響應面優化葛根全粉真空干燥工藝及加工特性比較

錢籽霖，吳瓊，張楠，曾秋煩，蔣和體

(西南大學 食品科學學院，重慶，400716)

葛根(Puerarialobata)富含淀粉、膳食纖維、氨基酸、礦物質，以及葛根素、大豆苷元等異黃酮類物質，具有較強抗氧化性，可增強VC、VE的作用[1-2]，具有清除自由基、降血糖、預防心腦血管病和老年癡呆等保健功效[3-6]。鮮葛不易保藏，將其制成含水量低的全粉，不僅耐貯，還能極大保持鮮葛的營養和風味，可作優質原料制成糕點、沖泡飲料、保健食品等。近年來，國內外對葛根研究主要集中在葛根素的提取及功能[7]、葛根黃酮的提取和開發[8]、葛根酒等發酵制品[9]及葛根保健品的開發[10]等方面，對葛根粉特別是全粉研究較少，多針對葛根淀粉。上官佳等[11]分析了制片、冷凍干燥和打漿過程對葛根全粉成分及特性的影響，沈存寬等[12]對比了新型閃蒸干燥與傳統干燥馬鈴薯全粉的理化性質，發現前者再加工性能較好。目前，全粉類食品干燥方式以熱風、真空和冷凍干燥最為廣泛，但利用響應面優化葛根全粉干燥工藝的研究鮮有報道。本實驗主要利用響應面法優化葛根全粉真空干燥工藝，確定最佳熱燙時間、蒸煮溫度、蒸煮時間和干燥條件，并對真空干燥優化工藝制備的葛根全粉營養成分及加工特性進行了分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富葛，取自重慶荷西農業開發有限公司；KI、I2、K2HPO4、鄰苯二酚、HCl、NaOH(均為分析純)，成都科龍化工試劑廠；異抗壞血酸鈉、NaCl、檸檬酸、NaAc、HAc，重慶川東化工有限公司化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

真空干燥箱DZF-6020，上海精宏實驗設備有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9240A，上海一恒科學儀器有限公司；Alpha 1-4 LD plus 真空冷凍干燥設備，德國 CHRIST 公司；多功能高速粉碎機Q-100A2，上海冰都電器有限公司；全自動凱氏定氮儀KjelFlex K-360 瑞士；高速離心機5810，德國Eppendo公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 葛根預處理

葛根洗凈去皮，快速切分成8～10 mm薄片。切片立即浸沒于護色液中：NaCl 1.5%、異抗壞血酸鈉0.5%、檸檬酸0.8%。護色30 min后取出，100 ℃熱燙后冷水清洗，使中心溫度降至20 ℃以下。蒸煮后進行干燥，干燥時將葛根片平鋪，厚度8～10 mm。

1.3.2 干燥方式

分別進行真空、熱風和真空冷凍干燥，干燥后的葛根片進行粉碎及100目過篩，葛根全粉用不透明自封鋁箔袋包裝。各干燥方式條件參數見表1，真空干燥條件見表2。

1.3.3 真空干燥單因素試驗設計

1.3.3.1 熱燙時間的選擇

蒸煮溫度95 ℃，蒸煮時間15 min，干燥條件3，熱燙時間：0、30、60、90、120、150、180 s對游離淀粉碘藍值的影響。

表1 干燥方式及條件參數Table 1 Drying methods and condition parameters

表2 真空干燥條件Table 2 Vacuum drying conditions

1.3.3.2 蒸煮溫度的選擇

選用1.3.3.1優選出的熱燙時間，蒸煮時間15 min，干燥條件3，蒸煮溫度：80、85、90、95、100、105、110 ℃對游離淀粉碘藍值的影響。

1.3.3.3 蒸煮時間的選擇

選用優選出的熱燙時間和蒸煮溫度，干燥條件3，蒸煮時間：0、5、10、15、20、25、30 min對游離淀粉碘藍值的影響。

1.3.3.4 干燥條件的選擇

選用優選出的熱燙時間、蒸煮溫度和蒸煮時間，干燥條件：1、2、3、4、5對游離淀粉碘藍值的影響。

1.3.4 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果確定因素水平，以游離淀粉碘藍值為響應值Y，采用4因素3水平Box-Behnken響應面設計方法(表3)，優化熱燙時間A、蒸煮溫度B、蒸煮時間C、干燥條件D。共29次試驗，每個試驗點平行3次。

