木薯(Manihot esculenta Crantz)是被子植物门木兰纲大戟目大戟科木薯属植物,是世界三大薯类(马铃薯、甘薯、木薯)和六大粮食作物(水稻、小麦、玉米、高粱、谷子和薯类)之一。木薯广泛分布于非洲、美洲和亚洲等大洲的热带地区。其主产国为尼日利亚、加纳、巴西和哥伦比亚等,在这些主产国,木薯是除水稻、玉米外的第三大食物来源。在中国广西、广东、海南、福建、台湾、云南、贵州、湖南、江西等省区木薯均有种植,其中以广西栽培面积最大。然而,鲜木薯易变质腐烂,收获后应尽快加工成淀粉、干片、干薯粒等制品。由于木薯淀粉溶解性、稳定性以及耐高温、剪切、酸碱性能较差,木薯淀粉蛋白质量差(含量低及缺乏结构氨基酸),且不含面筋蛋白,单独使用无法形成面筋网络结构,不能形成具有黏弹性和延伸性的面团,可塑性差[1],直接应用于食品加工领域存在一定的局限性。因此,开发具有新功能或改进原有功能的变性淀粉,从而拓宽木薯淀粉应用范围成为必然。木薯酸淀粉是木薯通过发酵后经太阳光晒干制备的变性淀粉,其面团具有独特的烘焙膨胀性,在焙烤过程中可形成蜂窝状骨架结构,可直接用于焙烤食品的制作中[2-3]。在拉丁美洲、非洲等木薯主产区,木薯酸淀粉常被制作成各种传统食品,如polvilho azedo、lafun stiff dough、fufu、attiéké、gari、yakupa等[4-5],甚至在巴西和哥伦比亚这两个国家,木薯酸淀粉被当作主要原料制作焙烤和油炸食品。可见,木薯酸淀粉可满足食品加工领域对功能淀粉的需求,极具开发利用价值。

干燥技术对木薯酸淀粉的品质、加工及贮藏特性至关重要。然而,目前国外发酵木薯酸淀粉主要沿用传统自然发酵后晒干的方法,即木薯经去皮、磋磨、浸在水里自然发酵、晒干、粉碎等工序制成,其自然发酵的全生产周期长达20～70 d[6]。传统太阳光晒干过程中若管理不当容易产生物理污染(昆虫碎片、土壤、泥沙和其他外来物质等),损害产品质量 [3],且受时间和天气影响,不利于木薯酸淀粉的工业化生产。因此,寻求其他可代替木薯酸淀粉传统晒干的干燥技术手段对木薯酸淀粉工业化、规模化生产具有重要意义。

木薯酸淀粉的自然发酵主要涉及乳酸菌群[7],自然发酵后晒干的木薯酸淀粉pH值降低至3.5～3.9,乳酸质量分数为0.56%～0.60%,灰分含量和粗脂肪含量较低,几乎不含蛋白,具有可消化、易吸水膨胀和易被酵母利用等特点[8]。木薯酸淀粉在发酵过程中产生的有机酸会侵蚀淀粉颗粒表面形态结构,使得淀粉颗粒表面具有裂隙或微孔,且淀粉颗粒聚集[9];木薯酸淀粉产品直链淀粉含量、膨胀性和峰值黏度降低,最终黏度和回生值增加[10]。前期研究初步涉及了木薯酸淀粉的微生物菌群、部分组分和结构特性等,但关于不同干燥技术对木薯酸淀粉品质特性及颗粒结构影响的研究较少。因此,研究以木薯淀粉为原料,经乳酸菌发酵后,采用热风干燥、热泵干燥、真空冷冻干燥、喷雾干燥和太阳光晒干等5种干燥技术制备木薯酸淀粉,对木薯酸淀粉品质特性(集粉率、水分含量、化学成分、淀粉成分、酸度、pH值、色度值、凝胶质构特性、综合评分)及颗粒结构(堆积密度、粒径大小和分布、微观结构)进行比较,综合考察5种不同干燥技术对木薯酸淀粉品质特性及颗粒结构的影响,以期为木薯酸淀粉工业化干燥及其进一步加工利用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉(木薯原淀粉),南宁大饭桌食品有限公司;DELVO-YOG® MY-1821 DSL乳酸菌(规格0.2 U/3 g,乳酸菌活菌数为7.36×1010 CFU/g),澳大利亚帝斯曼公司;葡萄糖粉,河南万邦化工科技有限公司;浓硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、氢氧化钠、无水乙醇、石油醚、氢氧化钾、七水硫酸钴、酚酞等试剂,分析纯,广西南宁泰诺生物工程有限公司;K-TSTA-1107型总淀粉试剂盒、K-AMYL型直链淀粉试剂盒,爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

