鸡肉蛋白抗氧化肽喷雾干燥工艺优化研究

摘要 [目的]建立雞肉蛋白抗氧化肽（APCP）在噴雾干燥条件下保持其活性的高效干燥工艺并明确其活性保持水平及理化特性。[方法]采用响应曲面法优化APCP喷雾干燥的最佳工艺条件，工艺优化过程中活性保持水平以清除O2 · -能力为衡量指标，最优工艺条件下活性保持水平以干燥样品清除O2 · -能力与冷冻干燥样品清除O2 · -能力比值为衡量指标，其中清除O2 · -能力测定采用A052抗超氧阴离子试剂盒法；以冷冻干燥样品为参照物，通过堆积密度、溶解性、吸湿性、感官色泽、清除O2 · -能力等指标考察喷雾干燥样品理化特性。[结果]建立APCP最佳喷雾干燥条件为进口温度165 ℃，出口温度104 ℃，进料流速4.6 mL/min，在此条件下APCP清除O2 · -能力得到了很好地保持，保持率（90.67±5.53）%，水分含量（6.35±0.43）%；喷雾干燥样品的堆积密度变大、溶解时间延长、吸湿率降低、色泽稍微变白、清除O2 · -能力下降。[结论]在较高进口温度（165 ℃）、较低出口温度（104 ℃）及适当进料流速（4.6 mL/min）条件下APCP活性保持率可达（90.67±5.53）%，且所得APCP干燥效果良好，显示出较好的应用前景。

关键词 鸡肉蛋白；抗氧化肽；喷雾干燥；工艺；堆积密度；吸湿性；溶解性

中图分类号 TS201.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0080-04

Optimization of Spray Drying Technology of Antioxidant Peptide of Chicken Protein

PEI Xiaoping

（Department of Food & Chemical Engineering， Zhongshan Technician College， Zhongshan， Guangdong 528429）

Abstract [Objective] To establish a highly efficient spray drying technology for preparing antioxidant peptide of chicken protein（APCP） under maximum extent keeping its activity， and determine its remain activity and physicochemical properties.[Method]Response surface methodology（RSM） was used to determine the optimal spray drying process. Residual activity was evaluated by superoxide anion free radical scavenging activity during spray drying process， and the ratio of superoxide anion free radical scavenging activity of spray drying APCP to that of freeze drying APCP was used to evaluate the remain antioxidant activity of APCP at optimum conditions. Taking freeze drying APCP as reference object， the stacking density， solubility， hygroscopicity， colour and free radical scavenging activity were chosen as indexes to investigate the physicochemical properties of the spray drying product .[Result]The optimum spray drying conditions： inlet temperature 165 ℃， outlet temperature 104 ℃， feed flow rate 4.6 mL/min， and the yield of keeping activity could reach up to（ 90.67±5.53）%， and water content only （6.35±0.43）% under such conditions. The stacking density of pray drying APCP increased， the soluble time prolonged， the hygroscopicity decreased， the color become a bit whiter， and the activity was lower.[Conclusion]The yield of keeping activity can reach up to （9067±5.53）% on inlet temperature 165 ℃， outlet temperature 104 ℃ and feed flow rate 4.6 mL/min. Drying efficiency of APCP obtained in this way are satisfying， indicating assuring potential for applications.

Key words Chicken protein；Antioxidant peptide；Spray drying；Properties；Stacking density；Hygroscopicity；Solubility

作者简介 裴小平（1983—），男，江西抚州人，讲师，硕士，从事农产品加工与贮藏工程研究。

收稿日期 2017-07-21

抗氧化肽（APCP）具有清除自由基、保护机体、抗衰老等多种生物活性，在保健品和药品开发方面有广泛的应用前景，但APCP水溶液不便于常温贮藏和运输，将其干燥处理有利于工业化生产及应用。冷冻干燥能充分保持APCP的生物活性，但加工能耗高、生产成本贵，应用范围受限制；喷雾干燥能实现连续化生产且能耗较低，但存在喷雾干燥过程中高温对APCP生物活性影响的问题。

由于生物活性物质的活性易受加工条件和环境因素影响，研究其活性稳定性对于制定科学的生产工艺和应用方法具有重要的实际意义。许兵红等[1]研究丝光绿蝇抗菌肽的热稳定性时发现，100 ℃处理3 min后活性完全丧失；谢海伟等[2]发现，抗菌肽鲎素分子一级结构在120 ℃条件下处理30 min以上几乎被完全破坏；夏天瑶等[3]将注射胸腺肽在自然光条件下温度（60±2）℃热水中水浴10 h后仍然保持原有各项生物活性，表现出良好的热稳定性。在干燥效果最佳的前提下保持良好的生物活性及理化特性是APCP干燥过程中的关键问题。笔者在前人研究报道的基础上，采用响应曲面法优化APCP在较高进口温度下和较低出口温度下的喷雾干燥工艺条件，为其进一步应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料与主要试剂。

