速溶燕麥粉的制備工藝

李淑娟，曾萍，沈起兵，劉同方，陳軍麗，于燕波*

1. 深圳市綠航星際太空科技研究院（深圳 518117）；2. 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心航天營(yíng)養(yǎng)與食品工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京 100094）

《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2015）》指出，我國(guó)慢性疾病面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，不健康飲食是慢性疾病發(fā)生、發(fā)展的主要危險(xiǎn)因素之一。全麥谷物被美國(guó)、澳大利亞、加拿大、墨西哥以及南美洲等國(guó)家的膳食指南和營(yíng)養(yǎng)政策認(rèn)為是健康生活方式的重要飲食組成成分[1]。燕麥屬于全麥谷物，富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸和維生素等，具有幫助消化[2-3]、抗癌[4-5]、防止心血管疾病發(fā)生[6]、輔助降血糖[7-9]等功效。但是，一直以來(lái)人們?yōu)榱俗非罂诟刑嵘粩喟l(fā)展糧食加工的精細(xì)化技術(shù)。精加工后的谷物，盡管適口性好，但精加工過(guò)程損失了大量的營(yíng)養(yǎng)因子，其營(yíng)養(yǎng)功效大打折扣。

盡管全谷物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值已被廣大消費(fèi)者認(rèn)可，但由于現(xiàn)有的全谷物食品存在食用難、口感差、產(chǎn)品加工性能差等問(wèn)題，我國(guó)全谷物食品的研發(fā)面臨著一系列亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。現(xiàn)有谷物加工的一大痛點(diǎn)是粉碎問(wèn)題，沈連紅[10]公開(kāi)了一種基于高壓均質(zhì)的高壓微射流超微粉碎技術(shù)。高壓微射流超微粉碎系統(tǒng)是將高壓設(shè)備和微通道反應(yīng)器裝置聯(lián)用，巧妙設(shè)計(jì)微通道得到。工作時(shí)，高壓泵對(duì)固液混合流體進(jìn)行加壓，通過(guò)調(diào)壓裝置使物料在特定壓力下導(dǎo)入微通道射流粉碎系統(tǒng)，物料流體發(fā)生多次靶板式射流粉碎和對(duì)撞式射流粉碎，在高速剪切效應(yīng)、高壓射流對(duì)沖撞擊能量、流道瞬時(shí)壓降產(chǎn)生的空穴效應(yīng)三重作用下，實(shí)現(xiàn)高效粉碎，該粉碎技術(shù)在谷物加工方面還未得到應(yīng)用。此次試驗(yàn)基于“全谷物”概念，將燕麥粉用α-淀粉酶酶解，經(jīng)高壓微射流粉碎后進(jìn)行噴霧干燥，得到方便食用、營(yíng)養(yǎng)全面、品質(zhì)穩(wěn)定、風(fēng)味口感優(yōu)良的速溶燕麥粉，研究結(jié)果為全谷物燕麥?zhǔn)称饭I(yè)化提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

生燕麥粉，澳麥，市售，粒徑0.180 mm；α-淀粉酶，丹麥Danisco公司，活力26 000 U/g。

1.2 儀器與設(shè)備

水浴鍋，常州朗越儀器制造有限公司；膠體磨，深圳市雷通實(shí)業(yè)有限公司；高壓均質(zhì)機(jī)，上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司；高壓射流納微粉碎系統(tǒng)，理星（天津）生物科技有限公司；實(shí)驗(yàn)室噴霧造粒機(jī)，上海雅程儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

工藝流程1：生燕麥粉→酶解→噴霧干燥→收料→分析。

工藝流程2：生燕麥粉→酶解→膠體磨初磨→高壓均質(zhì)→高壓微射流粉碎→噴霧干燥→收料→分析。

1.3.2 酶解方法

將840 mL軟化水水浴加熱至30 ℃，加入一定量的酶，攪拌均勻；邊攪拌邊加入360 g生燕麥粉，使生燕麥粉充分分散在水中，升溫至酶解溫度進(jìn)行酶解，酶解完成后，升溫至90 ℃保持10 min滅酶。考察不同酶量、酶解溫度、酶解時(shí)間對(duì)酶解燕麥漿感官品質(zhì)的影響。

