山藥固體飲料噴霧干燥工藝優化

劉艷，商飛飛，李定金，蔡文，唐小閑，張巧，段振華，*

（1.賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西賀州542899；2.賀州學院食品與生物工程學院，廣西賀州542899）

山藥又稱淮山、山芋、薯蕷、懷山藥等，為薯蕷科多年生宿根蔓草植物薯蕷薯的塊莖[1]，具有較高的食用和藥用價值，富含淀粉、蛋白質、脂肪酸、游離氨基酸及礦質元素等營養成分以及多糖、尿囊素、淀粉酶、膽堿、3，4-二羥基苯乙胺、膽甾醇、多酚氧化酶等多種活性成分[2]，被我國衛生部列入第一批藥食兼用資源目錄[3]。大量研究表明，山藥具有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗突變、降血糖和血脂、調節腸胃等功效，對脾虛久瀉、肺虛咳喘、糖尿病、神經系統疾病、心腦血管疾病等具有獨特的療效[4]。

固體飲料是指用食品原輔料、食品添加劑等加工制成的粉末狀、顆粒狀或塊狀等，供沖調沖泡飲用的固態制品，可分為風味固體飲料、果蔬固體飲料、蛋白固體飲料、茶固體飲料、咖啡固體飲料、植物固體飲料、特殊用途固體飲料及其他固體飲料8 類[5]。目前固體飲料的加工方法主要有噴霧干燥[6]、真空冷凍干燥[7]、流化床造粒[8]、超微粉碎[9]、熱風干燥[10]等。真空冷凍干燥雖可較好地保留產品營養及風味，但投資高、能耗大，應用范圍有限；流化床造粒則適合干燥低果汁或不含果汁的原料；超微粉碎溫度低、速度快，不產生局部過熱現象，適用于果蔬粉的超微細化，可最大限度地保留產品的生物活性成分，產品口感好；而熱風干燥適用于非熱敏性或含糖分較低的果蔬制品[11-12]。噴霧干燥由于物料受熱溫度低、時間短，能較好地保留物料的營養及風味成分，常用于高果汁含量液態物料的干燥。干燥時物料可由液體直接得到干燥產品，速度快而避免造成粉塵飛揚；且干燥后的產品具有良好的分散性和溶解性，原料本身的色、香、味和營養成分得到極大保留，特別適合于熱敏性物料的干燥。此外，噴霧干燥生產過程簡單，操作控制方便[13]，所以在固體飲料加工中的應用最為廣泛。

新鮮山藥由于水分含量大、不耐貯藏，且收獲季節比較集中，極易腐敗變質而造成資源浪費，所以對山藥加工顯得尤為必要。本試驗以新鮮山藥為原料，β-環糊精為助干劑，利用噴霧干燥技術生產山藥固體飲料。研究助干劑含量、進風溫度、物料固液比、霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率及品質的影響，確定山藥固體飲料噴霧干燥最佳工藝條件，從而為山藥固體飲料的生產提供理論基礎和技術參考，為保健產品的開發指引了新的方向。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山藥：品種為麻山藥，產自廣西賀州八步區；β-環糊精（食品級）：廣州市華興生物化工有限責任公司；食鹽（食品級）：四川樂山聯峰鹽化有限責任公司。

1.2 儀器與設備

精密蠕動泵（BT100-2J）：常州市科健蠕動泵廠；數顯高速分散均質機（FJ200-SH）：上海標本模型廠；電子天平（JJ1000）、精密電子天平（BS224S）：常熟市雙杰測試儀器廠；冰沙豆漿調理機（JD-322）：廣州金達機電設備有限公司；PMB 水分分析儀（MA150）：武漢艾德姆衡器有限公司；高速離心噴霧干燥機（DFRD-5）：無錫市大峰噴霧干燥設備有限公司；全自動色差儀（CR10）：日本美能達有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