WGLL-230BE型电热鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;太阳能热泵干燥仪,自主研发(专利号ZL 201320617683.6);LGJ-18型真空冷冻干燥机,北京松源华兴科技发展有限公司;YC-1800型低温喷雾干燥机,上海雅程仪器设备有限公司;BS-2FD型恒温培养箱,常州国宇仪器制造有限公司;WND-200型高速中药粉碎机,浙江省兰溪市伟能达电器有限公司;KDN型凯氏定氮仪,浙江托普仪器有限公司;SZF-06A型全自动脂肪测定仪,浙江托普仪器有限公司;F800型全自动纤维测定仪,山东海能科学仪器有限公司;TU-1810型紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;SW22型水浴振荡锅,德国Julobo公司;CM-3600A型分光测色计,日本柯尼卡美能达公司;6350型酸度计,上海任氏电子有限公司;CT3型质构仪,美国Broofield公司;BT-2001型激光粒度分布仪,丹东市百特仪器有限公司;S-3400N型台式扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM),日本Hitachi公司。

1.3 实验方法

1.3.1 木薯酸淀粉的制备

称取一定量的木薯原淀粉,添加质量分数为5%的葡萄糖粉(以木薯原淀粉质量为基准计,下同)、0.02%的乳酸菌和200%的蒸馏水于三角瓶中,充分混合后,用保鲜膜封口,置于35 ℃恒温箱中发酵72 h后,把上层发酵液倒掉,沉淀物料做不同干燥处理。

以木薯酸淀粉水分含量、集粉率为主要考察指标,在前期大量单因素和正交试验基础上,确定了较优的干燥工艺条件。1)热风干燥:将物料置于不锈钢盘中,物料厚度约0.3 cm,于60 ℃电热鼓风干燥箱中干燥28 h。2)热泵干燥:将物料置于不锈钢盘中,物料厚度约0.3 cm,于60 ℃太阳能热泵烘房中干燥24 h。3)真空冷冻干燥:将物料置于不锈钢盘中,物料厚度约0.3 cm,于-80 ℃预冻48 h以上,再置于冷阱温度为-40 ℃、真空度为100 Pa条件下冷冻干燥24 h。4)喷雾干燥:物料中加入等体积的蒸馏水,在进风温度110 ℃,出风温度60 ℃,蠕动速度22.0 r/min的条件下喷雾干燥。5)晒干:将物料置于不锈钢盘中,物料厚度约0.2 cm,于太阳光下晒干至水分含量低于14%。

热风干燥、热泵干燥、真空冷冻干燥和晒干后的木薯酸淀粉置于粉碎机中粉碎,喷雾干燥制备的木薯酸淀粉已呈粉末状,不再进行粉碎处理。所有样品均过80目筛,收集筛下物密封包装,置于室温的干燥器中保存备用。

1.3.2 集粉率的测定

集粉率以制备获得木薯酸淀粉质量(m2)占木薯原淀粉质量(m1)的百分比计算,见式(1)。

集粉率

(1)

1.3.3 水分含量的测定

按GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中的直接干燥法测定[11]。

1.3.4 化学成分的测定

脂肪含量按GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法测定[12];蛋白质含量按GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法测定[13];灰分含量按GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中的直接灰化法测定[14];粗纤维含量按GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》的方法测定[15]。

