馬鈴薯雪花全粉真空冷凍干燥制備工藝及其性質

薛海，賀陽，孟祥敏，文連奎*

1. 吉林農業大學（長春 130000）；2. 和龍市扶貧辦（和龍 133500）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.），屬茄科草本植物，新鮮馬鈴薯中含9%～20%淀粉，是一種非常重要的全球化糧食作物[1]。馬鈴薯雪花全粉是以新鮮馬鈴薯為原料，經清洗、去皮、切片、預煮、冷卻、蒸煮、搗泥等工藝過程，經脫水干燥而得到的片屑狀或細粉末狀產品[2]。但傳統的熱風和滾筒干燥方式常會使雪花全粉脫水時經過劇烈的熱處理，有很高的糊化度，長時間加熱會導致馬鈴薯淀粉晶體結構改變，干燥后復水性較差。

真空冷凍干燥是將物料中的水分先凍結成固態，在水的三相點壓力下使冰升華成氣態，而物質本身保留在凍結的冰架中，從而達到干燥目的[3]。凍干后物料體積幾乎不變，保持原來結構，且疏松多孔，復水性好[4]。

試驗采用響應面優化馬鈴薯雪花全粉真空冷凍干燥工藝，并對真空冷凍干燥與熱風干燥馬鈴薯雪花全粉進行電鏡掃描、X射線衍射、熱特性和復水性分析，為真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的制備工藝及品質研究及即食馬鈴薯泥等產品開發提供理論依據，并推動中國“馬鈴薯主食化”戰略。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

馬鈴薯（壩薯9號）；馬鈴薯淀粉（內蒙古華歐淀粉工業股份有限公司）。

電子天平（上海精密儀器儀表有限公司）；LG 0.2真空冷凍干燥機（沈陽航天新陽凍干有限公司）；高速粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）；多功能高速離心機（上海天美生化儀器設備工程有限公司）；ASX廣角X射線衍射儀（德國BRUKER公司）；XL-30掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）；Q 2000差式熱量掃描儀（美國TA公司）；DGG-9003臺式電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝流程

挑選質地較好的馬鈴薯，將凍傷、發芽、腐爛部位剔除。用清水將馬鈴薯清洗，清洗后將馬鈴薯去皮。將馬鈴薯切成厚度為0.5 cm的片狀，放置到蒸鍋中蒸煮。將熟制的土豆放置斬拌機中制成質地均勻泥狀。將預處理好的馬鈴薯泥以一定厚度均勻平鋪在凍干盤中，并放入預凍藏內預凍12 h，將預凍好的原料放入真空冷凍干燥機中進行凍干[5]。

1.2.2 熱風干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝流程

預處理同真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉制備工藝，將預處理好的馬鈴薯泥采用鼓風干燥箱進行熱風干燥，溫度80 ℃左右，持續時間8 h[6]。

1.2.3 響應面法優化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉工藝

根據預試驗結果，對升華干燥真空度A（Pa）、升華干燥溫度B（℃）、解析干燥真空度C（Pa）、解析干燥溫度為D（℃）、裝料量E（kg/m2）5個因素進行Box-Behnken Design優化設計，由于真空冷凍干燥時間長、功耗大，縮短干燥時間可以減少耗能、降低成本，因此選取凍干速率Y為響應值，評價5個因素對凍干速率的影響，試驗設計見表1。

1.2.4 凍干速率的計算

按式（1）計算凍干速率[7]。

式中：F為凍干速率，%/h；M1為凍干前原料質量，g；M2為凍干后原料質量，g；t為總凍干時間，h。

1.2.5 顯微結構掃描電子顯微鏡分析

取適量真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉樣品于導電膠上，并固定在樣品臺上，置于真空鍍金儀中鍍金（10 mA，10 s），利用XL-30掃描電鏡（FEI公司，美國）對真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒形貌進行觀察。測定條件：工作電壓5 kV，分別放大100倍及1 000倍進行觀察[8]。

1.2.6 X射線衍射分析

取適量真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉樣品置于樣品架上，通過利用D8 X-射線衍射儀（ASX，布魯克，德國）對真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉的晶體結構進行測定。

