豆渣超微粉制備工藝優化 及其特性分析

程姣姣,羅倉學,*,劉 劍,李 博

(1.陜西科技大學食品與生物工程學院,陜西西安 710021;2.陜西秦豆園農業科技有限公司,陜西咸陽 712000)

豆渣是豆制品加工過程中的主要副產物[1]。我國豆制品生產和需求量較大,據不完全統計,我國每年大約產生2000萬噸濕豆渣[2-3]。研究表明,豆渣中膳食纖維占50% ～70%,蛋白質含量占19% ～23%,脂肪含量8%～11%[4-6],但是由于豆渣口感粗糙,目前大部分豆渣被當作動物飼料、肥料,甚至廢棄物直接扔掉[7]。豆渣膳食纖維含量高且生產成本較低,可將其加工成一種高膳食纖維粉體,作為一種膳食纖維補充劑來預防糖尿病、肥胖癥、心血管疾病等;也可以作為一種食品原料,在提高產品品質的同時,減少感官影響。

流化床氣流磨超微粉碎機是將空氣壓縮機處理后的高壓氣體通過特殊形狀的拉瓦爾噴嘴加速成高速氣流后射入研磨系統,使通過加料系統進入的物料呈流態化。具有巨大動能的高速氣流使物料顆粒被加速,在兩噴嘴交匯處發生劇烈的相互碰撞、反復摩擦、高速剪切,從而達到被粉碎的目的[8]。氣流超微粉碎中的壓縮空氣經過噴嘴,由于絕熱膨脹產生降溫效應,使粉碎過程不會產生高溫,從而可以減少對物料中原有營養成分的破壞[9]。通過超微粉碎技術得到的物料不僅粒度降低,比表面積、比表面活性增大,而且其口感和理化性質也得到改善,利用率提高。有研究顯示超微粉碎技術可以改善膳食纖維物質功能性質和食用品質,謝怡斐等[10]通過對超微粉碎后豆渣功能性質的研究發現,經超微粉碎后豆渣的功能性質得到改善。本研究主要通過流化床對撞式氣流磨對豆渣進行超微粉碎,在控制粉碎時間一定的條件下,研究不同工藝參數對豆渣粉碎效果的影響,通過響應面實驗優化氣流粉碎豆渣的工藝參數。同時對粉碎前后粉體的色澤及粒度分布情況進行分析、用掃面電鏡及傅里葉紅外光譜儀對其結構進行觀察,為豆渣超微粉體工業化生產提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豆渣 由陜西秦豆園農業科技有限公司提供。

QLM-90K氣流磨 浙江省上虞市和力粉體有限公司;LS-POP(6)型激光粒度分析儀 歐美克儀器有限公司;DHG-9030型電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司;RHO-400高速多功能萬能粉碎機 浙江永康市榮浩工貿有限公司;FEI-Q45環境掃描電鏡 美國FEI公司;CM-5色差儀 日本Minolta公司;傅立葉紅外光譜儀 德國布魯克Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆渣超微粉加工工藝流程 新鮮濕豆渣→干燥→粗粉碎→過篩→氣流磨超微粉碎→豆渣超微粉。

操作要點:干燥:將新鮮的濕豆渣在60 ℃熱風干燥箱中平鋪約1 cm厚,將水分含量烘干至10%左右。粗粉碎:將烘干后的豆渣用萬能粉碎機粉碎過40目篩。氣流磨超微粉碎:稱取一定量過篩后的豆渣粗粉,加入氣流磨研磨系統進行粉碎,通過旋風收集器收集豆渣超微粉。

1.2.2 單因素實驗 通過前期預實驗發現粉碎時間對粉體中位粒徑值響較小,所以本實驗是在控制粉碎時間一定(30 min)的條件下研究進料量、粉碎頻率、研磨壓力對豆渣粉碎效果的影響?？刂品鬯闀r間為30 min,以粉碎頻率20 Hz,研磨壓力0.6 MPa,研究進料量分別為30、50、70、90、110 g對粉碎效果的影響;以進料量50 g,研磨壓力0.6 MPa,研究粉碎頻率分別為15、20、25、30、35 Hz對粉碎效果的影響;選擇進料量50 g,粉碎頻率20 Hz,探究在研磨壓力0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 MPa條件下,豆渣粉體中位粒徑的變化。

1.2.3 響應面優化實驗 通過對單因素實驗結果分析,根據Box-Behnken實驗設計原理,選取進料量、粉碎頻率以及研磨壓力為實驗因素,以豆渣超微粉中位粒徑(D50)為響應值,對豆渣超微粉碎工藝進行優化。響應面實驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken設計因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.3 粉體特性分析

