響應(yīng)面分析法優(yōu)化噴霧干燥工藝制備酪蛋白巨肽

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州350002)

響應(yīng)面分析法優(yōu)化噴霧干燥工藝制備酪蛋白巨肽

張寧寧，陳圓圓，毛極仁

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州350002)

本研究的目的是采用噴霧干燥技術(shù)實現(xiàn)酪蛋白巨肽（CMP）的工業(yè)化生產(chǎn)。借助響應(yīng)面分析法對CMP噴霧干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究了進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)頻率、進(jìn)料速度對CMP出粉量的影響，，并對CMP的感官指標(biāo)進(jìn)行評定。結(jié)果表明，制備CMP的最佳噴霧干燥條件為：進(jìn)風(fēng)溫度161℃，風(fēng)機(jī)頻率50 Hz，進(jìn)料速度401 mL/h；此條件下，CMP出粉量達(dá)13.6 g/200 mL，感官指標(biāo)評價良好。

酪蛋白巨肽，噴霧干燥，響應(yīng)面法

0 引言

酪蛋白巨肽（caseinomacropeptide，CMP）天然存在于乳中，是哺乳動物攝入乳后胃內(nèi)迅速釋放的消化產(chǎn)物[1]。CMP具有多種生理功能，包括結(jié)合腸毒素、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)反應(yīng)、促進(jìn)雙歧桿菌增殖等[2-8]。將CMP制成粉，不僅便于貯藏，更有利于擴(kuò)大其在食品中的應(yīng)用范圍。

目前CMP粉的制備多以冷凍干燥方式為主[9-10]。冷凍干燥的設(shè)備造價高，工藝時間長，能源消耗大，生產(chǎn)成本高，不適宜工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)[11]。噴霧干燥因具有干燥速度快、變性程度低、復(fù)水性、味道、色澤均較佳、衛(wèi)生安全等特點[12]，已成為多肽干燥常用的方法。

前期研究工作已建立酶法獲得CMP水解液的方法[13]。在此基礎(chǔ)上，本文運用響應(yīng)面法優(yōu)化制備CMP的噴霧干燥工藝，以期為CMP的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

牛奶，金龍魚黃金比例調(diào)和油，凝乳酶，透析袋（分子量3 500 u），十二烷基磺酸鈉，其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

噴霧干燥機(jī)，H1850R臺式高速冷凍離心機(jī)，PB-10數(shù)顯pH計，恒溫水浴鍋，紫外可見分光光度計，DHG-9140(A)電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 方法

（1）CMP的制備根據(jù)文獻(xiàn)[13]中描述的方法，修改如下：透析后的溶液經(jīng)噴霧干燥后獲得粉末狀CMP。

（2）CMP溶液噴霧干燥單因素實驗。①進(jìn)風(fēng)溫度對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進(jìn)料速度400 mL/h，風(fēng)機(jī)頻率50 Hz，考察進(jìn)風(fēng)溫度140，150，160，170，180℃對CMP出粉量的影響。②風(fēng)機(jī)頻率對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進(jìn)料速度400 mL/h，進(jìn)風(fēng)溫度160℃，考察風(fēng)機(jī)頻率為40，45，50，55，60Hz對CMP出粉量的影響。③進(jìn)料速度對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進(jìn)風(fēng)溫度160℃，風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz，考察進(jìn)料速度100，200，300，400，500 mL/h對CMP出粉量的影響。

（3）CMP噴霧干燥響應(yīng)面優(yōu)化試驗以Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析法對進(jìn)風(fēng)溫度（A）、風(fēng)機(jī)頻率（B）

1 實驗

1.1 材料與儀器和進(jìn)料速率（C）對出粉量進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計。采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。試驗因素與水平如表1所示。

表1 響應(yīng)曲面設(shè)計實驗因素水平和編碼

（4）CMP出粉量的計算[14]出粉量：出粉量（g/ 200 mL）=收集瓶內(nèi)的粉末質(zhì)量。

（5）CMP純度的測定CMP不含芳香族氨基酸，在280 nm處沒有紫外吸收，但在210 nm處有紫外吸收，因此可用210 nm與280 nm處的吸收差來鑒定CMP的純度[15]。

