紅曲色素粉體干法制粒工藝研究

鄭博妍,范麗影,郝佳,許朵霞,王少甲,曹雁平

(北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心,食品添加劑與配料北京高校工程研究中心, 北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,食品質(zhì)量與安全北京實(shí)驗(yàn)室,北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院,北京,100048)

紅曲色素是由紅曲菌經(jīng)發(fā)酵而成的天然食用色素,屬于紅曲霉菌次級代謝產(chǎn)物[1-3]。紅曲色素是以大米為主要原料,經(jīng)過發(fā)酵、提取、濃縮、精制而成,或以紅曲米為原料,經(jīng)萃取、濃縮而成的天然色素[4-6]。近年來,紅曲色素因天然,安全性高,著色自然,且有諸多的生理活性,廣泛應(yīng)用于肉制品、面食、酒類的著色[7-8]。作為一種良好的天然食用色素,受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

制粒是將藥材提取物或藥物細(xì)粉與賦形劑混合后加入黏合劑或潤濕劑,用各種設(shè)備制成具有一定形態(tài)顆粒的制劑單元操作。制粒的方法主要有：干法制粒(重壓法、輥壓法)、濕法制粒(搖擺擠壓、旋轉(zhuǎn)擠壓、擠出滾圓、高速攪拌剪切、流化噴霧)噴霧干燥制粒等[9]。干法制粒是在少用或不用液態(tài)黏合劑的條件下,通過機(jī)械輾軋直接對原料粉末進(jìn)行壓縮、成型、破碎、制粒的一種制粒工藝[10],常用于制藥行業(yè)以改善粉末性能。在此過程中,將粉末壓緊在2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)又g,以生產(chǎn)出條帶,然后將其研磨成顆粒,最后將流動(dòng)性得到改善的顆粒用于進(jìn)一步的加工,例如壓?；蚰z囊填充。干法制粒工藝特別適用于對熱或濕氣敏感的材料,因?yàn)椴恍枰獫穹ㄖ屏５募訚窈透稍锏墓ば?從而可以降低成本、節(jié)約能源。本研究通過評價(jià)干法制粒工藝中的送料速度、軋輪轉(zhuǎn)速、軋輪壓力對紅曲色素粉體的影響[11-12],以期為紅曲色素粉體的工藝生產(chǎn)放大奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

紅曲紅色素、麥芽糊精(maltodextrin,MAL),廣東天益生物科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

WBF-1干法制粒機(jī),常州新馬干燥儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,河南省予華儀器有限公司；T25攪拌剪切分散儀,德國ZKA公司；H—2000噴霧干燥機(jī),美國尼魯公司；BT-1001智能粉體測試儀,丹東百特儀器有限公司；Mastersizer 2000激光粒度分布儀,英國馬爾文儀器有限公司；S-4800型掃描式電子顯微鏡,韓國COXEM；UV-2450紫外可見分光光度計(jì)、DSC-60差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC),日本島津公司；Quanta 200型掃描式電子顯微鏡,荷蘭FEI公司。

1.3 樣品的制備

(1) 紅曲色素的溶解：稱取390 g純紅曲粉,與210 g麥芽糊精粉混合,溶于900 mL去離子水中,常溫條件下攪拌溶解4 h。

(2) 攪拌剪切：模擬工業(yè)化生產(chǎn),采用攪拌剪切分散計(jì)將溶解完全的混合溶液進(jìn)行攪拌剪切,剪切速率8 000 r/min,時(shí)間5 min。

(3) 噴霧干燥制粒：剪切后的紅曲色素樣品經(jīng)噴霧干燥機(jī)進(jìn)行干燥制得紅曲色素粉,噴霧干燥進(jìn)口溫度250 ℃,進(jìn)料量12 r/s,補(bǔ)風(fēng)量為8單位。

(4) 干法制粒：噴霧干燥后的紅曲色素樣品經(jīng)干法制粒機(jī)壓制成薄長條狀的干片、破碎、整粒、過篩制備出紅曲色素粉。制備紅曲色素粉體的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 紅曲色素粉體干法制粒工藝參數(shù)Table 1 Dry granulation process parameters of Monascus pigment powder

1.4 紅曲色素粒徑及粒徑分布測定

顆粒的粒徑及粒徑分布通過激光粒度儀測量。進(jìn)氣壓力10 Pa,進(jìn)樣速率40%,進(jìn)樣振動(dòng)強(qiáng)度80%,遮光度0.4%～6%,測量結(jié)果通過體積直徑表征。

