高瑞昌,張 偉,李 欣,蘇 麗,袁 麗
1. 江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013
2. 寧夏賀蘭山東麓葡萄產(chǎn)業(yè)園區(qū)管理委員會(huì),寧夏 銀川 753000
烏鱧 (Channa argus) 是一種備受歡迎的淡水魚,常作為原料生產(chǎn)調(diào)理魚片或冷凍魚片,但其加工過程中產(chǎn)生的魚頭、魚骨等下腳料利用率較低,造成較大的資源浪費(fèi),并產(chǎn)生較嚴(yán)重的環(huán)境問題。中國(guó)素有熬制魚頭湯的飲食習(xí)慣,但較為耗時(shí)。烏鱧魚頭富含礦物質(zhì)元素、氨基酸和不飽和脂肪酸,是熬制魚湯的優(yōu)選原料。因此開發(fā)方便即食的烏鱧魚頭湯制品具有較好的市場(chǎng)前景。目前市場(chǎng)上存在少量的魚湯制品多為濃縮型湯膏,體積大且含水量高,保藏條件較嚴(yán)格,其消費(fèi)受到較大的限制。隨著干燥技術(shù)在速溶湯上的應(yīng)用,出現(xiàn)了一些速溶湯制品。如采用微波冷凍干燥方法制備的速溶蔬菜湯[1];通過微波預(yù)糊化與紅外冷凍干燥制備的奶油蘑菇湯粉[2];Singh等[3]用噴霧干燥法制成的蘑菇乳清湯粉可在30 ℃下保存8個(gè)月。但鮮見作為粉末型的方便魚湯產(chǎn)品。為適應(yīng)現(xiàn)代人快節(jié)奏的生活方式和對(duì)美味魚湯產(chǎn)品的需求,本研究選取噴霧干燥法制備烏鱧魚頭湯粉,探索干燥參數(shù)對(duì)干燥效果和產(chǎn)品品質(zhì)的影響,優(yōu)化出最佳干燥條件,為沖調(diào)式魚頭湯粉的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐,從而提高烏鱧加工副產(chǎn)物的利用價(jià)值。
新鮮烏鱧 [(1.0±0.2) kg] 購(gòu)于江蘇省鎮(zhèn)江市吉麥隆超市,宰殺后取魚頭,用碎冰保藏于泡沫箱中運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室;麥芽糊精 (食品級(jí)) 購(gòu)于河南新鄉(xiāng)中信化學(xué)有限公司。
JSM-7800F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (日本電子株式會(huì)社);均質(zhì)機(jī) (上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司);OM-1500A小型噴霧干燥器 (上海歐蒙有限公司);Lab-1C-50真空冷凍干燥機(jī) (北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);3810 (PAL-1) Digital Pocket Refractometer糖度計(jì) (日本Atago公司);MB27快速水分測(cè)定儀(奧豪斯儀器 (常州) 有限公司);CR-400色差計(jì) (日本Konica Minolta, Inc.)。
將新鮮烏鱧魚頭清洗后瀝干,用刀剁成小塊,稱質(zhì)量,用料酒和少量姜塊腌制30 min,瀝干備用。不銹鋼鍋內(nèi)放入約50 mL的大豆油加熱,放入魚頭塊 [(250±5) g] 煎炸40~60 s至變色,然后再轉(zhuǎn)入湯鍋中 [ m(料)∶V(液)=1∶6],大火 (98 ℃)熬煮30 min,再轉(zhuǎn)小火 (90 ℃) 熬制,在熬煮至第60分鐘時(shí)添加1%的食鹽,總熬煮時(shí)間為150 min。當(dāng)湯體溫度降至40 ℃時(shí),用勺子除去上層的油層,選取下層的魚湯利用棉紗布進(jìn)行過濾,得率約為最初添加水體積的40%,然后進(jìn)行后續(xù)干燥。
1.4.1 麥芽糊精的添加量
