喷雾干燥法制备西番莲果皮粉工艺研究

张 顺，黄 苇

（华南农业大学食品学院，广东 广州 510642）

西番莲果皮是除去果肉和果籽后的西番莲主要成分，占全果重的45%～55%［1］，目前多用作饲料和废弃物，未能实现高值化的利用。西番莲果皮是一种含丰富膳食纤维的食物资源，其具有良好的功能性，已用于食品中［2］。文良娟等［3-4］研究表明，西番莲果皮中还含有丰富的果胶、多糖、酚类等成分，且其中的酚类物质含有一些黄酮、生物碱的药用性成分［5-7］，功能性极强，有较高的利用和开发价值。为提高西番莲果皮的利用价值，目前针对西番莲果皮的研究应用也逐渐丰富，唐万勇等［8-9］以西番莲果皮为主要原料加工风味果脯，程明明等［10-11］对西番莲果皮进行了膳食纤维的提取并进一步纯化得到优质的膳食纤维，刘运花等［12］针对果皮中丰富的果胶成分进行了提取和改性研究。但目前鲜有关于西番莲制粉的报道，结合喷雾干燥法等干燥方法对西番莲全果进行利用加工，制备品质良好的果粉大有潜力。

喷雾干燥是一种可以将液体物料干燥成粉状固体颗粒的方法，其原理是待干燥液体物料通过雾化器雾化为微小液滴，液滴在接触高温干燥空气时，水分被瞬间蒸发，最后形成颗粒粉末。与传统的热风干燥相比，喷雾干燥法的优点在于物料与热空气接触时间短，对产品的风味、色泽和营养成分破坏性小［13-15］，加工效率高，易于实现规模化生产，尤其适合运用在利用率低、不耐贮藏的果蔬产品加工中。例如，关翔鹏［16］利用喷雾干燥法，添加不同的助干剂（如麦芽糊精、阿拉伯胶等）制备得到品质较高的哈密瓜粉，实现了哈密瓜果的全利用；而王泽南等［17］利用喷雾干燥法制备得到优质草莓粉，解决了草莓鲜果不易保存的问题。

为实现西番莲果皮的高值化利用，本研究以单因素试验为基础，结合正交优化试验探究不同助干剂及喷雾干燥工艺参数对制备西番莲果皮粉品质的影响，探讨西番莲果皮加工的新途径和方法，旨在为西番莲果皮的充分利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试西番莲果购于广州市天平架水果批发市场。

羧甲基纤维素钠（CMC）：上海申光化学品有限公司；可溶性淀粉：天津市科密欧化学试剂有限公司；电子分析天平：梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；搅拌机：广东美的生活电器制造有限公司；胶体磨：温州富瑞康机械科技有限公司；冷冻高速离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；高压均质机：上海东华高压均质机厂；喷雾干燥箱：上海紫裕生物科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程 为增加果皮粉的风味，添加等量西番莲果汁混合打浆后加入助干剂，并利用胶体磨均质，均质后进行喷雾干燥得到西番莲果粉。

1.2.2 西番莲果粉品质指标测定 喷雾干燥的集粉率计算参考宋超洋［18］方法。

式中，m0为果粉西番莲粉体质量，m1为果浆固形物质量，m2为助干剂添加量。

溶解时间测定参照滕硕等［19-20］的方法：称取1 g果粉，50 mL 25℃水溶解，同时开启搅拌器低速搅动，记录从搅拌开始到粉末完全溶解所需时间。溶解度测定参照毕金峰等［21-23］方法：称取1 g果粉，转入200 mL烧杯，加水100 mL，设定磁力搅拌器转速100 r/min高速搅拌5 min，冷冻离心机3000 r/min高速离心5 min，取15 mL上清液85℃烘干至恒重，计算上清液中干物质含量所占比重。水分含量测定采用GB/5009.3-2010 的直接干燥法［24］。

1.2.3 单因素试验 将可溶性淀粉添加量设为10%、30%、50%、70%、90%，CMC添加量设为2%、4%、6%、8%、10%，喷雾干燥的进料流量设为 400、500、600、700、800 mL/h，喷雾干燥的进风温度设为 150、160、170、180、190、200℃，分别考察各因素水平对喷雾干燥西番莲果皮粉集粉率、溶解时间、溶解度及水分含量的影响。

