噴霧干燥制備海參腸卵肽粉的工藝條件優(yōu)化

潘蕓蕓，陳增鑫，于嘉慧，姜竹茂*，洪杏德，王恒，閆澤文

（1.煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000；2.蓬萊深?yuàn)W生物科技研究所，山東 煙臺(tái) 264000）

海參又名刺參，是我國(guó)“海產(chǎn)八珍”之一，蛋白質(zhì)含量高，脂肪含量低[1-2]，同時(shí)含有海參皂苷、海參多糖等生物活性物質(zhì)，在抗腫瘤、抗炎、降血壓、增強(qiáng)人體免疫力方面具有一定的功效[3-4]。海參腸卵是海參內(nèi)臟的重要組成部分，其蛋白質(zhì)、脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)成分含量與海參體壁相似，并含有色素、微量元素、酶等多種活性成分[5-6]，具有較好的保健功能。目前，海參加工多以體壁為主，產(chǎn)品形式多偏向速食產(chǎn)品，如海參肽果凍、即食海參、海參肽口服液等[7-8]，海參腸卵的研究較少，現(xiàn)有產(chǎn)品種類較為單一，并多以酶解液形式銷售，粉劑類產(chǎn)品不多，其保健功能深入研究較少，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，附加值低。

肽即氨基酸聚合物，蛋白質(zhì)不完全分解的產(chǎn)物，是人體生命活動(dòng)必需的物質(zhì)[9]。通過酶解技術(shù)將海參腸卵中大分子蛋白降解成小分子肽，更利于人體吸收，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高。在前期的研究中，對(duì)海參腸卵酶解后蛋白分子量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)海參腸卵經(jīng)酶解后，分子量在0～1 000 Da蛋白水解物占64.7%[10]。海參肽本身具有腥味，感官體驗(yàn)差，添加乳酸菌進(jìn)行發(fā)酵，可去除腥味，使產(chǎn)品富含乳酸菌。乳酸菌具有調(diào)節(jié)腸道、提高免疫力等功效[11-12]。噴霧干燥技術(shù)是利用霧化器將原料液分散為霧滴，并用熱空氣干燥霧滴而獲得產(chǎn)品的一種干燥方法[13]。雖然熱風(fēng)的溫度較高，但熱風(fēng)進(jìn)入干燥室后可立即與噴霧霧滴接觸，干燥室內(nèi)溫度急降，物料溫度基本不變，帶來的熱效應(yīng)少，故也適用于蛋白質(zhì)、油脂等熱敏性物質(zhì)[14-15]，周建等[16]成功用實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)制備了色澤呈乳白色，水分含量為6.05%的膠原蛋白粉。曹少謙等[17]用噴霧干燥法制備了微膠囊化的魚油微粉，微粉包埋率達(dá)92.66%，顆粒光滑，水溶性好，穩(wěn)定性高。但是關(guān)于海參腸卵類產(chǎn)品的噴霧干燥技術(shù)尚未進(jìn)行深入研究。

基于此，本研究以海參腸卵為基本原料，經(jīng)過酶解、發(fā)酵過程得海參腸卵發(fā)酵液，選用麥芽糊精作為助干劑，利用噴霧干燥技術(shù)制備海參腸卵肽粉，研究麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，得到海參腸卵肽粉制備的最佳工藝條件，為海參類產(chǎn)品的研究開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海參腸卵：蓬萊深?yuàn)W生物科技研究所；乳清蛋白粉（WPC80速溶型）：上海浦佳食品科技有限公司；麥芽糊精（DE值15～20）：保齡寶生物股份有限公司；木瓜蛋白酶（80萬U/g）：南寧龐博生物工程有限公司；中性蛋白酶（15萬U/g）：山東隆科特酶制劑有限公司；乳酸菌菌種：山東悠樂滋生物科技有限公司；白砂糖：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

DNP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；PA1004電子分析天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；EMS-30磁力攪拌水浴鍋：常州市人和儀器廠；XHF-DY高速分散器：寧波新芝生物科技股份有限公司；YC-1800噴霧干燥機(jī)：上海雅程儀器設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了制備海參腸卵肽粉的工藝條件，具體工藝流程見圖1。

圖1 海參腸卵肽粉制備工藝流程Fig.1 Preparation process of sea cucumber intestine egg peptide powder

