正交试验优化喷雾干燥工艺制备香菇粉

李双，赵赟，陈志周，孙剑锋，刘亚琼，庄梦晴，牟建楼*

(1.河北农业大学 食品学院，河北 保定 071000；2.邯郸职业技术学院 食品与生物工程系，河北 邯郸 056000)

香菇是食药两用菌，有“山珍”的美誉，在中国的产量居世界前列[1]。香菇营养丰富，蛋白质含量高，氨基酸种类齐全，并且鲜味氨基酸含量占氨基酸总量的40%以上[2]，此外，香菇精、香菇醇等芳香物质赋予香菇独特的风味，其还富含香菇多糖等活性成分[3]。鲜香菇质地细嫩，水分含量多，容易产生开伞、菌褶褐变、菇体萎缩等，不利于长期保存[4]。因此，对香菇进行干制，延长其贮藏期非常重要，目前市场所见香菇干制品为烘干或者自然晾干的香菇。

喷雾干燥是将原料液分散成雾滴，并与热空气接触，进行传热、传质获得粉状产品的一种加工过程[5]。喷雾干燥过程物料受热时间短、料温低，物料的营养与风味能得到较好的保留，得到的产品粒度小而均匀，分散性和溶解性较好[6-8]。

喷雾干燥已经广泛应用于奶粉加工，目前已有关于喷雾干燥制备谷物、果蔬粉以及调味品等的报道[9-15], 但对于喷雾干燥香菇粉的报道较少，因而本研究以干香菇为原料，研究喷雾干燥工艺条件对集粉率、香菇粉持水力和持油率的影响，优化喷雾干燥参数，为喷雾干燥法制备香菇粉提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

干香菇：购于保定市超市；麦芽糊精：食用级，市售。

1.2 试验设备及器材

SD-1000喷雾干燥机 日本东京理化株式会社；PAL-α手持式数字折光仪 日本ATAGO；不锈钢立式胶体磨 广州晋丰轻工机械设备有限公司；Neofuge15R高速冷冻离心机 上海力申科学仪器有限公司。

1.3 工艺流程

原料→除去菌柄→清洗→浸泡→水煮→切丁→打浆→过滤→磨浆→添加麦芽糊精→喷雾干燥→香菇粉。

1.4 试验方法

1.4.1 单因素试验设计

分别研究进风温度(160，170，180，190，200 ℃)、输液泵转速(45，50，55，60，65 r/min)、热空气流量(0.08，0.13，0.18，0.23，0.28 m3/min)、麦芽糊精添加量(30%、40%、50%、60%、70%、按照香菇浆液可溶性固形物计算)对喷雾干燥出粉率的影响。以出粉率为指标，试验重复3次，互为对照。

1.4.2 正交试验设计

根据单因素试验结果，选择进风温度、热空气流量、输液泵转速、麦芽糊精添加量进行四因素三水平正交试验，以出粉率、持水力、持油力作为评价指标。正交试验因素水平表见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal test factors and levels

1.5 试验结果测定方法

1.5.1 出粉率

出粉率(%)=(收集的香菇粉重量/浆料中可溶性固形物含量)×100。

1.5.2 持水力和持油力

参照杨德等的方法进行测定[16]。

1.6 数据统计分析方法

采用SPSS 20.0统计软件进行数据统计学分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 进风温度对香菇出粉率的影响

进风温度对香菇出粉率的影响见图1。

图1 进风温度对香菇出粉率的影响Fig.1 Effect of inlet air temperature on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由图1可知，香菇粉的出粉率随着温度的升高呈现先升高后降低的趋势。经方差分析，差异显著性水平=0.004(p<0.01)，表明进风温度对香菇出粉率影响极显著，确定进风的适宜温度为190 ℃。

