脫色和干燥方式對普魯蘭多糖品質的影響

高璇璇，鄭志達，孟 迪，宋亞瓊，郝華璇，汪建明，喬長晟，，*（.食品營養與安全教育部重點實驗室，天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津00457；.工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津00457；.天津北洋百川生物技術有限公司，天津00457）

脫色和干燥方式對普魯蘭多糖品質的影響

高璇璇1，鄭志達2，孟 迪2，宋亞瓊2，郝華璇3，汪建明1，喬長晟2，3，*
（1.食品營養與安全教育部重點實驗室，天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津300457；2.工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津300457；3.天津北洋百川生物技術有限公司，天津300457）

研究了脫色和干燥方式對普魯蘭多糖品質的影響。從四種型號的活性炭中選出效果最好的ZY-24×48-B型活性炭，在單因素的基礎上，采用正交實驗優化活性炭脫色工藝。結果表明最佳的脫色條件：活性炭添加量1.0%（w/v）、pH5.0，時間40min，溫度40℃，此時脫色率為94.98%，多糖得率為91.24%。之后通過研究微波干燥、噴霧干燥及冷凍干燥三種工藝對普魯蘭多糖樣品的純度、微觀表征、溶解度及色澤的影響，確定最佳的工業化生產的干燥方式。結果表明，噴霧干燥所得到樣品純度可達91.07%，色澤較白，溶解度較好；冷凍干燥所得樣品溶解度最好，L值（95±0.21）最高，但干燥時間長且成本高；微波干燥得到樣品出現褐變，L值（89±0.68）最低。綜合考慮產品品質及能耗成本等因素，噴霧干燥最適合普魯蘭多糖的工業化生產。

普魯蘭多糖，脫色，干燥方式，品質

普魯蘭多糖是由出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）在發酵過程中利用糖代謝產生的一種胞外水溶性多糖。其分子是由麥芽三糖通過α-1，6-糖苷鍵連接而成的直鏈多糖[1-2]，α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵的比例為2∶1。干燥的普魯蘭多糖為白色非結晶性粉末，易溶于冷水和熱水中，不產生膠凝作用，溶液粘稠穩定，呈中性。普魯蘭多糖具有極佳的成膜性、阻氧性、粘結性和可塑性等獨特的理化和生物學性質，無毒無害，對人體無副作用，是一種有極大開發價值和前景的多功能新型生物制品[3]。近年來，有關普魯蘭多糖的研究主要是集中在了提取、純化、生物活性等方面，而對其提取物的干燥方法的研究較少[4]。焦莎莎[5]、呂蕾等[6]對普魯蘭多糖的提取工藝進行了研究，劉謀泉[7]、連正淦等[8]對普魯蘭多糖的成膜性進行研究。普魯蘭多糖的干燥方式的研究較少，王雪松[9]和牛登飛[10]在研究中分別使用冷凍干燥和噴霧干燥進行普魯蘭多糖的干燥處理，并沒有對普魯蘭多糖進行較為系統的干燥方式的對比研究。在本實驗中，以未脫色的普魯蘭多糖溶液為研究對象，首先從四種不同型號的活性炭中選擇出脫色效果最好的活性炭，之后對脫色條件進行確定。然后通過微波干燥、噴霧干燥和冷凍干燥3種工藝，用高效液相色譜測定普魯蘭多糖的含量，結合普魯蘭多糖的表觀性狀及復水性，通過對比實驗分析了脫色條件和干燥方法對普魯蘭多糖品質的影響。

表1 活性炭規格Table 1 Activated carbon type

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

菌株 出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans），天津北洋百川生物技術有限公司保存菌株，CGMCC.7055；普魯蘭多糖發酵液 由出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）發酵培養3d[11]，停止發酵后于80℃下保溫60min[10]，進行滅菌和鈍化酶處理，待用；硅藻土

TUFA070G#型，天津市海鑫精細化工；粉末狀活性炭 ZY-8×30型、ZY-24×48-A型、ZY-24×48-B型，福建省芝星炭業股份有限公司；粉末狀活性炭 XGST-AC型，德興市新崗山活性炭有限公司；普魯蘭多糖酶 天津諾維信生物醫藥公司。

