噴霧干燥法重塑靈芝孢子孢壁工藝研究與產(chǎn)品分析

沈秀軍，何艷云，黎凌云，楊文杰，周玉霞，代莉莉，黃訓(xùn)端

（安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥230601）

靈芝（Ganoderma lucidum）是重要的藥用真菌之一。靈芝孢子是靈芝在生長成熟期，從靈芝菌褶中彈射出來的極其微小的卵形生殖細胞，含有糖肽類、甾醇類、三萜類、脂肪酸類等多種活性成分，有防細胞老化、增強免疫力等功效［1-4］。靈芝孢子具有孢壁，攝入人體后不被胃酸降解，只有破壁服用，才能更好地吸收其有效成分［5-6］；但破壁的靈芝孢子粉存在弊端：孢子破壁后，破壁顆粒處于非穩(wěn)定狀態(tài)，表面電荷相互吸引出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，不利于加工調(diào)配［7-8］；破壁后孢子外保護層受損，萜烯類、脂肪酸類等成分易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致孢子粉變質(zhì)，保存期限縮短［9-10］。

本研究采用天然生物材料為壁材，利用噴霧干燥技術(shù)［11］對破壁靈芝孢子進行深度加工，開發(fā)孢壁重塑技術(shù)，制備具有完整孢壁的靈芝孢子粉，為進一步利用靈芝孢子資源奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

破壁靈芝孢子粉，安徽黃山毫喝食品有限公司；羥丙甲纖維素系列（Hydroxypropyl Methyl Cellulose，HPMC），山東泰安瑞泰纖維素有限公司；大豆分離蛋白（Soybean protein，SP），山東御馨豆業(yè)蛋白有限公司；其他試劑為分析純。

GJB60-70實驗型均質(zhì)機，ATS Engineering Inc；YC-105噴霧干燥器，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；全自動比表面積儀ASAP2020M＋C，美國Mi公司；馬爾文Zetasizer Nano ZS90，英國馬爾文儀器有限公司。

1．2 實驗方法

1．2．1 分散穩(wěn)定性的測定方法

將溶液倒入離心管，60℃恒溫30min，4 500r／min離心15min，觀察分層情況，記錄液體總高度H與未分層高度H1，分散穩(wěn)定性＝（H1／H）＊100%［12］。

1．2．2 孢壁重塑率的測定方法

將2g靈芝孢子粉分散于100mL水中，滴加1 mL吐溫-80，攪拌均勻，在顯微鏡下觀察孢子結(jié)構(gòu)，采用血球計數(shù)板計數(shù)重塑孢壁的孢子。孢壁重塑率＝重塑孢壁的孢子數(shù)量／總孢子數(shù)量＊100%。

1．2．3 一般性狀指標的測定方法

含水率：參照GB5497—1985方法；密度：將產(chǎn)品倒入帶刻度的量筒中，計算單位體積產(chǎn)品的重量；堆積角：取一定量產(chǎn)品測定自然堆積的角度。

1．2．4 比表面積的分析測定方法

利用全自動比表面積儀ASAP2020M＋C進行測定［13］。

1．2．5 Zeta電位的測定方法

利用馬爾文Zeta電位儀對電位測定。

1．2．6 氧化穩(wěn)定性的測定方法

按照 GB／T5538—1995進行測定［14］。

2 結(jié)果與分析

2．1 孢壁材料復(fù)配組合與優(yōu)化

2．1．1 壁材及比例的確定

實驗優(yōu)選了HPMC和SP作為復(fù)配壁材，在濃度為20%的條件下，考查不同比例對分散穩(wěn)定性的影響，重復(fù)3次，結(jié)果如表1。表1可見分散穩(wěn)定性隨著HPMC∶SP比例的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當HPMC∶SP比例為2∶1時，溶液的分散穩(wěn)定性最高為79．69%，溶液的分散穩(wěn)定性高說明壁材與芯材在溶液中的混合程度好，有利于提高芯材的包埋率，選擇復(fù)配壁材復(fù)配比例范圍為1∶1～3∶1。

