马蹄淀粉微波间歇干燥工艺研究

唐小闲汤 泉张 巧刘 艳段振华

(1. 贺州学院食品科学与工程技术研究院，广西 贺州 542899；2. 贺州学院广西马蹄加工工程技术研究中心，广西 贺州 542899；3. 广西果蔬保鲜和深加工研究人才小高地，广西 贺州 542899；4. 贺州学院材料与环境工程学院，广西 贺州 542899)

马蹄(Water chestnut)，又称荸荠、地栗、通天草，是莎草科荸荠属浅水性宿根草本植物[1]，其球茎扁圆，熟后皮呈栗色或红棕色，表面光亮而细腻，果肉白净。马蹄可分为水果马蹄和粉马蹄[2]，其中粉马蹄，茎小果细，肉质粗糙，渣多，淀粉、低聚糖和单糖的干重占86%以上[3]。粉马蹄经加工制成淀粉，可作为食品加工业重要的原辅料，具有较大的资源优势和乐观的发展前景[4-5]。

评价淀粉类食品品质可以通过碘蓝值[6]、酸度[7]、白度[8]等重要指标来反映。在马蹄淀粉加工过程中，褐变、焦化现象时有发生，要使产品品质达到行业标准，就要采用先进的加工技术。微波干燥技术在农产品加工及食品工业中应用越来越广泛，近两年国内外已有关于微波干燥松花粉[9]、板栗淀粉[10]等粉末类的相关研究，但微波间歇干燥未见在马蹄淀粉加工中研究及应用。

本研究拟以微波功率、装载量、加热时间和间歇时间为主要因素进行正交试验，确定马蹄淀粉微波间歇干燥最佳工艺，以期为淀粉微波干燥的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜马蹄：广西“钟山小果粉马蹄”，贺州市农贸市场。

所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

微波炉：G80D20CN1P-D2(S0)型，输入功率700 W，直径18 cm圆形装料盘，广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；

分析天平：BSA124S型，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

电热鼓风干燥箱：DHG-9240A型，上海一恒科学仪器有限公司；

加热型磁力搅拌器：MR-Hei-Tec型，德国海道夫公司；

水分测定仪：MA150型，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

色差计：CR-10型，日本柯尼卡美能达控股株式会社；

可见分光光度计：722N型，上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理 马蹄清洗去皮，破碎匀浆，过滤后制作成湿基含水率平均值为40%的马蹄湿淀粉，备用。

1.3.2 马蹄淀粉微波间歇干燥单因素试验 以马蹄淀粉的含水率、白度、酸度和碘蓝值为考核指标，选微波功率、装载量、加热时间和间歇时间进行单因素试验，确定各因素对考核指标的影响。

(1) 微波功率：固定装载量1.96 kg/m2，加热时间10 min，间歇时间1.5 min，考查微波功率(0，140，280，420，560，700 W)对马蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘蓝值的影响。

(2) 装载量：固定微波功率140 W，加热时间10 min，间歇时间1.5 min，考查装载量(0.98，1.96，2.94，3.93，4.91，5.89 kg/m2)对马蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘蓝值的影响。

(3) 加热时间：固定微波功率140 W，装载量1.96 kg/m2，间歇时间1.5 min，考查加热时间(4，6，8，10，12，14 min)对马蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘蓝值的影响。

(4) 间歇时间：固定微波功率140 W，装载量1.96 kg/m2，加热时间14 min，考查间歇时间(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 min)对马蹄淀粉含水率、白度、酸度和碘蓝值的影响。

1.3.3 正交试验 在单因素试验的基础上，以马蹄淀粉的含水率、白度、酸度、碘蓝值为指标进行四因素三水平正交试验。

1.3.4 水分的测定 按GB 5009.3—2010《食品安全国家标准 食品中水分的测定》执行。

1.3.5 白度的测定 参照文献[11]，利用色差计测定马蹄淀粉的明度指数L*，数值显示越大表明被测物越白亮。

1.3.6 马蹄淀粉的酸度测定 参照GB/T 22427.9—2008《淀粉及其衍生物酸度测定》的方法，酸度以10 g样品所耗用0.1 mol/L氢氧化钠标准溶液的毫升数表示，按式(1)计算：

(1)

