陳恒輝,王軍峰,韓延超,陳慧芝,吳偉杰,丁玉庭,童 川,郜海燕,*

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310014; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 食品科學(xué)研究所,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風(fēng)險(xiǎn)防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品產(chǎn)后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)輕工業(yè)果蔬保鮮與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310021; 3.縉云縣山里人家農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司,浙江 縉云 321400)

固體飲料是將食品原料、輔料、添加劑等制成經(jīng)沖調(diào)即可飲用的顆粉狀、粒狀等固態(tài)制品[1]。因具有風(fēng)味獨(dú)特、便于攜帶、貨架期長(zhǎng)等特點(diǎn),固體飲料一經(jīng)推出便很快贏得消費(fèi)者的喜愛(ài)[2]。目前,制備固體飲料的干燥方式主要為真空冷凍干燥與噴霧干燥。真空冷凍干燥可以更好地保留飲料的風(fēng)味與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3];噴霧干燥速度快,工藝參數(shù)易控,且可直接得粉[4]。相對(duì)地,關(guān)于鼓風(fēng)干燥和微波干燥在固體飲料制備中的應(yīng)用與研究較少。

?？?Moraceae)桑屬(Morus)植物在我國(guó)的分布十分廣泛,在長(zhǎng)江流域,尤其是浙江一帶尤多。蠶桑產(chǎn)業(yè)在我國(guó)已有4 000多年的歷史[5]。桑葉為桑樹(shù)的葉子,不僅可作為動(dòng)物飼料,更是一種藥食同源食品[6]。據(jù)《中國(guó)蠶業(yè)大全》與《中草藥手冊(cè)》記載,桑葉具有平肝明目、清熱解毒之功效?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,桑葉中含有特殊的多糖、豐富的生物堿與大量的多酚類(lèi)和多種氨基酸等活性物質(zhì)[7-8],具有抗氧化[9]、降壓[10]、抗癌[11]等功效。因原料安全易得且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富,桑葉已被廣泛用于醫(yī)藥、護(hù)膚、飼料、食品等行業(yè)[12]。枸杞是茄科(Solanaceae)枸杞屬(Lycium)植物,是一種可藥可食的植物[13],在全球約有80多個(gè)品種,在我國(guó)西部種植較廣泛,其中,尤以寧夏枸杞最負(fù)盛名[14]。中醫(yī)藥學(xué)認(rèn)為,枸杞具有滋陰補(bǔ)陽(yáng)、養(yǎng)肝潤(rùn)肺的功效[15-16]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證實(shí),枸杞不僅具有降血糖、血脂和抗癌的作用,還具有美容養(yǎng)顏、提高免疫力與明目護(hù)肝等功效[17-19]。枸杞營(yíng)養(yǎng)豐富,含有大量的維生素、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)等成分,在食品行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。根據(jù)中藥配伍理論,桑葉枸杞飲料具有潤(rùn)肺、調(diào)肝陽(yáng)、清熱去火等功效。

本研究以桑葉、枸杞作為主要原料,經(jīng)水提、濃縮、干燥等工藝制備固體飲料。在干燥階段,先對(duì)比了3種干燥方式對(duì)粉體的品質(zhì)影響,然后進(jìn)一步選取真空冷凍干燥工藝制備粉體,并通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化固體飲料配方,從原料選取、制備工藝、配方優(yōu)化方面較完整地探究桑葉枸杞固體飲料的制備過(guò)程,可為后續(xù)植物固體飲料的制備與開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)用的桑樹(shù)品種為農(nóng)桑14號(hào),供試桑葉取自浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院桑園;試驗(yàn)用的枸杞品種為寧杞1號(hào),購(gòu)自寧夏杞里香枸杞有限責(zé)任公司。

苯酚、無(wú)水乙醇、濃硫酸均為分析純,購(gòu)自阿拉丁試劑(上海)有限公司。氯化鈉,分析純,購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽糊精、蘋(píng)果酸,純度均不低于99%,購(gòu)自浙江一諾生物科技有限公司。木糖醇,購(gòu)自南京甘汁園糖業(yè)有限公司。甜菊糖苷,純度≥80%,購(gòu)自上海藍(lán)平實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

CR-410色彩色差計(jì)(色差儀),日本Konica Minolta;P70D20TL-D4微波干燥機(jī),廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司;GG-9070A鼓風(fēng)干燥箱,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;081196168-F真空冷凍干燥機(jī),美國(guó)Labconco;ReadMax 1900型光吸收全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀,上海閃譜生物科技有限公司。