物料黏度是噴霧干燥過程中的一個(gè)重要因素[4]。選擇常用的麥芽糊精作為助干劑控制黏度,添加質(zhì)量濃度為0、5、10、15和20 g·L-1。噴霧干燥進(jìn)料速度設(shè)為10 mL·min-1,進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃,結(jié)束后收集樣品并計(jì)算集粉率,根據(jù)粉末的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、色澤、溶解性和堆積密度等指標(biāo)及干燥過程中的粘壁情況確定麥芽糊精的最佳添加量。
1.4.2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥效果的影響
在1.4.1確定麥芽糊精用量的基礎(chǔ)上,將進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定為60、170、180和190 ℃,進(jìn)料速度固定為10 mL·min-1,進(jìn)行噴霧干燥實(shí)驗(yàn)。測(cè)定所得產(chǎn)品的集粉率、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、色澤、溶解性和堆積密度等,篩選出最優(yōu)的進(jìn)風(fēng)溫度。
1.4.3 進(jìn)料速度對(duì)噴霧干燥效果的影響
在1.4.1確定麥芽糊精用量的基礎(chǔ)上,將進(jìn)料速度設(shè)定為6、9、12和15 mL·min-1,進(jìn)口溫度設(shè)為1.4.2得到的最優(yōu)溫度,進(jìn)行噴霧干燥實(shí)驗(yàn)。測(cè)定產(chǎn)品集粉率,以及粉末的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、色澤、溶解性和堆積密度等,確定最優(yōu)的進(jìn)料速度。
1.5.1 粉末顆粒形貌與粒徑分析
利用掃描電鏡觀察所得粉末的形貌和表面特征。將粉末樣品粘在貼有雙面膠的圓柱形鋁底座上,然后進(jìn)行離子濺射噴金,在不同放大倍數(shù)下以15 kV的加速電壓進(jìn)行檢測(cè)。選取適當(dāng)放大倍數(shù)(1 000×、5 000×和 10 000×) 作為每個(gè)樣品的代表。采用激光衍射粒度儀分析顆粒的粒度。選用通用的樣品池,將2.0 g樣品懸浮于20 mL蒸餾水中超聲30 s,折光系數(shù)為1.50,利用光衍射法進(jìn)行樣品分析。平均粒徑用體積平均直徑D[3,4]表示,粒徑分布用跨度 (Span) 表征??缍戎笖?shù)計(jì)算為:
式中:Ispan為跨度指數(shù);D90為90%顆粒的平均粒徑 (μm);D50為 50% 顆粒的平均粒徑 (μm);D10為10%顆粒的平均粒徑 (μm)。
1.5.2 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定
使用糖度計(jì)測(cè)定魚頭湯固形物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.5.3 集粉率計(jì)算
參考鄭唯等[5]的方法,計(jì)算公式為:
式中:P為集粉率 (%);m0為粉末質(zhì)量 (g);m1為液料中的干物質(zhì)質(zhì)量 (g);m2為助干劑麥芽糊精添加質(zhì)量 (g)。
1.5.4 堆積密度測(cè)定
參考Teo等[6]的方法,即粉末的質(zhì)量與在量筒中固定體積的比值。稱量10 mL量筒中可堆積的樣品質(zhì)量,重復(fù)3次,取平均值,計(jì)算公式為:
式中:ρ為堆積密度 (g·mL-1);m為粉末樣品質(zhì)量(g);V為粉末樣品體積 (mL)。
1.5.5 色度測(cè)定
利用色差儀對(duì)所得粉末顏色進(jìn)行測(cè)定分析,得到樣品的明度 (L*)、紅綠色度 (a*)、藍(lán)黃色度 (b*)并計(jì)算白度。
1.5.6 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定
采用快速水分測(cè)定儀進(jìn)行分析。
1.5.7 沖調(diào)時(shí)間