檢測條件為：管壓40 kV，電流40 mA，測量角度2θ=4°～60°，步長0.05°，掃描速度2°/min[9]。

式中：Dc為結晶區比例，%；Ac為結晶區；Aa為非結晶區。

1.2.7 熱特性分析

精準稱取3.00±0.02 mg真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉樣品置于鋁坩堝中，加入7 μL去離子水，攪拌均勻，用鋁制坩堝蓋密封，室溫平衡2 h。將鋁制坩堝置于Q 2000差示量熱掃描儀（TA公司，美國），對真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉的熱特性進行測定。檢測條件為：起始溫度20 ℃，終止溫度120 ℃，升溫速率5 ℃/min，用電腦記錄DSC走勢曲線。每個樣品做3次平行試驗，取3次結果平均值，并記錄相變起始溫度T0，峰值溫度Tp，終止溫度Tc和焓變ΔH[10]。

1.2.8 復水性的測定

取1 g真空冷凍干燥和熱風干燥馬鈴薯雪花全粉于50 mL的離心管，加入20 mL蒸餾水，室溫靜置1 h，以4 500 r/min離心25 min，稱取離心沉淀物的質量即為復水后的質量，按式（3）計算復水率[11]。

式中：R為復水率，%；M1為復水前樣品質量，g；M2為復水后樣品質量，g。

2 結果與分析

2.1 響應面法優化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉工藝

Box-Behnken優化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉試驗設計及試驗結果見表1。利用Design-Expert軟件擬合分析，得出凍干速率Y的方程模型：Y=11.18+0.51A+0.55B+0.15C+0.46D+0.63E+0.027AB-0.53AC-0.075AD-0.70AE-0.47BC+0.045BD-0.36BE+0.023CD+0.15CE-0.46DE-1.51A2-1.35B2-1.42C2-1.38D2-0.86E2。

表1 Box-Behnken設計方案及試驗結果

接表1

通過Design-Expert軟件對回歸方程求解，得出真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的最佳工藝為：升華干燥真空度101.35 Pa、升華干燥溫度76.05 ℃、解析干燥真空度70.24 Pa、解析干燥溫度45.43 ℃、裝料量7.62 kg/m2，此時凍干速率的理論值為11.359%/h。根據實際條件，調整參數為：升華干燥真空度100 Pa、升華干燥溫度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥溫度45 ℃、裝料量7.5 kg/m2，進行3次驗證試驗。此時測定凍干速率為11.262%/h±0.172%/h，與理論值11.359%/h誤差為0.9%，說明響應面優化工藝準確可靠，具有實際應用價值。

對該模型進行方差分析，結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗方差分析

采用響應面優化真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的凍干工藝，模型極顯著（p＜0.01），失擬項不顯著（p≥0.05），回歸顯著。模型中一次項A、B、D、E極顯著，C顯著；二次項A2、B2、C2、D2、E2極顯著；交互項AC、AE、BC、BE、DE極顯著，CE顯著，其余不顯著。各因素對凍干速率的影響次序：E＞B＞A＞D＞C。決定系數R2=0.976 6，預測R2=0.909 9，調整R2=0.957 9，表明該模型擬合程度良好，可用來指導真空冷凍干燥法制備馬鈴薯雪花全粉。

2.2 電鏡掃描結果分析

Oikonomopoulo等[12]研究表明，食品的干燥會導致食品的形貌和物理性質發生顯著變化，對微觀結構的觀察可以說明干燥食品品質。通過掃描電子顯微鏡觀察馬鈴薯雪花全粉顆粒的結構，圖1（a）和（b）可以看出，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒與熱風干燥馬鈴薯雪花全粉均顆粒完整，且呈不規則形多角形結構。但真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的粒徑范圍約123～147 μ m，熱風干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的粒徑范圍約102～218 μ m，說明真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒均一[13]。圖1（c）和（d）可以看出，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒與熱風干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒的表面均因失水收縮，但真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒表面相對于熱風干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒表面收縮較為規整、均一，且形成的皺褶較小，表面比熱風干燥處理的樣品細膩。真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的顆粒均勻，表面褶皺小是因為在凍干過程中馬鈴薯泥的水分是在凍結下直接升華，馬鈴薯可溶性物質不向物料表面轉移，物料表面無沉積鹽類，物料表面不會形成硬質薄皮，凍干產品形態完整，有利于復水，這一結論與Zhang等[14]的報道類似。

