RSD法優(yōu)化微膠囊化乳清小肽噴霧干燥工藝研究

肖功年，何光華，儲(chǔ)小軍，尤玉如，*

(1.浙江科技學(xué)院省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023;2.浙江貝因美科工貿(mào)股份有限公司，浙江杭州 310007)

RSD法優(yōu)化微膠囊化乳清小肽噴霧干燥工藝研究

肖功年1，何光華2，儲(chǔ)小軍2，尤玉如1，*

(1.浙江科技學(xué)院省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310023;2.浙江貝因美科工貿(mào)股份有限公司，浙江杭州 310007)

對(duì)乳清小肽粉的表觀密度大小與溶解沖調(diào)性的關(guān)系進(jìn)行了研究。密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，溶解沖調(diào)性最好。研究了料液濃度、進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)口溫度對(duì)干燥粉末的影響，并采用響應(yīng)面分析法(RSD)優(yōu)化了微膠囊化乳清小肽噴霧干燥的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧干燥的最佳條件為:料液濃度27.75%、進(jìn)風(fēng)量3.72m3/min、進(jìn)風(fēng)溫度190℃。

響應(yīng)面分析，乳清小肽，噴霧干燥

乳清蛋白質(zhì)粉是從鮮牛奶中提取的有營養(yǎng)的活性乳清蛋白濃縮粉，同人的母乳有著相同的活性蛋白質(zhì)——合成谷胱甘肽物質(zhì)［1－4］。它含有四十多種營養(yǎng)元素，是成人和兒童攝取多種維他命、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和能量的寶貴來源。乳清蛋白是從牛奶中提取出來的，牛奶的組成中87%是水，13%是乳固體。而在乳固體中27%是乳蛋白質(zhì)，乳蛋白質(zhì)中只有20%是乳清蛋白，其余80%都是酪蛋白，因此乳清蛋白在牛奶中的含量僅為0.7%，可見彌足珍貴［5］。乳清蛋白經(jīng)蛋白酶水解后，不僅能夠顯著改善其乳化性、起泡性能，而且降解后的肽段更易于機(jī)體的轉(zhuǎn)化、吸收和利用。其中一些肽段更是有著特殊的生理功能，如降血壓、降膽固醇、抗菌、鎮(zhèn)靜、增強(qiáng)免疫力、促進(jìn)生長等［6－8］。但乳清蛋白是一種敏感性的蛋白質(zhì)，在熱、酸的作用下極易變性，溶解度明顯下降，使其應(yīng)用范圍受到很大的限制。本文探索利用蛋白酶將乳清蛋白水解，然后進(jìn)行微膠囊化，研究噴霧干燥對(duì)其性能的影響，為乳清進(jìn)一步的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

WPC80粉 蛋白質(zhì)含量為80%的濃縮乳清蛋白粉，貝因美集團(tuán);胰蛋白酶 BR，活力≥2500U/mg，pH5.0～7.0，50g/L，25℃，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;卵磷脂 BR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;β－環(huán)糊精

BR，上海伯奧生物科技有限公司;實(shí)驗(yàn)室常規(guī)試劑。

SCA210電子天平 上海奧豪斯國際貿(mào)易有限公司;DKS－24電熱恒溫水浴鍋 杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠;B25高剪切分散均質(zhì)機(jī) 上海貝而特機(jī)電設(shè)備科技有限公司;YC－015實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī) 上海雅程設(shè)備儀器有限公司;PhS－25型pH計(jì) 上海精科科學(xué)儀器有限公司;SCK820秒表 福州市哈吉爾電子廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 稱取乳清蛋白粉→加水?dāng)嚢枞芙狻A(yù)熱至60℃，加NaOH或HCl溶液調(diào)制pH7.0→加入水解所需的蛋白酶(E/S為3%)→60℃恒溫水浴中酶解5h→按固形物(WPC80粉)∶卵磷脂=100∶1比例加入10%的卵磷脂溶液，再加入8%的β－環(huán)糊精溶液(WPC80∶β－環(huán)糊精=4∶1)→均質(zhì)5min→噴霧干燥→小肽粉

1.2.2 粉末表觀密度和溶解性能研究 取不同條件下噴霧干燥得到的粉末(15個(gè)點(diǎn))，測試其表觀密度，研究每個(gè)樣品在水中的溶解時(shí)間，分析其溶解性能。

