杨晓宽 梁建兰 孟 军 刘素稳 宋 鑫 常学东

（河北科技师范学院食品科技学院，秦皇岛 066004）

薯类是重要的粮食作物，由于栽种粗放、产量高，尤其适合在山区及丘陵地区种植。目前我国薯类的种植面积和产量均为世界第一位。甘薯含有延缓人体衰老、防止肥胖病、保护肝肾结缔组织的黏液蛋白和预防结肠癌和乳腺癌的脱氢表黄酮，因而近年来，国内外掀起了“甘薯热”［1-3］。目前，甘薯的加工主要是提取淀粉，在甘薯淀粉加工过程中，占10%～14%的甘薯渣常常被丢弃，新鲜薯渣极易腐烂发臭，严重污染环境，薯渣的处理成为困扰生产厂家的一大难题，同时企业产品单一，经济效益低下。研究表明，甘薯渣中含有大量膳食纤维［4］。膳食纤维对人体具有重要的生理功能，能有效的减少和预防心脑血管病、肥胖症、心肌梗塞、冠心病、动脉硬化、糖尿病、高血压、结肠炎、便秘及肠道癌等疾病的发生，被称之为继水、碳水化合物、矿物质、维生素、蛋白质、脂肪之外的“第七大营养素”［5-8］。因此，新型甘薯薯渣粉的研究具有深远的意义。

目前，甘薯的加工产品很多，常见的有薯脯、薯片及薯条等，而已见报道的薯渣研究主要是通过利用薯渣开发出活性炭纤维，它有助于合成水样的深度净化［9］。本试验以甘薯薯渣粉白度和含水率综合评分为优化指标，采用四元二次正交旋转设计对甘薯薯渣粉制备工艺进行了优化［10-11］，目前在国内外鲜见报道。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

玉丰一号甘薯（白皮白肉）薯渣：昌黎县停泗涧小庄淀粉厂；Na2S2O4：天津开发区乐泰化工有限公司；食用花生油：莱阳鲁花浓香花生油有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

JFSD-70实验室粗粉碎磨、细粉碎磨：上海嘉定粮油仪器有限公司；BPG-9040A鼓风干燥箱、FA2204B万分之一电子天平、HYC-613洞道干燥装置：上海精密科学仪器有限公司；KQ5200E型超声波清洗器：昆明市超声仪器有限公司；WSC-S测色色差计：TGL-20M高速台式冷冻离心机：无锡市瑞江分析仪器有限公司；数显恒温水浴锅HH6：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 甘薯薯渣粉的制备工艺流程［12-13］

甘薯薯渣→干燥（100℃，240 min）→除杂→粉碎→过筛→0.9%的Na2S2O4溶液脱色15 min（料液比为1∶10）→用200目尼绒布过滤→洞道干燥（80℃，150 min）→优化甘薯薯渣粉成品

1.2.2 甘薯薯渣粉的干燥［14-17］

按操作流程调试洞道干燥装置，对甘薯薯渣粉进行干燥。

1.2.3 白度的测定

按照操作流程调试色差计，测定样品白度。

1.2.4 常规营养成分分析

水分的测定：直接干燥法［18］；灰分：高温灼烧法［19］；脂肪：索式提取法［20］；淀粉：GB 5009.9—2008《食品中淀粉的测定》［21］；蛋白质：微量凯氏定氮法［22］。

1.2.5 持水力［23］

准确称取质量为m0的样品，置于50 mL烧杯中，加入20 mL水，于室温下搅拌一定时间，测得干燥至恒重离心管质量m1，然后在3 000 r／min的条件下离心15 min，称量样品的湿重m2，持水力

1.2.6 溶胀力

准确称取质量为m1的样品，置于带刻度的离心管中，离心2 min，读取干物质的体积V1，加入8 mL蒸馏水，室温下搅拌均匀，37℃水浴静置12 h，读取膨胀后湿物质的体积 V2。溶胀力

1.2.7 持油力

准确称取质量为W0的样品于离心管中，测定干燥至恒重离心管质量为W1，加入食用花生油24 g，于37℃下静置一定时间，4 000 r／min离心20min，去掉上层油，残渣用滤纸吸干游离的花生油，称重得质量W2，持油力

