响应面法优化Mysore与Gros Michel香蕉泡沫垫干燥（foam-mat drying）工艺及功能性香蕉粉品质提升研究

《JOURNAL OF FOOD QUALITY》：Process Optimization of Foam-Mat Drying for Functional Banana Powder Production With Improved Quality Characteristics

　　

本研究探索了采用泡沫垫干燥（foam mat drying, FMD）技术由Mysore和Gros Michel品种生产香蕉粉。研究聚焦于识别并优化影响香蕉泥（banana puree）起泡特性的关键变量。采用响应面法（response surface methodology, RSM）系统评价鸡蛋清白蛋白（egg albumin）浓度、加水量和搅打时间（whipping time）的影响，同时评估所得粉末的理化与功能特性。在两种品种中，泡沫膨胀（foam expansion, FE）随鸡蛋清白蛋白浓度升高和搅打时间延长而显著增加（p < 0.001），泡沫密度（foam density, FD）相应降低。Mysore香蕉泥的泡沫稳定性（foam stability, FS）受鸡蛋清白蛋白浓度显著影响（p < 0.05），而Gros Michel香蕉泥的泡沫稳定性主要受搅打时间影响。确定的最佳起泡条件为：Mysore为15%鸡蛋清白蛋白、40%水、20 min搅打；Gros Michel为11.3%鸡蛋清白蛋白、30%水、20 min搅打。在这些优化条件下于60°C–70°C干燥，制得粉末具有良好流动性和有利水合特性。结果突出泡沫垫干燥作为商业化生产速溶香蕉粉替代加工技术的潜力。与传统干燥方法相比，泡沫垫干燥具有缩短干燥时间、改善粉末质量和更好保留功能特性等优势。本研究确定的最佳条件为开发香蕉工业规模干燥工艺提供了基础。

香蕉（Musa spp.）是全球重要农产品，仅次于水稻、小麦和玉米；富含碳水化合物、钾、维生素及酚类、类胡萝卜素、生物胺、植物甾醇等生物活性成分，具有抗氧化、抗癌、抗菌等健康促进特性。香蕉常在高水分（60%–80%）绿熟期采收，极易腐烂，采后损失是供应链主要挑战，原因包括采收运输粗放、贮藏设施不足、包装不当。干燥可降低水分含量和水活度，延长货架期，但香蕉高糖、粘性强、玻璃化转变温度低，传统日晒和热风干燥干燥时间长且品质劣变严重。泡沫垫干燥（foam mat drying, FMD）是适合热敏、粘稠、高糖食品的技术，通过将发泡剂加入果泥并搅打形成泡沫，干燥成薄多孔蜂窝状片层，增加内表面积，促进传热传质，缩短干燥时间，且相比喷雾干燥对营养和感官品质影响较小。该过程受干燥温度、时间及泡沫特性影响，品种和成熟度也影响产量、理化与功能特性。现有香蕉泡沫垫干燥研究多，但采用响应面法（response surface methodology, RSM）中中心复合设计（central composite design, CCD）优化起泡参数者有限，且部分设计仅在中心、轴向或因子点重复，限制模型参数和纯误差估计。研究人员因此优化Mysore和Gros Michel香蕉泥起泡性能，并考察温度和品种对泡沫垫干燥香蕉粉品质的影响。

研究人员以Mysore和Gros Michel两个香蕉品种stage 5成熟度（黄色带绿尖）为样本来源。香蕉泥按Yap et al.方法制备，经90°C热烫5 min、冰水冷却、去皮切片和搅拌。起泡采用Watharkar et al.方法，以鸡蛋清白蛋白浓度（X₁）、加水量（X₂）和搅打时间（X₃）为独立变量，采用CCD开展40个随机实验并双重复。以泡沫膨胀（FE）、泡沫密度（FD）和泡沫稳定性（FS）为响应变量，约束为最大FE、最小FD和最大FS。优化泡沫在50°C、60°C或70°C热风干燥，研磨后贮存，分析水分、颜色L^?、松散与振实堆积密度、Carr指数（CI）、Hausner比值（HR）、粒径分布、水结合能力（WBC）、水溶性指数（WSI）和溶胀力（SP）等。