1.2.3 料液濃度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響 選取21%、23%、25%、27%、29%、31%的不同料液濃度進(jìn)行噴霧干燥實(shí)驗(yàn)，研究不同料液濃度對(duì)乳清小肽粉末的影響。

1.2.4 進(jìn)風(fēng)量對(duì)表觀密度和粉末性能的影響 選取3.22、3.50、3.78、4.06、4.34m3/m in 的不同進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行噴霧干燥實(shí)驗(yàn)，研究不同進(jìn)風(fēng)量對(duì)乳清小肽粉末的影響。

1.2.5 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響 選取 180、190、200、210、220℃的不同干燥進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行噴霧干燥實(shí)驗(yàn)，研究不同干燥溫度對(duì)乳清小肽粉末的影響。

1.2.6 RSD法優(yōu)化工藝實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了三因素三水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，共有15組實(shí)驗(yàn)，其中12組為析因點(diǎn)，3個(gè)零點(diǎn)以估計(jì)誤差。采用料液濃度X1(%)、進(jìn)風(fēng)量X2(m3/m in)和進(jìn)風(fēng)溫度X3(℃)作為自變量，以感官評(píng)定分?jǐn)?shù)與溶解性評(píng)定分?jǐn)?shù)相加之和作為響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)因素與水平的安排如表1所示。

表1 RSD法實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.3 測定方法

1.3.1 感官評(píng)定 采用綜合感官法確定乳清小肽干燥粉末的性能，即將感官(色澤、香味、組織狀態(tài))評(píng)定的得分加上沖調(diào)性能的得分，得到最終的樣品品質(zhì)總分(滿分20分)。

1.3.1.1 感官評(píng)定方法 挑選10名評(píng)分人員，分別從色澤、香味、組織狀態(tài)三個(gè)方面，對(duì)樣品感官品質(zhì)進(jìn)行10分制的評(píng)定，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。取10名評(píng)分人員對(duì)三方面因素評(píng)分的平均值，采用變異系數(shù)法來確定三個(gè)指標(biāo)間的權(quán)重。參照文獻(xiàn)［9］方法進(jìn)行，獲得色澤、香味、組織形態(tài)的權(quán)重分別為:0.3269、0.2557、0.4174。

將每個(gè)指標(biāo)的平均得分乘以各自指標(biāo)的權(quán)重，得到該樣品在感官評(píng)定方面的得分。

1.3.1.2 沖調(diào)性的感官評(píng)定 用量筒量取50℃的蒸餾水100m L于200m L的燒杯中，然后稱量樣品10g分散地倒入燒杯中，在將樣品迅速倒入的同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，記錄粉末的下沉?xí)r間及全部溶解的時(shí)間。同時(shí)觀察是否有上浮塊，最后觀察是否有未溶解的白色小點(diǎn)。

表2 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

表3 沖調(diào)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 表觀密度的測定 在分析天平上稱取烘干至恒重的100m L量筒的重量，然后自然地倒入粉末至100m L刻度線，稱量重量并且計(jì)算單位體積的重量，用此種方法檢測的密度稱之為表觀密度［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶解性與表觀密度的關(guān)系

由圖1可以看出，表觀密度越大，溶解時(shí)間并不是越短，密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，溶解時(shí)間較為適宜，而密度在0.3785g·cm－3以上的次之，密度在0.3519g·cm－3以下的顆粒溶解時(shí)間最長，需要反復(fù)攪拌才會(huì)溶解。

圖1 乳清小肽粉末表觀密度與溶解時(shí)間的關(guān)系

上述情況大致由兩種粉末導(dǎo)致:一種是顆粒細(xì)小，由于本身較輕，沖調(diào)后下沉速度較慢，大量細(xì)粉粒傾倒入水中而浮于表面，由于毛細(xì)管作用，水進(jìn)入粉中膨脹而致使粉團(tuán)下沉，干粉被包裹而沉于杯底;另一種是顆粒正常，但顆粒結(jié)構(gòu)致密，沖凋后下沉速度較快，粉與水尚未充分接觸就已到達(dá)杯底，致使杯底沉淀多，需要較長時(shí)間的攪拌才能使粉粒完全溶解。

密度在 0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，顆粒松散、表面粗糙、顆粒大小均勻，沖調(diào)性最好。在沉降過程中絕大部分能與水充分接觸，少量剩余只需稍稍攪拌就能溶解。