1.3 工藝流程

原料預(yù)處理→提取→濃縮→干燥→粉碎→復(fù)配→成品。

挑選新鮮完整桑葉,用蒸餾水清洗,室溫下晾干,切片備用;挑選色澤鮮明無(wú)破損枸杞若干備用。稱(chēng)取桑葉、枸杞共100 g(質(zhì)量比3∶2),加入10倍蒸餾水煎煮兩次,每次1 h。將浸提液合并,用兩層紗布過(guò)濾,加入料液中可溶性固形物質(zhì)量20%的麥芽糊精混合均勻,經(jīng)減壓濃縮得到密度為1.20 g·cm-3的浸膏[20]。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 干燥方式選擇

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種干燥方式,通過(guò)對(duì)比其對(duì)粉體品質(zhì)的影響,確定合適的干燥方式。將3種干燥方式的工藝簡(jiǎn)述如下。

微波干燥：將浸膏放入干凈培養(yǎng)皿中置于微波干燥機(jī)內(nèi),以水分含量達(dá)4%作為干燥終點(diǎn)(下同)。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)設(shè)定微波功率700 W,微波干燥8 min結(jié)束,粉碎過(guò)80目篩。

鼓風(fēng)干燥：在干凈培養(yǎng)皿上鋪一層錫箔紙,將浸膏放入其中,每個(gè)培養(yǎng)皿約放置12 g浸膏。將裝有浸膏的培養(yǎng)皿放入烘盤(pán)之上,置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),設(shè)置干燥箱溫度80 ℃,干燥8 h結(jié)束,粉碎過(guò)80目篩。

真空冷凍干燥：每個(gè)培養(yǎng)皿中約放置浸膏12 g,先在-40 ℃冰箱預(yù)冷4 h,然后放入-80 ℃冰箱預(yù)冷3 h,之后轉(zhuǎn)移入真空冷凍干燥機(jī),干燥過(guò)程中真空度保持在20 Pa,冷凍干燥48 h至干燥結(jié)束,粉碎過(guò)80目篩。

1.4.2 口感優(yōu)化

為了降低固體飲料的微弱草藥味、改善口感,選用蘋(píng)果酸、木糖醇與甜菊糖苷作為調(diào)味輔料。綜合粉體品質(zhì)特性,選取真空冷凍干燥用于后續(xù)試驗(yàn)。前期通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定輔料添加量范圍,利用Design Expert 12.0.3軟件設(shè)計(jì)3因素[木糖醇添加量(A)、甜菊糖苷添加量(B)、蘋(píng)果酸添加量(C)]3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)[21],分析輔料添加量對(duì)固體飲料感官的影響,其中,A因素的3個(gè)水平(分別編碼-1、0、1,下同)相應(yīng)設(shè)定為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)、25%、30%,B因素的3個(gè)水平相應(yīng)設(shè)定為0、3%、6%,C因素的3個(gè)水平相應(yīng)設(shè)定為0.10%、0.15%、0.20%。因外觀、色澤既定,主要以口感為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),選取20～40歲、男女各6名口感評(píng)價(jià)人員進(jìn)行打分,滿分100分[22]。

1.5 指標(biāo)測(cè)定

1.5.1 物理指標(biāo)

參照文獻(xiàn)[23-24]的方法測(cè)定二級(jí)指標(biāo)——松密度(ρb)、振實(shí)密度(ρt)、含水量(W)、休止角(α)、吸濕率(H)、豪斯納比率(HR)、孔隙率(P)、壓縮度(DC)、中值粒徑(50%顆粒通過(guò)寬度,D50)、徑距(span)、粒徑范圍(width)等物理指標(biāo)。參照文獻(xiàn)[25-26]的方法對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換為0～10,數(shù)值越大表明性質(zhì)越好),構(gòu)建物理指紋圖譜。將上述二級(jí)指標(biāo)合并為5個(gè)一級(jí)指標(biāo)：以ρb、ρt表示堆積性,以W、H表示穩(wěn)定性,以α、HR表示流動(dòng)性,以P、DC表示可壓性,以D50、span、width表示均一性。

將一級(jí)指標(biāo)(堆積性、穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可壓性、均一性)看成向量的5個(gè)維度,采用修正余弦向量夾角值來(lái)判斷不同干燥方式樣品的相似程度,其值越接近1,表明兩種干燥方式所得粉體的物理指紋圖譜性質(zhì)越相似。

