基于響應(yīng)面分析法的小球藻藻粉噴霧干燥工藝優(yōu)化

謝 明，王偉良，黃建科，李元廣

（華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 200237）

基于響應(yīng)面分析法的小球藻藻粉噴霧干燥工藝優(yōu)化

謝 明，王偉良，黃建科，李元廣*

（華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室，上海 200237）

以小球藻藻粉得率為主要目標(biāo)，選取進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度三個因素進(jìn)行中心組合實驗（Box－Benhnken），通過響應(yīng)面分析法對小球藻藻粉干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。利用Design Expert軟件，得到了小球藻粉最佳的噴霧干燥條件:進(jìn)風(fēng)溫度200℃，進(jìn)料濃度77.8g/L，進(jìn)料速度100mL/h。在此工藝條件下，噴霧干燥所得的藻粉得率最高，其最大得率理論值為48.18%，與實測值47.20%基本一致。

小球藻，噴霧干燥，藻粉得率，響應(yīng)面分析

藻粉是微藻系列產(chǎn)品加工的原料，最初是利用太陽能曬干，不僅嚴(yán)重影響其品質(zhì)、達(dá)不到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，而且由于效率低無法保證連續(xù)生產(chǎn)［1］。隨著干燥技術(shù)的發(fā)展，噴霧干燥技術(shù)逐步應(yīng)用于微藻的干燥，不僅實現(xiàn)了藻粉的連續(xù)生產(chǎn)，而且可以根據(jù)物料的特性改變噴霧干燥條件，使產(chǎn)品符合質(zhì)量指標(biāo)要求［2］。在藻粉干燥方面，研究較多的是螺旋藻的干燥。董俊德［3］等對螺旋藻噴霧干燥條件進(jìn)行了研究，分析了在干燥過程中可能出現(xiàn)的問題以及解決的辦法。梁妍［4］對螺旋藻進(jìn)行烘干、噴霧干燥、冷凍干燥及曬干干燥對照處理并測定了藻粉的營養(yǎng)成分。近年來人們對小球藻的化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，由于其富含蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類、碳水化合物、葉綠素、類胡蘿卜素和多種維生素［5－8］，已被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）列為21世紀(jì)人類的綠色營養(yǎng)源健康食品［9］。小球藻作為營養(yǎng)食品添加劑［2］與其它食品原料混合，一方面可以提高食品的營養(yǎng)價值，另一方面可以改善食品風(fēng)味、脫臭、保水及防止食品老化［10］。響應(yīng)面分析法（Response Surface Analysis）用來優(yōu)化若干獨立變量影響一個（或多個）響應(yīng)變量的實驗條件［11］，目前已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文首次對小球藻噴霧干燥條件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并利用響應(yīng)面分析法對小球藻噴霧干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化。選取進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度三個因素進(jìn)行中心組合實驗（Box－Benhnken），通過響應(yīng)面分析法對小球藻藻粉噴霧干燥條件進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的噴霧干燥工藝，為小球藻粉干燥工藝的優(yōu)化和放大奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小球藻（Chlorella sp.）藻液 為本實驗室培養(yǎng)所得。

小型高速噴霧干燥儀 上海世遠(yuǎn)生物設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SY6000型，最大蒸發(fā)能力1.8kg/h，鼓風(fēng)機(jī)工作時空氣流量約 70m3/h，工作壓力維持在700Pa;中型高速噴霧干燥器 江蘇常州市長江干燥設(shè)備廠生產(chǎn)的LPG－5型，最大蒸發(fā)能力為5kg/h。

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 藻粉得率 計算公式為:

藻粉得率（%）=藻液噴霧干燥后獲得的藻粉質(zhì)量/藻液中實際含有的藻細(xì)胞干重×100% 式（1）

1.2.2 含水率測定 稱取適量藻粉W1（g），在80℃烘箱里烘至恒重W2（g），藻粉含水率按下式計算:

1.2.3 蛋白質(zhì)含量測定 采用凱氏定氮法［12］測定小球藻藻粉中粗蛋白質(zhì)含量。

1.2.4 葉綠素含量測定 采用甲醇提取比色法［13］測定小球藻中葉綠素含量。

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 單因素實驗 噴霧干燥工藝的各種參數(shù)如進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度等直接影響藻粉得率，所以首先分析各個因素對藻粉得率的影響。

1.3.1.1 進(jìn)料濃度 將待干燥的藻液分別配成濃度25、50、75、100g/L的料液，恒定進(jìn)風(fēng)溫度180℃和進(jìn)料速度200m L/h，出風(fēng)溫度保持在78～81℃，噴霧干燥后分別收集藻粉，按式（1）計算得率。

