核桃抗氧化多肽噴霧干燥的工藝優化

馬　巖,孟憲軍

(1.沈陽師范大學實驗教學中心食品加工標準化實驗室,遼寧沈陽 110034;2.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110866)

?

核桃抗氧化多肽噴霧干燥的工藝優化

馬巖1,孟憲軍2,*

(1.沈陽師范大學實驗教學中心食品加工標準化實驗室,遼寧沈陽 110034;2.沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110866)

針對多肽干燥活性難以控制、成本高等問題,以脫脂核桃粉為原料,利用超聲波輔助提取制備核桃蛋白;木瓜蛋白酶與胰蛋白酶雙酶組合水解核桃蛋白,制備核桃抗氧化多肽,應用噴霧干燥技術制備核桃抗氧化多肽干粉。研究了噴霧干燥的進風溫度,出風溫度,進料濃度對多肽收集率和對DPPH·抑制率的影響。在單因素實驗基礎上,利用響應面法建立了二次回歸數學模型,分析了各因素及其交互作用對指標影響的顯著性,確定了最佳工藝條件為:進風溫度172 ℃,出風溫度88 ℃,進料濃度23%。在此條件下獲得的多肽干粉的收集率為91.28%,抑制率為76.33%,多肽粉末的溶解性和抑制率俱佳,為工業化生產抗氧化多肽干粉提供了一定的理論依據。

核桃,抗氧化多肽,噴霧干燥,收集率,抑制率

核桃(JuglansregiaL.)是胡桃科核桃屬多年生落葉喬木的堅果,其可食部為果實的仁,果仁富含油脂、蛋白質、礦物質及維生素等營養素,其中蛋白質含量占15%～29.6%,且全部為優質蛋白,效價與動物蛋白相近[1]。核桃仁性溫味甘具有溫潤肺臟、定喘、健腦、預防冠心病、固精補腎、降低血脂等功效[2]。

由于核桃蛋白的主要成分為谷蛋白,約占蛋白總量的70%,而谷蛋白疏水性氨基酸含量較高,致使核桃蛋白溶解性較低[3],限制了食品加工中核桃蛋白的利用,可采用酶法改性將其制成多肽。核桃肽不僅具有良好的溶解性,而且具有高濃度和低粘度的功能特性,是一種很好的生產高蛋白流體的食品原料,此外核桃肽還具有以下生理活性如易消化吸收、促進微生物發酵以及抗氧化活性等,可以作為發酵火腿、生產酸奶以及風味酒等發酵食品的原料或者添加劑。核桃肽的工業化生產將促進我國保健食品的開發以及核桃產品的多樣化。

由于多肽制成干燥粉末,體積減小,便于運輸與貯藏。而冷凍干燥法設備昂貴、產品成本太高且能耗大,在工業應用中受限制。熱風干燥制備的多肽干粉感官質量差,溶解性低,水溶性低,因此本實驗采用噴霧干燥法,將核桃多肽溶液在霧化器內分散成霧滴,然后制成核桃多肽干粉。通過熱空氣與霧滴直接接觸,在短時間內使多肽溶液迅速干燥,獲得粉粒狀產品,提高質量[4-5]。國外對蛋白質水解的研究主要集中于如何改善蛋白質的加工功能特性如乳化性、水溶性、熱穩定性、氣泡性以及風味特性等[6]。目前,我國蛋白酶解的研究主要集中于大豆蛋白、玉米蛋白以及某些動物蛋白等,對核桃蛋白水解物的研究還很少,而且對核桃蛋白酶解過程控制缺乏系統深入研究。

本實驗采用超聲波振蕩輔助提取核桃蛋白,用木瓜蛋白酶與胰蛋白酶雙酶組合對核桃蛋白進行水解,制備多肽[7-8],并應用旋轉式噴嘴霧化法[9]制備核桃抗氧化多肽粉。采用響應面分析法,確定噴霧干燥最佳工藝條件。對促進核桃蛋白的開發利用具有積極意義,為相關工業化生產提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

脫脂核桃粉河南順康食品添加劑有限公司;木瓜蛋白酶(25000 U/mg)、胰蛋白酶(2000 U/g)北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司;DPPH上海楷洋生物技術有限公司;碳酸氫鈉、氫氧化鈉、濃鹽酸、無水乙醇、磷酸二氫鉀、三水合磷酸氫二鉀國藥集團化學試劑有限公司;以上試劑均為分析純。

SD-1500型實驗型噴霧干燥機上海沃迪科技有限公司;CR21G 型高速冷凍離心機東京日立公司;UV-2100型紫外分光光度計由尼克上海儀器有限公司;HH-6型數顯電子恒溫水浴鍋國華電器有限公司;PHS-25型酸度計上海理達儀器廠;RE-52型旋轉蒸發器、SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵上海亞榮生化儀器廠;SB-5200DTD超聲波清洗機寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1工藝流程脫脂核桃粉→浸泡→調節pH→超聲輔助攪拌→離心→去油層和下層沉淀→調節溶液pH→酶解→滅酶→噴霧干燥→成品。

