载体和温度对喷雾干燥板栗速溶粉的影响

张乐，张雅，王赵改*，史冠莹，蒋鹏飞，赵丽丽，王旭增

（1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心，河南郑州 450002）（2.中牟润鑫置业有限公司，河南郑州 451450）

板栗原产中国，已有3000 多年栽培历史，分布广泛，种质资源丰富，全世界以中国栗、欧洲栗、日本栗和美洲栗为主[1]。板栗营养物质丰富，特别是Vc，VB1 和胡萝卜素的含量比一般干果要高，故有“干果之王”的美誉，淀粉含量高达70%左右，与粮谷类相当，素有“铁杆庄稼”之美誉[2-4]。同时含有丰富的不饱和脂肪酸、多糖、单宁、黄酮苷类化合物、挥发油等化学成分，具有抗菌、抗炎、抗凝血等生物活性[5-7]。板栗在我国26 个省市均有规模化种植，栽培面积111 万公顷，年产量高达1.6×106t，种植面积和产量均世界第一[8]。但我国板栗的人居占有量仅为0.27 kg，远远低于日本（0.7 kg）、意大利（1.4 kg）、土耳其（4.57 kg）等国家，说明我国板栗在综合开发利用方面较薄弱，未起到“木本粮食”的作用。由于板栗不耐贮藏，极易霉烂、发芽以及生虫等，产后损失高达35%以上[9]。目前我国板栗多以鲜销为主，加工转化率仅为20%～30%，远低于发达国家的90%～95%[10]，且主要集中在粗加工，如糖炒板栗、板栗罐头等，难以创造较高的经济效益。因此加强板栗资源的精深加工和综合开发利用势在必行。随着人们的生活节奏加快，对便捷健康的食品需求量不断增加，并朝着营养、保健、绿色、多样的方向发展。速溶粉类产品因其存放期长，冲调方便，便于携带，广泛用于家庭、学校、旅行等的消费，是一个市场前景十分见好的产品，而目前市场上尚未有板栗固体饮料的相关方便食品。

溶解性和冲调稳定性是影响速溶粉类产品品质的重要问题，另外，粘壁现象多发生在粘性物质喷雾干燥的过程中，被认为是固体饮料喷雾干燥过程中最为关键的问题，影响到产品的产量和质量，已成为板栗速溶粉开发过程需要解决的关键技术问题。研究表明粘壁问题是由于富含果糖、葡萄糖、蔗糖、苹果酸、柠檬酸和酒石酸等低玻璃化转变温度（蔗糖：62 ℃，果糖：5 ℃，葡萄糖：31 ℃）的低分子量化合物的存在造成的，添加具有较高玻璃化转变温度（Tg）的载体材料提高物料的玻璃化转变温度可以减轻粘壁现象发生[11-14]。常见的载体有阿拉伯胶、麦芽糊精、淀粉、甲基纤维素等[15]。已有学者对板栗速溶粉的制备进行了研究[16,17]，但针对解决粘壁问题采用添加载体方法以及产品的关键香气物质方面目前尚未有报道。基于此本试验拟按照载体材料类别（Ⅰ）淀粉及其衍生物（淀粉、麦芽糊精和环糊精等），（Ⅱ）胶（阿拉伯胶和卡拉亚胶），（Ⅲ）蛋白类（乳清分离蛋白、植物蛋白等），筛选合适的载体材料制备板栗速溶粉。干燥过程是个复杂的传热传质过程，受到很多因素的影响，喷雾干燥工艺参数对产品的溶解性、分散性和润湿性等均有很大影响，最终影响产品的速溶情况。因此，本实验将对喷雾干燥的进口热风温度、进料量、载体添加量等关键工艺进行优化，同时对板栗速溶粉产品进行品质评定，以期为喷雾干燥法生产板栗速溶粉提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

板栗：大板红，平均单粒重8.5 g，横径3.2 cm，纵径2.1 cm，含水率52%，由河北美客多食品有限公司提供。

麦芽糊精、乳清分离蛋白、阿拉伯胶、β环糊精，食品级，购自上海美馨化学科技有限公司；α-淀粉酶食品级，购自北京索莱宝科技有限公司；氢氧化钠、盐酸、浓硫酸、葡萄糖、3,5-二硝基水杨酸、氯化钠，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；正构烷烃（C7-C40）、2-甲基-3-庚酮标准品，购自Sigma-Aldrich；甲醇、二氯甲烷，购自德国默克公司。

