紫薯花青素固体饮料生产工艺研究

徐飞++钮福祥++孙建++朱红++岳瑞雪++张毅++张文婷

摘要 本文研究以紫薯为原料制作花青素固体饮料的工艺。为避免组织破碎，利用薯块自身酶系统作用，在一定条件下降解淀粉，消除产品浑浊、沉淀现象；为提高产品溶解性，配料中添加了分散剂；在制备固体颗粒或粉末时，采用喷雾干燥法。试验确定酶解温度、酶解时间、喷雾干燥温度及分散剂添加量为影响工艺和产品质量的4个关键因素，采用4因素3水平的正交试验。结果表明，酶解温度对产品质量的影响最大，分散剂因素影响最小。优化分析后，最佳工艺条件为酶解温度条件为80 ℃，酶解时间60 min；喷雾干燥温度105 ℃；β-环状糊精添加量为10%。提取滤渣可开利用发膳食纤维产品。

关键词 花青素固体饮料；溶解性；自身酶解；喷雾干燥；紫薯

中图分类号 TS275.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）23-0243-03

紫薯中富含花青素，花青素具有抗氧化、抗肿瘤、降血压、降血糖和增强免疫力等众多医疗价值和营养保健价值[1-2]。目前，紫薯加工产品的开发如火如荼，如紫薯全粉、紫薯条、紫薯饮料以及添加了紫薯成分的面包、蛋糕、馒头、饼干、挂面等[3]，以期增加花青素含量，提高产品保健功能，开发卖点，吸引消费。紫薯饮料、紫薯汁是老百姓喜闻乐见的产品，市场广阔，消费人群广泛，紫薯汁饮料生产和开发受到业内的广泛关注，创建了一批生产企业，形成了一系列产品，如“又闻薯香”“李婆婆”“梅园三宝”的紫薯汁，“上洛”“自然尚品”的紫薯固体饮料等，发展形势良好。就产品形式而言，紫薯饮料有浑汁果肉型和清汁型，清汁型清凉爽口，适宜夏季饮用，更受消费者喜爱。

紫薯不同于一般水果，其不溶性固形物含量高，达到25%～40%，不宜直接压榨取汁，需要采用酶解技术，降解淀粉，使之变为可溶性，以便生产出澄清紫薯汁。酶解需要破碎或打浆，以提高酶解效率[4-5]。而打浆使得果肉组织各种物质得以细化和分离，这必然造成过滤的困难，增加过滤成本，降低工艺效率，同时也很难过滤彻底，影响产品感官品质。

本研究利用紫薯薯块自身酶系统的作用，在不破碎薯块组织的情况下，实现组织中淀粉的降解糖化，然后切丁提取，分离出可溶性糖、花青素、氨基酸等全部可溶性物质，再经过浓缩和喷雾干燥，制得颗粒或粉末状花青素固体饮料[6]。一方面，由于酶解作用，淀粉降解为可溶性糖，组织结构松动，有利于花青素溶解和提取；另一方面，薯块免打浆的切丁处理，避免组织细碎化，便于汁液过滤分离，提高效率以及产品透明度。利用该方法生产紫薯饮料的研究鲜见报道。

新鲜的薯块生物体是一个复杂的酶系统，其中α-淀粉酶和β-淀粉酶能够将淀粉转化为糖，为薯块生命活动提供能量[7]，是实现薯块淀粉自身降解的动力源泉。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：徐紫薯8、碘化钾指示剂、白砂糖、麦芽糊精、β-环状糊精；仪器：200目尼龙滤布、不锈钢容器、旋转蒸发仪、水浴锅、组织破碎机、高速离心机、喷雾干燥机。

1.2 试验方法

1.2.1 预备试验。作为固体饮料，分散溶解性是首要的质量指标，分散溶解性便于冲调饮用。因此，生产固体饮料一般需要添加分散剂，以提高产品溶解性。参考相关研究[8]，本试验以白砂糖、麦芽糊精、β-环状糊精3种可溶性物质为分散剂，进行溶解性试验，选择最适宜的分散剂。试验设计用50 mL水溶解5 g分散剂，在不同的温度下观察搅拌后溶解情况，并记录完全溶解时间（表1）。