1.5.2 溶解能力

參照文獻(xiàn)[27-28]的方法測(cè)定溶解性。準(zhǔn)確稱(chēng)取不同干燥方式制備的桑葉枸杞固體飲料樣品2.0 g,溶于100 mL溫開(kāi)水中,均勻攪拌10 min,取50 mL樣液3 000 r·min-1離心5 min,去除上清液,于105 ℃干燥至質(zhì)量恒定,依質(zhì)量變化計(jì)算溶解性。

溶解時(shí)間：準(zhǔn)確稱(chēng)取2.0 g樣品于50 mL蒸餾水中,在25 ℃、40 r·min-1的條件下攪拌至樣品全部溶解,記錄所需時(shí)間(s)。

濕潤(rùn)下沉?xí)r間：準(zhǔn)確稱(chēng)取2.0 g樣品于50 mL蒸餾水中,在靜置條件下,觀察并記錄全部樣品濕潤(rùn)沉降到底部的時(shí)間(s)。

1.5.3 吸濕動(dòng)力學(xué)

參照文獻(xiàn)[29]的方法進(jìn)行檢測(cè)并稍作修改。將樣品置于含有飽和NaCl溶液的干燥器中,測(cè)定0～204 h(每隔12 h測(cè)定一次)各時(shí)間點(diǎn)的吸濕量,計(jì)算吸濕率。

為了能夠更好地延長(zhǎng)固體飲料的貨架期,以吸濕時(shí)間曲線、平衡吸濕量作為評(píng)價(jià)指標(biāo),參照文獻(xiàn)[30]的方法,分別采用二項(xiàng)式方程(y=at2+bt+c)、對(duì)數(shù)方程(y=a+blnt)和Higuchi方程(y=at1/2+b)構(gòu)建模型并稍加修改,擬合吸濕動(dòng)力學(xué)。

1.5.4 色澤

采用色差儀測(cè)定L*(亮度指數(shù))、a*(紅綠指數(shù))、b*(黃藍(lán)指數(shù)),并計(jì)算總色差(ΔE)。

1.5.5 結(jié)構(gòu)

采用相機(jī)、Regulus 8100掃描電子顯微鏡[國(guó)儀量子技術(shù)(合肥)股份有限公司]觀察并拍攝固體飲料粉體具有代表性的表觀與微觀結(jié)構(gòu)(40×、500×)。

1.5.6 總糖含量

參照文獻(xiàn)[31-32]的方法并稍作修改,測(cè)定總糖含量。準(zhǔn)確稱(chēng)取1.000 g蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品,加適量蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中,加入0.5 mL濃硫酸,繼續(xù)稀釋制備100 μg·L-1蔗糖標(biāo)準(zhǔn)液。分別吸取100 μg·L-1蔗糖標(biāo)準(zhǔn)液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL,用蒸餾水添加至2.0 mL。在25 mL試管中加入1 mL 0.09 g·mL-1苯酚溶液,搖勻后加入5.0 mL濃硫酸,振蕩混合均勻,室溫下靜置30 min,測(cè)定溶液在485 nm處的吸光值,制備標(biāo)準(zhǔn)曲線。稱(chēng)取0.01 g干基粉,加入5 mL蒸餾水,沸水浴30 min,冷卻過(guò)濾定容至100 mL,后續(xù)步驟同標(biāo)準(zhǔn)曲線制備,折算總糖含量。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021軟件整理數(shù)據(jù)。采用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA),對(duì)有顯著(P<0.05)差異的,采用Duncan法進(jìn)行多重比較。采用Origin 2022軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對(duì)粉體的影響

2.1.1 物理指紋圖譜與相似度

采用二級(jí)指標(biāo)繪制3種干燥方式的物理指紋圖譜(圖1),計(jì)算不同干燥方式粉體的堆積性、穩(wěn)定性、流動(dòng)性、可壓性與均一性,并根據(jù)修正余弦向量夾角值來(lái)判斷不同干燥工藝粉體的相似程度。真空冷凍干燥粉體的可壓性、均一性顯著優(yōu)于鼓風(fēng)干燥與微波干燥(表1)。相較于真空冷凍干燥與微波干燥,鼓風(fēng)干燥的堆積性與流動(dòng)性顯著更好。微波干燥的粉體穩(wěn)定性最差,顯著劣于真空冷凍干燥與鼓風(fēng)干燥。整體來(lái)看,真空冷凍干燥與鼓風(fēng)干燥的相似度較低(相似度為26.3%),但與微波干燥的相似度高達(dá)89.8%;微波干燥與鼓風(fēng)干燥的相似度為46.8%。綜上,干燥方式對(duì)粉體的物理性質(zhì)存在一定的影響,與其他研究的結(jié)果類(lèi)似[33]。

