁粉的影响时表明，添加阿拉伯胶的果汁粉产量最高。3种载体剂中，添加海藻糖的样品得率最低，为25.39%，生姜粉产率的差异可能是由于不同载体剂在真空冷冻干燥过程中与生姜物质发生了不同的反应。Li等[8]在研究海藻糖对东北蜂王浆品质特性的影响时发现，添加一定量的海藻糖可以增加产品得率，但添加量不足时会导致样品吸潮，这可能是由于海藻糖的结晶性质。

3.2 冻干生姜粉的色差

样品的L*值表示明暗度，a*值表示红绿度，b*值表示黄蓝度[15]，载体剂对生姜冻干粉色差的影响见表1。加入载体剂后生姜粉末的亮度增加，这可能是由于载体剂为纯白色，加入载体剂后样品颜色被稀释。生姜粉的黄蓝度值b*在各载体剂之间有显著性差异（P<0.05）。与对照组相比，3组样品的黄蓝度b*为GT>GM>GA，与图1所表现的色泽对比相符。各载体对生姜粉颜色属性C*的影响也存在显著性差异。海藻糖组生姜粉的C*最高，其次是麦芽糊精和阿拉伯胶。色相角h可以表示粉末的颜色，若h=0°表示红色；h=90°表示黄色；h=180°表示绿色；h=270°表示蓝色[16]，4种样品的色相角均接近90°，且各对照组的色相角h在不同载体间有显著差异。GT的颜色纯度最高，表明生姜粉黄色的变化与载体剂的类型有关。GT的总色差最高，其次是GA，GM的色差最低。总的来说，生姜粉在冷冻干燥过程中颜色的变化可能与载体的类型、浓度和多酚的变化有关[17]。

3.3 生姜冻干粉的吸湿性与溶解性

溶解度是衡量粉末样品在溶液中润湿性和分散性的重要指标[18]。由表2可知，各组生姜冻干粉的溶解度和溶解性有显著差异。GM和GT的溶解度较高，分别为59.45%和61.60%，溶解速度较快，而GA的溶解度最低，仅为7.34%。GM和GT拥有较高的溶解度和较快的溶解性，可能与本身的结晶性质有关。Cano-Chauca等[6]对芒果汁的喷雾干燥进行研究时发现，添加麦芽糊精生产的粉也记录了高达90%的值。同样也有研究表明菠萝汁和腰果汁的溶解度也较高，平均值分别为71.56%和85.1%[19]，均略高于本研究中的值，这可能是生产方式和载体剂添加量的不同导致的。本研究中发现GA的溶解度较低，可能是试验所用阿拉伯胶的高黏性导致的。

3.4 生姜冻干粉的吸湿性

吸湿性是材料从环境中吸收水分的能力[18]。粉末从空气中吸收水，增加自身的内聚力并降低流动性，从而导致粉末质量变差，不易储存。研究表明，吸湿性小于20%对粉末样品的品质特性和储存期限影响较小[20]。由表2可知，添加不同载体剂的冻干生姜粉样品间的吸湿性存在显著性差异。与CON组相比，各试验组样品的吸湿性均显著减少。试验组中GA的吸湿性最高，为10.08%，其次是GT，为8.60%，而GM的吸湿性最低，为7.03%。吸湿性的差异可能与粉末自身的性质和粉末从周围空气中保持水分子的速率有关。本研究结果与Tonon等[21]的研究结果相似，其研究显示，在巴西莓粉中加入阿拉伯胶、麦芽糊精10DE、麦芽糊精20DE与木薯淀粉相比，阿拉伯胶的吸湿性最高，研究表明粉末的吸湿性可以用来解释粉末材料中吸附水的机制，这归因于每个载体结构中出现的亲水基团的数量。此外，将样品放置1周后GT的吸湿较明显，明显结块，其余试验组无变化，这可能是试验所选取的海藻糖浓度较低所致。

3.5 生姜冻干粉的粒径分布

粒度分布影响许多性质，例如粉末的整体行为和均匀性[22]。以麦芽糊精、海藻糖和阿拉伯胶为载体制备的冷冻干燥生姜粉的粒径分布见表3和图2。所有样品均呈正态分布。对照组的平均粒径为0.9 μm，GA的平均粒径最大，为1.52 μm，GM和GT的平均粒径无明显差异，分别为0.6 μm和0.5 μm。GA的平均粒径最大是因为更高比例的小颗粒占据或填充了大颗粒之间的空间，更大颗粒的形成不仅与团聚有关，而且与载流子的分子大小有关[21]。Li等[8]在研究海藻糖对冻干蜂王浆的影响时发现，含海藻糖冻干粉末的中位直径（D50）略小于对照组，颗粒的大小可能取决于研磨类型、操作条件和研磨时间[14]。Kurozawa等[23]研究发现，喷雾干燥粉的溶解度和流动性随着颗粒尺寸的减小而降低，这与本研究中观察到的溶解度结果相似。