表3 真空干燥Box-Behnke試驗設計因素和水平Table 3 Factors and levels of Box-Behnken experimentsdesign for vacuum drying

1.4 指標測定

1.4.1 游離淀粉碘藍值BVI

參照GB/T 15683—2008和馬鈴薯全粉碘藍值檢測方法[13-14]。

1.4.2 基本營養指標(以干基計)

水分GB/T 5009—2010直接干燥法[15]；灰分GB/T 5009—2010高溫灼燒法；粗蛋白GB/T 5009—2010凱氏定氮法；粗脂肪GB/T 5009—2003索氏抽提法[16]；淀粉GB/T 5009—2008酸水解-直接滴定法[17]；還原糖 DNS法[18]。

1.4.3 持水性[19-20]

稱1 g樣品加49 mL蒸餾水混勻，100 ℃攪拌水浴15 min，冷卻至室溫后3 000 r/min離心15 min，量取上清液。

(1)

式中：V為上清液體積,mL；m為樣品質量,g。

1.4.4 持油性[19-20]

稱2 g樣品加30 mL油混勻。100 ℃攪拌水浴15 min，冷卻至室溫后3 000 r/min離心15 min，量取上清液。

(2)

式中：V為上清液體積,mL；M為樣品質量,g。

1.4.5 溶解度[21]

稱1 g樣品于10 mL具塞試管，蒸餾水定容，60 ℃水浴30 min后靜置15 min，讀取上清液體積，取2 mL上清液于己恒重鋁盒，105 ℃干燥至恒重后稱重。

(3)

式中：m1為樣品質量,g；V為上清液體積,mL；m2為鋁盒質量,g；m3為總質量,g。

1.4.6 乳化性及乳化穩定性[22]

150 mL 4 ℃蒸餾水和150 mL花生油混合后加3 g樣品，均質。立即平分至離心管，一支4 000 r/min離心10 min，另1支80 ℃水浴30 min后同條件離心。測量離心后溶液乳化層高度和總高度。

(4)

(5)

式中：H1、H2；H3、H4分別為直接離心及水浴離心后溶液乳化層高度和總高度。

1.4.7 凍融穩定性[23]

稱1 g樣品與30 mL蒸餾水混勻，100 ℃水浴20 min后冷卻至室溫，3 000 r/min離心15 min，棄上清液，倒置2 min稱重。再-18 ℃冷凍24 h后自然解凍至室溫，3 000 r/min離心15 min，棄上清液，倒置2 min稱重。

(6)

式中：m1為樣品質量,g；m2為1次離心后質量,g；m3為2次離心后質量,g。

1.5 統計方法

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 熱燙時間對碘藍值的影響

游離淀粉含量可反映全粉類產品細胞破損程度，游離淀粉碘藍值高則游離淀粉含量高，細胞破損程度大[24]。圖1未經熱燙處理時全粉碘藍值13.67，隨熱燙時間延長碘藍值逐漸降低，說明熱燙對保護葛根細胞完整性有一定作用。熱燙90 s與120 s 無顯著性差異(p>0.05)，之后碘藍值再次降低，90 s熱燙時間較短，細胞壁果膠未能充分去甲酯化，細胞壁未充分強化，當熱燙至120 s后果膠聚糖甲酯化程度降低，細胞壁進一步強化[25]。熱燙180 s碘藍值顯著低于120 s(p<0.05)，但與150 s無顯著性差異(p>0.05)。考慮到選取范圍，選擇熱燙120～180 s較合適。

圖1 熱燙時間對游離淀粉碘藍值的影響Fig.1 Effect of blanching time on iodine blue value of free starch

