（沈陽工學院，遼寧撫順113122）

草莓又稱鳳梨草莓、紅莓等，屬于薔薇科多年生草本植物，深受消費者喜愛[1-2]。草莓質(zhì)地柔軟，生產(chǎn)季節(jié)性強，收獲時間集中，易破損，常溫僅能存放2 d～3 d[3-4]。草莓被譽為“水果皇后”不僅果肉細嫩多汁，酸甜爽口，而且具有很高的營養(yǎng)價值及一定的藥理功能[5-6]。草莓性涼味酸，無毒，具有潤肺生津，清熱涼血，健脾解酒，對胃腸道和貧血均有一定的滋補調(diào)理作用，以及對防治動脈硬化，冠心病也有較好的功效[7-8]。草莓中的維生素及果膠對改善便秘和治療痔瘡、高血壓、高血脂均有一定的效果[9-10]。此外，它含有的一類胺類物質(zhì)，對白血病、再生障礙性貧血等血液病亦有輔助治療作用。草莓還是鞣酸含量豐富的果實，在體內(nèi)可阻止致癌化學物質(zhì)的吸收，具有防癌作用[11-12]。

噴霧干燥技術適合加工富含熱敏性營養(yǎng)素的果汁[13]，因其具有蒸發(fā)面積大、干燥過程中物料受熱時間短、進料溫度低、營養(yǎng)與風味能很好地保留等特點，并且可以直接使果汁溶液等干燥成粉狀或顆粒狀制品，得到的制品顆粒度小而均勻，具有很好的分散性和速溶性等特點[14-16]。采用噴霧干燥技術將草莓加工成草莓粉，可以最大限度地保持其營養(yǎng)成分、色澤和風味，易貯存和運輸且食用方便，可作為配料直接使用[17-19]。近幾年來，噴霧干燥技術在固體飲料中的應用也日益廣泛，如草莓粉、南瓜粉、及各種植物蛋白粉的加工等[20-21]。本研究選用草莓為試驗對象，結(jié)合噴霧干燥技術加工制作成草莓速溶粉進行工藝及應用研究，并采用Box-Behnken中心組合試驗設計原理進行響應面分析，記錄最佳噴霧干燥工藝參數(shù)，為更好使草莓速溶粉在食品工業(yè)中的開發(fā)和應用提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與試劑

草莓：丹東豐香草莓；氯化鈉、碳酸氫鈉、氯化鈣、聚乙二醇6000：天津永晟精細化工有限公司；VC：廣州化學劑廠；檸檬酸：國藥集團化學試劑有限公司；β-環(huán)糊精（食品級）：山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

水果料理機（JYZ-C515）：九陽股份有限公司；高壓均質(zhì)機（SHP60-60）：上?？扑敬缶|(zhì)機電設備有限公司；噴霧干燥機（L-117）：北京來亨公司；DZKW-4型數(shù)顯恒溫熱水浴弄材料鍋：江西省正東礦山機械制造有限公司；TD25-WS型離心機：江蘇金壇醫(yī)療器械有限公司；YZN50超高速真空低溫（濃縮）抽出機：北京東華醫(yī)療設備有限責任公司。

1.3 工藝流程

新鮮草莓→洗凈去蒂→切分成片→護色→打漿→離心澄清→酶解→均質(zhì)→真空濃縮→噴霧干燥→草莓速溶粉

1.4 操作要點

1.4.1 選料

挑選新鮮、無霉爛、無病蟲害和機械損傷的新鮮草莓進行加工。

1.4.2 洗凈去蒂

原料稍經(jīng)浸泡后，洗去表面泥垢最后去蒂。

1.4.3 切片

將草莓切成1 cm厚的圓薄片。

1.4.4 護色

將草莓切片迅速放入已配好的復合護色液（0.1%L-抗環(huán)血酸，0.4%氯化鈣，0.5%氯化鈉）中浸泡45min。

1.4.5 打漿、過濾

采用帶式榨汁機進行榨汁，然后通過雙聯(lián)過濾器進行過濾。

1.4.6 酶解

沉淀物加入一定比例（與原汁的質(zhì)量比為1∶1）的水，攪拌均勻，加入耐高溫酶-淀粉酶對沉淀物進行處理。

1.4.7 真空濃縮

將草莓漿料濃縮至固形物含量約為20%。

1.4.8 均質(zhì)

