香葱粉喷雾干燥工艺优化

赵 磊，楚文靖,*，姜 薇，叶双双

（1.黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041；2.黄山学院旅游学院，安徽 黄山 245041）

香葱属于百合科葱属植物，是日常膳食必备的调味品。香葱不仅风味辛香、营养丰富，还具有一定的抗氧化[1]、抗肿瘤[2]、抑菌[3]、降血脂[4]等作用。脱水香葱作为方便食品和休闲食品的调味料，在国内外具有广阔的市场。目前，研究报道的香葱干燥技术有热风干燥[5]、微波干燥[6]、真空冷冻干燥[7]、催化式红外干燥[8]等。

喷雾干燥是食品工业用于果蔬粉生产的常用干燥方式之一，如山药粉[9]、慈姑粉[10]、乳酸发酵芥菜调味粉[11]等。喷雾干燥工艺参数的选择直接影响到产品的出粉率和品质。因此本研究以香葱为原料，在单因素试验的基础上，通过响应面法优化了香葱粉的喷雾干燥工艺参数，以期为香葱粉的连续化生产和应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

新鲜香葱：购于黄山市屯溪区万贯家园菜市场；麦芽糊精：食品级，河南万邦实业有限公司，购于京东商城。

1.1.2 仪器与设备

ADL-311 型喷雾干燥器，AD500S-P 试验室分散均质机，HX-PB9636 型破壁料理机，A2124CN 型电子天平，DZ500/2S 型真空包装机。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

原料挑选→清洗→沥干→切分→与水按照比例混合→置于破壁机初步粉粹→加8%的麦芽糊精（助干剂）→分散均质机均质→过滤→喷雾干燥→真空包装→成品

1.2.2 操作要点及注意事项

喷雾干燥时，在进料液之前先进一段时间的纯净水，清洗喷嘴以及管道。每组试验结束后都要将喷雾干燥机进行清洗，防止不同组的料液和香葱粉互相混合污染。喷雾干燥得出的香葱粉，应当及时进行真空包装，防止香葱粉吸湿。

1.2.3 助干剂的选择

蔬菜中有许多糖类和有机酸，这些小分子物质使喷雾干燥过程发生粘壁现象，贮藏过程中产品具有高吸湿性和结块性，对喷雾干燥具有不利的影响，加入助干剂可以有效缓解这一现象。麦芽糊精因其具有高玻璃化转变温度、无味、价格低廉，常常添加到果粉中以提高粉体的流动性，减少吸湿结块现象[12-13]。另外，麦芽糊精特有的中空结构可以作为微胶囊的壁材，有效提高香味成分耐氧、耐光的能力，保护并截留香葱中有效的香味成分[14]。因此本研究选用麦芽糊精为助干剂，一方面可以减少喷雾干燥过程中粘壁的现象，另一方面可以起到保护香葱中挥发性成分的作用。

1.2.4 喷雾干燥单因素试验设计

1.2.4.1 料液浓度范围的确定

分别准确配比10%、20%、30%、40%、50%浓度的香葱溶液，并且加入总质量8%的麦芽糊精作为助干剂，进口温度120 ℃，热空气流量0.43 m3/min 进行喷雾干燥，计算喷雾干燥香葱粉得率，筛选适宜的料液浓度范围。

1.2.4.2 进口温度范围的确定

通过调节喷雾干燥机的进口温度分别为80、100、120、140、160 ℃，将进料浓度调配到 40%，热空气流量0.43 m3/min 的条件下进行喷雾干燥，计算喷雾干燥香葱粉得率，筛选适宜的进口温度范围。

1.2.4.3 热空气流量范围的确定

通过调节进风量档位分别为 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，分别对应的平均进风量为 0.12、0.19、0.32、0.43、0.50、0.57 m3/min，将料液浓度固定在 40%，进口温度120 ℃下进行喷雾干燥，计算喷雾干燥香葱粉得率，筛选适宜的热空气流量范围。

1.2.5 响应面试验设计

结合单因素试验结果，以香葱粉的得率（R）为响应值，采用响应面试验对喷雾干燥的料液浓度、进口温度和热空气流量3 个影响得率的因素进行考察优化，响应面试验水平编码见表1。

表1 Box-Behnken 设计水平编码表Table 1 Factors and levels for Box-Behnken design

1.2.6 香葱粉得率的测定

得率（%）=喷雾干燥制得的香葱粉质量/(新鲜香葱质量+麦芽糊精质量）×100

1.2.7 数据处理

每组试验3 次重复，结果取其平均值。采用Design Expert v8.0 软件进行响应面试验设计、数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液浓度对香葱粉得率的影响

如图1 所示，在料液浓度为30%时，香葱粉得率最高，为25.7%，料液浓度从10%增加到30%时，香葱粉得率逐渐增大，这是因为料液中水的比例在逐渐减少。而料液浓度从30%增加到50%时，香葱粉的得率反而降低，这是因为料液浓度过大时，黏度也相应地增高，不利于喷雾干燥过程中料液的雾化，从而使料液与热空气的接触面积减少，降低干燥效率。因此选取25%、30%、35%作为响应面分析时料液浓度因素的3 个水平为宜。

2.1.2 进口温度对香葱粉得率的影响

如图2 所示，当进口温度140 ℃时，喷雾干燥具有最高的得粉率。进口温度低于140 ℃时，升温对于喷雾干燥得率是有利的影响，这是因为温度的升高，可以增加水分的蒸发速率，促进喷雾干燥过程的进行，提高喷雾干燥的效率。而进口温度从140 ℃增加到160 ℃时，喷雾干燥香葱粉的得粉率反而下降，这是因为过高的温度一方面增加料液在喷嘴处发生焦糊现象的可能，会堵塞喷嘴，另一方面温度的升高会伴随料液黏度及麦芽糊精黏度的增加，阻挡料液的雾化过程，使得料液喷雾干燥效率降低。因此选取130、140、150 ℃作为响应面分析中进口温度的3 个水平为宜。