1.3.1 豆渣超微粉粒度的測定 取約0.5 g超微粉碎后的豆渣粉,加入30 mL水攪拌后得到懸浮液,緩慢加入激光粒度儀中。設置折射率為1.5,控制遮光比為12%。

1.3.2 豆渣超微粉碎前后色澤測定 采用色差儀測量豆渣超微粉碎前后的L*、a*、b*、值。L*為樣品的亮度(100為白色,0為黑色);a*為樣品的紅綠度(正值為紅色,負值為綠色);b*為樣品的黃藍度(正值為黃色,負值為藍色)。

1.3.3 掃描電鏡觀察 分別取少量超微粉碎前后的豆渣粉,通過制樣、噴金后在掃描電鏡下觀察其微觀結構變化。

1.3.4 紅外光譜分析 分別取少量粉碎前后的豆渣樣品,與適量KBr混勻后研磨、制片,進行紅外光譜掃描。

1.4 數據處理

數據采用Origin 9.0、SPSS 17.0軟件進行統計分析和處理,采用DX8.exe軟件進行響應面設計及優化。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同進料量對豆渣超微粉中位粒徑的影響 由圖1可以看出隨著進料量的增加,粉體的中位粒徑D50先減小后又增大,當進料量為90 g時,粉體中位粒徑值達到最低。物料只有在粉碎腔內被氣流束流態化后才能進行有效的撞擊粉碎[9],在一定范圍內,隨著進料量的增加,物料顆粒在機腔內碰撞的概率增大,粉碎效果更好,但是在研磨壓力一定的條件下,進料量過多會導致機腔內每個物料顆粒獲得的能量減少,從而顆粒與顆粒之間的碰撞效率降低,影響粉碎效果。因此選擇進料量為70～110 g。

圖1 進料量對豆渣粉碎效果的影響Fig.1 Effect of feed quantity on crushing effect of soybean dregs

2.1.2 不同粉碎頻率對豆渣超微粉中位粒徑的影響 由圖2粉碎頻率對豆渣超微粉中位粒徑的影響可以看出,隨著粉碎頻率的增大,粉體中位粒徑明顯下降,但當頻率大于30 Hz后,物料粒徑又有重新變大的趨勢。因為物料顆粒在機腔離心力場中主要受到離心力和介質粘滯阻力的作用,只有當離心力比介質的粘滯阻力小時,被粉碎的物料顆粒通過分級輪葉輪,隨著氣流進入粉體收集系統[11-12],頻率越大,分級輪葉輪旋轉速度越快,離心力場的切向速度越高,形成的離心力場也越強大,同時物料在機腔內的碰撞次數越多、力度越強,得到的粉體粒徑越小,但是頻率過大會導致粉體總表面積增大,表面能增加,從而粉體又重新聚集,導致粒徑變大[13]。綜合考慮選擇粉碎頻率為25～35 Hz。

圖2 粉碎頻率對豆渣粉碎效果的影響Fig.2 Effect of crushing frequency on crushing effect of soybean dreg

2.1.3 不同研磨壓力對豆渣超微粉中位粒徑的影響 一定范圍內減少研磨壓力,可以提高產品的細度,但同時會降低出粉率[14],不利于工業生產。由圖3可以看出在壓力為0.6～0.9 MPa的范圍內,隨著研磨壓力的增加,所得超微細粉的中位粒徑逐漸減小,但是壓力大于0.8 MPa后,粉體粒度下降趨于平緩。這主要是因為隨著研磨壓力的增加,噴嘴出口處的氣流速度隨之增大,從而使物料獲得的動能提高,物料顆粒與顆粒以及顆粒與機腔壁之間碰撞的能量更大,物料被粉碎的速度加快,從而得到的產品粒度更小[15],但是研磨壓力過大時,造成噴嘴前后壓力比被破壞,從而在粉碎腔內產生激波使氣流速度有所下降,影響粉碎效果[16]。因此選擇研磨壓力為0.7～0.9 MPa。

圖3 研磨壓力對豆渣粉碎效果的影響Fig.3 Effect of grinding pressure on crushing effect of soybean dregs

2.2 響應面實驗結果與條件優化

2.2.1 響應面實驗結果及分析 豆渣超微粉碎工藝優化的響應面實驗設計結果見表2。

表2 響應面實驗設計與結果Table 2 Design and result of response surface experiment

用Design-Expert軟件對所得到的數據進行分析。以進料量(A)、粉碎頻率(B)、研磨壓力(C)為自變量;以豆渣超微粉體的中位粒徑(Y)為響應值,得到的多元二項式數學模型回歸方程Y=15.04-0.41A-1.00B-0.48C-0.27AB+0.22AC+0.27BC+1.73A2+1.14B2+0.89C2