均質(zhì)壓力20 MPa，在100℃條件下均質(zhì)15 min～20 min。

1.4.9 噴霧干燥

在草莓濃縮汁中加入β-環(huán)糊精，將濃縮汁預熱50℃，再進行噴霧干燥。

1.5 單因素試驗設計

采用不同進料流量（750、800、850、900、950 mL/h）、β-環(huán)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%）、進風溫度（160、170、180、190、200 ℃）進行單因素試驗，研究各因素對草莓出粉率的影響并確定最佳噴霧干燥條件。

1.6 草莓粉出粉率的測定

噴霧干燥后，計算出粉率。

出粉率/%=m/m1×100

式中：m為噴霧干燥后草莓速溶粉質(zhì)量，g；m1為噴霧干燥前草莓速溶粉濃縮液中總固形物含量，g。

1.7 草莓速溶粉感官評價

草莓速溶粉感官評分標準見表1。

表1 草莓速溶粉感官評分標準（共100分）Table 1 Sensory evaluation standard of strawberry instant powder（100 points in total）

1.8 噴霧干燥工藝響應面優(yōu)化試驗設計

在單因素試驗的基礎上，基于Box-Benhnken中心設計試驗原理，進行四因素三水平的響應面分析試驗，具體試驗因素及水平見表2。

根據(jù)單因素試驗結(jié)果和噴霧干燥設備的條件，確定響應面試驗因素的水平范圍：進料流量為（800 mL/h～900 mL/h）、β-環(huán)糊精添加量 0.6%、0.7%和 0.8%、可溶性固形物含量14%、16%和18%、進風溫度為170℃～190℃，進行響應面試驗。

表2 響應面試驗因素與水平設計Table 2 Factors and levels used in response surface central composite design

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥的單因素試驗結(jié)果

2.1.1 進料流量對噴霧干燥出粉率的影響

進料流量對噴霧干燥出粉率的影響見圖1。

圖1 進料流量對噴霧干燥出粉率的影響Fig.1 Effect of feed flow rate on spray drying rate

如圖1所示，隨著進料流量的逐漸增大，噴霧干燥出粉率呈先上升后下降的趨勢；在進料流量增至850 mL/h時，出粉率達到最大。當進料速度過小時，霧滴變小，導致噴出的霧滴太細太輕，草莓粉直接粘在了干燥室內(nèi)壁，未能被旋風分離器分離，且進料流量過慢必然會降低噴霧干燥的效率；但進流料量過快會使霧滴變大，在系統(tǒng)供給熱量一定的情況下，出風溫度會下降，水分蒸發(fā)就會不徹底，從而出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，使得出粉率降低。綜述選擇進料流量為850 mL/h左右適宜。

2.1.2 β-環(huán)糊精添加量對噴霧干燥出粉率的影響

β-環(huán)糊精添加量對噴霧干燥出粉率的影響見圖2。

如圖2所示，隨著β-環(huán)糊精添加量的增加，出粉率呈先上升后下降趨勢；β-環(huán)糊精添加量溶解度高，價格低，是目前最常用的助干劑。β-環(huán)糊精添加量太高會影響草莓粉的口感，添加量過低也會對產(chǎn)品的風味產(chǎn)生影響，導致產(chǎn)品由于糖分含量較高而粘壁嚴重，出粉率降低。所以最終選定0.7%作為最佳的β-環(huán)糊精添加量。