1.3.3 噴霧干燥工藝單因素試驗(yàn)

采用1.3.1中的工藝流程1，將酶解燕麥漿進(jìn)行噴霧干燥制粉，以產(chǎn)品得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依次進(jìn)行樣品濃度、噴霧溫度、噴霧速度的單因素試驗(yàn)。

1.3.4 噴霧干燥工藝響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)試驗(yàn)，運(yùn)用Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)，選擇對(duì)燕麥粉產(chǎn)品得率有影響的3個(gè)因素（樣品濃度、噴霧溫度、噴霧速度）及各個(gè)因素的影響范圍，采用三因素三水平設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程采用1.3.1中的工藝流程1進(jìn)行。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行多元回歸及方差分析。

1.3.6 燕麥漿感官品質(zhì)評(píng)價(jià)

由7名人員組成感官評(píng)價(jià)小組，對(duì)燕麥漿的色澤、滋味、氣味作評(píng)價(jià)，每項(xiàng)滿分5分，總分為15分。具體打分項(xiàng)目及其標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[11]

1.3.7 燕麥粉產(chǎn)品得率

式中：Y為產(chǎn)品得率，%；m為噴霧干燥后燕麥粉產(chǎn)品質(zhì)量，g；m0為生燕麥粉質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶解條件對(duì)燕麥漿感官品質(zhì)的影響

酶解燕麥，一方面可使燕麥漿黏度降低，方便生產(chǎn)操作；另一方面，酶解后的燕麥更利于人體對(duì)燕麥營(yíng)養(yǎng)的吸收和利用[12]。由表3可知，酶解最優(yōu)條件為酶添加量42 U/g，酶解溫度60 ℃，酶解時(shí)間30 min。得到的燕麥漿色澤偏黃色，甜味適宜，滋味愉悅，口感醇厚。

表3 燕麥漿感官評(píng)分結(jié)果

2.2 噴霧干燥工藝單因素分析

2.2.1 樣品濃度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

由圖1可知，隨著樣品濃度的增大，燕麥粉得率起初變化較小，之后急劇降低，當(dāng)樣品濃度為24%時(shí)，產(chǎn)品得率達(dá)到39.76%，樣品濃度繼續(xù)降低后，產(chǎn)品得率基本維持不變。這是因?yàn)闃悠窛舛仍叫。馕吨鴺悠返哪甓仍叫。接欣趪婌F干燥得到產(chǎn)品，當(dāng)黏度小到一定程度時(shí)，其對(duì)噴霧干燥工藝的優(yōu)化作用甚微。

圖1 樣品濃度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

2.2.2 噴霧溫度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

由圖2可知，噴霧溫度的最佳范圍在90～110 ℃之間，當(dāng)噴霧溫度為100 ℃時(shí)，燕麥粉產(chǎn)品得率可達(dá)43.53%。其原因是較低的溫度起不到干燥的作用，燕麥粉易沉降在釜壁上，較高的溫度使酶解燕麥漿中的糖份融化，產(chǎn)生黏性，易粘結(jié)在釜壁上。因此，較低或較高的溫度均不利于酶解燕麥漿噴霧干燥工藝的優(yōu)化。

圖2 噴霧溫度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

2.2.3 進(jìn)樣速度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

由圖3可知，噴霧速度顯著影響燕麥粉的得率，當(dāng)蠕動(dòng)泵速度為10 r/min時(shí)，產(chǎn)品得率為38.25%；當(dāng)蠕動(dòng)泵的速度升為14 r/min時(shí)，產(chǎn)品得率迅速下降至26.44%；當(dāng)蠕動(dòng)泵的速度降為6 r/min時(shí)，產(chǎn)品得率僅升高了4.04%。從噴霧干燥工藝的能耗成本上考慮，蠕動(dòng)泵的速度并非越低越好，較低的噴霧速度意味著較高的能耗成本。

圖3 噴霧速度對(duì)產(chǎn)品得率的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

由單因素試驗(yàn)分析可知，樣品濃度、噴霧溫度、噴霧速度均會(huì)影響燕麥粉的產(chǎn)品得率。根據(jù)Box- Beknhen中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)。共設(shè)計(jì)15組試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.4 多元二次模擬方程的建立與檢驗(yàn)