在160，170 ℃时，温度较低，浆料在干燥机内没有进行充分干燥，导致香菇粉粘壁严重，从而使喷雾干燥得到的香菇粉较少。随着温度的升高，浆料在干燥机内逐渐充分干燥，从而使得出粉率升高。在温度为190 ℃时，出粉率最高；高于190 ℃后，浆料表层的水分蒸发很快，在表面形成硬壳，从而阻截了浆料内部水分的蒸发和扩散，从而使得内部的水分含量增加，内部压力也会增大，导致粉粒裂开，水分向外扩散，使得粉粒变潮，粉粒遇到干燥机的内壁会粘附在上面，形成粘壁现象，由于温度再次升高，粘附在干燥机内壁的粉粒甚至会出现焦糊现象，导致出粉率降低。

2.1.2 输液泵转速对香菇出粉率的影响

输液泵转速对香菇出粉率的影响见图2。

图2 输液泵转速对香菇出粉率的影响Fig.2 Effect of infusion pump rotating speed on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由图2可知，香菇粉的出粉率随着输液泵转速的升高呈现先升高后降低的趋势。经方差分析，差异显著性水平显著性=0.007(p<0.01)，表明输液泵转速对香菇出粉率影响极显著，确定输液泵的适宜转速为55 r/min。

输液泵转速较低时，进入喷雾干燥机的浆料速度较小。在输液泵转速为55 r/min时，出粉率最高。随着输液泵转速的增加，即进料流量增加，料液被雾化的雾滴的体积增大，然而喷雾干燥机供应的热量一定，有很多雾滴没有被完全干燥，水分蒸发也不完全。严重时浆料不能形成雾滴，水分只有一小部分被蒸发，浆液直接被“吹”至壁的表面，从而出现粘壁的现象。另外，进料流量的增加会引起雾滴的变大，喷雾干燥所需的时越多，粘壁现象更容易发生。以上两个方面对于出粉率下降有很大的影响。

2.1.3 热空气流量对香菇出粉率的影响

热空气流量对香菇出粉率的影响见图3。

图3 热空气流量对香菇出粉率的影响Fig.3 Effect of hot air flow on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由图3可知，香菇粉的出粉率随着热空气流量的升高呈现先升高后降低的趋势。经方差分析，差异显著性水平显著性=0.002(p<0.01)，表明热空气流量对香菇出粉率影响极显著，确定热空气的适宜流量为0.18 m3/min。

当热空气流量为0.08 m3/min时，雾滴形成不充分，严重时有粘壁的现象，导致出粉率较低。当热空气流量逐渐增加时，浆料逐渐能够充分形成雾滴，粘壁情况有所减轻。当热空气流量为0.18 m3/min时，出粉率最高。当进风量太高时，液滴可能随着热空气粘附在干燥机壁上，随尾气流出的香菇粉增多，从而使得产品的出粉率显著减小。

2.1.4 麦芽糊精添加量对香菇出粉率的影响

麦芽糊精添加量对香菇出粉率的影响见图4。

图4 麦芽糊精添加量对香菇出粉率的影响Fig.4 Effect of the additive amount of maltodextrin on the powder extraction rate of Lentinus edodes

由图4可知，香菇粉的出粉率随着麦芽糊精添加量的升高而呈现升高的趋势。经方差分析，差异显著性水平显著性=0.003(p<0.01)，表明麦芽糊精的添加量对香菇出粉率影响极显著，并且通过SPSS软件对数据进行分析，麦芽糊精的添加量在50%、60%、70%时，出粉率的差异不显著。麦芽糊精是喷雾干燥中常用的，麦芽糊精的添加能够降低物料的粘壁现象，从而提高出粉率。但是随着麦芽糊精添加量的增多，喷雾干燥香菇粉中香菇成分所占比例会降低，香菇粉的颜色也随之变浅。综合考虑以上两个方面，确定麦芽糊精的适宜添加量为50%。

2.2 正交试验数据分析

香菇粉喷雾干燥正交试验的极差分析结果见表2～表4，正交试验方差分析结果见表5。

2.2.1 极差分析

2.2.1.1 喷雾干燥条件对出粉率的影响

表2 香菇粉喷雾干燥正交试验出粉率结果表Table 2 Powder extraction rate results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

