噴霧干燥法制備雙孢菇蛋白粉工藝優化及其營養價值評價

魯玉佳,田 路,胡亞平,趙立強,張金秀,王立安,*

(1.河北師范大學生命科學學院,河北石家莊 050024;2.邢臺醫學高等專科學校,河北邢臺 054001)

雙孢菇是世界第一大宗食用菌,國外主要以工廠化方式生產,國內以園區化和工廠化方式生產。雙孢菇子實體肉質鮮美,蛋白質含量豐富,有“素中之王”的稱號[1],子實體干品蛋白質含量為35%～38%[2-5],且氨基酸種類齊全。雙孢菇鮮品不易保存,容易褐化、腐爛[6-7],所以研究雙孢菇蛋白粉加工技術對于提高產品技術附加值具有非常重要意義。

馬澤青等[8]研究了提取溫度、料液比、超聲功率和超聲時間四個因素及其交互作用對雙孢蘑菇蛋白質提取工藝的影響,證實在超聲功率130 W、提取溫度43 ℃、超聲時間40 min、料液比1∶5條件下,雙孢蘑菇蛋白質提取率可達50.39%。吳華玉等[9]以賀蘭山紫蘑菇為材料,對紫蘑菇中蛋白質提取的料液比、溫度、pH進行了研究。在蛋白粉工藝優化和品質研究方面,Liu lili等[10]以蛋清蛋白為材料,比較了冷凍干燥和噴霧干燥兩種方法對蛋白粉功能及性質的影響。蛋白粉制備工藝研究更多的文獻報道集中在以綠豆、葡萄籽、苜蓿等為材料進行的[11-13]。

蛋白質提取液常用的干燥方法有:烘箱干燥、常溫晾干、冷凍干燥和噴霧干燥四種方法[14-15]。其中,常溫晾干和烘箱干燥常用于飼用蛋白質的制備。冷凍干燥制備的蛋白質活性高,但冷凍干燥設備昂貴,成本及能耗較高[16]。噴霧干燥是用霧化器將蛋白液分散為液滴,利用熱空氣將物料迅速干燥成粉。在干燥過程中,瞬時高溫會使物料發生最小程度的變性,且投資小、生產效率高,適用于工廠化生產[17]。本文采用正交實驗法對噴霧干燥法制備雙孢菇蛋白粉的工藝進行了研究,以期為工廠化生產蛋白粉奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雙孢菇(Agaricusbisporus)子實體 由河北微巨生物科技有限公司提供;氫氧化鈉、無水乙醇、濃鹽酸等 均為分析純,永大試劑公司。

FW-117型中藥粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司;pH計 賽多利斯科學儀器有限公司;電子天平 上海精密科學儀器有限公司;JM-L50型膠體磨 杭州惠合機械設備有限公司;SP-150型噴霧干燥機 上海順儀科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 粉碎 選取潔白的雙孢菇子實體,去除雜物后切成薄片,放在烘箱中35～45 ℃烘干2～3 d,待子實體完全干燥后,用中藥粉碎機破碎成粉末過80目篩，制成干粉。

1.2.2 堿溶酸沉 稱取200 g干粉,按1∶20料液比加入4 L蒸餾水,加入0.1 mol/L NaOH調節pH至10.5,35 ℃攪拌提取20 min后,3500 r/min離心20 min,取上清液。將得到的上清液用0.1 mol/L稀鹽酸調節pH至4.5,3500 r/min離心20 min,棄上清液,得沉淀部分,加水溶解后調節pH至中性即為雙孢菇蛋白質提取液。

