萌芽黑青稞噴干粉的制備工藝優化

王彤輝，相堂永，徐姍，顧依，任舒靜，江勇，楊帆，陳志鵬，4*

（1.南京中醫藥大學藥學院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省中藥炮制重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.南京理工大學醫院，江蘇 南京 210014；4.國家教育部中藥炮制規范化及標準化工程研究中心，江蘇 南京 210023）

青稞（Hordeum vulgare L.var.nudum Hook.f.）是禾本科大麥屬一年生草本植物。其耐寒性強，生長期短，高產早熟，適應性廣。青稞的營養價值極高，具有高蛋白、高可溶性纖維元素、高維生素和低脂肪、低糖的特點[1]，并在預防糖尿病、高血壓、肝病及心血管病等方面有一定的功效。青稞中的水溶性多糖，能顯著調節免疫功能，多酚類物質有較強的超氧化物自由基、羥基自由基和DPPH自由基清除活力。青稞品種繁多，與常見的普通青稞相比，黑青稞中鋅、鉀、鎂、鐵和磷5種礦物元素、總氨基酸及B族維生素的含量均較高，黑青稞高鉀低鈉，鉀/鈉比值為白青稞的1.73倍。同時，與比其他品種相比，黑青稞的花青素含量較高，更加符合現代人對健康食品的要求，是一類珍貴的種植資源，有潛在的開發利用價值[2-3]。

近年來，通過萌發改善青稞食用品質和營養價值已成為新的研究熱點[4-5]。研究表明，谷物萌發后蛋白酶等水解酶系活性被激活，導致α-淀粉酶、纖維素酶、植酸酶、β-葡聚糖酶等酶活力提高[6]，促進了谷物中營養組分含量的改變，萌發后黑青稞的抗氧化活性及抑癌防癌作用明顯高于未經萌發處理的黑青稞[7]。當前市場對于萌芽黑青稞的應用多以代餐粉或保健酒等為主。由于萌芽黑青稞的粉末溶解性能較差，影響功效物質溶出，且服用不便[8-11]。因此，對萌芽黑青稞粉末功效物質的有效富集在其深加工及產品品質提升方面具有重要意義。本研究通過對萌芽黑青稞提取、精制、干燥工藝的考察，以萌芽黑青稞粉提取物得率、總多糖、總酚酸、γ-氨基丁酸的含量為評價指標優化工藝，制得萌芽黑青稞噴干粉。本研究為萌芽黑青稞功效物質的有效富集及進一步開發利用提供了試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

萌芽黑青稞籽：漢和生物科技股份有限公司；葡萄糖、苯酚、十水合四硼酸鈉：國藥集團化學試劑有限公司；γ-氨基丁酸（≥98%）、福林酚：上海麥克林生化科技有限公司；阿魏酸（≥99.4%）：中國食品藥品檢定研究院；濃硫酸：白銀市良友化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

ATY124分析天平、UV1780紫外分光光度計：日本島津公司；R-210旋轉蒸發儀、B-290噴霧干燥機：瑞士布奇公司；DHG-9071A電熱恒溫干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 方法

試驗以總多糖、總酚酸、γ-氨基丁酸的含量[12-14]為評價指標，通過單因素試驗、正交試驗優化提取方法、精制工藝、干燥工藝。

1.3.1 工藝優化

1.3.1.1 粗提物制備工藝

稱取萌芽黑青稞籽粒1.0 kg，加水，加熱，常壓，多次提取，布氏漏斗抽濾，合并濾液，-0.08 MPa條件下60℃濃縮至0.50 g/mL～0.70 g/mL（按萌芽黑青稞質量/濃縮液體積計）[15-16]。

1）萌芽黑青稞籽粒粗提物制備工藝單因素試驗

分別考察液料比為[6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、15∶1（mL/g）]、提取次數（1、2、3、4、5）、每次提取時間（1、2、3、4 h）、提取溫度（60、70、80、90、100 ℃）對萌芽黑青稞粗提物得率（烘干提取液后的固體質量/青稞原料加入量，mg/100g）、總多糖、總酚酸、γ-氨基丁酸含量的影響[17]。

