趙 磊,楚文靖,*,姜 薇,葉雙雙
(1.黃山學院生命與環(huán)境科學學院,安徽 黃山 245041;2.黃山學院旅游學院,安徽 黃山 245041)
香蔥屬于百合科蔥屬植物,是日常膳食必備的調(diào)味品。香蔥不僅風味辛香、營養(yǎng)豐富,還具有一定的抗氧化[1]、抗腫瘤[2]、抑菌[3]、降血脂[4]等作用。脫水香蔥作為方便食品和休閑食品的調(diào)味料,在國內(nèi)外具有廣闊的市場。目前,研究報道的香蔥干燥技術有熱風干燥[5]、微波干燥[6]、真空冷凍干燥[7]、催化式紅外干燥[8]等。
噴霧干燥是食品工業(yè)用于果蔬粉生產(chǎn)的常用干燥方式之一,如山藥粉[9]、慈姑粉[10]、乳酸發(fā)酵芥菜調(diào)味粉[11]等。噴霧干燥工藝參數(shù)的選擇直接影響到產(chǎn)品的出粉率和品質。因此本研究以香蔥為原料,在單因素試驗的基礎上,通過響應面法優(yōu)化了香蔥粉的噴霧干燥工藝參數(shù),以期為香蔥粉的連續(xù)化生產(chǎn)和應用提供理論參考。
1.1.1 材料與試劑
新鮮香蔥:購于黃山市屯溪區(qū)萬貫家園菜市場;麥芽糊精:食品級,河南萬邦實業(yè)有限公司,購于京東商城。
1.1.2 儀器與設備
ADL-311 型噴霧干燥器,AD500S-P 試驗室分散均質機,HX-PB9636 型破壁料理機,A2124CN 型電子天平,DZ500/2S 型真空包裝機。
1.2.1 工藝流程
原料挑選→清洗→瀝干→切分→與水按照比例混合→置于破壁機初步粉粹→加8%的麥芽糊精(助干劑)→分散均質機均質→過濾→噴霧干燥→真空包裝→成品
1.2.2 操作要點及注意事項
噴霧干燥時,在進料液之前先進一段時間的純凈水,清洗噴嘴以及管道。每組試驗結束后都要將噴霧干燥機進行清洗,防止不同組的料液和香蔥粉互相混合污染。噴霧干燥得出的香蔥粉,應當及時進行真空包裝,防止香蔥粉吸濕。
1.2.3 助干劑的選擇
蔬菜中有許多糖類和有機酸,這些小分子物質使噴霧干燥過程發(fā)生粘壁現(xiàn)象,貯藏過程中產(chǎn)品具有高吸濕性和結塊性,對噴霧干燥具有不利的影響,加入助干劑可以有效緩解這一現(xiàn)象。麥芽糊精因其具有高玻璃化轉變溫度、無味、價格低廉,常常添加到果粉中以提高粉體的流動性,減少吸濕結塊現(xiàn)象[12-13]。另外,麥芽糊精特有的中空結構可以作為微膠囊的壁材,有效提高香味成分耐氧、耐光的能力,保護并截留香蔥中有效的香味成分[14]。因此本研究選用麥芽糊精為助干劑,一方面可以減少噴霧干燥過程中粘壁的現(xiàn)象,另一方面可以起到保護香蔥中揮發(fā)性成分的作用。
1.2.4 噴霧干燥單因素試驗設計
1.2.4.1 料液濃度范圍的確定
分別準確配比10%、20%、30%、40%、50%濃度的香蔥溶液,并且加入總質量8%的麥芽糊精作為助干劑,進口溫度120 ℃,熱空氣流量0.43 m3/min 進行噴霧干燥,計算噴霧干燥香蔥粉得率,篩選適宜的料液濃度范圍。
1.2.4.2 進口溫度范圍的確定
通過調(diào)節(jié)噴霧干燥機的進口溫度分別為80、100、120、140、160 ℃,將進料濃度調(diào)配到 40%,熱空氣流量0.43 m3/min 的條件下進行噴霧干燥,計算噴霧干燥香蔥粉得率,篩選適宜的進口溫度范圍。
1.2.4.3 熱空氣流量范圍的確定
通過調(diào)節(jié)進風量檔位分別為 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,分別對應的平均進風量為 0.12、0.19、0.32、0.43、0.50、0.57 m3/min,將料液濃度固定在 40%,進口溫度120 ℃下進行噴霧干燥,計算噴霧干燥香蔥粉得率,篩選適宜的熱空氣流量范圍。
