正交試驗優化噴霧干燥工藝制備香菇粉

李雙，趙赟，陳志周，孫劍鋒，劉亞瓊，莊夢晴，牟建樓*

(1.河北農業大學 食品學院，河北 保定 071000；2.邯鄲職業技術學院 食品與生物工程系，河北 邯鄲 056000)

香菇是食藥兩用菌，有“山珍”的美譽，在中國的產量居世界前列[1]。香菇營養豐富，蛋白質含量高，氨基酸種類齊全，并且鮮味氨基酸含量占氨基酸總量的40%以上[2]，此外，香菇精、香菇醇等芳香物質賦予香菇獨特的風味，其還富含香菇多糖等活性成分[3]。鮮香菇質地細嫩，水分含量多，容易產生開傘、菌褶褐變、菇體萎縮等，不利于長期保存[4]。因此，對香菇進行干制，延長其貯藏期非常重要，目前市場所見香菇干制品為烘干或者自然晾干的香菇。

噴霧干燥是將原料液分散成霧滴，并與熱空氣接觸，進行傳熱、傳質獲得粉狀產品的一種加工過程[5]。噴霧干燥過程物料受熱時間短、料溫低，物料的營養與風味能得到較好的保留，得到的產品粒度小而均勻，分散性和溶解性較好[6-8]。

噴霧干燥已經廣泛應用于奶粉加工，目前已有關于噴霧干燥制備谷物、果蔬粉以及調味品等的報道[9-15], 但對于噴霧干燥香菇粉的報道較少，因而本研究以干香菇為原料，研究噴霧干燥工藝條件對集粉率、香菇粉持水力和持油率的影響，優化噴霧干燥參數，為噴霧干燥法制備香菇粉提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

干香菇：購于保定市超市；麥芽糊精：食用級，市售。

1.2 試驗設備及器材

SD-1000噴霧干燥機 日本東京理化株式會社；PAL-α手持式數字折光儀 日本ATAGO；不銹鋼立式膠體磨 廣州晉豐輕工機械設備有限公司；Neofuge15R高速冷凍離心機 上海力申科學儀器有限公司。

1.3 工藝流程

原料→除去菌柄→清洗→浸泡→水煮→切丁→打漿→過濾→磨漿→添加麥芽糊精→噴霧干燥→香菇粉。

1.4 試驗方法

1.4.1 單因素試驗設計

分別研究進風溫度(160，170，180，190，200 ℃)、輸液泵轉速(45，50，55，60，65 r/min)、熱空氣流量(0.08，0.13，0.18，0.23，0.28 m3/min)、麥芽糊精添加量(30%、40%、50%、60%、70%、按照香菇漿液可溶性固形物計算)對噴霧干燥出粉率的影響。以出粉率為指標，試驗重復3次，互為對照。

1.4.2 正交試驗設計

根據單因素試驗結果，選擇進風溫度、熱空氣流量、輸液泵轉速、麥芽糊精添加量進行四因素三水平正交試驗，以出粉率、持水力、持油力作為評價指標。正交試驗因素水平表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal test factors and levels

1.5 試驗結果測定方法

1.5.1 出粉率

出粉率(%)=(收集的香菇粉重量/漿料中可溶性固形物含量)×100。

1.5.2 持水力和持油力

參照楊德等的方法進行測定[16]。

1.6 數據統計分析方法

采用SPSS 20.0統計軟件進行數據統計學分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 進風溫度對香菇出粉率的影響

進風溫度對香菇出粉率的影響見圖1。

圖1 進風溫度對香菇出粉率的影響Fig.1 Effect of inlet air temperature on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由圖1可知，香菇粉的出粉率隨著溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢。經方差分析，差異顯著性水平=0.004(p<0.01)，表明進風溫度對香菇出粉率影響極顯著，確定進風的適宜溫度為190 ℃。