1.2.4 正交优化试验 在单因素试验基础上，以可溶性淀粉添加量、CMC添加量、进料流量、进风温度为因子，以果皮粉的集粉率、水分含量、溶解度及溶解时间为指标进行正交试验，研究助干剂配比和喷雾干燥参数对果皮粉品质的影响，因素水平设置见表1。

2 结果与分析

2.1 助干剂对西番莲果皮粉品质的影响

表1 正交试验因素水平

2.1.1 可溶性淀粉添加量对喷雾干燥果皮粉品质的影响 如图1所示，随着可溶性淀粉的添加量增加，喷雾干燥果皮粉的集粉率随之上升，而水分含量总体呈下降趋势，可溶性淀粉添加量为50%时，集粉率、水分含量分别较10%时提高20%、下降15%。可溶性淀粉有良好的溶解性，可改善料液的流动性，使喷雾干燥顺利进行。随着可溶性淀粉添加量增加，集粉率上升，水分含量下降，西番莲果皮粉的溶解度逐步提高，溶解时间缩短。因为可溶性淀粉溶解性优于果皮粉中的纤维、果胶等成分，可溶性淀粉占比提高，果皮粉总体溶解性会得到改善。综合分析可知，可溶性淀粉作为西番莲果皮浆的喷雾干燥助干剂，能够起到减轻物料粘壁、提高果皮粉溶解性的作用，但试验发现果皮粉的风味随着可溶性淀粉添加量上升而有所减弱，确定添加量为50%～90%。

图1 可溶性淀粉添加量对喷雾干燥西番莲果皮粉品质的影响

2.1.2 CMC添加量对喷雾干燥果皮粉品质的影响 如图2所示，随着CMC添加量的增加，喷雾干燥果皮粉的集粉率先上升后下降，而水分含量总体变化不明显，CMC的添加量为8%时，其集粉率较2%时提高85%。可见CMC能显著提高料液粘稠度，有利于改善料液均匀性和稳定性，利于喷雾干燥顺利进行，但料液粘度过大反而不利于喷雾干燥；果皮粉水分含量变化不明显，始终处于7%左右，可能因为CMC添加量较低，对果皮粉干燥过程中水分蒸发影响不大造成；随着CMC的添加量增加，西番莲果皮粉溶解度先上升后下降，果皮粉的溶解时间则出现了延长趋势。综合分析CMC对果皮粉品质的影响与可溶性淀粉有所不同，在较低添加量时会促进集粉率和溶解度提高，添加量过高反而不利于喷雾干燥集粉率提高和溶解性的改善，因此CMC添加量选择6%～10%为宜。

图2 CMC添加量对喷雾干燥西番莲果皮粉品质的影响

2.2 喷雾干燥参数对西番莲果皮粉品质的影响

2.2.1 进料流量对喷雾干燥果皮粉品质的影响 由图3可知，随着进料流量的增大，喷雾干燥西番莲果皮粉的集粉率逐渐降低，果皮粉的水分含量缓慢上升并趋于稳定，进料流量为600 mL/h时，集粉率较进料流量为400 mL/h时低20%，喷雾干燥进料速度较低时，液滴中的水分能够迅速蒸发而不会造成粘壁，果皮粉的水分含量也较低，但进料速度增大时，液滴中的水分来不及蒸发而导致料液粘壁，集粉率下降，相应的果皮粉水分含量也出现上升趋势；随着进料流量的增大，溶解度迅速下降，进料流量为600 mL/h时至最低溶解度76.4%，之后趋于稳定，而果皮粉的溶解时间有所延长。已有研究表明，粉体水分含量上升会导致其吸湿性加强和复水性减弱［25］，因此果皮粉的溶解性会呈现下降趋势。适当的进料流量，既有利于保持喷雾干燥效率，也有利于保持果皮粉良好的溶解性能等粉体特性，进料流量选择400～600 mL/h较为合适。

