固体饮料干燥过程中的香气保持
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《软饮料工业手册》第586页（4192字）
(一)香气保持理论
食品香气的保持与所含各芳香成分的蒸汽压、相对挥发度、食品成分及其结构、温度等多种因素有关。目前食品香气保持原理如下：
①食品中的水分子，芳香分子扩散移动时的速度论。
②食品基本成分的结构和各成分相互作用的干燥基质的形成。
1．气－液平衡理论
对于真空干燥、冻结干燥的任何场合，在干燥初期芳香成分一般随水分蒸发而快速蒸发，成分的损失远比干燥后期大，并受到溶液中可溶性固形物浓度的影响，因此水对于水溶液中芳香成分的保持与损失起着重要的作用。Saravacos针对在真空干燥中，芳香成分的挥发性受蒸气压和芳香成分对水的溶解度的影响，根据拉乌尔－亨利法则，提出基于气－液平衡的相对挥发性的理论。就是说与蒸气压相比稀薄溶液中芳香成分的蒸发更决定于相对挥发度(比挥发度)。例如醋酸乙酯(沸点77℃)和丁酸乙酯(沸点121℃)的蒸气压，前者高，但后者在水溶液中的挥发性高得多，这是因为后者具有高的相对挥发度。可是食品中芳香成分的相对挥发度都在1以上，大部分在10～1000范围内。基于气－液平衡理论，干燥过程中芳香成分远比水优先蒸发，不能保持香气，可是稀薄溶液中的芳香成分的蒸发和损失与相对挥发度有时也相一致，但实际上与相对挥发度无关，冻结干燥、喷雾干燥等可获得保香效果很好的产品。
2．扩散理论
食品中芳香成分的分子质量和分子大小一般比水分子大，因此分子小的水优先向蒸发表面扩散移动，选择性地蒸发水分。随着水分的减少，香气分子扩散系数Di和水分子扩散系数Dws之比Di／Dws也逐渐减小，芳香成分的扩散移动受到抑制，保持在低水分的食品中。这种低水分食品中水的选择扩散是多孔性和非结晶性食品成分体系中的最一般的性质，Di／Dws称为选择扩散系数。
选择扩散系数也随温度而变化，一定水分含量，一定温度下的Di／Dws还与扩散分子的大小有关，一般认为芳香分子增大时，Di／Dws减小，Di／Dws=0．01以下时，试样水分含量特称为极限水分量，随芳香分子的大小、温度而变化。
一般食品在干燥开始不久，水分蒸发速度很大，表层部分产生水分梯度，形成表面膜，由于水分低，水分子与芳香分子的扩散速率产生显着差异，芳香成分保留较多。
选择扩散理论适用于内部完全没有对流的场合，而实际干燥中，基质内部与表面存在温度差，多半产生流动引起的内部对流。在浓糖溶液中加入芳香成分，真空干燥发泡后发现，由于内部对流，香气保持量明显降低。
另一方面，微观黏度对食品基质成分和芳香成分之间的相互作用具有重要意义。食品中多半混有可溶性和不溶性的芳香性物质，随着脱水的进行，可溶性成分也会产生不溶性现象。水不溶性成分例如柑橘精油等的微小液滴，从基质分子大小看具有与因次不同的大小，不是分子扩散，应作布朗扩散进行管理，这与宏观黏度有关。
3．微小领域论
含有芳香成分的糖水溶液在冻结干燥时能保持香气，可以认为芳香物质被封入糖形成的特殊微小空间部位，这个特殊的部位称为微小领域。试验表明，将冻结干燥的糖粉置于异丙醇蒸气中48h，糖分可吸附约0．4%的异丙醇，可是这种被吸附的物质在室温下放置5min就消失。另一方面，将被试芳香成分与糖水溶液混合，保持的芳香成分在20～52℃，6～12h内加热，芳香成分的量也无变化，用糖保香不是吸附。干燥过程中表面硬化与强制剥下表面膜的两试样的芳香成分保持量并无差别，将其粉碎，长时间室温放置，香气保持量也无变化，说明香气保持与表面膜的形成无关。可以认为香气分子稳定保持在粉末平均粒度以下的微小部位，选择扩散理论与微小领域论并不矛盾，前者是芳香分子、水分子扩散移动时的速度论，后者则是将芳香分子封闭的矩阵形态论。
