响应面法优化黑蒜酶解液喷雾干燥工艺

任广跃，刘航，刘亚男

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471023）

响应面法优化黑蒜酶解液喷雾干燥工艺

任广跃，刘航*，刘亚男

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471023）

为获得营养价值高、溶解性能好的黑蒜粉，以新鲜大蒜为原料，采用固态分段变温发酵方式制备黑蒜，并对黑蒜进行酶解处理，使用喷雾干燥的方法对黑蒜酶解液进行制粉。在单因素试验的基础上，选择进风温度、料液浓度和进风流量为自变量，以出粉率为响应值，运用Box-Behnken试验对其喷雾干燥条件进行优化，且对黑蒜粉的品质进行研究。结果表明：用果胶酶和纤维素酶对黑蒜酶解后，其可溶性固形物得率达82.5%，且当酶解液浓度调至18%，麦芽糊精添加量为料液浓度的55%，进风温度174℃、进风流量0.45 m3/min时，黑蒜粉得率为42.07%，含水率小于5%，符合固体饮料标准。由此说明，复合酶解与喷雾干燥相结合的工艺能有效应用于黑蒜粉加工。

发酵黑蒜；酶解；喷雾干燥；响应曲面法；黑蒜粉

大蒜（Allium Sativum L.）为百合科葱属植物鳞茎，含有丰富的蛋白质、脂肪、糖类、维生素和各种微量元素等营养物质［1］。同时，研究表明大蒜中的活性酶和有机化合物不仅种类繁多，而且含量较高［2-3］。由于大蒜本身存在刺激性气味，过度食用会对胃肠粘膜细胞造成损伤，而降低其食用价值［4］。黑蒜是以新鲜大蒜为原料，在高温高湿环境下，经过酶化及美拉德反应共同作用下形成的，具有去除大蒜的臭味，增强原有生理活性的特点。但黑蒜产品层次单一，且含糖量较高，极易腐烂变质。因此，为提高其储藏性和附加值，对其进行深加工具有重要的意义［5-6］。

郑资靖等［7］采用3种干燥方式制得紫薯全粉，发现紫薯处于粉状时具有较好的保藏性，且真空冷冻干燥制得的全粉品质最好，但真空冷冻设备投资大、干燥时间长、能量消耗高。而喷雾干燥具有干燥速度快，操作简单，产品营养价值损失较少，溶解性好，适合工业化生产等优点，已广泛应用于农产品干燥中。通过喷雾干燥对黑蒜进行制粉处理，不仅便于食用，解决黑蒜易腐败等问题，还可以为研发新产品提供原材料。在黑蒜喷雾制粉中，所废弃的黑蒜渣中含有大量果胶和纤维素，若不经过酶解会造成黑蒜营养物质丢失，降低原料利用率。李长春［8］等研究表明，在果蔬汁加工中，果胶和纤维素是造成出汁率低的主要因素，补充纤维素酶以协同、促进果胶酶作用，可显著提高果汁出汁率和产品得率。因此采用有效的水解和干燥技术是提升黑蒜粉产量和品质的关键。

目前，张培旗等［9-10］对黑大蒜粉喷雾干燥工艺条件进行了优化，但未见把复合酶解处理这一概念引入喷雾干燥过程，并对黑蒜喷雾干燥过程机制以及产品的品质和特性做出详细介绍的报道。本文是采用果胶和纤维素酶对固态发酵黑蒜进行复合酶解后，运用响应曲面法优化黑蒜酶解液喷雾干燥工艺条件，并对黑蒜粉的品质进行研究。在单因素试验的基础上，使用Box-Behnken试验方法，以黑蒜粉得率为响应值对上述工艺参数进行优化，找出各因素及其相互作用对指标的影响规律，确定进风温度、料液浓度、进风流量和麦芽糊精添加量的最佳参数组合，所获得的工艺参数为进一步开发利用黑蒜制品奠定基础，具有良好的经济价值和推广前景。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

新鲜、完整的白皮大蒜：采购于洛阳市大张超市；麦芽糊精（DE值16%～20%）：西王药业有限公司；纤维素酶（酶活2万U/g）、果胶酶（酶活3万U/g）：南宁庞博生物工程有限公司；氢氧化钠标准溶液：天津市德恩化学试剂有限公司；36%～38%甲醛溶液：洛阳昊华化学试剂有限公司；还原糖标准溶液：天津市北辰方正试剂厂；邻苯三酚：天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2仪器与设备