1.2.2操作要點將脫脂核桃粉與pH=9的NaHCO3溶液按1∶20(質量與體積之比)混合均勻,60 ℃恒溫水浴30 min;調pH至8.5,在45 ℃條件下超聲輔助攪拌90 W,20 min[10];4 ℃、3000 r/min離心10 min,去除油層和下層沉淀;收集中間澄清溶液,用0.1 mol/L的HCl調節澄清液pH至7.5,以8000 U/g,1∶1酶活比的木瓜蛋白酶與胰蛋白酶雙酶組合水解[11],不斷攪拌,并且維持溶液pH7.5恒定,50 ℃水浴3 h后,90 ℃水浴滅酶10 min,冷卻至室溫。旋轉蒸發至一定濃度后進行噴霧干燥。

1.2.3核桃抗氧化多肽噴霧干燥工藝單因素實驗在噴霧干燥法濃縮核桃抗氧化多肽過程中,當風機速度為60 Hz,蠕動泵轉速為1500 r/min,進風流量60 m3/h不變時,固定出風溫度90 ℃,進料濃度20%,設置不同的進風溫度;固定進風溫度170 ℃,進料濃度20%,設置不同的出風溫度;固定進風溫度170 ℃,出風溫度90 ℃,設置不同的進料濃度。分別考慮進風溫度、出風溫度、進料濃度3個因素對多肽粉的收集率及其對DPPH·自由基抑制率影響,得到最佳因素水平。

1.2.4核桃抗氧化多肽噴霧干燥工藝響應面實驗設計根據單因素實驗確定各因素水平,結合Box-Benhnken中心組合實驗設計原理,分別選取進風溫度(A),出風溫度(B),進料濃度(C)作為自變量,以多肽粉的收集率及對DPPH·抑制率作為響應值設計響應面實驗。實驗設計的因素水平及編碼見表1。

表1　中心組合實驗因素與水平設計

1.3指標測定

1.3.1多肽粉收集率的測定每次將具有高抗氧化活性的目標多肽酶解液100 mL,在特定的溫度和壓力等實驗條件下,通過噴霧干燥制得的特定分子量核桃多肽粉狀成品[12]。

按式(1)計算收集率。

式(1)

式中,有效粉量(g);進料濃度為多肽料液的質量分數(%)。

1.3.2抗氧化多肽粉DPPH·抑制率測定比色管中依次加4 mL pH=6.88磷酸鹽緩沖溶液,4 mL 0.2 mmol/L DPPH乙醇溶液,混勻,再加入1 mL質量濃度為1 mg/mL的多肽溶液,蒸餾水定容至10 mL,充分混勻,10 min后在520 nm處測量吸光度[13]。按式(2)計算抑制率。

式(2)

式中,A對照為未加多肽而加DPPH-乙醇溶液的對照組吸光值;A樣品為加多肽和DPPH-乙醇溶液的樣品組吸光值;A0為未加樣品和DPPH-乙醇溶液的空白組吸光值。

1.4數據處理

所有數據均來自于3個獨立平行樣,采用Design-Expert 7.0.0軟件進行響應面分析,Microsoft Excel 2003計算繪制圖表。

2　結果與分析

2.1噴霧干燥單因素實驗結果與分析

2.1.1進風溫度對核桃抗氧化多肽噴霧干燥的影響進風溫度對多肽收集率以及抑制率的影響見圖1。

圖1　進風溫度對收集率及抑制率的影響Fig.1　The influence of inlet air temperature on gathering rate and inhibiting rate

收集率是評價噴霧干燥效果的重要指標,對自由基的抑制率是評價多肽生物活性的重要標準[14]。由圖1可知,當進風溫度在140～170 ℃范圍內,收集率與抑制率隨溫度的升高而增大,在170 ℃處,收集率和抑制率均達到最大,分別為88.34%、73.27%;進風溫度繼續升高,收集率與抑制率呈現下降趨勢,超過180 ℃后,開始急劇減小。適當的進風溫度使核桃抗氧化多肽干燥完全,而溫度過高,掛壁現象嚴重,蛋白質變性,生物活性降低,清除DPPH·的能力減弱。

