新型甘薯薯渣粉制備工藝優化研究

楊曉寬 梁建蘭 孟 軍 劉素穩 宋 鑫 常學東

（河北科技師范學院食品科技學院，秦皇島 066004）

薯類是重要的糧食作物，由于栽種粗放、產量高，尤其適合在山區及丘陵地區種植。目前我國薯類的種植面積和產量均為世界第一位。甘薯含有延緩人體衰老、防止肥胖病、保護肝腎結締組織的黏液蛋白和預防結腸癌和乳腺癌的脫氫表黃酮，因而近年來，國內外掀起了“甘薯熱”［1-3］。目前，甘薯的加工主要是提取淀粉，在甘薯淀粉加工過程中，占10%～14%的甘薯渣常常被丟棄，新鮮薯渣極易腐爛發臭，嚴重污染環境，薯渣的處理成為困擾生產廠家的一大難題，同時企業產品單一，經濟效益低下。研究表明，甘薯渣中含有大量膳食纖維［4］。膳食纖維對人體具有重要的生理功能，能有效的減少和預防心腦血管病、肥胖癥、心肌梗塞、冠心病、動脈硬化、糖尿病、高血壓、結腸炎、便秘及腸道癌等疾病的發生，被稱之為繼水、碳水化合物、礦物質、維生素、蛋白質、脂肪之外的“第七大營養素”［5-8］。因此，新型甘薯薯渣粉的研究具有深遠的意義。

目前，甘薯的加工產品很多，常見的有薯脯、薯片及薯條等，而已見報道的薯渣研究主要是通過利用薯渣開發出活性炭纖維，它有助于合成水樣的深度凈化［9］。本試驗以甘薯薯渣粉白度和含水率綜合評分為優化指標，采用四元二次正交旋轉設計對甘薯薯渣粉制備工藝進行了優化［10-11］，目前在國內外鮮見報道。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉豐一號甘薯（白皮白肉）薯渣：昌黎縣停泗澗小莊淀粉廠；Na2S2O4：天津開發區樂泰化工有限公司；食用花生油：萊陽魯花濃香花生油有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

JFSD-70實驗室粗粉碎磨、細粉碎磨：上海嘉定糧油儀器有限公司；BPG-9040A鼓風干燥箱、FA2204B萬分之一電子天平、HYC-613洞道干燥裝置：上海精密科學儀器有限公司；KQ5200E型超聲波清洗器：昆明市超聲儀器有限公司；WSC-S測色色差計：TGL-20M高速臺式冷凍離心機：無錫市瑞江分析儀器有限公司；數顯恒溫水浴鍋HH6：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘薯薯渣粉的制備工藝流程［12-13］

甘薯薯渣→干燥（100℃，240 min）→除雜→粉碎→過篩→0.9%的Na2S2O4溶液脫色15 min（料液比為1∶10）→用200目尼絨布過濾→洞道干燥（80℃，150 min）→優化甘薯薯渣粉成品

1.2.2 甘薯薯渣粉的干燥［14-17］

按操作流程調試洞道干燥裝置，對甘薯薯渣粉進行干燥。

1.2.3 白度的測定

按照操作流程調試色差計，測定樣品白度。

1.2.4 常規營養成分分析

水分的測定：直接干燥法［18］；灰分：高溫灼燒法［19］；脂肪：索式提取法［20］；淀粉：GB 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》［21］；蛋白質：微量凱氏定氮法［22］。

1.2.5 持水力［23］

準確稱取質量為m0的樣品，置于50 mL燒杯中，加入20 mL水，于室溫下攪拌一定時間，測得干燥至恒重離心管質量m1，然后在3 000 r／min的條件下離心15 min，稱量樣品的濕重m2，持水力

1.2.6 溶脹力

準確稱取質量為m1的樣品，置于帶刻度的離心管中，離心2 min，讀取干物質的體積V1，加入8 mL蒸餾水，室溫下攪拌均勻，37℃水浴靜置12 h，讀取膨脹后濕物質的體積 V2。溶脹力

1.2.7 持油力

準確稱取質量為W0的樣品于離心管中，測定干燥至恒重離心管質量為W1，加入食用花生油24 g，于37℃下靜置一定時間，4 000 r／min離心20min，去掉上層油，殘渣用濾紙吸干游離的花生油，稱重得質量W2，持油力

