噴霧干燥速溶紅棗粉工藝優化及其沖調性分析

郭敏瑞，王元熠，陳國剛

（石河子大學食品學院，新疆石河子832000）

棗（Zizyphus jujuba Mill.）為鼠李科棗屬植物[1]，是傳統的營養滋補性果品[2]。有研究表明，棗含有豐富的糖類、維生素及 Ca、P、Fe 等礦質元素[3-6]，除上述常見的營養素外，還含有含量較少但具有很高生理活性的特殊的功能成份，如和環磷酸腺苷、環磷酸鳥苷、紅棗多糖、皂貳、黃酮、生物堿等[7]。同時棗還含有較高的藥用價值[8-9]，有著抗衰老[10]、增強免疫力[11]、抗疲勞[12]、保護肝臟[13]、降壓[14]等作用。因此，紅棗作為典型的藥食同源果品而深受人們喜愛。

中國作為紅棗的原產國和種植大國，在世界紅棗生產和貿易中占絕對主導地位[15]，而中國的紅棗種植主要分布在山西、河北、陜西、山東、河南及新疆[16]。其中新疆作為后起之秀，發展迅速，產量后來居上[17]，且因其得天獨厚的地理和氣候優勢造就了新疆紅棗良好的品質和口感[18]，使之深受廣大消費者的喜愛。截止2016 年，新疆紅棗種植面積約50.45 萬公頃，產量約300 多萬噸[19]。但紅棗的食用方式比較單一，干棗棗皮較硬，難咀嚼且不易消化，易潮易霉爛[20-21]，產品附加值較低，對紅棗營養價值利用率低。果蔬粉是目前一種良好的深加工產品[22-23]，可有充分有效的利用優質資源，擴寬和延長產業鏈。

本試驗以紅棗為原料，研究噴霧干燥條件對紅棗速溶粉分散性和潤濕性等單一指標的影響，并深入討論其交互關系，從整體角度研究噴霧干燥工藝對紅棗速溶粉的沖調性能的影響，進而對噴霧干燥工藝進行優化，為后期紅棗粉深加工產品的研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紅棗片：新疆石河子農貿市場；果膠酶（20 000 U/g）：河南祥瑞食品添加劑有限公司。

1.2 主要試驗儀器

HR-2872 型打漿機：珠海飛利浦家電有限公司；LPG-5 型離心式噴霧干燥機：常州市佳騰干燥制粒設備有限公司；BT-102S 型蠕動泵：濟南溫騰醫療器械有限公司；DF-101S 磁力加熱攪拌器：江蘇金怡儀器有限公司；HHS-2S 智能數顯恒溫水浴鍋：上海予卓儀器有限公司；FA-1004 分析天平：常州市幸運電子設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

原料→預煮、除糖→打漿→過濾→加酶→噴霧干燥→包裝

1.3.2 噴霧干燥工藝單因素試驗

在前期大量試驗的基礎之上，選擇噴霧效果較好的干燥參數點，進而以這些參數點為基礎上下浮動取點，通過單因素試驗，確認合適的干燥參數[24]。

1.3.2.1 噴霧進風溫度的確定

在進料流量1.5 L/h、霧化器轉速400 r/s、進料濃度20%的條件下，分別設置進風口溫度150、160、170、180、190 ℃進行噴霧干燥，考察噴霧干燥工藝的適應性，并測定紅棗粉的沖調特性。

1.3.2.2 進料流量的確定

在霧化器轉速400 r/s、進風溫度170 ℃、進料濃度20%的條件下，分別選擇進料流量0.9、1.2、1.5、1.8、2.1 L/h 進行噴霧干燥，考察噴霧干燥工藝的適應性，并測定紅棗粉的沖調特性。

1.3.2.3 霧化器轉速的確定

在進料流量1.5 L/h、進風溫度170 ℃、進料濃度20%的條件下，分別設定霧化器轉速200、300、400、500、600 r/s 進行噴霧干燥，考察噴霧干燥工藝的適應性，并測定紅棗粉的沖調特性。

1.3.3 響應面試驗設計

根據單因素試驗結果，設計三因素三水平響應面試驗對噴霧干燥工藝進行優化，因素及水平見表1。

表1 響應面試驗因素及水平設計Table 1 Factors and horizontal of response surface experimental design

1.3.4 速溶紅棗粉沖調特性的測定

由于紅棗粉溶解度差異不明顯，本研究以分散性、潤濕性為考察指標進行測定[25]。

1.3.4.1 分散性的測定

將盛有50 mL 去離子水的燒杯置于磁力攪拌器上（轉速500 r/min），準確稱取2 g 紅棗粉，均勻快速分散于水中，記錄粉體全部分散于水中所用的時間，即為分散時間，分散時間越短分散性越好。

