山药固体饮料喷雾干燥工艺优化

刘艳，商飞飞，李定金，蔡文，唐小闲，张巧，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.贺州学院食品与生物工程学院，广西贺州542899）

山药又称淮山、山芋、薯蓣、怀山药等，为薯蓣科多年生宿根蔓草植物薯蓣薯的块茎[1]，具有较高的食用和药用价值，富含淀粉、蛋白质、脂肪酸、游离氨基酸及矿质元素等营养成分以及多糖、尿囊素、淀粉酶、胆碱、3，4-二羟基苯乙胺、胆甾醇、多酚氧化酶等多种活性成分[2]，被我国卫生部列入第一批药食兼用资源目录[3]。大量研究表明，山药具有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒、抗突变、降血糖和血脂、调节肠胃等功效，对脾虚久泻、肺虚咳喘、糖尿病、神经系统疾病、心脑血管疾病等具有独特的疗效[4]。

固体饮料是指用食品原辅料、食品添加剂等加工制成的粉末状、颗粒状或块状等，供冲调冲泡饮用的固态制品，可分为风味固体饮料、果蔬固体饮料、蛋白固体饮料、茶固体饮料、咖啡固体饮料、植物固体饮料、特殊用途固体饮料及其他固体饮料8 类[5]。目前固体饮料的加工方法主要有喷雾干燥[6]、真空冷冻干燥[7]、流化床造粒[8]、超微粉碎[9]、热风干燥[10]等。真空冷冻干燥虽可较好地保留产品营养及风味，但投资高、能耗大，应用范围有限；流化床造粒则适合干燥低果汁或不含果汁的原料；超微粉碎温度低、速度快，不产生局部过热现象，适用于果蔬粉的超微细化，可最大限度地保留产品的生物活性成分，产品口感好；而热风干燥适用于非热敏性或含糖分较低的果蔬制品[11-12]。喷雾干燥由于物料受热温度低、时间短，能较好地保留物料的营养及风味成分，常用于高果汁含量液态物料的干燥。干燥时物料可由液体直接得到干燥产品，速度快而避免造成粉尘飞扬；且干燥后的产品具有良好的分散性和溶解性，原料本身的色、香、味和营养成分得到极大保留，特别适合于热敏性物料的干燥。此外，喷雾干燥生产过程简单，操作控制方便[13]，所以在固体饮料加工中的应用最为广泛。

新鲜山药由于水分含量大、不耐贮藏，且收获季节比较集中，极易腐败变质而造成资源浪费，所以对山药加工显得尤为必要。本试验以新鲜山药为原料，β-环糊精为助干剂，利用喷雾干燥技术生产山药固体饮料。研究助干剂含量、进风温度、物料固液比、雾化器转速对山药固体饮料出粉率及品质的影响，确定山药固体饮料喷雾干燥最佳工艺条件，从而为山药固体饮料的生产提供理论基础和技术参考，为保健产品的开发指引了新的方向。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药：品种为麻山药，产自广西贺州八步区；β-环糊精（食品级）：广州市华兴生物化工有限责任公司；食盐（食品级）：四川乐山联峰盐化有限责任公司。

1.2 仪器与设备

精密蠕动泵（BT100-2J）：常州市科健蠕动泵厂；数显高速分散均质机（FJ200-SH）：上海标本模型厂；电子天平（JJ1000）、精密电子天平（BS224S）：常熟市双杰测试仪器厂；冰沙豆浆调理机（JD-322）：广州金达机电设备有限公司；PMB 水分分析仪（MA150）：武汉艾德姆衡器有限公司；高速离心喷雾干燥机（DFRD-5）：无锡市大峰喷雾干燥设备有限公司；全自动色差仪（CR10）：日本美能达有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