1.5 紅曲色素分散度、差角、休止角測定

采用智能粉體測試儀測試紅曲色素分散度、差角、休止角。

分散度[13](粉體在空氣中的飄散程度)的測量：稱取10.0 g物料注入內(nèi)徑40 mm的圓柱形容器,容器下方15 mm處有一圓柱形有機(jī)玻璃管內(nèi)徑100 mm,高300 mm,玻璃管下方15 mm處有一內(nèi)徑為100 mm的接料盤,滑片移開,料落入盤中,稱量盤中物料質(zhì)量,連續(xù)測量3次,求出平均值M。

休止角測量[14]：透過振動(dòng)篩沿著漏斗從一定高度緩緩注入不銹鋼底座上,漏斗的直徑80 mm,漏斗底部小孔直徑1 mm,固定在離底座45 mm處,當(dāng)物料落滿底座是對稱的圓錐體時(shí),關(guān)閉振動(dòng)篩,停止加料,休止角即為底座水平面與顆粒堆積形成的圓錐體錐線之間所形成的夾角,連續(xù)測量3次,求出平均值。

差角測量：在休止角測量完成之后,用手輕輕提起底座附有的小鐵錘,高度為距離頂部10 mm,使其自由落下,使試驗(yàn)臺上的樣品受到振動(dòng),圓錐體的邊緣崩塌落下,進(jìn)行3次同樣的操作,待新形成的顆粒堆積體穩(wěn)定后,測量底座水平面與顆粒堆錐線之間形成的夾角,連續(xù)測量3次,求出平均值,即為崩潰角。差角為休止角與崩潰角的差值。

1.6 紅曲色素粉體的掃描電鏡形態(tài)

紅曲色素粉體的表面形態(tài)學(xué)通過掃描式電子顯微鏡觀測。將紅曲色素粉體固定在雙面導(dǎo)電膠上,由離子濺射儀在其表面噴涂一層金屬導(dǎo)電膜,噴金60 s、噴金1次、電壓加速度為10 kV。

1.7 紅曲色素溶解性測試[15]

分別用稱量紙稱取0.1 g的13組該樣品備用,用13只量筒分別量取100 mL去離子水,貼上相應(yīng)的標(biāo)簽備用,將13組樣品同時(shí)倒入13只相對應(yīng)的量筒里,并在將樣品倒入量筒的同時(shí)用秒表計(jì)時(shí),記錄樣品在量筒里完全溶解所需的時(shí)間,每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.8 紅曲色素全波段掃描及吸光度值測定

使用雙光束紫外光譜儀,以去離子水為空白對照,取0.2 g紅曲色素粉體溶于200 mL水溶液中并稀釋180倍,在300～600 nm對紅曲色素稀釋液進(jìn)行光譜掃描,確定紅曲色素最大吸收波長在490 nm處。分別以最大吸收為測定波長,測定其各條件實(shí)驗(yàn)前后的吸光度,以此作為考察紅曲色素及包合物在不同條件下穩(wěn)定性的指標(biāo)。

1.9 紅曲色素粉體差示量熱掃描分析

稱取約5 mg 樣品于DSC的樣品盒,以空白為參照,用DSC測試。從室溫升至180 ℃,升溫速率為10 ℃/min,記錄加熱過程中的DSC曲線。

1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析,所有紅曲色素粉體的制備試驗(yàn)平行3次,試驗(yàn)測定重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 干法制粒工藝對紅曲色素粒徑的影響

通過研究不同的干法制粒工藝(進(jìn)料轉(zhuǎn)速與壓力)對紅曲色素粒徑的影響可知：A～L組所對應(yīng)的紅曲色素粉體粒徑分別為：8.9、11.7、9.2、10.82、13.06、8.7、10.77、12.37、9.8、9.8、10.53和10.2 μm。粒徑大小排序?yàn)椋篸E>dH>dB>dD>dG>dK>dL>dI>dJ>dC>dA>dF。轉(zhuǎn)速相同的條件下,粉體粒徑隨著壓力的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,壓力為10 MPa,進(jìn)料速度為45 r/min的工藝條件下制備的紅曲色素粉體粒徑最大(圖1)。

圖1 干法制粒工藝對紅曲色素粒徑的影響Fig.1 Effect of dry granulation process conditions on the particle size of Monascus pigment 注：從左至右對應(yīng)的組依次為：A、B、C、D、E、F、G、H、 I、J、K、L組(圖3、4、5、7同)