參考李秀軍等[7]的方法,用量筒量取 50~55 ℃的蒸餾水 8 mL 放入 10 mL試管中沖調(diào)1 g樣品,并用玻璃棒攪拌,觀察并記錄樣品完全溶解所需時(shí)間。
1.5.8 吸濕性
參考Cai和Corke[8]的方法并適當(dāng)修改。取1 g樣品置于含飽和氯化鈉 (NaCl) 溶液 (相對(duì)濕度75%)的干燥器中,在25 ℃條件下放置1周后稱質(zhì)量,吸濕性為每100 g樣吸附的水分質(zhì)量 [g·(100 g)-1]:
式中:A為吸濕性 (%);W1為樣品初始質(zhì)量 (g);W2為1周后的樣品質(zhì)量 (g)。
1.5.9 溶解度
取0.5 g樣品加入50 mL蒸餾水中,攪拌器攪拌 30 min,離心 5~10 min (3 000~4 000 r·min-1),取上清液10 mL轉(zhuǎn)移至玻璃皿中,烘干至恒質(zhì)量:
式中:S為溶解度 [g·(100 mL)-1];m為上清液中固形物的質(zhì)量 (g);M為樣品溶液體積 (mL)。
所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。顯著性分析用SPSS 20.0軟件進(jìn)行,以P<0.05 作為標(biāo)準(zhǔn)。采用Origin 8.0軟件繪圖。
2.1.1 助干劑對(duì)噴霧干燥產(chǎn)品的影響
助干劑 (麥芽糊精) 對(duì)魚頭湯噴霧干燥產(chǎn)品品質(zhì)的影響見表1。未添加麥芽糊精時(shí),魚頭湯經(jīng)噴霧干燥后所得到的粉末積粉率和堆積密度均最低,同時(shí)沖調(diào)時(shí)間最長(zhǎng)并存在嚴(yán)重的粘壁現(xiàn)象。而添加麥芽糊精可顯著提高魚頭湯粉末的集粉率,當(dāng)其質(zhì)量濃度高于10 g·L-1時(shí),集粉率增至39.2%。但麥芽糊精質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加對(duì)集粉率無顯著影響。助干劑質(zhì)量濃度較低時(shí),料液中固形物的包埋效果差,影響玻璃化溫度,導(dǎo)致霧化不充分[9],易出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象,造成集粉率低。而隨著添加量的增加,助干劑能在物料表面形成一層膜,從而改善粘壁現(xiàn)象,集粉率變大[10-11]。此外,隨著麥芽糊精質(zhì)量濃度的增加,產(chǎn)品的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸下降且趨于穩(wěn)定,當(dāng)大于15 g·L-1時(shí)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至5%以下,有利于長(zhǎng)期存放。結(jié)果表明麥芽糊精的添加可改變物料間的粘黏程度,使顆粒間隔增大,利于水分的脫除,干燥加快。因此,麥芽糊精不僅可提高集粉率還有助于干燥過程中的脫水[12-13]。
表1 助干劑對(duì)產(chǎn)品噴霧干燥的影響Table 1 Effect of carrier on spray drying of product
此外,麥芽糊精的添加還會(huì)影響產(chǎn)品的堆積密度。未添加麥芽糊精時(shí)所得到的粉末堆積密度僅為 0.365 g·mL-1,當(dāng)添加質(zhì)量濃度為 5 和 15 g·L-1時(shí),堆積密度增大;而當(dāng)添加質(zhì)量濃度超過15 g·L-1時(shí),堆積密度則無明顯差異,可能是由于粉末水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同造成。麥芽糊精的添加還導(dǎo)致沖調(diào)時(shí)間的縮短,表明產(chǎn)品的溶解度隨著麥芽糊精的增多而提高。麥芽糊精影響了產(chǎn)品的色澤,未添加麥芽糊精或添加量較低時(shí),b*較高,粉末偏黃;隨著添加量的增加,L*增大,b*顯著降低并趨于穩(wěn)定,白度升高,但添加量過大會(huì)有濃郁的麥芽糊精味,影響產(chǎn)品原有風(fēng)味。因此,綜合各參數(shù),確定麥芽糊精的添加質(zhì)量濃度為15 g·L-1。該條件下干燥粉末的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%,溶解性較好且色澤佳。