1.2.5 響應面試驗設計
結合單因素試驗結果,以香蔥粉的得率(R)為響應值,采用響應面試驗對噴霧干燥的料液濃度、進口溫度和熱空氣流量3 個影響得率的因素進行考察優(yōu)化,響應面試驗水平編碼見表1。
表1 Box-Behnken 設計水平編碼表Table 1 Factors and levels for Box-Behnken design
1.2.6 香蔥粉得率的測定
得率(%)=噴霧干燥制得的香蔥粉質量/(新鮮香蔥質量+麥芽糊精質量)×100
1.2.7 數(shù)據(jù)處理
每組試驗3 次重復,結果取其平均值。采用Design Expert v8.0 軟件進行響應面試驗設計、數(shù)據(jù)分析和作圖。
2.1.1 料液濃度對香蔥粉得率的影響
如圖1 所示,在料液濃度為30%時,香蔥粉得率最高,為25.7%,料液濃度從10%增加到30%時,香蔥粉得率逐漸增大,這是因為料液中水的比例在逐漸減少。而料液濃度從30%增加到50%時,香蔥粉的得率反而降低,這是因為料液濃度過大時,黏度也相應地增高,不利于噴霧干燥過程中料液的霧化,從而使料液與熱空氣的接觸面積減少,降低干燥效率。因此選取25%、30%、35%作為響應面分析時料液濃度因素的3 個水平為宜。
2.1.2 進口溫度對香蔥粉得率的影響
如圖2 所示,當進口溫度140 ℃時,噴霧干燥具有最高的得粉率。進口溫度低于140 ℃時,升溫對于噴霧干燥得率是有利的影響,這是因為溫度的升高,可以增加水分的蒸發(fā)速率,促進噴霧干燥過程的進行,提高噴霧干燥的效率。而進口溫度從140 ℃增加到160 ℃時,噴霧干燥香蔥粉的得粉率反而下降,這是因為過高的溫度一方面增加料液在噴嘴處發(fā)生焦糊現(xiàn)象的可能,會堵塞噴嘴,另一方面溫度的升高會伴隨料液黏度及麥芽糊精黏度的增加,阻擋料液的霧化過程,使得料液噴霧干燥效率降低。因此選取130、140、150 ℃作為響應面分析中進口溫度的3 個水平為宜。
2.1.3 熱空氣流量對香蔥粉得率的影響
如圖3 所示,在熱空氣流量檔位為4.0(對應的熱空氣流量為0.32 m3/min)時,噴霧干燥所得香蔥粉的得率最高,為26.2%。在熱空氣流量檔位為3.0、3.5、4.0 時,隨著熱空氣流量的增加,得率逐漸增加,這是由于熱空氣流量的增加不僅能夠使對流換熱系數(shù)增大,而且能夠增加干燥空氣與食品接觸的頻率,從而能夠吸收和帶走更多的水分,提高噴霧干燥的效率。當熱空氣流量檔位大于4.0 時,熱空氣流量的增加反而使香蔥粉得率降低,分析這是因為熱空氣流量過高,使得干燥空氣的流速過高,香蔥粉在干燥腔中完成干燥后,在旋風部并未到達收集瓶中,而是隨著干燥空氣排出到環(huán)境中,造成香蔥粉的損失,引起噴霧干燥的效率降低。因此選取熱空氣流量檔位分別為3.5、4.0、4.5(所對應的熱空氣流量分別為0.19、0.32、0.43 m3/min)作為響應面試驗的 3 個水平為宜。
2.2.1 響應面分析試驗設計
在單因素試驗的基礎上,以料液濃度、進口溫度、熱空氣流量為主要影響因素,得率為響應值得到響應面分析結果見表2。
表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface experiments
2.2.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗
采用Design Expert v8.0 軟件對表2 的試驗數(shù)據(jù)進行分析多元非線性回歸分析,得到A料液濃度、B進口溫度、C平均干燥空氣進量對香蔥粉得率R的擬合方程:
R=30.06+0.95A+0.86B+1.24C-0.43AB-0.33AC-0.50BC-2.06A2-2.78B2-1.83C2
對該模型進行方差分析,各項回歸系數(shù)及其顯著性結果如表3~4 所示。
表3 回歸模型的方差分析及顯著性檢驗Table 3 The variance analysis and significance test of regression model for yield
表4 回歸模型方差分析Table 4 The variance analysis of regression model
由表3 可見,此擬合方程模型的P<0.01,表明此模型極顯著,A、B、C、A2、B2、C2的P值均小于 0.01,說明料液濃度、進口溫度和熱空氣流量對香蔥粉得率的影響極顯著。根據(jù)表4 可以看到,該模型對噴霧干燥香蔥得率的擬合度為0.979 2,校正擬合度為0.952 4,說明該模型能夠解釋95.24%的響應曲面的變化,擬合程度較高,可以用來預測香蔥粉的得率。
2.2.3 各因素的交互作用對香蔥粉得率的影響分析
響應面中兩個因素交互作用的強弱可以根據(jù)等高線的形狀反應,橢圓形表示兩個因素交互作用強,圓形則表示交互作用較弱。通過固定一個因素,可以分析另外兩個因素的交互作用。對圖4~6 進行分析可知,進口溫度在135~145 ℃,料液濃度在30%~32.5%,熱空氣流量在3.5~4.5 可以獲得較高的噴霧干燥香蔥粉的得率,進一步驗證了單因素分析的結果。
當固定熱空氣流量水平為0(實際值為0.32 m3/min)時,由圖4 可見,隨著料液濃度和進口溫度的增加,香蔥粉得率先增加后減少,說明存在進口溫度和料液濃度的最佳組合,可使得得率最高。且料液濃度相較于進口溫度使得率變化更加明顯,即料液濃度更能夠影響香蔥粉的得率。將進口溫度固定在140 ℃,料液濃度固定在30%時,香蔥粉的得率不低于30%。
當固定進口溫度水平為0(實際值為140 ℃)時,由圖5 可見,隨著熱空氣流量和料液濃度的增加,噴霧干燥香蔥粉的得率先增加后減少。且熱空氣流量相比較于料液濃度對得率的影響更加顯著,在料液濃度固定在30%,熱空氣流量在0.32 m3/min,噴霧干燥香蔥粉得率不低于30%。
當固定料液濃度水平在0(實際值為30%)時,由圖6 可見,隨著進口溫度和熱空氣流量的增加,香蔥粉的得率先增加后減少,說明存在可使得率最高的進口溫度和熱空氣流量組合。且進口溫度比熱空氣流量對得率的影響更加顯著。當熱空氣流量在0.32 m3/min,進口溫度在140 ℃時,香蔥粉的得率不低于30%。
根據(jù)Design Expert v8.0 軟件的優(yōu)化結果可知,當料液濃度31%,進口溫度141 ℃,噴霧干燥機的平均進風量示數(shù)為4.1 時,可得到理論值為30.4%的香蔥粉得率。為了驗證響應面優(yōu)化的結果,同時考慮實際試驗操作的可行性,將試驗條件確定為:料液濃度30%,進口溫度140 ℃,熱空氣流量0.32 m3/min(對應進風量檔位為4.0)。采用上述優(yōu)化條件進行噴霧干燥試驗,所得香蔥粉得率為30.9%,與預測值基本一致。說明響應面優(yōu)化的結果具有可行性和良好的重現(xiàn)性。
以市售香蔥為原料,以料液濃度、進口溫度、熱空氣流量為影響因素,以噴霧干燥香蔥粉得率為響應值,進行香蔥粉噴霧干燥工藝的響應面分析,并建立了回歸方程。結合生產(chǎn)實際得到優(yōu)化的最佳工藝條件為:料液濃度30%,進口溫度140 ℃,熱空氣流量0.32 m3/min(對應進風量檔位為4.0),在此條件下香蔥粉的得率為30.9%,得到的香蔥粉淡綠色,分散性好,并保留了香蔥特有的氣味。