由表1可以看出，不同的温度下β-环状糊精完全溶解时间最短，是较理想的分散剂，能够提高紫薯固体饮料的分散性和溶解性，这与黄 卉等[8]研究结果一致。白砂糖不仅溶解较缓慢，而且添加后增加了甜度，影响口感，可作为风味调节使用，添加5%即可，对溶解有辅助作用。

1.2.2 试验工艺流程。紫薯花青素固体饮料生产工艺流程紫薯→预处理→生物降解→提取→过滤→浓缩→调配→喷雾干燥。

1.2.3 试验步骤。试验具体有以下6个步骤。

（1）生物降解。选择大小均匀的徐紫薯8薯块，置于加热到设定温度的水浴锅中，使水位淹没薯块，在设定温度下，依靠自身酶系统进行自然降解。

（2）提取。薯块酶解达到设定时间后取出，切成边长3～5 mm的丁状，加水1～3倍，在40～60 ℃条件下提取20～40 min，使花青素溶解平衡，此時薯丁内外色泽一致。

（3）过滤。花青素溶解平衡后，先后进行80～200目过滤，去除杂质，得到澄清花青素滤液。为使汁液分离彻底，滤渣可用离心机（2 000 r/min）进行汁液分离。视情况，滤渣可进行二次提取。

（4）浓缩。为提高喷雾干燥效率，采用旋转蒸发仪对提取滤液进行真空浓缩，浓缩至原汁液可溶性固形物含量的2倍。

（5）调配与灭酶。浓缩后，按比例调节分散剂，为调节口感，适量添加白砂糖（5%左右），然后加热沸腾5～8 min，冷却后喷雾干燥。

（6）喷雾干燥。为保持喷雾干燥参数的稳定性，将料液保持在40 ℃左右，同时可节约能耗。当进风口温度达到设定温度时，开启蠕动泵并调节转速为35 r/min。上料前先用空水作空白样进行喷雾，待参数稳定后，切换为试验料液。

1.2.4 正交试验。正交试验具体有以下几个步骤。

（1）正交试验因素水平的确定。除分散剂影响产品溶解性外，自然酶解条件对产品质量产生重要影响。自然酶解温度低、时间长，酶解不彻底，薯块也会生产不适宜味道；酶解温度高、时间短，薯块变软烂，汁液分离困难，颗粒残留多，影响产品感官质量。因此，自然酶解温度和时间是影响产品质量的关键因素。除此之外，在产品喷雾干燥阶段，喷雾干燥的温度对产品质量产生重要影响。因此，β-环状糊精添加量、自然生物降解温度和时间及喷雾干燥温度是影响紫薯固体饮料的4个关键因素，并设计3个变量水平进行正交试验（表2）。

（2）酶解终点的确定。取少许酶解物薯块，于组织破碎机加足量的水中充分破碎，与高速离心机中进行固液分离，去除上清液的固体物质，然后滴加碘化钾指示剂，观察颜色反应，确定淀粉酶解情况。

（3）感官质量评价方法。以产品溶解性、色泽（透明度）、沉淀物状况及口感4个方面为感官质量评价指标，每项指标满分25分，总分100分，记录评分的平均值（表3）。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

正交试验结果如表3所示。可以看出，最佳组合为A3B1C3D2，即试验的第7个组合，极差分析显示，影响因素大小顺序为B>D>C>A，酶解温度是最大的影响因素，分散剂比例影响程度最小。

2.2 结果分析

2.2.1 自身酶解作用的优势。利用薯块自身酶系统作用实现淀粉降解是本研究的工艺特点，具有明显的优势。首先，避免了常规酶解方法对组织的破碎打浆处理造成过滤的困难，简化工艺，提高效率；其次，淀粉降解后，组织结构发生松动，空隙增大，有利于糖类、花青素等内容物的溶出，提高提取效果；第三，免去皮全薯块酶解，避免组织液流失；第四，酶解后，薯块切成细丁状，既有利于提取，也有利于过滤。紫薯自身酶解温度控制失当，会生产异味或组织软烂，均影响产品感官质量。

