喷雾干燥法制备山药大果山楂固体饮料

刘艳 ，唐美玲 ，蔡文 ，商飞飞 ，李定金 ，段振华

1. 贺州学院食品与生物工程学院（贺州 542899）；2. 贺州学院食品科学与工程技术研究院（贺州 542899）；3. 广西果蔬保鲜和深加工研究人才小高地（贺州 542899）；4. 大连工业大学食品学院（大连 116034）

山药富含淀粉、多糖、蛋白质、黏液质和淀粉酶等成分，并含有人体必需的微量元素，营养价值和药用价值极高[1]，具有调节免疫力、调节肠胃功能、抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、降血脂等药用功效[2]。新鲜山药由于水分含量高而容易腐烂，所以对山药的加工显得尤为重要。大果山楂属于南山楂的一种，由小果南山楂经选育嫁接而成，是我国特有的药果兼用树种，在广西地区多有种植[3]。大果山楂果皮青绿色，果肉黄白色，肉质细嫩、脆爽，因其富含黄酮、多酚、三萜、多糖等成分，具有抗氧化、抗癌细胞增殖、抗肿瘤、降血压、降血脂、护肝、提高免疫力等作用[4-7]。大果山楂含水量高，易褐变和腐烂，对其深加工可延长保质期，提高产品附加值。

固体饮料因风味独特、携带方便、保存容易、营养丰富、便于冲调饮用等特点，深受消费者的喜爱。近年来，固体饮料行业发展迅猛，而且随着时代的变化，消费观念的转变，固体饮料也正朝保健型、复合果蔬风味型的方向发展[8]。目前，加工固体饮料的方法主要有热风干燥、喷雾干燥、真空冷冻干燥、超微粉碎、流化床造粒等[9-10]。其中，喷雾干燥法能很好地保留原料的营养和风味成分，且固体饮料的溶解性和分散性较好，常用于高果汁含量液态物料的干燥，特别适合干燥热敏性物料[11]。另外，喷雾干燥法操作简便，容易实现工业化生产，故被广泛应用于固体饮料加工中[12-13]。

此次试验以山药和大果山楂为原料，β-环状糊精为助干剂，采用喷雾干燥法制备新型复合固体饮料，通过单因素试验结合正交试验优化喷雾干燥法加工山药大果山楂固体饮料的工艺条件，以期为山药大果山楂固体饮料的生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山药、大果山楂（由广西贺州正丰现代农业股份有限公司提供）；白砂糖（食品级，佛山市层层高食品有限公司）；食盐（食品级，孝感广盐华源制盐有限公司）；卵磷脂、β-环状糊精（食品级，河北万利达生物科技有限公司）。

1.2 仪器与设备

数显高速分散均质机（FJ200-SH型，上海标本模型厂）；豆浆沙冰调理机（JD-322型，广州金达机电设备有限公司）；水分测定仪（MA150型，德国赛多利斯股份有限公司）；全自动色差仪（CR10型，日本美能达有限公司）；电子天平（JJ1000型，常熟市双杰测试仪器厂）；高速离心喷雾干燥机（DFRD-5型，无锡市大峰喷雾干燥设备有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

原料选择→清洗→去皮、切片→护色→混合打浆→调配→均质→喷雾干燥→成品

1.3.2 操作重点

1) 原料选择、清洗：选择无褐变、无机械损伤的新鲜大果山楂和山药，采用流动水清洗，去除表面污垢并沥干。

2) 去皮、切片：山药和大果山楂采用人工去皮，并去掉大果山楂果核，再将山药和大果山楂均切成3～5 mm薄片。

3) 护色：山药薄片和大果山楂薄片均在0.5%食盐溶液中进行10～15 min护色处理。

4) 混合打浆：将等质量的山药薄片和大果山楂薄片置于调理机中，加入一定量的蒸馏水，接着进行混合打浆8 min。

5) 调配、均质：山药大果山楂混合浆液中加入1.0%卵磷脂、2.0%白砂糖和一定量的β-环状糊精进行调配，然后以6 000 r/min均质12 min。

6) 喷雾干燥：设定雾化器转速20 000 r/min，进行混合浆液喷雾干燥试验。

7) 成品：喷雾干燥所得固体饮料成品易吸湿受潮，故冷却至室温后及时装入密封包装袋，放于干燥、密闭处保存。

1.3.3 单因素试验

1) 物料固液比对喷雾干燥效果的影响：固定进风温度180 ℃，β-环状糊精添加量为山药大果山楂混合浆液总质量的8%，进料速度25 r/min。考察不同物料固液比（1∶1，1∶2，1∶3，1∶4和1∶5 g/mL）对山药大果山楂固体饮料喷雾干燥效果的影响。

