薛海，賀陽，孟祥敏，文連奎*

1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)（長春 130000）；2. 和龍市扶貧辦（和龍 133500）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.），屬茄科草本植物，新鮮馬鈴薯中含9%～20%淀粉，是一種非常重要的全球化糧食作物[1]。馬鈴薯雪花全粉是以新鮮馬鈴薯為原料，經(jīng)清洗、去皮、切片、預(yù)煮、冷卻、蒸煮、搗泥等工藝過程，經(jīng)脫水干燥而得到的片屑狀或細(xì)粉末狀產(chǎn)品[2]。但傳統(tǒng)的熱風(fēng)和滾筒干燥方式常會(huì)使雪花全粉脫水時(shí)經(jīng)過劇烈的熱處理，有很高的糊化度，長時(shí)間加熱會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯淀粉晶體結(jié)構(gòu)改變，干燥后復(fù)水性較差。

真空冷凍干燥是將物料中的水分先凍結(jié)成固態(tài)，在水的三相點(diǎn)壓力下使冰升華成氣態(tài)，而物質(zhì)本身保留在凍結(jié)的冰架中，從而達(dá)到干燥目的[3]。凍干后物料體積幾乎不變，保持原來結(jié)構(gòu)，且疏松多孔，復(fù)水性好[4]。

試驗(yàn)采用響應(yīng)面優(yōu)化馬鈴薯雪花全粉真空冷凍干燥工藝，并對(duì)真空冷凍干燥與熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉進(jìn)行電鏡掃描、X射線衍射、熱特性和復(fù)水性分析，為真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的制備工藝及品質(zhì)研究及即食馬鈴薯泥等產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)，并推動(dòng)中國“馬鈴薯主食化”戰(zhàn)略。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設(shè)備

馬鈴薯（壩薯9號(hào)）；馬鈴薯淀粉（內(nèi)蒙古華歐淀粉工業(yè)股份有限公司）。

電子天平（上海精密儀器儀表有限公司）；LG 0.2真空冷凍干燥機(jī)（沈陽航天新陽凍干有限公司）；高速粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司）；多功能高速離心機(jī)（上海天美生化儀器設(shè)備工程有限公司）；ASX廣角X射線衍射儀（德國BRUKER公司）；XL-30掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）；Q 2000差式熱量掃描儀（美國TA公司）；DGG-9003臺(tái)式電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝流程

挑選質(zhì)地較好的馬鈴薯，將凍傷、發(fā)芽、腐爛部位剔除。用清水將馬鈴薯清洗，清洗后將馬鈴薯去皮。將馬鈴薯切成厚度為0.5 cm的片狀，放置到蒸鍋中蒸煮。將熟制的土豆放置斬拌機(jī)中制成質(zhì)地均勻泥狀。將預(yù)處理好的馬鈴薯泥以一定厚度均勻平鋪在凍干盤中，并放入預(yù)凍藏內(nèi)預(yù)凍12 h，將預(yù)凍好的原料放入真空冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行凍干[5]。

1.2.2 熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝流程

預(yù)處理同真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝，將預(yù)處理好的馬鈴薯泥采用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行熱風(fēng)干燥，溫度80 ℃左右，持續(xù)時(shí)間8 h[6]。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉工藝

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)升華干燥真空度A（Pa）、升華干燥溫度B（℃）、解析干燥真空度C（Pa）、解析干燥溫度為D（℃）、裝料量E（kg/m2）5個(gè)因素進(jìn)行Box-Behnken Design優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于真空冷凍干燥時(shí)間長、功耗大，縮短干燥時(shí)間可以減少耗能、降低成本，因此選取凍干速率Y為響應(yīng)值，評(píng)價(jià)5個(gè)因素對(duì)凍干速率的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.2.4 凍干速率的計(jì)算

按式（1）計(jì)算凍干速率[7]。

式中：F為凍干速率，%/h；M1為凍干前原料質(zhì)量，g；M2為凍干后原料質(zhì)量，g；t為總凍干時(shí)間，h。

1.2.5 顯微結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡分析

取適量真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉樣品于導(dǎo)電膠上，并固定在樣品臺(tái)上，置于真空鍍金儀中鍍金（10 mA，10 s），利用XL-30掃描電鏡（FEI公司，美國）對(duì)真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒形貌進(jìn)行觀察。測定條件：工作電壓5 kV，分別放大100倍及1 000倍進(jìn)行觀察[8]。

1.2.6 X射線衍射分析

取適量真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉樣品置于樣品架上，通過利用D8 X-射線衍射儀（ASX，布魯克，德國）對(duì)真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。