（6）感官指標(biāo)評定。①形態(tài)、色澤、雜質(zhì)的評定稱取3 g酪蛋白巨肽干粉，散放于培養(yǎng)皿中，在自然光下直接觀察；②氣味的評定在無異味的環(huán)境下，采用鼻嗅的方法進(jìn)行評定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

每個實驗重復(fù)3次，結(jié)果以（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）表示。統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0進(jìn)行，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1噴霧干燥單因素試驗結(jié)果

不同噴霧干燥條件對CMP出粉量的影響如圖1所示。由圖1（a）可知，進(jìn)風(fēng)溫度在140 ～180℃范圍內(nèi)時，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，出粉量呈上升后下降的趨勢。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較低時，物料在干燥塔內(nèi)并沒有得到充分的干燥，物料黏壁，導(dǎo)致出粉量低；當(dāng)溫度逐漸升高，物料在干燥塔內(nèi)干燥越來越充分，出粉量逐漸升高；當(dāng)溫度過高時，物料表面的水分蒸發(fā)很快，物料表面形成硬殼，阻止了物料內(nèi)部水分的蒸發(fā)與擴(kuò)散，此時蒸汽壓力的增大導(dǎo)致物料顆粒開裂回潮而粘在壁上，最終導(dǎo)致出粉量降低[16-17]。綜合考慮，進(jìn)風(fēng)溫度選取150 ～170℃范圍內(nèi)。

由圖1（b）可知，CMP的出粉量隨著風(fēng)機(jī)頻率的提高呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率較低時，CMP溶液不能充分形成霧滴，存在粘壁現(xiàn)象，出粉量較低；當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz左右時，噴霧干燥效果較好，集粉量較高；當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)步升高超過一定值，物料還未被完全干燥已隨風(fēng)黏附在干燥塔上，隨尾氣流出的CMP增多，產(chǎn)品的集粉量減少[18-19]。綜合考慮，風(fēng)機(jī)頻率選取在45 ～55 Hz范圍內(nèi)。

由圖1（c）可知，出粉量隨進(jìn)料速度的增加呈先上升后下降的趨勢。進(jìn)料速度的增加，導(dǎo)致料液被霧化器霧化的液滴體積增大，霧滴并能被完全干燥，水分蒸發(fā)不徹底，料液被“吹”至干燥塔內(nèi)表面后，出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象[20-21]，導(dǎo)致出粉量降低。綜合考慮，進(jìn)料速度選取在300 ～500 mL/h范圍內(nèi)。

2.2噴霧干燥的響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

圖1 不同噴霧干燥條件下CMP的出粉量

采用Design-Expert 8.0.6對表1中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對回歸系數(shù)和回歸模型進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 實驗設(shè)計和結(jié)果

各因素經(jīng)二次多項式回歸擬合后，得到CMP出粉量對進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)頻率、進(jìn)料速度3個因素的二次多項回歸方程為

出粉量（g·200mL-1）=13.47+0.44A-0.29B-0.0148C+0.96AB+0.76AC+0.23BC–2.30A2-1.25B2-1.74C2，

式中：A為進(jìn)風(fēng)溫度（℃）；B為風(fēng)機(jī)頻率（Hz）；C為進(jìn)料速度（mL/h）。

對模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。從表3分析結(jié)果可以看出，CMP出粉量回歸模型的P＜0.0001，說明模型高度顯著；模型的R2和校正的R2分別為0.9981和0.9957，說明該模型能解釋99.57%響應(yīng)曲面的變化，僅有總變異的0.43%不能用此模型解釋，失擬項P＞0.05，說明模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是合適的，可用于預(yù)測CMP噴霧干燥的出粉量。

出粉量方程中，一次項A、B、C和二次項A2、B2、C2以及交互項AC、BC、AB的P值均小于0.0001，對CMP出粉量的影響高度顯著，可以此確定CMP噴霧干燥的最佳工藝參數(shù)。且在一定的范圍內(nèi)，不同因素對CMP出粉量的影響程度大小依次為：進(jìn)風(fēng)溫度＞風(fēng)機(jī)頻率＞進(jìn)料速度。

表3 回歸模型及方差分析

2.2.2 響應(yīng)面圖和等高線圖分析

圖2為各因素間交互作用對CMP出粉量影響的響應(yīng)面和等高線。由圖2可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)機(jī)頻率、進(jìn)料速度3個因素間都存在著相互影響。