式中：

X——样品酸度，mL；

c——已标定的氢氧化钠标准溶液浓度，mol/L；

V1——样品所耗用的氢氧化钠标准溶液体积，mL；

V2——空白所耗用的氢氧化钠标准溶液体积，mL；

m——样品的干基质量，g。

1.3.7 马蹄淀粉的碘蓝值测定 根据上官佳等[12]的方法，碘蓝值按式(2)计算：

BVI=A650 nm×54.2+5，

(2)

式中：

BVI——碘蓝值；

A650 nm——样品在波长650 nm处的吸光度。

1.4 数据分析

所有试验均设定3个平行，测定结果以平均值±标准偏差(SD)表示，应用Origin Pro 2016软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 马蹄淀粉微波间歇干燥单因素试验

2.1.1 微波功率对马蹄淀粉品质指标的影响 由图1、2可知，在相同物料装载量、加热时间、间歇时间条件下，微波功率越大，物料的含水率下降越显著，碘蓝值先升后降，酸度呈上升的趋势，物料白度呈下降的趋势，但变化不明显 (P>0.05)。不同功率，各项指标大小不相同。研究发现，在试验过程中，微波功率过大，淀粉容易产生焦化、结块的现象而影响品质，在较低功率范围品质较好。在功率140 W时，物料含水率为30.31%；白度和碘蓝值最高，分别为97.3%和16.76；酸度较低，为0.50 mL。综合马蹄淀粉品质要求，故选140 W为较佳微波功率。

图1 微波功率对马蹄淀粉含水率、白度的影响

Figure 1 Effect of microwave power on the water content and whiteness of water chestnut starch

图2 微波功率对马蹄淀粉酸度、碘蓝值的影响

Figure 2 Effect of microwave power on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.2 装载量对马蹄淀粉品质指标的影响 由图3、4可知，在恒定微波功率、加热时间、间歇时间条件下，装载量越大，物料的含水率越大，碘蓝值和白度呈先升后降的趋势，但白度变化不显著(P>0.05)，酸度呈先降后升的趋势。在装载量1.96 kg/m2时，物料含水率为30.31%，碘蓝值为15.14，白度为97.3%，酸度为0.94 mL，马蹄淀粉综合品质最好。故选 1.96 kg/m2为较佳装载量。

图3 装载量对马蹄淀粉含水率、白度的影响

Figure 3 Effect of loading on the water content and whiteness of water chestnut starch

图4 装载量对马蹄淀粉酸度、碘蓝值的影响

Figure 4 Effect of loading on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

2.1.3 加热时间对马蹄淀粉品质指标的影响 由图5、6可知，在恒定微波功率、装载量、间歇时间条件下，随加热时间的延长，物料含水率降低，白度变化不显著(P>0.05)，碘蓝值呈先减少后增加的趋势，淀粉酸度逐渐增加。酸度增加的原因可能是微波干燥加热方式从内向外加热，可以加快淀粉水解产生脂肪酸，导致马蹄淀粉酸度升高。在加热时间14 min时，物料的含水率为20.45%，白度为97.6%，碘蓝值为16.79，酸度为0.51 mL，马蹄淀粉综合品质最好。故选 14 min为较佳加热时间。

2.1.4 间歇时间对马蹄淀粉品质指标的影响 由图7、8可知，在恒定微波功率、装载量、加热时间条件下，随间歇时间的延长，物料含水率和酸度的呈现先降后升的趋势，碘蓝值呈先升后降的趋势，白度变化不明显(P>0.05)。间歇时间较长，含水率下降缓慢，原因是在一定的时间范围内，微波间歇时间越长，加热时间相对缩短，导致含水率升高。在间歇时间为1.0 min，物料的含水率为16.69%，白度为97.5%，酸度为0.45 mL，碘蓝值为16.84，马蹄淀粉综合品质最好。故选1.0 min为较佳间歇时间。

图5 加热时间对马蹄淀粉含水率的影响

Figure 5 Effect of heating time on the water content and whiteness of water chestnut starch

图6 加热时间对马蹄淀粉酸度、碘蓝值的影响

Figure 6 Effect of heating time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

图7 间歇时间对马蹄淀粉含水率、白度的影响

Figure 7 Effect of intermittent time on the water content and whiteness of water chestnut starch

2.2 马蹄淀粉微波间歇干燥正交试验结果

在单因素试验的基础上，选用L9(34)正交表(表1)，以淀粉的含水率、白度、酸度、碘蓝值为指标，对马蹄淀粉进行四因素三水平正交试验，结果见表2。

图8 间歇时间对马蹄淀粉酸度、碘蓝值的影响

Figure 8 Effect of intermittent time on the acidity and iodine blue value of water chestnut starch