1.3.4.2 潤濕性的測定

準確稱取2 g 紅棗粉，置于盛有50 mL 50 ℃去離子水的燒杯中，記錄粉體從進入燒杯到全部潤濕的時間，即為粉體的潤濕時間，潤濕時間越短越好。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 進風溫度對速溶紅棗粉沖調特性的影響

進風溫度對速溶紅棗粉沖調特性的影響見表2。

表2 進風溫度對速溶紅棗粉沖調特性的影響Table 2 Effect of air inlet temperature on reconstitution properties

由表2 可知，隨著進風溫度的升高，粉體顆粒的水分含量，顆粒大小、潤濕時間和分散時間均呈現先減小后增加的趨勢。這一現象是因為霧滴在干燥過程中分為兩個階段：降速干燥和等速干燥階段，進風溫度升高，干燥室溫度也隨之變高，物料更早進入降速干燥階段，干燥更加充分，水分含量及顆粒大小持續下降；當進風溫度過高時，紅棗粉中的糖析出融化，使粉體具有較大黏性，在碰撞過程中相互粘結，最終造成顆粒變大。因此，進風溫度的控制是噴霧干燥工藝的重要因素，過高或過低均會影響粉體的分散時間和潤濕時間，進而影響其沖調性。結果表明，當進風溫度為170 ℃時，所得粉體沖調特性最理想。

2.1.2 進料流量對速溶紅棗粉沖調特性的影響

進料流量對速溶紅棗粉沖調特性的影響見表3。

表3 進料流量對速溶紅棗粉沖調特性的影響Table 3 Effect of feed flow rate on reconstitution properties

由表3 可知，隨著進料流量的增加，所得粉體的水分含量、顆粒大小增加，潤濕時間逐漸延長，分散時間呈先減小后增大的趨勢。其原因是：進料流量過大時，物料干燥不完全，粉體的部分以黏流狀態粘結在一起，所以水分含量高，粉體顆粒變大。在較小流量條件下，獲得的粉體水分含量低，顆粒細小，使得粉體分散性和潤濕性并不好；在較大流量條件下，粉體水分含量高，易結塊，使得粉體分散性和潤濕性也并不理想。結果表明，在進料流量為1.5 L/h 時，速溶紅棗粉的潤濕性和分散性均較理想。

2.1.3 霧化器轉速對速溶紅棗粉沖調特性的影響

霧化器轉速對速溶紅棗粉沖調特性的影響見表4。

表4 霧化器轉速對速溶紅棗粉沖調特性的影響Table 4 Effect of atomizer speed on reconstitution properties

由表4 可知，隨著霧化器轉速的增加，水分含量呈下降趨勢，顆粒大小、分散時間、潤濕時間均呈先減后增的趨勢，其原因是：轉速越大，霧化效果越好，物料液滴越小，與熱風接觸面積更大，干燥更加充分，所以水分含量低，過高的轉速使液滴獲得過大動能，未充分干燥就與干燥室壁部發生撞擊，產生黏壁現象，同時也使得單個顆粒過小，相對受熱較大，部分粉體的糖析出融化，顆粒相互粘結形成更大顆粒，獲得粉體的分散性和潤濕性都較為不理想。試驗結果表明，霧化器轉速在400 r/s 時，速溶紅棗粉分散性和潤濕性較為理想。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計與結果及方差分析

在單因素試驗基礎上，選取對速溶紅棗粉速溶特性指標有顯著影響的進風溫度、霧化器轉速、進料流量3 個因素，采用響應面分析法對其進行優化，使用Design-expert V8.0.6 軟件進行試驗設計、數據分析與處理、模型建立，試驗方案及結果見表5。

表5 響應面試驗方案及結果Table 5 Experimental design and results of response surface

由逐步回歸分析結果得到速溶紅棗粉分散時間預測值對進風溫度、霧化器轉速、進料流量3 個因素的二元多項式回歸方程如下：

Y1=2.72-1.02A+0.69B-0.62C+1.71AB+1.18AC+0.57BC+2.21A2+0.86B2

分散時間為指標的響應面回歸模型方差分析結果見表6。

從表6 可知，建立的回歸模型顯著性檢驗結果中，A、B、C、AB、AC、A2、B2項的影響極顯著，BC 項的影響顯著，其余項則對速溶紅棗粉沖調特性無顯著影響。模型的逐步回歸分析表明，各因素的F 值可以反應出對試驗響應值的重要程度，F 值越大，說明影響程度越大，由各因素對響應值影響程度分析可得出影響速溶紅棗粉沖調特性的主次因素為：霧化器轉速＞進料流量＞進風溫度，說明各因素對速溶紅棗粉分散性的影響并非簡單地線性關系。此外，回歸模型的相關系數R2=0.973 6，模型 P 值＜0.000 1，失擬項 P 值=0.262 6＞0.05，說明失擬項差異不顯著，表明試驗設計可靠，試驗結果擬合狀況較好。