曹韓韓等[16]以微晶纖維素WJ101為模型,研究干法制粒工藝參數(shù),結(jié)果表明：當(dāng)輥輪壓力在1～10 MPa顆粒得率增幅較大,10～15 MPa顆粒得率增幅明顯變小,說明顆粒得率存在一個(gè)臨界點(diǎn),在臨界點(diǎn)以下粉體得率隨著壓力的增大而快速增加,超過臨界點(diǎn)后緩慢增加。由圖1可知：進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,輥輪壓力由5 MPa增加到10 MPa,粉體粒徑均增大；當(dāng)壓力繼續(xù)增加到15 MPa時(shí),粒徑出現(xiàn)明顯的下降。原因是：進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件,進(jìn)入輥輪之間的紅曲色素粉體數(shù)量一致,隨著壓力的不斷增加,壓輪之間的縫隙逐漸變小,紅曲色素粉體排列更緊密,條帶硬度增加,在后續(xù)破碎的過程中,細(xì)粉更少,當(dāng)壓力超過臨界值時(shí),紅曲色素粉體出現(xiàn)粘輪的現(xiàn)象,顆粒得率降低,粒徑變小。在壓力相同的條件下,隨著進(jìn)料轉(zhuǎn)速的增加,紅曲色素粉體粒徑也呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢。隨著進(jìn)料速度的增加,同一時(shí)間進(jìn)入輥輪的制劑物料增加,胚片厚度增大,在壓力的作用下被充分?jǐn)D壓成型,紅曲色素粉體得率增加,粒徑變大,當(dāng)進(jìn)料速度進(jìn)一步增加,紅曲色素粉體停留在輥輪之間受擠壓的時(shí)間變短,胚片硬度下降,在制粒過程中脆碎度增加,細(xì)粉增多,粒徑變小。

2.2 干法制粒工藝對紅曲色素粒徑分布的影響

由固體顆粒堆積而成的集合體叫粉體。固體顆粒是組成粉體的基本單元。用特定方法測定的不同粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒占總量的百分?jǐn)?shù)稱為粒度分布。顆粒粒度大、圓形和致密的粉體通常流動(dòng)性較好,并且能夠有效降低粉體揚(yáng)塵性,提高粉體溶解性[17]。因此,根據(jù)紅曲色素粉體粒徑的測定結(jié)果,選取粒徑較大的6組粉體進(jìn)行粒徑分布測試,分別是：B組(壓力10 MPa,進(jìn)料速度30 r/min)、D組(壓力5 MPa,進(jìn)料速度45 r/min)、E組(壓力10 MPa,進(jìn)料速度45 r/min)、G組(壓力5 MPa,進(jìn)料速度60 r/min)、H組(壓力10 MPa,進(jìn)料速度60 r/min)、K組(壓力10 MPa,進(jìn)料速度85 r/min)。由圖2可知,B、D、E、G、H、K組的粒徑分布分別為：0.554～130.3,0.498～130.8,0.498～179.7,0.498～145.1,0.498～145.1和0.498～145.1 μm。

圖2 干法制粒工藝對紅曲色素粒徑分布的影響Fig.2 Effect of dry granulation process conditions on particle size distribution of Monascus pigment 注：從上至下從左至右所對應(yīng)的組依次為E、H、B、D、G、K組

以不同的壓力和進(jìn)料速度制備的紅曲色素粉體粒徑分布均呈單峰分布,說明紅曲色素粉體粒徑分布集中。壓力為10 MPa,進(jìn)料速度為30 r/min制備的紅曲色素粉體粒徑分布范圍最小,粉體大小最為均勻。進(jìn)料速度為30 r/min,單位時(shí)間進(jìn)入輥輪的粉體較少,紅曲色素粉體在顆粒重排的過程中空氣溢出,粉體進(jìn)一步相互靠近,在10 MPa的壓力作用下緩慢被輥輪擠壓,紅曲色素依靠分子相互作用力、范德華力、機(jī)械力等彼此粘結(jié)緊密,形成較大的薄片,由于進(jìn)料緩慢,擠壓充分,紅曲色素粉體脆碎度降低,在制粒過程中粒徑分布更加均勻。

