香蕉粉喷雾干燥工艺优化

第26卷第8期农业工程学报Vol.26No.82010年8月TransactionsoftheCSAEAug.2010331香蕉粉喷雾干燥工艺优化陈启聪，黄惠华※，王娟，胡凯，曾霖霖（华南理工大学轻工与食品学院，广州510640）摘要：为了改善香蕉粉的喷雾干燥效果，优化喷雾干燥工艺，该文研究了进风温度、助干剂添加量、热空气流量、压缩空气流量的变化对香蕉汁喷雾干燥效果的影响，并采用Box-Behnken响应曲面法优化喷雾干燥条件，分析进风温度、热空气流量、压缩空气流量的变化对出风温度和产品得率的影响规律。结果显示：当进风温度为170.0℃、热空气流量为36.08m3/h、压缩空气流量为489.70L/h时，出风温度为76～80℃，产品得率最高，达44.28%，所制备的香蕉粉含水率低于5%，符合固体饮料标准。由此说明，通过响应曲面优化得到的喷雾干燥工艺能有效应用于加工香蕉粉。关键词：水果，干燥，工艺，玻璃化转变温度，响应曲面doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.08.056中图分类号：TS205.9，TS255.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-08-0331-07陈启聪，黄惠华，王娟，等.香蕉粉喷雾干燥工艺优化[J].农业工程学报，2010，26(8)：331－337.ChenQicong,HuangHuihua,WangJuan,etal.Optimizationofspraydryingtechnologyinprocessingbananapowder[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(8):331－337.(inChinesewithEnglishabstract)0引言香蕉粉味道香甜，营养价值高，有植物奶粉的美称，可冲水直接服食，还可以作为多种食品的配（辅）料，市场前景十分广阔。此外，香蕉粉便于贮藏运输，非常有利于解决增产不增收、卖蕉难的问题，是极具前景的深加工产品[1]。喷雾干燥制得的香蕉粉，能较好的保持香蕉原有的碳水化合物、蛋白质、脂肪、氨基酸、维生素及矿物质等营养成分[2]。在正常的喷雾干燥过程中，随着干燥的进行，物料会发生从液态向橡胶态，再到玻璃态的转变，即玻璃化转变，玻璃化转变时的温度称之为玻璃化转变温度（Tg）[3]。本试验的原料为酶解制得的澄清香蕉汁，由于其富含低分子糖和有机酸，因而其Tg很低。在喷雾干燥过程中，当颗粒的温度高于其黏流温度（物料的黏流温度通常比Tg高10～23℃）时，会从其玻璃态转变成黏流态，显示出黏性流动性质，产生热黏壁现象[4]，使产品得率降低，严重影响喷雾干燥效果。通过调节喷雾干燥的加工参数，使喷雾干燥时的颗粒温度低于其Tg，防止物料进入黏流态，能有效改善喷雾干燥效果，获得高的产品得率。台湾的King[5]早在1985年就进行了应用喷雾干燥技术生产香蕉果汁粉的研究，到目前这方面已有较多研究成果[2,6]，收稿日期：2010-01-31修订日期：2010-08-15基金项目：国家星火计划项目（2007EA780005）；广东省教育部产学研合作项目（2007B090100009）；粤港关键领域重点突破项目（2007498612、2008A024200003、2008A024200004）作者简介：陈启聪（1984－），男，研究方向为食品科学。广州华南理工大学轻工与食品学院，510640※通信作者：黄惠华(1962－)，男，教授，博士生导师，研究方向为食品科学，农产品加工新技术。广州华南理工大学轻工与食品学院，510640。Email:[e-mail]但把玻璃化转变过程这一概念引入喷雾干燥过程，并通过把握玻璃化转变来控制喷雾干燥效果的研究则未见报道。因此本试验研究了进风温度、助干剂添加量、热空气流量、压缩空气流量的变化对香蕉汁喷雾干燥效果的影响，并运用响应面法优化工艺参数，以得到使香蕉粉在喷雾干燥过程中保持在玻璃态的工艺参数，为香蕉粉的生产提供参考。