1.2.8 單因素試驗

甘薯薯渣粉碎細度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、滿載量百分比進行單因素試驗。

1.2.9 二次旋轉正交試驗設計

在單因素試驗基礎上，設計四因素四水平的二次正交旋轉試驗，以白度和含水量的綜合評分為考察指標，確定最優提取工藝參數。

1.2.10 綜合評分的計算

設置白度和含水率的權重分別為0.5，白度的評分y1＝（測量值／白度最大值）×0.5×100；含水率的評分y2＝（1-測量值）／（1-含水率最小值）×0.5×100；綜合評分 ＝y1+y2。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 粉碎細度對白度和含水率綜合評分的影響在Na2S2O4濃度為0.3%，溫度為80℃，70%的滿載量的條件下，考察薯渣粉碎細度在140～40目時對白度和含水率綜合評分的影響，結果如圖1，由圖1可知，綜合評分隨著粉碎細度的提高，當粉碎細度為80目時，綜合評分達最大值99.03，然后隨著粉碎細度的繼續提高略有下降。最適原料粉碎細度為80目。

圖1 粉碎細度對綜合評分的影響

2.1.2 Na2S2O4濃度對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細度為80目，溫度為80℃，70%滿載量條件下，考察Na2S2O4濃度在0.1%～1.1%時對白度和含水率綜合評分的影響，結果如圖2，可知，綜合評分隨著Na2S2O4濃度的增加先不斷升高至最高點后降低。當Na2S2O4濃度為0.7%時，綜合評分達最大值，為99.19。因此最適脫色Na2S2O4濃度為0.7%。

圖2 Na2 S2O4濃度對綜合評分的影響

2.1.3 干燥溫度對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細度為80目，Na2S2O4濃度為0.3%，70%的滿載量的條件下，考察干燥溫度在60～80℃時對白度和含水率綜合評分的影響，結果如圖3，由圖3可知，綜合評分隨著干燥溫度的增加先不斷升高至最高點后降低。當干燥溫度為72℃時，綜合評分達最大值，為99.54。最適干燥溫度為72℃。

圖3 干燥溫度對綜合評分的影響

2.1.4 載量對白度和含水率綜合評分的影響

在粉碎細度為80目，Na2S2O4濃度為0.3%，干燥溫度為80℃的條件下，考察載量在40%～100%時對白度和含水率綜合評分的影響，結果如圖4，由圖4可知，綜合評分隨著Na2S2O4濃度的增加先不斷升高至最高點后降低。當載量為70%時，綜合評分達最大值，為100。最適載量為70%。

圖4 載量對綜合評分的影響

2.2 二次正交旋轉試驗

2.2.1 二次正交旋轉試驗設計與結果

根據單因素試驗結果，以白度和含水率的綜合評分為考察目標，設計四因素四水平的二次正交旋轉試驗。確定粉碎細度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量的零水平分別為100目、0.70%、72℃ 、70%，試驗設計及結果見表1和表2。

表1 二次正交旋轉試驗因素水平表

表2 二次正交旋轉組合設計試驗方案及結果

2.2.2 回歸模型建立與檢驗

采用DPS數據處理系統對表2中的結果進行二次多項式回歸分析，得到綜合評分率（Y）和粉碎細度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量的回歸模型：

表3 二次正交旋轉試驗結果方差分析

通過回歸方程的方差分析，Durbin-Watson統計量d＝2.07，相關系數 R2＝0.92，顯著水平 P＝0.01，剩余標準差S＝1.85，F＝3.09回歸方程達顯著水平，擬合情況良好，可用于描述綜合評分隨粉碎細度、Na2S2O4濃度、干燥溫度、載量變化的規律。

在P＝0.05顯著水平上剔除不顯著項后，簡化的回歸方程：Y＝-163．48+1．00X1-26．65X2X2-0．01X1X3

2.2.3 主效應分析

P值即概率，反映某一事件發生的可能性大小。各因素的P值可以反映出各因素對試驗指標的重要性，P值越小，表明該因素對試驗結果影響越大，即重要性越大［26］。由表3可見，4個試驗因素對綜合評分影響大小依次為粉碎細度＞干燥溫度＞Na2S2O4濃度＞載量。

2.2.4 由回歸方程分析得最優工藝條件

用偏導計算y最大值為100.55。當X1＝60，X2＝0.90，X3＝80，X4＝64.5時，綜合評分最大值為100.55，優于各試驗組。粉碎細度60目，Na2S2O4濃度0.90%，干燥溫度80℃，載量64.5%，對應的綜合評分為100.55。在統計分析的優化試驗中，其中一個因素是Na2S2O4處理，而其最佳工藝的Na2S2O4含量反而是很高的，達0.90%，這可能是由于統計分析的優化試驗是以甘薯薯渣粉白度及含水率綜合評分為優化指標，因此試驗得到的最佳工藝甘薯薯渣粉白度一定是較高的，而其含水率應較低，這樣其綜合評分才可能高于其他試驗組，驗證試驗的結果也是如此，優化工藝條件下的薯渣白度為75.10%，含水率2.027%，綜合評分為99.84。