表1 干燥工藝對(duì)粉體物理性質(zhì)的影響

ρb,松密度;ρt,振實(shí)密度;W,含水量;α,休止角;H,吸濕率;HR,豪斯納比率;P,孔隙率;DC,壓縮度;D50,中值粒徑;span,徑距;width,粒徑范圍。ρb, Bulk density; ρt, Tap density; W, Water content; α, Angle of repose; H, Hygroscopicity; HR, Hausner ratio; P, Porosity; DC, Compressibility; D50, Median particle size; span, Particle size span; width, Particle size width.圖1 鼓風(fēng)干燥(A)、微波干燥(B)、真空冷凍干燥(C)對(duì)粉體物理指紋圖譜的影響Fig.1 Effect of forced air drying (A), microwave drying (B), vacuum freeze drying (C) on physical fingerprints of powder

2.1.2 溶解能力

粉體的溶解能力在很大程度上影響著固體飲料的口感和風(fēng)味。真空冷凍干燥所得粉體的溶解性為93.37%(表2),顯著高于鼓風(fēng)干燥的86.33%;真空冷凍干燥所得粉體的溶解時(shí)間為73.33 s,顯著短于鼓風(fēng)干燥的81.07 s。此外,鼓風(fēng)干燥的濕潤(rùn)下沉?xí)r間還顯著高于微波干燥與真空冷凍干燥。上述研究結(jié)果與劉靜波等[34]的結(jié)果一致,可能是因?yàn)楣娘L(fēng)干燥會(huì)導(dǎo)致致密性結(jié)構(gòu)的形成,從而減少水分的攝入量[35]。

表2 干燥工藝對(duì)粉體溶解能力的影響

2.1.3 吸濕曲線

鼓風(fēng)干燥與微波干燥得到的粉體在前72 h吸濕率上升較快,隨后趨于平緩;真空冷凍干燥在前96 h吸濕率上升較快,在108 h后吸濕率趨穩(wěn)(圖2)。這主要是由于鼓風(fēng)干燥與微波干燥得到的粉體粒徑較小,增大了與環(huán)境中水分的接觸面積,從而增加了吸濕速率[36]。另外,可能由于真空冷凍干燥的熱通量最小,對(duì)組織結(jié)構(gòu)的破壞程度較低,因而對(duì)粉體吸濕性的影響較小;而微波干燥的溫度較高且加熱不均勻,對(duì)粉體結(jié)構(gòu)的破壞較大,導(dǎo)致其吸濕阻力減小。

FAD,鼓風(fēng)干燥;MD,微波干燥;VFD,真空冷凍干燥。下同。FAD, Forced air drying; MD, Microwave drying; VFD, Vacuum freeze drying. The same as below.圖2 干燥方式對(duì)粉體吸濕率的影響Fig.2 Effect of drying methods on moisture absorption rate of powder

分別采用二項(xiàng)式方程、對(duì)數(shù)方程和Higuchi方程對(duì)吸濕曲線進(jìn)行擬合[37],結(jié)果顯示,對(duì)于鼓風(fēng)干燥、微波干燥、真空冷凍干燥來(lái)說(shuō),均以二項(xiàng)式方程的擬合效果最好,決定系數(shù)(R2)分別為0.916、0.969、0.987,因此選定二項(xiàng)式方程進(jìn)行擬合,并據(jù)此求解吸濕速率方程(表3)。微波干燥的吸濕初速度最大,而真空冷凍干燥的吸濕初速度最小。3種干燥工藝的吸濕加速度均較低,真空冷凍干燥的平衡吸濕率最小,表明其整體吸水性較弱[38]。綜合考慮,真空冷凍干燥的粉體性質(zhì)相對(duì)較為穩(wěn)定,與物理指標(biāo)中一級(jí)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

表3 不同干燥方式的吸濕方程與相關(guān)指標(biāo)

2.1.4 色澤與結(jié)構(gòu)