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Analysis of variance of regression model

注:**為極顯著(p<0.01),*為顯著(p<0.05)。

2.2.2 各因素交互作用分析 圖4～圖6分別顯示當一個因素為最佳值時,其它兩個因素對豆渣超微粉體中位粒徑值的交互影響效應,從各因素之間交互作用響應面圖可以看出,響應面圖開口向上,呈凹面狀。響應曲面圖曲線越陡則說明對豆渣超微粉體中位粒徑值的影響越顯著,曲線越平滑說明影響越不顯著。圖4中的曲線較為平緩,說明進料量和研磨壓力交互作用對豆渣超微粉體中位粒徑影響不顯著;圖5顯示曲面坡度陡峭,說明粉碎頻率和研磨壓力交互顯著;從圖6可以看出當研磨壓力為0.8 MPa時,保持研磨壓力一定,隨著進料量的增加,粉體粒徑先減小后增大且趨勢較明顯,進料量保持一定,隨著研磨壓力的增大,粉體粒徑先減小后增大且幅度較大,說明粉碎頻率和研磨壓力交互顯著,與表3中分析一致。

表4 豆渣超微粉粒徑特征Table 4 Particle size characteristics of bean dregs superfine powder

圖4 進料量與研磨壓力交互作用的響應面Fig.4 Response surface of interaction between feed quantity and grinding pressure

圖5 粉碎頻率與研磨壓力交互作用的響應面Fig.5 Response surface of interaction between grinding frequency and grinding pressure

圖6 進料量與粉碎頻率交互作用的響應面Fig.6 Response surface of interaction between feed quantity and grinding frequency

2.2.3 驗證實驗 通過Design-Expert軟件對實驗模型進行分析后,得到超微粉碎豆渣最佳工藝參數:進料量92.84 g、粉碎頻率32.16 Hz、研磨壓力0.82 MPa,該條件下所得超微粉體中位粒徑的預測值為14.85 μm?？紤]到實際操作的可行性,將最佳工藝參數調整為進料量93 g、頻率32 Hz、研磨壓力0.8 MPa,在此條件下所得豆渣超微粉D50實際值為14.98 μm,與預測值較吻合,因此采用該模型優化的工藝條件可靠。

2.3 粉體特征分析

2.3.1 豆渣超微粉體粒度測定 對最佳工藝條件下所得到的超微粉體進行粒度測定,所得豆渣超微粉體粒徑分布如圖7和表4所示?？梢钥闯霎斄皆?0.00～19.50 μm時,該區間上的粉體含量約為83.39%,說明粉體顆粒分布較集中;豆渣超微粉的體積平均徑D(4,3)為15.80 μm,與中位粒徑D50(14.98 μm)比較接近,可以判斷出粉體的整體顆粒較均勻;面積平均徑D(3,2)為14.13 μm,與體積平均徑也較為接近,說明樣品顆粒的形狀比較規則[17]。

圖7 豆渣超微粉體粒徑分布圖Fig.7 Grain size distribution diagram of bean dregs superfine powder

2.3.2 豆渣超微粉碎前后粉體色澤測定 色澤是評價食品的重要指標,由表5可以看出超微粉碎后的豆渣與原粉色澤差異較大。超微粉碎后粉體的L*值明顯(p<0.05)增大,a*、b*也顯著(p<0.05)變小,說明超微粉碎后的豆渣更白亮?？赡苁且驗槌⒎鬯楹蠖乖牧礁?比表面積變大,使物料顆粒內部暴露,從而對粉體色澤產生影響。因此超微粉碎可以明顯改善豆渣粗粉偏黃偏暗的現象。

表5 豆渣超微粉碎前后色澤變化Table 5 Changes of color of soybean dregs before and after superfine grinding

注:同一列的不同字母表示兩組數據間有顯著性差異(p<0.05)。

2.3.3 豆渣超微粉碎前后粉體掃描電鏡觀察 由圖8可以看出超微粉碎前的豆渣顆粒較大,呈疏松多孔網狀結構。而在相同倍數條件下,超微粉碎后的豆渣顆粒明顯變小,比表面積明顯增加,這是由于強烈的機械剪切作用使豆渣中的大顆粒變為更加細小的顆粒,從而使豆渣內部的多空網狀結構被破壞。

圖8 豆渣超微粉碎前后掃描電鏡圖片(×1000)Fig.8 Scanning electron microscope pictures of soybean dregs before and after superfine comminution(×1000)