APCP水溶液：在pH 6.7、温度57 ℃、底物浓度6.9%、酶解时间5 h的条件下，中性蛋白酶（E/S=4 943 U/g）和木瓜蛋白酶（E/S=5 988 U/g）同步水解脱脂鸡肉蛋白制得；A052抗超氧阴离子自由基试剂盒，南京建成生物工程研究所，生化试剂；中性蛋白酶、木瓜蛋白酶，广州明远工贸有限公司等。

1.1.2 主要仪器。

Labconco Free Zone冷冻干燥机，美国Labconco公司；Büchi Mini Spray Dryer B-290喷雾干燥机，瑞士Büchi Labortechnik 公司；UV 1800 Pharmaspec分光光度计，深圳市科美嘉仪器设备有限公司；TDL-5-A台式离心机，上海安亭科学仪器厂；Sartorius精密pH计，北京泽祥恒达科技发展公司；电热恒温水浴锅，上海悦丰仪器仪表有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司等。

1.2 方法

1.2.1 进口温度对APCP抗氧化活性影响。

APCP水溶液50 ℃，热空气流量667 L/min，进料流速6 mL/min，出口温度80 ℃，进口温度分别为130、140、150、160、170、180 ℃时将APCP水溶液进行喷雾干燥，对干燥产品进行清除O2 · -能力评价，筛选最佳进口温度。

1.2.2 出口温度对APCP抗氧化活性影响。

APCP水溶液50 ℃，热空气流量667 L/min，进料流速6 mL/min，进口温度160 ℃，出口温度分别为70、80、90、100 ℃时对APCP水溶液进行喷雾干燥，对干燥产品进行清除O2 · -能力评价，筛选最佳出口温度。

1.2.3 进料流速对APCP抗氧化活性影响。

APCP水溶液50 ℃，热空气流量667 L/min，进口温度160 ℃，出口温度100 ℃，进料流速分别为3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 mL/min时对APCP水溶液进行喷雾干燥，对干燥产品进行清除O2 · -能力评价，筛选最佳进料流速。

1.2.4 APCP喷雾干燥工艺优化。

根據单因素试验结果，利用响应曲面法（RSM）中Box-Behnken程序，进口温度、出口温度、进料流速3个因素为因变量，每个因素取3个水平，以-1、0、1编码，以APCP清除O2 · -能力为响应值，进行试验设计，采用SAS9.0软件对试验数据进行分析。

1.2.5 APCP清除O2 · -能力測定。

将APCP冷冻干燥和喷雾干燥样品配成20 mg/mL的溶液，试验准确移取0.20 mL，采用A052抗超氧阴离子试剂盒测定其清除O2 · -的能力。具体测定过程参考A052抗超氧阴离子自由基测试盒说明书。

清除率= （对照管吸光度-测定管吸光度）/对照管吸光度×100%

1.2.6 APCP干燥样品活性保持评价。

将同步酶解制得的APCP水溶液分成两部分，一部分通过冷冻干燥机制得冷冻干燥粉，另一部分通过喷雾干燥机在响应曲面优化最佳工艺条件下制得喷雾干燥粉，以得到的喷雾干燥粉和冷冻干燥粉清除O2 · -能力的比值来评价APCP抗氧化活性经喷雾干燥后的保持率。

1.2.7 APCP干燥样品理化特性评价。

以APCP冷冻干燥样品为参照物，通过测定堆积密度[4]、吸湿率[5]、溶解性[6]、感官色泽及清除O2 · -能力来评价APCP喷雾干燥样品理化特性。

1.2.8 APCP水分含量测定。参照GB 5009.3—2010的方法测定。

2 结果与分析

2.1 进口温度对APCP抗氧化活性影响

如表1所示，进口温度越高，APCP干燥粉清除O2 · -的能力越低，这是由于温度提高会对APCP活性氨基酸残基产生破坏，甚至其一级结构遭到破坏，因此，在喷雾干燥过程中进口温度越低越好；另一方面，温度过低，热空气不能使喷雾干燥雾粒充分及时干燥，从而影响喷雾干燥效果。进口温度低于140 ℃时得不到干燥产品，150 ℃时产品含水量极高，高于170 ℃时壁上褐变逐渐严重。综合考虑，进口温度为160 ℃既可以保证得到APCP喷雾干燥产品又最大限度地保持其抗氧化活性，因此，选择进口温度为160 ℃。产品水分含量直接决定其品质和贮存时间，产品水分含量在2%以下最好，吴克刚等[7]学者认为只要出风温度高于80 ℃就可以保证喷雾干燥产品水分含量低于2%。但该试验所得喷雾干燥产品都比较黏手、水分含量较高，说明出口温度太低（80 ℃），下一步试验需提高出口温度。