2）萌芽黑青稞籽粒粗提物制備工藝正交試驗

結合單因素試驗選擇對提取率影響較大的液料比（A）、提取次數（B）、提取時間（C）3個因素進行正交試驗[18-20]，以優選出最佳的粗提物制備工藝，正交試驗因素水平如表1所示。

表1 萌芽黑青稞籽粒的粗提物制備工藝正交試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test on preparation process of crude extract of germinated black hulless barley seeds

1.3.1.2 精制工藝

取萌芽黑青稞籽粒粗提液3份，冷凍至-20℃，放置9.0 h，取出于70℃水浴解凍，10 000 r/min離心10 min取上清液，棄除濾渣或沉淀。分別單獨考察冷凍時間（6.0、9.0、12.0 h）和解凍溫度（60、70、80℃）對萌芽黑青稞精提物得率（烘干提取液后的固體質量/青稞原料加入量，mg/100 g）、總多糖、總酚酸、γ-氨基丁酸含量的影響[21-22]。

1.3.1.3 干燥工藝

稱取上述精制工藝制備的濾液5份，每份300 g，上機進行噴霧干燥，進風溫度設置為170℃，霧化頻率100 Hz，霧化氣流量550 L/h，蠕動泵流速3.0 mL/min，料液濃度為0.5 g/mL，干燥，冷卻，收集噴干粉。分別單獨考察進風溫度（160、170、180、190 ℃）、進樣流速（1.5、3.0、4.5、6.0 mL/min）、霧化頻率（80、90、100 Hz）、霧化氣流量（490、550、610 L/h）以及料液濃度（0.50、0.75、1.00、1.50 g/mL）對萌芽黑青稞噴干粉得率（噴干粉質量/青稞原料加入量，mg/100 g）和性能（流動性、吸濕性和溶化性等）的影響，篩選最佳干燥工藝[23]。萌芽黑青稞噴干粉實際得率計算公式如下。

式中：W1為萌芽黑青稞精提液含量，g；W2為萌芽黑青稞噴干粉含量，g。

1.3.2 檢測方法

1.3.2.1 總多糖含量測定

精密移取0.2 mL萌芽黑青稞提取液于10 mL具塞試管中，加蒸餾水至2.0 mL，精密加入50%苯酚1.0 mL，搖勻，迅速滴加濃硫酸5.0 mL，搖勻，放置30 min后，在490 nm處測其吸光度，帶入標準曲線（Y=0.037 1X＋0.007 7，R2=0.999 4）求得濃度。萌芽黑青稞的總多糖含量計算公式如下。

式中：W為萌芽黑青稞總多糖含量，mg/100 g；C為總多糖質量濃度，μg/mL；V為吸取樣品溶液的體積，mL；n為稀釋倍數；m為萌芽黑青稞樣品質量，g；0.9為葡萄糖校正系數。

1.3.2.2 總酚酸含量測定

精密移取1.0 mL萌芽黑青稞提取液于25 mL棕色容量瓶中，依次加入2.0 mL去離子水和2.0 mL福林酚試劑，靜置5 min后加入2.4 mL 10% Na2CO3溶液，迅速用去離子水定容至刻度，混勻后室溫靜置70 min，在750 nm處測定吸光度，帶入標準曲線（Y=67 233X-5 042.6，R2=0.999 8）求得濃度。萌芽黑青稞的總酚酸含量計算公式如下。

