噴霧干燥法制備蔗汁桂圓固體飲料的研究

柴智慧，張佳欣，宋小榮，范松林，陸登俊，何惠歡

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530001）

隨著人們生活方式的改變，生活節(jié)奏的加快，大眾追求健康和便捷飲食。固體飲料的研究始于20世紀(jì)70年代，憑借其營養(yǎng)豐富、食用方便、貨架期長等優(yōu)勢，在國內(nèi)外發(fā)展迅速，成為當(dāng)今便捷食品研究的熱點[1-3]。

甘蔗富含蔗糖、多酚、蛋白質(zhì)、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)，具有抗腫瘤、抗病毒、抑菌等功效[4-6]。桂圓富含桂圓多糖，是一種藥食同源的傳統(tǒng)食材，具有延緩衰老、抗氧化、增強記憶等功效[7-10]。目前，甘蔗在我國主要用來制備白砂糖，桂圓主要用作鮮食水果或干燥后用作藥材或干食，兩者的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為單一。

噴霧干燥技術(shù)是將溶液、乳濁液、懸濁液等物料通過機械作用將物料分散形成霧滴，然后通入熱空氣使霧滴中的水分迅速氣化，以此獲得干制品。該技術(shù)的特點在于得到的產(chǎn)品顆粒均一，速溶性好，水分含量低，利于儲存，并可最大限度地保留其中的營養(yǎng)成分，具有獨特風(fēng)味和香醇口感[11-15]。本試驗以蔗汁和桂圓為原料，添加麥芽糊精作輔料，采用噴霧干燥法，將混合液干燥成固態(tài)粉末，制備新型的固體飲料，并利用響應(yīng)面試驗對噴霧干燥工藝條件進行優(yōu)化，最后對產(chǎn)品進行品質(zhì)分析，以期為拓展甘蔗、桂圓的產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

蔗汁：于2017年2月采購南寧甘蔗，自行壓榨；桂圓：南寧五里亭批發(fā)市場，產(chǎn)地南寧；麥芽糊精（20 DE值）、鹽酸（AR）、氯化鈉（AR）、氫氧化鈉（AR）、無水乙醇（AR）、其余試劑均為分析純：國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

WAY-2S數(shù)字阿貝折光儀：日本ATAGO公司；PHSJ4A酸度計：上海雷磁儀器公司；L500臺式低速離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；WZZ-2S自動旋光儀：上海精密科學(xué)儀器有限公司制造；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；KQ-500DE數(shù)控超聲清冼器：昆山市超聲儀器有限公司；DC-1500實驗型噴霧干燥機：上海達程實驗設(shè)備有限公司；GYB30-60高壓均質(zhì)機：上海東華高壓均質(zhì)機廠。

1.2 方法

1.2.1 技術(shù)路線

噴霧干燥蔗汁桂圓固體飲料的工藝流程見圖1。

圖1 噴霧干燥蔗汁桂圓固體飲料的工藝流程Fig.1 The technological process of spray drying of sugarcane juice and longan solid beverage

1.2.2 操作要點

1）澄清處理[16]：采用振蕩離心的方法對甘蔗汁進行處理，振蕩溫度70℃，振蕩時間60 min，離心時間10 min，離心轉(zhuǎn)速7 000 r/min，旨在盡可能地保留蔗汁的營養(yǎng)成分。