利用Design Expert 8.0軟件對(duì)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到回歸方程：Y=0.32-0.017A-0.031B-0.068C+0.006 05AB+0.000 175AC+0.019BC-0.021A2-0.07B2+0.048C2。

對(duì)該模型進(jìn)行回歸和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表5。該模型的p＜0.05，說(shuō)明該模型具有良好的顯著水平。其失擬項(xiàng)的p＞0.05，不顯著，說(shuō)明未知因素對(duì)此次試驗(yàn)的結(jié)果干擾較小。相關(guān)系數(shù)R2=0.985 0，說(shuō)明該模型的擬合度較好，可以用該模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)因素A、B、C及其交互項(xiàng)AB、AC、BC進(jìn)行分析，一次項(xiàng)A、B、C的p值均小于0.05，二次項(xiàng)A2、B2、C2的p值小于0.05，說(shuō)明樣品濃度、噴霧溫度、噴霧速度對(duì)燕麥粉得率的影響均具有較高的顯著性，且對(duì)響應(yīng)值的影響相對(duì)復(fù)雜，具有顯著的曲面效應(yīng)。交互項(xiàng)p值均大于0.05，說(shuō)明樣品濃度、噴霧溫度、噴霧速度3個(gè)因素交互影響不顯著。

2.5 模型驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)得到的結(jié)果以及二次多項(xiàng)回歸方程，并利用Design Expert 8.0軟件，考慮到工藝的成本，設(shè)定樣品濃度優(yōu)化范圍26%～30%、噴霧溫度優(yōu)化范圍90～110 ℃、噴霧速度優(yōu)化范圍8～10 r/min，產(chǎn)品得率越大越好，設(shè)定為1。獲得燕麥粉得率最大時(shí)的最佳工藝條件為樣品濃度26%，噴霧溫度93.53 ℃，噴霧速度8 r/min。在該優(yōu)化條件下，燕麥粉的得率為40.69%。對(duì)此優(yōu)化條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮到設(shè)備的可操作性，試驗(yàn)條件修正為樣品濃度26%，噴霧溫度94 ℃，噴霧速度8 r/min。重復(fù)3次試驗(yàn)，燕麥粉的得率分別為41.45%，40.88%和41.21%，平均值得率為41.18%，與理論計(jì)算值接近，說(shuō)明該模型能較好地預(yù)測(cè)速溶燕麥粉在噴霧干燥工藝中的得率情況。

2.6 高壓微射流粉碎技術(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

采用1.3.1中的工藝流程2，將酶解后的燕麥漿經(jīng)膠體磨、高壓均質(zhì)、高壓微射流粉碎后進(jìn)行噴霧干燥（樣品濃度26%，噴霧溫度94 ℃，噴霧速度8 r/min）制粉，燕麥粉的產(chǎn)品得率明顯提高，可達(dá)47.35%。這是由于樣品的粒徑對(duì)噴霧干燥產(chǎn)品得率具有顯著的線性影響，燕麥漿的粒徑越小，產(chǎn)品得率越高。由圖4可知，酶解燕麥漿的粒徑經(jīng)膠體磨、高壓微射流粉碎后明顯減小，因此產(chǎn)品得率增大。

表5 回歸模型方差分析

圖4 不同處理?xiàng)l件下燕麥漿粒徑分布圖

3 結(jié)論

首先，考察了酶解工藝對(duì)燕麥漿感官品質(zhì)的影響，酶解最優(yōu)工藝為酶添加量42 U/g，酶解溫度60 ℃，酶解時(shí)間30 min。其次，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以燕麥粉產(chǎn)品得率為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化噴霧干燥工藝，結(jié)果表明，最佳工藝條件為樣品濃度26%，噴霧溫度94 ℃，噴霧速度8 r/min。在該條件下，燕麥粉的得率為41.18%，與理論值40.69%基本相符。最后采用高壓微射流粉碎技術(shù)創(chuàng)新性地對(duì)工藝進(jìn)一步優(yōu)化，燕麥粉的產(chǎn)品得率明顯提高，可達(dá)47.35%。將高壓微射流技術(shù)用于燕麥粉的加工，得到的產(chǎn)品粒徑小，穩(wěn)定性好，得率高，具有較好的應(yīng)用前景。