1.2.8 单因素试验

甘薯薯渣粉碎细度、Na2S2O4浓度、干燥温度、满载量百分比进行单因素试验。

1.2.9 二次旋转正交试验设计

在单因素试验基础上，设计四因素四水平的二次正交旋转试验，以白度和含水量的综合评分为考察指标，确定最优提取工艺参数。

1.2.10 综合评分的计算

设置白度和含水率的权重分别为0.5，白度的评分y1＝（测量值／白度最大值）×0.5×100；含水率的评分y2＝（1-测量值）／（1-含水率最小值）×0.5×100；综合评分 ＝y1+y2。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 粉碎细度对白度和含水率综合评分的影响在Na2S2O4浓度为0.3%，温度为80℃，70%的满载量的条件下，考察薯渣粉碎细度在140～40目时对白度和含水率综合评分的影响，结果如图1，由图1可知，综合评分随着粉碎细度的提高，当粉碎细度为80目时，综合评分达最大值99.03，然后随着粉碎细度的继续提高略有下降。最适原料粉碎细度为80目。

图1 粉碎细度对综合评分的影响

2.1.2 Na2S2O4浓度对白度和含水率综合评分的影响

在粉碎细度为80目，温度为80℃，70%满载量条件下，考察Na2S2O4浓度在0.1%～1.1%时对白度和含水率综合评分的影响，结果如图2，可知，综合评分随着Na2S2O4浓度的增加先不断升高至最高点后降低。当Na2S2O4浓度为0.7%时，综合评分达最大值，为99.19。因此最适脱色Na2S2O4浓度为0.7%。

图2 Na2 S2O4浓度对综合评分的影响

2.1.3 干燥温度对白度和含水率综合评分的影响

在粉碎细度为80目，Na2S2O4浓度为0.3%，70%的满载量的条件下，考察干燥温度在60～80℃时对白度和含水率综合评分的影响，结果如图3，由图3可知，综合评分随着干燥温度的增加先不断升高至最高点后降低。当干燥温度为72℃时，综合评分达最大值，为99.54。最适干燥温度为72℃。

图3 干燥温度对综合评分的影响

2.1.4 载量对白度和含水率综合评分的影响

在粉碎细度为80目，Na2S2O4浓度为0.3%，干燥温度为80℃的条件下，考察载量在40%～100%时对白度和含水率综合评分的影响，结果如图4，由图4可知，综合评分随着Na2S2O4浓度的增加先不断升高至最高点后降低。当载量为70%时，综合评分达最大值，为100。最适载量为70%。

图4 载量对综合评分的影响

2.2 二次正交旋转试验

2.2.1 二次正交旋转试验设计与结果

根据单因素试验结果，以白度和含水率的综合评分为考察目标，设计四因素四水平的二次正交旋转试验。确定粉碎细度、Na2S2O4浓度、干燥温度、载量的零水平分别为100目、0.70%、72℃ 、70%，试验设计及结果见表1和表2。

表1 二次正交旋转试验因素水平表

表2 二次正交旋转组合设计试验方案及结果

2.2.2 回归模型建立与检验

采用DPS数据处理系统对表2中的结果进行二次多项式回归分析，得到综合评分率（Y）和粉碎细度、Na2S2O4浓度、干燥温度、载量的回归模型：

表3 二次正交旋转试验结果方差分析

通过回归方程的方差分析，Durbin-Watson统计量d＝2.07，相关系数 R2＝0.92，显著水平 P＝0.01，剩余标准差S＝1.85，F＝3.09回归方程达显著水平，拟合情况良好，可用于描述综合评分随粉碎细度、Na2S2O4浓度、干燥温度、载量变化的规律。

在P＝0.05显著水平上剔除不显著项后，简化的回归方程：Y＝-163．48+1．00X1-26．65X2X2-0．01X1X3

2.2.3 主效应分析

P值即概率，反映某一事件发生的可能性大小。各因素的P值可以反映出各因素对试验指标的重要性，P值越小，表明该因素对试验结果影响越大，即重要性越大［26］。由表3可见，4个试验因素对综合评分影响大小依次为粉碎细度＞干燥温度＞Na2S2O4浓度＞载量。

2.2.4 由回归方程分析得最优工艺条件

用偏导计算y最大值为100.55。当X1＝60，X2＝0.90，X3＝80，X4＝64.5时，综合评分最大值为100.55，优于各试验组。粉碎细度60目，Na2S2O4浓度0.90%，干燥温度80℃，载量64.5%，对应的综合评分为100.55。在统计分析的优化试验中，其中一个因素是Na2S2O4处理，而其最佳工艺的Na2S2O4含量反而是很高的，达0.90%，这可能是由于统计分析的优化试验是以甘薯薯渣粉白度及含水率综合评分为优化指标，因此试验得到的最佳工艺甘薯薯渣粉白度一定是较高的，而其含水率应较低，这样其综合评分才可能高于其他试验组，验证试验的结果也是如此，优化工艺条件下的薯渣白度为75.10%，含水率2.027%，综合评分为99.84。

