核桃抗氧化多肽喷雾干燥的工艺优化

马　岩,孟宪军

(1.沈阳师范大学实验教学中心食品加工标准化实验室,辽宁沈阳 110034;2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)



核桃抗氧化多肽喷雾干燥的工艺优化

马岩1,孟宪军2,*

(1.沈阳师范大学实验教学中心食品加工标准化实验室,辽宁沈阳 110034;2.沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)

针对多肽干燥活性难以控制、成本高等问题,以脱脂核桃粉为原料,利用超声波辅助提取制备核桃蛋白;木瓜蛋白酶与胰蛋白酶双酶组合水解核桃蛋白,制备核桃抗氧化多肽,应用喷雾干燥技术制备核桃抗氧化多肽干粉。研究了喷雾干燥的进风温度,出风温度,进料浓度对多肽收集率和对DPPH·抑制率的影响。在单因素实验基础上,利用响应面法建立了二次回归数学模型,分析了各因素及其交互作用对指标影响的显著性,确定了最佳工艺条件为:进风温度172 ℃,出风温度88 ℃,进料浓度23%。在此条件下获得的多肽干粉的收集率为91.28%,抑制率为76.33%,多肽粉末的溶解性和抑制率俱佳,为工业化生产抗氧化多肽干粉提供了一定的理论依据。

核桃,抗氧化多肽,喷雾干燥,收集率,抑制率

核桃(JuglansregiaL.)是胡桃科核桃属多年生落叶乔木的坚果,其可食部为果实的仁,果仁富含油脂、蛋白质、矿物质及维生素等营养素,其中蛋白质含量占15%～29.6%,且全部为优质蛋白,效价与动物蛋白相近[1]。核桃仁性温味甘具有温润肺脏、定喘、健脑、预防冠心病、固精补肾、降低血脂等功效[2]。

由于核桃蛋白的主要成分为谷蛋白,约占蛋白总量的70%,而谷蛋白疏水性氨基酸含量较高,致使核桃蛋白溶解性较低[3],限制了食品加工中核桃蛋白的利用,可采用酶法改性将其制成多肽。核桃肽不仅具有良好的溶解性,而且具有高浓度和低粘度的功能特性,是一种很好的生产高蛋白流体的食品原料,此外核桃肽还具有以下生理活性如易消化吸收、促进微生物发酵以及抗氧化活性等,可以作为发酵火腿、生产酸奶以及风味酒等发酵食品的原料或者添加剂。核桃肽的工业化生产将促进我国保健食品的开发以及核桃产品的多样化。

由于多肽制成干燥粉末,体积减小,便于运输与贮藏。而冷冻干燥法设备昂贵、产品成本太高且能耗大,在工业应用中受限制。热风干燥制备的多肽干粉感官质量差,溶解性低,水溶性低,因此本实验采用喷雾干燥法,将核桃多肽溶液在雾化器内分散成雾滴,然后制成核桃多肽干粉。通过热空气与雾滴直接接触,在短时间内使多肽溶液迅速干燥,获得粉粒状产品,提高质量[4-5]。国外对蛋白质水解的研究主要集中于如何改善蛋白质的加工功能特性如乳化性、水溶性、热稳定性、气泡性以及风味特性等[6]。目前,我国蛋白酶解的研究主要集中于大豆蛋白、玉米蛋白以及某些动物蛋白等,对核桃蛋白水解物的研究还很少,而且对核桃蛋白酶解过程控制缺乏系统深入研究。

本实验采用超声波振荡辅助提取核桃蛋白,用木瓜蛋白酶与胰蛋白酶双酶组合对核桃蛋白进行水解,制备多肽[7-8],并应用旋转式喷嘴雾化法[9]制备核桃抗氧化多肽粉。采用响应面分析法,确定喷雾干燥最佳工艺条件。对促进核桃蛋白的开发利用具有积极意义,为相关工业化生产提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

脱脂核桃粉河南顺康食品添加剂有限公司;木瓜蛋白酶(25000 U/mg)、胰蛋白酶(2000 U/g)北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司;DPPH上海楷洋生物技术有限公司;碳酸氢钠、氢氧化钠、浓盐酸、无水乙醇、磷酸二氢钾、三水合磷酸氢二钾国药集团化学试剂有限公司;以上试剂均为分析纯。