圖2 β-環(huán)糊精添加量對噴霧干燥出粉率的影響Fig.2 Effect of adding amount of beta cyclodextrin on the rate of powder extraction from spray drying

2.1.3 可溶性固形物含量對噴霧干燥出粉率的影響

可溶性固形物含量對噴霧干燥出粉率的影響見圖3。

圖3 可溶性固形物含量對噴霧干燥出粉率的影響Fig.3 Effect of soluble solids content on the rate of powder extraction from spray drying

如圖3所示，隨著可溶性固形物含量的升高，草莓粉的出粉率先上升后下降。表明適宜的草莓可溶性固形物含量可以促進草莓粉出粉率。當可溶性固形物含量小于16%時，草莓粉出粉率上升，這是由于可溶性固形物含量低，導致粉粒干燥不充分，出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象，隨著可溶性固形物含量的增加，有助于形成較大的干燥顆粒，稍大的粒徑有利于噴霧干燥的進行。當可溶性固形物含量大于16%時，草莓出粉率下降，原因是可溶性固形物含量過高，黏度過大，導致霧化不均勻，干燥效果差。由圖3可知，可溶性固形物含量為16%左右較為適宜。

2.1.4 進風溫度對噴霧干燥出粉率的影響。

進風溫度對噴霧干燥出粉率的影響見圖4。

圖4 進風溫度對噴霧干燥出粉率的影響Fig.4 Influence of inlet temperature on spray drying rate

如圖4所示，隨著進風溫度的逐漸升高，噴霧干燥出粉率呈先上升后下降的趨勢；在進口溫度增至180℃前，出粉率顯著升高，并在溫度達到180℃時達到最大值。當進口溫度低于180℃時，料液因為不能充分受熱，易呈現(xiàn)半濕狀態(tài)黏在干燥室內(nèi)壁使得出粉率降低。當進口溫度高于180℃時，溫度太高，料液中的糖類物質(zhì)發(fā)生焦糖化反應，會產(chǎn)生熱熔掛壁現(xiàn)象使得出粉率降低，且產(chǎn)品有焦糊現(xiàn)象。綜合考慮，熱風溫度應控制在180℃左右適宜。

2.2 噴霧干燥工藝響應面試驗設計與結(jié)果

在單因素試驗的基礎上，選取A（進料流量）、B（β-環(huán)糊精添加量）、C（可溶性固形物含量）和D（進料溫度）4個因素，采用四因素三水平的響應面分析試驗對草莓酶解液Y（出粉率）進行優(yōu)化，利用Design-Expert V8.0.6軟件進行試驗設計、數(shù)據(jù)處理及模型的建立，試驗設計與結(jié)果見表3，回歸方程的方差分析見表4。

表3 Box-Benhnken試驗方案及結(jié)果Table 3 Experimental design and results of Box-Benhnken

續(xù)表3 Box-Benhnken試驗方案及結(jié)果Continue table 3 Experimental design and results of Box-Benhnken

運用Design-Expert（Version 8.0.6）軟件對試驗數(shù)據(jù)進行響應曲面分析，建立A（進料流量）、B（β-環(huán)糊精添加量）、C（可溶性固形物含量）和D（進料溫度）4個因素與Y（出粉率）之間的二次多項式模型，擬合得到二次回歸方程：

表4 回歸方程的方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

表3可知：響應面優(yōu)化擬合出的方程回歸項的模型 P＜0.05，有差異顯著性，失擬項（P=15.51＞0.05）差異不顯著。還可以看出，A、C、AB、AC、BD、A2、B2、C2、D2影響極顯著。從F值大小得出，4個因素對出粉率Y的影響大小排列順序為：C（可溶性固形物含量）＞A（進料流量）＞D（進風溫度）＞B（β-環(huán)糊精添加量）。