1.2 仪器与设备

JG01 型去壳机，新沂市精工机械设备厂；ME204E型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；Yc-015A 喷雾干燥机，上海雅程仪器设备有限公司；Color Quest XE 色差仪，美国HunterLab 公司；GENESYS 10S UV-VIS 紫外-可见分光光度计，美国Thermo 公司；K1100 全自动凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司；8890A-5977B 型气相色谱-质谱联用仪、HP-5MS 石英毛细管色谱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）、顶空固相微萃取装置（包括手持式手柄，50/30 μm DVB/CAR/PDMS，20 mL 带硅胶垫棕色顶空瓶），美国安捷伦公司；HHS 型电热恒温水浴锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3 试验方法

1.3.1 喷雾干燥工艺流程

板栗→脱壳→切片→护色→漂洗→打浆→酶解→添加载体→均质→喷雾干燥

挑选无虫眼、无霉烂的板栗，采用脱壳机去壳去红衣；将板栗仁切成5 mm 左右的板栗片；称取200 g 板栗片，按照1:5 料液比打浆；添加板栗质量0.2%的α-淀粉酶，在92 ℃水浴条件下水解1 h；添加载体进行调配；均质条件为：40 MPa 下均质两次；喷雾干燥：进风温度180 ℃，进料速率20 mL/min，风机频率25 Hz。喷雾干燥完成后立刻收集样品并密封。

1.3.2 单因素试验设计

选用麦芽糊精、乳清分离蛋白、阿拉伯胶、β环糊精等为备选载体，研究不同的载体对喷雾干燥效果的影响，在确定载体的基础上选择添加量为5%、10%、15%做单因素试验，对喷雾干燥效果的影响，以便选择合适的载体材料及添加量。选择进风温度为140、160、180、200 ℃做单因素试验，研究进风温度对喷雾干燥效果的影响。

1.3.3 喷雾干燥条件优化试验设计

选择对喷雾干燥产品影响较大的3 个因素进口温度、载体添加量、进料流量（按照设备可设置范围设置因素水平），设计L9（33）正交实验，以集粉率、水分含量为评价指标，对喷雾干燥工艺参数进行优化，确定喷雾干燥工艺参数，正交实验因素及水平设计如表1 所示。

表1 实验因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

1.3.4 指标测定方法

1.3.4.1 固形物含量的测定

吸取10 mL 浆液于已烘干至恒重的称量皿中（m0），精确称量样品和称量皿总重（m1），105 ℃烘干至恒重（m2）。固形物含量（记为H，%）的计算方法见公式（1）。

1.3.4.2 集粉率的测定

喷雾干燥后称量粉末的质量（m），其集粉率（记为F，%）的计算方法见公式（2）。

式中：

a——粉末的水分含量；

M——喷雾干燥浆液的质量；

x——喷雾干燥浆液的固形物含量。

1.3.4.3 分散性测定

采用Gong 等[18]的方法并稍作改变，称取5.00 g样品，加入到盛有50 mL 水（水温为80 ℃）的小烧杯中，在恒温磁力揽拌器上揽拌，记录从揽拌开始到粉块全部分散所需要的时间（s）。分散时间越短，产品的分散性越好，反之，分散性越差。

1.3.4.4 稳定性测定

称取5.00 g 样品，加入到盛有50 mL 水（水温为80 ℃）的小烧杯中充分溶解后，参照万景瑞等[19]方法进行测定。

1.3.4.5 色泽测定

板栗粉色泽的测定参照张乐等[20]方法进行测定。L*代表亮度，a*代表红绿色度，b*代表黄蓝色度。

1.3.4.6 感官评定

按照GB/T 16291.1-2012 标准的要求挑选5 名经过专业培训的品评员（2 男3 女），组成评价小组，依次对板栗粉进行感官品质（冲调性、色泽、香气、口感）评价，具体标准见表2。

传统民居元素是传统文化重要组成部分，应用于陶瓷艺术设计中，自身的装饰功能突显，可烘托出陶瓷艺术作品的文化底蕴、帮助其创造传统文化氛围。对于陶瓷艺术作品的欣赏，不能仅观察其外在表现，更应当注重其内涵、文化品位的挖掘，将传统民居元素对陶瓷艺术作品的文化功能充分发挥。

表2 感官评分标准Table 2 Criterions of sensory evaluation

1.3.4.7 营养成分测定

水分含量测定采用常压烘箱干燥法，参照GB/T 5009.3-2003《食品中水分的测定》进行；蛋白质含量测定采用凯氏定氮法，参照GB 5009.5-2010《食品中蛋白质的测定》进行；还原糖含量测定采用3,5-二硝基水杨酸法[21]；脂肪含量测定采用索氏抽提法，参照GB/T 15674-2009 进行。