SD-1500型实验型喷雾干燥机上海沃迪科技有限公司;CR21G 型高速冷冻离心机东京日立公司;UV-2100型紫外分光光度计由尼克上海仪器有限公司;HH-6型数显电子恒温水浴锅国华电器有限公司;PHS-25型酸度计上海理达仪器厂;RE-52型旋转蒸发器、SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵上海亚荣生化仪器厂;SB-5200DTD超声波清洗机宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2实验方法

1.2.1工艺流程脱脂核桃粉→浸泡→调节pH→超声辅助搅拌→离心→去油层和下层沉淀→调节溶液pH→酶解→灭酶→喷雾干燥→成品。

1.2.2操作要点将脱脂核桃粉与pH=9的NaHCO3溶液按1∶20(质量与体积之比)混合均匀,60 ℃恒温水浴30 min;调pH至8.5,在45 ℃条件下超声辅助搅拌90 W,20 min[10];4 ℃、3000 r/min离心10 min,去除油层和下层沉淀;收集中间澄清溶液,用0.1 mol/L的HCl调节澄清液pH至7.5,以8000 U/g,1∶1酶活比的木瓜蛋白酶与胰蛋白酶双酶组合水解[11],不断搅拌,并且维持溶液pH7.5恒定,50 ℃水浴3 h后,90 ℃水浴灭酶10 min,冷却至室温。旋转蒸发至一定浓度后进行喷雾干燥。

1.2.3核桃抗氧化多肽喷雾干燥工艺单因素实验在喷雾干燥法浓缩核桃抗氧化多肽过程中,当风机速度为60 Hz,蠕动泵转速为1500 r/min,进风流量60 m3/h不变时,固定出风温度90 ℃,进料浓度20%,设置不同的进风温度;固定进风温度170 ℃,进料浓度20%,设置不同的出风温度;固定进风温度170 ℃,出风温度90 ℃,设置不同的进料浓度。分别考虑进风温度、出风温度、进料浓度3个因素对多肽粉的收集率及其对DPPH·自由基抑制率影响,得到最佳因素水平。

1.2.4核桃抗氧化多肽喷雾干燥工艺响应面实验设计根据单因素实验确定各因素水平,结合Box-Benhnken中心组合实验设计原理,分别选取进风温度(A),出风温度(B),进料浓度(C)作为自变量,以多肽粉的收集率及对DPPH·抑制率作为响应值设计响应面实验。实验设计的因素水平及编码见表1。

表1　中心组合实验因素与水平设计

1.3指标测定

1.3.1多肽粉收集率的测定每次将具有高抗氧化活性的目标多肽酶解液100 mL,在特定的温度和压力等实验条件下,通过喷雾干燥制得的特定分子量核桃多肽粉状成品[12]。

按式(1)计算收集率。

式(1)

式中,有效粉量(g);进料浓度为多肽料液的质量分数(%)。

1.3.2抗氧化多肽粉DPPH·抑制率测定比色管中依次加4 mL pH=6.88磷酸盐缓冲溶液,4 mL 0.2 mmol/L DPPH乙醇溶液,混匀,再加入1 mL质量浓度为1 mg/mL的多肽溶液,蒸馏水定容至10 mL,充分混匀,10 min后在520 nm处测量吸光度[13]。按式(2)计算抑制率。

式(2)

式中,A对照为未加多肽而加DPPH-乙醇溶液的对照组吸光值;A样品为加多肽和DPPH-乙醇溶液的样品组吸光值;A0为未加样品和DPPH-乙醇溶液的空白组吸光值。

1.4数据处理

所有数据均来自于3个独立平行样,采用Design-Expert 7.0.0软件进行响应面分析,Microsoft Excel 2003计算绘制图表。

2　结果与分析

2.1喷雾干燥单因素实验结果与分析

2.1.1进风温度对核桃抗氧化多肽喷雾干燥的影响进风温度对多肽收集率以及抑制率的影响见图1。

图1　进风温度对收集率及抑制率的影响Fig.1　The influence of inlet air temperature on gathering rate and inhibiting rate

收集率是评价喷雾干燥效果的重要指标,对自由基的抑制率是评价多肽生物活性的重要标准[14]。由图1可知,当进风温度在140～170 ℃范围内,收集率与抑制率随温度的升高而增大,在170 ℃处,收集率和抑制率均达到最大,分别为88.34%、73.27%;进风温度继续升高,收集率与抑制率呈现下降趋势,超过180 ℃后,开始急剧减小。适当的进风温度使核桃抗氧化多肽干燥完全,而温度过高,挂壁现象严重,蛋白质变性,生物活性降低,清除DPPH·的能力减弱。