山藥挑選→清洗→去皮→切片→護色→熱燙→打漿→調配→均質→噴霧干燥→成品

1.3.2 操作要點

1）山藥挑選：選用無病變、無蟲駐、無腐爛的新鮮淮山。

2）清洗：用清水洗去山藥表面的泥土、污物。

3）去皮、切片：人工去皮，并將山藥切成3 mm～5 mm 的薄片。

4）護色：切好的山藥薄片迅速放入0.4%的食鹽溶液中護色10 min。

5）熱燙：取出護色后的山藥薄片于沸水中熱燙3 min～4 min。熱燙后用自來水冷卻至室溫25 ℃、瀝干。

6）打漿：將瀝干后的山藥薄片放入打漿機中，按一定的物料固液比加入蒸餾水后打漿。

7）調配：將山藥漿液加入助干劑（β-環糊精）進行調配，并用玻璃棒攪拌均勻。

8）均質：調配后的山藥漿液在6 000 r/min 下均質10 min，至料液體系均勻穩定。

9）噴霧干燥：均質好的山藥漿液進行噴霧干燥試驗，固定進料流量15 mL/min。噴霧干燥后用密封包裝袋進行包裝，存放于干燥密封處。

1.3.3 噴霧干燥工藝單因素試驗

1.3.3.1 助干劑含量對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

以鮮山藥質量的2%、4%、6%、8%、10%分別添加助干劑于山藥漿液中進行調配，在進風溫度190 ℃，物料固液比 1 ∶1（g/mL），霧化器轉速 18 000 r/min 的條件下進行噴霧干燥，研究助干劑含量對山藥固體飲料的出粉率、水分含量、堆積密度、色澤和感官狀態的影響。

1.3.3.2 進風溫度對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

設置進風溫度分別為 160 、170、180、190、200 ℃，在物料固液比為1 ∶1（g/mL），助干劑含量為鮮山藥質量的8%，霧化器轉速18 000 r/min 的條件下進行噴霧干燥，研究進風溫度對山藥固體飲料的出粉率、水分含量、堆積密度、色澤和感官狀態的影響。

1.3.3.3 物料固液比對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

分別配制物料固液比 1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5（g/mL）的 5 種漿液，在進風溫度 190 ℃，助干劑含量為鮮山藥質量的8%，霧化器轉速18 000 r/min 的條件下進行噴霧干燥，研究物料固液比對山藥固體飲料的出粉率、水分含量、堆積密度、色澤和感官狀態的影響。

1.3.3.4 霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

設置霧化器轉速分別為17 000、18 000、19 000、20 000、21 000 r/min，按物料固液比為 1 ∶3（g/mL），進風溫度190 ℃，助干劑含量為鮮山藥質量的8 %的條件下進行噴霧干燥，研究霧化器轉速對山藥固體飲料的出粉率、水分含量、堆積密度、色澤和感官狀態的影響。

1.3.4 正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以助干劑含量、進風溫度、物料固液比、霧化器轉速4 個因素，以出粉率為指標設計正交試驗L9（34），確定山藥固體飲料噴霧干燥最優工藝條件，正交試驗因素水平見表1。

表1 山藥固體飲料噴霧干燥正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test of spray drying for yam solid beverage

1.4 指標測定

1.4.1 出粉率測定

參照任廣躍等[14]和陳啟聰等[15]的方法測定山藥固體飲料的出粉率，其計算公式為：

式中：M0為噴霧干燥后山藥固體飲料的質量，g；M1為噴霧干燥前鮮山藥的質量，g；M2為噴霧干燥前加入助干劑的質量，g。

1.4.2 堆積密度測定

堆積密度是指樣品容易散開程度，堆積密度越小越容易散開，顆粒抱團情況越小，樣品流動性越高，更易于溶解在水中[16-17]。將山藥固體飲料裝入25 mL 容量瓶中并振實，直至山藥固體飲料填充至容量瓶刻度。山藥固體飲料的堆積密度（d）計算公式如下：

式中：W0為容量瓶質量，g；W1為山藥固體飲料和容量瓶的總質量，g。

1.4.3 水分含量測定

取0.5 g～1.0 g 干燥后樣品放入快速PMB 水分分析儀中進行水分含量測定。

1.4.4 色澤測定

使用全自動色差計測定山藥固體飲料的色澤。采用 CIELAB 系統，L*為明度指數，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色[18]。