表5 進(jìn)風(fēng)量對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

2.2 料液濃度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。從表中可以看出，物料濃度越高，料液黏度增大，霧滴在干燥過程中的膨脹系數(shù)減小，又由于強(qiáng)熱風(fēng)的作用，表面干燥過于迅速，表面易結(jié)一層硬殼，從而內(nèi)部水分很難擴(kuò)散到表面，顆粒內(nèi)空隙的體積減小，易形成硬粒粉，降低了粉末的溶解性，

這與徐秋梅等報(bào)道一致［11］;并且濃度過高，其產(chǎn)品的光澤也將受到影響;若物料濃度過低，則易造成產(chǎn)品顆粒細(xì)小、不松散、沖調(diào)后下沉速度慢和上浮團(tuán)塊較多。

表4 料液濃度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

2.3 進(jìn)風(fēng)量對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。從表中可以看出，進(jìn)風(fēng)量太大會(huì)致使液滴未充分干燥而使產(chǎn)品粘于瓶壁，難于收集且會(huì)將原本被收集的粉末吹入排風(fēng)管，致使產(chǎn)率降低。進(jìn)風(fēng)量過小則會(huì)影響霧滴的附聚效果，降低粉末顆粒在水中的沉降能力，并且還會(huì)造成粉末顆粒內(nèi)部空隙的體積減小，導(dǎo)致顆粒密度增大，沖調(diào)后潤濕性、分散性較差，杯底沉淀較多，粉末溶解變慢。

2.4 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。從表中可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響較大。進(jìn)風(fēng)溫度過高，霧滴與強(qiáng)熱風(fēng)接觸，霧滴表面易結(jié)一層硬殼，阻礙了內(nèi)部水分的擴(kuò)散和蒸發(fā)，同時(shí)內(nèi)部水分仍不斷受熱膨脹，導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒內(nèi)汽泡增多，降低了粉末的可溶性。此外，沖調(diào)后液體表面汽泡較多，影響感官效果。溫度太低時(shí)，干燥設(shè)備的蒸發(fā)能力降低，料液無法充分干燥，導(dǎo)致產(chǎn)品凝塊。

表6 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)表觀密度和粉末性能的影響

2.5 噴霧干燥參數(shù)的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)以隨機(jī)次序進(jìn)行，采用表1設(shè)置的3因素3水平分別進(jìn)行15組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)獲得的品質(zhì)評(píng)定分?jǐn)?shù)響應(yīng)值用Minitab 15軟件進(jìn)行分析，結(jié)果見表7。

表7 Box－Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

經(jīng)M initab軟件回歸擬合后，各實(shí)驗(yàn)因子響應(yīng)值的影響可用下列三元二次回歸方程表示:

回歸方程描述各因子與響應(yīng)值的關(guān)系時(shí)，其應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系是顯著的，R2=98.73%，方程的F值為43.28，查F值分布的臨界值表，F(xiàn)＞F0.01(9，5)=10.2，所以該回歸效果極顯著，從統(tǒng)計(jì)意義上說，回歸方程可作為進(jìn)一步分析的依據(jù)［12］。

根據(jù)回歸方程可以利用Minitab軟件繪出曲面圖，見圖2～圖4。每個(gè)響應(yīng)面分別代表著兩個(gè)獨(dú)立變量之間的相互作用，此時(shí)第三個(gè)變量保持在最佳水平。由響應(yīng)面圖可以看出:料液濃度、進(jìn)料量和進(jìn)風(fēng)溫度與總分存在顯著相關(guān)性。

圖2 Y=f(X1，X2)的響應(yīng)曲面圖

從圖2～圖4可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)量固定在最佳水平時(shí)，在25%～27.75%范圍內(nèi)，總分隨著料液濃度的增大而提高，超過27.75%后，總分隨著料液濃度的增加而降低;當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度和料液濃度固定在最佳水平時(shí)，在3.5～3.72m3/min范圍內(nèi)，總分隨著進(jìn)風(fēng)量的增大而提高，超過3.72m3/m in后，總分隨著進(jìn)風(fēng)量的增加而降低;當(dāng)料液濃度和進(jìn)風(fēng)量固定在最佳水平時(shí)，在190～210℃范圍內(nèi)，總分隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增大而降低。

