李淑娟，曾萍，沈起兵，刘同方，陈军丽，于燕波*

1. 深圳市绿航星际太空科技研究院（深圳 518117）；2. 中国航天员科研训练中心航天营养与食品工程重点实验室（北京 100094）

《中国居民营养与慢性病状况报告（2015）》指出，我国慢性疾病面临着严峻的形势，不健康饮食是慢性疾病发生、发展的主要危险因素之一。全麦谷物被美国、澳大利亚、加拿大、墨西哥以及南美洲等国家的膳食指南和营养政策认为是健康生活方式的重要饮食组成成分[1]。燕麦属于全麦谷物，富含膳食纤维、蛋白质、多肽、氨基酸和维生素等，具有帮助消化[2-3]、抗癌[4-5]、防止心血管疾病发生[6]、辅助降血糖[7-9]等功效。但是，一直以来人们为了追求口感提升，不断发展粮食加工的精细化技术。精加工后的谷物，尽管适口性好，但精加工过程损失了大量的营养因子，其营养功效大打折扣。

尽管全谷物的营养价值已被广大消费者认可，但由于现有的全谷物食品存在食用难、口感差、产品加工性能差等问题，我国全谷物食品的研发面临着一系列亟待解决的关键技术难题。现有谷物加工的一大痛点是粉碎问题，沈连红[10]公开了一种基于高压均质的高压微射流超微粉碎技术。高压微射流超微粉碎系统是将高压设备和微通道反应器装置联用，巧妙设计微通道得到。工作时，高压泵对固液混合流体进行加压，通过调压装置使物料在特定压力下导入微通道射流粉碎系统，物料流体发生多次靶板式射流粉碎和对撞式射流粉碎，在高速剪切效应、高压射流对冲撞击能量、流道瞬时压降产生的空穴效应三重作用下，实现高效粉碎，该粉碎技术在谷物加工方面还未得到应用。此次试验基于“全谷物”概念，将燕麦粉用α-淀粉酶酶解，经高压微射流粉碎后进行喷雾干燥，得到方便食用、营养全面、品质稳定、风味口感优良的速溶燕麦粉，研究结果为全谷物燕麦食品工业化提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

生燕麦粉，澳麦，市售，粒径0.180 mm；α-淀粉酶，丹麦Danisco公司，活力26 000 U/g。

1.2 仪器与设备

水浴锅，常州朗越仪器制造有限公司；胶体磨，深圳市雷通实业有限公司；高压均质机，上海申鹿均质机有限公司；高压射流纳微粉碎系统，理星（天津）生物科技有限公司；实验室喷雾造粒机，上海雅程仪器设备有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

工艺流程1：生燕麦粉→酶解→喷雾干燥→收料→分析。

工艺流程2：生燕麦粉→酶解→胶体磨初磨→高压均质→高压微射流粉碎→喷雾干燥→收料→分析。

1.3.2 酶解方法

将840 mL软化水水浴加热至30 ℃，加入一定量的酶，搅拌均匀；边搅拌边加入360 g生燕麦粉，使生燕麦粉充分分散在水中，升温至酶解温度进行酶解，酶解完成后，升温至90 ℃保持10 min灭酶。考察不同酶量、酶解温度、酶解时间对酶解燕麦浆感官品质的影响。

1.3.3 喷雾干燥工艺单因素试验

采用1.3.1中的工艺流程1，将酶解燕麦浆进行喷雾干燥制粉，以产品得率为评价指标，依次进行样品浓度、喷雾温度、喷雾速度的单因素试验。

1.3.4 喷雾干燥工艺响应面试验设计

在单因素试验的基础上，采用Design Expert 8.0软件设计试验，运用Box-Behnken的中心组合试验，选择对燕麦粉产品得率有影响的3个因素（样品浓度、喷雾温度、喷雾速度）及各个因素的影响范围，采用三因素三水平设计响应面试验，试验过程采用1.3.1中的工艺流程1进行。

表1 Box-Behnken试验设计

1.3.5 数据处理

响应面试验数据采用Design Expert 8.0软件进行多元回归及方差分析。

1.3.6 燕麦浆感官品质评价

由7名人员组成感官评价小组，对燕麦浆的色泽、滋味、气味作评价，每项满分5分，总分为15分。具体打分项目及其标准如表2所示。

表2 感官评分标准[11]

1.3.7 燕麦粉产品得率

式中：Y为产品得率，%；m为喷雾干燥后燕麦粉产品质量，g；m0为生燕麦粉质量，g。

2 结果与分析

2.1 酶解条件对燕麦浆感官品质的影响

酶解燕麦，一方面可使燕麦浆黏度降低，方便生产操作；另一方面，酶解后的燕麦更利于人体对燕麦营养的吸收和利用[12]。由表3可知，酶解最优条件为酶添加量42 U/g，酶解温度60 ℃，酶解时间30 min。得到的燕麦浆色泽偏黄色，甜味适宜，滋味愉悦，口感醇厚。