在本试验中，含水率和酸度这2个指标都是越小越好，白度和碘蓝值指标都是越大越好，根据各指标的重要程度对试验结果进行综合评分，使用隶属度来表示指标的分数，隶属FD按式(3)计算：

(3)

式中：

FD——指标隶属；

F——指标值；

FMAX——指标最大值；

FMIN——指标最小值。

指标最大值的隶属度为1，指标最小值的隶属度为0。含水率、白度、酸度、碘蓝值4个指标重要性不一样，需要求出加权和作为综合分数。将含水率、白度、酸度、碘蓝值权重分别取0.5，0.1，0.2，0.2，则每个试验的综合分数=含水率隶属度×0.5+白度隶属度×0.1+酸度隶属度×0.2+碘蓝值隶属度×0.2，综合分最高的最好。由表3可知，试验号7的综合分最高。

表1 正交试验因素与水平表

表2 L9(34)试验设计与结果

根据正交试验结果进行直观分析，得到因素的主次和最优方案，见表4～7。

根据表4～7，运用综合平衡法得到综合的最优方案，具体平衡过程：

(1) 因素A：白度是取A2好，含水率、酸度和碘蓝值3个指标都是以A3为最佳水平；对含水率、白度、酸度和碘蓝值4个指标，A因素是最主要因素，在确定最优水平时应重点考虑。根据多数倾向和A因素对不同指标的重要程度，选取A3。

(2) 因素B：含水率和碘蓝值均是取B1好，白度与酸度均是取B3好；白度和酸度从Ki(ki)可以看出，白度B因素取B1或B3时相差很小，酸度B因素取B1或B3时相差不大；而从极差可以看出，白度为末位的次要因素，含水率和酸度的B因素均为第3位因素，而碘蓝值的B因素为第2位因素，所以根据多数倾向和B因素对不同指标的重要程度，选取B1。

(3) 因素C：含水率和碘蓝值均是取C2好，白度取C3好，从Ki(ki)可以看出，白度C因素取C2与C3时白度相差较小，酸度取C1好。从极差可以看出，碘蓝值的C因素为末位，含水率、白度和酸度3个指标的C因素均排第2位因素，但含水率的极差悬殊最大，应重点考虑，所以根据少数服从多数原则和C因素对不同指标的重要程度，选取C2。

表3 试验结果综合评分表

表4 含水率试验结果分析

表5 白度试验结果分析

表6 酸度试验结果分析

表7 碘蓝值试验结果分析

(4) 因素D：含水率和白度都是取D3好，酸度取D2好，碘蓝值取D1好，从Ki(ki)可以看出，白度D因素取D1与D3时白度相差较小；而从极差可以看出，含水率和酸度指标中的D因素均为末位的次要因素，白度和碘蓝值指标的D因素为第3位的次要因素，根据多数倾向和D因素对不同指标的重要程度，选取D1。

综合上述分析，正交试验的最佳工艺条件为A3B1C2D1，即微波功率210 W，装载量1.47 kg/m2，加热时间14 min，间歇时间0.75 min。

2.3 验证实验

在最佳工艺条件A3B1C2D1下进行验证实验，结果见表8。

表8 最佳工艺验证实验

在最优条件下，微波间歇干燥后的马蹄淀粉含水率10.12%，白度97.5%，酸度0.21 mL，碘蓝值17.90，与正交试验表中最好的第7号作对比，可知最优方案比第7号试验结果更好，所以认为A3B1C2D1是最佳工艺。

3 结论

在单因素试验的基础上，通过正交试验确定马蹄淀粉微波间歇干燥的最佳工艺条件为：微波功率210 W，装载量1.47 kg/m2，加热时间14 min，间歇时间0.75 min。在最优条件下，微波间歇干燥后的马蹄淀粉含水率10.12%、白度97.5%、酸度0.21 mL、碘蓝值17.90。此时含水率达到淀粉安全含水率的标准，白度得到小幅提高，酸度下降，碘蓝值上升，因而综合品质得到提高。

微波间歇干燥作为一种新型干燥方式，干燥时间短、能量利用率高、干后品质较好。该研究结果可以为实际生产中马蹄淀粉微波干燥工艺提供参考依据，并促进传统马蹄淀粉加工业技术的进步和产品品质的提高。

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