1.3.2 海參腸卵酶解液的制備

將海參腸卵從冰箱里取出，解凍，打碎，按質(zhì)量比加9倍蒸餾水，混勻后，添加2%木瓜蛋白酶，1%中性蛋白酶，攪拌均勻，55℃酶解2 h，酶解完成后，過濾取上清液，得海參腸卵酶解液[18]。

1.3.3 海參腸卵發(fā)酵液的制備

在制備好的海參腸卵酶解液中，添加2%乳清蛋白，3%白砂糖，混合均勻，95℃水浴滅酶5 min～10 min，冷卻至43℃左右，加0.3%乳酸菌，攪拌均勻，43℃發(fā)酵10 h，得海參腸卵發(fā)酵液。

1.3.4 樣品的制備

將制備好的海參腸卵發(fā)酵液取出，加一定比例的麥芽糊精，高速離散機(jī)離散均勻，95℃水浴滅菌5 min～10 min后，噴霧干燥機(jī)進(jìn)行干燥，得成品。

1.3.5 噴霧干燥單因素試驗(yàn)

對(duì)麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速3個(gè)條件進(jìn)行單因素試驗(yàn)。（1）麥芽糊精：在進(jìn)風(fēng)溫度150℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速14 r/min的條件下，分別選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%、40%的麥芽糊精進(jìn)行噴霧干燥，測(cè)定集粉率及含水量。（2）進(jìn)風(fēng)溫度：在麥芽糊精添加量20%，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速14 r/min的條件下，分別選擇進(jìn)風(fēng)溫度 130、140、150、160、170 ℃進(jìn)行噴霧干燥，測(cè)定集粉率及含水量。（3）蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速：在麥芽糊精添加量20%，進(jìn)風(fēng)溫度150℃的條件下，分別選擇蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速10、12、14、16、18 r/min 進(jìn)行噴霧干燥，測(cè)定集粉率及含水量。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為自變量，以集粉率、含水量為響應(yīng)值，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，響應(yīng)面因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 Response surface factors and level design

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 集粉率

稱量噴霧干燥后樣品的質(zhì)量，并計(jì)算海參腸卵發(fā)酵液固形物含量及麥芽糊精添加量，兩者相除即得到集粉率[19]，具體公式如下。

式中：W為集粉率，%；M1為收集到的樣品質(zhì)量，g；M2為海參腸卵發(fā)酵液固形物含量，g；M3為添加的麥芽糊精質(zhì)量，g。

1.4.2 含水量

參考GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》[20]，取2 g～3 g樣品于烘干至恒重的稱量瓶中，置于101℃干燥箱干燥4 h，取出在干燥室放置0.5 h，冷卻稱重，再101℃干燥0.5 h，取出冷卻稱重，直至恒重。計(jì)算公式如下。

式中：X 為含水量，%；m1為干燥前樣品質(zhì)量，g；m2為干燥后樣品質(zhì)量，g。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Design-Expert V8.0.6.1軟件和Microsoft Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)法分析。所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次平行取平均值，并采用anova過程進(jìn)行方差分析，P＞0.05表示無顯著性差異，P＜0.05表示差異顯著，用Origin 2018軟件進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 麥芽糊精添加量對(duì)海參腸卵肽粉品質(zhì)的影響

麥芽糊精添加量對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響見圖2。

圖2 麥芽糊精添加量對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響Fig.2 Effect of maltodextrin addition on powder collection rate and water content of egg peptide from sea cucumber intestine

從圖2可以看出海參腸卵肽粉集粉率隨麥芽糊精添加量的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，麥芽糊精添加量為0%～20%時(shí)，集粉率逐漸增加至77.88%，原因在于在海參腸卵發(fā)酵液噴霧干燥時(shí)，麥芽糊精在其表面形成一層膜，減少粘壁現(xiàn)象，提高出粉率[21-22]。麥芽糊精添加量大于20%時(shí)，集粉率降低，原因在于麥芽糊精添加量過高時(shí)，樣品黏度增加，霧化不完全，存在一定的掛壁現(xiàn)象，集粉率降低。含水量隨麥芽糊精添加量的增加逐漸降低，添加量為40%時(shí)，含水量最低。說明麥芽糊精在干燥過程中起到很好的助干作用，同時(shí)，添加麥芽糊精可增加樣品總固形物的含量，一定程度上減少了含水量[23]。綜合考慮，確定麥芽糊精較適添加量為20%。