2）超聲提取[17]：采用超聲法提取桂圓多糖及多酚兩種有效成分，浸泡時間90 min，超聲時間80 min，超聲功率300 W，提取溫度50℃。

3）兩倍濃縮：采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的方法將桂圓提取液濃縮至原體積的一半。

4）比例混合：將處理后的蔗汁和桂圓濃縮液以體積比為2∶1的比例混合制備成混合汁。

5）均質(zhì)：將上述混合汁在20 MPa的條件下進行兩次均質(zhì)。

6）滅菌：滅菌條件為 121℃、20 min。

7）噴霧干燥：在適宜的條件下進行噴霧干燥。

1.2.3 分析檢測

1）水分含量：參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》中減壓干燥方法。

2）集粉率[18]，其計算方法如下：

式中：S為集粉率，%；m為噴霧干燥后成品的質(zhì)量，g；m0為噴霧干燥前料液的固形物含量，g；m1為噴霧干燥前加入麥芽糊精的質(zhì)量，g。

1.3 噴霧干燥各工藝參數(shù)確定

1.3.1 單因素試驗

固定噴霧干燥的入料流量6 mL/min、進風(fēng)溫度180℃、出風(fēng)溫度80℃，研究不同的麥芽糊精添加量（10%、20%、30%、40%、50%）對產(chǎn)品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、進風(fēng)溫度180℃、出風(fēng)溫度80℃，研究不同的噴霧干燥的入料流量（3、6、9、12、15 mL/min）對產(chǎn)品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、出風(fēng)溫度80℃，研究不同的噴霧干燥進風(fēng)溫度（150、160、170、180、190 ℃）對產(chǎn)品集粉率和水分含量的影響；固定噴霧干燥的麥芽糊精添加量30%、入料流量6 mL/min、進風(fēng)溫度160℃，研究不同的噴霧干燥出風(fēng)溫度（60、70、80、90、100℃）對產(chǎn)品集粉率和水分含量的影響。

1.3.2 響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，響應(yīng)面試驗優(yōu)化選取麥芽糊精添加量、入料流量、進風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度四因素，以集粉率和水分含量為響應(yīng)值。采用Design Expert8.0對試驗進行設(shè)計，試驗因素和水平如表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Table1 The level table of response surface experimental factors

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 麥芽糊精添加量對干燥效果的影響

麥芽糊精添加量對干燥效果的影響見圖2。

圖2 麥芽糊精添加量對干燥效果的影響Fig.2 The influence of maltodextrin addition on the drying effect

由圖2可知，成品集粉率隨著麥芽糊精添加量的增加而增大，麥芽糊精添加量在10%～30%時，集粉率變化明顯，集粉率由8.5%增至26.85%，在麥芽糊精添加量30%～50%之間時集粉率變化較慢，集粉率由26.85%增加到31.1%；麥芽糊精添加量在30%之前，產(chǎn)品的水分含量減少且效果顯著，在此之后再增加麥芽糊精的添加量，其水分含量變化不明顯；可能是在噴霧干燥過程中麥芽糊精可起到助干劑的作用，其添加量在30%之前，集粉率增加較多，水分減少，但超過之后，由于產(chǎn)品水分含量少，助干作用不明顯。因此，選取麥芽糊精的添加量為30%作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.2 入料流量對干燥效果的影響

入料流量對干燥效果的影響見圖3。

由圖3可看出，入料流量逐漸增加，產(chǎn)品集粉率隨之先增后減，在入料流量6 mL/min時，集粉效果較好；產(chǎn)品水分隨著入料流量的增加而增大。原因是在一定范圍內(nèi)增加入料流量有利于提高產(chǎn)品的集粉率，但到達一定程度后再增加入料流量，此時物料的水分含量較多，不利于干燥集粉，使產(chǎn)品集粉率下降且水分含量偏大。因此，選取入料流量量為6 mL/min作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.3 進風(fēng)溫度對干燥效果的影響

進風(fēng)溫度對干燥效果的影響見圖4。

圖3 入料流量對干燥效果的影響Fig.3 The influence of feed flow rate on the drying effect

圖4 進風(fēng)溫度對干燥效果的影響Fig.4 The influence of inlet air temperature on the drying effect

由圖4可知，隨著進風(fēng)溫度的增加，干燥產(chǎn)品的集粉率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在進風(fēng)溫度為160℃時，干燥產(chǎn)品集粉率出現(xiàn)最大值31.28%。在噴霧干燥過程中，進風(fēng)溫度過高過低均會影響集粉效果，進風(fēng)溫度過低會導(dǎo)致產(chǎn)品干燥不完全，進風(fēng)溫度過高會導(dǎo)致部分產(chǎn)品焦糖化；產(chǎn)品水分含量隨著進風(fēng)溫度的升高逐漸降低，在干燥過程中，進風(fēng)溫度可直接影響產(chǎn)品的水分含量，影響干燥的效果。因此，選取進風(fēng)溫度為160℃作為后續(xù)單因素的試驗水平。

2.1.4 出風(fēng)溫度對干燥效果的影響

出風(fēng)溫度對干燥效果的影響見圖5。

由圖5可看出，隨著出風(fēng)溫度逐漸增加，產(chǎn)品的集粉率隨之先增加后減小，在出風(fēng)溫度為90℃時，干燥產(chǎn)品集粉率出現(xiàn)最大值30.83%；在出風(fēng)溫度為60℃～100℃的范圍內(nèi)，干燥產(chǎn)品的水分含量隨出風(fēng)溫度的增加而降低。在噴霧干燥過程中出風(fēng)溫度和進風(fēng)溫度的作用相似，溫度高有利于降低產(chǎn)品的水分含量。因此，出風(fēng)溫度選取90℃。