2.3 干法制粒工藝對紅曲色素分散度的影響

分散度就是粉體在空氣中的飄散程度。分散度是粉塵揚(yáng)塵性強(qiáng)度最主要的指標(biāo),分散度值越小說明粉體揚(yáng)塵性越弱。由圖3可知,A～L組所對應(yīng)的紅曲色素粉體的分散度分別為：19.8、12.7、13.2、23.8、6.1、12.8、14.2、7.5、22.5、35.1、9.2、11.5°。不同干法制粒工藝對紅曲色素粉體分散度的影響大小排序?yàn)椋篔>D>I>A>G>C>F>B>L>K>H>E。

圖3 干法制粒工藝對紅曲色素分散度的影響Fig.3 Effect of dry granulation process conditions on Monascus pigment dispersion 注:從左至右對應(yīng)的組依次為:A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L組(下同)

實(shí)驗(yàn)組紅曲色素粉體分散度均有較大的差異。進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,壓力增大,紅曲色素粉體的分散度呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢,轉(zhuǎn)速相同時(shí),單位時(shí)間進(jìn)入輥輪的粉體數(shù)量一樣,輥輪壓力較低時(shí),顆粒松散,分散度大,粉體容易揚(yáng)塵。當(dāng)壓力增大,2個(gè)輥輪之間的距離變小,粉體擠壓更加緊密,粒子間的接觸面積和黏附性增加,使胚片在破碎過程中不易產(chǎn)生細(xì)粉[18],但是隨著輥輪壓力進(jìn)一步增大,粉體之間容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象,物料的穩(wěn)定性變差,在破碎過程中容易產(chǎn)生細(xì)粉,粉體分散度增加。壓力為5 MPa,進(jìn)料轉(zhuǎn)速為85 r/min工藝條件制備的紅曲色素粉體分散度最大,最容易揚(yáng)塵,進(jìn)料速度太快,相同時(shí)間進(jìn)入輥輪的粉體較多,胚片厚度大,壓力太小,粉體無法充分?jǐn)D壓成型,從而細(xì)粉較多,分散度較大,當(dāng)壓力增加到10 MPa時(shí),粉體分散度明顯下降。輥輪壓力為10 MPa,進(jìn)料轉(zhuǎn)速為45 r/min的工藝條件制備的紅曲色素粉體分散度最小,揚(yáng)塵性最小,這對于解決實(shí)際生產(chǎn)加工過程中色素?fù)P塵問題具有重要的作用。

2.4 干法制粒工藝對紅曲色素差角的影響

粉體休止角與崩潰角之差稱為差角。差角越大,粉體越容易發(fā)生噴流(飛揚(yáng))的現(xiàn)象。由圖4可知,A～L組所對應(yīng)的紅曲色素粉體的差角分別為：12.8、7.8、12.2、7.9、5.1、8.2、9.6、5.2、13、11.9、9.5、9.3°。進(jìn)料轉(zhuǎn)速為30、45和60 r/min的試驗(yàn)條件下,紅曲色素粉體的差角隨著壓力的增大呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,轉(zhuǎn)速相同,一定時(shí)間進(jìn)入輥輪的紅曲色素粉體數(shù)量一致,壓力從5～10 MPa,胚片壓實(shí)更緊密,粒子間的接觸面積和黏附性增加,隨著壓力的增大,粒子的脆碎度降低,在破碎過程中不易碎成細(xì)粉,從而差角變小,當(dāng)壓力繼續(xù)增加,超過臨界值時(shí),物料穩(wěn)定性降低,在破碎制粒中,容易產(chǎn)生細(xì)粉,差角變大。轉(zhuǎn)速為85 r/min的實(shí)驗(yàn)條件制備的紅曲色素粉體隨著壓力從5～15 MPa,差角呈現(xiàn)下降的趨勢,可能是由于進(jìn)料速度過快,需要更大的壓力才能達(dá)到紅曲色素粉體差角的臨界值,從而差角呈現(xiàn)下降的趨勢。壓力相同時(shí),紅曲色素粉體的差角隨著進(jìn)料速度增加先下降再升高,進(jìn)料速度決定物料在輥輪之間的停留時(shí)間和數(shù)量,壓力相同時(shí),進(jìn)料速度太慢,粉體不能被輥輪充分?jǐn)D壓成型,細(xì)粉較多,顆粒松散,轉(zhuǎn)速增加,相同時(shí)間進(jìn)入輥輪的粉體數(shù)量增大,壓輪間的縫隙逐漸變小,粉末粒子排列更加緊密,在破碎過程中得率增加,細(xì)粉變少,差角減少,當(dāng)進(jìn)料轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加,粉體接受輥輪擠壓時(shí)間變短,顆粒松散,差角增大。