1.3.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度 選取120、150、175、200℃作為進(jìn)風(fēng)溫度，恒定進(jìn)料濃度50g/L和進(jìn)料速度200m L/h，出風(fēng)溫度保持在78～81℃，噴霧干燥后分別收集藻粉，按式（1）計算得率。

1.3.1.3 進(jìn)料速度 選取100、300、500、700m L/h作為進(jìn)料速度，恒定進(jìn)料濃度 50g/L和進(jìn)風(fēng)溫度180℃，出風(fēng)溫度保持在78～81℃，噴霧干燥后分別收集藻粉按式（1）計算得率。

1.3.2 響應(yīng)面實驗 根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料速度三個因素與藻粉得率進(jìn)行響應(yīng)面實驗設(shè)計，優(yōu)化小球藻藻粉的噴霧干燥工藝。通過Design Expert軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定最優(yōu)工藝參數(shù)采用Box－Behnken中心組合實驗設(shè)計法。表1為三因素三水平實驗設(shè)計方案。

表1 Box－Behnken實驗設(shè)計Table 1 Experiment design of Box－Behnken

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 進(jìn)料濃度對藻粉得率的影響 如圖1所示，在進(jìn)風(fēng)溫度及進(jìn)料速度一定的情況下，進(jìn)料濃度為75g/L時，藻粉得率最高，達(dá)到45%。這是因為在干燥過程中，進(jìn)料濃度越大，單位時間內(nèi)要被霧化器霧化為小液滴的物料就越多，因此即單位時間內(nèi)，熱風(fēng)提供給物料的熱量一定時，進(jìn)料濃度越大，干燥效率就越低。但是如果進(jìn)料濃度過低，粘附在筒壁上的物料所占比例就越大，造成藻粉得率偏低，同時還會造成噴霧干燥效率的降低。此外，隨著進(jìn)料濃度的增大，藻粉的含水率有增加的趨勢，表明進(jìn)料濃度過高會使得干燥效果變差，但是藻粉含水率都符合小于7%的標(biāo)準(zhǔn)（參考食用螺旋藻粉國家標(biāo)準(zhǔn)［14］）。

圖1 進(jìn)料濃度對小球藻粉得率及含水率的影響Fig.1 Influence of feed concentration on the yield of Chlorella powder and moisture

2.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉得率的影響 在噴霧干燥過程中，料液經(jīng)蠕動泵輸送至霧化器霧化為微小的液滴，與高溫干燥空氣相接觸，在很短的時間里完成熱交換和水分蒸發(fā)，形成干燥顆粒。在進(jìn)料速度、進(jìn)料濃度等都一定的條件下，提高進(jìn)風(fēng)溫度，單位時間內(nèi)提供給霧滴的熱量就增多。所以，理論上隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，藻粉得率應(yīng)該呈上升的趨勢。如圖2所示，在較低的溫度下，例如120℃時，噴霧干燥過程中，大量的物料粘著在干燥腔壁，損失了大量的物料，并且所得的藻粉含水率較大，不利于保存;但是溫度過高，將破壞藻體內(nèi)的一些活性物質(zhì)（葉綠素和蛋白質(zhì)），所以應(yīng)該選擇合適的進(jìn)風(fēng)溫度范圍。

圖2 進(jìn)風(fēng)溫度對小球藻粉得率及含水率的影響Fig.2 Influence of inlet air temperature on the yield of Chlorella powder and moisture

2.1.3 進(jìn)料速度對藻粉得率的影響 在噴霧干燥過程中，進(jìn)料速度越大，即單位時間內(nèi)要被霧化器霧化為小液滴的物料就越多，將料液干燥轉(zhuǎn)化為粉粒時所需的熱量就越多。因此，在進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料濃度一定的條件下，即單位時間內(nèi)，熱風(fēng)提供給物料的熱量一定時，進(jìn)料速度越大，干燥效果就越差。由圖3可知，隨著進(jìn)料速度的增大，藻粉得率逐漸降低，藻粉的含水量呈明顯的遞增趨勢，表明干燥效果隨著進(jìn)料速度增大而下降。

圖3 進(jìn)料速度對小球藻粉得率及含水率的影響Fig.3 Influence of feed flow rate on the yield of Chlorella powder and misture

2.2 響應(yīng)面分析實驗

單因素實驗只是在其它因素固定的條件下，研究一種因素對考察指標(biāo)的影響，得出了較適宜的操作范圍。在考慮進(jìn)料濃度（A）、進(jìn)風(fēng)溫度（B）和進(jìn)料速度（C）3個因素對噴霧干燥制備藻粉得率的影響時，實驗結(jié)果見表2。

