喷雾干燥法制备双孢菇蛋白粉工艺优化及其营养价值评价

鲁玉佳,田 路,胡亚平,赵立强,张金秀,王立安,*

(1.河北师范大学生命科学学院,河北石家庄 050024;2.邢台医学高等专科学校,河北邢台 054001)

双孢菇是世界第一大宗食用菌,国外主要以工厂化方式生产,国内以园区化和工厂化方式生产。双孢菇子实体肉质鲜美,蛋白质含量丰富,有“素中之王”的称号[1],子实体干品蛋白质含量为35%～38%[2-5],且氨基酸种类齐全。双孢菇鲜品不易保存,容易褐化、腐烂[6-7],所以研究双孢菇蛋白粉加工技术对于提高产品技术附加值具有非常重要意义。

马泽青等[8]研究了提取温度、料液比、超声功率和超声时间四个因素及其交互作用对双孢蘑菇蛋白质提取工艺的影响,证实在超声功率130 W、提取温度43 ℃、超声时间40 min、料液比1∶5条件下,双孢蘑菇蛋白质提取率可达50.39%。吴华玉等[9]以贺兰山紫蘑菇为材料,对紫蘑菇中蛋白质提取的料液比、温度、pH进行了研究。在蛋白粉工艺优化和品质研究方面,Liu lili等[10]以蛋清蛋白为材料,比较了冷冻干燥和喷雾干燥两种方法对蛋白粉功能及性质的影响。蛋白粉制备工艺研究更多的文献报道集中在以绿豆、葡萄籽、苜蓿等为材料进行的[11-13]。

蛋白质提取液常用的干燥方法有:烘箱干燥、常温晾干、冷冻干燥和喷雾干燥四种方法[14-15]。其中,常温晾干和烘箱干燥常用于饲用蛋白质的制备。冷冻干燥制备的蛋白质活性高,但冷冻干燥设备昂贵,成本及能耗较高[16]。喷雾干燥是用雾化器将蛋白液分散为液滴,利用热空气将物料迅速干燥成粉。在干燥过程中,瞬时高温会使物料发生最小程度的变性,且投资小、生产效率高,适用于工厂化生产[17]。本文采用正交实验法对喷雾干燥法制备双孢菇蛋白粉的工艺进行了研究,以期为工厂化生产蛋白粉奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

双孢菇(Agaricusbisporus)子实体 由河北微巨生物科技有限公司提供;氢氧化钠、无水乙醇、浓盐酸等 均为分析纯,永大试剂公司。

FW-117型中药粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司;pH计 赛多利斯科学仪器有限公司;电子天平 上海精密科学仪器有限公司;JM-L50型胶体磨 杭州惠合机械设备有限公司;SP-150型喷雾干燥机 上海顺仪科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 粉碎 选取洁白的双孢菇子实体,去除杂物后切成薄片,放在烘箱中35～45 ℃烘干2～3 d,待子实体完全干燥后,用中药粉碎机破碎成粉末过80目筛，制成干粉。

1.2.2 碱溶酸沉 称取200 g干粉,按1∶20料液比加入4 L蒸馏水,加入0.1 mol/L NaOH调节pH至10.5,35 ℃搅拌提取20 min后,3500 r/min离心20 min,取上清液。将得到的上清液用0.1 mol/L稀盐酸调节pH至4.5,3500 r/min离心20 min,弃上清液,得沉淀部分,加水溶解后调节pH至中性即为双孢菇蛋白质提取液。

1.2.3 喷雾干燥 设定喷雾干燥机进风温度、进料速率,配制不同浓度的蛋白质提取液,待系统稳定之后,泵入蛋白质提取液,对样品进行喷雾干燥。

1.2.3.1 单因素实验 以蛋白粉的集粉率为考核指标[18],设定不同双孢菇提取液蛋白质浓度、进风温度、进料速率研究双孢菇蛋白质提取液的喷雾干燥工艺。

提取液蛋白质浓度对喷雾干燥效果的影响:在进风温度为160 ℃,进料速率为700 mL/h条件下,在提取液蛋白质浓度10、20、30、40、50 mg/mL范围内,对蛋白粉集粉率的影响。