2.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥產(chǎn)品的影響
進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥過程中能量傳遞及利用率會(huì)產(chǎn)生較大影響,是影響噴霧干燥效果和產(chǎn)品品質(zhì)的重要參數(shù)。進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)魚頭湯噴霧干燥的影響見表2。隨著溫度的上升,粉末的集粉率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在170 ℃時(shí)達(dá)到最大。溫度較低時(shí),液體無法迅速干燥,半干的顆粒會(huì)粘壁,導(dǎo)致集粉率下降;溫度較高時(shí),熱量能夠充分傳遞給噴出的霧滴,干燥室內(nèi)的氣流分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇,水分蒸發(fā)速率加快,物料在氣化后能迅速干燥。提高干燥速度,粘壁現(xiàn)象得到改善,粉末不易結(jié)塊。但若溫度過高,粉體表面會(huì)快速形成較硬的外殼,導(dǎo)致顆粒內(nèi)部水分不易向外擴(kuò)散,造成水分含量又有所升高。此外,在較高溫度下蛋白質(zhì)和麥芽糊精粉末則容易糊化,不僅影響產(chǎn)品最終的口感,還會(huì)影響其色澤,造成品質(zhì)下降。黃紹天和王步江[14]報(bào)道進(jìn)風(fēng)溫度過高會(huì)導(dǎo)致噴霧干燥后期料液溫度大于黏流溫度,糖類等物質(zhì)發(fā)生輕微焦化現(xiàn)象,產(chǎn)生輕微的熱粘壁現(xiàn)象。
粉末的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與集粉率基本一致,在170 ℃時(shí)最低 (4.77%),產(chǎn)品得率最高(表2)。此外,干燥粉末的堆積密度在180 ℃時(shí)達(dá)到最大,而粉末的沖調(diào)時(shí)間在170和180 ℃時(shí)較短且無顯著性差異 (P>0.05)。但當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度過高時(shí),粉末的沖調(diào)時(shí)間則會(huì)變長(zhǎng),可能是因?yàn)闇囟鹊蜁r(shí)物料干燥不充分導(dǎo)致溶解性降低,而溫度過高會(huì)形成堅(jiān)硬的外殼,則需要更多的時(shí)間才能被溶解。此外,進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)產(chǎn)品色澤也產(chǎn)生了顯著影響,當(dāng)升高至190 ℃時(shí),b*明顯增大,可能是由于溫度過高使物料糊化從而導(dǎo)致粉末顏色偏黃。粘壁情況除了在160 ℃下不理想外,其他組均呈現(xiàn)較好的效果。綜上,本實(shí)驗(yàn)選擇最佳的進(jìn)風(fēng)溫度為170 ℃。
表2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)產(chǎn)品噴霧干燥的影響Table 2 Effect of inlet air temperature on spray drying of product
2.1.3 進(jìn)料速度對(duì)產(chǎn)品噴霧干燥的影響