不同进风温度对挂壁现象以及成品物性的影响见表2。

表2　进风温度对挂壁物性的影响

由表2可知,进风温度为160、170、180 ℃时,成品与器壁的粘附力较小,且气味与色泽较好,喷雾干燥的效果较为理想;进口温度为140、150、190、200 ℃时,挂壁严重,是因为当进口温度低时,较大的雾滴不能干燥完全,造成挂壁,甚至结块;而温度过高时,多肽过度变性并焦糊,增加了粘附力,导致严重挂壁。进风温度在160～180 ℃范围内较合理。综上,170 ℃为喷雾干燥最佳进风温度。

2.1.2出风温度对核桃抗氧化多肽喷雾干燥的影响出风温度对多肽收集率以及抑制率的影响见图2。

图2　出风温度对收集率及抑制率的影响Fig.2　The influence of exhaust air temperature on gathering rate and inhibiting rate

由图2可知,当出风温度在50～90 ℃之间,收集率与抑制率随温度的升高而增大,90 ℃时,收集率和抑制率均最大,分别为85.93%、73.50%,且收集率增大的速率明显大于抑制率,说明出风温度对收集率的影响比抑制率大;继续升高出风温度,收集率与抑制率呈现下降趋势,且趋势相近。这是因为,较高的出风温度可使多肽完全干燥,而当出风温度较低时,多肽干燥不完全,易结块,散落性低,影响收集率,且造成多肽溶解性下降,从而使抑制率减小[15];当出风温度高于90 ℃,多肽色泽较黄,有不同程度的挂壁现象,生物活性降低,清除DPPH·的能力减弱。

不同出风温度对挂壁现象以及成品物性的影响见表3。

表3　出风温度对挂壁物性的影响

从表3中可以看出,出风温度在80 ℃以下,挂粉现象较明显,到达塔壁时多肽没有得到充分干燥,从而粘附其上。在连续操作过程中,若粘于塔壁上的多肽过多,则影响成品的品质。在80～100 ℃之间,挂壁较少,且粉末干燥的效果达到要求。110 ℃时,多肽变性,多肽色泽略焦,在收集瓶内有挂壁现象。为了更好地控制生产过程,出风温度控制在80～100 ℃为宜。综上,喷雾干燥最佳出风温度为90 ℃。

2.1.3进料浓度对核桃抗氧化多肽喷雾干燥的影响进料浓度对多肽收集率以及抑制率的影响见图3。

图3　进料浓度对收集率及抑制率的影响Fig.3　The influence of mass fraction on gathering rate and inhibiting rate

由图3可知,进料浓度在5%～25%范围内,收集率随浓度的增大而增大,25%时,收集率最大,87.15%,继续提高浓度,收集率呈现下降趋势;5%～20%之间,抑制率随浓度的增大而增大,20%时,抑制率最大，之后,抑制率呈现较缓慢的下降趋势,20%～25%范围内抑制率差别很小。这是因为当进料浓度过低时,雾滴非常小,造成干燥过度,多肽变性程度较大,从而影响收集率和抑制率;当过高时,雾滴过大,不易干燥完全而造成挂壁,而且多肽粉的颗粒较大,分散性差,溶解性降低,从而影响抑制率[15]。

不同进料浓度对挂壁现象以及成品物性的影响见表4。

表4　进料浓度对挂壁物性的影响

由表4可知,进料浓度低于15%或者高于30%时,出粉效果差,粉末的品质低;在15%～30%范围内,挂壁少,粉末干燥效果良好。综上,喷雾干燥最佳进料浓度为25%。

表6　收集率的回归方程各项方差分析

注:“*”表示影响显著(p<0.05);“**”表示极显著(p<0.01);表7同。

2.2响应面实验

2.2.1响应面实验设计结果分析以多肽的收集率以及其对DPPH·抑制率为响应值,在单因素实验的基础上,根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理,选取进风温度(A)、出风温度(B)、进料浓度(C)进行三因素三水平的响应面分析实验,结果如表5所示。