在160，170 ℃時，溫度較低，漿料在干燥機內沒有進行充分干燥，導致香菇粉粘壁嚴重，從而使噴霧干燥得到的香菇粉較少。隨著溫度的升高，漿料在干燥機內逐漸充分干燥，從而使得出粉率升高。在溫度為190 ℃時，出粉率最高；高于190 ℃后，漿料表層的水分蒸發很快，在表面形成硬殼，從而阻截了漿料內部水分的蒸發和擴散，從而使得內部的水分含量增加，內部壓力也會增大，導致粉粒裂開，水分向外擴散，使得粉粒變潮，粉粒遇到干燥機的內壁會粘附在上面，形成粘壁現象，由于溫度再次升高，粘附在干燥機內壁的粉粒甚至會出現焦糊現象，導致出粉率降低。

2.1.2 輸液泵轉速對香菇出粉率的影響

輸液泵轉速對香菇出粉率的影響見圖2。

圖2 輸液泵轉速對香菇出粉率的影響Fig.2 Effect of infusion pump rotating speed on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由圖2可知，香菇粉的出粉率隨著輸液泵轉速的升高呈現先升高后降低的趨勢。經方差分析，差異顯著性水平顯著性=0.007(p<0.01)，表明輸液泵轉速對香菇出粉率影響極顯著，確定輸液泵的適宜轉速為55 r/min。

輸液泵轉速較低時，進入噴霧干燥機的漿料速度較小。在輸液泵轉速為55 r/min時，出粉率最高。隨著輸液泵轉速的增加，即進料流量增加，料液被霧化的霧滴的體積增大，然而噴霧干燥機供應的熱量一定，有很多霧滴沒有被完全干燥，水分蒸發也不完全。嚴重時漿料不能形成霧滴，水分只有一小部分被蒸發，漿液直接被“吹”至壁的表面，從而出現粘壁的現象。另外，進料流量的增加會引起霧滴的變大，噴霧干燥所需的時越多，粘壁現象更容易發生。以上兩個方面對于出粉率下降有很大的影響。

2.1.3 熱空氣流量對香菇出粉率的影響

熱空氣流量對香菇出粉率的影響見圖3。

圖3 熱空氣流量對香菇出粉率的影響Fig.3 Effect of hot air flow on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由圖3可知，香菇粉的出粉率隨著熱空氣流量的升高呈現先升高后降低的趨勢。經方差分析，差異顯著性水平顯著性=0.002(p<0.01)，表明熱空氣流量對香菇出粉率影響極顯著，確定熱空氣的適宜流量為0.18 m3/min。

當熱空氣流量為0.08 m3/min時，霧滴形成不充分，嚴重時有粘壁的現象，導致出粉率較低。當熱空氣流量逐漸增加時，漿料逐漸能夠充分形成霧滴，粘壁情況有所減輕。當熱空氣流量為0.18 m3/min時，出粉率最高。當進風量太高時，液滴可能隨著熱空氣粘附在干燥機壁上，隨尾氣流出的香菇粉增多，從而使得產品的出粉率顯著減小。

2.1.4 麥芽糊精添加量對香菇出粉率的影響

麥芽糊精添加量對香菇出粉率的影響見圖4。

圖4 麥芽糊精添加量對香菇出粉率的影響Fig.4 Effect of the additive amount of maltodextrin on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由圖4可知，香菇粉的出粉率隨著麥芽糊精添加量的升高而呈現升高的趨勢。經方差分析，差異顯著性水平顯著性=0.003(p<0.01)，表明麥芽糊精的添加量對香菇出粉率影響極顯著，并且通過SPSS軟件對數據進行分析，麥芽糊精的添加量在50%、60%、70%時，出粉率的差異不顯著。麥芽糊精是噴霧干燥中常用的，麥芽糊精的添加能夠降低物料的粘壁現象，從而提高出粉率。但是隨著麥芽糊精添加量的增多，噴霧干燥香菇粉中香菇成分所占比例會降低，香菇粉的顏色也隨之變淺。綜合考慮以上兩個方面，確定麥芽糊精的適宜添加量為50%。

2.2 正交試驗數據分析

香菇粉噴霧干燥正交試驗的極差分析結果見表2～表4，正交試驗方差分析結果見表5。

2.2.1 極差分析

2.2.1.1 噴霧干燥條件對出粉率的影響

表2 香菇粉噴霧干燥正交試驗出粉率結果表Table 2 Powder extraction rate results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