表2 Box－Behnken實驗設(shè)計結(jié)果Table 2 Experiment results of Box－Behnken design

利用Design Expert軟件對表2中實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項回歸擬合，獲得藻粉得率對進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度以及進(jìn)料速度的二次多項回歸方程式，如下所示:

響應(yīng)面分析中對實驗結(jié)果進(jìn)行擬和的二次模型方差分析見表3。F值為47.42，多元相關(guān)系數(shù)為R2為0.9884，說明模型對實際情況擬合較好;P為0.003表明該模型高度顯著，可以用來進(jìn)行響應(yīng)值預(yù)測。二次模型中回歸系數(shù)的顯著性檢驗表明:因素A、C和A2對藻粉得率的線性效應(yīng)高度顯著（P＜0.001）; AC交互作用對藻粉得率的線性效應(yīng)影響一般顯著（P＜0.05）;因素B、B2、C2以及AB和BC交互影響不顯著（P＞0.05）。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化

圖4～圖6是由多元回歸方程式（3）所做的響應(yīng)曲面圖。由此可對任何兩個因素交互影響下的藻粉得率進(jìn)行分析與評價，以確定最佳因素水平范圍。

表3 二次模型回歸方程系數(shù)顯著性檢驗Table 3 Coefficient estimates by the regression quadratic model

圖4顯示了進(jìn)料速度在最佳值（100m L/h）條件下，進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料濃度對藻粉得率的交互影響。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度一定時，隨著進(jìn)料濃度的增加，藻粉得率呈現(xiàn)上升趨勢，但是當(dāng)進(jìn)料濃度超過約80.0g/L后，隨著進(jìn)料濃度的增加，藻粉得率反而降低。當(dāng)進(jìn)料濃度一定時，進(jìn)風(fēng)溫度的增加對藻粉得率影響不明顯，故進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料濃度對藻粉得率的交互影響不顯著。

圖4 進(jìn)料濃度和進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉得率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface graph ofmutual influence for feed concentration and inlet air temperature on the yield of Chlorella powder

圖5顯示了進(jìn)風(fēng)溫度為最佳值（200℃）時，進(jìn)料速度和進(jìn)料濃度對藻粉得率的交互影響。當(dāng)進(jìn)料濃度一定時，隨著進(jìn)料速度的增加，藻粉得率呈現(xiàn)下降趨勢。而當(dāng)進(jìn)料速度一定時，隨著進(jìn)料濃度的增加，藻粉得率先上升后下降，故進(jìn)料速度和進(jìn)料濃度對藻粉得率的交互影響顯著。由圖5可看出，進(jìn)料濃度的最佳值是77.8g/L，進(jìn)料速度最佳值是100m L/h。

圖6顯示了進(jìn)料濃度在最佳值（77.8g/L）條件下，進(jìn)料速度和進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉得率的交互影響。當(dāng)進(jìn)料速度一定時，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加，藻粉得率上升不明顯。而當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度一定時，隨著進(jìn)料速度的增加，藻粉得率呈現(xiàn)下降趨勢，故進(jìn)料速度和進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉得率的交互影響不顯著。由圖6可看出，進(jìn)料速度最佳值是100m L/h。

由Design Expert軟件得到15組（未列出）優(yōu)化條件，確定最優(yōu)噴霧干燥工藝為:進(jìn)風(fēng)溫度200℃，進(jìn)料濃度77.8g/L，進(jìn)料速度100m L/h。理論藻粉得率為48.18%。

表5 噴霧干燥工藝初步放大Table 5 Scale－up of spray drying for Chlorella powder

圖5 進(jìn)料速度和進(jìn)料濃度對藻粉得率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface graph ofmutual influence for feed flow rate and feed concentration on the yield of Chlorella powder

圖6 進(jìn)料速度和進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉得率交互影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface graph ofmutual influence for feed flow rate and inlet air temperature on the yield of Chlorella powder

2.4 驗證實驗

按照優(yōu)化后的噴霧干燥條件:進(jìn)風(fēng)溫度200℃，進(jìn)料濃度 77.8g/L（實際為 78.0g/L），進(jìn)料速度100m L/h，進(jìn)行了小球藻液的噴霧干燥驗證實驗，藻粉得率達(dá)到了47.20%，與理論值誤差為2.0%左右，表明應(yīng)用此工藝對小球藻進(jìn)行噴霧干燥是可行的。