水溶液中糖的OH基与水分子氢键结合，随着干燥时水分的减少，水与糖分子的聚合度增加，糖－水分子间的氢键变为糖与糖分子间的氢键，形成微小领域，将芳香分子封闭在非晶性的微小领域内。干燥中首先一些芳香成分损失，但到达极限水分量时，芳香成分就会稳定在微小领域中。蔗糖由于微胶体作用使脂溶性色素可溶化，其回折点糖浓度为30%和60%，这是水和糖分子聚合状态发生变化，糖浓度30%时形成微胶体，从糖与水分子间的氢键变为糖与糖分子间氢键是在糖浓度60%附近，在此浓度下开始形成微小领域。
(二)影响保香的主要因素
1．固形物组成
一般认为葡萄糖有保香效果，果胶没有保香效果。糖类的保香效果以双糖类为佳，日本杉泽博认为蔗糖与麦芽糊精的混合物保香效果最好，其次为单糖、多糖。双糖类的保香效果依次为蔗糖＞麦芽糖＞乳糖。以一般使用的5种糖和6种芳香成分作的干燥试验，保香率参见表2－6－2。
表2－6－2 冻干溶液中挥发性成分的保香率
除糖类以外，环糊精与其他低聚糖混合可防止表面硬膜产生，糖的混合物有加倍保香效果，这是因为可提高干燥表面膜稳定性和防止冻结干燥物因塌陷而造成的香气损失。
蛋白质也有保香能力，但蛋白质有变性问题，除凝固、不溶化等变性引起结构和特性的变化外，还会引起低水分系的褐变反应。
2．固形物浓度
物料初始固形物浓度对干燥过程中的保香较为重要，用n－丙醇进行的糖浓度和芳香成分保持量的研究表明，随着糖浓度的增加，丙醇的保持量增加，不仅冻结干燥，喷雾干燥初期的固形物浓度也影响保香效果。
3．冻结速度与干燥速度
冻结速度与干燥速度是影响保香效果的最主要因素。
(三)干燥方法与保香的关系
1．滚筒干燥
用滚筒干燥咖啡浸提液时，香气几乎无存。
2．泡沫干燥
真空泡沫干燥的果汁粉，其保香率优于喷雾干燥，但保香率也不高，结果如表2－6－3所示，添加10%糖或2%蛋白质的樱桃汁，泡沫干燥的结果表明，添加糖的果汁，低分子醇、醋酸酯等的香气保持率高，但苯甲醛减少；而添加蛋白质的果汁，香气整体保持率降低。
表2－6－3 不同方法浓缩果汁挥发性成分的保香率 单位：%
3．喷雾干燥
影响喷雾干燥保香率的因素有固形物浓度和干燥温度，结果参见表2－6－4。
表2－6－4 喷雾干燥的保香率
(1)
注：干燥温度为100℃；初始物料温度为20℃。
(2)
注：干燥温度100℃。
由表可见，为了提高喷雾干燥时的保香率，必须从以下方面入手：
①提高被干燥物料的可溶性固形物含量，并提高被干燥物初始温度。
②提高干燥空气的温度，降低干燥空气的相对湿度。可是当干燥温度超过100℃时，在液滴膨胀的情况下不适用选择扩散理论。液滴内部对流和水分膨化现象可损失相当的芳香成分。
③提高液滴直径。
4．冷冻干燥
由于芳香物质的扩散系数在低温下显着减小，因此冷冻干燥的保香率比其他干燥方法高。影响冷冻干燥保香率的因素有初始固形物浓度、冻结速度、冰点、干燥速度、物料形状与大小等。当冰点为－20℃时，改变真空度，使干燥速率提高2倍时，n－丙醇的保持率可从65%(缓慢干燥)提高至80%(快速干燥)。麦芽糊精水溶液中的水溶性芳香成分的保持率随冰点温度降低而增加，并随水的蒸汽压减少而增加。
柑橘精油等水不溶性芳香成分的保香原理与水溶性芳香成分不同，保香率与可溶性固形物种类无关，而且也不受冻结速度和干燥温度的影响。
咖啡浸提液冷冻干燥时的保香率参见表2－6－5，由表可见，冻结速度慢，冰点温度降低时，保香率高，干燥中的膨化和干缩(Collapse)的形成不利芳香成分的保持。当冰点温度为25℃，加热板温度从低温至93℃范围时保香效果好。
表2－6－5 冷冻干燥时咖啡挥发性成分保香率 单位：%