表5　响应面优化实验设计和实验结果

应用Design-Expert 7.0.0软件对表5中所得数据进行多元回归拟合分析,得到核桃抗氧化多肽喷雾干燥收集率对进风温度、出风温度、进料浓度的二次多项回归方程为:Y1=89.7633+4.0025A-2.6613B-0.1988C-4.0651AB+1.6850AC+9.2025BC-12.0479A2-8.0804B2-9.9804C2。以收集率作为响应值时各因素的方差分析结果见表6。

表7　抑制率的回归方程各项方差分析

由表6可知,该模型极显著(p<0.01),失拟项不显著,变异系数为1.82%,说明得到的数值有98.18%的可能性在预测范围内。其中预测决定系数为0.9186,相对于校正决定系数的0.9843拟合度好,决定系数为0.9944,说明该模型的拟合性非常好,可以用于模型分析。而本模型的信噪比达到27.1,大于4,即该模型可用。综上,说明该模型可以用于核桃抗氧化多肽喷雾干燥实验收集率的预测。

各因素的F值可以反映出各因素对实验指标的重要性,且成正比。由方差分析结果可知,对多肽收集率的影响程度大小顺序为:A进风温度>B出风温度>C进料浓度。

收集率的方差分析结果还表明,一次项A、B,交互项中AB、BC,二次项A2、B2、C2对响应值的影响均极显著。由此可知,各实验因素对响应值的影响并非是简单的线性关系。

各因素经过拟合后,得到核桃抗氧化多肽喷雾干燥抑制率的二次多项回归方程为:Y2=75.2867+1.0500A-1.1850B-3.5175C+0.2600AB-2.6950AC+4.3750BC-9.1258A2-8.9108B2-4.9758C2。以抑制率作为响应值时各因素的方差分析结果见表7。

由表7可知,该模型极显著(p<0.01),失拟项不显著,变异系数为1.56%,说明所得数值有98.44%的可能性在预测范围内。其中预测决定系数为0.9132,相对于校正决定系数的0.9839而言拟合度良好,决定系数为0.9942,说明该模型与实际拟合度良好,可用于模型分析。本模型的信噪比25.656,大于4,即该模型可用。综上,说明该模型可以用于核桃抗氧化多肽喷雾干燥粉清除DPPH·能力的预测。

由各因素的F值可知,对核桃抗氧化多肽抑制率的影响程度大小顺序为:C进料浓度>B出风温度>A进风温度。抑制率的方差分析结果还表明,一次项C,交互项中AC、BC,二次项A2、B2、C2对响应值的影响均极为显著。一次项A、B对响应值的影响显著。由此可知,各实验因素对响应值的影响不是简单的线性关系。

2.2.2响应曲面分析与优化根据Y1回归方程,做出对收集率影响显著的交互项响应面图见图4、图5。

图4　Y1=(A,B)的响应面Fig.4　Responsive surfaces of Y1=(A ,B)

图5　Y1=(B,C)的响应面Fig.5　Responsive surfaces of Y1=(B,C)

从图4中可看出,当进风温度不变时,收集率随出风温度的升高先缓慢增大后急剧减小,变化幅度很大;当出风温度一定时,收集率的变化趋势为先急剧增加后缓慢减小,变化幅度很大,这说明进风温度与出风温度交互作用明显。

从图5看出,当出风温度一定时,收集率随进料浓度的增大,呈现先急剧增大后急剧较小趋势,变化幅度巨大;当进料浓度一定时,收集率随着出风温度的升高,先缓慢增加后急剧减小,变化幅度很大。这说明进料温度与出风温度交互作用极为明显。

比较图4与图5可知,出风温度与进料浓度交互作用对多肽收集率的影响比出风温度与进风温度交互作用显著,表现为图5比图4曲面陡,变化幅度大,这也与回归方程各项方差分析的结果相一致。

根据Y2回归方程,做出对抑制率影响显著交互项的响应面图(见图6、图7),考察所拟合的响应面图形状,分析各因素及其交互作用对核桃抗氧化多肽抑制率的影响。

图6　Y2=(A,C)的响应面Fig.6　Responsive surfaces of Y2=(A ,C)

图7　Y2=(B,C)的响应面Fig.7　Responsive surfaces of Y2=(B,C)

从图6中可以看出,当进风温度不变时,抑制率随进料浓度的升高先缓慢增大后快速减小,变化幅度很大;当进料浓度一定时,抑制率随进风温度升高先快速增加后快速减小,变化幅度很大,这说明进风温度与进料浓度交互作用明显。