1.4.5 感官狀態

觀察噴霧干燥器噴粉后內壁是否有粘壁、糊焦，以及得到的山藥固體飲料是否有結塊現象，其中粘壁程度（輕→重）：幾乎無粘壁→較輕微粘壁→輕微粘壁→較重粘壁→嚴重粘壁。

1.5 數據處理

采用Excel 軟件進行數據的處理，Origin 2017 軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 助干劑含量對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

不同助干劑含量對山藥固體飲料出粉率及品質的影響分別見圖1 和表2。

圖1 助干劑含量對山藥固體飲料出粉率的影響Fig.1 Effect of drying aid content on the flour yield of yam solid beverage

由圖1 可知，山藥固體飲料的出粉率隨助干劑含量的增加而逐步上升，但助干劑添加量到達8%后，山藥固體飲料出粉率變化不大，助干劑含量為10%的出粉率相對于助干劑添加量8%的出粉率增長不明顯。這是因為助干劑能促進產品干燥；但當添加到一定量后促干效果不明顯，且過量時會影響產品風味及外觀品質等。

表2 助干劑含量對山藥固體飲料品質的影響Table 2 Effect of drying aid content on the quality of yam solid beverage

由表2 可以看出，助干劑含量對山藥固體飲料的堆積密度、水分含量和感官狀態的影響顯著，對L*值影響不顯著。隨助干劑含量的增大，堆積密度先降低后上升；水分含量逐漸降低，并趨于穩定；山藥固體飲料粘壁現象減輕。根據國家標準GB/T 29602-2013《固體飲料》規定，固體飲料水分含量應不高于7.0%[5]。綜上所述，助干劑添加量為8%，能達到加速干燥和防止粘壁的作用，且山藥固體飲料品出粉率高，品質好。

2.1.2 進風溫度對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

不同進風溫度對山藥固體飲料出粉率和品質的影響分別見圖2 和表3。

圖2 進風溫度對山藥固體飲料出粉率的影響Fig.2 Effect of inlet air temperature on the flour yield of yam solid beverage

由圖2 可知，當進風溫度在160 ℃～190 ℃時，山藥固體飲料出粉率隨進風溫度升高而增大，并在190 ℃時達到最大，隨后進風溫度升高，出粉率降低。這是因為進風溫度太低，不足以使全部液滴在干燥室內完全干燥，物料干燥不充分，出現粘壁現象，導致出粉率低[19]；而進風溫度過高時，料液中的糖類物質會發生焦糖化反應，產生熱熔掛壁的現象，出粉率降低，且產品有焦糊的現象而影響品質。

表3 進風溫度對山藥固體飲料品質的影響Table 3 Effect of inlet air temperature on the quality of yam solid beverage

由表3 可以看出，進風溫度越高，堆積密度越小，水分含量越少，山藥固體飲料的流動性越好。L*值隨進風溫度升高呈先升后降趨勢，190 ℃時達到最大值，說明此進風溫度下的山藥固體飲料色澤最好。因此，進風溫度太高會使山藥固體飲料的顏色泛黃甚至產生焦糊味，綜合考慮出粉率、堆積密度、水分含量、L*值和感官狀態，進風溫度控制在190 ℃為宜。

2.1.3 物料固液比對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

不同物料固液比對山藥固體飲料出粉率和品質的影響分別見圖3 和表4。

圖3 物料固液比對山藥固體飲料出粉率的影響Fig.3 Effect of material solid-liquid ratio on the flour yield of yam solid beverage

由圖3 可知，山藥固體飲料出粉率隨水體積增大呈先增后降趨勢，并在物料固液比為1 ∶3（g/mL）處達到最大。這是因為漿液太黏稠會不利于噴霧，漿液太稀意味著加水多，料液黏度降低，噴霧效果較好，但也會增加噴霧過程中水分蒸發量，增加干燥時間和生產成本[20]。當物料固液比為 1 ∶1（g/mL）～1 ∶3（g/mL）時，物料黏稠、不易流動性，且易堵塞噴嘴，噴粉效果較差。在物料固液比1 ∶3（g/mL）時，噴粉效果好、出粉率最高，達17.51%。