板框過濾機 海寧市聯眾過濾設備科技有限公司；SY-MU2050型切向流超濾系統 上海世遠生物設備工程有限公司；高效液相色譜儀Agilent technologies 1200 series 配有視差折光檢測器，Agilent；UV-1200型紫外分光光度計；MG823LA3-NR型（800W）美的微波爐；SP-1500型噴霧干燥機 上海順儀實驗設備有限公司；LGJ-12S型冷凍干燥設備 北京松原華新科技發展有限公司；SU-1510型掃描電鏡 日本日立公司；UltraScan Pro型高精度分光測色儀 美國HunterLab公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 普魯蘭多糖提取工藝 發酵液預處理→板框過濾除菌→活性炭脫色→超濾除雜→濃縮→干燥。

板框過濾除菌：發酵液稀釋至濃度30g/L，硅藻土添加量1.0%（w/v），濾布的孔徑為600目。

超濾除雜：超濾膜的截留分子量為10ku，普魯蘭多糖溶液溫度50℃，壓力0.14MPa，普魯蘭多糖濃度30g/L，加水洗脫4次。

濃縮：水浴旋蒸濃縮至濃度為60g/L，水浴溫度為80℃。

1.2.2 活性炭脫色實驗

1.2.2.1 不同型號活性炭脫色實驗 取4個三角瓶，均裝100mL普魯蘭多糖溶液（30g/L），pH調至6.0，分別添加4種活性炭（表1所示）1.0%（w/v），然后于40℃熱處理30min，再進行過濾，收集濾液。于654nm處測定吸光度值并計算脫色率和多糖得率。

1.2.2.2 活性炭添加量的選擇 普魯蘭多糖溶液濃度為30g/L，脫色時間30min，脫色溫度40℃，pH6，添加量分別以0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%（w/v）進行實驗，以脫色率和多糖得率為指標，確定最佳活性炭添加量。

1.2.2.3 pH的選擇 按照上面實驗的最優活性炭添加量，普魯蘭多糖溶液濃度為30g/L，脫色時間30min，脫色溫度40℃，pH分別以3、4、5、6、7、8進行實驗，以脫色率和多糖得率為指標，確定最佳pH。

1.2.2.4 脫色時間的選擇 按照上面實驗的最優活性炭添加量及pH，普魯蘭多糖溶液濃度為30g/L，脫色溫度40℃，脫色時間分別以20、30、40、50、60、90、120min進行實驗，以脫色率和多糖得率為指標，確定最佳脫色時間。

1.2.2.5 脫色溫度的選擇 按照上面實驗的最優活性炭添加量、pH及脫色時間，普魯蘭多糖溶液濃度為30g/L，脫色溫度分別以室溫25、40、50、60、70、80℃進行實驗，以脫色率和多糖得率為指標，確定最佳脫色溫度。

1.2.2.6 正交實驗設計 為確定最佳的活性炭脫色條件，根據單因素實驗結果確定活性炭用量、pH、脫色時間、脫色溫度為4個主要因素的合適水平。以脫色率（Y）為指標，設計L9（34）型正交實驗。正交實驗因素水平見表2。

表2 正交實驗設計各因素及水平Table 2 Levels of factors used in the orthogonal experimental design

1.2.3 普魯蘭多糖溶液不同干燥工藝

1.2.3.1 微波干燥條件 將濃縮后的普魯蘭多糖溶液平鋪于聚四氟乙烯濾布上，厚度＜0.3cm，置于微波箱內，功率為400W，溫度為45～50℃，干燥時間為1.5min。粉碎，過篩（100目）[12]。

1.2.3.2 噴霧干燥條件 取濃縮后的普魯蘭多糖溶液，進風溫度為180℃，出風溫度為85℃，進料速度為25mL/min，霧化驅動，壓力為0.4mPa[10]。

1.2.3.3 真空冷凍干燥條件 取濃縮后的普魯蘭多糖溶液平鋪于平板中，厚度約為0.5cm，放于低溫冰箱中預凍，直至溶液完全結冰。然后將平板置于真空冷凍干燥設備中干燥，真空冷凍干燥冷阱溫度為-50℃，真空度為-0.09MPa，干燥時間為12h[13]。粉碎，過篩（100目）。