1.3.5 淀粉成分的测定

总淀粉含量采用总淀粉试剂盒测定,直链淀粉含量采用直链淀粉试剂盒测定,支链淀粉含量为总淀粉含量与直链淀粉含量的差值。

1.3.6 酸度的测定

按GB 5009.239—2016《食品安全国家标准 食品酸度的测定》中的酚酞指示剂法测定样品酸度[16]。

1.3.7 pH值的测定

称量2.5 g样品放入50 mL离心管中,加入预先煮沸并冷却的蒸馏水22.5 mL,盖上盖子后常温下振荡摇匀30 min,测定pH值。

1.3.8 色度值的测定

采用分光测色计测定样品L*、a*、b*值。L*值表示亮度,a*值表示红绿色度,b*值表示黄蓝色度。根据式(2)计算白度指数(whiteness index,WI),代表产品的整体白度,用于表征干燥过程中褐变程度。

(2)

1.3.9 凝胶质构特性的测定

参考文献[17]的方法进行样品质构特性分析。称取一定量的样品,加蒸馏水配制成质量分数为10%的淀粉乳液,沸水浴30 min制得淀粉糊,冷却后倒入直径为7 cm、高3.5 cm的圆柱形模具中,盖上盖子防止水分蒸发,置于4 ℃冰箱放置24 h形成圆柱形凝胶,取出后采用质构仪测定凝胶质构指标(硬度、胶着性、弹性和内聚性)。测定条件:TA11/1000圆柱形平底探头,TPA模式,测试距离为5.0 mm,测试速度1.0 mm/s,触发力为0.05 N。

1.3.10 品质特性综合评分方法

参考文献[18]的方法进行品质特性的评价。采用变异系数权重法计算5种干燥技术制备的木薯酸淀粉品质特性综合评分,以明确木薯酸淀粉最佳干燥方式。首先计算木薯酸淀粉以上19项品质特性指标[集粉率、水分含量、化学成分(脂肪含量、蛋白质含量、灰分含量、粗纤维含量)、淀粉成分(总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量)、酸度、pH值、色度值(L*值、a*值、b*值、WI)、凝胶质构特性(硬度、胶着性、弹性、内聚性)]的算术平均值、标准差和变异系数,再计算各指标的权重和标准化值,其中水分含量、b*值和WI为逆指标,其试验数据值越小表明木薯酸淀粉品质特性越好,因此,标准化后这几项指标数据取相反数,将各指标标准化值分别与权重相乘后计算总和,得到综合评分。计算方法见式(3)至式(6)。

变异系数

(3)

各项指标的权重=

(4)

各项指标的标准化值=

(5)

综合评分=∑各项指标的标准化值×
各项指标对应的权重。

(6)

1.3.11 堆积密度的测定

参考文献[19]的方法测定堆积密度。取10 mL量筒称重(m3),将样品放入量筒中使体积读数在10 mL刻度处,再称量量筒和样品的质量(m4)。计算方法见式(7)。

堆积密度

(7)

1.3.12 粒径大小和分布的测定

参考文献[20]的方法进行测定样品粒径大小和分布。采用激光粒度分布仪湿法测定样品的粒径大小和分布,以去离子水作为分散溶剂,在超声条件下测定,采用体积平均径、中位径(D50)和不同比例粒径占比评价样品粒径大小[21]。采用跨度值表征样品粒径分布,跨度值计算方法见式(8),式(8)中D10为样品中颗粒累计分布含量为10%时所对应的粒径,D90为样品中颗粒累计分布含量为90%时所对应的粒径。

跨度值

(8)

1.3.13 微观结构的观察

参考文献[19]的方法对样品微观结构进行观摩。采用SEM对木薯酸淀粉进行微观结构观察,在样品台上贴双面胶,在双面胶上均匀放置少量样品,用洗耳球吹去多余样品,喷金后用SEM进行扫描观察并拍照。

1.4 数据处理

采用DPS 7.05和Excel 2017软件对实验数据进行统计分析、绘图处理,测定指标均做3次重复试验,实验数据表示为“平均值±标准偏差”,并进行邓肯新复极差法差异显著性分析,以P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 干燥技术对木薯酸淀粉品质特性的影响