表4 物料固液比對山藥固體飲料品質的影響Table 4 Effect of material solid-liquid ratio on the quality of yam solid beverage

由表4 可知，物料固液比對山藥固體飲料的水分含量、色澤和感官狀態有影響，但對堆積密度的影響不大。當物料固液比為 1 ∶1（g/mL）～1 ∶2（g/mL）時，產品感官狀態較好，但L*值較低，山藥固體飲料顏色較暗；當物料固液比為1 ∶3（g/mL）時，產品堆積密度和水分含量均較低，L*值較高，粘壁現象輕微；當物料固液比 1 ∶4（g/mL）～1 ∶5（g/mL）時，因為料液中含水量大，粘壁現象逐漸加重，產品干燥不充分、含水量較大，影響保存期。綜合考慮，物料固液比選擇1 ∶3（g/mL）。

2.1.4 霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率及品質的影響

不同霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率和品質的影響分別見圖4 和表5。

圖4 霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率的影響Fig.4 Effect of atomizer speed on the flour yield of yam solid beverage

圖4 可以看出，霧化器轉速對山藥固體飲料出粉率影響較為顯著，隨著霧化器轉速的升高，山藥固體飲料出粉率呈先增加后降低，在霧化器轉速為19 000 r/min 時，出粉率最大，為16.76%。

表5 霧化器轉速對山藥固體飲料品質的影響Table 5 Effect of atomizer speed on the quality of yam solid beverage

由表5 可知，山藥固體飲料的堆積密度和水分含量隨著霧化器轉速的升高而降低；霧化器轉速對產品色澤L*值影響不大。這是由于霧化器轉速增大，物料霧化成的液滴尺寸變小，水分能更好的蒸發完全，干燥越充分，產品粘壁現象減輕。綜合考慮出粉率、堆積密度、水分含量、L*值和感官狀態，霧化器轉速選擇19 000 r/min。

2.2 正交試驗結果

根據單因素試驗結果基礎上，以助干劑含量、進風溫度、物料固液比、霧化器轉速4 個因素，以出粉率為評價指標，進行L9（34）正交試驗，正交試驗結果見表6。

表6 山藥固體飲料噴霧干燥正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal experiment

由表6 可以看出，影響山藥固體飲料出粉率的主次順序為：C＞D＞B＞A，即物料固液比＞霧化器轉速＞進風溫度＞助干劑含量。山藥固體飲料噴霧干燥最佳工藝條件為A2B1C3D3，即助干劑含量8%，進風溫度為180 ℃，物料固液比為 1 ∶4（g/mL），噴霧轉速為 20 000 r/min。由于正交試驗中未出現最優組合，因此對山藥固體飲料噴霧干燥最佳工藝條件進行3 次驗證試驗，結果取其平均值，得到山藥固體飲料平均出粉率為20.15%，高于正交試驗中各組合。所得到的山藥固體飲料呈白色，無結塊，口感佳，山藥氣味濃郁，堆積密度0.574 6 g/mL，水分含量4.89%，色澤L*值95.37。

3 結論

本試驗以新鮮山藥為原料，在單因素試驗的基礎上，通過正交試驗優化山藥固體飲料噴霧干燥的最佳工藝條件。結果表明，對山藥固體飲料出粉率影響的主次順序為：物料固液比（C）＞霧化器轉速（D）＞進風溫度（B）＞助干劑含量（A）；山藥固體飲料噴霧干燥的最佳工藝條件為：助干劑含量8%，進風溫度180 ℃，物料固液比 1 ∶4（g/mL），霧化器轉速 20 000 r/min，在該工藝條件下，山藥固體飲料出粉率為20.15%，堆積密度0.574 6 g/mL，水分含量4.89%，色澤L*值95.37，山藥固體飲料呈白色，質地光滑，山藥氣味濃郁。噴霧干燥制備的山藥固體飲料品質佳，且生產成本較低、效率高，具有廣闊的市場應用前景。