式中：W為萌芽黑青稞總酚酸含量，mg/100 g；ρ為總酚酸質量濃度，mg/L；n為提取液稀釋倍數；V為提取液總體積，mL；m為用于提取的萌芽黑青稞的質量，g。

1.3.2.3 γ-氨基丁酸含量測定

移取1.0 mL萌芽黑青稞提取液，加入2.0 mol/L的AlCl3溶液50.0μL，混勻后室溫振搖15min，12000r/min離心5 min，取上清液0.5 mL加入1.0 mol/L的KOH溶液 300 μL，室溫振搖 5 min，12 000 r/min 離心 5 min。取上清液300 μL，加0.1 mol/L的四硼酸鈉緩沖溶液500 μL（pH10.0），6%的重蒸酚 400 μL，混勻后再加入600 μL 5%的NaClO溶液，充分混勻。于沸水浴中加熱10 min，立即置冰浴中5 min，待溶液出現藍綠色后，加入2.0 mL 60%乙醇，于645 nm處測定吸光度，帶入標準曲線（Y=37 619X+2 094.9，R2=0.999 6）求得濃度。萌芽黑青稞γ-氨基丁酸含量計算公式如下。

式中：W為萌芽黑青稞提取液中γ-氨基丁酸的含量，mg/100 g；C 為 γ-氨基丁酸濃度，mg/mL；V 為樣品提取液的總體積，mL；m為樣品質量，g。

2 結果與分析

2.1 粗提物制備工藝單因素試驗結果

2.1.1 液料比對粗提物制備工藝的影響

液料比對粗提物制備工藝的影響見圖1。

圖1 液料比對萌芽黑青稞粗提物制備工藝的影響Fig.1 Influence of liquid-to-material ratio on preparation process of crude extract of germinated black hulless barley

由圖1可知，萌芽黑青稞粗提物得率、γ-氨基丁酸、總多糖、總酚酸含量隨液料比增加而增加，當液料比為10∶1（mL/g）時黑青稞粗提物得率、總酚酸、總多糖含量基本達到最高，其后隨液料比增加相應含量增加不明顯，為最大化富集有效物質及節約溶劑用量，選擇液料比為 10∶1（mL/g）。

2.1.2 提取溫度對粗提物制備工藝的影響

提取溫度對粗提物制備工藝的影響見圖2。

圖2 提取溫度對萌芽黑青稞粗提物制備工藝的影響Fig.2 Influence of extraction temperature on preparation process of crude extract of germinated black hulless barley

由圖2可知，隨著提取溫度的升高，萌芽黑青稞粗提物得率、總多糖、γ-氨基丁酸、總酚酸的含量都隨之增加，這可能是由于提取溫度升高后分子的熱運動增加。當提取溫度低于90℃時，隨著提取溫度升高萌芽黑青稞粗提物得率及各有效物質含量逐漸提高，提取溫度超過90℃后，繼續提高提取溫度，萌芽黑青稞粗提物得率及各有效物質含量基本不變，綜合考慮各物質提取得率及節約能源兩方面選擇提取溫度為90℃。

2.1.3 提取次數對粗提物制備工藝的影響

提取次數對粗提物制備工藝的影響見圖3。

圖3 提取次數對萌芽黑青稞粗提物制備工藝的影響Fig.3 Influence of extraction times on preparation process of crude extract of germinated black hulless barley

由圖3可知，整體上萌芽黑青稞粗提物得率、總多糖、γ-氨基丁酸、總酚酸的含量會隨提取次數的增加而增加，在提取次數為3時，萌芽黑青稞粗提物得率及各有效物質含量均較高，繼續增加提取次數萌芽黑青稞粗提物得率及各有效物質含量變化不大，考慮到成本因素，選擇提次數為3。

2.1.4 提取時間對粗提物制備工藝的影響

提取時間對粗提物制備工藝的影響見圖4。

圖4 提取時間對萌芽黑青稞粗提物制備工藝的影響Fig.4 Influence of extraction duration on preparation process of crude extract of germinated black hulless barley