2) 进风温度对喷雾干燥效果的影响：固定β-环状糊精添加量为山药大果山楂混合浆液总质量的8%，进料速度25 r/min，物料固液比1∶3（g/mL）。考察不同进风温度（160，170，180，190和200 ℃）对山药大果山楂固体饮料喷雾干燥效果的影响。

3) 进料速度对喷雾干燥效果的影响：固定进风温度180 ℃，β-环状糊精添加量为山药大果山楂混合浆液总质量的8%，物料固液比1∶3（g/mL）。考察不同进料速度（15，20，25，30和35 r/min）对山药大果山楂固体饮料喷雾干燥效果的影响。

4)β-环状糊精添加量对喷雾干燥效果的影响：固定进风温度180 ℃，进料速度25 r/min，物料固液比1∶3（g/mL）。考察不同β-环状糊精添加量（0%，2%，4%，6%和8%）对山药大果山楂固体饮料喷雾干燥效果的影响。

1.3.4 正交试验

在单因素试验的基础上，以出粉率为考察指标，对物料固液比、进风温度、进料速度和β-环状糊精添加量4个因素分别选取3个水平设计正交试验，每组试验重复3次。

1.4 指标测定与方法

1.4.1 水分含量

取0.5～1.0 g样品放入水分测定仪，在105 ℃下测定山药大果山楂固体饮料的水分含量。

1.4.2 出粉率

山药大果山楂固体饮料出粉率的测定参考任广跃等[14]的方法，出粉率按照式（1）计算：

式中：M0为山药大果山楂固体饮料的总质量，g；M1为新鲜山药薄片和大果山楂薄片的总质量，g；M2为β-环状糊精的质量，g。

1.4.3 色泽

色泽用全自动色差仪测定，采用CIELAB表色系统，即L*、a*、b*表色系统，L*值表示明度指数，a*值表示红绿色度，b*值表示黄蓝色度[15-16]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 物料固液比对喷雾干燥效果的影响

物料固液比对山药大果山楂固体饮料色泽的影响如表1所示。山药大果山楂固体饮料的亮度L*值随溶剂（蒸馏水）添加量增大而增大，山药大果山楂固体饮料略带黄绿色，a*值在-6.53～-3.90之间变化，b*在11.23～18.00之间变化，随着物料固液比增大，a*值和b*值均变小。相关研究发现，L*值越大，a*值和b*值越接近0，产品色泽越好[17]，说明随着山药大果山楂混合浆液浓度变稀，山药大果山楂固体饮料色泽越好。

表1 物料固液比对山药大果山楂固体饮料色泽的影响

从图1可知，随着溶剂（蒸馏水）添加量的增大，山药大果山楂固体饮料出粉率先增加后降低，而水分含量逐渐增大。

图1 物料固液比对山药大果山楂固体饮料出粉率和水分含量的影响

这是因为混合浆液太浓稠，喷雾干燥效果不佳，而混合浆液稀则黏度低，喷雾干燥效果较好，但水分蒸发量加大，则干燥时间和生产成本显著增加[18]。物料固液比在1∶1～1∶2（g/mL）范围内，混合浆液黏稠且流动性差，容易堵塞喷嘴，致使喷雾干燥效果不好，因而出粉率较低；当物料固液比为1∶3（g/mL）时，喷雾干燥效果最好，出粉率高达17.82%；当物料固液比为1∶4～1∶5（g/mL）时，浆液含水量高，粘壁现象加剧，固体饮料干燥不充分，其水分含量升高，出粉率降低。综合考虑，选择最佳物料固液比1∶3（g/mL）。

2.1.2 进风温度对喷雾干燥效果的影响

进风温度作为喷雾干燥中非常重要的加工工艺参数之一，不仅影响成品的水分含量，还影响成品的出粉率，且对成品品质起着确定性作用[19]。由表2可知，随着进风温度的升高，山药大果山楂固体饮料的亮度L*先升高后降低，当进风温度为190 ℃时，亮度L*值达到最大（90.45），a*值随着进风温度的升高而先降后升，b*值变化不规律。

表2 进风温度对山药大果山楂固体饮料色泽的影响

由图2可知，随着进风温度的升高，山药大果山楂固体饮料出粉率逐渐升高并趋于平缓，而水分含量随着进风温度升高呈先降低后升高的趋势。这是因为山药大果山楂混合浆液中的气流分子无规则运动的剧烈程度随着进风温度的升高而加剧，水分蒸发速率加快，从而提高出粉率；在进风温度较低时，混合浆液不能在干燥塔内完全干燥，故出现黏壁现象，导致出粉率较低，水分含量较高[20-21]。当进风温度达到200℃时，可观察到干燥室内粘壁现象严重，而且粘壁物料有轻微的焦糊现象，严重影响固体饮料的品质。综合考虑产品的色泽、出粉率和水分含量，确定180 ℃为喷雾干燥的最佳进风温度。

