噴霧干燥法制備西番蓮果皮粉工藝研究

張 順，黃 葦

（華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642）

西番蓮果皮是除去果肉和果籽后的西番蓮主要成分，占全果重的45%～55%［1］，目前多用作飼料和廢棄物，未能實現高值化的利用。西番蓮果皮是一種含豐富膳食纖維的食物資源，其具有良好的功能性，已用于食品中［2］。文良娟等［3-4］研究表明，西番蓮果皮中還含有豐富的果膠、多糖、酚類等成分，且其中的酚類物質含有一些黃酮、生物堿的藥用性成分［5-7］，功能性極強，有較高的利用和開發價值。為提高西番蓮果皮的利用價值，目前針對西番蓮果皮的研究應用也逐漸豐富，唐萬勇等［8-9］以西番蓮果皮為主要原料加工風味果脯，程明明等［10-11］對西番蓮果皮進行了膳食纖維的提取并進一步純化得到優質的膳食纖維，劉運花等［12］針對果皮中豐富的果膠成分進行了提取和改性研究。但目前鮮有關于西番蓮制粉的報道，結合噴霧干燥法等干燥方法對西番蓮全果進行利用加工，制備品質良好的果粉大有潛力。

噴霧干燥是一種可以將液體物料干燥成粉狀固體顆粒的方法，其原理是待干燥液體物料通過霧化器霧化為微小液滴，液滴在接觸高溫干燥空氣時，水分被瞬間蒸發，最后形成顆粒粉末。與傳統的熱風干燥相比，噴霧干燥法的優點在于物料與熱空氣接觸時間短，對產品的風味、色澤和營養成分破壞性小［13-15］，加工效率高，易于實現規模化生產，尤其適合運用在利用率低、不耐貯藏的果蔬產品加工中。例如，關翔鵬［16］利用噴霧干燥法，添加不同的助干劑（如麥芽糊精、阿拉伯膠等）制備得到品質較高的哈密瓜粉，實現了哈密瓜果的全利用；而王澤南等［17］利用噴霧干燥法制備得到優質草莓粉，解決了草莓鮮果不易保存的問題。

為實現西番蓮果皮的高值化利用，本研究以單因素試驗為基礎，結合正交優化試驗探究不同助干劑及噴霧干燥工藝參數對制備西番蓮果皮粉品質的影響，探討西番蓮果皮加工的新途徑和方法，旨在為西番蓮果皮的充分利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西番蓮果購于廣州市天平架水果批發市場。

羧甲基纖維素鈉（CMC）：上海申光化學品有限公司；可溶性淀粉：天津市科密歐化學試劑有限公司；電子分析天平：梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；攪拌機：廣東美的生活電器制造有限公司；膠體磨：溫州富瑞康機械科技有限公司；冷凍高速離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；高壓均質機：上海東華高壓均質機廠；噴霧干燥箱：上海紫裕生物科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 為增加果皮粉的風味，添加等量西番蓮果汁混合打漿后加入助干劑，并利用膠體磨均質，均質后進行噴霧干燥得到西番蓮果粉。

1.2.2 西番蓮果粉品質指標測定 噴霧干燥的集粉率計算參考宋超洋［18］方法。

式中，m0為果粉西番蓮粉體質量，m1為果漿固形物質量，m2為助干劑添加量。

溶解時間測定參照滕碩等［19-20］的方法：稱取1 g果粉，50 mL 25℃水溶解，同時開啟攪拌器低速攪動，記錄從攪拌開始到粉末完全溶解所需時間。溶解度測定參照畢金峰等［21-23］方法：稱取1 g果粉，轉入200 mL燒杯，加水100 mL，設定磁力攪拌器轉速100 r/min高速攪拌5 min，冷凍離心機3000 r/min高速離心5 min，取15 mL上清液85℃烘干至恒重，計算上清液中干物質含量所占比重。水分含量測定采用GB/5009.3-2010 的直接干燥法［24］。

1.2.3 單因素試驗 將可溶性淀粉添加量設為10%、30%、50%、70%、90%，CMC添加量設為2%、4%、6%、8%、10%，噴霧干燥的進料流量設為 400、500、600、700、800 mL/h，噴霧干燥的進風溫度設為 150、160、170、180、190、200℃，分別考察各因素水平對噴霧干燥西番蓮果皮粉集粉率、溶解時間、溶解度及水分含量的影響。