圖4 干法制粒工藝對紅曲色素差角的影響Fig.4 Effect of dry granulation process conditions on the angle difference of Monascus pigment

2.5 干法制粒工藝對紅曲色素休止角的影響

休止角指在靜止平衡狀態(tài)下,粉體自然堆積斜面與底部水平面所夾銳角叫做休止角。它是通過電磁振動(dòng)方式使粉體自然下落到特定平臺上形成的。休止角大小直接反映粉體的流動(dòng)性,休止角越小流動(dòng)性越好。休止角越大流動(dòng)性越差。休止角也稱安息角或自然坡度角。由圖5可知,A～L組所對應(yīng)的紅曲色素粉體休止角分別為：43、43.5、46、42、41、44、45、41、42、42、45、43°。粉體休止角大小排序?yàn)镃>G>K>F>B>A>L>I>J>D>H>E。壓力為10 MPa,進(jìn)料速度為45 r/min的制粒工藝制備的紅曲色素粉體形狀是較規(guī)則的圓形,粒徑較大,流動(dòng)性最好。休止角大小與紅曲色素粉體形狀有關(guān),圓形顆粒比形狀不規(guī)則的顆粒流動(dòng)性好[19]。當(dāng)壓力相同時(shí),紅曲色素粉體的休止角隨著進(jìn)料速度的增大先減小再增加,進(jìn)料速度較小時(shí),粉體不能被輥輪充分?jǐn)D壓成型,此時(shí)顆粒的形狀不規(guī)則,細(xì)粉較多,顆粒松散,粉體流動(dòng)性不好,隨著進(jìn)料速度增大,進(jìn)入輥輪的紅曲色素粉體數(shù)量增多,制粒過程的連續(xù)性和均勻性較好,顆粒之間擠壓緊密,顆粒粒徑增大,形狀為較為規(guī)整的圓形,此時(shí),粉體流動(dòng)性較好,隨著進(jìn)料速度進(jìn)一步增大,顆粒脆碎度明顯提高[20],顆粒粒徑減小,形狀也呈現(xiàn)不規(guī)則形狀,此時(shí)紅曲色素粉體的休止角增大,流動(dòng)性變小。

圖5 干法制粒工藝對紅曲色素休止角的影響Fig.5 Effect of dry granulation process conditions on angle of repose of Monascus pigment

2.6 干法制粒工藝制備的紅曲色素微觀結(jié)構(gòu)

在低倍(×200)顯微鏡條件下觀察各組紅曲色素粉體的微觀結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)：干法制粒工藝制備的紅曲色素粉體形成的主要方式是分子粘合(圖6)。在高倍(×500)顯微圖像中：A組粉體分布較為緊密,粉體表面較為粗糙；B組顆粒較為圓潤,但細(xì)粉較多；C組粉體分布較為松散,顆粒大小不均一。D組紅曲色素粉體顆粒大小不均一,且粉體表面粗糙；E組和F組在顯微鏡下分布均勻,粉體大小基本一致,顆粒呈圓形或橢圓形；F組粉體呈不規(guī)則形狀,也較為圓潤,但在高倍鏡下觀察有粉體破碎的現(xiàn)象。G組和I組在低倍鏡下觀察到粉體粒徑較小,H組粉體形狀不規(guī)則,粉體粗糙,表面有尖角,顆粒聚集情況嚴(yán)重,G組紅曲色素粉體顆粒大小較為均一,粉體較為飽滿,但是粉體破碎較多。J組粉體粒徑最?。籏組和L組粉體比J組略大。綜合12組紅曲色素粉體微觀結(jié)構(gòu)可知：進(jìn)料速度45 r/min,壓力10 MPa制備的紅曲色素粉體粒徑較大,細(xì)粉最少,顆粒最為圓潤飽滿。通過對比觀察進(jìn)料速度相同,分析壓力不同的3組紅曲色素粉體,可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,壓力從5～10 MPa,紅曲色素粉體由不規(guī)則的形狀逐漸變成顆粒飽滿的球形,顆粒粒徑變大,細(xì)粉減少,壓力從10～15 MPa,紅曲色素粉體穩(wěn)定性差,粉體之間發(fā)生粘結(jié),顆粒大小不均勻,形狀由較為規(guī)整的圓形變?yōu)椴灰?guī)則的形狀。對比觀察壓力相同,進(jìn)料速度(30～45)～(60～85) r/min的紅曲色素粉體(A、D、G、J組,B、E、H、K組和C、F、I、J組)可以發(fā)現(xiàn)：壓力不變,進(jìn)料速度增大,紅曲色素粉體由形狀不規(guī)則的小顆粒變?yōu)樾螤钜?guī)則的圓形,細(xì)粉減少,顆粒增大,進(jìn)料速度進(jìn)一步增加,粉體形狀又變得不規(guī)則,粉體粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重,顆粒大小不均一。