1.3 分析測定方法

1.3.1 脫色率的測定 將去除菌絲體的上清液用紫外可見分光光度計在654nm處測定其吸光值（OD值），OD值和色素含量成正比[14]。

脫色率（%）=（A0-A）/A0×100 式（1）

式中，A0：脫色前普魯蘭多糖溶液的色素含量；A：脫色后普魯蘭多糖溶液的色素含量。

1.3.2 普魯蘭多糖得率及純度的測定 采用高效液相色譜法進行普魯蘭多糖含量的測定。樣品制備：稱取樣品0.2000g于100mL容量瓶中，用流動相溶解，加入普魯蘭酶100μL定容，于58.5℃、150r/min酶解6h，然后85℃滅酶，用0.45μm的微孔濾膜過濾[15]。色譜柱：Luna 5u NH2100A 4.6mm×250mm；流動相：乙腈∶水=70∶30；流速為1.0mL/min；柱溫：25℃；進樣體積為20μL；標準曲線所用麥芽三糖標準品均購自Sigma公司。

普魯蘭多糖得率（%）=m0/m×100 式（2）

式中，m0：脫色后溶液中普魯蘭多糖的含量；m：脫色前溶液中普魯蘭多糖的含量。

普魯蘭多糖純度（%）=m1/m×100 式（3）

式中，m1：干燥樣品中普魯蘭多糖的質量；m：稱取干燥后普魯蘭多糖樣品的質量。

1.3.3 掃描電鏡微觀表征 取經過微波干燥、噴霧干燥、真空冷凍干燥的普魯蘭多糖固體粉末，采用SU-1510型掃描電鏡于20kV條件下放大1000倍觀察并采集圖譜。

1.3.4 溶解度 稱取經過微波干燥、噴霧干燥、真空冷凍干燥后的普魯蘭多糖固體粉末樣品2g（精確至0.0001g）于100mL燒杯中，添加50mL的蒸餾水，放置磁力攪拌器上攪拌10min，用濾紙過濾（事先將濾紙置于105℃烘箱內干燥至恒重）。再用50mL的水分3次洗滌燒杯及濾紙，將附有濾渣的定量濾紙放入105℃烘箱內干燥2h，移入干燥器中冷卻，30min后稱量。再放入烘箱內烘1h，稱量，直至恒重。

溶解度（%）=[m-（m1-m2）/m]×100 式（4）

式中，m：稱取恒重的普魯蘭多糖的質量；m1：濾渣及濾紙的質量；m2：濾紙的質量。

1.3.5 色澤的測定 采用UltraScan Pro高精度分光測色儀測定普魯蘭多糖的L*、a*、b*值。其中，L*越大表示產品的透明度（L*=0為黑色，L*=100為白色）；a*（正值）表示紅色程度，（負值）表示綠色程度；b*（正值）表示黃色程度，（負值）表示藍色程度[16]。L*越大表示顏色越白，a*、b*越大表示褐變和黃色程度越大。

2 結果與分析

2.1 脫色實驗結果與分析

2.1.1 不同型號活性炭對脫色效果的影響 由圖1可知，四種不同規格的活性炭脫色實驗中，脫色效果最好的為D（ZY-24×48-B）型活性炭，其脫色率為91.33%，普魯蘭多糖得率為90.15%。這可能與活性炭本身性質有關，D（ZY-24×48-B）型活性炭的亞甲基藍吸附值為16.0mL/0.1g，A法焦糖脫色率為120%，在四種活性炭中均處于最大值。由此可見，亞甲基藍吸附值和A法焦糖脫色率的值越高，脫色效果越好。

圖1 不同型號活性炭對脫色率和普魯蘭多糖得率的影響Fig.1 Influence of different activated carbon on decoloration and yield of pullulan polysaccharides

2.1.2 活性炭添加量對脫色效果的影響 如圖2所示，隨著活性炭用量的增大，脫色率不斷增大，用量到1.0%（w/v）時脫色率達到最大值93.03%，繼續增大用量，脫色率反而有所降低，而糖得率隨著用量的增加呈下降趨勢，用量到1.4%（w/v）時達到最小值87.95%。

圖2 活性炭添加量對脫色率及普魯蘭多糖得率的影響Fig.2 Influence of the amount of activated carbon on decoloration and yield of pullulan polysaccharides

2.1.3 pH對脫色效果的影響 如圖3所示，隨著pH的升高，脫色率和糖得率均呈現出先增大后降低的趨勢，當pH為5時，脫色率達到最大值94.75%，糖得率為92.64%，pH繼續升高時，脫色率和糖得率均呈下降趨勢。

圖3 pH對脫色率及普魯蘭多糖的率的影響Fig.3 Influence of pH on decoloration and yield of pullulan polysaccharides