1.2.4 正交優化試驗 在單因素試驗基礎上，以可溶性淀粉添加量、CMC添加量、進料流量、進風溫度為因子，以果皮粉的集粉率、水分含量、溶解度及溶解時間為指標進行正交試驗，研究助干劑配比和噴霧干燥參數對果皮粉品質的影響，因素水平設置見表1。

2 結果與分析

2.1 助干劑對西番蓮果皮粉品質的影響

表1 正交試驗因素水平

2.1.1 可溶性淀粉添加量對噴霧干燥果皮粉品質的影響 如圖1所示，隨著可溶性淀粉的添加量增加，噴霧干燥果皮粉的集粉率隨之上升，而水分含量總體呈下降趨勢，可溶性淀粉添加量為50%時，集粉率、水分含量分別較10%時提高20%、下降15%。可溶性淀粉有良好的溶解性，可改善料液的流動性，使噴霧干燥順利進行。隨著可溶性淀粉添加量增加，集粉率上升，水分含量下降，西番蓮果皮粉的溶解度逐步提高，溶解時間縮短。因為可溶性淀粉溶解性優于果皮粉中的纖維、果膠等成分，可溶性淀粉占比提高，果皮粉總體溶解性會得到改善。綜合分析可知，可溶性淀粉作為西番蓮果皮漿的噴霧干燥助干劑，能夠起到減輕物料粘壁、提高果皮粉溶解性的作用，但試驗發現果皮粉的風味隨著可溶性淀粉添加量上升而有所減弱，確定添加量為50%～90%。

圖1 可溶性淀粉添加量對噴霧干燥西番蓮果皮粉品質的影響

2.1.2 CMC添加量對噴霧干燥果皮粉品質的影響 如圖2所示，隨著CMC添加量的增加，噴霧干燥果皮粉的集粉率先上升后下降，而水分含量總體變化不明顯，CMC的添加量為8%時，其集粉率較2%時提高85%。可見CMC能顯著提高料液粘稠度，有利于改善料液均勻性和穩定性，利于噴霧干燥順利進行，但料液粘度過大反而不利于噴霧干燥；果皮粉水分含量變化不明顯，始終處于7%左右，可能因為CMC添加量較低，對果皮粉干燥過程中水分蒸發影響不大造成；隨著CMC的添加量增加，西番蓮果皮粉溶解度先上升后下降，果皮粉的溶解時間則出現了延長趨勢。綜合分析CMC對果皮粉品質的影響與可溶性淀粉有所不同，在較低添加量時會促進集粉率和溶解度提高，添加量過高反而不利于噴霧干燥集粉率提高和溶解性的改善，因此CMC添加量選擇6%～10%為宜。

圖2 CMC添加量對噴霧干燥西番蓮果皮粉品質的影響

2.2 噴霧干燥參數對西番蓮果皮粉品質的影響

2.2.1 進料流量對噴霧干燥果皮粉品質的影響 由圖3可知，隨著進料流量的增大，噴霧干燥西番蓮果皮粉的集粉率逐漸降低，果皮粉的水分含量緩慢上升并趨于穩定，進料流量為600 mL/h時，集粉率較進料流量為400 mL/h時低20%，噴霧干燥進料速度較低時，液滴中的水分能夠迅速蒸發而不會造成粘壁，果皮粉的水分含量也較低，但進料速度增大時，液滴中的水分來不及蒸發而導致料液粘壁，集粉率下降，相應的果皮粉水分含量也出現上升趨勢；隨著進料流量的增大，溶解度迅速下降，進料流量為600 mL/h時至最低溶解度76.4%，之后趨于穩定，而果皮粉的溶解時間有所延長。已有研究表明，粉體水分含量上升會導致其吸濕性加強和復水性減弱［25］，因此果皮粉的溶解性會呈現下降趨勢。適當的進料流量，既有利于保持噴霧干燥效率，也有利于保持果皮粉良好的溶解性能等粉體特性，進料流量選擇400～600 mL/h較為合適。