3.1 工艺变量对泡沫特性的影响。通过RSM/CCD，Mysore的FE为55.1%–210.4%，Gros Michel为67.2%–229.3%。在两种品种中，鸡蛋清白蛋白浓度和搅打时间增加显著提高FE（p < 0.001），其中搅打时间提高FE的能力约为鸡蛋清白蛋白的两倍。FE模型解释两个品种实验数据约77%–95%的变异。FD在Mysore为34.1%–63.6%，Gros Michel为25.6%–58.4%，随鸡蛋清白蛋白浓度和搅打时间增加而显著降低（p ≤ 0.05），预测模型解释89%–92%的变异。FS在两种品种中为97.5%–100%，随鸡蛋清白蛋白浓度增加而增加；Mysore的FS受鸡蛋清白蛋白浓度显著影响（p < 0.05），Gros Michel则主要受搅打时间影响，过度搅打可能导致泡沫失稳。FS模型的R²低于50%，尤其Gros Michel模型不显著，说明泡沫稳定性还受气泡聚并、蛋白-多糖相互作用、可溶性固形物等复杂因素影响。

3.2 起泡特性的优化与验证。优化标准为最大FE和FS、最小FD。Mysore最佳条件为15%鸡蛋清白蛋白、40%水、20 min搅打；Gros Michel为11.3%鸡蛋清白蛋白、30%水、20 min搅打。验证实验观察值均落在预测区间内，预测响应平均相对偏差为4%–10%，表明预测模型有效。

3.3 三种干燥温度下泡沫香蕉粉的颜色与功能特性。水分含量Mysore为5.0%–6.3%，Gros Michel为5.3%–7.3%，随干燥温度升高而降低；Gros Michel中温度影响显著（p ≤ 0.05），Mysore不显著。L^?随温度升高显著增加（p ≤ 0.05），50°C时约66.7和53.9，70°C时约69.6和65.5，可能因高温缩短干燥时间而限制褐变。堆积密度Mysore为0.55–0.64 g/cm³，Gros Michel为0.53–0.67 g/cm³，品种与温度存在强交互（p < 0.001），60°C时两品种趋势相反。CI和HR分别为Mysore 12.0%–17.5%和1.1–1.2，Gros Michel 10.8%–20.1%和1.1–1.2，表明粉末流动性和内聚性为中等至良好；50°C干燥粉末CI和HR最低，流动较好，可能与较窄粒径分布有关。

3.4 水合特性。WBC Mysore为204%–232%，Gros Michel为179%–215%，显著依赖品种和干燥温度（p < 0.001）；Mysore在50°C最高，Gros Michel在60°C最高。WSI Mysore为36.36%–39.28%，Gros Michel为36.56%–42.58%，品种与温度存在交互（p < 0.05）；Mysore从50°C到60°C略增、70°C显著降低；Gros Michel从50°C到60°C略降、70°C增加。SP Mysore为7.69–8.74 g/g，Gros Michel为8.03–8.84 g/g，三个温度间无显著差异（p > 0.05）。泡沫多孔结构增加持水表面积，发泡剂蛋白通过亲水相互作用增强水结合；本研究WSI低于Watharkar et al.和Van Tai et al.报道的57%–62%。

3.5 粒径分布。泡沫垫干燥香蕉粉粒径分布呈单峰并偏向粗颗粒。Mysore在50°C分布较窄且近对称，平均直径约237 μm，D₁₀约79 μm，D₉₀约418 μm；60°C和70°C分布变宽且非对称，60°C颗粒直径可达952 μm，70°C为690 μm。Gros Michel在50°C和60°C分布较宽且非对称，50°C峰约150 μm，60°C峰约320 μm；50°C和60°C粉末90%累积体积对应粒径254–470 μm，70°C较细，约245 μm。粒径差异可影响香蕉粉作为食品配料的质量和功能。