WS70型恒温恒湿培养箱：上海树立仪器有限公司；DZKW-S型电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器有限公司；ZJ-145型恒联压榨机：广州市昆粤食品设备有限公司；WYT-I型（精确度0.5%）手持折光仪：四川豪创仪器有限公司；RE-52型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；YC-015实验型喷雾干燥机：上海雅程仪器设备有限公司；DZF-1型真空干燥箱：北京市永光明医疗仪器有限公司；X-rite Color I5色差计：美国爱色丽公司；UV2006型紫外可见分光光度计：尤尼柯上海仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1黑蒜浆的制备［11-12］

选取一定量新鲜完整的大蒜→去皮去蒂（1层～2层）→清水清洗→0.2%食盐水浸泡30 min→自然沥干→50℃前期发酵→80℃后期发酵（用锡纸包裹）→后熟化→剥皮切块→称重后加水打浆（料水质量比1∶1）

操作要点：

1）自然沥干：将大蒜均匀放在通风处，室温下自然沥干水分。

2）50℃前期发酵：将沥干后的大蒜放置在恒温恒湿箱内（温度50℃、湿度30%）培养48 h。

3）80℃后期发酵：将前期发酵后的大蒜用锡纸包裹，置于温度80℃、湿度70%环境中发酵144 h。

4）后熟化：将发酵完成后的黑蒜取出，置于室温下放置48 h。

1.3.2复合酶解［13］

为了提高原料利用率，使用果胶和纤维素复合酶对黑蒜进行酶解处理，使黑蒜溶液中可溶性固形物含量达到最大化，提高喷雾效果和产品得率。称取定量的黑蒜浆，调节pH 4.5，加入复合酶（果胶酶与纤维素酶质量比为2∶1），添加量为底物浓度的0.6%，50℃的水浴中酶解90 min，结束后将反应液在沸水浴中灭酶15 min，终止酶解反应。（酶解条件通过预试验得到）。酶解完成后，采用板框式压榨机对浆液进行榨汁，并取汁备用，弃去粗滤渣或用于其他。

1.3.3黑蒜粉喷雾干燥工艺流程

黑蒜酶解液→稀释或浓缩到所需的料液浓度→按比例加入适量的麦芽糊精（干燥助剂）→30 MPa压力下均质10 min→喷雾干燥→成品

1.3.4喷雾干燥单因素试验设计［14］

通过预试验，找到较好的喷雾参数范围，在此基础上进行单因素试验，每个单因素均做3次平行试验。

1.3.4.1进风温度对黑蒜粉出粉率的影响

在出风温度为80℃、进料流量为1 025 mL/h、料液浓度为19%、进风流量为0.43 m3/min，麦芽糊精添加量为料液浓度的55%的条件下，分别研究进风温度155、165、175、185、195℃对黑蒜粉出粉率的影响。

1.3.4.2料液浓度对黑蒜粉出粉率的影响

在出风温度为80℃、进料流量为1 025 mL/h、进风温度为175℃、进风流量为0.43 m3/min、麦芽糊精添加量为料液浓度的55%的条件下，分别研究料液浓度10%、13%、16%、19%、22%对黑蒜粉出粉率的影响。

1.3.4.3进风流量对黑蒜粉出粉率的影响

在出风温度为80℃、进料流量为1 025 mL/h、进风温度为175℃、料液浓度为19%、麦芽糊精添加量为料液浓度的55%的条件下，分别研究进风流量0.40、0.43、0.46、0.49、0.52 m3/min对黑蒜粉出粉率的影响。

1.3.4.4麦芽糊精添加量对黑蒜粉出粉率的影响

在出风温度为80℃、进料流量为1025mL/h、进风温度为175℃、料液浓度为19%、进风流量为0.46 m3/min的条件下，分别研究麦芽糊精添加量为料液浓度的40%、45%、50%、55%、60%对黑蒜粉出粉率的影响。

1.3.5响应曲面法优化喷雾干燥条件的试验设计

采用Box-Behnken试验设计原理［15］，选取进风温度A，料液浓度B和进风流量C为试验因素，以出粉率Y为指标，根据单因素试验结果，进行三因素三水平的响应面分析，确定最佳喷雾干燥工艺参数，如表1所示。