2.1.1 对集粉率的影响

5种干燥技术对木薯酸淀粉集粉率的影响见图1。由图1可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉集粉率的影响由高到低的排序为真空冷冻干燥、热风干燥、热泵干燥、晒干、喷雾干燥。真空冷冻干燥过程物料处于高真空度静止状态,干燥后木薯酸淀粉损失最少,因此集粉率最高,为96.42%;热风干燥和热泵干燥物料在相对封闭的环境下,集粉率较高,两者之间差异不大,但干燥箱中具有鼓风装置,受气流影响会吹走部分样品,产品均有一定量的损失,尤其热泵干燥;晒干的物料于露天敞开,集粉率显著下降;而喷雾干燥过程中有部分物料出现粘壁或随着出风口流失的现象,因此集粉率最低,仅为54.56%。

2.1.2 对水分含量的影响

水分含量是检测淀粉品质的重要指标,水分含量越高产品越容易结块和易被细菌感染发生霉变,影响产品贮藏品质。5种干燥技术对木薯酸淀粉水分含量的影响见图2。由图2可知,5种干燥技术制备的木薯酸淀粉水分含量在10.28%～13.47%,达到薯类粉状产品贮藏安全水分含量低于14%的要求,均达到了安全贮藏条件。产品水分含量由低到高的干燥技术排序为真空冷冻干燥、喷雾干燥、热泵干燥、热风干燥、原淀粉、晒干,其中真空冷冻干燥制备的产品水分含量最低,喷雾干燥次之,两者差异显著,且均显著低于其他干燥技术和原淀粉(P<0.05);而晒干的产品水分含量最高。由于真空冷冻干燥先将样品冻结为固定骨架,水分不经过液体阶段直接升华而被去除,水分去除率高,因此产品含水量最低;喷雾干燥雾化器将物料分散成小雾滴,小雾滴在110 ℃高温下瞬间被干燥,产品含水量较低。热泵和热风干燥的物料水分经液体为传质而去除,去除率取决于物料内部的驱动力,两种干燥方式受长时间温度和鼓风的影响,容易在产品表面形成一层干硬膜,不利于水分的蒸发,因而产品含水量较高;而晒干利用阳光将物料中的水分蒸发掉,空气中较低温度和较大湿度使得水分蒸发相对较慢,影响干燥速率,使得产品含有更多的水分。

2.1.3 对化学成分的影响

5种干燥技术对木薯酸淀粉化学成分的影响见表1。由表1可知,不同干燥技术下木薯酸淀粉脂肪含量排序为:真空冷冻干燥、晒干、原淀粉、热泵干燥、热风干燥、喷雾干燥,蛋白质含量排序为:真空冷冻干燥、晒干、热风干燥、热泵干燥、喷雾干燥(与原淀粉相同),可见真空冷冻干燥和晒干的木薯酸淀粉脂肪含量和蛋白质含量明显高于喷雾干燥、热风干燥和热泵干燥(P<0.05),这与高温或长时间较高温干燥过程中酶解和美拉德反应造成脂肪氧化降解和蛋白质分解有关。木薯酸淀粉灰分含量由低到高的干燥技术排序为:晒干、热泵干燥、热风干燥、真空冷冻干燥、喷雾干燥、原淀粉,粗纤维含量由低到高排序为真空冷冻干燥、热泵干燥、喷雾干燥(与原淀粉相同)、晒干、热风干燥,说明不同干燥技术对木薯酸淀粉灰分和粗纤维的影响较大。

2.1.4 对淀粉成分的影响

5种干燥技术对木薯酸淀粉成分的影响见表2。由表2可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉总淀粉和支链淀粉影响由大到小排序均为原淀粉、真空冷冻干燥、热泵干燥、喷雾干燥、热风干燥、晒干,原淀粉中总淀粉含量显著高于发酵后干燥处理的(P<0.05)。由于长时间处于高温或高湿条件,导致淀粉受到菌种微生物的攻击而解聚,加速转变为糖和其他物质[10],此外还可能与淀粉酶酶解活性有关;太阳光中的紫外线辐照引起部分淀粉发生氧化降解,导致支链脱分支,使得支链淀粉含量显著降低[22]。

