草莓速溶粉喷雾干燥工艺的研究

（沈阳工学院，辽宁抚顺113122）

草莓又称凤梨草莓、红莓等，属于蔷薇科多年生草本植物，深受消费者喜爱[1-2]。草莓质地柔软，生产季节性强，收获时间集中，易破损，常温仅能存放2 d～3 d[3-4]。草莓被誉为“水果皇后”不仅果肉细嫩多汁，酸甜爽口，而且具有很高的营养价值及一定的药理功能[5-6]。草莓性凉味酸，无毒，具有润肺生津，清热凉血，健脾解酒，对胃肠道和贫血均有一定的滋补调理作用，以及对防治动脉硬化，冠心病也有较好的功效[7-8]。草莓中的维生素及果胶对改善便秘和治疗痔疮、高血压、高血脂均有一定的效果[9-10]。此外，它含有的一类胺类物质，对白血病、再生障碍性贫血等血液病亦有辅助治疗作用。草莓还是鞣酸含量丰富的果实，在体内可阻止致癌化学物质的吸收，具有防癌作用[11-12]。

喷雾干燥技术适合加工富含热敏性营养素的果汁[13]，因其具有蒸发面积大、干燥过程中物料受热时间短、进料温度低、营养与风味能很好地保留等特点，并且可以直接使果汁溶液等干燥成粉状或颗粒状制品，得到的制品颗粒度小而均匀，具有很好的分散性和速溶性等特点[14-16]。采用喷雾干燥技术将草莓加工成草莓粉，可以最大限度地保持其营养成分、色泽和风味，易贮存和运输且食用方便，可作为配料直接使用[17-19]。近几年来，喷雾干燥技术在固体饮料中的应用也日益广泛，如草莓粉、南瓜粉、及各种植物蛋白粉的加工等[20-21]。本研究选用草莓为试验对象，结合喷雾干燥技术加工制作成草莓速溶粉进行工艺及应用研究，并采用Box-Behnken中心组合试验设计原理进行响应面分析，记录最佳喷雾干燥工艺参数，为更好使草莓速溶粉在食品工业中的开发和应用提供试验依据。

1 试验材料与方法

1.1 材料与试剂

草莓：丹东丰香草莓；氯化钠、碳酸氢钠、氯化钙、聚乙二醇6000：天津永晟精细化工有限公司；VC：广州化学剂厂；柠檬酸：国药集团化学试剂有限公司；β-环糊精（食品级）：山东优索化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

水果料理机（JYZ-C515）：九阳股份有限公司；高压均质机（SHP60-60）：上海科司大均质机电设备有限公司；喷雾干燥机（L-117）：北京来亨公司；DZKW-4型数显恒温热水浴弄材料锅：江西省正东矿山机械制造有限公司；TD25-WS型离心机：江苏金坛医疗器械有限公司；YZN50超高速真空低温（浓缩）抽出机：北京东华医疗设备有限责任公司。

1.3 工艺流程

新鲜草莓→洗净去蒂→切分成片→护色→打浆→离心澄清→酶解→均质→真空浓缩→喷雾干燥→草莓速溶粉

1.4 操作要点

1.4.1 选料

挑选新鲜、无霉烂、无病虫害和机械损伤的新鲜草莓进行加工。

1.4.2 洗净去蒂

原料稍经浸泡后，洗去表面泥垢最后去蒂。

1.4.3 切片

将草莓切成1 cm厚的圆薄片。

1.4.4 护色

将草莓切片迅速放入已配好的复合护色液（0.1%L-抗环血酸，0.4%氯化钙，0.5%氯化钠）中浸泡45min。

1.4.5 打浆、过滤

采用带式榨汁机进行榨汁，然后通过双联过滤器进行过滤。

1.4.6 酶解

沉淀物加入一定比例（与原汁的质量比为1∶1）的水，搅拌均匀，加入耐高温酶-淀粉酶对沉淀物进行处理。

1.4.7 真空浓缩

将草莓浆料浓缩至固形物含量约为20%。

1.4.8 均质

均质压力20 MPa，在100℃条件下均质15 min～20 min。

1.4.9 喷雾干燥

在草莓浓缩汁中加入β-环糊精，将浓缩汁预热50℃，再进行喷雾干燥。

1.5 单因素试验设计

采用不同进料流量（750、800、850、900、950 mL/h）、β-环糊精添加量（0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%）、可溶性固形物含量（12%、14%、16%、18%、20%）、进风温度（160、170、180、190、200 ℃）进行单因素试验，研究各因素对草莓出粉率的影响并确定最佳喷雾干燥条件。