1.2.3 噴霧干燥 設定噴霧干燥機進風溫度、進料速率,配制不同濃度的蛋白質提取液,待系統穩定之后,泵入蛋白質提取液,對樣品進行噴霧干燥。

1.2.3.1 單因素實驗 以蛋白粉的集粉率為考核指標[18],設定不同雙孢菇提取液蛋白質濃度、進風溫度、進料速率研究雙孢菇蛋白質提取液的噴霧干燥工藝。

提取液蛋白質濃度對噴霧干燥效果的影響:在進風溫度為160 ℃,進料速率為700 mL/h條件下,在提取液蛋白質濃度10、20、30、40、50 mg/mL范圍內,對蛋白粉集粉率的影響。

進風溫度對噴霧干燥效果的影響:在提取液蛋白質濃度為40 mg/mL,進料速率為700 mL/h條件下,在進風溫度140、150、160、170、180 ℃范圍內,對蛋白粉集粉率的影響。

進料速率對噴霧干燥效果的影響:在提取液蛋白質濃度為40 mg/mL、進風溫度為160 ℃條件下,在進料速率500、600、700、800、900 mL/h范圍內,對蛋白粉集粉率的影響。

1.2.3.2 正交實驗設計 在單因素實驗基礎上,以雙孢菇提取液蛋白質濃度、進風溫度、進料速率為影響因素進行正交實驗,優化雙孢菇蛋白粉制備的噴霧干燥工藝。

表1 雙孢菇蛋白粉噴霧干燥正交實驗設計

1.2.3.3 驗證實驗 采用正交實驗結果所得的最優工藝進行驗證實驗，測定集粉率。并對小試實驗進行放大的進行中試試驗，放大5倍，進行三次平行，測定集粉率。

1.2.4 雙孢菇蛋白粉營養價值評價

1.2.4.1 蛋白質含量測定 采用凱氏定氮法測定[19]。

1.2.4.2 氨基酸種類和含量分析 采用氨基酸自動分析儀，由上海復昕化工技術服務有限公司檢測完成。

1.2.4.3 氨基酸評分(AAS) 采用下列公式進行。

氨基酸評分(%)=[待測蛋白粉中氨基酸含量(mg/g)]/[WHO/FAO模式中同種氨基酸含量(mg/g)]×100

1.2.4.4 蛋白粉其他營養成分及金屬元素含量測定 對雙孢菇蛋白粉中的營養成分及金屬元素含量進行了測定。碳水化合物、灰分含量測定采用重量法;脂肪測定采用索氏抽提法;粗纖維測定采用范蘇士特酸性洗滌劑法;微量元素測定采用電感耦合等離子體質譜法，由上海復昕化工技術服務有限公司檢測;重金屬含量采用電感耦合等離子體質譜法。測定含量結果同國家標準[20]相比較。

1.2.5 雙孢菇蛋白粉理化特性測定

1.2.5.1 集粉率的測定 將雙孢菇堿溶酸沉得到的蛋白質沉淀冷凍干燥,稱其重量,并稱取500 mL水,配制成蛋白質提取液,其濃度為c。經噴霧干燥后,稱量收集到的蛋白粉的質量記為m。

1.2.5.2 蛋白粉水合能力(WHC)測定 稱取樣品m1(g),置于已知質量m0(g)的離心管中,逐步向離心管中加水,邊加水邊攪拌,直到樣品呈勻漿狀。2000 r/min離心10 min,棄上清,稱質量m2(g)。實驗重復三次取平均值[21]。

1.2.5.3 蛋白粉乳化能力測定 稱取2 g蛋白粉置于15 mL蒸餾水中,加入15 mL橄欖油,攪拌均勻,2500 r/min離心5 min。分別測離心管中液體的總高度和乳化層高度,實驗重復三次[22]。

式中:C-蛋白的乳化能力;H1-乳化層的高度(cm);H2-液體層的總高度(cm)。

1.2.5.4 蛋白粉的起泡性及泡沫穩定性 稱取2 g蛋白粉,加入100 mL蒸餾水(V)。用膠體磨研磨2 min后移至1000 mL量筒中,記錄泡沫的體積V0;再將裝有蛋白粉溶液的量筒放入30 ℃的水浴鍋中靜置30 min,記錄泡沫體積V1,重復三次取平均值[23]。