不同干燥技术下直链淀粉含量由高到低排序为:原淀粉、晒干、喷雾干燥、热泵干燥、热风干燥、真空冷冻干燥,发酵降低了木薯酸淀粉直链淀粉含量,原因是直链淀粉的主链主要存在于无定形区域中[23],发酵破坏了淀粉颗粒内无定形区,导致直链淀粉浸出;此外,酶降解淀粉颗粒以及发酵过程中形成的有机酸也会导致直链淀粉减少,与Oyeyinka等[10]的研究结果一致。晒干的木薯酸淀粉直链淀粉含量比其他干燥方式的高,这是由于发酵处理首先降解了无定形区直链淀粉,而后续光照处理对结晶区域破坏更加严重[22, 24],导致部分支链淀粉降解成直链淀粉;喷雾、热泵和热风干燥可能长时间或较高温度作用下直链淀粉发生糊化,其内部的直链淀粉分子从淀粉颗粒中溶出[25];此外,高温干燥过程中部分直链淀粉结晶与脂肪结合形成复合物[26],也会导致直链淀粉含量下降。真空冷冻干燥的木薯酸淀粉直链淀粉含量最低(21.11%),可能是冷冻过程中,淀粉晶体中的直链淀粉溶出导致的,也有研究发现经冻藏后小麦淀粉中的直链淀粉含量下降[27]。

2.1.5 对酸度和pH值的影响

木薯淀粉经乳酸菌发酵过程中产生乳酸、乙酸、丙酸和酒石酸等多种有机酸物质,引起木薯酸淀粉酸度升高和pH值降低,具有维持肠道菌群平衡、调节胃肠道功能、抑制微生物生长和拥有特殊酸甜芳香风味等作用,酸度和pH是影响木薯酸淀粉风味及功能的重要指标。5种干燥技术对木薯酸淀粉酸度和pH值的影响见表3。由表3可知,木薯酸淀粉酸度由大到小的干燥方式排序为:真空冷冻干燥、热风干燥、热泵干燥、晒干、喷雾干燥、原淀粉,各处理间的差异达到显著水平(P<0.05);其中木薯原淀粉酸度最低,为1.37 °T,经不同干燥技术制备的木薯酸淀粉的酸度显著升高,在2.62～3.78 °T之间波动。不同干燥技术下木薯酸淀粉pH值大小排序则与酸度正好相反,即由低到高分别为:真空冷冻干燥、热风干燥、热泵干燥、晒干、喷雾干燥、原淀粉,木薯原淀粉pH最大(6.61),呈中性,而木薯酸淀粉pH在3.57～3.84之间波动,呈酸性,这是因为乳酸菌发酵木薯淀粉过程中产生了有机酸[28],与Garcia等[9]在自然发酵木薯酸淀粉中的研究结果一致。真空冷冻干燥在低温、真空、低氧环境下进行,可以更好地保留木薯酸淀粉的有机酸含量,因而产品酸度最高、pH值最低;喷雾干燥温度高,对产品有机酸破坏最大,因而其酸度最低、pH值最高。

2.1.6 对色度值的影响

色泽是影响淀粉品质优劣的重要判断标准之一,为了避免感官视觉评价存在的主观性和局限性,采用色差仪可更加准确客观地判定产品的色泽。L*值越接近100表明产品色泽越白,+a*值越大表示红色度越深,+b*值越大表明黄色度越深,WI越低,表明色泽越白,产品干燥过程中褐变越少。5种干燥技术对木薯酸淀粉色度值的影响见表4。由表4可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉色泽影响较大,晒干的产品L*值最小,a*值、b*值和WI最高,说明其色泽最暗黄,这可能与太阳光晒干过程中淀粉发生氧化褐变有关;热泵和热风干燥的产品L*值和WI次之,原因是长时间干燥,木薯淀粉中的还原糖和氨基化合物进行化学反应引起焦糖化等非酶褐变所致;真空冷冻干燥制备的产品b*值和WI最低,说明其色泽白亮,因为真空冷冻干燥在真空和低温的共同作用,减少了氧化褐变及非酶褐变反应,对色泽破坏较轻;喷雾干燥的产品L*值高达97.27,亮度最大,因为其干燥时间短,且与氧隔绝,其颜色保持最好。