1材料和方法1.1主要材料与试剂香蕉汁：实验室通过香蕉酶解制得[7]，总固形物质量分数为(20.03±0.31)%。麦芽糊精，阿拉伯树胶均为食品级。1.2主要试验设备B-290SprayDryer喷雾干燥机（瑞士BÜCHI公司）；APV-1000高压均质机（丹麦APV公司）；v20真空干燥箱（瑞士Salvips公司）；CR-400色彩色差计（日本KONICAMINOLTA）；Q100DSC差示扫描量热仪（美国TA公司）。1.3试验方法1.3.1工艺流程香蕉汁→调配（添加麦芽糊精和阿拉伯胶）→30MPa均质→喷雾干燥→冷却→包装。1.3.2指标的测定方法1）总固形物质量分数测定：精确称取一定量的香蕉汁（W1），105℃烘干至恒质量（W2），则总固形物质量分数=W2/W1×100%[8]。2）产品得率测定：产品得率=[喷雾干燥后香蕉粉质量/(喷雾干燥前香蕉汁的总固形物质量+喷雾干燥前麦芽糊精和阿拉伯胶的加入量)]×100%。332农业工程学报2010年3）含水率测定：减压干燥法[9]。4）颜色测定：全自动色差计测定。5）溶解度测定：1g香蕉粉加入100mL水，100r/min高速搅拌5min，3000r/min离心5min，取上清液25mL105℃烘干，计算上清液中干物质含量所占的比例[10]。6）溶解时间测定：取10g香蕉粉，加入到盛有100mL水的小烧杯中，水温为25℃，用玻璃棒轻轻搅拌，记录完全溶解所需要的时间[11]。7）热分析：采用Q100DSC进行分析。8）流动性测定：休止角注入法[12]。9）堆积密度测定：香蕉粉从漏斗中散落至10mL量筒中，测定10mL香蕉粉的质量，换算出其堆积密度[12]。1.3.3单因素试验设计固定喷雾干燥工艺中其他工艺参数水平，选取进风温度、助干剂添加量、热空气流量、压缩空气流量4个因素做单因素试验，研究各因素的变化对喷雾干燥效果的影响。1.3.4响应曲面试验设计本试验根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，综合单因素试验结果，选取影响香蕉粉喷雾干燥得率的主要因素进风温度（A）、热空气流量（B）和压缩空气流量（C）为试验因素，研究出口温度、产品得率、含水率随3因素的变化规律，并以香蕉粉得率为响应值，进行3因素3水平响应面分析试验，优化香蕉粉喷雾干燥工艺条件。采用Design-Expert7.1软件响应曲面设计程序对试验进行设计，产生17个试验。试验因素和水平见表1。1.3.5响应面分析及最佳工艺的确定利用Design-Expert7.1软件对试验数据进行处理分析，建立回归方程，并作响应曲面图，利用该组图对任何2种因素的交互效应进行分析与评价，从中确定最佳工艺。表1响应面分析因子及水平表Table1Factorsandlevelsofresponsesurfacemethod(RSM)analysis编码水平进风温度A/℃热空气流量B/(m3·h-1)压缩空气流量C/(L·h-1)-117034426018036461119038496注：其中各试验的样品处理量均为300mL，添加香蕉汁总固形物质量分数60%的麦芽糊精和1%的阿拉伯胶，进料量4.6mL/min。1.3.6显著性分析采用SPSS17.0软件的One-WayANOVA进行数据分析，显著性采用q法进行分析。2结果与分析2.1进风温度对喷雾干燥效果的影响从表2可知，进风温度对产品得率，含水率及颜色的影响显著。随着进风温度上升，含水率递减。根据固体饮料卫生标准（GB7101－2003）[13]规定，固体饮料的含水率应不大于5%，才能保证其稳定性。当进风温度到达180℃时，含水率已低于4%。喷雾干燥得到的香蕉粉亮度值均在95以上，而红度值均为负，黄度值均为正，产品从肉眼上观察基本为白色。随进风温度上升，亮度值出现一定下降，红度值上升，黄度值下降。