圖2 各因素間交互作用對CMP出粉量影響的響應(yīng)面和等高線

進(jìn)風(fēng)溫度與風(fēng)機(jī)頻率的交互作用對CMP出粉量的影響如圖2（a）和2（b）所示，當(dāng)進(jìn)料速度為400 mL/h，在進(jìn)風(fēng)溫度156 ～163℃和風(fēng)機(jī)頻率在49 ～51 Hz范圍內(nèi)，CMP出粉量最大。

進(jìn)風(fēng)溫度與進(jìn)料速度的交互作用對CMP出粉量的影響如圖2（c）和2（d）所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz，在進(jìn)風(fēng)溫度156 ～163℃和進(jìn)料速度380 ～420 mL/h范圍內(nèi)，CMP出粉量最大。

風(fēng)機(jī)頻率與進(jìn)料速度的交互作用對酪蛋白巨肽出粉量的影響如圖2（e）和2（f）所示，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為160℃，在風(fēng)機(jī)頻率49 ～51 Hz和進(jìn)料速度380 ～420 mL/h范圍內(nèi)，CMP出粉量最大。

綜上所述，圖2均直觀地反映了各因素的交互作用對CMP出粉量的影響。進(jìn)風(fēng)溫度和風(fēng)機(jī)頻率交互作用、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度交互作用以及進(jìn)風(fēng)速度和進(jìn)料速度對酪蛋白巨肽出粉量都呈現(xiàn)出了最為顯著的水平（P＜0.01），表現(xiàn)為曲面較陡。

2.3最佳噴霧干燥工藝的確定

通過對所建立的模型進(jìn)行擬合及方差分析，可得出噴霧干燥CMP的最佳工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度160.8℃，風(fēng)機(jī)頻率49.6 Hz，進(jìn)料速度400.8 mL/h，在此條件下，CMP的理論出粉量為13.5 g/200 mL。考慮到實際操作條件，將最佳工藝條件修正為：進(jìn)風(fēng)溫度161℃，風(fēng)機(jī)頻率50 Hz，進(jìn)料速度401 mL/h。在此最優(yōu)條件下進(jìn)行CMP噴霧干燥的驗證實驗，3次的出粉量分別是13.1 g/200 mL，13.9 g/200 mL，13.4 g/ 200 mL（平均值為13.6 g/200 mL），說明回歸方程能較真實得反映各因素對CMP出粉量的影響，表明采用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化得到的噴霧干燥工藝參數(shù)真實可靠。

2.4CMP感官指標(biāo)

通過測定CMP在210 nm和280 nm處的比值，得到CMP的純度為81%。其外觀形態(tài)如圖3所示，感官指標(biāo)如表4所示。

圖3 酪蛋白巨肽粉末

表4 感官指標(biāo)檢測結(jié)果

3 結(jié)論

借助響應(yīng)面分析法，以CMP出粉率為指標(biāo)，確定了CMP噴霧干燥的最佳工藝條件：進(jìn)風(fēng)溫度160.8℃，風(fēng)機(jī)頻率為49.6 Hz，進(jìn)料速度為400.8 mL/h，此條件下獲得的CMP為淡黃色粉末，無肉眼可見雜質(zhì)，感官評價質(zhì)量良好，出粉量達(dá)13.6 g/200 mL。試驗所得模型與實際數(shù)據(jù)擬合良好，可以對參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和控制。

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Optimization of spray drying conditions for caseinomacropeptide by response surface methodology

ZHANG Ning-ning,CHEN Yuan-yuan,MAO Ji-ren
(College of Food Science，F(xiàn)ujian Agricultural and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

caseinomacropeptide；spray drying；response surface

Q93-33

A

1001-2230（2016）11-0008-04

2016-05-29

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31301458）。

張寧寧（1984-），女，博士研究生，研究方向為食品加工，食品營養(yǎng)。

Abstrct:The purpose of this work was to industrially produce CMP powder by spray drying.The spray drying conditions were optimized by response surface methodology,where the effects of inlet air temperature,fan frequencyand feed flow rate on the powder yield of CMP were analyzed.The sensory index of CMP was also investigated after spray drying.The results showed that the optimum conditions for the spray drying of caseinomacropeptide was spray dried at inlet air temperature of 161℃,fan frequency of 50 Hz,and feed flow rate of 401 mL/h, resulting in a powder yield of 13.6 g/200 mL with good sensory qualities.