由表2可知，進風溫度、輸液泵轉速、熱空氣流量、麥芽糊精添加量對出粉率的影響大小不同，依次為C>A>D>B，即熱空氣流量>進風溫度>麥芽糊精添加量>輸液泵轉速，出粉率較高的工藝參數為A2B2C3D1，即進風溫度190 ℃、輸液泵轉速55 r/min、熱空氣流量0.23 m3/min、麥芽糊精的添加量40%。

2.2.1.2 噴霧干燥條件對持水力的影響

表3 香菇粉噴霧干燥正交試驗持水力結果表Table 3 Water-holding capacity results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

續 表

由表3可知，進風溫度、輸液泵轉速、熱空氣流量、麥芽糊精添加量對持水力的影響大小不同，依次為A>B>C>D，即進風溫度>輸液泵轉速>熱空氣流量>麥芽糊精添加量，出粉率較高的工藝參數為A3B3C3D2，即進風溫度200 ℃、輸液泵轉速60 r/min、熱空氣流量0.23 m3/min、麥芽糊精添加量50%。

2.2.1.3 噴霧干燥條件對持油力的影響

表4 香菇粉噴霧干燥正交試驗持油力結果表Table 4 Oil holding capacity results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

由表4可知，進風溫度、輸液泵轉速、熱空氣流量、麥芽糊精添加量對持油力的影響大小不同，依次為A>D>C>B，即進風溫度>麥芽糊精添加量>熱空氣流量>輸液泵轉速，出粉率較高的工藝參數為A2B1C3D2，即進風溫度190 ℃、輸液泵轉速50 r/min、熱空氣流量0.23 m3/min、麥芽糊精添加量50%。

2.2.2 方差分析

表5 正交試驗方差分析表Table 5 Variance analysis of orthogonal test

由表5可知，進風溫度對出粉率、持水力、持油力影響均極顯著。對進風溫度而言，出粉率最高時為190 ℃，持水力最高時為200 ℃，持油力最高時為190 ℃，若3個指標統一選擇190 ℃，則持水力減少7.04%。若3個指標統一選擇200 ℃，則出粉率減少7.06%，持油力減少7.21%。考慮生產成本，最終選擇最適宜進風溫度為190 ℃。

輸液泵轉速對出粉率的影響不顯著，對持水力、持油力的影響均極顯著。對輸液泵轉速而言，出粉率最高時為50 r/min，持水力最高時為55 r/min，持油力最高時為45 r/min，由SPSS軟件分析，B2、B3條件下持水力無顯著差異，B2、B1條件下持油力無顯著差異，考慮生產成本，最終選擇最適宜輸液泵轉速為50 r/min。

熱空氣流量對出粉率、持水力、持油力的影響均極顯著。對熱空氣流量而言，出粉率、持水力、持油力最高時均為0.23 m3/min，最終選擇最適宜熱空氣流量為0.23 m3/min。

麥芽糊精的添加量對出粉率、持水力和持油力的影響均極顯著。對麥芽糊精的添加量而言，出粉率最高時為40%，持水力最高時為50%，持油力最高時為50%，由SPSS軟件分析，D1、D2條件下出粉率無顯著差異。若3個指標統一選擇添加量40%，則持水力減少2.14%，持油力減少7.56%。若3個指標統一選擇添加量50%，則出粉率減少0.73%。綜合考慮，最終選擇最適宜麥芽糊精的添加量為50%。

2.3 驗證試驗

綜合極差分析和方差分析，最優工藝參數為A2B2C3D2，即進風溫度190 ℃、輸液泵轉速55 r/min、熱空氣流量0.23 m3/min、麥芽糊精添加量50%時。以此參數進行驗證試驗，得到的出粉率為37.65%，持水力為232.83 g/100 g，持油力為189.58 g/100 g。試驗數據均優于正交試驗數據。

3 結論

通過單因素試驗以及正交試驗，基本確定了香菇粉加工工藝參數的最優組合，對食品加工過程具有一定的參考作用。根據單因素試驗和正交試驗結果顯示：對出粉率、持水力、持油力3個評價指標而言，綜合考慮，當工藝參數為進風溫度190 ℃、輸液泵轉速55 r/min、熱空氣流量0.23 m3/min、麥芽糊精的添加量為50%時，香菇粉的綜合品質均為最優。