山药挑选→清洗→去皮→切片→护色→热烫→打浆→调配→均质→喷雾干燥→成品

1.3.2 操作要点

1）山药挑选：选用无病变、无虫驻、无腐烂的新鲜淮山。

2）清洗：用清水洗去山药表面的泥土、污物。

3）去皮、切片：人工去皮，并将山药切成3 mm～5 mm 的薄片。

4）护色：切好的山药薄片迅速放入0.4%的食盐溶液中护色10 min。

5）热烫：取出护色后的山药薄片于沸水中热烫3 min～4 min。热烫后用自来水冷却至室温25 ℃、沥干。

6）打浆：将沥干后的山药薄片放入打浆机中，按一定的物料固液比加入蒸馏水后打浆。

7）调配：将山药浆液加入助干剂（β-环糊精）进行调配，并用玻璃棒搅拌均匀。

8）均质：调配后的山药浆液在6 000 r/min 下均质10 min，至料液体系均匀稳定。

9）喷雾干燥：均质好的山药浆液进行喷雾干燥试验，固定进料流量15 mL/min。喷雾干燥后用密封包装袋进行包装，存放于干燥密封处。

1.3.3 喷雾干燥工艺单因素试验

1.3.3.1 助干剂含量对山药固体饮料出粉率及品质的影响

以鲜山药质量的2%、4%、6%、8%、10%分别添加助干剂于山药浆液中进行调配，在进风温度190 ℃，物料固液比 1 ∶1（g/mL），雾化器转速 18 000 r/min 的条件下进行喷雾干燥，研究助干剂含量对山药固体饮料的出粉率、水分含量、堆积密度、色泽和感官状态的影响。

1.3.3.2 进风温度对山药固体饮料出粉率及品质的影响

设置进风温度分别为 160 、170、180、190、200 ℃，在物料固液比为1 ∶1（g/mL），助干剂含量为鲜山药质量的8%，雾化器转速18 000 r/min 的条件下进行喷雾干燥，研究进风温度对山药固体饮料的出粉率、水分含量、堆积密度、色泽和感官状态的影响。

1.3.3.3 物料固液比对山药固体饮料出粉率及品质的影响

分别配制物料固液比 1 ∶1、1 ∶2、1 ∶3、1 ∶4、1 ∶5（g/mL）的 5 种浆液，在进风温度 190 ℃，助干剂含量为鲜山药质量的8%，雾化器转速18 000 r/min 的条件下进行喷雾干燥，研究物料固液比对山药固体饮料的出粉率、水分含量、堆积密度、色泽和感官状态的影响。

1.3.3.4 雾化器转速对山药固体饮料出粉率及品质的影响

设置雾化器转速分别为17 000、18 000、19 000、20 000、21 000 r/min，按物料固液比为 1 ∶3（g/mL），进风温度190 ℃，助干剂含量为鲜山药质量的8 %的条件下进行喷雾干燥，研究雾化器转速对山药固体饮料的出粉率、水分含量、堆积密度、色泽和感官状态的影响。

1.3.4 正交试验设计

在单因素试验的基础上，以助干剂含量、进风温度、物料固液比、雾化器转速4 个因素，以出粉率为指标设计正交试验L9（34），确定山药固体饮料喷雾干燥最优工艺条件，正交试验因素水平见表1。

表1 山药固体饮料喷雾干燥正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test of spray drying for yam solid beverage

1.4 指标测定

1.4.1 出粉率测定

参照任广跃等[14]和陈启聪等[15]的方法测定山药固体饮料的出粉率，其计算公式为：

式中：M0为喷雾干燥后山药固体饮料的质量，g；M1为喷雾干燥前鲜山药的质量，g；M2为喷雾干燥前加入助干剂的质量，g。

1.4.2 堆积密度测定

堆积密度是指样品容易散开程度，堆积密度越小越容易散开，颗粒抱团情况越小，样品流动性越高，更易于溶解在水中[16-17]。将山药固体饮料装入25 mL 容量瓶中并振实，直至山药固体饮料填充至容量瓶刻度。山药固体饮料的堆积密度（d）计算公式如下：

式中：W0为容量瓶质量，g；W1为山药固体饮料和容量瓶的总质量，g。

1.4.3 水分含量测定

取0.5 g～1.0 g 干燥后样品放入快速PMB 水分分析仪中进行水分含量测定。

1.4.4 色泽测定

使用全自动色差计测定山药固体饮料的色泽。采用 CIELAB 系统，L*为明度指数，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色[18]。