1.3.4.8 挥发性香气成分分析

采用顶空固相微萃取/气相色谱-质谱（HP-SPME/GC-MS）分析。精确称1.0 g 样品和0.2 g 氯化钠并置于20 mL 顶空小瓶中，即刻注入5 μL 内标（2-甲基-3-庚酮，250 mg/L 的甲醇溶液），并用聚四氟乙烯-硅塞密封小瓶。将小瓶置于HH 系列数字恒温水浴中，并在60 ℃下反应15 min。然后将萃取头插入顶空瓶中在60 ℃下连续提取芳香化合物30 min。萃取后，将涂层纤维快速插入GC 进样口，并在250 ℃下用GC-O-MS 解吸5 min。GC-MS 分析条件为：（1）GC条件为：载气为氦气（纯度99.99%），恒定流量为1.0 mL/min。前进样温度250 ℃，溶剂延迟3 min。程序升温：起始温度40 ℃，保持3 min；以2 ℃/min的速度上升到70 ℃，保持2 min；以5 ℃/min 的速度上升到150 ℃，保持2 min；以8 ℃/min 的速率升至230 ℃，保持5 min。（2）MS 条件：穿梭线温度230 ℃，电离方式为电子电离（EI），离子阱温度230 ℃，扫描方式全扫描，扫描范围m/z43～800。

香气化合物的定性与定量通过与相关文献报道的线性保留指数（LRI）的比较以及与NIST14 文库中的质谱数据库的比较，对板栗粉中挥发性化合物进行鉴定。在相同GC-MS 检测条件下外标正构烷烃（C7-C40）的保留时间分析LRI。LRI计算如下：

式中：

tx——化合物x的保留时间；

tn和tn+1——碳原子数为n和n+1 的正构烷烃的保留时间（tn＜t＜tn+1）。

通过比较LRI与NIST Chemistry WebBook 数据库[22]中报道的正构烷烃（C7-C40）来确定化合物。以2-甲基-3-庚酮为内标，对香气成分进行半定量，根据峰面积与2-甲基-3-庚酮浓度的比值计算香气成分的浓度。气味活度值（OAVs）的计算：

Ci——任一组分的质量浓度，μg/kg；

OTi——任一组分在水中的香气阈值，μg/kg。

OAV＞1 时，该香气物质对食品香气的贡献和影响较大；OAV＜1，该物质对总体香气无实质性贡献。风味描述用风味基础软件Favor Base 软件确定。

1.3.5 数据分析

采用SPSS 软件对试验结果进行数据统计分析和方差分析，采用正交设计助手Ⅱ进行正交设计，Origin 8.6 软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 载体材料对喷雾干燥效果的影响

在喷雾干燥中较高的干燥温度，会导致物料表面转变为粘弹性橡胶状态，并粘附在干燥室上，干燥温度通常高于玻璃化转变温度，添加淀粉、麦芽糊精或阿拉伯胶等载体材料是提高样品玻璃化转变温度的最常用方法[23]。研究了麦芽糊精、乳清分离蛋白、阿拉伯胶、β环糊精等不同的载体材料对喷雾干燥效果的影响，由图1 可以看出，添加载体后集粉率显著升高，并且麦芽糊精添加组集粉率达38.48%，与其他添加组间显著差异（p＜0.05），说明麦芽糊精效果最好。添加阿拉伯胶组和β环糊精组差异不显著。乳清分离蛋白组集粉率为27.16%相对较低一些，其作用机制可能是蛋白质优先迁移到液滴-空气界面，并在颗粒表面形成高蛋白含量的薄膜。当在干燥器内加热空气时，这种薄膜会转化为具有高玻璃化转变温度的玻璃外壳，防止颗粒与喷雾干燥室相互作用，从而增加产品产量[24]。另外Shih[25]报告说在麦芽糊精中添加0.5%（m/m）的乳清分离蛋白比单独使用麦芽糊精显著提高了产品产量。

图1 不同载体材料对集粉率影响（显著性差异p＜0.05）Fig.1 Effect of carriers on the product yield of Chinese chestnut flours

2.2 不同载体添加量对集粉率的影响

麦芽糊精（MD）添加量对喷雾干燥集粉率的影响如图2 所示。从图中可以看出，添加MD 后，喷雾干燥的集粉率显著上升（p＜0.05）。当MD 添加量为5%和10%时，集粉率分别为41.53%和39.92%，能够收集到的产品比较高，且添加量为5%和10%时差异不显著，载体添加量增大到15%，集粉率反而下降，这与Fang 等[26]的研究结果一致。载体用量必须控制在一定范围内，添加量过高会影响产品的速溶性、复水性[27]。故确定MD 最佳添加量为5%。