2.1.2 蒸煮溫度對碘藍值的影響

蒸煮溫度對游離淀粉碘藍值的影響如圖2所示。隨蒸煮溫度升高，碘藍值先降低后升高，95 ℃碘藍值8.07最低，顯著低于100 ℃時(p<0.05)，但與90 ℃時無顯著差異(p>0.05)。這與淀粉糊化程度有關，蒸煮使淀粉糊化，細胞內部產生膨脹壓，引發細胞形變，利于細胞間的分離[26-28]。蒸煮溫度較低時，淀粉糊化不完全，膨脹壓較低未引發細胞形變，細胞壁之間果膠等具粘連作用的物質少量溶出，細胞少量分離，破損較輕。蒸煮溫度過高時，細胞壁被破壞，細胞內膨脹壓過大，導致細胞分離和破裂，從而釋放出游離淀粉[24,26,29]。綜合考慮，選擇85～95 ℃蒸煮較合適。

圖2 蒸煮溫度對游離淀粉碘藍值的影響Fig.2 Effect of steaming-temperature on iodine blue value of free starch

2.1.3 蒸煮時間對碘藍值的影響

蒸煮時間對碘藍值的影響如圖3所示。蒸煮時間小于15 min時，碘藍值無顯著差異(p<0.05)，此后隨蒸煮時間延長碘藍值逐漸升高，25 min時達到最高，繼續蒸煮差異不顯著(p>0.05)。蒸煮時間過短會造成膨脹壓不足，而蒸煮時間過長會造成膨脹壓過高，果膠類物質過度溶出，導致細胞壁變脆破裂，碘藍值升高[30]。未蒸煮葛根全粉與蒸煮5～15 min碘藍值無顯著差異(p>0.05)，但未熟化全粉中生淀粉含量較高，沖泡時易結塊。綜合考慮，選擇5～15 min蒸煮時間較合適。

圖3 蒸煮時間對游離淀粉碘藍值的影響Fig.3 Effect of steaming time on iodine blue value of free starch

2.1.4 干燥條件對碘藍值的影響

圖4中70 ℃干燥7 h碘藍值與50 ℃ 9 h和60 ℃ 8 h的碘藍值無顯著差異(p>0.05)，此后隨干燥溫度升高，雖干燥時間縮短，但碘藍值卻持續上升；90 ℃干燥5 h碘藍值顯著高于其他干燥條件(p<0.05)。干燥溫度過低會使水分蒸發過慢，長時間烘干也容易使細胞破損，處于真空干燥箱也會造成碘藍值升高[27,30-31]。溫度過高會使葛根片外表皮水分迅速蒸發，內部水分來不及擴散至表面，導致表面皺縮變形，細胞破裂，游離淀粉大量增加。綜合考慮，選擇50 ℃ 9 h、60 ℃ 8 h和70 ℃ 7 h干燥較合適。

圖4 干燥條件對游離淀粉碘藍值的影響Fig.4 Effect of drying conditions on iodine blue value of free starch

2.2 響應面優化試驗

2.2.1 響應面試驗設計與結果

真空干燥響應面試驗設計及結果見表3。

表3 真空干燥響應面試驗設計及結果Table 3 Design and results of the response surfaceexperiment of vacuum drying

續表3

實驗序號熱燙時間(A)/s蒸煮溫度(B)/℃蒸煮時間(C)/min干燥條件(D)碘藍值2400018.942500007.892600007.682700007.902800007.492900007.89

對表3進行回歸分析，建立真空干燥工藝各因素及交互因素對游離淀粉碘藍值的響應面回歸模型Y=7.83-0.10A-0.077B+0.51C-0.37D+0.34AB+0.18AC-0.098AD-0.083BC+0.078BD+0.56CD+0.43A2+0.62B2+3.00C2+0.88D2。

2.2.2 方差分析及響應曲面圖

方差分析結果見表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance for developed regressionequation

注：*差異顯著，p<0.05；**差異極顯著，p<0.01。

一次項中，因素C、D對碘藍值影響極顯著(p<0.01)，A影響顯著(p<0.05)，B影響不顯著(p>0.05)；交互項中，AB、CD交互作用影響極顯著(p<0.01)，AC影響顯著(p<0.05)，AD、BC、BD影響不顯著(p>0.05)，A2、B2、C2、D2影響極顯著(p<0.01)。F值越大，各因素對實驗指標的影響越大，可知各因素對碘藍值的影響順序：C>D>A>B，即：蒸煮時間>干燥條件>熱燙時間>蒸煮溫度。