统计分析的最优工艺条件中原料粉碎细度为60目，对比单因素试验最适条件的80目有所下降，导致薯渣粉的比表面积下降，降低了Na2S2O4的脱色效率，而最优工艺条件下的薯渣白度为75.10%，均高于单因素各试验组，因此脱色消耗的Na2S2O4有所增加。最优工艺条件下的干燥温度达80℃，高于单因素试验最适条件的72℃，最优工艺条件下的载量为64.5%，低于单因素试验最适条件的70%，温度的上升和载量的下降使甘薯薯渣粉干燥的更彻底，从而使甘薯薯渣粉含水率较低，同时较高的温度也可能对薯渣的白度产生不利的影响，因此最佳工艺的Na2S2O4含量反而很高可能是由于上述影响因素综合作用所致。

2.2.5 验证试验

从优化工艺参数范围内随机选择3个组合进行验证试验，结果见表4。

由表4可见，3次验证试验平均理论值为100.55，平均实际值为99.84，两者仅相差0.71，实际值与理论值的相对偏差均小于5%，可见实际值与理论值基本吻合。由此可知，采用本试验的工艺参数，可获得新型甘薯薯渣粉的最优工艺。

表4 验证试验结果

3 最优工艺甘薯薯渣粉干燥曲线［27］

由图5所示，添加趋势线，R2＝0.998干基含水量随时间变化方程为 Y＝0．005x2-0．075x+2．447，随着干燥时间的增加，干基含水量逐渐降低，逐步接近0。

图5 最优工艺甘薯薯渣粉干燥曲线

4 甘薯薯渣粉工艺优化前后指标比较

优化工艺和初始工艺甘薯薯渣粉常规组成成分及品质性能如表5～表6所示。

由表5和表6可知，对比优化工艺甘薯薯渣粉和初始工艺甘薯薯渣粉的常规组成成分存在显著差异，随着甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的脂肪百分含量、淀粉百分含量和蛋白质百分含量均有所下降，灰分有所提高；而随着甘薯薯渣粉白度的提高和含水率的下降，甘薯薯渣粉的持油力有显著提高，持水力稍有下降。优化工艺甘薯薯渣粉部分理化和功能性品质特性显著提高。由表6可知，优化后甘薯薯渣粉白度和持油力均比初始工艺甘薯薯渣粉白度和持油力显著提高，优化前后甘薯薯渣粉的持水力基本持平。优化工艺甘薯薯渣粉的持水力、溶胀力远远高于陈培基等［28］研究的高活性麒麟菜膳食纤维持水力17.50 g／g，膨胀力29.50 mL／g，可见优化工艺甘薯薯渣粉的功能性品质性能优良。

表5 优化和初始工艺甘薯薯渣粉常规组成成分表

表6 优化和初始工艺甘薯薯渣粉品质性能对比

5 结论

5.1 二次正交旋转试验分析结果表明，对甘薯薯渣粉白度和含水率综合评分影响大小的因素依次为粉碎细度＞干燥温度＞Na2S2O4浓度＞载量，制备新型甘薯薯渣粉的最佳工艺条件为粉碎细度60目、Na2S2O4浓度0.9%、干燥温度80℃、满载量64.5%，综合评分预测值为100.55。验证试验结果表明，甘薯薯渣粉白度为75.10%，含水率为2.027%，综合评分达到99.84，结果与预测值基本吻合。

5.2 利用洞道干燥设备测定最佳工艺条件甘薯薯渣粉的干燥曲线，结果表明，干基含水量随时间变化成曲线关系，添加趋势线得到回归方程Y＝0．005x2-0．075x+2．447，R2＝0.998。

5.3 优化工艺和初始工艺甘薯薯渣粉的常规成分和品质性能对比表明，优化工艺甘薯薯渣粉常规成分进一步优化，白度和持油力显著提高，持水力与初始工艺甘薯薯渣粉基本相当。其优良的理化和功能性品质性能使其可广泛应用与食品行业，且工艺简单，稳定性好，可为薯渣粉相关产品的生产及开发提供技术参考［29］。

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