2.5 不同進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉品質(zhì)的影響

由于噴霧干燥過程中進(jìn)風(fēng)溫度會達(dá)到170℃以上，可能會對藻體內(nèi)活性物質(zhì)造成一些破壞。在進(jìn)料速度和進(jìn)料濃度確定在最佳值（進(jìn)料濃度77.8g/L，進(jìn)料速度100m L/h）條件下，選擇不同進(jìn)風(fēng)溫度干燥得到藻粉，檢測其主要活性物質(zhì)。如表4所示。

由表4可見，雖然經(jīng)過噴霧干燥所得到的藻粉與濕藻體相比，葉綠素和蛋白質(zhì)都有一定程度的損失，但是在170～200℃范圍內(nèi)，藻粉的品質(zhì)基本不受進(jìn)風(fēng)溫度的影響。

2.6 藻粉噴霧干燥工藝的初步放大

在工廠中型噴霧干燥器（蒸發(fā)能力5kg/h）中，對小球藻的噴霧干燥工藝進(jìn)行了初步的放大，藻粉得率約為45.14%，基本符合實驗室小試結(jié)果。由表5可見，噴霧干燥得到的藻粉含水率較高，干燥效果比實驗室小型噴霧干燥儀差，在溫度高于180℃時藻粉含水率 ＜7%，蛋白質(zhì)和葉綠素的含量分別達(dá)到50.0%和20.0mg/g Dcw以上，品質(zhì)完全符合藻粉質(zhì)量要求。

表4 不同進(jìn)風(fēng)溫度對藻粉品質(zhì)的影響Table 4 Quality of Chlorella powder influenced by different inlet air temperatures

3 結(jié)論

本文首次對小球藻藻粉的噴霧干燥進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并首次采用響應(yīng)面法對小球藻粉的噴霧干燥工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，建立的藻粉得率與進(jìn)料濃度、進(jìn)風(fēng)溫度與進(jìn)料速率三個因素的二次多項數(shù)學(xué)模型具有顯著性（P=0.003），多元相關(guān)系數(shù)R2為0.9884。通過Design Expert軟件分析得到在最佳進(jìn)風(fēng)溫度200℃，最佳進(jìn)料濃度77.8g/L及最佳進(jìn)料速度 100m L/h的工藝條件下，理論藻粉得率為48.18%，與實測值47.20%基本一致。此外，對于噴霧干燥不同進(jìn)風(fēng)溫度條件下的藻粉品質(zhì)進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明在進(jìn)風(fēng)溫度170～200℃范圍內(nèi)，藻粉的品質(zhì)基本不受影響。最后，對小球藻藻粉的噴霧干燥工藝進(jìn)行了初步放大，藻粉蛋白質(zhì)和葉綠素的含量分別達(dá)到50.0%和20.0mg/g Dcw以上，符合德國著名小球藻生產(chǎn)公司BlueBio的標(biāo)準(zhǔn)。此外，對應(yīng)用本工藝制備的藻粉進(jìn)行氨基酸組分分析，其中必需氨基酸/總氨基酸為0.4，非必需氨基酸/總氨基酸為0.64，達(dá)到世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國食品藥品監(jiān)督局（FAO）提出的必需氨基酸/總氨基酸應(yīng)為0.4、非必需氨基酸/總氨基酸應(yīng)在0.6以上的參考蛋白模式［15］，滿足了作為優(yōu)質(zhì)蛋白食物或飼料的要求。

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Optim ization of spray drying process of Chlorella powder w ith response surface method

XIE M ing，WANG W ei－liang，HUANG Jian－ke，LIYuan－guang*
（The State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai200237，China）

For increasing the yield of Chlorella powder，the effect of feed concentration，inlet air tem perature and feed flow rate were investigated based on a three－level three－fac tor Box－Behnken design.The sp ray d rying conditions which influenced the yield of Chlorella powderwas op tim ized by response surfacemethod.Experimental data were analyzed by Design Expert software which ind icated that the op timum d rying parameters were as follows: the inlet air tem perature was 200℃，the feed concentration was 77.8g/L and the feed flow rate was 100m L/h.Under those cond itions，the p red ic ted value of Chlorella powder yield was 48.18%which was consistent w ith the measured value 47.20%.

Chlorella;sp ray d rying;Chlorella powder yield;response surface method

TS255.3

A

1002－0306（2012）06－0263－05

2011－06－20 *通訊聯(lián)系人

謝明（1985－），男，碩士研究生，研究方向:生物化工。

“十一五”國家科技支撐項目（2006BAD09A12）;“十一五”863項目（2007AA09Z419）和（2007AA02Z209）。