2.1.7 对凝胶质构特性的影响

淀粉糊化后,直链和支链淀粉分子以氢键形式重新排列成微晶束,形成具有一定黏弹性和强度的凝胶,凝胶质构特性反映淀粉的老化特性,直接影响其加工产品的性能及品质。5种干燥技术对木薯酸淀粉凝胶质构特性的影响见表5。由表5可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉凝胶硬度和胶着性影响大小排序一致,由大到小均为:晒干、原淀粉、真空冷冻干燥、喷雾干燥、热风干燥、热泵干燥,晒干的木薯酸淀粉硬度和胶着性分别为0.189 N和0.167 N,均显著高于其他干燥技术(P<0.05);其次是真空冷冻干燥和喷雾干燥的,两者差异不显著。这与晒干的木薯酸淀粉中直链淀粉含量较高,淀粉糊在降温过程中分子间相互交联和缠绕的概率大,凝胶强度、硬度和黏性也越大有关;此外,凝胶质构大小还受淀粉组分、分子量大小、分子结构、聚合度、蛋白质、脂类及纤维素等因素的影响[29]。

弹性反映的是淀粉凝胶受到一定作用力挤压后,在一段时间内恢复形变的能力;内聚性反映凝胶内部结合力的强弱。由表5可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉凝胶弹性和内聚性的影响一致,由大到小的排序均为:晒干、真空冷冻干燥、原淀粉、热风干燥、热泵干燥、喷雾干燥。凝胶弹性和内聚性受淀粉分子所形成网状结构交联点数量和交联点密度的影响,有效交联点数目越多,凝胶弹性和内聚性越大[30]。

2.1.8 品质特性的综合评分结果

5种干燥技术制备的木薯酸淀粉综合评分见表6。由表6可知,木薯酸淀粉19项品质特性指标中,a*值、内聚性、粗纤维含量和胶着性在木薯酸淀粉品质评价中所占权重较大,分别为0.13、0.11、0.10和0.09,说明这4项指标在评价木薯酸淀粉品质特性时占有重要地位;其次是脂肪含量、蛋白质含量、集粉率和WI,权重在0.06～0.07。不同干燥技术制备的木薯酸淀粉品质特性综合评分由高到低排序为:晒干、真空冷冻干燥、热风干燥、喷雾干燥、热泵干燥,综合评分分别为0.51、0.31、-0.03、-0.33和-0.44,可见,晒干的木薯酸淀粉品质特性最佳,其次是真空冷冻干燥的,热风干燥的次之,喷雾干燥和热泵干燥制备的木薯酸淀粉品质特性最差。

2.2 干燥技术对木薯酸淀粉颗粒结构的影响

2.2.1 对堆积密度的影响

堆积密度与淀粉粉体粒径大小、微观结构密切相关,堆积密度越小说明粉体越疏松。5种干燥技术对木薯酸淀粉堆积密度的影响见图3。由图3可知,不同干燥技术制备的木薯酸淀粉堆积密度由小到大的排序为:真空冷冻干燥、晒干、喷雾干燥、原淀粉、热风干燥、热泵干燥,其中真空冷冻干燥的产品堆积密度最小(0.73 g/mL),与晒干的差异不大,但两者均显著低于其他干燥技术(P<0.05),说明真空冷冻干燥制备的产品颗粒结构最疏松,晒干的次之;热风干燥和热泵干燥的产品堆积密度差异不大,两者均显著高于其他干燥技术和原淀粉(P<0.05)。真空冷冻干燥先将样品冻结为固定骨架,水分不经过液体阶段直接升华而被除去,形成疏松多孔结构;水分经过液体为传质而除去,去除率取决于材料内部的驱动力,热风干燥和热泵干燥受长时间温度和鼓风的影响,内部溶质随水分不断向表面迁移,导致表面结晶硬化,因此堆积密度较大[31],而晒干的条件温和,堆积密度较小。