2.2.2 酶解温度对产品质量的影响。利用薯块自身酶系统的作用降解淀粉，是一种新的尝试和探索，酶解温度和时间是相辅相成的2个变量，温度是主变量，决定酶的活性及酶解的效率，而时间是应变量，影响酶解的程度即彻底性。甘薯自身生物酶系统是一个复杂的生物代谢过程，有糖化酶、多酚酶、呼吸酶等，各种酶活性的最适宜条件（温度）也不尽相同，从而产生不同的代谢结果。如表4所示，淀粉降解糖化后，薯块组织变得柔软，切开后，稍挤压，有汁液流出，便于汁液分离。可以看出，当酶解温度为40～60 ℃时，由于呼吸酶系统作用旺盛，无氧呼吸生产乙醇、甲醇等，有异味产生；在90 ℃条件下，各种酶活性得以抑制，热使得淀粉糊化，组织变得软烂；在70～80 ℃之间，正是淀粉糖化酶最适宜的温度区域，而其他酶活性受到抑制，组织软而不烂，保持产品风味纯正、感官透明的品质，进一步验证了试验结果。在80 ℃酶解60 min条件下，时间短、效果好，既提高了效率，又保证了质量，是优化的酶解工艺条件。

2.2.3 喷雾干燥温度对产品质量的影响。喷雾干燥作为工艺的最后环节，对产品质量有决定作用。在一定的流量下，喷雾干燥温度不仅影响产品风味，而且影响产品的组织状态和溶解性。温度低，液体物料中水分不能充分汽化，呈小液滴落入收集器底部，干燥后变为硬块，失去产品应有的颗粒分散状态，即使适当粉碎，由于密度增大，溶解缓慢；温度高，水分充分汽化，产品颗粒分散性较好，但汁液中的可溶性糖、蛋白质、氨基酸等物质容易焦化或发生美拉德反应，而果胶等可溶性膳食纤维由于长时间受热而改变分子结构，造成不可逆变性[9]，降低溶解性，影响产品感官质量。有关研究显示，进风口温度>170 ℃时，产品溶解性和花青素含量均有所降低[10]。

2.2.4 分散剂对产品质量的影响。薯块中的淀粉经酶解糖化后，变为可溶性固形物，可溶性固形物能够促进颗粒溶解作用；为调节口感，配料添加的白砂糖，也促进了溶解作用；分散剂β-环状糊精的添加，加速了固体颗粒的分散、裂解和溶解的速度，使产品具备适宜的冲调性。分散剂的进一步添加，溶解速度进一步加快，而不影响产品品质。鉴于β-环状糊精的成本因素，在配料中添加10%即可。

3 结论与讨论

利用薯块自身酶系统作用，降解淀粉，生产紫薯花青素固体饮料。经过正交试验和优化分析最佳工艺条件为酶解条件为80 ℃ 酶解60 min，喷雾干燥温度105 ℃，β-环状糊精添加量为10%，其中，酶解温度因素影响最大，分散剂因素影响最小。生产的紫薯花青素固体饮料溶解性好，色泽澄清、均一透明，紫薯风味浓郁，具有一定保健功能。

工艺废弃物的处理情况决定工艺的优劣及生产可持续的程度。薯块在降解并提取可溶性物质后，除滤渣废料外，并无其他废弃物或有机废水产生。滤渣废料主要成分是膳食纤维。有研究显示，薯渣中膳食纤维含量高达85.32%[11]，含量丰富，可用来开发膳食纤维产品，作为强化膳食纤维食品的配料，改善人们的膳食结构，变废为宝[12]。膳食纤维强化食品是近年来国际流行趋势，并逐渐向主食化产品发展，市场潜力巨大。膳食纤维产品开发工艺流程为滤渣→干燥→粉碎（或超微粉碎）→包装。在甘薯雪花全粉生产工艺中，添加部分膳食纤维产品，可降低黏度和糖度，易于刮片成形，工艺流程为甘薯→熟化→制泥→调配（添加薯渣膳食纤维）→滚筒干燥→过目→包装→雪花全粉[13]。通过综合利用，变废为宝，有利于实现紫薯花青素固体饮料的生产的可持续性。

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