圖5～圖7所示為交互作用顯著的各因素響應面等高線及交互作用圖。

圖5 熱燙時間及蒸煮溫度對游離淀粉碘藍值的交互影響Fig.5 Interaction effect of blanching time and steaming temperature on iodine blue value of free starch

圖6 蒸煮時間及干燥條件對游離淀粉碘藍值的交互影響Fig.6 Interaction effect of steaming time and drying condition on iodine blue value of free starch

2.2.3 工藝優化及驗證實驗

經響應面優化，得到葛根全粉真空干燥最佳工藝條件：熱燙時間155.29 s、蒸煮溫度89.96 ℃、蒸煮時間9.43 min、干燥條件2.3。在此條件下，按照模型預測游離淀粉碘藍值為7.75。考慮到實際操作，將工藝條件調整為：熱燙時間155 s、蒸煮溫度90 ℃、蒸煮時間9.5 min、干燥條件2.3(63 ℃干燥8.3 h)。進行3次重復性驗證實驗，測得碘藍值7.62，與預測值7.75相對誤差約為1.7%，說明該模型能很好地預測真空干燥條件與游離淀粉碘藍值之間的關系，同時證明利用響應面法優化葛根全粉真空干燥工藝是合理可行的。

圖7 熱燙時間及蒸煮時間對游離淀粉碘藍值的交互影響Fig.7 Interaction effect of blanching time and steaming time on iodine blue value of free starch

2.3 真空干燥葛根全粉品質分析

對比優化后的真空干燥，與熱風及真空冷凍干燥葛根全粉，分析真空干燥葛根全粉的營養品質及加工特性，不同干燥方式葛根全粉基本成分及加工特性如表5所示。

2.3.1 營養成分比較

注：(1)a,b,c表示同列數值間的顯著性差異(p<0.05)；(2)真空冷凍干燥簡稱為冷凍干燥。

水分低于14%才能保證薯類全粉貯藏安全，3種干燥葛根全粉含水率均低于8%，符合安全貯藏要求。灰分反映無機成分保留情況，3種干燥葛根全粉灰分均在3.7%左右，說明干燥方式對無機成分影響不大。淀粉是評價全粉品質的重要指標，真空干燥淀粉含量60.68%，顯著高于真空冷凍及熱風干燥(p<0.05)，由于真空干燥處于一定真空度及較高溫度下，葛根細胞產生膨脹甚至破損，淀粉從細胞及其間隙中游離出來，含量增加[32]。蛋白質及脂肪影響全粉持水持油性，粗蛋白：冷凍>真空>熱風，真空冷凍干燥由于處于極低溫環境，蛋白質保存較好[32]，而真空及熱風干燥溫度較高使蛋白質變性。粗脂肪：真空>熱風>冷凍，研究表明適度加溫會增加粗脂肪含量，但過高溫度會造成其損失[33]，說明真空干燥優化條件利于脂肪保存。熱風干燥還原糖顯著高于其他2種(p<0.05)，可能較高溫度熱風使葛根淀粉部分分解，還原糖含量增加。綜合比較3種干燥方式，優化后的真空干燥葛根全粉淀粉、粗脂肪含量最高，粗蛋白、灰分、還原糖含量居中，營養成分保存較好且均衡，營養價值較高。

2.3.2 加工特性比較

2.3.2.1 溶解性

溶解性反映全粉沖調性能好壞，與游離淀粉含量有關，大的完整淀粉顆粒消失有利于全粉溶解和改善沖調性。真空和熱風干燥葛根全粉溶解度顯著高于真空冷凍干燥(p<0.05)，由于真空及熱風干燥葛根全粉蒸煮后，于較高溫度干燥，淀粉分子間氫鍵斷裂，膠束結構消失，低分子直鏈淀粉溶解并通過非結晶區溶出，游離淀粉含量升高，因此溶解度較高[34]。