进风温度对喷雾干燥效果的影响:在提取液蛋白质浓度为40 mg/mL,进料速率为700 mL/h条件下,在进风温度140、150、160、170、180 ℃范围内,对蛋白粉集粉率的影响。

进料速率对喷雾干燥效果的影响:在提取液蛋白质浓度为40 mg/mL、进风温度为160 ℃条件下,在进料速率500、600、700、800、900 mL/h范围内,对蛋白粉集粉率的影响。

1.2.3.2 正交实验设计 在单因素实验基础上,以双孢菇提取液蛋白质浓度、进风温度、进料速率为影响因素进行正交实验,优化双孢菇蛋白粉制备的喷雾干燥工艺。

表1 双孢菇蛋白粉喷雾干燥正交实验设计

1.2.3.3 验证实验 采用正交实验结果所得的最优工艺进行验证实验，测定集粉率。并对小试实验进行放大的进行中试试验，放大5倍，进行三次平行，测定集粉率。

1.2.4 双孢菇蛋白粉营养价值评价

1.2.4.1 蛋白质含量测定 采用凯氏定氮法测定[19]。

1.2.4.2 氨基酸种类和含量分析 采用氨基酸自动分析仪，由上海复昕化工技术服务有限公司检测完成。

1.2.4.3 氨基酸评分(AAS) 采用下列公式进行。

氨基酸评分(%)=[待测蛋白粉中氨基酸含量(mg/g)]/[WHO/FAO模式中同种氨基酸含量(mg/g)]×100

1.2.4.4 蛋白粉其他营养成分及金属元素含量测定 对双孢菇蛋白粉中的营养成分及金属元素含量进行了测定。碳水化合物、灰分含量测定采用重量法;脂肪测定采用索氏抽提法;粗纤维测定采用范苏士特酸性洗涤剂法;微量元素测定采用电感耦合等离子体质谱法，由上海复昕化工技术服务有限公司检测;重金属含量采用电感耦合等离子体质谱法。测定含量结果同国家标准[20]相比较。

1.2.5 双孢菇蛋白粉理化特性测定

1.2.5.1 集粉率的测定 将双孢菇碱溶酸沉得到的蛋白质沉淀冷冻干燥,称其重量,并称取500 mL水,配制成蛋白质提取液,其浓度为c。经喷雾干燥后,称量收集到的蛋白粉的质量记为m。

1.2.5.2 蛋白粉水合能力(WHC)测定 称取样品m1(g),置于已知质量m0(g)的离心管中,逐步向离心管中加水,边加水边搅拌,直到样品呈匀浆状。2000 r/min离心10 min,弃上清,称质量m2(g)。实验重复三次取平均值[21]。

1.2.5.3 蛋白粉乳化能力测定 称取2 g蛋白粉置于15 mL蒸馏水中,加入15 mL橄榄油,搅拌均匀,2500 r/min离心5 min。分别测离心管中液体的总高度和乳化层高度,实验重复三次[22]。

式中:C-蛋白的乳化能力;H1-乳化层的高度(cm);H2-液体层的总高度(cm)。

1.2.5.4 蛋白粉的起泡性及泡沫稳定性 称取2 g蛋白粉,加入100 mL蒸馏水(V)。用胶体磨研磨2 min后移至1000 mL量筒中,记录泡沫的体积V0;再将装有蛋白粉溶液的量筒放入30 ℃的水浴锅中静置30 min,记录泡沫体积V1,重复三次取平均值[23]。

1.2.5.5 蛋白粉吸油性测定 称取0.50 g蛋白粉(m),在10 mL离心管中加3 mL橄榄油(V),用振荡器振荡1 min后静置30 min,3000 r/min离心20 min,记录游离油的体积(V1)实验重复三次取平均值[24]。