1.4.5 感官状态

观察喷雾干燥器喷粉后内壁是否有粘壁、糊焦，以及得到的山药固体饮料是否有结块现象，其中粘壁程度（轻→重）：几乎无粘壁→较轻微粘壁→轻微粘壁→较重粘壁→严重粘壁。

1.5 数据处理

采用Excel 软件进行数据的处理，Origin 2017 软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 助干剂含量对山药固体饮料出粉率及品质的影响

不同助干剂含量对山药固体饮料出粉率及品质的影响分别见图1 和表2。

图1 助干剂含量对山药固体饮料出粉率的影响Fig.1 Effect of drying aid content on the flour yield of yam solid beverage

由图1 可知，山药固体饮料的出粉率随助干剂含量的增加而逐步上升，但助干剂添加量到达8%后，山药固体饮料出粉率变化不大，助干剂含量为10%的出粉率相对于助干剂添加量8%的出粉率增长不明显。这是因为助干剂能促进产品干燥；但当添加到一定量后促干效果不明显，且过量时会影响产品风味及外观品质等。

表2 助干剂含量对山药固体饮料品质的影响Table 2 Effect of drying aid content on the quality of yam solid beverage

由表2 可以看出，助干剂含量对山药固体饮料的堆积密度、水分含量和感官状态的影响显著，对L*值影响不显著。随助干剂含量的增大，堆积密度先降低后上升；水分含量逐渐降低，并趋于稳定；山药固体饮料粘壁现象减轻。根据国家标准GB/T 29602-2013《固体饮料》规定，固体饮料水分含量应不高于7.0%[5]。综上所述，助干剂添加量为8%，能达到加速干燥和防止粘壁的作用，且山药固体饮料品出粉率高，品质好。

2.1.2 进风温度对山药固体饮料出粉率及品质的影响

不同进风温度对山药固体饮料出粉率和品质的影响分别见图2 和表3。

图2 进风温度对山药固体饮料出粉率的影响Fig.2 Effect of inlet air temperature on the flour yield of yam solid beverage

由图2 可知，当进风温度在160 ℃～190 ℃时，山药固体饮料出粉率随进风温度升高而增大，并在190 ℃时达到最大，随后进风温度升高，出粉率降低。这是因为进风温度太低，不足以使全部液滴在干燥室内完全干燥，物料干燥不充分，出现粘壁现象，导致出粉率低[19]；而进风温度过高时，料液中的糖类物质会发生焦糖化反应，产生热熔挂壁的现象，出粉率降低，且产品有焦糊的现象而影响品质。

表3 进风温度对山药固体饮料品质的影响Table 3 Effect of inlet air temperature on the quality of yam solid beverage

由表3 可以看出，进风温度越高，堆积密度越小，水分含量越少，山药固体饮料的流动性越好。L*值随进风温度升高呈先升后降趋势，190 ℃时达到最大值，说明此进风温度下的山药固体饮料色泽最好。因此，进风温度太高会使山药固体饮料的颜色泛黄甚至产生焦糊味，综合考虑出粉率、堆积密度、水分含量、L*值和感官状态，进风温度控制在190 ℃为宜。

2.1.3 物料固液比对山药固体饮料出粉率及品质的影响

不同物料固液比对山药固体饮料出粉率和品质的影响分别见图3 和表4。

图3 物料固液比对山药固体饮料出粉率的影响Fig.3 Effect of material solid-liquid ratio on the flour yield of yam solid beverage

由图3 可知，山药固体饮料出粉率随水体积增大呈先增后降趋势，并在物料固液比为1 ∶3（g/mL）处达到最大。这是因为浆液太黏稠会不利于喷雾，浆液太稀意味着加水多，料液黏度降低，喷雾效果较好，但也会增加喷雾过程中水分蒸发量，增加干燥时间和生产成本[20]。当物料固液比为 1 ∶1（g/mL）～1 ∶3（g/mL）时，物料黏稠、不易流动性，且易堵塞喷嘴，喷粉效果较差。在物料固液比1 ∶3（g/mL）时，喷粉效果好、出粉率最高，达17.51%。