由圖4可知，萌芽黑青稞粗提物得率隨提取時間增加而增加，但在單次提取時間為2.0 h后繼續增加提取時間萌芽黑青稞粗提物得率增加不明顯；γ-氨基丁酸表現出相同趨勢；而總酚酸含量會隨著提取時間的增長而減少，這可能是由于單次提取時間過長導致的有效物質分解；提取時間對總多糖的含量影響不大。因此，單次提取時間為2.0 h時，可綜合保證各有效物質有較高含量且工藝簡單。

2.2 粗提物制備工藝正交試驗結果及方差分析

粗提物制備工藝正交試驗結果見表2，方差分析見表3。

表2 粗提物制備工藝正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of preparation process of crude extract

表3 粗提物制備工藝正交方差分析Table 3 Orthogonal variance analysis of preparation process of crude extract

根據正交試驗結果可知，以萌芽黑青稞粗提物得率為指標時，3個因素對提取效果的影響分別為液料比（A）=提取次數（B）>提取時間（C），萌芽黑青稞粗提物得率與烘干后質量有關，液料比和提取次數的增加更有利于青稞中淀粉等物質的溶出；以γ-氨基丁酸含量為指標，3個因素對提取效果的影響為提取次數（B）>提取時間（C）>液料比（A），提取次數和提取時間的增加可以增加γ-氨基丁酸的提取率；以總多糖含量為指標，3個因素對提取效果的影響為提取次數（B）>提取時間（C）>液料比（A）；以總酚酸為指標，3個因素對提取效果的影響為液料比（A）>提取次數（B）>提取時間（C）；對于γ-氨基丁酸和總多糖來說，提取次數均為影響提取效果的最顯著因素，這可能是因為提取次數的增多使溶液中γ-氨基丁酸和總多糖的含量不能達到飽和進而促進其溶出，提取時間的增加可以進一步促使γ-氨基丁酸和總多糖的溶出；對總酚酸來說，液料比對總酚酸的提取效果影響最大，這可能是因為提取時間和提取次數的增加導致其不穩定而分解。

綜上所述，提取正交工藝中提取次數對工藝的影響較大，而液料比次之，提取時間影響最小，雖然隨著提取時間的增加粗提物得率也在增加，但總酚酸含量在提取2.0 h時最佳。結合單因素試驗的研究結果，可以得到提取正交工藝的結果一致，故萌芽黑青稞粉的最佳粗提物制備工藝為液料比10∶1（mL/g）、提取溫度95℃、提取3次，每次2.0 h，在此工藝條件下，重復3次試驗所得萌芽黑青稞粉粗提物得率、γ-氨基丁酸、總多糖、總酚酸含量分別為15 700、327.96、4 908.42、199.66 mg/100 g。

2.3 精制工藝條件

冷凍時間對精制工藝的影響見圖5。

圖5 冷凍時間對萌芽黑青稞粉精提物精制工藝的影響Fig.5 Influence of freezing time on the purification of refined extract of germinated black hulless barley

由圖5可知，冷凍時間為6.0 h時，萌芽黑青稞精提物得率最大，繼續延長冷凍時間，萌芽黑青稞精提物得率略微減少，這可能是因為隨著冷凍時間的增加，不溶物析出增加導致；但總多糖和總酚酸含量隨冷凍時間增加變化不明顯；γ-氨基丁酸含量在冷凍時間為9.0 h時最高，但較冷凍時間為6.0 h增加幅度不大，因此為盡量保證各物質含量不降低及節約精制工藝時間，且冷凍時間少于6.0 h時粗提液不能冷凍完全，部分粗提液仍為液體，選擇冷凍時間不低于6.0 h為宜。

解凍溫度對精制工藝的影響見圖6。

圖6 解凍溫度對萌芽黑青稞粉精提物精制工藝的影響Fig.6 Influence of thawing temperature on the purification of refined extract of germinated black hulless barley