由表2可知，进风温度、输液泵转速、热空气流量、麦芽糊精添加量对出粉率的影响大小不同，依次为C>A>D>B，即热空气流量>进风温度>麦芽糊精添加量>输液泵转速，出粉率较高的工艺参数为A2B2C3D1，即进风温度190 ℃、输液泵转速55 r/min、热空气流量0.23 m3/min、麦芽糊精的添加量40%。

2.2.1.2 喷雾干燥条件对持水力的影响

表3 香菇粉喷雾干燥正交试验持水力结果表Table 3 Water-holding capacity results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

续 表

由表3可知，进风温度、输液泵转速、热空气流量、麦芽糊精添加量对持水力的影响大小不同，依次为A>B>C>D，即进风温度>输液泵转速>热空气流量>麦芽糊精添加量，出粉率较高的工艺参数为A3B3C3D2，即进风温度200 ℃、输液泵转速60 r/min、热空气流量0.23 m3/min、麦芽糊精添加量50%。

2.2.1.3 喷雾干燥条件对持油力的影响

表4 香菇粉喷雾干燥正交试验持油力结果表Table 4 Oil holding capacity results of orthogonal test for Lentinus edodes powder spray drying

由表4可知，进风温度、输液泵转速、热空气流量、麦芽糊精添加量对持油力的影响大小不同，依次为A>D>C>B，即进风温度>麦芽糊精添加量>热空气流量>输液泵转速，出粉率较高的工艺参数为A2B1C3D2，即进风温度190 ℃、输液泵转速50 r/min、热空气流量0.23 m3/min、麦芽糊精添加量50%。

2.2.2 方差分析

表5 正交试验方差分析表Table 5 Variance analysis of orthogonal test

由表5可知，进风温度对出粉率、持水力、持油力影响均极显著。对进风温度而言，出粉率最高时为190 ℃，持水力最高时为200 ℃，持油力最高时为190 ℃，若3个指标统一选择190 ℃，则持水力减少7.04%。若3个指标统一选择200 ℃，则出粉率减少7.06%，持油力减少7.21%。考虑生产成本，最终选择最适宜进风温度为190 ℃。

输液泵转速对出粉率的影响不显著，对持水力、持油力的影响均极显著。对输液泵转速而言，出粉率最高时为50 r/min，持水力最高时为55 r/min，持油力最高时为45 r/min，由SPSS软件分析，B2、B3条件下持水力无显著差异，B2、B1条件下持油力无显著差异，考虑生产成本，最终选择最适宜输液泵转速为50 r/min。

热空气流量对出粉率、持水力、持油力的影响均极显著。对热空气流量而言，出粉率、持水力、持油力最高时均为0.23 m3/min，最终选择最适宜热空气流量为0.23 m3/min。

麦芽糊精的添加量对出粉率、持水力和持油力的影响均极显著。对麦芽糊精的添加量而言，出粉率最高时为40%，持水力最高时为50%，持油力最高时为50%，由SPSS软件分析，D1、D2条件下出粉率无显著差异。若3个指标统一选择添加量40%，则持水力减少2.14%，持油力减少7.56%。若3个指标统一选择添加量50%，则出粉率减少0.73%。综合考虑，最终选择最适宜麦芽糊精的添加量为50%。

2.3 验证试验

综合极差分析和方差分析，最优工艺参数为A2B2C3D2，即进风温度190 ℃、输液泵转速55 r/min、热空气流量0.23 m3/min、麦芽糊精添加量50%时。以此参数进行验证试验，得到的出粉率为37.65%，持水力为232.83 g/100 g，持油力为189.58 g/100 g。试验数据均优于正交试验数据。

3 结论

通过单因素试验以及正交试验，基本确定了香菇粉加工工艺参数的最优组合，对食品加工过程具有一定的参考作用。根据单因素试验和正交试验结果显示：对出粉率、持水力、持油力3个评价指标而言，综合考虑，当工艺参数为进风温度190 ℃、输液泵转速55 r/min、热空气流量0.23 m3/min、麦芽糊精的添加量为50%时，香菇粉的综合品质均为最优。