2.2 出口温度对APCP抗氧化活性影响

如表2所示，随着出口温度升高，APCP干燥粉清除O2 · -的能力逐渐降低，这主要是因为出口温度过高使APCP长时间处在高温环境下而导致抗氧化活性丧失；但温度过低，又使APCP长时间处在湿润的环境中而得不到干燥产品。出口温度70 ℃时得不到干燥产品，80、90 ℃时产品较湿润，100 ℃时才能得到较好干燥产品。这与吴克刚等[7]学者认为出口温度为80 ℃就可以使干燥产品水分含量低于2%不一致，主要是因为APCP具有良好的吸湿和保水特性，导致在较低出口温度下APCP既吸收湿润水蒸气又难以脱水而不能使产品充分干燥[8]。综合考虑，选择出口温度为100 ℃。

2.3 进料流速对APCP抗氧化活性影响

进料流速是喷雾干燥一个最重要的工艺参数，流速过高，热空气不能使过量雾粒充分脱水而得不到干燥产品；流速过低，既导致产品过度受热失活也影响喷雾干燥效率。如表3所示，进料流速高于7.5 mL/min时喷雾干燥产品水分含量极高甚至得不到干燥产品，低于6.0 mL/min时可以得到喷雾干燥产品，但伴随着褐变等不良现象产生，影响APCP的抗氧化活性。在3.0～90 mL/min范围内，随着进料流速的增加，APCP清除O2 · -能力先增大后减少，在4.5 mL/min时达到最大。综合考虑，选择4.5 mL/min为最佳进料流速。

2.4 APCP喷雾干燥工艺优化及理化特性分析

2.4.1 APCP喷雾干燥响应曲面试验设计与结果。

根据单因素试验结果，利用响应曲面法（RSM）中Box-Behnken程序理论，設计了响应曲面因素水平表，见表4。根据表4中的因素水平进行Box-Behnken试验，结果见表5。

2.4.2 喷雾干燥各因素对APCP抗氧化活性影响的回归模型分析。

采用SAS统计软件，通过其响应曲面回归（RSREG）过程进行数据分析，建立关于喷雾干燥进口温度、出口温度、进料流速三者对APCP清除O2 · -能力的二阶响应曲面模型，并进而寻求在喷雾干燥过程中既最大化保持APCP活性而又得到充分干燥产品的最优响应曲面因子水平。

回归模型（P=0.025 75<0.05）达到显著水平，误差项不显著，且回归方程相关系数R2=0.922 2，说明回归方程与实际情况吻合很好，可以用此模型预测各因素对APCP在喷雾干燥中抗氧化活性的影响。通过对表5中的结果进行回归分析得出回归方程为Y1 = 75.534 2-0223 1X1-1159 1X2+0.952 2X3-2.330 5X21+ 0.858 8X1X2+0195X1X3-3.117 4X22+0.031 88X2X3-9.446 1X23。根据回归方程各因素系数绝对值的大小，评价各因素对APCP抗氧化活性的影响程度，其大小顺序依次为进料流速、出口温度、进口温度。根据回归方程可以得出APCP 抗氧化活性在喷雾干燥过程中损失最小的最佳因子水平为进口温度16459 ℃ ，出口温度104.02 ℃，进料流速4.57 mL/min。为了操作方便，将最佳工艺调整为进口温度165 ℃，出口温度104 ℃，进料流速4.6 mL/min。此时APCP抗氧化活性损失最小，清除率达75.68%。喷雾干燥产品水分含量决定其品质和贮存时间，是喷雾干燥成功与否的关键。该试验对APCP干燥产品水分含量进行了测定，结果如表5，发现水分含量波动较大，最大值达（8.47±0.35）%，此水分含量条件下不利于产品保存；最小值为（6.01±0.13）%，远远低于水分含量8%的安全线[9]。在最佳喷雾干燥工艺条件下，APCP产品水分含量为（6.35±0.43）%。

2.4.3 APCP活性保持分析。

将喷雾干燥粉和冷冻干燥粉配成浓度为20 mg/mL的APCP水溶液，根据两者清除O2 · -能力的比值，进一步考察通过喷雾干燥所得到APCP清除O2 · -能力的保持水平，结果见表6。