2.3.4 豆渣超微粉碎前后紅外光譜分析 圖9為豆渣超微粉碎前后的紅外光譜圖,通過對比可以發現粉碎前后樣品的出峰位置和峰的大小大致相同,說明超微粉碎后豆渣的主要成分并沒有發生改變。圖9中3300 cm-1附近的峰是(O-H)伸縮振動引起的;2926 cm-1附近的峰是由于(C-H)伸縮振動;1745 cm-1附近的峰為半纖維素羰基(C=O)的伸縮振動,1050 cm-1附近的峰是由于纖維素、半纖維素(C-O)伸縮振動,與纖維素結構相符。圖9中峰的大小不同一方面是由于超微粉碎后豆渣粒徑變小,部分基團暴露,另一方面是由于樣品顆粒大小不同引起散射強度變化而導致的[18]。

圖9 超微粉碎前后紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrum soybean dregs before and after superfine comminution

3 結論

本研究采用流化床氣流磨對豆渣進行超微粉的制備,在單因素實驗的基礎上,通過響應面實驗對工藝參數進行優化。結合實際條件確定最佳工藝條件為:進料量93 g、分級輪頻率32 Hz、研磨壓力0.8 MPa。在此條件下得到的豆渣超微粉D50為14.98 μm,粉體顆粒均勻、形狀規則且分布集中。通過對比可以發現粉碎后的粉體比表面積增大,色澤亮白且結構基本沒有變化。該研究結果可為豆渣超微粉加工技術提供參考依據。

[1]王雙燕,賀學林. 不同干燥方法對豆腐渣粉感官品質的影響[J]. 農業工程,2013,3(3):76-78.

[2]張振山,葉素萍,李泉,等. 豆渣的處理與加工利用[J]. 食品科學,2004,25(10):400-406.

[3]卞春,趙全,季瀾洋,等. 大豆多糖的功能及應用研究進展[J]. 糧食與油脂,2015(4):8-11.

[4]陳書明. 利用模糊數學感官評價法優化豆渣桃酥配方[J].糧食與油脂,2016,29(7):66-69.

[5]Redondo-Cuenca A,Villanueva-Suárez M J,Mateos-Aparicio I. Soybean seeds and its by-product okara as sources of dietary fibre. Measurement by AOAC and Englyst methods[J]. Food Chemistry,2008,108(3):1099.

[6]Mateosaparicio I,Redondocuenca A,Villanuevasuárez M J,et al. Pea pod,broad bean pod and okara,potential sources of functional compounds[J]. LWT-Food Science and Technology,2010,43(9):1467-1470.

[7]秦璇璇,趙良忠,李化強,等. 豆渣干燥技術研究進展[J]. 安徽農業科學,2015(31):202-203.

[8]黃建蓉,李琳,李冰. 超微粉碎對食品物料的影響[J]. 糧食與飼料工業,2007(7):25-27.

[9]楊靜,張爭明,李伯廷,等. 氣流粉碎機超微粉碎鹿茸的研究[J]. 特產研究,2012(4):16-19.

[10]謝怡斐,田少君,馬燕,等. 超微粉碎對豆渣功能性質的影響[J]. 食品與機械,2014(2):7-11.

[11]蔡金星,劉秀鳳,常學東,等. 蘆筍老莖超微粉碎工藝優化[J]. 食品與機械,2009,25(6):157-159.

[12]王立東,王維浩. 流化床氣流超微粉碎制備小米粉工藝參數的優化[J]. 農產品加工,2016(22):30-33.

[13]謝怡斐,田少君,馬燕,等. 超微粉碎對豆渣功能性質的影響[J]. 食品與機械,2014(2):7-11.

[14]王永強,王成端. 氣流粉碎機動態參數對粉碎效果影響的研究[J]. 中國粉體技術,2003,9(2):20-24.

[15]任艷軍,李杰,任學軍,等. 運用氣流粉碎機超微粉碎葡萄籽的工藝研究[J]. 安徽農業科學,2009,37(31):15412-15413.

[16]陳軍,梁瑞紅,劉新雨,等. 蓮心超微粉碎提高有效成分的溶出速率[J]. 食品工業科技,2014,35(23):123-126.

[17]錢驊,陳斌,黃曉德,等. 不同破壁技術對桑黃功能性成分提取率的影響[J]. 食品科學,2016,37(10):23-27.

[18]張陽,肖衛華,紀冠亞,等. 機械超微粉碎與不同粒度常規粉碎對紅茶理化特性的影響[J]. 農業工程學報,2016,32(11):295-301.