1.2.5.6 蛋白粉吸水性 称取1 g蛋白粉样品(m),放置于直径为10 cm的培养皿中称重,记为m1。把样品放置干燥箱中,设置温度为35 ℃,2 h称重一次,直至样品质量不再变化停止称重,记为m2。实验重复三次[25]。

1.2.5.7 蛋白粉颗粒的扫描电子显微镜观察 双面胶粘在铜制的载物台上,取少量双孢菇蛋白粉散落至双面胶上。用洗耳球吹走未固定的蛋白颗粒[26]。将有蛋白粉的载物台放入溅射镀膜仪内喷金进行导电处理,当真空度大于13 Pa时开始镀膜,控制电流为7 mA,镀膜时间为10 min后,把带有样品的载物台放入扫描电子显微镜样品室中,分别放大400和5000倍观察蛋白粉颗粒[27]。

1.3 数据分析

正交实验分析方法采用SPSS软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 蛋白粉喷雾干燥单因素实验结果

2.1.1 提取液蛋白质浓度对喷雾干燥效果的影响 由表2可知,随着浓度的增加,集粉率逐渐增大,随后下降;在蛋白质浓度为40 mg/mL时,蛋白粉挂壁较少,集粉率最高为35.7%,且得到的蛋白粉具有清香蘑菇味;当浓度为50 mg/mL时,蛋白粉挂壁较多,集粉率最低,且有焦糊味。因此,选取蛋白质浓度为35～45 mg/mL进行正交实验。

表2 提取液蛋白质浓度对喷雾干燥效果的影响

2.1.2 进风温度对喷雾干燥效果的影响 由表3可知,当进风温度为140～150 ℃时,喷出的蛋白粉水分大、粘壁、集粉率低;当温度为160 ℃时,挂壁较少,集粉率最高达37.9%,且得到的蛋白粉有蘑菇香味;当温度为180 ℃时,蛋白粉有焦糊味,喷口容易被堵住,挂壁现象严重。因此,选取155～165 ℃进行正交实验。

表3 进风温度对喷雾干燥效果的影响

2.1.3 进料速率对喷雾干燥效果的影响 由表4可知,当进料速率为500 mL/h时,喷雾干燥时物料受热较充分,但蛋白粉容易焦糊、挂壁;当进料速率为700 mL/h时,蛋白粉的集粉率增高,最高达36.5%,风味也较正;当进料速率达到900 mL/h时,由于进料较快,蛋白粉水分含量高,挂壁现象严重。综合考虑,选取650～750 mL/h进行正交实验。

表4 进料速率对喷雾干燥效果的影响

2.2 蛋白粉喷雾干燥正交实验结果

在单因素基础上,以蛋白液浓度、进风温度、进料速率为影响因素,采用正交实验对喷雾干燥工艺进行优化,实验结果见表5。

由表5、表6可知,各因素对实验结果的重要次序为C>B>A,双孢菇蛋白液喷雾干燥的最佳工艺条件是A2B2C1。即提取液蛋白质浓度为40 mg/mL、进风温度为160 ℃、进料速率为650 mL/h条件下,蛋白粉的集粉率最高达38.83%。进风温度和进料速率对双孢菇蛋白粉集粉率在统计学上有显著影响(p<0.05)。

表5 蛋白粉喷雾干燥正交实验结果

表6 正交实验方差分析

对正交试验得出最优条件进行三次验证实验，集粉率分别为37.6%、38.9%和38.3%，提取率稳定，证明模型可靠，工艺稳定可行。

按照正交实验结果进行中试试验，采用1 kg双孢菇干粉对建立的工艺进行验证,喷雾干燥得到62.2 g蛋白粉,集粉率为37.60%。

2.3 双孢菇蛋白粉的营养成分分析结果

2.3.1 双孢菇蛋白粉中营养成分及氨基酸含量 检测报告显示,双孢菇蛋白粉中蛋白质含量为65.8%,碳水化合物为8.8%,粗脂肪为0.4%,粗纤维为3.8%,灰分为2.0%,水分为7.20%。