真空冷凍干燥的粉體L*值顯著高于鼓風(fēng)干燥和微波干燥(表4),微波干燥與鼓風(fēng)干燥的粉體顏色較暗(圖3);微波干燥的粉體a*值顯著低于其他兩組,真空冷凍干燥的粉體顏色最紅,鼓風(fēng)干燥次之;真空冷凍干燥粉體的b*值最大,表明其顏色最黃;從ΔE值判斷,微波干燥粉體的色差最大,而真空冷凍干燥粉體的色差最小。這可能是因?yàn)?微波干燥過(guò)程中溫度過(guò)高產(chǎn)生焦糖化反應(yīng),加速氧化[39]。3種干燥方式制備的粉體的微觀結(jié)構(gòu)相似,顆粒不同程度黏連,真空冷凍干燥的粒徑整體偏大。

表4 干燥工藝對(duì)粉體色澤的影響

圖3 干燥方式對(duì)粉體結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of drying methods on structure of powder

2.1.5 總糖含量

雖然微波干燥粉體與另外兩組的總糖含量均無(wú)顯著差異(圖4),但真空冷凍干燥粉體的總糖含量(664.1 mg·g-1)顯著高于鼓風(fēng)干燥(640.2 mg·g-1)。此結(jié)果與Ma等[40]、蘇敬紅等[41]的研究結(jié)果一致。原因可能是,鼓風(fēng)干燥的時(shí)間較長(zhǎng)、溫度較高,易導(dǎo)致糖類(lèi)降解;而真空冷凍干燥的溫度較低,干燥條件下多糖性質(zhì)較為穩(wěn)定。

2.2 口感優(yōu)化

按照設(shè)計(jì)的三因素三水平試驗(yàn)方案(表5)開(kāi)展試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,結(jié)果顯示,回歸模型為Y=85.36+1.69A+0.86B-1.10C+0.75AB-5.33AC-3.23BC-6.55A2-8.31B2-2.73C2(式中Y為口感評(píng)分,A、B、C均對(duì)應(yīng)于實(shí)際添加量)。模型的F值為100.40,P<0.01,說(shuō)明模型極顯著;R2為0.992 3,表示模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度高;失擬項(xiàng)不顯著,表明預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近,具有可行性?；贔值判斷,各因素對(duì)口感評(píng)分的影響均顯著,其影響程度從高到低依次為A(27.49)>C(11.72)>B(7.21)。由F值和響應(yīng)面(圖5)的陡峻程度及等高線的形狀和密度[42]可知,BC、AC的交互作用顯著,而AB之間的交互作用不顯著。此外,A、B、C這3個(gè)因素的平方項(xiàng)對(duì)口感評(píng)分的影響也均顯著?；谠囼?yàn)?zāi)Ｐ偷玫降淖顑?yōu)配比為：木糖醇添加量27.30%,蘋(píng)果酸添加量0.11%,甜菊糖苷添加量3.67%,在此條件下,口感評(píng)分模型的預(yù)測(cè)值為86.3。為驗(yàn)證模型的精準(zhǔn)性,在上述試驗(yàn)條件下開(kāi)展3次重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為85.9,與預(yù)測(cè)值十分接近,說(shuō)明響應(yīng)面模型的優(yōu)化結(jié)果具有較強(qiáng)的可靠性與參考性。

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

A,木糖醇添加量;B,甜菊糖苷添加量;C,蘋(píng)果酸添加量。A, Addition amount of xylitol; B, Addition amount of stevia glycoside; C, Addition amount of malic acid.圖5 響應(yīng)面與等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots

3 結(jié)論

本文探究了鼓風(fēng)干燥、微波干燥和真空冷凍干燥對(duì)桑葉枸杞固體飲料的物理性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、色澤結(jié)構(gòu)的影響,還探究了不同輔料添加量對(duì)桑葉枸杞固體飲料風(fēng)味的影響,并利用響應(yīng)面法優(yōu)化配方。結(jié)果表明,采用真空冷凍干燥制備的粉體物理指標(biāo)表現(xiàn)好,溶解性能好。鼓風(fēng)干燥粉體的溶解性差。微波干燥由于溫度較高且受熱不均,粉體色澤最暗。鼓風(fēng)干燥由于溫度相對(duì)較高且時(shí)間最長(zhǎng),粉體的總糖損失相對(duì)較高。經(jīng)過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化的輔料配方為：木糖醇添加量27.30%,甜菊糖苷添加量3.67%,蘋(píng)果酸添加量0.11%。