1.6 草莓粉出粉率的测定

喷雾干燥后，计算出粉率。

出粉率/%=m/m1×100

式中：m为喷雾干燥后草莓速溶粉质量，g；m1为喷雾干燥前草莓速溶粉浓缩液中总固形物含量，g。

1.7 草莓速溶粉感官评价

草莓速溶粉感官评分标准见表1。

表1 草莓速溶粉感官评分标准（共100分）Table 1 Sensory evaluation standard of strawberry instant powder（100 points in total）

1.8 喷雾干燥工艺响应面优化试验设计

在单因素试验的基础上，基于Box-Benhnken中心设计试验原理，进行四因素三水平的响应面分析试验，具体试验因素及水平见表2。

根据单因素试验结果和喷雾干燥设备的条件，确定响应面试验因素的水平范围：进料流量为（800 mL/h～900 mL/h）、β-环糊精添加量 0.6%、0.7%和 0.8%、可溶性固形物含量14%、16%和18%、进风温度为170℃～190℃，进行响应面试验。

表2 响应面试验因素与水平设计Table 2 Factors and levels used in response surface central composite design

2 结果与分析

2.1 喷雾干燥的单因素试验结果

2.1.1 进料流量对喷雾干燥出粉率的影响

进料流量对喷雾干燥出粉率的影响见图1。

图1 进料流量对喷雾干燥出粉率的影响Fig.1 Effect of feed flow rate on spray drying rate

如图1所示，随着进料流量的逐渐增大，喷雾干燥出粉率呈先上升后下降的趋势；在进料流量增至850 mL/h时，出粉率达到最大。当进料速度过小时，雾滴变小，导致喷出的雾滴太细太轻，草莓粉直接粘在了干燥室内壁，未能被旋风分离器分离，且进料流量过慢必然会降低喷雾干燥的效率；但进流料量过快会使雾滴变大，在系统供给热量一定的情况下，出风温度会下降，水分蒸发就会不彻底，从而出现粘壁现象，使得出粉率降低。综述选择进料流量为850 mL/h左右适宜。

2.1.2 β-环糊精添加量对喷雾干燥出粉率的影响

β-环糊精添加量对喷雾干燥出粉率的影响见图2。

如图2所示，随着β-环糊精添加量的增加，出粉率呈先上升后下降趋势；β-环糊精添加量溶解度高，价格低，是目前最常用的助干剂。β-环糊精添加量太高会影响草莓粉的口感，添加量过低也会对产品的风味产生影响，导致产品由于糖分含量较高而粘壁严重，出粉率降低。所以最终选定0.7%作为最佳的β-环糊精添加量。

图2 β-环糊精添加量对喷雾干燥出粉率的影响Fig.2 Effect of adding amount of beta cyclodextrin on the rate of powder extraction from spray drying

2.1.3 可溶性固形物含量对喷雾干燥出粉率的影响

可溶性固形物含量对喷雾干燥出粉率的影响见图3。

图3 可溶性固形物含量对喷雾干燥出粉率的影响Fig.3 Effect of soluble solids content on the rate of powder extraction from spray drying

如图3所示，随着可溶性固形物含量的升高，草莓粉的出粉率先上升后下降。表明适宜的草莓可溶性固形物含量可以促进草莓粉出粉率。当可溶性固形物含量小于16%时，草莓粉出粉率上升，这是由于可溶性固形物含量低，导致粉粒干燥不充分，出现挂壁现象，随着可溶性固形物含量的增加，有助于形成较大的干燥颗粒，稍大的粒径有利于喷雾干燥的进行。当可溶性固形物含量大于16%时，草莓出粉率下降，原因是可溶性固形物含量过高，黏度过大，导致雾化不均匀，干燥效果差。由图3可知，可溶性固形物含量为16%左右较为适宜。

2.1.4 进风温度对喷雾干燥出粉率的影响。

进风温度对喷雾干燥出粉率的影响见图4。

图4 进风温度对喷雾干燥出粉率的影响Fig.4 Influence of inlet temperature on spray drying rate

如图4所示，随着进风温度的逐渐升高，喷雾干燥出粉率呈先上升后下降的趋势；在进口温度增至180℃前，出粉率显著升高，并在温度达到180℃时达到最大值。当进口温度低于180℃时，料液因为不能充分受热，易呈现半湿状态黏在干燥室内壁使得出粉率降低。当进口温度高于180℃时，温度太高，料液中的糖类物质发生焦糖化反应，会产生热熔挂壁现象使得出粉率降低，且产品有焦糊现象。综合考虑，热风温度应控制在180℃左右适宜。

2.2 喷雾干燥工艺响应面试验设计与结果

在单因素试验的基础上，选取A（进料流量）、B（β-环糊精添加量）、C（可溶性固形物含量）和D（进料温度）4个因素，采用四因素三水平的响应面分析试验对草莓酶解液Y（出粉率）进行优化，利用Design-Expert V8.0.6软件进行试验设计、数据处理及模型的建立，试验设计与结果见表3，回归方程的方差分析见表4。