图2 不同MD 添加量对集粉率影响（显著性差异p＜0.05）Fig.2 Effect of MD concentration on the product yield of Chinese chestnut flours

2.3 进风温度对干燥效果的影响

从图3 可以看出，进风温度对产品集粉率有显著影响（p＜0.05）。从140 ℃升高到200 ℃，产品集粉率随温度的上升先上升后下降。在温度较低时，干燥不够充分，水分含量较高，容易产生粘壁现象，导致集粉率不高。在180 ℃时，产品的集粉率最高为36.88%，当进风温度200 ℃时，由于进口温度太高，粉粒表面水分蒸发过快，其表面会过度干燥形成硬壳，阻碍内部水分蒸发，致使内部水分含量高、蒸汽压力大，使粉粒发生开裂现象，水分外逸，粉粒熔化，回潮，使产品粘度上升，导致粘壁现象产生，从而使产品集粉率下降，而且有时会产生焦糊现象，严重影响产品质量[27]。

图3 进口温度对集粉率的影响（显著性差异p＜0.05）Fig.3 Effect of inlet temperature on the product yield of Chinese chestnut flours

2.4 喷雾干燥正交试验结果分析

直观分析由表3 可以看出，影响喷雾干燥工艺产品集粉率的主次因素是C（载体添加量）＞B（进料流量）＞A（进风温度），根据实验结果和k值得到各因素最优组合是A3B2C1，集粉率为41.11%。而影响喷雾干燥产品水分含量的主次因素是A（进风温度）＞C（载体添加量）＞B（进料流量），各因素最优组合是A3B1C1。

表3 正交实验设计及结果Table 3 Orthogonal experiment design and result

方差分析对正交实验方差分析，结果见表4，可知方差分析和极差分析结果一致，即影响喷雾干燥工艺产品集粉率的的因子主次顺序依次为：C（载体添加量）＞B（进料流量）＞A（进风温度）。即影响喷雾干燥工艺产品水分含量的因子主次顺序依次为：A（进风温度）＞C（载体添加量）＞B（进料流量）。在实验误差范围内，进口温度对集粉率、水分含量具有显著的影响（p＜0.01）；进料量对集粉率和水分含量具有显著的影响（p＜0.01），载体添加量对集粉率和水分含量有极显著的影响（p＜0.01）。

表4 方差分析Table 4 Analysis of variance

根据《GB/T 29602-2013 固体饮料》水分含量在5%即为符合标准，正交实验结果均在3%以下，结合以上直观分析和方差分析，确定适宜的喷雾干燥条件为A3B2C1，即进口温度190 ℃，进料量20 mL/min，载体添加量5%。

2.5 板栗速溶粉品质分析

2.5.1 感官分析结果

根据感官评分标准，5 位感官评价人员对板栗粉进行感官评价得分均值为90.30，达到一级标准，说明制备的板栗速溶粉色泽宜人、风味浓郁、口感细腻、冲调性好。冲调后的板栗粉如图4 所示。

图4 板栗速溶粉冲调液Fig.4 Chestnut instant powder preparation liquid

2.5.2 理化指标分析结果

由表5 板栗粉主要成分含量可知，其水分含量低，易于保存，粉末水分含量在5%以下，属于微生物安全级，可长期贮存。蛋白质含量高，脂肪含量低，还原糖达到32.62%，说明板栗淀粉的酶解程度较高，营养价值高，有利于人体消化吸收。

表5 理化指标测定结果Table 5 Determination results of physicochemical indexes

色泽是干制品的一个重要感官指标，直接影响着消费者的购买欲望。干燥过程中变色最为常见，它与干燥方式、干燥温度以及含水量变化密切相关，板栗粉白度值达82.18，说明该产品色泽较好，产品如图5所示。分散性可以表征粉末颗粒克服自身与水分之间的表面张力，扩散到水中的能力，颗粒的形态以及化学组成都可以影响其分散性。板栗粉完全分散需要28 s，优于宋超洋小米速溶粉（32 s）[27]。经过离心后有较少量的沉淀物，稳定性达到66.79%，说明板栗粉的稳定性较好。