圖5 出風(fēng)溫度對干燥效果的影響Fig.5 The influence of outlet air temperature on the drying effect

2.2 噴霧干燥工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計響應(yīng)面試驗，選取影響干燥效果的4個主要因素麥芽糊精添加量、入料流量、進風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度為自變量，設(shè)計響應(yīng)面試驗。采用Design Expert8.0軟件對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，試驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table2 The design of response surface experiment and its result

2.2.2 回歸模型

由表2的試驗結(jié)果，根據(jù)Design Expert8.0軟件可得出，各因子與集粉率和水分含量之間的回歸方程如下：

水分含量回歸模型

式中：Y1為物料的集粉率，%；Y2為物料的水分含量，%；A為麥芽糊精添加量，%；B為入料流量，mL/min；C為進風(fēng)溫度，℃；D為出風(fēng)溫度，℃。

2.2.3 模型檢驗

2.2.3.1 集粉率回歸模型方差分析

集粉率回歸模型方差分析見表3。

表3 集粉率回歸模型方差分析Table3 The variance analysis of set regression model

續(xù)表3 集粉率回歸模型方差分析Continue table 3 The variance analysis of set regression model

由表3可知，回歸模型F檢顯著，P值＜0.001，該回歸模型極顯著，其失擬項P值＞0.05，該模型失擬項不顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.880 1，此模型可解釋88.01%的數(shù)據(jù)變化，說明該模型擬合度較好。從表中可以看出，麥芽糊精添加量和入料流量對集粉率的線性效應(yīng)均極顯著（P＜0.01），麥芽糊精添加量和入料流量的交互效應(yīng)、麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度的交互效應(yīng)均顯著，其余影響均不顯著。將不顯著因素忽略后，回歸方程可簡化為：Y1=30.53+4.06A-2.67B-5.03AB-3.02AD。

2.2.3.2 水分含量回歸模型方差分析

水分含量回歸模型方差分析見表4。

表4 水分含量回歸模型方差分析Table4 The variance analysis of regression model of water content

續(xù)表4 水分含量回歸模型方差分析Continue table 4 The variance analysis of regression model of water content

由表4可知，回歸模型F檢顯著，P值＜0.001，回歸模型極顯著，其失擬項P值=0.273 8＞0.05，該模型失擬項不顯著，相關(guān)系數(shù)R2=0.891 4，此模型可解釋89.14%的數(shù)據(jù)變化，說明該模型擬合度較好。從表中可以看出，麥芽糊精添加量、進風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度對集粉率的線性效應(yīng)均極顯著（P＜0.01），4個因素的交互作用均不顯著。將不顯著因素忽略后，回歸方程可簡化為：Y2=1.41-0.74A-0.49C-0.43D。

2.2.4 噴霧干燥回歸模型的響應(yīng)面分析

圖6、圖7分別為麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度共同作用、進料流量和進風(fēng)溫度共同作用對物料的集粉率和水分含量的響應(yīng)曲面圖。

圖6 集粉率響應(yīng)圖Fig.6 The powder collecting rate response chart

圖7 水分含量響應(yīng)圖Fig.7 The moisture content response chart

圖6 中a為麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度交互作用對產(chǎn)品集粉率的響應(yīng)面曲線，可以看出，麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度對產(chǎn)品集粉率均有影響，其中麥芽糊精添加量對集粉率的影響比出風(fēng)溫度的影響更顯著。當(dāng)保持出風(fēng)溫度不變時，集粉率隨著麥芽糊精添加量的增大而增加；當(dāng)保持麥芽糊精添加量不變時，隨著出風(fēng)溫度的升高，干燥時間呈現(xiàn)先增加到最大值再降低的趨勢，其原因可能是出風(fēng)溫度過高，導(dǎo)致物料發(fā)生焦糖化，從而降低其集粉率。

圖6中b為進風(fēng)溫度和入料流量交互作用對產(chǎn)品集粉率的響應(yīng)面曲線，可以看出，同一進風(fēng)溫度水平下，開始時干燥樣品集粉率隨入料流量的增大而增大，當(dāng)達到一定值后集粉率隨入料流量的增加而降低，原因可能是當(dāng)超過一定的入料流量后再增加流量會造成物料干燥不充分，干燥產(chǎn)品未被收集，從而集粉率降低。在同一入料流量下，隨著進風(fēng)溫度的升高，產(chǎn)品集粉率先增加后降低。