圖6 不同干法制粒工藝制備的紅曲色素微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Microstructure of Monascus pigment prepared by different dry granulation process conditions

2.7 干法制粒工藝對紅曲色素溶解性的影響

由圖7可知,對照組(純紅曲色素粉體)的溶解時(shí)間為36.2 min,A～L組紅曲色素粉體的溶解時(shí)間分別為：19、9、15、4.8、4.5、4.7、8.7、7.5、7.6、22.5、16.5、31.5 min。紅曲色素粉體溶解時(shí)間大小排序?yàn)椋簩φ?L>J>A>K>C>B>G>I>H>D>F>E組。實(shí)驗(yàn)組紅曲色素粉體的溶解時(shí)間均小于對照組溶解時(shí)間,表明干法制粒工藝可以有效改善紅曲色素的水溶性。壓力為10 MPa,進(jìn)料速度為45 r/min的制粒工藝制備的紅曲色素粉體溶解時(shí)間最短,溶解性最好(圖7)。汪碧峰等[21]認(rèn)為顆粒尺寸對其表觀形態(tài)、流動(dòng)性和溶解性有重要影響,粒度大,內(nèi)部有蜂窩狀空隙,則產(chǎn)品的溶解性好。圖6紅曲色素微觀結(jié)構(gòu)中,E組粒徑最大,顆粒形狀飽滿圓潤,因此溶解性較其他實(shí)驗(yàn)組好。當(dāng)壓力相同時(shí),隨著進(jìn)料轉(zhuǎn)速的增加,紅曲色素粉體的溶解時(shí)間呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,隨著進(jìn)料速度的增加,紅曲色素粉體進(jìn)入輥輪數(shù)量變多,紅曲色素粉體被擠壓充分,粒度、密度增大,形狀規(guī)整,紅曲色素粉體內(nèi)部呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu),溶解性較好,但是進(jìn)料速度繼續(xù)增加,相同時(shí)間進(jìn)入輥輪的紅曲色素粉體數(shù)量大,胚片厚度增大,粒度無法控制,顆粒形狀變得不規(guī)則,粉體出現(xiàn)粘結(jié),粉體內(nèi)部空隙減少,溶解性下降。進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,紅曲色素粉體的溶解時(shí)間隨著壓力的增大也呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢,進(jìn)料速度決定相同時(shí)間進(jìn)入輥輪的紅曲色素粉體數(shù)量,壓力增大,粉體壓制緊密,形狀規(guī)則,細(xì)粉減少,紅曲色素粉體有蜂窩狀空隙,溶解性好,壓力繼續(xù)增大,粉體硬度太大,粉體內(nèi)部空隙減少,溶解性降低。

圖7 干法制粒工藝對紅曲色素溶解性的影響Fig.7 Effect of dry granulation process conditions on the solubility of Monascus pigment