由圖6可知，解凍溫度為70℃時，總多糖、γ-氨基丁酸及總酚酸含量最高，繼續增加解凍溫度，γ-氨基丁酸含量基本不變，總多糖及總酚酸含量隨之減小，可能是因為溫度過高再次導致其分解，萌芽黑青稞精提物得率隨解凍溫度增加而增加，可能是因為隨解凍溫度的升高不溶物的溶解量增加，但萌芽黑青稞精提物得率增加不明顯，因此選擇70℃為解凍溫度。

綜上所述，最佳精制工藝選擇冷凍時間6.0 h，解凍溫度70℃。在此工藝條件下，重復3次試驗所得萌芽黑青稞精提物得率、γ-氨基丁酸、總多糖、總酚酸含量分別為 3 620、101.60、1 453.2、90.65 mg/100 g。

2.4 干燥工藝條件

2.4.1 進風溫度對噴霧干燥的影響

進風溫度對噴霧干燥的影響見表4。

表4 進風溫度對萌芽黑青稞噴干粉的影響及性能評價Table 4 Effect of inlet air temperature on the yield of germinated black hulless barley powder and the properties of the yielded powder

由表4可知，隨著進風溫度的升高，萌芽黑青稞噴干粉的實際得率逐漸降低，這是由于料液中含有還原糖，所以當進風溫度過高時，糖份會發生熔融，發生焦糖反應，伴隨粘壁現象，進樣溫度為160℃時，水分蒸發速度最適，液滴迅速干燥，且干燥成品顆粒均勻。所以，從噴干粉實際得率及能量利用的角度考慮，進風溫度選擇160℃為宜。

2.4.2 進樣流速對噴霧干燥的影響

進樣流速對噴霧干燥的影響見表5。

表5 流速對萌芽黑青稞噴干粉得率的影響及性能評價Table 5 Effect of flow rate on the yield of germinated black hulless barley powder and properties of the yielded powder

由表5可知，進樣流速為6.0mL/min時霧化效果極差，干燥塔上會有大量干粉結塊黏附，青稞提取液在沒有霧化完全就進入干燥器，滴到塔體中，試驗失敗；當進樣流速為1.5 mL/min時，霧化效果較好，但試驗時間較長；進樣流速3.0mL/min時獲得的噴干粉質地均一，流動性好，溶化性佳；進樣流速為4.5 mL/min時，噴干粉得率降低。這是因為較高的進料速度會使熱量傳遞變慢，使得液滴難以充分干燥，直接滴落在干燥室內，容易導致粘壁現象，同時較高的進料速度導致液滴和熱空氣之間沒有足夠的作用時間，增加了噴霧干燥粉末的水分，較短的接觸時間會導致傳熱和傳質效率降低，并導致終產品中的水分含量較高，因此，為節約噴干時間及增加噴干粉的得率進樣流速選擇3.0mL/min。

2.4.3 霧化頻率對噴霧干燥的影響

霧化頻率對噴霧干燥的影響見表6。

表6 霧化頻率對萌芽黑青稞噴干粉得率的影響及性能評價Table 6 Effect of atomization frequency on the yield of germinated black hulless barley powder and properties of the yielded powder

由表6可知，霧化頻率為80 Hz時霧化效果極差，霧化器噴嘴處并未形成霧化的液滴，而是較大的液滴并完全滴到塔體中，試驗失敗；霧化頻率為90 Hz時得到具有較好流動性的萌芽黑青稞噴干粉，但此時萌芽黑青稞噴干粉得率較低，吸濕性強；當霧化頻率為100 Hz時霧化效果最佳，獲得的萌芽黑青稞噴干粉質地均一，流動性好，溶解性佳。這是因為由于精提物中固體含量較低，如果霧化器頻率低，轉速慢，則霧滴較大，霧滴中的水分還未蒸發完全就形成濕粉黏附在干燥塔上，提高霧化器轉速后，霧滴尺寸相應減少，可以在很短的時間內使水分蒸發完全從而完成干燥，因此選擇霧化頻率為100 Hz。

