濕法研磨結合噴霧干燥制備苦蕎麩皮超微粉工藝優化

許青蓮, 王 麗, 吳 林, 張 萍, 周光朝, 呂光遠, 邢亞閣

(西華大學食品與生物工程學院1，成都 610039) (環太生物科技股份有限公司2，成都 610225)

苦蕎麩是苦蕎粉加工中得到的副產物，主要由苦蕎籽粒的皮層和糊粉層組成，由于制粉工藝的限制，麩皮中還含有一定量的外殼、胚乳和胚，因而苦蕎麩比苦蕎全粉更有營養，其中的生物類黃酮、脂肪、膳食纖維、蛋白質、維生素、礦物質的含量遠遠超過苦蕎粉[1]?？嗍w中黃酮類化合物含量約是甜蕎黃酮含量的30倍，并明顯高于其他谷物或果蔬，且主要分布在苦蕎麩皮部位[2-6]。苦蕎麩皮黃酮類化合物主要組成為蘆丁、槲皮素、異槲皮素、兒茶素等[7-9]。包塔娜等[10]在苦蕎麩皮浸膏中首次分離鑒定出β-谷甾醇、過氧化麥角甾醇、大黃素、胡蘿卜甙、山奈酚、異山奈酚。因此苦蕎麩皮作為食品加工原料，具有優良的開發潛力。目前由于其口感粗糙，苦澀，消化率低，常常被當作飼料或廢料丟棄，致使苦蕎麩皮中的一些生物活性物質沒有被很好的開發和利用[11]。

超微粉碎技術是借助機械設備，將物料顆粒快速粉碎至微米級的過程，是食品加工過程中物料前處理的關鍵技術[12]。超微粉具有多種優于塊狀或粒狀物料的理化性質，如良好的流動性、吸附性及化學活性，營養成分更易溶出并保持其生物活性等。同時，可使其在機體內的生物效價得到提高，在農業、醫藥、食品、化妝品、及航空航天等多種領域得到廣泛應用[13-15]。許青蓮等[16]研究表明采用濕法研磨工藝制備的苦蕎超微粉粒徑達到5.39 μm，超微粉粗蛋白、總酚、總黃酮含量顯著增加，持水力及持油力最好。噴霧干燥是指用霧化器把料液分散成霧狀液滴，同時在熱風中干燥，最終獲得粉狀或顆粒狀成品的過程，具有干燥速度快，干燥產品品質好，工藝簡單，控制方便，適用于大規模生產等優點，但也存在能耗大，干燥器內壁易粘附產品，清洗難度大等問題[17]。

本研究采用濕法研磨工藝結合噴霧干燥制備苦蕎麩皮超微粉，以總黃酮含量為評價指標，通過單因素和正交實驗優化麩皮粉濕法研磨的工藝參數；再以集粉率為評價指標，通過單因素實驗和響應面實驗優化麩皮粉噴霧干燥的工藝參數，最終確定苦蕎麩皮超微粉最佳生產工藝，為苦蕎麩皮粉作為食品原料開發新產品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

苦蕎麩皮粉(川蕎2號)蘆丁標準品，HPLC ≥ 98%，其他試劑均為分析純。

主要儀器設備：SNM03型濕法研磨機(見圖1)，SD-1000型實驗室噴霧干燥機，SpectraMax-i3x型酶標儀，ZN-200A型高速中藥粉碎機。

1—機架；2—研磨筒；3—定位銷；4—手柄；5—循環筒；6—容器蓋；7—出料管；8—攪拌器；9—通氣塞圖1 濕法研磨機

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

原料→干燥→粉碎→濕法研磨→調配→噴霧干燥

1.2.2 操作要點

原料選擇：選擇無異味、無霉變、無異物、優質的苦蕎麩皮粉為實驗原料。

干燥：40 ℃下干燥麩皮粉1.0 h。

粉碎：用高速萬能粉碎機粉碎至過100目篩。

濕法研磨：將麩皮粉加水配制成懸浮液，并攪拌均勻，調節研磨工藝參數(研磨轉速、研磨時間和料液比)對混勻后的麩皮懸浮液進行濕法研磨。

調配：研磨后的料液加水配制成一定質量濃度的麩皮料液，并混合均勻。

噴霧干燥：調節噴霧干燥工藝參數(進口溫度、進風量、料液濃度和進樣流量)，對調配后的料液進行噴霧干燥，得到的超微粉儲存于干燥、陰涼的環境中。

1.2.3 超微粉碎工藝優化

1.2.3.1 單因素實驗設計

將調配好的苦蕎麩皮混合液進行濕法研磨，以研磨轉速(2 000、2 200、2 400、2 600、2 800 r/min)、研磨時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)、料液比(1∶7、1∶10、1∶13、1∶6、1∶19 g/mL)進行單因素實驗，以總黃酮含量為評價指標確定各因素最優條件。