進(jìn)料速度也是影響噴霧干燥過程中產(chǎn)品品質(zhì)的重要參數(shù)。當(dāng)進(jìn)料速度過低時(shí),魚頭湯的噴霧干燥時(shí)間較長(zhǎng),不僅增加能耗,還會(huì)影響生產(chǎn)效率。進(jìn)料速度對(duì)干燥產(chǎn)品的影響見表3。集粉率隨進(jìn)料速度的增加總體上呈下降趨勢(shì),在較低進(jìn)料速度范圍內(nèi)集粉率較高,但當(dāng)進(jìn)料速度增加到一定程度時(shí),集粉率則顯著降低 (P<0.05)。當(dāng)進(jìn)料速度較低時(shí),水分能夠充分蒸發(fā),物料可在霧化室得到較徹底的干燥,但當(dāng)進(jìn)料速度過快時(shí),物料霧化不充分,水分蒸發(fā)不徹底,會(huì)導(dǎo)致干燥不完全,產(chǎn)生大量粘壁,出現(xiàn)結(jié)塊,同時(shí)還易造成聚集堵塞影響噴霧。結(jié)果顯示,當(dāng)魚頭湯進(jìn)料速度為6 mL·min-1時(shí),水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低 (3.91%),堆積密度與其他組無明顯差異,并且在該條件下溶解性較好,沖調(diào)時(shí)間小于1 min,且輕微粘壁。綜上,本實(shí)驗(yàn)選擇進(jìn)料速度為 6 mL·min-1。
表3 進(jìn)料速度對(duì)產(chǎn)品噴霧干燥的影響Table 3 Effect of feeding speed on spray drying of product
2.2.1 產(chǎn)品宏觀形態(tài)
噴霧干燥獲得的是較細(xì)的白色粉狀產(chǎn)品 (圖1)。蔣麗施等[15]利用白烏魚 (Opniocepnalus argus)熬煮魚湯,通過噴霧干燥所得到的魚湯粉的白度也呈現(xiàn)白色,且麥芽糊精添加量越多白度越高。
圖1 噴霧干燥魚頭湯粉外觀Fig. 1 Product by spray drying
2.2.2 產(chǎn)品含水量
含水量是檢驗(yàn)干燥產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo),與產(chǎn)品存放條件和時(shí)間有關(guān)[16]。噴霧干燥過程中,物料與熱空氣充分接觸并進(jìn)行熱量交換,水分從顆粒內(nèi)部快速擴(kuò)散,物料在霧化后形成細(xì)小的顆粒,呈均勻多孔的球狀,有利于水分的擴(kuò)散。本實(shí)驗(yàn)顯示魚頭湯經(jīng)過噴霧干燥得到的粉末水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為4.03%,有利于產(chǎn)品的后期存放。蔣麗施等[15]同樣采用最佳進(jìn)風(fēng)溫度為170 ℃對(duì)白烏魚魚湯進(jìn)行噴霧干燥,所得魚湯粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.26%。這可能與不同原料來源的魚湯中組分種類和含量不同有關(guān)。
2.2.3 產(chǎn)品堆積密度
堆積密度是一個(gè)反映粉體質(zhì)構(gòu)的參數(shù),與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[17-18]。堆積密度大可以減少包裝和運(yùn)輸成本[19]。表4顯示了噴霧干燥得到的產(chǎn)品堆積密度。噴霧干燥過程中,液滴會(huì)被霧化,在這個(gè)過程中會(huì)受重力、阻力和碰撞等影響產(chǎn)生形變,產(chǎn)生不同的顆粒結(jié)構(gòu),導(dǎo)致粉末堆積密度增大。進(jìn)料溫度、進(jìn)料速度和魚湯的固形物含量是影響魚頭湯粉的重要因素[20],利用本研究?jī)?yōu)化的噴霧干燥條件所得魚頭湯粉末的堆積密度為0.542 g·mL-1。朱琳芳[20]利用噴霧干燥制備的鳙 (Aristichthys nobilis) 湯粉的堆積密度約為0.25 g·mL-1。堆積密度與噴霧過程中所形成的粉末粒徑有關(guān),粒徑越小,堆積密度越大。
2.2.4 產(chǎn)品溶解度