2.1.4 脫色時間對脫色效果的影響 如圖4所示，隨著時間的延長，脫色率呈現出先增大后降低的趨勢，當脫色時間為40min時，脫色率達到最大值94.15%，糖得率為90.77%，而多糖得率隨時間的延長主要呈下降趨勢，說明脫色時間越長，多糖得率就會越低。

圖4 脫色時間對脫色率及普魯蘭多糖的率的影響Fig.4 Influence of time on decoloration and yield of pullulan polysaccharides

2.1.5 脫色溫度對脫色效果的影響 如圖5所示，隨著溫度的升高，脫色率和糖得率均呈現出先增大后降低的趨勢，當溫度為50℃時，脫色率達到最大值93.03%。多糖得率最高為91.54%，此時脫色溫度為40℃，與50℃時多糖得率（91%）相差不大。選擇最佳的脫色溫度為50℃。

圖5 脫色溫度對脫色率及普魯蘭多糖的率的影響Fig.5 Influence of temperature on decoloration and yield of pullulan polysaccharides

2.1.6 活性炭脫色正交實驗結果 由表3可以看出，影響活性炭脫色的因素由大到小為A＞D＞B＞C，即影響活性炭脫色效果依次為活性炭添加量、溫度、pH、時間。且從極差數值來看優化條件為A2B2C2D2，即活性炭添加量為1.0%（w/v）、pH為5，處理時間40min，處理溫度為40℃。經驗證實驗在此條件下脫色率為94.98%，多糖得率為91.24%。

表3 活性炭脫色正交分析表Table 3 Activated carbon orthogonal analysis test

2.2 干燥方式對普魯蘭多糖品質的影響

2.2.1 不同干燥方式對普魯蘭多糖含量的影響 圖6為普魯蘭多糖溶液在不同干燥方式下所得固體樣品中的普魯蘭多糖純度測定結果。由圖6可知，在本文所說的實驗條件下，普魯蘭多糖穩定性較好，相比較三種干燥方式，微波干燥所得到的的固體樣中普魯蘭多糖純度最高為92.26%，噴霧干燥所得固體樣品純度最低為91.07%。由此看出，在三種干燥方式所得到的普魯蘭多糖固體樣品，微波干燥能夠去除很大部分水分，從而得到純度較高的產品，其次是冷凍干燥，最后為噴霧干燥。

圖6 干燥方法對樣品中普魯蘭多糖純度的影響Fig.6 Influence of drying methods on purity of pullulan polysaccharides

2.2.2 不同干燥方式對普魯蘭多糖固體粉末微觀表征的影響 圖7為普魯蘭多糖溶液在不同干燥方式下所得到的的固體普魯蘭多糖（經100目過篩）的微觀形貌特征。由圖7看出，微波干燥的樣品的顆粒表面出現較多孔洞，孔洞大而稀松；噴霧干燥的樣品粒度小，大多呈現出干癟的圓球體狀，表面較光滑，少數呈現出較為圓球體狀；冷凍干燥的樣品顆粒呈現出小而密的孔洞。分析原因如下：微波加熱是通過微波輻射到干燥的物料并穿透到物料內部時，誘使水等極性分子隨之同步旋轉，使物料瞬時產生摩擦，發出熱量，從而導致物料表面和內部同時升溫，且內部溫度高于物料表面，使大量的水分子從物料中逸出而被蒸發掉，水分的急速蒸發后在組織結構中出現了較多細小通道，由于干燥中脫水速度快，致使組織畸變[17]；噴霧干燥是將干燥室中的稀料經霧化后，在與熱空氣的接觸中，水分迅速氣化，達到瞬間干燥。由于干燥過程中水分要迅速的從物料中的溢出氣化，故經噴霧干燥后直接形成小顆粒粉末狀；冷凍干燥是將含水物質，先凍結成固態，而后使其中的水分從固態升華成氣態，以除去水分而保存物質的方法。與其他干燥方式相比，冷凍干燥法基本上在0℃以下進行，干燥所得的產品不存在質地變硬的問題，可形成類似海綿狀疏松多孔架構，加水后溶解迅速而完全，幾乎立即恢復原來的性狀。

圖7 不同干燥方式下普魯蘭多糖的掃描電鏡圖Fig.7 The SEM photos of pullulan polysaccharides treated by different drying methods