图5 板栗速溶粉Fig.5 Chinese chestnut instant flours

2.5.3 挥发性香气成分分析

采用GC-MS 对板栗粉香气成分进行分析，板栗粉挥发性成分总离子流色谱图如图6 所示，由图6 可知，色谱峰较多，各个峰得到很好的分离。根据谱库检索和参考相关文献，共鉴定出38 种挥发性成分（表6），包括3 种醇类、7 种醛类、4 种酸类、2 种酮类、10 种烷烃类、4 种萜烯类、3 种酯类以及5 种其他类化合物。对挥发性成分采用内标法进行定量由图7 可知，排在前4 的为酸类、烷烃、醛类和醇类分别占挥发性成分总量的42.47%、19.87%、16.81%和5.85%。

表6 板栗粉挥发性香气成分的GC-MS 分析结果Table 6 Analysis results of volatile aroma of Chinese chestnut powder by GC-MS

图6 板栗粉挥发性成分总离子流色谱图Fig.6 Total ion current chromatogram of volatile components of Chinese chestnut powder

图7 板栗粉香气成分含量Fig.7 Content of aroma components of Chinese chestnut powder

香气化合物对食品的整体特征风味的贡献大小，取决于其气味阈值。饱和烷烃类物质由于阈值很高，几乎不产生明显嗅感，故不作分析。本文只对查到阈值的化合物进行分析。参照相关文献[28,29]中化合物在水中的阈值计算各化合物的OAV（表7），其中己醛（231.50）、壬醛（660.86）、(E,E)-2,4-壬二烯醛（852.15）、D-柠檬烯（14.42）的气味活度值（OAV）达到10 以上（表6），对板栗速溶粉香气的构成有重要贡献。另外，OAV 大于1 的还有己酸（1.79）、乙基麦芽酚（3.60），共筛选出了6 种关键香气物质，且这6 种关键香气物质以醛类物质最为主。

表7 板栗粉挥发性香气物质的阈值及OAVsTable 7 Odor thresholds (OTs) and odor activity values (OAVs) of aroma compounds in Chinese chestnut powder

醛类物质一般是由脂质水解形成游离脂肪酸，然后饱和不饱和脂肪酸经历热分解以形成氢过氧化物，并进一步反应形成[30]。板栗粉中的醛类物质主要有己醛、苯甲醛、壬醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛。己醛是亚油酸在过氧化氢裂解酶体系中过氧化的常见二次产物，具有青草味、脂肪香，为板栗粉中含量最高的醛类物质1041.77 μg/kg（占总挥发性风味物质6.96%）。苯甲醛具有令人愉快的坚果香，壬醛具有鱼腥味，(E,E)-2,4-壬二烯醛具有强烈的花果和油脂香气。它们给予了板栗油脂香气，以及花果的甜香气。与梁建兰[31]报道糖炒板栗含量最多的为醛类物质以及Sabine Krist 等[32]测定意大利烤板栗的主要成分挥发性风味物质为苯甲醛（7.2%）和糠醛（6.3%）一致。醇类物质由糖代谢、氨基酸脱氢脱羧作用生成[33]，1-戊醇具有浓郁的水果香和花香，略带辛辣味，1-庚醇具有发酵型气味以及青草味、甜味。酸类物质为戊酸、己酸、庚酸、壬酸等，其中己酸含量高达5377.96 μg/kg，为所有检测出挥发性物质中含量最高的物质占比35.91%，具有酸味、脂肪味、奶酪味。戊酸具有强烈的酸味，奶酪带有水果味，庚酸、壬酸也均具有酸味奶酪味。熟制板栗的芳香成分主要来源于糖类、蛋白质和脂类的降解、糖类的焦糖化以及还原糖和氨基酸之间的美拉德反应。

3 结论

采用单因素研究了不同载体材料、添加量以及干燥温度对喷雾干燥效果的影响，通过正交试验，确定了喷雾干燥工艺最佳工艺参数为进口温度190 ℃，进料量20 mL/min，载体麦芽糊精添加量为板栗质量的5%。对板栗速溶粉品质分评定表明，制得的板栗速溶粉色泽宜人、风味浓郁、冲调性好，水分含量低，蛋白质含量高，脂肪含量低，色泽、分散性、稳定性好。鉴定出38 种挥发性香气成分，酸类、烷烃、醛类物质分别占挥发性成分总量的42.47%、19.87%、16.81%。通过计算OAV 筛选出了6 种关键香气物质为己醛、壬醛、(E,E)-2,4-壬二烯醛、D-柠檬烯、己酸和乙基麦芽酚。本实验为解决板栗速溶粉加工过程中的粘壁问题提供了新方案，对板栗的综合开发及其精深加工具有一定价值。