表1　Box-Behnken试验设计因素水平表Table 1　The factors and levels of Box-Behnken design

1.4指标的测定与方法

1.4.1可溶性固形物含量的测定

测定方法：称取一定量的黑蒜酶解液，搅拌均匀后使用阿贝折射仪测定其可溶性固形含量即料液浓度，用质量体积分数（%）表示。

1.4.2堆积密度的测定［16］

用15 mL量筒测定2 g黑蒜粉所占体积，质量体积比即为堆积密度。

1.4.3总可溶性固形物（TSS）得率的测定［16-17］

精确称取一定量的黑蒜浆，105℃烘干至恒重，计算TSS得率。

式中：X为TSS得率，%；m为黑蒜汁TSS质量，g；m1为黑蒜浆总固形物质量，g。

1.4.4产品得率（出粉率）的测定［18］

式中：X为产品得率，%；M为喷雾干燥后黑蒜粉的质量，g；M0为喷雾干燥前黑蒜汁中总固形物质量与添加麦芽糊精量的总和，g。

1.4.5含水率的测定

按照国标GB/T 5009.3-2010《食品安全国家标准食品中水分的测定》中减压干燥法进行干燥。

式中：X为湿基含水率，%；m1为称量瓶和样品总质量，g；m2为称量瓶和干燥后样品的质量，g；m3为称量瓶的质量，g。

1.4.6溶解性的测定［18］

测定方法：将5 g大蒜粉溶于25℃、100 mL的水中，同时开动磁力搅拌器匀速搅动（转速750 r/min），记录搅拌开始到粉末完全溶解所需时间。溶解过程中观察有无结块和沉淀，溶液是否均匀稳定。

1.4.7其他测定方法

色差测定［19］；还原糖含量，按GB/T 5009.7-2008《食品中还原糖的测定》方法进行测定；氨基态氮含量，按ZBX66038-87《氨基态氮测定法》进行测定；超氧化物歧化酶活性（SOD），按GB/T5009.171-2003《保健食品中超氧化物歧化酶活性的测定》方法进行测定；多酚含量［20］，采用紫外分光光度法测定。

2　结果与分析

2.1喷雾干燥单因素试验结果

2.1.1进风温度对黑蒜粉出粉率的影响

进风温度对黑蒜粉出粉率的影响见图1。

图1　进风温度和料液浓度分别对黑蒜粉出粉率的影响Fig.1　The effect of inlet air temperature and concentration of feed liquid on the flour yield

由图1可知，随着进风温度的升高，出粉率呈现先增加后降低的趋势。当进风温度为175℃时，出粉率达到最大值，这是由于较高的进风温度使得气流分子无规则运动的剧烈程度加快，料液对流传热传质的推动力增强，其干燥速率得到提高；当进风温度为小于175℃时，出粉率较低，这与较低的进风温度使得料液干燥速率降低，料液因干燥不充分而易造成粘壁，甚至出现流液现象有关；当进风温度大于175℃时，随着温度的升高，出粉率反而下降，可能是因为过高的进风温度，超过物料的玻璃化转变温度并在干燥塔壁面发生焦糖化反应，出现少量的粘壁现象［21-22］。由此确定进风温度的范围为165℃～185℃。

2.1.2料液浓度对黑蒜粉出粉率的影响

料液浓度对黑蒜粉出粉率的影响见图1。

由图1可知，出粉率受料液浓度的影响十分显著。在10%～19%的范围内，随着料液浓度的增加，出粉率接近直线上升，料液浓度为19%时出粉率达到最大，之后呈下降趋势。这可能是由于料液浓度过低，含水量高，使喷雾干燥效率下降的缘故。而浓度太高，使物料流动性变差，从而降低料液的喷出速度，且易堵塞喷头，难清洗。因此选择料液浓度在13%～19%的范围内。2.1.3进风流量对黑蒜粉出粉率的影响

进风流量对黑蒜粉出粉率的影响见图2。

图2　进风流量和麦芽糊精添加量分别对黑蒜粉出粉率的影响Fig.2　The effect of inlet air flow rate and adding amount of dextrinand on the flour yield