2.2.3 不同干燥方式對普魯蘭多糖固體粉末溶解度的影響 由圖8可知，微波干燥、噴霧干燥和冷凍干燥所得到的的普魯蘭多糖固體粉末，冷凍干燥得到的樣品溶解時更容易且速度最快，其次為噴霧干燥，微波干燥得到的樣品溶解較難，且速度最慢。分析原因如下：冷凍干燥所得到的的樣品疏松孔隙較多，更容易吸水復溶，噴霧干燥的樣品不需要經過粉碎，粉末顆粒極小，故比表面積大，吸水速度也較快，而經過微波干燥的樣品，雖然空隙也較大但是質地較硬，樣品溶解度較差。

圖8 三種干燥方式所得普魯蘭多糖的溶解度Fig.8 Solubility of pullulan polysaccharides by three drying methods

2.2.4 不同干燥方式對普魯蘭多糖固體粉末色澤的影響 表4中L值表示透明度，a值表示紅綠色度（正代表紅色程度，負代表綠色程度），b值表示黃藍色度（正代表黃色程度，負代表藍色程度）。運用SPSS19.0分析統計軟件對表中數據進行方差分析可知，L值、a值、b值之間差異極顯著（p＜0.01），且L值極顯著高于a值和b值，微波干燥、噴霧干燥和冷凍干燥三種干燥方式之間差異不顯著（p＞0.05）。由數據可以看出，冷凍干燥的產品L值最大，a值和b值最小，表現出樣品色澤為白色，紅綠色度和黃藍色度最低，主要是因為冷凍干燥時物料未受高溫影響，產品不發生褐變反應。噴霧干燥制備的產品L值次之，a值和b值較冷凍干燥的樣高，產品表現出較白的顏色，略顯出黃色，這是因為噴霧干燥過程有褐變發生，但由于干燥處理的時間短，褐變程度較小。微波干燥的產品L值最小，a值和b值較大，產品表現出較明顯的淡黃色，這說明微波干燥過程中發生褐變反應較為嚴重，這與微波干燥溫度時間較長有關。

表4 干燥方式對普魯蘭多糖固體粉末色澤的影響Table 4 Influence of drying methods on colour of pullulan polysaccharides

3 結論

3.1 經過活性炭脫色實驗，選擇D（ZY-24×48-B）型活性炭，脫色條件為活性炭添加量為1.0%（w/v）、pH為5，時間40min，處理溫度為40℃，此時脫色率為94.98%，多糖得率為91.24%。

3.2 綜合考慮普魯蘭多糖固體純度、溶解度及色澤，從微波干燥、噴霧干燥和真空冷凍干燥中選擇最佳的干燥方式為真空冷凍干燥，其次為噴霧干燥。若進行工業化生產需考慮成本，則可首選噴霧干燥的方式。

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Influence of decolorization and drying methods on the quality of pullulan polysaccharides

GAO Xuan-xuan1，ZHENG Zhi-da2，MENG Di2，SONG Ya-qiong2，HAO Hua-xuan3，WANG Jian-ming1，QIAO Chang-sheng2，3，*
（1.Key Laboratory of Food Nutrition and Safety，Ministry of Education，College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China；2.Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology，Ministry of Education，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China；3.Tianjin Peiyang Biotrans Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China）

The decoloration and the influence of drying methods on the quality of pullulan polysaccharides were mainly studied.First，the type of ZY-24×48-B was selected from four types of activated carbon.Based on the single factor result，orthogonal experiment was performed to select the best condition for decoloration of pullulan.The best technological process of decoloration was adding 1.0%（w/v）activated carbon to pullulan solution at 40℃，with pH at 5.0 and decoloring the solution for 40min.The decolorization rate was 94.98%，pullulan polysaccharide yield was 91.24%.Then the suitable drying methods of pullulan polysaccharides for industrialized production was determined which was depended on the effect ofmicrowave drying，spray drying and vacuum freeze drying on the quality of the purity of pullulan polysaccharides，tmicroscopic characterization，solubility and colour.The test indicated that the colour of spray dried product were better than that of microwave dried（L=89±0.68）but less than vacuum freeze dried（L=95±0.21）.The purity of pullulan polysaccharides was 91.07%which was obtained by spray drying，and exhibited the better solubility and colour.The vacuum freeze dried product had the best solubility，but it had long time and high cost.Among the three drying methods，spray drying was the most suitable for the actual industrial production.

pullulan；decolor；drying methods；quality

TSX201.2+3

B

1002-0306（2014）14-0250-06

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.047

2013－10－09 *通訊聯系人

高璇璇（1988-），女，碩士研究生，主要從事食品產品與技術開發。