不同進風溫度對掛壁現象以及成品物性的影響見表2。

表2　進風溫度對掛壁物性的影響

由表2可知,進風溫度為160、170、180 ℃時,成品與器壁的粘附力較小,且氣味與色澤較好,噴霧干燥的效果較為理想;進口溫度為140、150、190、200 ℃時,掛壁嚴重,是因為當進口溫度低時,較大的霧滴不能干燥完全,造成掛壁,甚至結塊;而溫度過高時,多肽過度變性并焦糊,增加了粘附力,導致嚴重掛壁。進風溫度在160～180 ℃范圍內較合理。綜上,170 ℃為噴霧干燥最佳進風溫度。

2.1.2出風溫度對核桃抗氧化多肽噴霧干燥的影響出風溫度對多肽收集率以及抑制率的影響見圖2。

圖2　出風溫度對收集率及抑制率的影響Fig.2　The influence of exhaust air temperature on gathering rate and inhibiting rate

由圖2可知,當出風溫度在50～90 ℃之間,收集率與抑制率隨溫度的升高而增大,90 ℃時,收集率和抑制率均最大,分別為85.93%、73.50%,且收集率增大的速率明顯大于抑制率,說明出風溫度對收集率的影響比抑制率大;繼續升高出風溫度,收集率與抑制率呈現下降趨勢,且趨勢相近。這是因為,較高的出風溫度可使多肽完全干燥,而當出風溫度較低時,多肽干燥不完全,易結塊,散落性低,影響收集率,且造成多肽溶解性下降,從而使抑制率減小[15];當出風溫度高于90 ℃,多肽色澤較黃,有不同程度的掛壁現象,生物活性降低,清除DPPH·的能力減弱。

不同出風溫度對掛壁現象以及成品物性的影響見表3。

表3　出風溫度對掛壁物性的影響

從表3中可以看出,出風溫度在80 ℃以下,掛粉現象較明顯,到達塔壁時多肽沒有得到充分干燥,從而粘附其上。在連續操作過程中,若粘于塔壁上的多肽過多,則影響成品的品質。在80～100 ℃之間,掛壁較少,且粉末干燥的效果達到要求。110 ℃時,多肽變性,多肽色澤略焦,在收集瓶內有掛壁現象。為了更好地控制生產過程,出風溫度控制在80～100 ℃為宜。綜上,噴霧干燥最佳出風溫度為90 ℃。

2.1.3進料濃度對核桃抗氧化多肽噴霧干燥的影響進料濃度對多肽收集率以及抑制率的影響見圖3。

圖3　進料濃度對收集率及抑制率的影響Fig.3　The influence of mass fraction on gathering rate and inhibiting rate

由圖3可知,進料濃度在5%～25%范圍內,收集率隨濃度的增大而增大,25%時,收集率最大,87.15%,繼續提高濃度,收集率呈現下降趨勢;5%～20%之間,抑制率隨濃度的增大而增大,20%時,抑制率最大，之后,抑制率呈現較緩慢的下降趨勢,20%～25%范圍內抑制率差別很小。這是因為當進料濃度過低時,霧滴非常小,造成干燥過度,多肽變性程度較大,從而影響收集率和抑制率;當過高時,霧滴過大,不易干燥完全而造成掛壁,而且多肽粉的顆粒較大,分散性差,溶解性降低,從而影響抑制率[15]。

不同進料濃度對掛壁現象以及成品物性的影響見表4。

表4　進料濃度對掛壁物性的影響

由表4可知,進料濃度低于15%或者高于30%時,出粉效果差,粉末的品質低;在15%～30%范圍內,掛壁少,粉末干燥效果良好。綜上,噴霧干燥最佳進料濃度為25%。

表6　收集率的回歸方程各項方差分析

注:“*”表示影響顯著(p<0.05);“**”表示極顯著(p<0.01);表7同。

2.2響應面實驗

2.2.1響應面實驗設計結果分析以多肽的收集率以及其對DPPH·抑制率為響應值,在單因素實驗的基礎上,根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理,選取進風溫度(A)、出風溫度(B)、進料濃度(C)進行三因素三水平的響應面分析實驗,結果如表5所示。

表5　響應面優化實驗設計和實驗結果

應用Design-Expert 7.0.0軟件對表5中所得數據進行多元回歸擬合分析,得到核桃抗氧化多肽噴霧干燥收集率對進風溫度、出風溫度、進料濃度的二次多項回歸方程為:Y1=89.7633+4.0025A-2.6613B-0.1988C-4.0651AB+1.6850AC+9.2025BC-12.0479A2-8.0804B2-9.9804C2。以收集率作為響應值時各因素的方差分析結果見表6。

表7　抑制率的回歸方程各項方差分析

由表6可知,該模型極顯著(p<0.01),失擬項不顯著,變異系數為1.82%,說明得到的數值有98.18%的可能性在預測范圍內。其中預測決定系數為0.9186,相對于校正決定系數的0.9843擬合度好,決定系數為0.9944,說明該模型的擬合性非常好,可以用于模型分析。而本模型的信噪比達到27.1,大于4,即該模型可用。綜上,說明該模型可以用于核桃抗氧化多肽噴霧干燥實驗收集率的預測。