2.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)海參腸卵肽粉品質(zhì)的影響

進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響見圖3。

進(jìn)風(fēng)溫度可顯著影響產(chǎn)品的品質(zhì)及噴霧干燥效果。從圖3可知，隨進(jìn)風(fēng)溫度的增加，海參腸卵肽粉集粉率先升后降，含水量逐漸降低。在130℃～150℃內(nèi)，集粉率逐漸增加至71.27%，而后逐漸下降，原因在于進(jìn)風(fēng)溫度較低時(shí)，含水量較高，干燥不完全，存在粘壁現(xiàn)象，集粉率較低，而進(jìn)風(fēng)溫度較高時(shí)，樣液可能從液滴狀態(tài)轉(zhuǎn)化為橡膠態(tài)，黏性狀態(tài)會(huì)造成粘壁現(xiàn)象，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)輕微焦化現(xiàn)象[24-25]，造成集粉率降低。進(jìn)風(fēng)溫度為130、140℃時(shí)，含水量相差不大，但隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加，熱傳導(dǎo)速率加快，水分蒸發(fā)速率變快，含水量降低。綜合考慮，確定較適合的進(jìn)風(fēng)溫度為150℃。

2.1.3 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)海參腸卵肽粉品質(zhì)的影響

蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響見圖4。

圖4 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響Fig.4 Effect of peristaltic pump on powder collection rate and water content of egg peptide from sea cucumber intestine

蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速即樣品的進(jìn)樣速度，可顯著影響樣品干燥的時(shí)間及干燥的品質(zhì)。從圖4可以看出，隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加，集粉率先上升后下降，含水量逐漸增加。蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為12、14 r/min時(shí)，集粉率相差不大，但顯著高于其它轉(zhuǎn)速。蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為12 r/min時(shí)，集粉率最高為68.17%，而蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速大于14 r/min時(shí)，集粉率下降顯著。蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速較低時(shí)，進(jìn)樣速度較慢，樣品與熱空氣接觸完全，霧滴較小，干燥較完全，不易粘壁，集粉率較高，含水量較低[26]。而蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速較高時(shí)，進(jìn)樣速度快，樣品受熱不均勻，霧滴較大，干燥不充分，使集粉率降低，含水量升高[27]。綜合考慮，確定較適合的蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為12 r/min。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以集粉率、含水量為響應(yīng)值，利用Design-Expert V8.0.6.1軟件對(duì)麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Table 2 Response surface design scheme and results

應(yīng)用Design Expert V8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立以集粉率（Y1）為響應(yīng)值的三元二次方程為Y1=66.33-4.81A+1.8B+0.19C-2.46AB+0.84AC-3.23BC-5.39A2-7.97B2+2.5C2。由回歸分析結(jié)果得到以含水量（Y2）為響應(yīng)值的三元二次方程，方程如下：Y2=1.84-0.74A-0.53B+0.37C+0.13AB-0.16AC+0.17BC+0.27A2+0.45B2+0.16C2。

2.2.1 回歸模型的建立與方差分析

集粉率回歸模型方差分析見表3。

表3 集粉率回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model of powder collection rate

由表3可知，模型差異極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），R2=0.969 9，R2Adj=0.931 3，說明模型與實(shí)際情況擬合良好。由F值可知各因素對(duì)海參腸卵肽粉集粉率的影響程度為麥芽糊精添加量＞進(jìn)風(fēng)溫度＞蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，A、A2、B2、BC 項(xiàng)影響極顯著（P＜0.01），B、AB、C2影響顯著（P＜0.05），剩余項(xiàng)對(duì)集粉率影響不顯著。變異系數(shù)越小說明試驗(yàn)可靠性越高[28-29]，模型的變異系數(shù)為2.88%，說明模型的可信度好，可靠性高，故可用此回歸方程預(yù)測(cè)海參腸卵肽粉的集粉率。

含水量回歸模型方差分析見表4。

表4 含水量回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of water content regression model

由表4可知，模型差異極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），R2=0.9913，R2Adj=0.980 2，說明模型與實(shí)際情況擬合良好。由F值可知各因素對(duì)海參腸卵肽粉含水量的影響程度為麥芽糊精添加量＞進(jìn)風(fēng)溫度＞蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，一次項(xiàng)A、B、C影響極顯著，交互項(xiàng)AC、BC影響顯著，A2、B2影響極顯著。模型的變異系數(shù)為1.80%，說明模型的可信度好，可靠性高，故可用此回歸方程預(yù)測(cè)海參腸卵肽粉的含水量。