2.1.3 热空气流量对香葱粉得率的影响

如图3 所示，在热空气流量档位为4.0（对应的热空气流量为0.32 m3/min）时，喷雾干燥所得香葱粉的得率最高，为26.2%。在热空气流量档位为3.0、3.5、4.0 时，随着热空气流量的增加，得率逐渐增加，这是由于热空气流量的增加不仅能够使对流换热系数增大，而且能够增加干燥空气与食品接触的频率，从而能够吸收和带走更多的水分，提高喷雾干燥的效率。当热空气流量档位大于4.0 时，热空气流量的增加反而使香葱粉得率降低，分析这是因为热空气流量过高，使得干燥空气的流速过高，香葱粉在干燥腔中完成干燥后，在旋风部并未到达收集瓶中，而是随着干燥空气排出到环境中，造成香葱粉的损失，引起喷雾干燥的效率降低。因此选取热空气流量档位分别为3.5、4.0、4.5（所对应的热空气流量分别为0.19、0.32、0.43 m3/min）作为响应面试验的 3 个水平为宜。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面分析试验设计

在单因素试验的基础上，以料液浓度、进口温度、热空气流量为主要影响因素，得率为响应值得到响应面分析结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Design and results of response surface experiments

2.2.2 回归模型方差分析及显著性检验

采用Design Expert v8.0 软件对表2 的试验数据进行分析多元非线性回归分析，得到A料液浓度、B进口温度、C平均干燥空气进量对香葱粉得率R的拟合方程：

R=30.06+0.95A+0.86B+1.24C-0.43AB-0.33AC-0.50BC-2.06A2-2.78B2-1.83C2

对该模型进行方差分析，各项回归系数及其显著性结果如表3～4 所示。

表3 回归模型的方差分析及显著性检验Table 3 The variance analysis and significance test of regression model for yield

表4 回归模型方差分析Table 4 The variance analysis of regression model

由表3 可见，此拟合方程模型的P＜0.01，表明此模型极显著，A、B、C、A2、B2、C2的P值均小于 0.01，说明料液浓度、进口温度和热空气流量对香葱粉得率的影响极显著。根据表4 可以看到，该模型对喷雾干燥香葱得率的拟合度为0.979 2，校正拟合度为0.952 4，说明该模型能够解释95.24%的响应曲面的变化，拟合程度较高，可以用来预测香葱粉的得率。

2.2.3 各因素的交互作用对香葱粉得率的影响分析

响应面中两个因素交互作用的强弱可以根据等高线的形状反应，椭圆形表示两个因素交互作用强，圆形则表示交互作用较弱。通过固定一个因素，可以分析另外两个因素的交互作用。对图4～6 进行分析可知，进口温度在135～145 ℃，料液浓度在30%～32.5%，热空气流量在3.5～4.5 可以获得较高的喷雾干燥香葱粉的得率，进一步验证了单因素分析的结果。

当固定热空气流量水平为0（实际值为0.32 m3/min）时，由图4 可见，随着料液浓度和进口温度的增加，香葱粉得率先增加后减少，说明存在进口温度和料液浓度的最佳组合，可使得得率最高。且料液浓度相较于进口温度使得率变化更加明显，即料液浓度更能够影响香葱粉的得率。将进口温度固定在140 ℃，料液浓度固定在30%时，香葱粉的得率不低于30%。

当固定进口温度水平为0（实际值为140 ℃）时，由图5 可见，随着热空气流量和料液浓度的增加，喷雾干燥香葱粉的得率先增加后减少。且热空气流量相比较于料液浓度对得率的影响更加显著，在料液浓度固定在30%，热空气流量在0.32 m3/min，喷雾干燥香葱粉得率不低于30%。

当固定料液浓度水平在0（实际值为30%）时，由图6 可见，随着进口温度和热空气流量的增加，香葱粉的得率先增加后减少，说明存在可使得率最高的进口温度和热空气流量组合。且进口温度比热空气流量对得率的影响更加显著。当热空气流量在0.32 m3/min，进口温度在140 ℃时，香葱粉的得率不低于30%。

2.3 喷雾干燥香葱粉得率的工艺优化及验证

根据Design Expert v8.0 软件的优化结果可知，当料液浓度31%，进口温度141 ℃，喷雾干燥机的平均进风量示数为4.1 时，可得到理论值为30.4%的香葱粉得率。为了验证响应面优化的结果，同时考虑实际试验操作的可行性，将试验条件确定为：料液浓度30%，进口温度140 ℃，热空气流量0.32 m3/min（对应进风量档位为4.0）。采用上述优化条件进行喷雾干燥试验，所得香葱粉得率为30.9%，与预测值基本一致。说明响应面优化的结果具有可行性和良好的重现性。

3 结论

以市售香葱为原料，以料液浓度、进口温度、热空气流量为影响因素，以喷雾干燥香葱粉得率为响应值，进行香葱粉喷雾干燥工艺的响应面分析，并建立了回归方程。结合生产实际得到优化的最佳工艺条件为：料液浓度30%，进口温度140 ℃，热空气流量0.32 m3/min（对应进风量档位为4.0），在此条件下香葱粉的得率为30.9%，得到的香葱粉淡绿色，分散性好，并保留了香葱特有的气味。