1.2.5.5 蛋白粉吸油性測定 稱取0.50 g蛋白粉(m),在10 mL離心管中加3 mL橄欖油(V),用振蕩器振蕩1 min后靜置30 min,3000 r/min離心20 min,記錄游離油的體積(V1)實驗重復三次取平均值[24]。

1.2.5.6 蛋白粉吸水性 稱取1 g蛋白粉樣品(m),放置于直徑為10 cm的培養皿中稱重,記為m1。把樣品放置干燥箱中,設置溫度為35 ℃,2 h稱重一次,直至樣品質量不再變化停止稱重,記為m2。實驗重復三次[25]。

1.2.5.7 蛋白粉顆粒的掃描電子顯微鏡觀察 雙面膠粘在銅制的載物臺上,取少量雙孢菇蛋白粉散落至雙面膠上。用洗耳球吹走未固定的蛋白顆粒[26]。將有蛋白粉的載物臺放入濺射鍍膜儀內噴金進行導電處理,當真空度大于13 Pa時開始鍍膜,控制電流為7 mA,鍍膜時間為10 min后,把帶有樣品的載物臺放入掃描電子顯微鏡樣品室中,分別放大400和5000倍觀察蛋白粉顆粒[27]。

1.3 數據分析

正交實驗分析方法采用SPSS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 蛋白粉噴霧干燥單因素實驗結果

2.1.1 提取液蛋白質濃度對噴霧干燥效果的影響 由表2可知,隨著濃度的增加,集粉率逐漸增大,隨后下降;在蛋白質濃度為40 mg/mL時,蛋白粉掛壁較少,集粉率最高為35.7%,且得到的蛋白粉具有清香蘑菇味;當濃度為50 mg/mL時,蛋白粉掛壁較多,集粉率最低,且有焦糊味。因此,選取蛋白質濃度為35～45 mg/mL進行正交實驗。

表2 提取液蛋白質濃度對噴霧干燥效果的影響

2.1.2 進風溫度對噴霧干燥效果的影響 由表3可知,當進風溫度為140～150 ℃時,噴出的蛋白粉水分大、粘壁、集粉率低;當溫度為160 ℃時,掛壁較少,集粉率最高達37.9%,且得到的蛋白粉有蘑菇香味;當溫度為180 ℃時,蛋白粉有焦糊味,噴口容易被堵住,掛壁現象嚴重。因此,選取155～165 ℃進行正交實驗。

表3 進風溫度對噴霧干燥效果的影響

2.1.3 進料速率對噴霧干燥效果的影響 由表4可知,當進料速率為500 mL/h時,噴霧干燥時物料受熱較充分,但蛋白粉容易焦糊、掛壁;當進料速率為700 mL/h時,蛋白粉的集粉率增高,最高達36.5%,風味也較正;當進料速率達到900 mL/h時,由于進料較快,蛋白粉水分含量高,掛壁現象嚴重。綜合考慮,選取650～750 mL/h進行正交實驗。

表4 進料速率對噴霧干燥效果的影響

2.2 蛋白粉噴霧干燥正交實驗結果

在單因素基礎上,以蛋白液濃度、進風溫度、進料速率為影響因素,采用正交實驗對噴霧干燥工藝進行優化,實驗結果見表5。

由表5、表6可知,各因素對實驗結果的重要次序為C>B>A,雙孢菇蛋白液噴霧干燥的最佳工藝條件是A2B2C1。即提取液蛋白質濃度為40 mg/mL、進風溫度為160 ℃、進料速率為650 mL/h條件下,蛋白粉的集粉率最高達38.83%。進風溫度和進料速率對雙孢菇蛋白粉集粉率在統計學上有顯著影響(p<0.05)。