1.2.3.2 正交實驗設計

以研磨轉速、研磨時間和料液比進行3因素3水平正交實驗，見表1，對濕法研磨工藝參數進行優化，以總黃酮含量為評價指標，確定最優的研磨工藝參數。

表1 因素水平表

1.2.4 噴霧干燥工藝優化

1.2.4.1 單因素實驗設計

將納米濕法研磨最佳工藝條件制備的苦蕎麩皮料液進行噴霧干燥，以集粉率為評價指標，按照表2進行單因素實驗，考察進口溫度、進風量、料液濃度(即固形物質量分數，以苦蕎麩皮粉的質量分數計)和進樣流量對麩皮粉噴霧干燥效果的影響。

表2 噴霧干燥單因素實驗

1.2.4.2 響應面實驗設計

以進口溫度、進風量、料液濃度和進樣流量為考察因素，以集粉率為評價指標，對噴霧干燥工藝參數進行響應面優化實驗，確定最佳的噴霧干燥工藝參數。

1.2.5 指標測定方法

1.2.5.1 提取液制備

參考王藝靜[18]的方法制備麩皮提取液。稱取樣品0.5 g，加入15 mL 70%甲醇溶液，于70 ℃下水浴4 h，并每30 min振搖1次，然后趁熱過濾于25 mL容量瓶中，再用70%甲醇溶液清洗濾紙和殘渣，合并濾液，冷卻至室溫后用甲醇溶液定容，搖勻后得待測液，于4 ℃保存，于2 d內進行測定。

1.2.5.2 標準曲線的制備及總黃酮含量測定

參考Li等[19]和Chang等[20]的方法并略作修改。準確取1.0 mL提取液置于l0 mL容量瓶中，三氯化鋁溶液(0.1 mol/L)2 mL、乙酸鉀溶液(1 mol/L)3 mL，用70%甲醇溶液定容至刻度，搖勻，室溫下放置30 min，于波長420 nm處測定吸光度值。以蘆丁為標品作標準曲線，樣品中的總黃酮含量(g/100 g DW)以蘆丁計。吸光度(Y)與蘆丁濃度(X)的標準曲線為：Y=3.957X+0.000 6，R2=0.999 6，線性范圍0.00～0.20 mg。

1.2.5.3 集粉率測定

精確稱取一定質量的料液(W1)，于105 ℃烘干至恒重(W2)，總固形物質量分數X1和集粉率的計算公式為：

(1)

(2)

式中:W1為烘干前料液質量/g；W2為烘干后料液質量/g；W為收集到的麩皮粉質量/g；X為麩皮粉的含水率/%；W0為噴霧干燥料液的質量/g。

1.2.6 微觀形態觀察

樣品制備：對照組所用樣品為平均粒徑為26.68 μm、總黃酮含量為4.93 g/100 g的苦蕎麩皮粉。將對照用苦蕎粉于40 ℃下熱風干燥1 h，用高速萬能粉碎機粉碎5 min，得到剪切微粉，加水調制為10%的混合液，濕法研磨機轉速2 600 r/min，研磨1 h。采用噴霧干燥制粉，進口溫度164 ℃，料液濃度5.85%，清洗間隔為10 min、風速0.43 m3/min、進樣流量620 mL/h，壓力0.18 MPa，將制得的微粉(平均粒徑約為1.644 μm)置于陰涼干燥的密閉環境中保存備用。

采用JSM-7500F場發射掃描電鏡(SEM)觀察苦蕎麩皮粉的形態。參考Li等[21]的方法，取適量樣品均勻分布于導電膠上，首先進行噴金處理，再放入電鏡載物臺上于15.00 kV操作電壓下觀察樣品的形態，選擇清晰典型顆粒拍照。

1.3 數據處理

數據統計與作圖分別采用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 8.5。所有樣品重復3次，結果以平均值±標準差表示，數據進行ANOVA-Dunken顯著性差異分析。利用Design-Expert 8.0 軟件進行響應面設計和分析，對實驗數據進行顯著性分析，建立回歸方程，做出響應曲面，同時對2種因素之間的相互作用進行直觀分析，確定苦蕎麩皮粉噴霧干燥的最佳工藝。