2.4.4 霧化氣流量對噴霧干燥的影響

霧化氣流量對噴霧干燥的影響見表7。

表7 霧化氣流量對萌芽黑青稞噴干粉得率的影響及性能評價Table 7 Effect of flow rate of atomization gas on the yield of germinated black hulless barley powder and properties of the yielded powder

由表7可知，萌芽黑麥青稞噴干粉得率隨霧化器流量增加而增加，當霧化氣流量過低時，由于霧滴過細過輕，使顆粒大量粘結在噴頭上。隨著進料流量的增大，這種現象慢慢改善，當進料流量在610 L/h時，原料粘壁較少，干燥效果較好，所以本試驗中，霧化氣流量應選擇610 L/h。

2.4.5 料液濃度對噴霧干燥的影響

料液濃度對噴霧干燥的影響見表8。

表8 料液濃度對萌芽黑青稞噴干粉得率的影響及性能評價Table 8 Effect of feed concentration on the yield of germinated black hulless barley powder and properties of the yielded powder

由表8可知，料液濃度為1.50 g/mL時，實際萌芽黑青稞噴干粉得率較低，可觀察到粉末粘壁嚴重，獲得的噴干粉顆粒較大，流動性差，溶解性不佳，料液濃度為1.00g/mL時出現相同現象，可能是由于料液濃度過高時提取液的黏度較大，易附著在噴霧干燥機管壁上造成損失，使得實際收率較低。而料液濃度為0.75 g/mL及以下時，粉末流動性較好，5 min內全部溶解，溶解性較好，故選擇料液濃度為0.50 g/mL～0.75 g/mL以提高噴干粉得率。

2.4.6 干燥工藝重復試驗

根據上述試驗證實，影響萌芽黑青稞噴霧干燥得率的因素較多，排除料液濃度后霧化氣流量對萌芽黑青稞噴干粉得率影響最大，當固定其他條件時霧化氣流量達到610 L/h時萌芽黑青稞得率最高，而固定霧化氣流量時改變霧化器頻率和進風溫度對干燥的萌芽黑青稞得率影響較小。因此，后續的干燥工藝條件為固定霧化氣流量610 L/h、霧化頻率100 Hz，調節進風溫度160℃、進樣流速3.0 mL/min和料液濃度0.50 g/mL～0.75 g/mL。噴干工藝最優條件重復試驗結果如表9所示。

表9 干燥工藝最優條件重復試驗Table 9 Repeated test of optimum drying conditions

根據篩選出的最優干燥工藝進行3次平行試驗RSD＜2%，證明工藝穩定。本工藝條件可作為萌芽黑青稞噴干粉干燥的最佳工藝。

3 結論與討論

為了最大程度的富集萌芽黑青稞的功效物質同時制備穩定的青稞噴干粉，本試驗以萌芽黑青稞粗提物得率及總多糖、總酚酸、γ-氨基丁酸、噴干粉得率為評價指標對萌芽黑青稞的粗提物制備工藝、精制工藝和干燥工藝進行考察及優化，最終確定最佳提取、精制、干燥工藝為：稱取萌芽黑青稞籽粒，加10倍量的水，95℃提取3次，每次2.0 h，過濾，濾液于-0.08 MPa條件下60℃濃縮至0.50g/mL～0.75g/mL，濃縮液于-20℃冷凍過夜，70℃解凍后濾布除雜，濾液經霧化氣流量610 L/h、霧化頻率100 Hz、進風溫度160℃、進樣流速3.0 mL/min的噴霧干燥機噴干，即得萌芽黑青稞噴干粉。此方法制備的噴干粉粉質細膩、復溶效果好，復溶溶液無雜質、無沉淀，工藝方法簡單易行，穩定可靠。經本工藝制備的萌芽黑青稞噴干粉能夠有效富集包括總多糖，γ-氨基丁酸、總酚酸等多種功效成分，為萌芽黑青稞功能性原料的二次開發及產品研究奠定了基礎。