表6 分散時間為指標的響應面回歸模型方差分析結果Table 6 Analysis of variance for the regression model of dispersibility

由逐步回歸分析結果得到速溶紅棗粉分散時間預測值對進風溫度、霧化器轉速、進料流量3 個因素的二元多項式回歸方程如下：

Y2=4.29+0.72A+0.59B-0.73C+0.57BC+2.64A2+0.95B2+2.52C2

潤濕時間為指標的響應面回歸模型方差分析結果見表7。

表7 潤濕時間為指標的響應面回歸模型方差分析結果Table 7 Analysis of variance for the regression model of wettability

表7 中回歸模型P＜0.000 1，該模型極顯著；失擬項P=0.215 5＞0.05，說明失擬項差異不顯著，表明試驗設計可靠。同時模型的相關系數R2=0.980 6，說明回歸方程和試驗結果擬合狀況較好，可以較好地描述各因素和響應值之間的關系。從模型方差分析結果中可以看出 A、B、C、A2、B2、C2項的影響為極顯著，BC 項的影響顯著，其余項則對沉淀率無顯著影響。

2.2.2 各因素之間交互作用響應面分析

為了更直觀地反映響應因素對速溶紅棗粉分散性及潤濕性的影響，對方差分析影響顯著的各交互作用進行響應面分析，見圖1、圖2。

圖1 各因素交互作用對分散時間影響的響應面圖Fig.1 Response surface graph showing the effect of air inlet temperature and flow rate on wettability

圖2 進風溫度和進料流量交互作用對潤濕時間影響的響應面圖Fig.2 Response surface graph showing the effect of air inlet temperature and hot air flow rate on dispersibility

從圖1a 可以看出，當進風溫度為170 ℃不變時，速溶紅棗粉的分散時間隨著霧化器轉速的增加先減后增，當進料流量從1.2 L/h 增加到1.8 L/h 時，速溶紅棗粉的分散時間隨著進料流量的增加先減后增，響應面呈現的曲線弧度也比較明顯，因此AB 交互作用對復合紅棗粉的沉淀率有影響；圖1b 說明，當進料流量為1.5 L/h 不變時，速溶紅棗粉的分散時間隨著霧化器轉速的增加先減后增，當進風溫度從160 ℃增加到180 ℃時，速溶紅棗粉的分散時間隨著進風溫度的增加減小；圖1c 表明當霧化器轉速保持400 r/s 不變時，速溶紅棗粉的分散時間呈現一個明顯的凹面，速溶紅棗粉的分散時間隨著進料流量的增加先減后增，當進風溫度從160 ℃增加到180 ℃時，速溶紅棗粉的分散時間隨著進風溫度的增加減小。由曲面圖可以直觀地看出AB 交互作用比BC、AC 交互作用對速溶紅棗粉的分散時間的影響大。

由圖2 可知速溶紅棗粉的潤濕時間響應面呈現一個較均勻的凹面，速溶紅棗粉的潤濕時間隨著進風溫度和進料流量的增加先減后增，說明BC 的交互作用對速溶紅棗粉的潤濕時間影響大，而AB、AC 兩項的交互作用對速溶紅棗粉的潤濕時間影響沒有顯著影響。

2.3 最佳噴霧干燥條件的確定及驗證試驗

根據速溶紅棗粉潤濕性和分散性模型的二次回歸方程，利用Design-expert V8.0.6 軟件對噴霧干燥速溶紅棗粉工藝條件進行優化，得最優參數為進風溫度173.79 ℃、進料流量1.34 L/h、霧化器轉速408.53 r/s，得到其分散時間預測值為2.14 s，潤濕時間預測值為4.29 s。結合優化分析參數，選擇進風溫度170 ℃、進料流量1.3 L/h、霧化器轉速400 r/s 進行噴霧干燥，此條件下制備的速溶紅棗粉潤濕時間為3.86 s，分散時間為2.27 s，與預測值接近，表明該工藝參數可靠。

3 結論

通過對各因素對響應值的影響程度分析，得到對速溶紅棗粉的沖調特性影響程度從大到小的因素依次為：霧化器轉速、進料流量、進風溫度。利用響應面法對速溶紅棗粉加工參數進行優化，實際操作選擇進風溫度170 ℃、進料流量1.3 L/h、霧化器轉速400 r/s為噴霧干燥制備速溶紅棗粉的最優參數。采用上述參數重新制作速溶紅棗粉樣品進行試驗，實際測得潤濕時間為3.86 s，分散時間為2.27 s，與預測值接近，表明采用該工藝參數可靠。