2 結果與分析

2.1 超微粉碎單因素實驗

濕法研磨單因素實驗結果如圖2所示，最佳研磨工藝為：研磨轉速2 400 r/min、研磨時間1.0 h，料液比1∶13時，麩皮粉中總黃酮含量達到最大值分別為5.89、6.06、5.98 g/100 g，均呈現先增后減的變化趨勢。造成這種現象的原因可能是在達到總黃酮峰值之前，粉體粒徑不斷減小，蘆丁得到充分的釋放，因為其難溶于冷水造成蘆丁含量不斷聚集逐漸達到最大值。但各因素條件逐漸增大后，麩皮粉中的蘆丁降解酶逐漸水解蘆丁成槲皮素和蕓香糖，從而導致總黃酮含量減少。顧繼娟[22]在研究苦蕎籽粒蘆丁降解酶的純化及其酶學性質研究中指出當溫度在20～70 ℃之間時，蘆丁降解酶皆有活性，50 ℃時活性最高。納米研磨的時候，體系溫度達到30～40 ℃時就相對恒定了，所以當蘆丁降解酶活性逐漸增強的過程中造成蘆丁含量先增加后減少的變化趨勢。

圖2 濕法研磨單因素實驗

2.2 超微粉碎正交實驗結果與分析

用研磨轉速、研磨時間和料液比進行3因素3水平正交實驗對研磨工藝參數進行優化，如表3所示。

表3中極差分析結果表明，影響麩皮粉總黃酮含量的主次因素分別為研磨時間(B)>研磨轉速(A)>料液比(C)，濕法研磨的最優組為A3B2C2，該結果不在正交表中，故對其進行驗證。即在研磨轉速2 600 r/min，研磨時間1 h，料液比1∶10條件得到的麩皮粉總黃酮含量為8.33 g/100 g?？瞻琢械臉O差都是最小的，說明實驗的可靠性較好。結合表4方差分析表可知，研磨時間和研磨轉速對麩皮粉總黃酮含量的影響顯著(P<0.05)，而料液比對麩皮粉總黃酮含量的影響不顯著(P>0.05)?？紤]到直觀分析中在研磨工藝組合A3B2C1條件下總黃酮得率最高為8.55 g/100 g，故選擇A3B2C1作為最優研磨工藝。肖詩明等[23]研究了苦蕎麥麩皮中黃酮的水浸提工藝條件，得出水的用量對浸提效果影響最大，而浸提時間影響最小，與本研究結果不一致，分析原因一方面浸提條件不同，肖詩明等[24]的研究中采用的靜提法，此研究中采用的是研磨的方法，另一方面肖詩明等[24]的研究中浸提溫度均高于50 ℃，此研究中研磨體系溫度恒定時不超過40 ℃，這些因素交互一起造成結果的不同。

表3 濕法研磨正交實驗結果

表4 方差分析表

2.3 噴霧干燥單因素實驗

2.3.1 進口溫度對集粉率的影響

由圖1可知，隨著進口溫度的上升，麩皮粉的集粉率呈現出先上升后下降的現象。進口溫度較低時，物料在噴霧過程中沒有充分干燥，黏壁現象嚴重，當進口溫度在150～165 ℃時，物料在噴霧過程中充分干燥，集粉率顯著升高；隨著進口溫度繼續升高，會產生熱熔掛壁現象而造成集粉率下降。朱蕓[24]應用噴霧干燥制備麥胚粉，隨著進風溫度的上升，麥胚粉得率呈現先上升再下降的趨勢，分析得出進口溫度太低不利于水分蒸發，溫度太高產品黏壁現象嚴重而影響得率，同時體系中包埋的油脂易暴露氧化導致物料黏性增加而降低品質。綜合考慮，選擇150、165、180 ℃3個水平的進口溫度進行下一步響應面實驗。

2.3.2 進風量對集粉率的影響

由圖3可知，隨著進風量的增加，麩皮粉的集粉率先上升后下降，當進風量在0.45 m3/min時，集粉率最高為57.01%。當風速較小時，物料不能充分干燥，黏壁嚴重導致集粉率下降，風速太大，樣品可能直接黏附在蒸發瓶內壁上，也可能隨氣流從排氣管排出，造成集粉率下降。于倩楠[25]在研究山藥粉噴霧干燥工藝時，也得出相似的結論。因此，當進風量控制為0.35～0.55 m3/min時，集粉率明顯高于其他處理組。

2.3.3 料液濃度對集粉率的影響

料液濃度對集粉率的影響如圖3所示，隨著料液濃度的增加，麩皮粉的集粉率先上升后下降。當可溶性固形物質量分數小于6%時，由于料液濃度較低，料液水分含量較大，干燥過程中需要大量的蒸發熱，物料易粘在干燥室內壁而導致集粉率較低；隨著料液濃度的增加，水分含量減少，黏壁狀況得到改善，集粉率逐漸上升；但固形物質量分數大于8%時，液料黏度增大，導致霧化不均勻，掛壁現象嚴重，集粉率下降。劉超等[26]在研究杏粉噴霧干燥工藝時發現，隨著杏漿可溶性固形物含量的升高，集粉率逐漸增加，當可溶性固形物質量分數超過11%時，集粉率反而下降。分析原因隨著料液濃度的增加，物料黏度也隨之增加，在蠕動泵轉速一定的情況下，進料量會降低進而影響集粉率。實驗結果表明，固形物質量分數應控制在4%～8%的范圍內。