2.2.2 進風溫度對噴霧干燥果皮粉品質的影響 由圖4可知，進風溫度升高至180℃時，西番蓮果皮粉的集粉率升高到峰值后降低，水分含量先下降后有所上升，果皮粉的溶解度則隨進風溫度由160℃時的78%迅速提升到180℃的81.5%，然后進入平臺期，而溶解時間隨溫度的變化不明顯。分析可知，進風溫度升高可使霧滴在干燥室內干燥更完全，但溫度不是越高越好，溫度太高，粉體外部水分蒸發速率快于內部水分遷移速率，外部干燥形成殼，阻擋內部水分及時遷移出，導致顆粒干燥不徹底，出現粘壁，因此集粉率出現下降，果粉水分含量也出現隨溫度升高先下降后上升趨勢；果皮粉溶解度在一定升溫范圍內迅速上升后，不再隨溫度升高而提升，主要與果粉水分不再下降甚至略微上升相關。另外，溫度升高對果皮粉的香氣保留不利，因此進風溫度以170～190℃為宜。

圖3 進料流量對噴霧干燥西番蓮果皮粉品質的影響

圖4 進風溫度對噴霧干燥西番蓮果皮粉品質的影響

2.3 助干劑及噴霧干燥參數正交優化結果

噴霧干燥正交試驗結果及極差分析見表2。為獲得能協調多指標的最優組合，在極差分析基礎上引入方差分析（表3），由于可溶性淀粉添加水平對每個指標都有顯著影響，且對果皮粉溶解度和溶解時間的影響均為極顯著，在選擇水平為A3時，可以同時滿足溶解度和溶解時間的優選組合，故可溶性淀粉的最終水平為A3；進料流量對溶解時間影響為極顯著，對溶解度的影響為顯著，考慮到其他3組指標最優水平均為C3，且進料流量較大時節省干燥時間，因此選擇水平為C3；進風溫度對溶解度的影響為顯著，對其他指標影響為不顯著，可在不同水平中任選，溫度太高對果皮粉香氣保留不利，故選擇水平為D1；而CMC添加量對各個指標的影響均為不顯著，考慮到集粉率和溶解性的最優水平為B1，故最終確定為B1，通過優選的集粉率組合為A1B1C2D1，水分含量優選組合A3B2C2D3，溶解度優選組合A1B1C3D1，溶解時間優選組合A3B1C1D3。

綜合分析可知，噴霧干燥的助干劑配方及干燥工藝參數最優組合為A3B1C3D1，即可溶性淀粉添加量為90%、CMC添加量為6%、進料流量600 mL/h、進風溫度170℃。

表2 噴霧干燥正交實驗結果及極差分析

3 結論與討論

本試驗結果表明，隨著可溶性淀粉添加量的增加，西番蓮果皮粉的集粉率、溶解性等均會隨之上升，而CMC的添加量在較低水平時會促進果皮粉集粉率和溶解性提高，在較高添加量時反而不利于保持果粉品質，這與多數以CMC作為助干劑時的研究結果不一致，推測這種差異性與物料本身性質相關。噴霧干燥參數中，進料流量較小時，噴霧干燥過程中西番蓮果漿中水分能及時蒸發并能減少粘壁發生，在進料流量為400或500 mL/h時，最大集粉率均為36%，當進料流量較大時，造成果皮粉集粉率下降、水分含量上升和溶解性變差，但進料流量過小導致噴霧干燥效率降低，因此應綜合考慮進料流量；通過正交試驗確定了西番蓮果皮粉助干劑配比和噴霧干燥工藝參數的最佳組合為可溶性淀粉添加量90%、CMC添加量6%、進風溫度170℃、進料流量600 mL/h，此時西番蓮果皮粉集粉率34.70%、水分含量3.52%、溶解度82.17%，西番蓮果粉粉體細膩、香氣適宜，溶解性也較好。

表3 噴霧干燥正交試驗方差分析

西番蓮果漿富含葡萄糖、果糖等低熔點成分，導致在噴霧干燥時粘壁嚴重，因此要添加助干劑促進噴霧干燥順利進行。本研究通過添加可溶性淀粉和CMC對西番蓮果漿進行噴霧干燥制粉，解決了西番蓮果皮粉因纖維成分含量高制成粉品質差以及西番蓮果皮作為加工附屬物利用率低、對環境污染等問題。本研究對解決果蔬加工中尤其是果皮等成分占比較高、利用率低的問題提供了理論依據。今后研究中，可以針對不同性質的助干劑，選擇更適合于西番蓮制粉的助干劑，提高果粉集粉率和其他品質，還可以針對干燥方法進行優選，例如有很大發展潛力的冷凍噴霧干燥和真空冷凍干燥法，制得的果粉品質會進一步得到提高。

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