表5 蛋白粉噴霧干燥正交實驗結果

表6 正交實驗方差分析

對正交試驗得出最優條件進行三次驗證實驗，集粉率分別為37.6%、38.9%和38.3%，提取率穩定，證明模型可靠，工藝穩定可行。

按照正交實驗結果進行中試試驗，采用1 kg雙孢菇干粉對建立的工藝進行驗證,噴霧干燥得到62.2 g蛋白粉,集粉率為37.60%。

2.3 雙孢菇蛋白粉的營養成分分析結果

2.3.1 雙孢菇蛋白粉中營養成分及氨基酸含量 檢測報告顯示,雙孢菇蛋白粉中蛋白質含量為65.8%,碳水化合物為8.8%,粗脂肪為0.4%,粗纖維為3.8%,灰分為2.0%,水分為7.20%。

雙孢菇蛋白粉氨基酸組成、含量及分析結果見表7、表8。

表7 雙孢菇蛋白粉中氨基酸的組成和含量(mg/g)

表8 雙孢菇蛋白粉必需氨基酸含量與FAO參考模式的比較[86]

由表7、表8可知,在正交實驗得到的最佳條件下制備的雙孢菇蛋白粉氨基酸種類共18種,種類齊全。人體必需的8種氨基酸占氨基酸總量的41.0%;蘇氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、色氨酸四種必需氨基酸接近FAO/WHO標準。尤其是異亮氨酸和蘇氨酸貼近度幾乎達100%,必需氨基酸總量為237.5 mg/g,占WHO參考模式的79.9%。氨基酸評分較高,蛋白粉品質較好。

2.3.2 蛋白粉礦質營養元素及重金屬含量 雙孢菇蛋白粉中礦質營養元素及重金屬含量見表9、表10。

由表9知,雙孢菇蛋白粉中人體所需礦質營養元素含量依次為:Na>P>K>Ca>Mg>Cu>Fe>Zn。P對牙齒和人體骨骼等組織的發育及維持體內的酸堿平衡有重要作用。K具有維持心肌運動和神經興奮性的作用,同時參與了細胞內蛋白和糖的代謝,K還具有降血壓的作用。Fe是一種重要的補血元素,Mg有保護心血管系統的作用。Ca的含量為233.5 mg/kg,雙孢菇蛋白粉也可作為一種補鈣食品。

表9 雙孢菇蛋白粉中礦質元素的含量(mg/kg)

表10顯示,制備的雙孢菇蛋白粉中重金屬含量均在國標以內,為安全健康食品。

表10 雙孢菇蛋白粉重金屬含量(mg/kg)

2.4 雙孢菇蛋白粉理化特性

雙孢菇蛋白粉理化特性結果見表11、圖1。

圖1 雙孢菇蛋白粉掃描電鏡圖

表11 雙孢菇蛋白粉理化特性

由表11可知,雙孢菇蛋白粉的水合能力為3.03%,吸水性為0.3 g/g,發泡能力為93.56%,發泡穩定性為48.76%。其中,吸水性和發泡穩定性與大豆蛋白粉接近。但雙孢菇蛋白粉的發泡能力優于大豆蛋白粉,可作為發泡劑在食品加工中使用。雙孢菇蛋白粉的吸油性較強,在油脂較多的食品體系中可發揮較好的乳化作用。

圖1顯示雙孢菇蛋白粉顆粒掃描電鏡表征。由圖1A可見,雙孢菇蛋白粉顆粒表面光滑,呈球狀排布開;由圖1B可見,蛋白粉顆粒大部分集中在10～20 μm之間。

3 結論

采用噴霧干燥法,在提取液蛋白濃度為40 mg/mL,進風溫度160 ℃,進料速率650 mL/h條件下,對雙孢菇蛋白質提取液的集粉率最高為38.8%,且制備的蛋白粉具有雙孢菇鮮品的氣味。雙孢菇蛋白粉顏色灰白、水溶性良好、營養豐富、安全,可作為優良的保健食品。

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