由图2可知，随着进风流量的增大，出粉率先呈增长趋势，在0.46 m3/min时达到最大，这是由于干燥介质和液滴的相对速度愈大，愈能提高传热传质的效果；当进风流量大于0.46 m3/min时，出粉率逐渐下降，这大概是因为提高热风流量可以使被蒸发的水分快速离开干燥筒，但物料在干燥筒中的停留时间也随之变短，故易导致黑蒜粉水分含量升高，从而出现粘壁现象；当进风流量小于0.46 m3/min时，出粉率呈下降趋势，这是由于较低的进风流量降低传质传热效果，增大物料粘性，同时，不能被及时抽走，而粘于壁上。因此进风流量应选择在0.43 m3/min～0.49 m3/min范围内。

2.1.4麦芽糊精添加量对黑蒜粉出粉率的影响

麦芽糊精添加量对黑蒜粉出粉率的影响见图2。

由图2可知，随着麦芽糊精添加量的添加，出粉率逐渐上升，当麦芽糊精添加量达到料液浓度的55%时，出粉率最高，之后却逐渐降低，这可能是由于麦芽糊精添加过多，导致料液浓度过高，喷雾难度增大，且添加过多会影响产品风味。相反，若麦芽糊精添加过少，使物料无法被完全包埋，不能提高其玻璃化转变温度［23-24］，易出现粘壁现象，影响产品溶解性。综合评价，选取麦芽糊精添加量为料液浓度的55%。

2.2响应曲面法优化喷雾干燥条件的试验结果

2.2.1响应曲面试验设计与结果

在单因素试验的基础上，确定麦芽糊精添加量为料液浓度的55%、进料流量为1 025 mL/h，以进风温度，料液浓度和进风流量为自变量，以出粉率Y为响应值，采用Box-Behnken试验设计，进行响应面分析，试验设计与结果如表2所示。

表2　Box-Behnken试验设计与结果Table 2　Box-Behnken experimental design and results

采用Design-Expert8.0软件对以上的试验数据进行二次多项式回归分析，得到的回归方程：Y=40.89-1.59A+5.91B-1.47C-0.57AB-1.01AC+0.015BC-8.33A2-4.32B2-1.60C2，并对该方程进行方差分析。

2.2.2响应曲面试验分析

响应曲面试验分析见表3。

表3　方差分析表Table 3　Analysis of variance table

由表3可知：回归模型显著（P＜0.000 1），并且失拟项不显著（P=0.164 2>0.05），R2=0.983 0、R2Adj=0.961 2说明此模型能解释96.12%响应区面的变化，多项回归方程与实际数据拟合良好，因此此模型可以真实地拟合和预测实际情况。从回归方程系数显著性检验可知：一次项B、二次项A2、B2对出粉率影响极显著，一次项A、C和二次项C2对出粉率影响显著，其余交互项的影响均不显著。由此可见，进风温度、进风流量和料液浓度对出粉率的影响均显著。3个因素影响出粉率效果的主次依次为：B>A>C，即料液浓度>进风温度>进风流量。

2.2.3各因素及交互作用对黑蒜粉出粉率的影响

各因素及交互作用对黑蒜粉出粉率的影响见图3。

图3是通过分别固定进风温度、料液浓度和进风流量，研究其他两个因素之间的交互作用，并分析其对黑蒜出粉率的影响规律。

由图3a可知，进风流量为0.46 m3/min时，出粉率随着进风温度和料液浓度的增加均呈现先增加后减少的趋势，当进风温度和料液浓度分别在172℃～178℃、17%～19%的范围内有极大值；从图3b中可以看出，料液浓度为16%时，随着进风流量的增加，出粉率先增加再减少，当进风流量在0.44 m3/min～0.47 m3/min的范围内，出粉率达到最高。且进风温度在172℃～179℃范围内，出粉率先逐渐增加，达到极大值后逐渐降低；图3c显示，进风温度为175℃时，出粉率随着进风流量的增加呈现先增加后减少的趋势，而随着料液浓度的增加呈现出先升高后趋于稳定趋势，当进风流量和料液浓度分别在0.44 m3/min～0.46 m3/min、17.5%～19%的范围内，可使黑蒜的出粉率达到最大值。