表1 壁材復(fù)配比例對分散穩(wěn)定性的影響

2．1．2 壁材與芯材比例的確定

壁材與芯材的比例直接影響到溶液的分散穩(wěn)定性和最終的包埋效果，實驗設(shè)置不同的比例，重復(fù)3次，結(jié)果如表2。表2表明分散穩(wěn)定性隨著壁材與芯材比例的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當壁材與芯材的比例為2∶1時，溶液的分散穩(wěn)定性最高為80．64%，選擇壁材與芯材比值范圍：1∶1～3∶1。

表2 壁材與芯材比例對分散穩(wěn)定性的影響

2．1．3 固形物含量的影響

實驗中固形物指除蒸餾水之外的所有固體，包括壁材、芯材以及微量增溶劑等。設(shè)置不同的固形物含量，每組實驗3次，結(jié)果如表3，其分散穩(wěn)定性呈先增大后減小的趨勢。當固形物含量為30%時，溶液的分散穩(wěn)定性最高為82．59%。因此選擇固形物含量適宜范圍為25%～35%。

表3 固形物含量對分散穩(wěn)定性的影響

2．1．4 曲面響應(yīng)優(yōu)化

根據(jù)以上實驗結(jié)果，采用Box-Behnken Design進行孢壁材料組合優(yōu)化，實驗因子和水平設(shè)計見表4，設(shè)計具體方案與結(jié)果見表5。

表4 實驗因子和水平

表5 Box-Behnken實驗設(shè)計方案及結(jié)果

以表5分散穩(wěn)定性為響應(yīng)值，建立二次回歸方程：

對回歸模型進行方差分析，結(jié)果見表6。從回歸模型P＜0．000 1，表明該二次方程模型達到極顯著水平，說明該回歸模型方程能較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系，擬合程度良好。相關(guān)系數(shù)R2為0．999 0，校正相關(guān)系數(shù)R2Adj為0．997 8，說明響應(yīng)值的變化有99．78%來源于所選變量，即壁材與芯材比例、壁材比例和固形物濃度。從回歸模擬方程中可以看出，A、B、C變量的擬合系數(shù)絕對值分別為2．06、1．61、2．02，即各因素對分散穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為：壁材與芯材比例＞固形物濃度＞ HPMC∶SP，3者p值均小于0．01，說明3者作用極顯著。交互項AB、BC的p值小于0．05存在顯著交互作用，AC的p值大于0．05，交互作用不顯著。

表6 實驗結(jié)果分析

由圖1、2可知，等高線最小橢圓中心在所選的-1～1范圍內(nèi)，而且響應(yīng)曲面的開口都是向下的，這說明分散穩(wěn)定度在本實驗設(shè)計的范圍內(nèi)存在最大值，且優(yōu)化是十分合理可行的。對整個曲面響應(yīng)優(yōu)化的實驗結(jié)果進行分析，如表7所示。表7顯示，5組參數(shù)均為優(yōu)化的試驗參數(shù)，其中最大值為78．486 9%，A＝0．087，B＝0．143，C＝0．135。即 壁 材：芯 材 ＝2．09，羥丙基甲基纖維素：大豆分離蛋白＝2．14，固形物含量＝30．37%。考慮到實驗中可操作性，優(yōu)選的復(fù)配參數(shù)：選擇壁材：芯材為2∶1，羥丙基甲基纖維素：大豆分離蛋白為2∶1，總固形物含量為30%。

圖1 壁材∶芯材和HPMC∶SP對分散穩(wěn)定性影響

圖2 HPMC∶SP和固形物含量對分散穩(wěn)定性影響

表7 優(yōu)化結(jié)果分析

2．2 噴霧干燥重塑靈芝孢壁工藝參數(shù)