2.2.2 对粒径大小和分布的影响

淀粉颗粒可分为极小粒(<4 μm)、小粒(4～10 μm)、中粒(10～20 μm)和大粒(>20 μm)[32]。5种干燥技术对木薯酸淀粉粒径的影响见表7。由表7可知,木薯酸淀粉极小、小和中粒径的总和占比最高的干燥方式是喷雾干燥,占83.14%,其次是真空冷冻干燥,占82.44%;晒干的木薯酸淀粉小粒和中大粒比例约各占一半,而热风干燥和热泵干燥的中大粒占比超过60%。体积平均径和中位径由低到高的干燥方式均为:喷雾干燥、真空冷冻干燥、晒干、热风干燥、热泵干燥、原淀粉,与不同大小粒径占比结果相吻合。由于喷雾干燥过程中雾化器将物料分散成小雾滴,瞬间干燥成粉末状,粒径相对最小;真空冷冻干燥的产品结构疏松,易粉碎成较小颗粒;热风干燥和热泵干燥因干燥的物料表面收缩硬化,组织紧密,因此粒径较大;晒干过程中物料均处于温和、静止状态,料液随意组合,分子间缔合较牢固,粉碎后粒径相对较大。

跨度值用于表征粉体颗粒分布的均匀程度,跨度值越小表示粉体分布越均匀。由表7可知,不同干燥技术对木薯酸淀粉跨度值的影响较大,粉体跨度值由低到高的干燥方式为:晒干、真空冷冻干燥、喷雾干燥、原淀粉、热泵干燥、热风干燥,说明晒干制备的木薯酸淀粉粒径分布相对最均匀,这是由于晒干的温度较低,物料表面水分蒸发速度缓慢,同时自然风能及时带走蒸发出来的水分,温和的干燥条件有利于干燥的进行,因而得到的木薯酸淀粉颗粒粒径均匀。

2.2.3 对微观结构的影响

5种干燥技术制备的木薯酸淀粉电镜扫描图见图4。由图4可知,木薯原淀粉表面光滑,部分呈不规则、半球形或多面体。热风干燥和热泵干燥的产品颗粒表面较粗糙,有明显的皱缩、凹坑和蜷曲,部分颗粒聚集在一起,分布不均,与粒径跨度值结果一致。由于热风干燥和热泵干燥过程中,受湿度、温度和热风的影响形成较大的表面张力,样品外部表面先达到干燥终点,内部水分不断向外部快速迁移,出现收缩变形、结块,使得颗粒表面粗糙致密。真空冷冻干燥的产品排列相对疏松均匀,与堆积密度、粒径大小和分布结果相吻合;大多数颗粒表面明显出现收缩、塌陷和褶皱,说明冷冻干燥破坏了淀粉颗粒表面形态结构[31],冰晶升华后留下了大量的褶皱脉络[33]。喷雾干燥的产品小颗粒占比最大,颗粒团聚严重,分布不均;大部分颗粒表面有凹陷和褶皱,这与喷雾干燥温度高,液滴表面水分迅速蒸发有关。晒干的产品由于低温可减缓物料表面水分蒸发速度,自然风能及时带走蒸发出来的水分,温和的条件有利于获得颗粒排列疏松的产品,分布均匀、分散性好,与堆积密度和粒径跨度值结果一致,且部分颗粒保持完好;但部分颗粒表面出现皱缩、凹陷等不规则形状,可能长时间紫外线辐射,产生自由基攻击淀粉内部糖苷键并破坏双螺旋结构,导致颗粒结构被破坏[24]。

3 结 论

研究结果表明,不同干燥技术对木薯酸淀粉品质特性和颗粒结构有较大的影响,其中,热风干燥制备的木薯酸淀粉跨度值最大,颗粒表面较粗糙、有明显的蜷曲和皱缩,颗粒团聚、分布不均;热泵干燥制备的木薯酸淀粉凝胶硬度、胶着性和综合评分最低,堆积密度、体积平均径和中位径最高;真空冷冻干燥制备的木薯酸淀粉集粉率、脂肪含量、蛋白质含量、总淀粉含量和酸度最高,而水分含量、粗纤维含量、直链淀粉含量、pH值、b*值、WI和堆积密度最低,粉体疏松、颗粒分布均匀,部分颗粒表面塌陷和褶皱;喷雾干燥制备的木薯酸淀粉集粉率、脂肪含量、蛋白质含量、酸度、凝胶弹性、内聚性、体积平均径和中位径最低,颗粒团聚严重、分布不均;晒干制备的木薯酸淀粉水分含量、直链淀粉含量、a*值、b*值、WI、凝胶硬度、胶着性、弹性、内聚性和综合评分最高,而灰分含量、总淀粉含量、支链淀粉含量、L*值和跨度值最低,颗粒分布均匀、分散性好,部分颗粒保持完好。