2.3 出粉率Y的響應面曲面分析

為考察影響因素間的曲面效應，對二次回歸模型進行響應的曲面分析。通過Design ExpertV 8.0.6.1軟件獲得三維響應面，能夠直觀地反映出各個因素及其相互作用對試驗結(jié)果的影響。等高線的形狀反映交互效應的強弱，圓形表示兩個因素交互作用不顯著，橢圓形表示兩個因素交互作用顯著。因素交互作用的響應面圖見圖5～圖7。由圖5～圖7可看出進料流量、β-環(huán)糊精添加量、可溶性固形物含量、進風溫度對出粉率Y值的交互作用均顯著。

圖5 進料流量和β-環(huán)糊精添加量交互作用對Y值的影響Fig.5 Effect of feed flow and beta-cyyclodextrin addition on Y value

圖5結(jié)果顯示，隨著進料流量的增加，出粉率在低β-環(huán)糊精添加量下呈上升至平穩(wěn)后略緩慢下降的趨勢，而在高β-環(huán)糊精添加量下呈緩慢下降趨勢；隨著β-環(huán)糊精添加量的增加，出粉率在低進料流量下呈上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢，而在高進料流量下呈緩慢下降趨勢，說明AB兩種因素互交作用顯著。

圖6 進料流量和進風溫度交互作用對Y值的影響Fig.6 Influence of feed flow rate and inlet temperature on Y value

圖6結(jié)果顯示，隨著進料流量的增加，出粉率在低進料溫度下呈緩慢上升至平穩(wěn)后略緩慢下降趨勢，而在高進風溫度下呈緩慢下降趨勢；隨著進風溫度的增加，出粉率在低進料流量呈緩慢上升趨勢；而在高進料流量緩慢下降趨勢，這說明AD兩種因素互交顯著。

圖7 β-環(huán)糊精添加量和進風溫度交互作用對Y值的影響Fig.7 Effect of beta-cyclodextrin addition and inlet temperture on Y value

圖7結(jié)果顯示，隨著β-環(huán)糊精添加量的增加，出粉率在低進風溫度下呈緩慢上升趨勢，而在高進料溫度下呈略緩慢下降趨勢；隨著進風溫度的增加，出粉率在低β-環(huán)糊精添加量下呈緩慢上升趨勢，而在高β-環(huán)糊精添加量下呈緩慢下降趨勢，這說明BD兩種因素交互作用顯著。

2.4 最佳噴霧條件的確定及驗證試驗

根據(jù)草莓速溶粉潤濕性和分散性模型的二次回歸方程，利用Design-Expert V8.0.6軟件對草莓速溶粉噴霧干燥工藝條件進行優(yōu)化，噴霧干燥的最佳條件為進料流量850 mL/h、β-環(huán)糊精添加量0.7%、可溶性固形物含量16%、進風溫度180℃。得到草莓出粉率的理論值為44.81%；為驗證響應面優(yōu)化的可行性，在此最佳條件下進行草莓粉噴霧干燥的驗證試驗，同時，考慮實際操作可行性，采用響應面的最佳工藝參數(shù)，進行5次平行試驗，平均得到出粉率是44.27%，與理論值較為接近。根據(jù)實際噴霧干燥所得出粉率做感官評價，在此試驗條件下，噴霧干燥所得粉末較干燥、粗細均勻、疏松、顏色純正紅色、香氣柔和適中、口感酸甜可口無苦澀味、感官評分為89.46分。這說明試驗中的回歸方程適合于草莓速溶粉噴霧效果的預測與分析。

3 結(jié)論

通過響應面綜合考慮進料流量、β-環(huán)糊精添加量、可溶性固形物含量、進風溫度4個因素對草莓出粉率Y值的影響。根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理設計了四因素三水平試驗，用Design-Expert軟件處理試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明草莓速溶粉噴霧干燥工藝的最優(yōu)條件為進料流量850 mL/h、β-環(huán)糊精添加量0.7%、可溶性固形物含量16%、進風溫度180℃；出粉率達到44.27%，表明該工藝采用此參數(shù)可靠。