檢測條件為：管壓40 kV，電流40 mA，測量角度2θ=4°～60°，步長0.05°，掃描速度2°/min[9]。

式中：Dc為結(jié)晶區(qū)比例，%；Ac為結(jié)晶區(qū)；Aa為非結(jié)晶區(qū)。

1.2.7 熱特性分析

精準(zhǔn)稱取3.00±0.02 mg真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉樣品置于鋁坩堝中，加入7 μL去離子水，攪拌均勻，用鋁制坩堝蓋密封，室溫平衡2 h。將鋁制坩堝置于Q 2000差示量熱掃描儀（TA公司，美國），對(duì)真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉的熱特性進(jìn)行測定。檢測條件為：起始溫度20 ℃，終止溫度120 ℃，升溫速率5 ℃/min，用電腦記錄DSC走勢曲線。每個(gè)樣品做3次平行試驗(yàn)，取3次結(jié)果平均值，并記錄相變起始溫度T0，峰值溫度Tp，終止溫度Tc和焓變?chǔ)[10]。

1.2.8 復(fù)水性的測定

取1 g真空冷凍干燥和熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉于50 mL的離心管，加入20 mL蒸餾水，室溫靜置1 h，以4 500 r/min離心25 min，稱取離心沉淀物的質(zhì)量即為復(fù)水后的質(zhì)量，按式（3）計(jì)算復(fù)水率[11]。

式中：R為復(fù)水率，%；M1為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g；M2為復(fù)水后樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面法優(yōu)化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉工藝

Box-Behnken優(yōu)化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表1。利用Design-Expert軟件擬合分析，得出凍干速率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設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

接表1

通過Design-Expert軟件對(duì)回歸方程求解，得出真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的最佳工藝為：升華干燥真空度101.35 Pa、升華干燥溫度76.05 ℃、解析干燥真空度70.24 Pa、解析干燥溫度45.43 ℃、裝料量7.62 kg/m2，此時(shí)凍干速率的理論值為11.359%/h。根據(jù)實(shí)際條件，調(diào)整參數(shù)為：升華干燥真空度100 Pa、升華干燥溫度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥溫度45 ℃、裝料量7.5 kg/m2，進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)。此時(shí)測定凍干速率為11.262%/h±0.172%/h，與理論值11.359%/h誤差為0.9%，說明響應(yīng)面優(yōu)化工藝準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析

采用響應(yīng)面優(yōu)化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的凍干工藝，模型極顯著（p＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（p≥0.05），回歸顯著。模型中一次項(xiàng)A、B、D、E極顯著，C顯著；二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2、E2極顯著；交互項(xiàng)AC、AE、BC、BE、DE極顯著，CE顯著，其余不顯著。各因素對(duì)凍干速率的影響次序：E＞B＞A＞D＞C。決定系數(shù)R2=0.976 6，預(yù)測R2=0.909 9，調(diào)整R2=0.957 9，表明該模型擬合程度良好，可用來指導(dǎo)真空冷凍干燥法制備馬鈴薯雪花全粉。

2.2 電鏡掃描結(jié)果分析

Oikonomopoulo等[12]研究表明，食品的干燥會(huì)導(dǎo)致食品的形貌和物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的觀察可以說明干燥食品品質(zhì)。通過掃描電子顯微鏡觀察馬鈴薯雪花全粉顆粒的結(jié)構(gòu)，圖1（a）和（b）可以看出，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒與熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉均顆粒完整，且呈不規(guī)則形多角形結(jié)構(gòu)。但真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的粒徑范圍約123～147 μ m，熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的粒徑范圍約102～218 μ m，說明真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒均一[13]。圖1（c）和（d）可以看出，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒與熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的表面均因失水收縮，但真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒表面相對(duì)于熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒表面收縮較為規(guī)整、均一，且形成的皺褶較小，表面比熱風(fēng)干燥處理的樣品細(xì)膩。真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的顆粒均勻，表面褶皺小是因?yàn)樵趦龈蛇^程中馬鈴薯泥的水分是在凍結(jié)下直接升華，馬鈴薯可溶性物質(zhì)不向物料表面轉(zhuǎn)移，物料表面無沉積鹽類，物料表面不會(huì)形成硬質(zhì)薄皮，凍干產(chǎn)品形態(tài)完整，有利于復(fù)水，這一結(jié)論與Zhang等[14]的報(bào)道類似。