2.2.2 各因素交互作用響應(yīng)面分析

根據(jù)各模型的方差分析結(jié)果，選出影響顯著的交互項(xiàng)進(jìn)行響應(yīng)面分析，從各響應(yīng)面分析圖中可以更直觀地看出各因素對(duì)海參腸卵肽粉集粉率及含水量的影響。具體結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度交互作用對(duì)集粉率的影響Fig.5 Effect of interaction of maltodextrin content and air temperature on powder collection rate

圖6 進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)集粉率的影響Fig.6 Effect of interaction of air temperature and peristaltic pump speed on powder collection rate

圖7 麥芽糊精添加量、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)含水量的影響Fig.7 Effect of interaction of maltodextrin content and peristaltic pump speed on water content

圖8 進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)含水量的影響Fig.8 Effect of interaction of air temperature and peristaltic pump speed on water content

從圖5可以看出，固定蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速12 r/min，集粉率隨進(jìn)風(fēng)溫度和麥芽糊精添加量的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致。在麥芽糊精添加量19%～21%，進(jìn)風(fēng)溫度145℃～155℃之間存在最高點(diǎn)。等高線密集且呈橢圓形，響應(yīng)曲面坡度較大[30]，說明兩者交互作用顯著。

從圖6可以看出，固定麥芽糊精添加量20%，集粉率隨進(jìn)風(fēng)溫度的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，其中蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為10、12 r/min時(shí)，集粉率相差不大。在高進(jìn)風(fēng)溫度下，集粉率隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加而減少，在低進(jìn)風(fēng)溫度下，集粉率隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，等高線密集，響應(yīng)曲面較陡，說明兩者交互作用顯著。

從圖7可以看出，固定進(jìn)風(fēng)溫度150℃，含水量隨麥芽糊精添加量的增加而降低，隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加而升高，這一趨勢(shì)與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致，說明響應(yīng)面圖可信度較高。等高線呈橢圓形，響應(yīng)曲面坡度明顯，說明麥芽糊精添加量和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)含水量影響顯著。

從圖8可以看出，固定麥芽糊精添加量20%，含水量隨進(jìn)風(fēng)溫度的升高而降低，隨蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，趨勢(shì)與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致。其中，等高線密集且呈橢圓形，響應(yīng)曲面坡度明顯，說明兩者交互作用顯著。

2.3 最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)回歸模型，利用Design-Expert V8.0.6.1軟件進(jìn)行回歸方程分析，以集粉率最大，含水量最小為目標(biāo)，預(yù)測(cè)的最佳條件為麥芽糊精添加量19.43%，進(jìn)風(fēng)溫度154.96℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速10 r/min，集粉率預(yù)測(cè)值為69.89%，含水量預(yù)測(cè)值為1.46%。在實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)中，設(shè)置麥芽糊精添加量20%，進(jìn)風(fēng)溫度155℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速10 r/min，在此條件下平行進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值，最終得到集粉率為68.69%，含水量為1.52%，與預(yù)測(cè)值相近，說明優(yōu)化結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

本研究以海參腸卵發(fā)酵液為原料，添加麥芽糊精，利用噴霧干燥技術(shù)干燥成粉，研究麥芽糊精添加量、進(jìn)風(fēng)溫度、蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)海參腸卵肽粉集粉率、含水量的影響。研究發(fā)現(xiàn)麥芽糊精添加量和進(jìn)風(fēng)溫度可顯著影響海參腸卵肽粉的集粉率，麥芽糊精添加量越多，進(jìn)風(fēng)溫度越高，含水量越低，而蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速對(duì)含水量有相反的影響，轉(zhuǎn)速越快，含水量越高。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken中心組合方法優(yōu)化噴霧干燥條件，得到了制備海參腸卵肽粉的最佳工藝條件：麥芽糊精添加量20%，進(jìn)風(fēng)溫度155℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速10 r/min。在此條件下制備的海參腸卵肽粉，蛋白含量12.5 g/100 g，顏色淡黃，無腥味，粉質(zhì)細(xì)膩，集粉率達(dá)68.69%，含水量為1.52%，與預(yù)測(cè)值接近，可為海參類產(chǎn)品的研究開發(fā)提供理論依據(jù)。