統計分析的最優工藝條件中原料粉碎細度為60目，對比單因素試驗最適條件的80目有所下降，導致薯渣粉的比表面積下降，降低了Na2S2O4的脫色效率，而最優工藝條件下的薯渣白度為75.10%，均高于單因素各試驗組，因此脫色消耗的Na2S2O4有所增加。最優工藝條件下的干燥溫度達80℃，高于單因素試驗最適條件的72℃，最優工藝條件下的載量為64.5%，低于單因素試驗最適條件的70%，溫度的上升和載量的下降使甘薯薯渣粉干燥的更徹底，從而使甘薯薯渣粉含水率較低，同時較高的溫度也可能對薯渣的白度產生不利的影響，因此最佳工藝的Na2S2O4含量反而很高可能是由于上述影響因素綜合作用所致。

2.2.5 驗證試驗

從優化工藝參數范圍內隨機選擇3個組合進行驗證試驗，結果見表4。

由表4可見，3次驗證試驗平均理論值為100.55，平均實際值為99.84，兩者僅相差0.71，實際值與理論值的相對偏差均小于5%，可見實際值與理論值基本吻合。由此可知，采用本試驗的工藝參數，可獲得新型甘薯薯渣粉的最優工藝。

表4 驗證試驗結果

3 最優工藝甘薯薯渣粉干燥曲線［27］

由圖5所示，添加趨勢線，R2＝0.998干基含水量隨時間變化方程為 Y＝0．005x2-0．075x+2．447，隨著干燥時間的增加，干基含水量逐漸降低，逐步接近0。

圖5 最優工藝甘薯薯渣粉干燥曲線

4 甘薯薯渣粉工藝優化前后指標比較

優化工藝和初始工藝甘薯薯渣粉常規組成成分及品質性能如表5～表6所示。

由表5和表6可知，對比優化工藝甘薯薯渣粉和初始工藝甘薯薯渣粉的常規組成成分存在顯著差異，隨著甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的脂肪百分含量、淀粉百分含量和蛋白質百分含量均有所下降，灰分有所提高；而隨著甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的持油力有顯著提高，持水力稍有下降。優化工藝甘薯薯渣粉部分理化和功能性品質特性顯著提高。由表6可知，優化后甘薯薯渣粉白度和持油力均比初始工藝甘薯薯渣粉白度和持油力顯著提高，優化前后甘薯薯渣粉的持水力基本持平。優化工藝甘薯薯渣粉的持水力、溶脹力遠遠高于陳培基等［28］研究的高活性麒麟菜膳食纖維持水力17.50 g／g，膨脹力29.50 mL／g，可見優化工藝甘薯薯渣粉的功能性品質性能優良。

表5 優化和初始工藝甘薯薯渣粉常規組成成分表

表6 優化和初始工藝甘薯薯渣粉品質性能對比

5 結論

5.1 二次正交旋轉試驗分析結果表明，對甘薯薯渣粉白度和含水率綜合評分影響大小的因素依次為粉碎細度＞干燥溫度＞Na2S2O4濃度＞載量，制備新型甘薯薯渣粉的最佳工藝條件為粉碎細度60目、Na2S2O4濃度0.9%、干燥溫度80℃、滿載量64.5%，綜合評分預測值為100.55。驗證試驗結果表明，甘薯薯渣粉白度為75.10%，含水率為2.027%，綜合評分達到99.84，結果與預測值基本吻合。

5.2 利用洞道干燥設備測定最佳工藝條件甘薯薯渣粉的干燥曲線，結果表明，干基含水量隨時間變化成曲線關系，添加趨勢線得到回歸方程Y＝0．005x2-0．075x+2．447，R2＝0.998。

5.3 優化工藝和初始工藝甘薯薯渣粉的常規成分和品質性能對比表明，優化工藝甘薯薯渣粉常規成分進一步優化，白度和持油力顯著提高，持水力與初始工藝甘薯薯渣粉基本相當。其優良的理化和功能性品質性能使其可廣泛應用與食品行業，且工藝簡單，穩定性好，可為薯渣粉相關產品的生產及開發提供技術參考［29］。

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