將壁材、芯材混合液預(yù)先高壓均質(zhì)，設(shè)定均質(zhì)壓力為40MPa，均質(zhì)2次后，采用噴霧干燥器進行霧化、干燥，可獲得重塑孢壁的靈芝孢子。噴霧干燥器的進風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度對孢壁重塑的靈芝孢子水分含量、孢壁重塑率及感官性狀的影響如表8所示。

表8 噴霧干燥條件對產(chǎn)品品質(zhì)的影響

從表8中可以看出，隨著進風(fēng)溫度的升高，產(chǎn)品水分含量呈下降趨勢，孢壁重塑率呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，當進風(fēng)溫度為220℃時，重塑率最高，為90．2%。高于220℃時，由于水分含量的減少，重塑率下降較快，制備效果變差，產(chǎn)品粉末顏色發(fā)黃，產(chǎn)品外觀不佳。因此，進風(fēng)溫度為220℃，出風(fēng)溫度為105℃為最佳噴霧條件。

2．3 重塑孢壁靈芝孢子粉產(chǎn)品分析

2．3．1 重塑孢壁孢子粉一般性狀

對靈芝孢子的含水率、密度進行了測定，結(jié)果如表9。由表9可知，實驗制備的孢壁重塑靈芝孢子粉含水率低于破壁靈芝孢子粉，有利于保存。產(chǎn)品密度低于原料破壁靈芝孢子粉，疏散蓬松，利于配伍，不易板結(jié)。

表9 產(chǎn)品主要性狀指標

2．3．2 重塑對靈芝孢子粉的流動分散性的影響

表10為堆積角、比表面積、Zeta電位測定結(jié)果。堆積角是反映粉末顆粒流動性的重要特征，產(chǎn)品的堆積角略大于破壁靈芝孢子粉，說明顆粒間的內(nèi)摩擦力小，粘聚力小，流動性較好；產(chǎn)品比破壁靈芝孢子粉的比表面積小，粒子更加穩(wěn)定，Zeta電位也小，粒子分散性更好。

表10 產(chǎn)品的比表面積

2．3．3 重塑對靈芝孢子粉過氧化值的影響

在20℃下，對靈芝孢子粉過氧化值測定，結(jié)果見圖3。由圖3可知，破壁靈芝孢子粉的過氧化值在儲藏的5個月內(nèi)從5．83meq／kg上升到25．49meq／kg。而產(chǎn)品的過氧化值從1．95meq／kg上升到3．43 meq／kg。過氧化值變化較為緩慢，可見重塑的孢壁可以很好地保護芯材破壁靈芝孢子粉，延長了保存期限。

圖3 產(chǎn)品的過氧化值隨儲藏時間的變化

3 結(jié)論

本實驗針對市場上破壁靈芝孢子粉的存在分散性和易氧化問題，利用噴霧干燥技術(shù)對靈芝孢子粉的孢壁進行重塑，工藝參數(shù)：壁材選用羥丙基甲基纖維素和大豆分離蛋白，質(zhì)量比為2∶1，壁材與芯材破壁靈芝孢子粉的比例為2∶1，固形物濃度為30%，均質(zhì)壓力為40MPa，均質(zhì)次數(shù)2次，采用噴霧干燥法制備孢壁重塑的靈芝孢子粉產(chǎn)品，進風(fēng)溫度220℃，出風(fēng)溫度105℃，孢壁重塑率高達90．2%。經(jīng)過孢壁重塑后，靈芝孢子粉產(chǎn)品干燥程度較高，有利于保存；密度蓬松，流動性較好；孢壁重塑的孢子粉比破壁靈芝孢子粉的比表面積減小，粒子更加穩(wěn)定，Zeta電位減小，粒子分散性更好；孢壁重塑的靈芝孢子粉的過氧化值變化緩慢，具有良好的抗氧化性。本研究為靈芝孢子精深加工和新產(chǎn)品研發(fā)提供了技術(shù)支持。

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