2.3 X射線衍射結果分析

通過真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉及熱風干燥馬鈴薯全粉的X射線掃描光譜圖（圖2）及數據可以看出，2θ衍射角度分別在17.093°、21.805°、24.064°和17.289°、22.192°、23.877°處出現衍射峰，馬鈴薯雪花全粉屬于B型淀粉（B型淀粉衍射角為17.2°、22.2°、24°），這與Xu等[15]研究結果一致。2種處理方法沒有改變馬鈴薯淀粉的晶型，但真空冷凍干燥處理的馬鈴薯雪花全粉的衍射強度要高于熱風干燥的馬鈴薯雪花全粉，凍干馬鈴薯雪花全粉的相對結晶度為21.79%高于熱風干燥的相對結晶度（16.04%）（表3）。Ye等[16]在研究膳食纖維時表明結晶度是判斷食品熱特性的一個重要因素，結晶度與熱特性成正相關，真空冷凍干燥處理的馬鈴薯雪花全粉具有較高的熱穩定性。這可能是由于在熱風干燥過程中的熱效應使得淀粉分子和水分子之間發生振蕩，而真空冷凍干的干燥方式對淀粉分子的影響相對較小。這與徐忠等[17]研究馬鈴薯雪花全粉的X射線衍射結果一致。

圖1 真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉和熱風干燥馬鈴薯全粉電鏡圖片

圖2 X射線掃描光譜圖

表3 X射線數據

2.4 熱特性結果分析

采用差式熱量掃描儀對真空冷凍干燥、熱風干燥馬鈴薯雪花全粉進行熱特性分析，熱力學性質參數見表4。糊化是指在淀粉受熱后，在一定溫度范圍內，淀粉顆粒溶脹、崩潰，并且結晶結構消失的過程。Karlsson[18]研究表明，在淀粉糊化過程中，ΔH可以直觀反應淀粉顆粒的有序性和結晶度。牛晴[10]在研究淀粉的回生機制中指出，淀粉在糊化過程中需要吸收熱量，ΔH越高，結晶度越高，說明糊化所需要的熱量越多，說明穩定性好，結晶度較高。

從表4可知，真空冷凍干燥馬鈴薯全粉的熱焓值要明顯高于熱風干燥馬鈴薯全粉（p＜0.05），這是由于在全粉干燥的過程中，真空冷凍干燥過程中的熱量作用于冰的升華，并非直接作用于物料；熱風干燥制備的馬鈴薯全粉，由于長時間直接加熱導致淀粉糊化度高，失去結晶結構。這與唐小閑等[19]研究蓮藕淀粉不同干燥方式對其影響的結果類似。

表4 馬鈴薯全粉的熱特性

2.5 復水性測定結果分析

真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉的復水性顯著高于熱風干燥馬鈴薯雪華全粉（圖3）。這一結果在掃描電鏡圖中很好體現，真空冷凍干燥工藝制備的馬鈴薯雪花全粉顆粒小而均一，表面平整褶皺小，復水時與水接觸面積較大，可吸納更多水分，具有比烘干粉更好的復水性。熱風干燥馬鈴薯雪花全粉在干燥過程中，大量熱使細胞組織結構嚴重破壞，整個組織呈緊密狀態，接觸面積減小，因此熱風干燥馬鈴薯全粉的復水性較差[20]。

圖3 馬鈴薯全粉復水性

3 結論與討論

真空冷凍干燥馬鈴薯全粉的最佳工藝條件為：升華干燥真空度100 Pa、升華干燥溫度76 ℃、解析干燥真空度70 Pa、解析干燥溫度45 ℃、裝料量7.5 kg/m2、凍干速率11.362 3%/h。掃描電子顯微鏡觀察真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉顆粒較均一，表面褶皺較小；X射線衍射結果表明，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉可保留較高結晶度，減少結構破壞；熱特性結果表明真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉在糊化過程中焓值較高，熱穩定性較好，糊化度低于熱風干燥馬鈴薯雪花全粉；真空冷凍干燥制備馬鈴薯雪花全粉復水性好于熱風干燥馬鈴薯雪花全粉。因此，真空冷凍干燥馬鈴薯雪花全粉品質優于熱風干燥馬鈴薯雪花全粉。真空冷凍干燥工藝可有效提升馬鈴薯雪花全粉的品質，具有廣闊的應用前景。試驗積極響應農業部提出的“馬鈴薯主食化”戰略。真空冷凍干燥過程中，預凍對馬鈴薯凍干速率的影響、真空冷凍干燥與熱風干燥對馬鈴薯的營養成分影響等尚有待深入研究。