圖7中a為麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度交互作用對產(chǎn)品水分含量的響應(yīng)面曲線，可以看出，麥芽糊精添加量和出風(fēng)溫度對產(chǎn)品水分含量均有影響。當(dāng)保持出風(fēng)溫度不變時，隨著麥芽糊精添加量的增加，水分含量先快速降低后趨于穩(wěn)定。當(dāng)保持麥芽糊精添加量不變時，隨著出風(fēng)溫度的升高，水分含量呈緩慢降低的趨勢。

圖7中b為進風(fēng)溫度和入料流量交互作用對產(chǎn)品集粉率的響應(yīng)面曲線，可以看出，進風(fēng)溫度和入料流量對干燥產(chǎn)品的水分含量均有影響。當(dāng)保持入料流量不變時，水分含量隨著進風(fēng)溫度的升高而逐漸減小。當(dāng)保持進風(fēng)溫度不變時，入料流量對水分含量的影響與進風(fēng)溫度相反，水分含量隨著入料流量的升高而增加。

2.2.5 優(yōu)化試驗的響應(yīng)面分析

綜合響應(yīng)面分析結(jié)果來看，選取最佳的噴霧干燥制備蔗汁桂圓固體飲料的工藝參數(shù)為：麥芽糊精添加量為40%，入料流量為3 mL/min，進風(fēng)溫度167℃，出風(fēng)溫度65℃。

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量分析

蔗汁桂圓固體飲料的制備工藝包括澄清、提取、濃縮、均質(zhì)、干燥等過程，根據(jù)2.2.5最佳工藝條件制備蔗汁桂圓固體飲料，并進行產(chǎn)品質(zhì)量分析。

2.3.1 產(chǎn)品品質(zhì)分析

產(chǎn)品品質(zhì)分析見表5。

表5 產(chǎn)品品質(zhì)分析表Table5 The product quality analysis form

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29602-2013《固體飲料》中明確區(qū)別固體飲料的分類，并給出了定義及部分成分含量要求，但其對果蔬類固體飲料的理化指標(biāo)等未有明確說明。因此，蔗汁桂圓固體飲料品質(zhì)分析指標(biāo)參考QB/T 3623-1999《果香型固體飲料》輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由表5可以看出，各檢驗指標(biāo)均符合要求。

2.3.2 衛(wèi)生品質(zhì)分析

衛(wèi)生品質(zhì)分析見表6。

如表6所示為參考QB/T 3623-1999《果香型固體飲料》輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對固體飲料衛(wèi)生指標(biāo)的規(guī)定對產(chǎn)品衛(wèi)生品質(zhì)進行分析，從表中可以看出，所生產(chǎn)的固體飲料符合衛(wèi)生要求。

2.3.3 沖調(diào)性分析

沖調(diào)前后蔗汁桂圓固體飲料照片見圖8。

表6 衛(wèi)生品質(zhì)分析表Table6 The hygienic quality analysis form

圖8 沖調(diào)前后蔗汁桂圓固體飲料照片F(xiàn)ig.8 The photo of sugar cane juice and longan solid drink before and after the adjustment

由圖8可知：沖調(diào)前固體飲料為淡黃色，沖調(diào)后液體呈深黃色，具有蔗汁及圓應(yīng)有的色澤。

綜上所述，蔗汁桂圓固體飲料的理化指標(biāo)及衛(wèi)生指標(biāo)達到了國家相關(guān)規(guī)定，并具有較好的飲用價值和感官效果。

3 結(jié)論

本文主要研究了在一定的噴霧干燥條件下，以蔗汁、桂圓為原料，添加麥芽糊精為輔料，制備蔗汁桂圓速溶固體飲料。確定最佳噴霧干燥工藝條件和蔗汁桂圓固體飲料的配方。試驗表明，蔗汁與桂圓濃縮汁的添加體積比為2∶1，麥芽糊精添加量為40%，入料流量為3 mL/min，進風(fēng)溫度167℃，出風(fēng)溫度65℃的條件下進行噴霧干燥所得蔗汁桂圓固體飲料溶解速度快，香甜可口，具有蔗汁桂圓特有的風(fēng)味。