2.8 干法制粒工藝對紅曲色素全波段掃描及吸光度的影響

通過紫外可見光分光度計(jì)全波段掃描紅曲色素溶液吸收光譜,測定每組樣品的吸光度,吸光度可以表征紅曲色素的色價(jià)。由圖8可知,A～L組所對應(yīng)的紅曲色素粉體的吸光度分別為：0.28、0.33、0.26、0.30、0.34、0.27、0.26、0.28、0.256、0.29、0.28、0.26。E組吸光度最大,色價(jià)最高,表明輸料轉(zhuǎn)速45 r/min、壓輪轉(zhuǎn)速10 r/min的制粒工藝制備的紅曲色素粉體顏色更加鮮艷,進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,紅曲色素粉體的吸光度隨著輥輪壓力的增加先增加再減少。當(dāng)進(jìn)料轉(zhuǎn)速相同的條件下,壓力較小時(shí),紅曲色素粉體結(jié)構(gòu)松散,在制粒過程中顆粒容易破碎,紅曲色素容易受到破壞,當(dāng)壓力增加,紅曲色素粉體擠壓緊密,制粒過程中不易破碎,顆粒形狀規(guī)則,內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀,能夠較好的包被紅曲色素,使其不受破壞,從而色價(jià)較高。當(dāng)壓力10～15 MPa,進(jìn)料速度不變的條件下,過大的滾輪壓力使得粉體硬度增大,粉體之間容易粘結(jié),對紅曲色素造成破壞。當(dāng)壓力不變時(shí),紅曲色素吸光度隨著進(jìn)料速度增加(30、45、60 r/min)呈現(xiàn)先增加再減少再增加的趨勢,進(jìn)料速度太慢粉體受擠壓時(shí)間長,顆粒硬度大,紅曲色素容易粘結(jié),此時(shí)粉體穩(wěn)定性較差,當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí),粉體受壓力均勻,生產(chǎn)粉體連續(xù)性好,顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整,紅曲色素在包合物中不易被破壞,色價(jià)高,但是進(jìn)料轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大,胚片太厚,顆粒度無法控制,細(xì)粉增多,顆粒得率下降,紅曲色素的色價(jià)下降。

圖8 干法制粒工藝對紅曲色素吸光度的影響Fig.8 Effect of dry granulation process conditions on the absorbance value of Monascus pigment

2.9 差示掃描量熱分析

差示掃描量熱法主要用來測定食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以判斷在某溫度下的聚合物(食品大分子)是玻璃態(tài)還是橡膠態(tài)。結(jié)晶熱焓可以用來判斷產(chǎn)品的穩(wěn)定性。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取粒徑最大,分散度、差角、休止角最小,溶解時(shí)間最短的3組樣品：B組(進(jìn)料速度30 r/min,壓力10 MPa)、E組(進(jìn)料速度45 r/min,壓力10 MPa)和H組(進(jìn)料速度60 r/min,壓力10 MPa)進(jìn)行DSC分析。這3組樣品的粒徑較大,粉體不容易揚(yáng)塵且流動(dòng)性較好,在紅曲色素溶解試驗(yàn)中,B、E、H組是溶解時(shí)間最短的3組,從微觀結(jié)構(gòu)圖可以看到,這3組樣品顆粒飽滿,形狀規(guī)則,細(xì)粉少,溶解性好,在吸光值測定中,這3組樣品的紅曲色素色價(jià)最高,說明在制粒過程中紅曲色素能夠被很好地保留,因此選擇這3組樣品進(jìn)行DSC分析。由表1可知,E組所對應(yīng)紅曲色素粉體的峰特征溫度To為(75.1±0.24)℃、終止溫度Tp為(92.62±0.29)℃、焓變ΔH為(-14.38±0.28)J/g。其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高約為92.6 ℃,焓變值約為-14.4 J/g,放出的熱量最少,這說明E組對應(yīng)紅曲色素粉體最穩(wěn)定,在常溫下屬于玻璃態(tài),易于保存。因此,進(jìn)料速度為45 r/min,壓力為10 MPa是干法制粒最佳的工藝參數(shù)。

表2 不同干法制粒工藝的紅曲色素DSC分析Table 2 DSC analysis of Monascus pigment by different dry granulation process conditions

3 結(jié)論

研究干法制粒的各種工藝下制得的紅曲色素粉體的粒徑及粒徑分布、分散度、差角、休止角及溶解性、微觀結(jié)構(gòu)等,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組干法制粒的最佳工藝參數(shù)為輸料轉(zhuǎn)數(shù)45 r/min、壓輪轉(zhuǎn)數(shù)10 r/min、壓力值10 MPa。在該工藝參數(shù)下制得的紅曲色素粉體粒徑較大,分布較均勻,其分散度最低,能夠有效降低紅曲色素粉體的飛濺性。對比其他工藝下制備的紅曲色素粉體的溶解性,得到該工藝下制備的紅曲色素粉體在水中完全溶解的時(shí)間最短,能夠有效提高紅曲色素的水溶性。熱力學(xué)分析表明,最佳條件下制備的紅曲色素放熱量最少,粉體最穩(wěn)定,在常溫下屬于玻璃態(tài),易于保存。本研究為紅曲色素加工產(chǎn)業(yè)化提供理論數(shù)據(jù)。