从图7可以看出,当出风温度一定时,抑制率随进料浓度的增大,呈现先缓慢增大后急剧较小趋势,变化幅度很大;当进料浓度一定时,抑制率随着出风温度的升高,先快速增加后急剧减小,变化幅度巨大,这说明进风温度与出风温度交互作用极为明显。

比较图6与图7可知,出风温度与进料浓度交互作用对多肽抑制率的影响比进风温度与进料浓度交互作用显著,表现为图7比图6曲面陡,变化幅度大,这也与方差分析结果一致。

2.2.3收集率与抑制率综合分析结果通过二次多项式数学模型解逆矩阵,求出提高核桃抗氧化多肽收集率的最佳工艺参数为:进风温度172.28 ℃,出风温度87.73 ℃,进料浓度23.39%,预测收集率达到了91.52%。提高核桃抗氧化多肽抑制率的最佳工艺参数为:进风温度171.88 ℃,出风温度88.24 ℃,进料浓度22.84%,预测抑制率达到了76.87%。

由实验结果可知,获得最佳收集率与抑制率的工艺条件并不相同,但之间的差距并不大。综合两种最佳工艺参数,并考虑生产操作上的方便,将工艺定为进风温度172 ℃,出风温度88 ℃,进料浓度23%,并进行验证实验,该工艺下收集率为91.28%,抑制率为76.33%,这与理论值结果很接近,确定以此为最佳工艺参数。成品多肽粉粒比重轻、具有多孔的毛细管结构,溶解性、流动性和分散性良好,使得多肽复水时的速溶效果较好[13],具有较高的抗氧化活性[16],有助于人体消化吸收。

3　结论

本实验利用喷雾干燥法浓缩核桃抗氧化多肽制备多肽干粉。通过单因素与响应面实验,研究得到核桃抗氧化多肽收集率与抑制率的最佳工艺参数为:进风温度172 ℃,出风温度88 ℃,进料浓度23%,在此条件下获得的核桃抗氧化多肽干燥粉末的收集率为91.28%,抑制率为76.33%,此条件下制备的多肽粉有较好的颗粒均匀度、色泽、气味、溶解性以及抑制活性。根据响应面实验结果,得出出风温度与进料浓度的交互作用对多肽收集率与抗氧化活性的影响均最为显著，各实验因素对收集率与抑制率的影响并非是简单的线性关系。对收集率的影响程度为:进风温度>出风温度>进料浓度,对抑制率的影响程度为:进料浓度>出风温度>进风温度。模型可以用于喷雾干燥核桃抗氧化多肽收集率与抑制率的预测,与实际拟合度良好,抗干扰能力强。为生物抗氧化多肽干粉的工业化生产提供了一定的理论依据。

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Optimization of the walnut antioxidant polypeptide’s spray drying process

MA Yan1,MENG Xian-jun2,*

(1.Center of Experimental Teaching ,Shenyang Normal College,Shenyang 110034,China;2.College of Food,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110866,China)

According to the problems of difficult control for activity and high cost of drying polypeptide solution. Walnut protein was abstracted by ultrasonic-assisted extraction method with the defatted walnut powder as raw material. Bienzyme(papain and trypsin)was used to hydrolysis walnut protein into antioxidant polypeptide. The dried powder was produced by spray drying walnut antioxidant polypeptide emulsion. The influence of inlet air temperature of spray drying,exhaust air temperature and mass fraction of material on walnuts polypeptide’s gathering rate and inhibiting rate of DPPH· were studied in this paper. On foundation of single factor experiment,the regression mathematical models were established by response surface,describing the significance between the influence factors,interactions and experimental indices,the following optimal parameter:inlet air temperature of 172 ℃,exhaust air temperature of 88 ℃,mass fraction of material at 23%. Under these conditions,polypeptide’s gathering rate of powder was 91.28%,inhibiting rate was 76.33%,and the solubility and inhibiting rate of the powder were superb. It was provided a theoretical basis for dried polypeptide power’s industrialized production.

walnut;antioxidant polypeptide;spray drying;gathering rate;inhibiting rate

2015-11-11

马岩(1976-),女,在读博士研究生,研究方向:果蔬加工工艺,E-mail:ma1976@126.com。

孟宪军(1960-),男,博士,教授,研究方向:天然活性成分和功能性食品,E-mail:mengxjsy@126.com。

辽宁省科学事业公益研究基金团队建设项目(2015005004)。

TS255.6

B

1002-0306(2016)12-0243-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.038