本實(shí)驗(yàn)中噴霧干燥產(chǎn)品的溶解度較高 (表4),可能是因?yàn)閲婌F干燥過程中所形成的顆粒直徑小,且較為均勻,空隙更多,與水分接觸的通道多,導(dǎo)致粉末溶解度較高[21],這與付露瑩等[22]的研究結(jié)果一致。鳙魚湯的噴霧干燥粉也具有相當(dāng)高的溶解度,但隨進(jìn)料濃度和進(jìn)料溫度的升高而降低,隨進(jìn)料速度的增加而增大[20]。
2.2.5 產(chǎn)品吸濕性
噴霧干燥制得的粉末吸濕性較低,主要與添加的助干劑有關(guān)。在較低濃度下,麥芽糊精的添加提高了產(chǎn)量,降低了粉體的吸濕性[23-24],因?yàn)槠渚哂休^少的親水性基團(tuán),顯示出較低的吸濕性。通過本研究?jī)?yōu)化的噴霧干燥條件獲得魚頭湯粉的吸濕性約為 24.47 g·(100 g)-1(表 4)。Ferrari等[25]在對(duì)黑莓(Rubus fruticosus) 果肉進(jìn)行噴霧干燥時(shí)加入5%~10%的麥芽糊精,產(chǎn)品的吸濕性隨麥芽糊精添加量的升高而降低,但過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致粉末的吸濕性增大[26-27],因此,適量的助干劑才有利于降低產(chǎn)品的吸濕性。
表4 噴霧干燥的烏鱧魚頭湯粉品質(zhì)指標(biāo)Table 4 Quality index of C. argus head soup powder made by spray drying
2.2.6 粉體粒徑分布
通過噴霧干燥制備的魚頭湯粉粉末粒徑及其分布見表5。D[4,3]所代表的平均粒徑顯示噴霧干燥樣品的平均粒徑較小。根據(jù)D90、D50和D10計(jì)算得到跨度指數(shù)接近1,表明粉末粒徑分布較窄[28],進(jìn)一步說明噴霧干燥獲得的粉體大小更均勻。在進(jìn)行噴霧干燥時(shí),霧化的過程會(huì)將液體先分散為小霧滴,受熱后水分蒸發(fā),形成細(xì)小的粉末狀顆粒,得到的粉體粒徑小且分布相對(duì)均勻。
表5 粉末粒徑和跨度指數(shù)Table 5 Particle sizes and span index of powder
2.2.7 顆粒形貌
粉體的微觀形態(tài)及結(jié)構(gòu)與干燥產(chǎn)品的流動(dòng)性、速溶性、堆積密度等指標(biāo)密切相關(guān)。噴霧干燥得到的魚頭湯粉末的微觀形態(tài)掃描電鏡圖見圖2。如前所述,在噴霧干燥過程中經(jīng)過霧化器液體被均勻地分散成霧滴,使得制成的顆粒形狀基本相同。放大1 000倍大多呈現(xiàn)球型顆粒狀或扁球狀,而放大5 000和10 000倍噴霧干燥的顆粒形狀較圓、非常規(guī)則,表面光滑、大小均勻且多孔,分散性好,顆粒間的空隙大。該結(jié)果進(jìn)一步解釋了噴霧干燥的粉末含水量低,同時(shí)具較好的流動(dòng)性、速溶性和堆積密度的原因。一些噴霧干燥的顆粒會(huì)融合在一起,這可能與吸濕性、物料濃度、添加的輔料黏度以及成膜能力有關(guān)[29]。
圖2 掃描電鏡結(jié)果Fig. 2 SEM of the spray drying samples
麥芽糊精可作為烏鱧魚頭湯噴霧干燥的助干劑,能有效改善噴霧干燥過程中的粉末粘壁現(xiàn)象,當(dāng)添加質(zhì)量濃度為15 g·L-1、噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為170 ℃、進(jìn)料速度為6 mL·min-1時(shí),烏鱧魚頭湯噴霧干燥效果最佳,制得的魚頭湯粉末集粉率最高,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%,堆積密度較大,色澤佳,速溶性較好。此外,產(chǎn)品顆粒呈球狀,粒徑小且分布較均勻,表面光滑,顆粒間空隙較大,吸濕性較低,利于存放。總之,噴霧干燥方法可應(yīng)用于方便快捷的魚頭湯粉末產(chǎn)品生產(chǎn),但規(guī)?;a(chǎn)工藝還有待進(jìn)一步研究。