双孢菇蛋白粉氨基酸组成、含量及分析结果见表7、表8。

表7 双孢菇蛋白粉中氨基酸的组成和含量(mg/g)

表8 双孢菇蛋白粉必需氨基酸含量与FAO参考模式的比较[86]

由表7、表8可知,在正交实验得到的最佳条件下制备的双孢菇蛋白粉氨基酸种类共18种,种类齐全。人体必需的8种氨基酸占氨基酸总量的41.0%;苏氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸四种必需氨基酸接近FAO/WHO标准。尤其是异亮氨酸和苏氨酸贴近度几乎达100%,必需氨基酸总量为237.5 mg/g,占WHO参考模式的79.9%。氨基酸评分较高,蛋白粉品质较好。

2.3.2 蛋白粉矿质营养元素及重金属含量 双孢菇蛋白粉中矿质营养元素及重金属含量见表9、表10。

由表9知,双孢菇蛋白粉中人体所需矿质营养元素含量依次为:Na>P>K>Ca>Mg>Cu>Fe>Zn。P对牙齿和人体骨骼等组织的发育及维持体内的酸碱平衡有重要作用。K具有维持心肌运动和神经兴奋性的作用,同时参与了细胞内蛋白和糖的代谢,K还具有降血压的作用。Fe是一种重要的补血元素,Mg有保护心血管系统的作用。Ca的含量为233.5 mg/kg,双孢菇蛋白粉也可作为一种补钙食品。

表9 双孢菇蛋白粉中矿质元素的含量(mg/kg)

表10显示,制备的双孢菇蛋白粉中重金属含量均在国标以内,为安全健康食品。

表10 双孢菇蛋白粉重金属含量(mg/kg)

2.4 双孢菇蛋白粉理化特性

双孢菇蛋白粉理化特性结果见表11、图1。

图1 双孢菇蛋白粉扫描电镜图

表11 双孢菇蛋白粉理化特性

由表11可知,双孢菇蛋白粉的水合能力为3.03%,吸水性为0.3 g/g,发泡能力为93.56%,发泡稳定性为48.76%。其中,吸水性和发泡稳定性与大豆蛋白粉接近。但双孢菇蛋白粉的发泡能力优于大豆蛋白粉,可作为发泡剂在食品加工中使用。双孢菇蛋白粉的吸油性较强,在油脂较多的食品体系中可发挥较好的乳化作用。

图1显示双孢菇蛋白粉颗粒扫描电镜表征。由图1A可见,双孢菇蛋白粉颗粒表面光滑,呈球状排布开;由图1B可见,蛋白粉颗粒大部分集中在10～20 μm之间。

3 结论

采用喷雾干燥法,在提取液蛋白浓度为40 mg/mL,进风温度160 ℃,进料速率650 mL/h条件下,对双孢菇蛋白质提取液的集粉率最高为38.8%,且制备的蛋白粉具有双孢菇鲜品的气味。双孢菇蛋白粉颜色灰白、水溶性良好、营养丰富、安全,可作为优良的保健食品。

[1]李江林,谢爱英.双孢菇豆浆奶冻的工艺研究[J].食品工业,2013,34(11):114-116.

[2]张素芳.双孢菇的高产栽培技术[J].河南农业,2016(13):40.

[3]吴素玲,孙晓明,王波,等.双孢蘑菇子实体营养成分分析[J].中国野生植物资源,2006,25(2):47-48.

[4]Kimatu B M,Zhao L,Biao Y,et al. Antioxidant potential of edible mushroom(Agaricusbisporus)protein hydrolysates and their ultrafiltration fractions[J]. Food Chemistry,2017,230:58-67.