表3 燕麦浆感官评分结果

2.2 喷雾干燥工艺单因素分析

2.2.1 样品浓度对产品得率的影响

由图1可知，随着样品浓度的增大，燕麦粉得率起初变化较小，之后急剧降低，当样品浓度为24%时，产品得率达到39.76%，样品浓度继续降低后，产品得率基本维持不变。这是因为样品浓度越小，意味着样品的年度越小，越有利于喷雾干燥得到产品，当黏度小到一定程度时，其对喷雾干燥工艺的优化作用甚微。

图1 样品浓度对产品得率的影响

2.2.2 喷雾温度对产品得率的影响

由图2可知，喷雾温度的最佳范围在90～110 ℃之间，当喷雾温度为100 ℃时，燕麦粉产品得率可达43.53%。其原因是较低的温度起不到干燥的作用，燕麦粉易沉降在釜壁上，较高的温度使酶解燕麦浆中的糖份融化，产生黏性，易粘结在釜壁上。因此，较低或较高的温度均不利于酶解燕麦浆喷雾干燥工艺的优化。

图2 喷雾温度对产品得率的影响

2.2.3 进样速度对产品得率的影响

由图3可知，喷雾速度显著影响燕麦粉的得率，当蠕动泵速度为10 r/min时，产品得率为38.25%；当蠕动泵的速度升为14 r/min时，产品得率迅速下降至26.44%；当蠕动泵的速度降为6 r/min时，产品得率仅升高了4.04%。从喷雾干燥工艺的能耗成本上考虑，蠕动泵的速度并非越低越好，较低的喷雾速度意味着较高的能耗成本。

图3 喷雾速度对产品得率的影响

2.3 响应面试验结果

由单因素试验分析可知，样品浓度、喷雾温度、喷雾速度均会影响燕麦粉的产品得率。根据Box- Beknhen中心组合试验设计原理，设计三因素三水平的响应面试验。共设计15组试验，结果如表4所示。

表4 Box-Behnken试验设计及试验数据结果

2.4 多元二次模拟方程的建立与检验

利用Design Expert 8.0软件对表4中的试验数据进行多元回归拟合，得到回归方程：Y=0.32-0.017A-0.031B-0.068C+0.006 05AB+0.000 175AC+0.019BC-0.021A2-0.07B2+0.048C2。

对该模型进行回归和方差分析，结果见表5。该模型的p＜0.05，说明该模型具有良好的显著水平。其失拟项的p＞0.05，不显著，说明未知因素对此次试验的结果干扰较小。相关系数R2=0.985 0，说明该模型的拟合度较好，可以用该模型来分析和预测试验结果。

对因素A、B、C及其交互项AB、AC、BC进行分析，一次项A、B、C的p值均小于0.05，二次项A2、B2、C2的p值小于0.05，说明样品浓度、喷雾温度、喷雾速度对燕麦粉得率的影响均具有较高的显著性，且对响应值的影响相对复杂，具有显著的曲面效应。交互项p值均大于0.05，说明样品浓度、喷雾温度、喷雾速度3个因素交互影响不显著。

2.5 模型验证试验

根据Box-Behnken试验得到的结果以及二次多项回归方程，并利用Design Expert 8.0软件，考虑到工艺的成本，设定样品浓度优化范围26%～30%、喷雾温度优化范围90～110 ℃、喷雾速度优化范围8～10 r/min，产品得率越大越好，设定为1。获得燕麦粉得率最大时的最佳工艺条件为样品浓度26%，喷雾温度93.53 ℃，喷雾速度8 r/min。在该优化条件下，燕麦粉的得率为40.69%。对此优化条件进行试验验证，考虑到设备的可操作性，试验条件修正为样品浓度26%，喷雾温度94 ℃，喷雾速度8 r/min。重复3次试验，燕麦粉的得率分别为41.45%，40.88%和41.21%，平均值得率为41.18%，与理论计算值接近，说明该模型能较好地预测速溶燕麦粉在喷雾干燥工艺中的得率情况。

2.6 高压微射流粉碎技术优化试验

采用1.3.1中的工艺流程2，将酶解后的燕麦浆经胶体磨、高压均质、高压微射流粉碎后进行喷雾干燥（样品浓度26%，喷雾温度94 ℃，喷雾速度8 r/min）制粉，燕麦粉的产品得率明显提高，可达47.35%。这是由于样品的粒径对喷雾干燥产品得率具有显著的线性影响，燕麦浆的粒径越小，产品得率越高。由图4可知，酶解燕麦浆的粒径经胶体磨、高压微射流粉碎后明显减小，因此产品得率增大。

表5 回归模型方差分析

图4 不同处理条件下燕麦浆粒径分布图

3 结论

首先，考察了酶解工艺对燕麦浆感官品质的影响，酶解最优工艺为酶添加量42 U/g，酶解温度60 ℃，酶解时间30 min。其次，在单因素试验基础上，以燕麦粉产品得率为响应值，通过响应曲面法优化喷雾干燥工艺，结果表明，最佳工艺条件为样品浓度26%，喷雾温度94 ℃，喷雾速度8 r/min。在该条件下，燕麦粉的得率为41.18%，与理论值40.69%基本相符。最后采用高压微射流粉碎技术创新性地对工艺进一步优化，燕麦粉的产品得率明显提高，可达47.35%。将高压微射流技术用于燕麦粉的加工，得到的产品粒径小，稳定性好，得率高，具有较好的应用前景。