2.3.2.2 吸水及吸油能力

吸水、吸油能力在全粉類食品加工中具有重要參考意義，以葛根全粉為原料進行食品研發時，可依據吸水吸油能力大小決定配方中水和油脂用量，吸水能力強則增加水的用量，吸油能力強則增加油脂用量[24]。吸水能力：真空>熱風>真空冷凍，真空干燥條件下物料產生膨脹壓，細胞一定程度破損，游離淀粉含量增加，吸水能力增強[11]。熱風干燥對葛根細胞結構破壞更大，纖維網狀結構被破壞，毛細吸水作用減弱，主要依靠溶脹吸水，降低粉體對水的束縛，吸水能力減弱，同時較高溫度使淀粉和蛋白質焦化而降低持水性[35]。真空冷凍干燥吸水能力最低，一方面真空冷凍干燥全粉粒徑最小，粉體粒徑越小，持水力越低；另一方面與全粉中蛋白質含量有關，蛋白質比表面積越大粉體疏水能力越強[20,36]。

吸油能力：真空冷凍>熱風>真空，吸油能力一般與蛋白質有關，含非極性尾端較多的蛋白質含量越高，吸油能力越強[37]。真空冷凍干燥使水分由冰晶直接升華為水蒸氣，物料疏松多孔，粉體顆粒空隙更大，增加與油相互作用的表面積，油脂得以填充，同時其蛋白質保存較好，持油能力較強[38]。真空及熱風干燥蛋白質變性程度較大，吸油能力較弱[35]。

2.3.2.4 乳化及乳化穩定性

可溶性蛋白是影響全粉乳化能力的主要因素，而不溶性蛋白對乳化能力影響很小[39]。真空干燥全粉乳化及乳化穩定性居中，熱風干燥最高。由于熱風干燥溫度較高，改變了蛋白結構和疏水基團，其溶解度提高，因而乳化性較高。真空和真空冷凍干燥可能由于溫度和真空度的影響，使乳狀液顆粒運動加劇，相互碰撞概率增大，導致顆粒破損，因而乳化穩定性下降[11]。

2.3.2.5 凍融穩定性

凍融穩定性反映全粉在冷凍食品中的應用，凍融析水率越低，凍融穩定性越好。凍融析水率：熱風>真空>真空冷凍，說明真空冷凍干燥葛根全粉凍融穩定性較好，可用于冷凍食品配方中，解凍后食品不會因大量失水而失重。這可能與持水力和淀粉內部束水位置不同有關，一定溫度下淀粉分子內部羥基與分子鏈或水形成氫鍵和共價鍵，羥基與水分子結合作用弱于與淀粉分子結合作用，持水率較低，反之持水力較高，在整個凍融循環過程中也保持了較好的持水性[23]。同時凍融穩定性與淀粉糊化度相關，糊化度越低則凍融穩定性越好[12]，冷凍干燥由于真空及低溫條件，糊化度較低，凍融穩定性好；而熱風干燥溫度較高，糊化度較高，因而凍融穩定性差。

綜合來看，與熱風及真空冷凍干燥相比，優化后的真空干燥葛根全粉加工特性較好，可用于實際生產。其具有良好的吸水能力，能快速有效溶脹，在調配時應增加水的用量，但其吸油能力較差，應減少油脂用量；同時具備較好的溶解性、乳化能力及凍融穩定性，因此具有較優的沖調及乳化性能，且能用于冷凍食品配方。

3 結論

通過單因素及Box-Behnken響應面分析，對葛根全粉真空干燥工藝進行優化。建立了熱燙時間、蒸煮溫度、蒸煮時間和干燥條件及交互因素對葛根全粉游離淀粉碘藍值的回歸模型。通過回歸模型方差分析，得到各因素對游離淀粉碘藍值的影響順序為：蒸煮時間>干燥條件>熱燙時間>蒸煮溫度。由該模型得到的葛根全粉真空干燥最佳工藝條件為：熱燙時間155 s、蒸煮溫度90 ℃、蒸煮時間9.5 min、干燥溫度63 ℃、干燥時間8.3 h。此條件下游離淀粉碘藍值為7.62，和預測值7.75的相對誤差約為1.7%，證明該模型是合理可行的，能很好地預測真空干燥葛根全粉游離淀粉碘藍值。此外，在此條件下制得的葛根全粉，與熱風及真空冷凍干燥相比，其營養成分保存較好且均衡，營養價值較高；且具有良好的加工特性，可用于指導葛根全粉實際生產。