2.2.4黑蒜粉喷雾干燥工艺最佳参数的确定及模型验证结果

根据二次多项式回归分析，得到黑蒜粉喷雾干燥的最佳工艺参数为：进风温度174.06℃、料液浓度18.07%、进风流量0.45 m3/min，出粉率为43.31%。在该优化条件下进行模型验证试验，为保证试验的可行性，将试验参数改为：进风温度174℃、料液浓度18%、进风流量0.45 m3/min，经试验得到的黑蒜粉平均出粉率为42.07%，比理论值下降2.86%，小于5%，试验值与理论值基本吻合，能较好地预测黑蒜粉喷雾干燥效果。

2.3黑蒜粉产品质量指标

2.3.1感官指标

经上述参数优化制成的黑蒜粉，外观呈细微粒粉末状，颜色为浅褐色，口感酸甜，具有黑蒜特有的香味，冲饮口感细腻，无结块现象。产品质量稳定，主要成分为糖类，并含有多种活性物质，且水分含量低，适宜密封长期储存。

2.3.2理化指标

理化指标见表4。

2.3.3粉体特性

粉体特性见表5。

图3　各因素间交互作用影响出粉率效果的响应面及等高线图Fig.3　Response surface and contour plot of the effect of the interaction of each factor on the black garlic powder rate

表4　黑蒜粉营养成分含量Table 4　Nutrient content of black garlic powder

表5　黑蒜粉粉体特性Table 5　Characteristics of black garlic powder

3　结论

1）用果胶酶和纤维素酶同时酶解黑蒜浆，在复合酶（果胶酶与纤维素酶质量比为2∶1）添加量为底物浓度的0.6%，pH4.5，温度50℃，酶解时间90 min的条件下，其可溶性固形物得率达82.5%，比不加酶（70.5%）增长了17%，显著提高了黑蒜中有效成分的溶出率，降低物料粘度，增强喷雾效果和原料利用率。因此，结合酶解工艺对黑蒜进行喷雾干燥可提升黑蒜粉的品质和产量。

2）运用响应曲面法对黑蒜酶解液的喷雾干燥工艺进行优化，得到的模型显著，与实际数据拟合良好。各因素对出粉率的影响为：料液浓度>进风温度>进风流量。通过多项式回归分析，得到黑蒜粉喷雾干燥的最佳条件：出风温度为80℃，进料流量为1 025 mL/h，麦芽糊精添加量为料液浓度的55%，进风温度为174℃、料液浓度为18%、进风流量为0.45 m3/min，经3次重复试验，黑蒜粉得率为42.07%。

3）该工艺条件下制得的黑蒜粉品质良好，具有黑蒜独特的香味和良好的水溶性，含水率小于5%，具有较高稳定性，适合于较长时间储藏。因此，利用喷雾干燥制备黑蒜粉是可行的，是黑蒜加工的重要途径之一。

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Optimization of Spray Drying Process of Black Garlic Enzymatic Hydrolysate by Response Surface Methodology

REN Guang-yue，LIU Hang*，LIU Ya-nan
（College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China）

In order to obtain the black garlic powder with high nutritional retain and good solubility，the fresh garlic was fermented using solid state subsection temperature-changing fermentation to get black garlic.The black garlic was preprocessed by the means of enzymolysis.Then，enzymatic hydrolysate was dried to powder through spray drying.Based on the single factor test，the inlet air temperature，feed concentration and inlet air flow were selected as independent variables，and the powder rate was optimized by Box-Behnken test.In addition，the quality attribute of black garlic powder which obtained under the optimized drying condition had also been examined.The results showed that the soluble solids yield of black garlic enzymatic hydrolysate was in a high level of 82.5%.The flour yield was highest and reached 42.07%，when the enzymatic hydrolysate concentration was adjusted to 18%，the maltodextrin addition was 55%of feed concentration，inlet air temperature was 174℃and inlet air flow was 0.45 m3/min.Under these conditions，the moisture content of black garlic powder was less than 5%，which met the standard of solid beverage.Such the combination of enzymatic hydrolysis and spray drying process could be used for the processing of black garlic powder.

fermentation black garlic；enzymolysis；spray drying；response surface methodology；black garlic powder

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.21.017

国家自然科学基金项目（31271972）

任广跃（1971—），男（汉），教授，博士，研究方向：农产品干燥技术。

2015-12-22