图2 进风温度对山药大果山楂固体饮料出粉率和水分含量的影响

2.1.3 进料速度对喷雾干燥效果的影响

由表3可知，山药大果山楂固体饮料的亮度L*值随着进料速度的增大而增大，随后趋于平稳。而a*值和b*值随着进料速度的增大而减小，固体饮料偏黄绿色。

表3 进料速度对山药大果山楂固体饮料色泽的影响

从图3可知，山药大果山楂固体饮料出粉率随着进料速度增大而先升高后下降；当进料速度为25 r/min时，出粉率达到最大值，为17.82%。而水分含量随着进料速度增大而升高，当进料速度大于30 r/min时，水分含量急剧升高。这是因为进料速度较小时，混合浆液雾滴轻且细，浆液大部分粘到干燥室内壁，未被旋风分离器分离；进料速度过大会使雾滴变大，在供热恒定的情况下，出风温度降低，致使很多雾滴干燥不完全，并在干燥塔内出现粘壁现象，使得产品出粉率降低，水分含量升高[22]。综合考虑产品的色泽、出粉率和水分含量，进料速度25 r/min适宜。

图3 进料速度对山药大果山楂固体饮料出粉率和水分含量的影响

2.1.4β-环状糊精添加量对喷雾干燥效果的影响

在固体饮料生产中添加环状糊精可以保持保留产品香味，防止吸潮和防潮解[23]。在喷雾干燥过程中，添加β-环状糊精可作为助干剂，加速干燥过程，提高产品得率。由表4可知，β-环状糊精添加量对山药大果山楂固体饮料的亮度L*值、a*值和b*值影响不显著。

如图4所示，β-环状糊精添加量在0～4%范围内增加，山药大果山楂固体饮料出粉率迅速升高；当β-环状糊精添加量为4%时，出粉率达到最高（17.84%）；再增加β-环状糊精添加量，出粉率稍有下降。这是因为β-环状糊精能促进混合浆液干燥；但β-环状糊精达到一定量后助干效果不显著，另外过量添加β-环状糊精会影响产品的外观品质和风味[24]。而山药大果山楂固体饮料水分含量随着β-环状糊精添加量增加而不断降低。综合考虑产品的色泽、出粉率和水分含量，β-环状糊精适宜添加量为4%。

表4 β-环状糊精添加量对山药大果山楂固体饮料色泽的影响

图4 β-环状糊精添加量对山药大果山楂固体饮料出粉率和水分含量的影响

2.2 正交试验结果与分析

在单因素试验的基础上，以出粉率为考察指标，选取物料固液比、进风温度、进料速度和β-环状糊精添加量4个因素设计正交试验，见表5。对喷雾干燥山药大果山楂固体饮料的工艺条件进行优化，正交试验结果见表6。

表5 正交试验因素水平表

如表6所示，比较极差R可知，各因素对山药大果山楂固体饮料出粉率的影响大小顺序为A＞B＞D＞C，即物料固液比＞进风温度＞β-环状糊精添加量＞进料速度，山药大果山楂固体饮料喷雾干燥最佳工艺条件为A2B3C3D2，即物料固液比1∶3（g/mL），进风温度190 ℃，进料速度30 r/min，β-环状糊精添加量4%。

由表7可知，在喷雾干燥法制备山药大果山楂固体饮料工艺中，物料固液比、进风温度、进料速度和β-环状糊精添加量这4个因素均对山药大果山楂固体饮料出粉率的影响不显著。

表6 正交试验结果

表7 正交试验方差分析表

2.3 验证试验

对正交试验优化得到的最佳工艺条件进行3次重复验证试验，干燥山药大果山楂固体饮料的平均出粉率为19.26%，高于正交试验的各组结果，说明该工艺参数稳定可靠。在此最佳工艺条件下，得到的山药大果山楂固体饮料水分含量为5.04%，亮度L*值为89.17，a*值为-5.23，b*值为12.09。

3 结论

通过单因素试验和正交试验，得到喷雾干燥法加工山药大果山楂固体饮料的最佳工艺条件。结果表明，各因素对山药大果山楂固体饮料出粉率的影响顺序为物料固液比＞进风温度＞β-环状糊精添加量＞进料速度，4个因素对山药大果山楂固体饮料出粉率的影响均不显著。喷雾干燥法加工山药大果山楂固体饮料的最佳工艺条件为物料固液比1∶3（g/mL），进风温度190 ℃，进料速度30 r/min，β-环状糊精添加量4%。在此工艺条件下，产品出粉率为19.26%，水分含量为5.04%，亮度L*值为89.17，a*值为-5.23，b*值为12.09。产品风味较好，具有浓郁的大果山楂和山药的香味。此次试验对山药大果山楂复合固体饮料的开发具有一定的参考价值。