2.3 X射線衍射結(jié)果分析

通過真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉及熱風(fēng)干燥馬鈴薯全粉的X射線掃描光譜圖（圖2）及數(shù)據(jù)可以看出，2θ衍射角度分別在17.093°、21.805°、24.064°和17.289°、22.192°、23.877°處出現(xiàn)衍射峰，馬鈴薯雪花全粉屬于B型淀粉（B型淀粉衍射角為17.2°、22.2°、24°），這與Xu等[15]研究結(jié)果一致。2種處理方法沒有改變馬鈴薯淀粉的晶型，但真空冷凍干燥處理的馬鈴薯雪花全粉的衍射強(qiáng)度要高于熱風(fēng)干燥的馬鈴薯雪花全粉，凍干馬鈴薯雪花全粉的相對(duì)結(jié)晶度為21.79%高于熱風(fēng)干燥的相對(duì)結(jié)晶度（16.04%）（表3）。Ye等[16]在研究膳食纖維時(shí)表明結(jié)晶度是判斷食品熱特性的一個(gè)重要因素，結(jié)晶度與熱特性成正相關(guān)，真空冷凍干燥處理的馬鈴薯雪花全粉具有較高的熱穩(wěn)定性。這可能是由于在熱風(fēng)干燥過程中的熱效應(yīng)使得淀粉分子和水分子之間發(fā)生振蕩，而真空冷凍干的干燥方式對(duì)淀粉分子的影響相對(duì)較小。這與徐忠等[17]研究馬鈴薯雪花全粉的X射線衍射結(jié)果一致。

圖1 真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉和熱風(fēng)干燥馬鈴薯全粉電鏡圖片

圖2 X射線掃描光譜圖

表3 X射線數(shù)據(jù)

2.4 熱特性結(jié)果分析

采用差式熱量掃描儀對(duì)真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉進(jìn)行熱特性分析，熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表4。糊化是指在淀粉受熱后，在一定溫度范圍內(nèi)，淀粉顆粒溶脹、崩潰，并且結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失的過程。Karlsson[18]研究表明，在淀粉糊化過程中，ΔH可以直觀反應(yīng)淀粉顆粒的有序性和結(jié)晶度。牛晴[10]在研究淀粉的回生機(jī)制中指出，淀粉在糊化過程中需要吸收熱量，ΔH越高，結(jié)晶度越高，說明糊化所需要的熱量越多，說明穩(wěn)定性好，結(jié)晶度較高。

從表4可知，真空冷凍干燥馬鈴薯全粉的熱焓值要明顯高于熱風(fēng)干燥馬鈴薯全粉（p＜0.05），這是由于在全粉干燥的過程中，真空冷凍干燥過程中的熱量作用于冰的升華，并非直接作用于物料；熱風(fēng)干燥制備的馬鈴薯全粉，由于長時(shí)間直接加熱導(dǎo)致淀粉糊化度高，失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這與唐小閑等[19]研究蓮藕淀粉不同干燥方式對(duì)其影響的結(jié)果類似。

表4 馬鈴薯全粉的熱特性

2.5 復(fù)水性測定結(jié)果分析

真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的復(fù)水性顯著高于熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪華全粉（圖3）。這一結(jié)果在掃描電鏡圖中很好體現(xiàn)，真空冷凍干燥工藝制備的馬鈴薯雪花全粉顆粒小而均一，表面平整褶皺小，復(fù)水時(shí)與水接觸面積較大，可吸納更多水分，具有比烘干粉更好的復(fù)水性。熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉在干燥過程中，大量熱使細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，整個(gè)組織呈緊密狀態(tài)，接觸面積減小，因此熱風(fēng)干燥馬鈴薯全粉的復(fù)水性較差[20]。

圖3 馬鈴薯全粉復(fù)水性

3 結(jié)論與討論

真空冷凍干燥馬鈴薯全粉的最佳工藝條件為：升華干燥真空度100 Pa、升華干燥溫度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥溫度45 ℃、裝料量7.5 kg/m2、凍干速率11.362 3%/h。掃描電子顯微鏡觀察真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒較均一，表面褶皺較?。籜射線衍射結(jié)果表明，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉可保留較高結(jié)晶度，減少結(jié)構(gòu)破壞；熱特性結(jié)果表明真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉在糊化過程中焓值較高，熱穩(wěn)定性較好，糊化度低于熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉；真空冷凍干燥制備馬鈴薯雪花全粉復(fù)水性好于熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉。因此，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥馬鈴薯雪花全粉。真空冷凍干燥工藝可有效提升馬鈴薯雪花全粉的品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。試驗(yàn)積極響應(yīng)農(nóng)業(yè)部提出的“馬鈴薯主食化”戰(zhàn)略。真空冷凍干燥過程中，預(yù)凍對(duì)馬鈴薯凍干速率的影響、真空冷凍干燥與熱風(fēng)干燥對(duì)馬鈴薯的營養(yǎng)成分影響等尚有待深入研究。