圖3 噴霧干燥單因素實驗

2.3.4 進樣流量對集粉率的影響

由圖3可知，隨著進料流量的增大，集粉率呈先增大后減小的趨勢。當進樣流量較小時，液滴直徑較小，熱蒸發率較大，液滴表面迅速形成硬殼，粉體內部水分向表層的擴散阻力增大[27]。當進料流量達到600 mL/h時，集粉率達到最大值為67.57%；隨著進樣流量繼續增大，液滴直徑變大，熱蒸發率較小，液滴無法得到充分干燥，使麩皮粉集粉率減小。這也可能因為進樣流量過低時，單位物料受熱過大從而導致熱熔性粘壁；進料量過高時，水分蒸發過慢，難以完全霧化而發生粘壁現象。這與海金萍等[28]的研究結論一致。

2.4 噴霧干燥響應面優化實驗結果與分析

2.4.1 響應面分析

以進口溫度、進風量、料液濃度和進樣流量為考察因素，以集粉率為評價指標，進行Box-Behnken響應面優化實驗，實驗設計及結果分別見表5和表6。

表5 響應面實驗設計分析水平表

表6 響應面實驗設計及結果

利用Design Expert 8.0.6 數據分析軟件對表6中的結果進行響應面分析，得到關于苦蕎麩皮噴霧干燥集粉率(Y)對進口溫度(X1)、進風量(X2)、料液濃度(X3)和進樣流量(X4)的二次多項回歸方程：

由表7中的系數顯著性檢驗分析可知：進風量X2、料液濃度X3和進樣流量X4對苦蕎麩皮粉的集粉率影響極顯著(P<0.01)，進口溫度X1對集粉率影響不顯著(P>0.05)，4個因素對麩皮粉集粉率的影響程度為：進樣流量>料液濃度>進風量>進口溫度。由模型系數顯著性檢驗分析可知，各因素間的交互作用對苦蕎麩皮粉集粉率的影響極顯著(P<0.01)。

表7 實驗結果方差分析表

2.4.2 最佳工藝參數

利用Design Expert 8.0.6進一步分析確定苦蕎麩皮粉噴霧干燥的最佳工藝參數：進口溫度163.68 ℃、進風量0.43 m3/min、料液濃度5.86%和進樣流量620.42 mL/h。集粉率的預測值分別為69.55%。采用優化后的噴霧干燥工藝進行驗證實驗，考慮到實際操作可行性，調整最佳工藝參數，即進口溫度164 ℃、進風量0.43 m3/min、料液濃度5.85%和進樣流量620 mL/h。此條件下測得實際集粉率為68.72%。預測值和實際值標準偏差為1.21%，表明預測模型可行。由此，采用響應面法對苦蕎麩皮粉噴霧干燥工藝參數進行優化得出的結果準確可靠。

2.4.3 微觀形態分析

粗粉和超微粉掃描電鏡形態如圖4，分別放大500倍和5 000倍。由圖4a可以看出，麩皮粗粉粒徑較大，呈現出不規則空間結構，淀粉及其它顆粒被緊密包裹其中，圖4b可以看出這種空間結構邊緣較光滑，結構飽滿，易發生聚集。濕法研磨組樣品呈較小的顆粒，平均粒徑顯著變小，見圖4c，緊密的空間結構遭到破壞，淀粉、蛋白質、脂肪等小顆粒被釋放出來，并且小顆粒出現坍塌、凹陷，或是被層層剝離，細胞壁受到嚴重破壞，也有出現小顆粒粘附在大顆粒表面團聚的現象，見圖4d。這同文獻[29-31]的研究一致，說明濕法研磨工藝對苦蕎粉組織結構及細胞壁的破壞程度更強，進而影響粉體的各種物化性質。

圖4 微觀形態圖

3 結論

濕法研磨結合噴霧干燥工藝制備苦蕎超微粉，分別以總黃酮含量和集粉率為考察指標得到最優研磨工藝為研磨轉速2 600 r/min，研磨時間1.0 h，料液比1∶7(g/mL)，此工藝條件下總黃酮的含量為8.55 g/100 g，較對照組總黃酮含量有顯著增加。噴霧干燥最優條件為進口溫度164 ℃、進風量0.43 m3/min、固形物質量分數5.85%，進樣流量620 mL/h，此條件下集粉率達到68.72%。最優制備工藝條件下制備的超微粉粒徑小至1～2 μm，微觀形態發生明顯改變，組織結構及細胞壁收到一定程度的破壞。微觀形態的改變將影響到粉體的各種物化性質。