2.2.2 进风温度对喷雾干燥果皮粉品质的影响 由图4可知，进风温度升高至180℃时，西番莲果皮粉的集粉率升高到峰值后降低，水分含量先下降后有所上升，果皮粉的溶解度则随进风温度由160℃时的78%迅速提升到180℃的81.5%，然后进入平台期，而溶解时间随温度的变化不明显。分析可知，进风温度升高可使雾滴在干燥室内干燥更完全，但温度不是越高越好，温度太高，粉体外部水分蒸发速率快于内部水分迁移速率，外部干燥形成壳，阻挡内部水分及时迁移出，导致颗粒干燥不彻底，出现粘壁，因此集粉率出现下降，果粉水分含量也出现随温度升高先下降后上升趋势；果皮粉溶解度在一定升温范围内迅速上升后，不再随温度升高而提升，主要与果粉水分不再下降甚至略微上升相关。另外，温度升高对果皮粉的香气保留不利，因此进风温度以170～190℃为宜。

图3 进料流量对喷雾干燥西番莲果皮粉品质的影响

图4 进风温度对喷雾干燥西番莲果皮粉品质的影响

2.3 助干剂及喷雾干燥参数正交优化结果

喷雾干燥正交试验结果及极差分析见表2。为获得能协调多指标的最优组合，在极差分析基础上引入方差分析（表3），由于可溶性淀粉添加水平对每个指标都有显著影响，且对果皮粉溶解度和溶解时间的影响均为极显著，在选择水平为A3时，可以同时满足溶解度和溶解时间的优选组合，故可溶性淀粉的最终水平为A3；进料流量对溶解时间影响为极显著，对溶解度的影响为显著，考虑到其他3组指标最优水平均为C3，且进料流量较大时节省干燥时间，因此选择水平为C3；进风温度对溶解度的影响为显著，对其他指标影响为不显著，可在不同水平中任选，温度太高对果皮粉香气保留不利，故选择水平为D1；而CMC添加量对各个指标的影响均为不显著，考虑到集粉率和溶解性的最优水平为B1，故最终确定为B1，通过优选的集粉率组合为A1B1C2D1，水分含量优选组合A3B2C2D3，溶解度优选组合A1B1C3D1，溶解时间优选组合A3B1C1D3。

综合分析可知，喷雾干燥的助干剂配方及干燥工艺参数最优组合为A3B1C3D1，即可溶性淀粉添加量为90%、CMC添加量为6%、进料流量600 mL/h、进风温度170℃。

表2 喷雾干燥正交实验结果及极差分析

3 结论与讨论

本试验结果表明，随着可溶性淀粉添加量的增加，西番莲果皮粉的集粉率、溶解性等均会随之上升，而CMC的添加量在较低水平时会促进果皮粉集粉率和溶解性提高，在较高添加量时反而不利于保持果粉品质，这与多数以CMC作为助干剂时的研究结果不一致，推测这种差异性与物料本身性质相关。喷雾干燥参数中，进料流量较小时，喷雾干燥过程中西番莲果浆中水分能及时蒸发并能减少粘壁发生，在进料流量为400或500 mL/h时，最大集粉率均为36%，当进料流量较大时，造成果皮粉集粉率下降、水分含量上升和溶解性变差，但进料流量过小导致喷雾干燥效率降低，因此应综合考虑进料流量；通过正交试验确定了西番莲果皮粉助干剂配比和喷雾干燥工艺参数的最佳组合为可溶性淀粉添加量90%、CMC添加量6%、进风温度170℃、进料流量600 mL/h，此时西番莲果皮粉集粉率34.70%、水分含量3.52%、溶解度82.17%，西番莲果粉粉体细腻、香气适宜，溶解性也较好。

表3 喷雾干燥正交试验方差分析

西番莲果浆富含葡萄糖、果糖等低熔点成分，导致在喷雾干燥时粘壁严重，因此要添加助干剂促进喷雾干燥顺利进行。本研究通过添加可溶性淀粉和CMC对西番莲果浆进行喷雾干燥制粉，解决了西番莲果皮粉因纤维成分含量高制成粉品质差以及西番莲果皮作为加工附属物利用率低、对环境污染等问题。本研究对解决果蔬加工中尤其是果皮等成分占比较高、利用率低的问题提供了理论依据。今后研究中，可以针对不同性质的助干剂，选择更适合于西番莲制粉的助干剂，提高果粉集粉率和其他品质，还可以针对干燥方法进行优选，例如有很大发展潜力的冷冻喷雾干燥和真空冷冻干燥法，制得的果粉品质会进一步得到提高。

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