表3 Box-Benhnken试验方案及结果Table 3 Experimental design and results of Box-Benhnken

续表3 Box-Benhnken试验方案及结果Continue table 3 Experimental design and results of Box-Benhnken

运用Design-Expert（Version 8.0.6）软件对试验数据进行响应曲面分析，建立A（进料流量）、B（β-环糊精添加量）、C（可溶性固形物含量）和D（进料温度）4个因素与Y（出粉率）之间的二次多项式模型，拟合得到二次回归方程：

表4 回归方程的方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

表3可知：响应面优化拟合出的方程回归项的模型 P＜0.05，有差异显著性，失拟项（P=15.51＞0.05）差异不显著。还可以看出，A、C、AB、AC、BD、A2、B2、C2、D2影响极显著。从F值大小得出，4个因素对出粉率Y的影响大小排列顺序为：C（可溶性固形物含量）＞A（进料流量）＞D（进风温度）＞B（β-环糊精添加量）。

2.3 出粉率Y的响应面曲面分析

为考察影响因素间的曲面效应，对二次回归模型进行响应的曲面分析。通过Design ExpertV 8.0.6.1软件获得三维响应面，能够直观地反映出各个因素及其相互作用对试验结果的影响。等高线的形状反映交互效应的强弱，圆形表示两个因素交互作用不显著，椭圆形表示两个因素交互作用显著。因素交互作用的响应面图见图5～图7。由图5～图7可看出进料流量、β-环糊精添加量、可溶性固形物含量、进风温度对出粉率Y值的交互作用均显著。

图5 进料流量和β-环糊精添加量交互作用对Y值的影响Fig.5 Effect of feed flow and beta-cyyclodextrin addition on Y value

图5结果显示，随着进料流量的增加，出粉率在低β-环糊精添加量下呈上升至平稳后略缓慢下降的趋势，而在高β-环糊精添加量下呈缓慢下降趋势；随着β-环糊精添加量的增加，出粉率在低进料流量下呈上升至平稳后略缓慢下降趋势，而在高进料流量下呈缓慢下降趋势，说明AB两种因素互交作用显著。

图6 进料流量和进风温度交互作用对Y值的影响Fig.6 Influence of feed flow rate and inlet temperature on Y value

图6结果显示，随着进料流量的增加，出粉率在低进料温度下呈缓慢上升至平稳后略缓慢下降趋势，而在高进风温度下呈缓慢下降趋势；随着进风温度的增加，出粉率在低进料流量呈缓慢上升趋势；而在高进料流量缓慢下降趋势，这说明AD两种因素互交显著。

图7 β-环糊精添加量和进风温度交互作用对Y值的影响Fig.7 Effect of beta-cyclodextrin addition and inlet temperture on Y value

图7结果显示，随着β-环糊精添加量的增加，出粉率在低进风温度下呈缓慢上升趋势，而在高进料温度下呈略缓慢下降趋势；随着进风温度的增加，出粉率在低β-环糊精添加量下呈缓慢上升趋势，而在高β-环糊精添加量下呈缓慢下降趋势，这说明BD两种因素交互作用显著。

2.4 最佳喷雾条件的确定及验证试验

根据草莓速溶粉润湿性和分散性模型的二次回归方程，利用Design-Expert V8.0.6软件对草莓速溶粉喷雾干燥工艺条件进行优化，喷雾干燥的最佳条件为进料流量850 mL/h、β-环糊精添加量0.7%、可溶性固形物含量16%、进风温度180℃。得到草莓出粉率的理论值为44.81%；为验证响应面优化的可行性，在此最佳条件下进行草莓粉喷雾干燥的验证试验，同时，考虑实际操作可行性，采用响应面的最佳工艺参数，进行5次平行试验，平均得到出粉率是44.27%，与理论值较为接近。根据实际喷雾干燥所得出粉率做感官评价，在此试验条件下，喷雾干燥所得粉末较干燥、粗细均匀、疏松、颜色纯正红色、香气柔和适中、口感酸甜可口无苦涩味、感官评分为89.46分。这说明试验中的回归方程适合于草莓速溶粉喷雾效果的预测与分析。

3 结论

通过响应面综合考虑进料流量、β-环糊精添加量、可溶性固形物含量、进风温度4个因素对草莓出粉率Y值的影响。根据Box-Behnken中心组合设计原理设计了四因素三水平试验，用Design-Expert软件处理试验数据，试验结果表明草莓速溶粉喷雾干燥工艺的最优条件为进料流量850 mL/h、β-环糊精添加量0.7%、可溶性固形物含量16%、进风温度180℃；出粉率达到44.27%，表明该工艺采用此参数可靠。