圖3 Y=f(X1，X3)的響應(yīng)曲面圖

圖4 Y=f(X2，X3)的響應(yīng)曲面圖

根據(jù)Minitab的響應(yīng)優(yōu)化器分析可得出最優(yōu)工藝參數(shù)為:料液濃度27.75%，進(jìn)風(fēng)量3.72m3/m in，進(jìn)風(fēng)溫度190℃。此時(shí)感官評(píng)定分?jǐn)?shù)與溶解性評(píng)定分?jǐn)?shù)相加之和為17.2185。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)乳清小肽粉的表觀密度大小與溶解沖調(diào)性的關(guān)系進(jìn)行了研究。密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，顆粒松散，表面粗糙，顆粒大小均勻，溶解沖調(diào)性最好。

3.2 通過單因素實(shí)驗(yàn)，確定了料液濃度取25%、27%、29%;進(jìn)風(fēng)量取 3.5、3.75、4m3/m in;進(jìn)風(fēng)溫度可以取 190、200、210℃。

3.3 獲得了噴霧干燥的最佳條件:料液濃度27.75%、進(jìn)風(fēng)量3.72m3/m in、進(jìn)風(fēng)溫度190℃。

［1］Nilsson M，Holst JJ，Bjorck IME.Metabolic effects of amino acid mixtures and whey protein in healthy subjects:studies using glucose－equivalent drinks［J］.Am J Clin Nutr，2007，85:996－1004.

［2］Doucet D，OtterD E，Gauthier S F，et al.Enzyme induced gelation of extensively hydrolyzed whey proteins by Alcalase:peptide identification and determination of enzyme specificity［J］.J Agric Food Chem，2003，51(21):6300－6308.

［3］Monti JC，Tost R.Enzymatic Solubilization of heat－denatured cheese whey protein［J］.JDairy Sci，1978，61:1233－1237.

［4］郭本恒，孔保華.保健與功能食品［M］.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1996:366－372.

［5］Fitz Gerald R J，Murray bA，Walsh D J.Hypotensive peptides from milk proteins［J］.Nutr，2004，134:980－988.

［6］Claessens M，Saris WHM，Baak MAV.Glucagon and insulin responses after ingestion of different amounts of intact and hydrolysed proteins［J］.Br JNutr，2008，100:61－69.

［7］V Lagrange.乳清蛋白及其新組分的性質(zhì)、功能和新用途［J］.中國乳品工業(yè)，1999，27(2):24－27.

［8］ Caessens PW，Visser S.Beta － lactoglobulin hydrolysis.1.Peptide composition and functional properties of hydrolysates obtained by the action of plasmin，trypsin，and Staphylococcus aureus V8 protease［J］.Agric Food Chem，1999，47(8):2973－2979.

［9］門寶輝，梁川.基于變異系數(shù)權(quán)重的水質(zhì)評(píng)價(jià)屬性識(shí)別模型［N］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005－10(10):1373－1375.

［10］農(nóng)志榮，黃衛(wèi)萍.食品感官與物理檢驗(yàn)在食品質(zhì)量優(yōu)劣現(xiàn)場監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.食品研究與開發(fā)，2008(10):157.

［11］徐秋梅，王偉，主培忠，等.配方奶粉的沖調(diào)性與顆粒密度的關(guān)系［J］.中國乳品工業(yè)，2005(9):57.

［12］姜荷，谷文英.姬松茸菌絲體粗多糖提取工藝的優(yōu)化［J］.生物活性物質(zhì)分離與提純，2005，7(31):137－140.

Optimization of spray drying conditions for microencapsulated small whey peptides by response surface design(RSD)

XIAO Gong－nian1，HE Guang－h(huán)ua2，CHU Xiao－jun2，YOU Yu－ru1，*

(1.Key Laboratory of Agricultural Products Chemical and Biological Processing Technology，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China;
2.Zhejiang Beingmate Scientific Industrial Trade Share Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China)

The dissolving ability of the microencapsulated whey small pep tides and spray drying conditions were studied.The results showed that when the apparent density was between 0.3519g·cm－3and 0.3785g·cm－3，the dissolving ability of the microencapsulated small whey peptides was the best，through Box－Behnken experimental response surface design(RSD)，the spray drying optimization conditions were reactant concentration 27.75%，intake air volume 3.72m3/m in and temperature of entering air 190℃.

response surface design;small whey peptide;spray drying

TS201.1

B

1002－0306(2011)08－0273－04

2010－08－09 *通訊聯(lián)系人

肖功年(1976－)，男，博士，高級(jí)工程師，從事食品添加劑與配料研究工作。

浙江省重大科技專項(xiàng)(2010C12014);杭州市產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目。