然而进风温度和产品得率并不与正相关，进风温度170～180℃时产品得率均高于40%，并显著高于其他3个温度下的产品得率。进风温度太低，不足以使全部液滴在干燥室内完全干燥，部分半干颗粒因此发生黏壁现象，导致产品得率较低。此外，在喷雾干燥过程中，当液滴干燥至转变为玻璃态后，如进风温度过高，可能会使喷雾干燥后段物料温度升高至其黏流温度，因此发生热黏壁现象。进风温度为200℃时，可明显观察到干燥室出现大片的黏壁，而且黏壁物料有轻微的焦化现象。表2不同进风温度对喷雾干燥效果的影响Table2Effectsofdifferentinletairtemperaturesonspraydrying进风温度/℃产品得率/%含水率/%亮度值L*红度值a*黄度值b*16026.21c±0.526.22a±0.0998.79a±0.26-1.17bc±0.032.24b±0.0417043.17a±1.784.01b±0.0998.85a±0.16-1.21c±0.032.37a±0.0318040.44b±1.343.83c±0.0797.81b±0.04-1.19c±0.022.13c±0.0419028.38c±1.073.03d±0.0496.78c±0.13-1.13b±0.012.16c±0.0220014.92d±2.203.01d±0.0795.35d±0.09-1.01a±0.021.87d±0.03注：样品处理量为300mL，添加香蕉汁总固形物质量分数70%的麦芽糊精，采用进料量为4.6mL/min，热空气流量36m3/h，压缩空气流量461L/h；表中数值均以（平均值±标准差）表示，上标字母表示显著性水平0.05时差异显著，n=4，下同。2.2助干剂添加率对喷雾干燥效果的影响添加具有高Tg的大分子助干剂，可显著提高物料的Tg，使喷雾干燥在合理的干燥温度条件下顺利进行[14]。麦芽糊精因其溶解度高，价格低，是目前最常用的助干剂。阿拉伯胶具有很好的乳化性和成膜性，能在香气成分的周围形成保护薄膜，以防止其氧化和蒸发；同时阿拉伯胶具有高度的水中溶解性及较低的溶液黏度，这是其他亲水胶体所不具备的特点之一[15]。因此阿拉伯胶与麦芽糊精配用，能有效改善喷雾干燥效果，并形成保护膜降低香气成分的损失。差示扫描量热法（DSC）是用于测定物料Tg的常用方法。体系在发生相转变时，会有能量的改变，即会吸热或放热。在DSC装置加热扫描过程中，当体系发生相转变时，吸热曲线会出现一个台阶，此时的温度就是玻第8期陈启聪等：香蕉粉喷雾干燥工艺优化333璃化转变温度[16]。助干剂添加前后香蕉汁的DSC分析结果如图1所示，其中图1a是添加助干剂前香蕉汁的DSC曲线，图1b是添加香蕉汁总固形物质量分数70%的麦芽糊精和1%的阿拉伯胶后的香蕉汁的DSC曲线。图1香蕉汁的热分析Fig.1Thermalanalysiscurvesofbananajuice由图1可知，未添加助干剂的香蕉汁，其DSC曲线在35℃时出现台阶，因此其Tg在35℃左右；添加助干剂并均质后，香蕉汁的Tg增大到70℃左右，使喷雾干燥顺利进行。试验中选择麦芽糊精和阿拉伯胶为助干剂，固定其他工艺条件，研究助干剂添加率（添加率以添加助干剂的质量占香蕉汁总固形物质量分数的百分数表示）对喷雾干燥效果的影响。从表3可知，麦芽糊精添加率对喷雾干燥效果影响显著。随麦芽糊精添加率从50%增加到60%，产品得率从28.32%增加到40%以上，含水率则随麦芽糊精添加率的提高而下降，说明麦芽糊精能改善喷雾干燥效果。但麦芽糊精添加量过高，糊精味重影响产品的风味，因此麦芽糊精以添加60%为宜，在此基础上，研究阿拉伯胶添加率对喷雾干燥效果的影响，结果如表4所示。阿拉伯胶添加率增大，产品得率增加、含水率下降，说明二者配用能更有利于喷雾干燥。阿拉伯胶添加率达到1%后，产品得率变化不显著，此外，由于麦芽糊精和阿拉伯胶的溶解度均较高，因此它们的添加率对产品溶解性影响不显著，产品的水溶性指数都在99%以上；然而添加麦芽糊精和阿拉伯胶均不利于产品的速溶性，随添加率提高产品的溶解时间明显增加。阿拉伯