讨论部分围绕起泡机制和粉末品质展开。鸡蛋清白蛋白提高FE并降低FD，归因于其降低表面张力、从液相迁移至气-液界面、蛋白吸附，以及搅打诱导蛋白部分变性并暴露疏水基团，促进空气掺入和分散气泡。泡沫稳定性方面，蛋清蛋白在气泡周围形成弹性凝胶状界面层，卵白蛋白（ovalbumin）在气-液界面形成单分子层；卵类粘蛋白（ovomucoid）等高分子蛋白增加混合物黏度，减少泡沫薄层和Plateau边界排水，延迟气泡聚并和崩塌。Gros Michel中搅打时间过长会机械破坏气泡网络、过度拉伸黏弹性膜，导致气泡破裂。FS模型较弱，说明其受多因素支配。颜色方面，L^?随温度升高而增加，与高温缩短干燥时间限制褐变有关，也与以往一些研究趋势相反，可能源于成熟度、酚类含量和泡沫结构差异。堆积密度受孔隙形态、表面硬化和结构收缩影响；流动性受粒径分布影响。水合特性受泡沫多孔结构、蛋白亲水作用、水分降低和糖分子键破坏等影响。局限性包括仅用两个香蕉品种、鸡蛋清白蛋白为唯一发泡剂、未进行感官评价和贮藏稳定性评价。

研究结论翻译：香蕉粉富含膳食纤维、钾和生物活性化合物，可作为食品中的功能性配料。研究人员建议将香蕉粉用于饼干、面包和意大利面等烘焙产品；Watharkar et al.指出香蕉粉广泛用于断奶食品、烘焙食品、布丁、乳制品配方和强化食品，其中溶解性和吸收能力对产品质量至关重要。由于其高WSI和水吸收指数（water absorption index, WAI）值，香蕉粉适合用于即食（ready-to-serve, RTS）饮料和强化食品（如断奶配方），可提高生物学价值并改善质地。香蕉粉由于天然甜味，也适合用于糖浆、冰淇淋、甜点和糖果。本研究证明起泡参数影响泡沫特性，并评价了香蕉粉的理化与功能特性。鸡蛋清白蛋白浓度和搅打时间是两个品种中影响FE和FD的最关键起泡参数。最佳起泡条件为Mysore 15%鸡蛋清白蛋白、40%水、20 min搅打；Gros Michel 11.3%鸡蛋清白蛋白、30%水、20 min搅打。这些条件适合香蕉泥起泡，并在60或70°C干燥获得具有良好颜色、流动性和水合特性的香蕉粉。研究结果为优化泡沫垫干燥参数以生产高质量香蕉粉提供了见解。确定Mysore和Gros Michel最佳起泡条件表明，起泡参数必须根据各香蕉品种特性调整，而不能采用通用加工条件。这为加工者选择鸡蛋清白蛋白浓度、加水量和搅打时间以获理想泡沫特性并提高干燥效率提供了科学依据。结果突出泡沫垫干燥作为商业生产速溶香蕉粉替代加工技术的潜力。与传统干燥方法相比，泡沫垫干燥具有缩短干燥时间、改善粉末质量和更好保留功能特性的优势。本研究优化条件为开发香蕉工业规模干燥工艺提供了基础。研究人员建议未来研究探索成熟香蕉粉作为创新食品配料的利用；食品加工行业应采用泡沫垫干燥技术大规模生产香蕉粉，特别是在重视产品质量、营养保留和易复水性的情况下。进一步研究应考察优化工艺的可放大性、生产成本、商业可行性、贮藏稳定性以及泡沫垫干燥香蕉粉的包装要求，以确保长期贮藏中的品质保持。此外，可探索微波辅助干燥作为提高干燥效率和产品质量的有前景方法；微波干燥作为先进脱水技术，与传统干燥方法相比，在改善干燥食品理化与营养属性方面显示出显著潜力。