表4 物料固液比对山药固体饮料品质的影响Table 4 Effect of material solid-liquid ratio on the quality of yam solid beverage

由表4 可知，物料固液比对山药固体饮料的水分含量、色泽和感官状态有影响，但对堆积密度的影响不大。当物料固液比为 1 ∶1（g/mL）～1 ∶2（g/mL）时，产品感官状态较好，但L*值较低，山药固体饮料颜色较暗；当物料固液比为1 ∶3（g/mL）时，产品堆积密度和水分含量均较低，L*值较高，粘壁现象轻微；当物料固液比 1 ∶4（g/mL）～1 ∶5（g/mL）时，因为料液中含水量大，粘壁现象逐渐加重，产品干燥不充分、含水量较大，影响保存期。综合考虑，物料固液比选择1 ∶3（g/mL）。

2.1.4 雾化器转速对山药固体饮料出粉率及品质的影响

不同雾化器转速对山药固体饮料出粉率和品质的影响分别见图4 和表5。

图4 雾化器转速对山药固体饮料出粉率的影响Fig.4 Effect of atomizer speed on the flour yield of yam solid beverage

图4 可以看出，雾化器转速对山药固体饮料出粉率影响较为显著，随着雾化器转速的升高，山药固体饮料出粉率呈先增加后降低，在雾化器转速为19 000 r/min 时，出粉率最大，为16.76%。

表5 雾化器转速对山药固体饮料品质的影响Table 5 Effect of atomizer speed on the quality of yam solid beverage

由表5 可知，山药固体饮料的堆积密度和水分含量随着雾化器转速的升高而降低；雾化器转速对产品色泽L*值影响不大。这是由于雾化器转速增大，物料雾化成的液滴尺寸变小，水分能更好的蒸发完全，干燥越充分，产品粘壁现象减轻。综合考虑出粉率、堆积密度、水分含量、L*值和感官状态，雾化器转速选择19 000 r/min。

2.2 正交试验结果

根据单因素试验结果基础上，以助干剂含量、进风温度、物料固液比、雾化器转速4 个因素，以出粉率为评价指标，进行L9（34）正交试验，正交试验结果见表6。

表6 山药固体饮料喷雾干燥正交试验结果Table 6 Results of orthogonal experiment

由表6 可以看出，影响山药固体饮料出粉率的主次顺序为：C＞D＞B＞A，即物料固液比＞雾化器转速＞进风温度＞助干剂含量。山药固体饮料喷雾干燥最佳工艺条件为A2B1C3D3，即助干剂含量8%，进风温度为180 ℃，物料固液比为 1 ∶4（g/mL），喷雾转速为 20 000 r/min。由于正交试验中未出现最优组合，因此对山药固体饮料喷雾干燥最佳工艺条件进行3 次验证试验，结果取其平均值，得到山药固体饮料平均出粉率为20.15%，高于正交试验中各组合。所得到的山药固体饮料呈白色，无结块，口感佳，山药气味浓郁，堆积密度0.574 6 g/mL，水分含量4.89%，色泽L*值95.37。

3 结论

本试验以新鲜山药为原料，在单因素试验的基础上，通过正交试验优化山药固体饮料喷雾干燥的最佳工艺条件。结果表明，对山药固体饮料出粉率影响的主次顺序为：物料固液比（C）＞雾化器转速（D）＞进风温度（B）＞助干剂含量（A）；山药固体饮料喷雾干燥的最佳工艺条件为：助干剂含量8%，进风温度180 ℃，物料固液比 1 ∶4（g/mL），雾化器转速 20 000 r/min，在该工艺条件下，山药固体饮料出粉率为20.15%，堆积密度0.574 6 g/mL，水分含量4.89%，色泽L*值95.37，山药固体饮料呈白色，质地光滑，山药气味浓郁。喷雾干燥制备的山药固体饮料品质佳，且生产成本较低、效率高，具有广阔的市场应用前景。