3.6 生姜冻干粉的活性成分

3.6.1 生姜冻干粉的生姜蛋白酶活力

生姜蛋白酶是一种巯基蛋白酶，是一种绿色安全的食品添加剂，可用于肉类嫩化、凝乳、酒类澄清等[24]。不同载体剂对生姜冻干粉蛋白酶活力的影响见图3。

与CON组相比，其他3组的生姜蛋白酶活力具有显著性差异，GM的生姜蛋白酶活力最高，为65.84 U/g，GA最低，为58.42 U/g，这可能是因为不同载体剂可以防止冷冻干燥期间因干燥相关应力导致的活性物质损失，由于各载体剂粒径大小、溶解性、黏性等性质的不同导致各有区别[25]。

3.6.2 生姜冻干粉的姜辣素含量

姜辣素是生姜中姜酚、姜脑等一类不易挥发并且具有微辣味活性物质的总称，是生姜中的主要营养物质[26]。不同载体剂对生姜冻干粉姜辣素含量的影响见图4。

生姜冻干粉中姜辣素含量具有显著性差异，CON的姜辣素含量最高，这是因为载体剂的加入可能会稀释酚类含量，导致添加载体剂的生姜冻干粉的姜辣素含量降低。其余3组中GM最高，为24.4 mg/g，其次是GT，GA最低，为17.06 mg/g，这与Du等[27]在研究3种碳水化合物载体在柿子果肉粉末的生产中相互作用时的发现一致。GA最低可能是由于试验时添加阿拉伯胶过多，导致GA的黏性增高，不易溶解，从而影响了姜辣素含量的测量。

3.7 DSC

4组样品的DSC曲线见图5。

通过DSC曲线上的峰值温度和焓变参数可以评价样品的热稳定性[28]。由图5可知，样品在30～50 ℃的温度下可以看到宽吸热峰，表示样品存在玻璃化转变。与CON组相比，其余试验组的玻璃化温度均有所提高，其中GA的玻璃化温度最高，GT组最低，这与Li等[8]研究添加海藻糖的东北蜂王浆冻干粉的粉末性质时的发现类似，添加载体剂会提高粉末的玻璃化温度，这可能是由于添加的麦芽糊精、海藻糖和阿拉伯胶等载体剂与生姜中糖等化合物形成稳定的络合物[29]，提高了生姜粉的玻璃态转化温度，从而使生姜冻干粉的吸湿性降低，产品不易结块。

3.8 FTIR

为了研究真空冷冻干燥对生姜光谱特性的影响以及不同载体剂和生姜之间可能的相互作用，通过傅里叶红外光谱分析有机官能团的变化。由图6可知，生姜冻干粉的红外光谱主要有5个主峰，分别在3 280，2 920，1 630，1 360，1 010 cm-1处。3 280 cm-1这一宽频吸收带一般为－OH伸缩振动，可能与酚类、有机酸有关。在2 920 cm-1处的峰与蛋白质和多糖中CH基团的反对称伸缩有关[30]。3种生姜粉均在1 630 cm-1左右表现出特征波長，这与生姜苯环中CC基团的伸缩有关。同时，3个样品均在1 010 cm-1处有强吸收，这主要对应生姜姜辣素、姜酚等物质中的CO基团强伸展振动。4组试验样品红外光谱相似，吸收峰的位置相同，添加不同载体剂的冻干生姜粉主要基团未发生明显变化，表明生姜粉主要成分未发生明显变化。

4 结论

对冷冻干燥中加入3种载体剂（麦芽糊精、海藻糖和阿拉伯胶）生产的生姜粉进行研究，结果表明麦芽糊精不仅可以有效提高生姜粉的得率、色泽、溶解性，而且能降低冷冻干燥过程中生姜蛋白酶活力、姜辣素等活性成分的损失。傅里叶红外光谱显示：3种载体剂属于惰性材料，不会与生姜粉发生化学反应，不会改变生姜粉的结构。由添加载体剂后所得生姜粉的DSC曲线可知样品的玻璃态转化温度升高，样品的性质更加稳定。综合考虑，麦芽糊精是冷冻干燥生姜粉生产中保留生化活性和保持功能特性的最佳载体剂。

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