晒干制备的木薯酸淀粉品质特性和颗粒结构表现最好,太阳光属于可再生清洁能源,满足人们对绿色低碳加工技术的需求,将成为未来一个较好工业化生产和研究方向,但受天气和场地等限制较大;真空冷冻干燥的次之,但实际工业生产应综合考虑能耗和成本问题。研究丰富了木薯酸淀粉的干燥途径,为进一步拓宽木薯酸淀粉在食品工业领域中的加工应用提供理论依据。

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Effects of Drying Technologies on Quality Characteristics and Particle Structure of Sour Cassava Starch

LI Mingjuan1,2, WEI Linyan1, ZHANG Yayuan1,2,*, YOU Xiangrong1,2,*, ZHOU Kui1,2, WANG Ying1,2

(1.Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 2.Guangxi Key Laboratory of Fruits and Vegetables Storage-Processing Technology, Nanning 530007, China)

Abstract：Cassava starch was used as raw material to prepare sour cassava starch (SCS) by lactobacillus fermentation. The effect of different drying technologies including hot air drying (HA), heat pump drying (HP), vacuum freeze drying (VF), spray drying (SD), sun-drying (S) on the quality characteristics and particle structure of SCS was investigated. The results showed that SCS dried by HA and HP had higher yield, better color, lower moisture content, lower gel hardness and lower gumminess. The SCS particles surface were rough, closely arranged and unevenly distributed, and with obvious curl and wrinkle. The SCS dried by VF had the highest yield and the lowest moisture content. It could retain nutrients better and had the best color. The particles were loose and uniform distribution, and some particles surface were collapsed and folded. The SCS dried by SD had the lowest yield, fat content, protein content, acidity, gel springiness and cohesiveness, whereas it had the highest ash content, L* value and pH value. The particles were serious aggregation and nonuniform in distribution, and the round depressions and folds occurred on the surface. The SCS dried by S had the highest moisture content, amylose content, a* value, b* value, whiteness index, gel texture properties (hardness, gumminess, springiness and cohesiveness) and comprehensive scores, whereas it had the lowest ash content, total starch content, amylopectin content and L* value. The particles were uniformly distributed and some complete particles were observed. In summary, the best quality characteristics and particle structure of SCS products could be obtained by S, because of the mild dry conditions and then followed by SCS products obtained by VF. The results of this study provided theoretical basis and technical reference for industrial drying, processing and utilization of SCS.

Keywords：Manihot esculenta Crantz; sour starch; drying technology; quality characteristics; particle structure

doi：10.12301/spxb202300330

文章编号：2095-6002(2024)06-0154-12

引用格式：李明娟,韦林艳,张雅媛,等. 干燥技术对木薯酸淀粉品质特性及颗粒结构的影响[J]. 食品科学技术学报,2024,42(6):154-165.

LI Mingjuan, WEI Linyan, ZHANG Yayuan, et al. Effects of drying technologies on quality characteristics and particle structure of sour cassava starch[J]. Journal of Food Science and Technology, 2024,42(6):154-165.

中图分类号：TS255.6

文献标志码：A

收稿日期：2023-05-31

基金项目：国家自然科学基金资助项目(32060517、31960456);广西农业科学院基本科研业务专项(桂农科2021YT115、桂农科2021YT114)。

Foundation： National Natural Science Foundation of China (32060517,31960456); Guangxi Academy of Agricultural Sciences Basic Scientific Research Business Special Project (Gui Nong Ke 2021YT115, Gui Nong Ke 2021YT114).

第一作者：李明娟,女,副研究员,主要从事农产品加工利用方面的研究。

*通信作者： 张雅媛,女,研究员,博士,主要从事淀粉和蛋白质资源加工利用方面的研究;

游向荣,女,研究员,博士,主要从事农产品加工利用方面的研究。

(责任编辑：李 宁)