2.4.4 APCP干燥样品理化特性分析。

以冷冻干燥样品为参照物，评价经喷雾干燥后APCP的理化特性，结果如表7和图1。从表7中可见，经喷雾干燥后APCP堆积密度和溶解时间都变大，可能原因是APCP水溶液经雾化器喷成微小雾粒，经热风干燥成微小颗粒粉末，成品颗粒之间间隙变小，使得一定体积内能堆积更多的APCP，造成堆积密度变大，也正是因为此，水中溶解时APCP粉末表面迅速吸水湿润，减缓水进入内部的速度而延长溶解時间；颜色存在变白趋势，可能是由于受高温、雾化和样品水分含量共同影响的结果，清除O2 · -能力下降是高温导致活性氨基酸残基部分结构遭到破坏。图1中样品的吸湿曲线比冷冻干燥低，可能由于样品堆积密度变大，或高温破坏样品中部分亲水基团。

3 结论与讨论

喷雾干燥过程中，进出口温度增高、APCP清除O2 · -能力保持水平降低，如何保持APCP清除O2 · -能力与制得优良品质的干粉是该试验研究的重点。出口温度为80 ℃、进料流速6 mL/min时，进口温度150 ℃的APCP干燥粉清除O2 · -能力为（78.90±0.41）%，当增加到180 ℃时清除能力降低至（76.80±0.42）%，经统计分析发现，两者差异显著（P<005）；进口温度为160 ℃、进料流速6 mL/min时，出口温度80 ℃的APCP干燥粉清除O2 · -能力为（78.76±0.13）%，当增加到100 ℃时清除能力降低至（72.38±0.27）%，经T检验发现两者差异显著（P<0.05）；可能是180 ℃进口高温和100 ℃出口高温破坏了清除O2 · -能力强的活性氨基酸结构，从而降低了清除O2 · -能力。APCP处在喷雾干燥最佳进出口温度条件下（进口温度165 ℃、出口温度104 ℃），清除O2 · -能力从83.48%降低到75.68%，将近下降10百分点。导致活性下降的原因可能是高温导致氢键断裂或清除O2 · -能力强的活性氨基酸残基非化学键结构破坏，这与赵谋明等[10]学者研究有一致的结论，其通过进口温度160 ℃，出口温度90 ℃的喷雾干燥工艺制备了色泽较浅、粉末较细的蓝园鲹抗氧化肽粉剂，其活性保持率为（93.50±2.30）%，也将近下降7%；但与周雪松等[11]和姜瞻梅等[12]学者的结论不一致，周雪松通过进口温度为160 ℃，出口温度为90 ℃喷雾干燥工艺制备鸡肉蛋白酶解产物干燥粉，发现其清除DPPH·的活性和还原力与喷雾干燥前无显著差异（P>0.05），这可能是由于进口温度和出口温度都低于笔者的该试验，没有明显破坏清除DPPH·能力强和还原力强的活性氨基酸残基，但其没有研究清除O2 · -能力是否降低；姜瞻梅等[12]将酪蛋白源ACE抑制肽通过进口温度180 ℃，出口温度100 ℃喷雾干燥时发现温度对其活性影响不显著，其进口温度比该试验高，却能完好地保持其ACE抑制活性，可能是由于ACE抑制肽结构与APCP不一致，其结构能提高耐温能力。

O2 · -是生物體内一种重要的自由基，性质活泼，具有多种反应特性，具有很强的氧化性和还原性，它既可作为还原剂又可作为氧化剂，还可作为亲核物和配体参与反应。由于O2 · -性质活泼，会攻击生命大分子物质及细胞壁，造成机体的多种损伤和病变，加速机体的衰老，如破坏核酸中的碱基而产生突变，攻击生物膜上的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，导致细胞膜结构和功能改变，出现细胞坏死和变性。可见，O2 · -是生物体中具有典型代表的活性氧自由基，因此，该试验评价APCP抗氧化活性时以清除O2 · -能力为指标。

APCP水溶液喷雾干燥工艺优化数学回归模型为Y1=75.534 2-0.223 1X1-1.159 1X2+0.952 2X3-2.330 5X21+0.858 8X1X2+0.195X1X3-3.117 4X22+0.031 88X2X3-9.446 1X23。采用此模型在該试验范围内能准确预测在喷雾干燥过程中各因素对APCP清除O2 · -能力的影响。

通过试验结果方差分析可知，在该试验范围内，各因素对APCP清除O2 · -能力的影响作用大小顺序依次为进料流速、出口温度、进口温度。

APCP水溶液喷雾干燥最佳工艺为进口温度165 ℃，出口温度104 ℃，进料流速4.6 mL/min，此时APCP清除O2 · -能力保持最好，清除率达到75.68%。

APCP经最佳干燥工艺干燥后清除O2 · -能力得到很好地保持，其活性保持率为（90.67±5.53）%，水分含量为（6.35±0.43）%；干燥产品堆积密度变大、溶解时间延长、吸湿率降低、 色泽稍微变白、清除O2 · -能力下降10%左右。该方法具有耗能低、效率高、易连续化生产等优点，为APCP工业化生产和应用提供理论基础。

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