[5]Aguirre L,Frias J M,Barry C. Assessing the effect of product variability on the management of the quality of mushrooms(Agaricusbisporus)[J]. Postharvest Biology & Technology,2008,49(2):247-254.

[6]徐冬颖,姜爱丽,胡文忠,等.双孢菇保鲜及抗褐变处理研究现状[J].食品与发酵工业,2016,42(6):254-259.

[8]马泽青,张宝善,赵舒欣,等.响应面法超声波辅助提取双孢蘑菇蛋白工艺优化[J].食品工业科技,2012,33(23):229-233.

[9]吴华玉,刘敦华. 贺兰山紫蘑菇中蛋白质提取工艺研究[J]. 食品科技,2011,36(1):184-187.

[10]Liu L L,Wang H,Ren G Y,et al. Effects of freeze-drying and spray drying processes on functional properties of phosphorylation of egg white protein[J]. International Journal of Agricultural & Biological Engineering,2015,8(4):116-123.

[11]李玉邯.喷雾干燥法制备绿豆蛋白粉工艺研究[J].粮油食品科技,2014,22(6):17-19.

[12]王丹,江英,颜海燕,等.喷雾干燥法制备葡萄籽粕蛋白粉的工艺研究[J].食品工业科技,2015,36(24):247-251.

[13]朱宇旌,张勇,李玉杰,等.苜蓿干草提取叶蛋白最佳工艺的研究[J].中国饲料,2006,27(2):142-145.

[14]张雯雯,郑华,李坤,等.正交实验优化喷雾干燥法制备玛咖精粉工艺[J].食品科学,2014,35(16):34-38.

[15]夏克东,张骊,李海旺,等. 不同干燥方法制备的星油藤分离蛋白功能性质的比较研究[J] //中国油脂,2015,40(8):12-16.

[16]叶崇军. 喷雾干燥和冷冻干燥制备丝胶蛋白粉的比较研究[A]//中国蚕学会.中国蚕学会第八届青年学术研讨会论文集[C].中国蚕学会，2014:3.

[17]刘云宏,郭松旺,张争艳,等.鸡蛋蛋白粉的离心喷雾干燥研究[J].粮油食品科技,2005,13(2):7-9.

[18]赵海霞，秦超华，刘娅，等. 喷雾干燥法制备打瓜籽蛋白粉的研究[J]. 食品工业科技，2015，36(24)：256-259.

[19]陈智慧，史梅，王秋香，等. 用凯氏定氮法测定食品中的蛋白质含量[J]. 新疆畜牧业，2008(5)：22-24.

[20]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会. GB 7096-2014 《食品安全国家标准 食用菌及其制品》[S]. 中国标准出版社，2014.

[21]吕兴强,潘从道,印兆庆.“蛋白质物质的水合能力”AACC88-04测定方法的探讨[J].粮食与饲料工业,1996(7):43-44.

[22]张钊,张效伟,王阳,等.提高大豆分离蛋白乳化能力的研究[J].中国油脂,2008,33(6):19-23.

[23]何希强,肖怀秋,王穗萍.豌豆蛋白质起泡性与乳化性研究初探[J].粮油食品科技,2008,16(3):50-52.

[24]孙冰玉,石彦国.微波对醇提大豆浓缩蛋白吸油性的影响[J].中国食品学报,2006,6(5):97-100.

[25]孙冰玉,石彦国.微波对醇法大豆浓缩蛋白吸水性的影响[J].食品工业科技,2005,26(11):74-75.

[26]佟维娜,蔡丹,郑明珠,等.羊肚菌固态发酵玉米蛋白粉的研究[J].中国粮油学报,2017,32(1):113-118.

[27]张旭.玉米醇溶蛋白的制备及醇溶蛋白涂膜的应用[D].哈尔滨:东北农业大学,2007.

[28]张钟,王华. 不同干燥方法对大豆分离蛋白功能性质的影响[J]. 食品与机械,2003(2):11-13.