各因素的F值可以反映出各因素對實驗指標的重要性,且成正比。由方差分析結果可知,對多肽收集率的影響程度大小順序為:A進風溫度>B出風溫度>C進料濃度。

收集率的方差分析結果還表明,一次項A、B,交互項中AB、BC,二次項A2、B2、C2對響應值的影響均極顯著。由此可知,各實驗因素對響應值的影響并非是簡單的線性關系。

各因素經過擬合后,得到核桃抗氧化多肽噴霧干燥抑制率的二次多項回歸方程為:Y2=75.2867+1.0500A-1.1850B-3.5175C+0.2600AB-2.6950AC+4.3750BC-9.1258A2-8.9108B2-4.9758C2。以抑制率作為響應值時各因素的方差分析結果見表7。

由表7可知,該模型極顯著(p<0.01),失擬項不顯著,變異系數為1.56%,說明所得數值有98.44%的可能性在預測范圍內。其中預測決定系數為0.9132,相對于校正決定系數的0.9839而言擬合度良好,決定系數為0.9942,說明該模型與實際擬合度良好,可用于模型分析。本模型的信噪比25.656,大于4,即該模型可用。綜上,說明該模型可以用于核桃抗氧化多肽噴霧干燥粉清除DPPH·能力的預測。

由各因素的F值可知,對核桃抗氧化多肽抑制率的影響程度大小順序為:C進料濃度>B出風溫度>A進風溫度。抑制率的方差分析結果還表明,一次項C,交互項中AC、BC,二次項A2、B2、C2對響應值的影響均極為顯著。一次項A、B對響應值的影響顯著。由此可知,各實驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系。

2.2.2響應曲面分析與優化根據Y1回歸方程,做出對收集率影響顯著的交互項響應面圖見圖4、圖5。

圖4　Y1=(A,B)的響應面Fig.4　Responsive surfaces of Y1=(A ,B)

圖5　Y1=(B,C)的響應面Fig.5　Responsive surfaces of Y1=(B,C)

從圖4中可看出,當進風溫度不變時,收集率隨出風溫度的升高先緩慢增大后急劇減小,變化幅度很大;當出風溫度一定時,收集率的變化趨勢為先急劇增加后緩慢減小,變化幅度很大,這說明進風溫度與出風溫度交互作用明顯。

從圖5看出,當出風溫度一定時,收集率隨進料濃度的增大,呈現先急劇增大后急劇較小趨勢,變化幅度巨大;當進料濃度一定時,收集率隨著出風溫度的升高,先緩慢增加后急劇減小,變化幅度很大。這說明進料溫度與出風溫度交互作用極為明顯。

比較圖4與圖5可知,出風溫度與進料濃度交互作用對多肽收集率的影響比出風溫度與進風溫度交互作用顯著,表現為圖5比圖4曲面陡,變化幅度大,這也與回歸方程各項方差分析的結果相一致。

根據Y2回歸方程,做出對抑制率影響顯著交互項的響應面圖(見圖6、圖7),考察所擬合的響應面圖形狀,分析各因素及其交互作用對核桃抗氧化多肽抑制率的影響。

圖6　Y2=(A,C)的響應面Fig.6　Responsive surfaces of Y2=(A ,C)

圖7　Y2=(B,C)的響應面Fig.7　Responsive surfaces of Y2=(B,C)

從圖6中可以看出,當進風溫度不變時,抑制率隨進料濃度的升高先緩慢增大后快速減小,變化幅度很大;當進料濃度一定時,抑制率隨進風溫度升高先快速增加后快速減小,變化幅度很大,這說明進風溫度與進料濃度交互作用明顯。

從圖7可以看出,當出風溫度一定時,抑制率隨進料濃度的增大,呈現先緩慢增大后急劇較小趨勢,變化幅度很大;當進料濃度一定時,抑制率隨著出風溫度的升高,先快速增加后急劇減小,變化幅度巨大,這說明進風溫度與出風溫度交互作用極為明顯。

比較圖6與圖7可知,出風溫度與進料濃度交互作用對多肽抑制率的影響比進風溫度與進料濃度交互作用顯著,表現為圖7比圖6曲面陡,變化幅度大,這也與方差分析結果一致。

2.2.3收集率與抑制率綜合分析結果通過二次多項式數學模型解逆矩陣,求出提高核桃抗氧化多肽收集率的最佳工藝參數為:進風溫度172.28 ℃,出風溫度87.73 ℃,進料濃度23.39%,預測收集率達到了91.52%。提高核桃抗氧化多肽抑制率的最佳工藝參數為:進風溫度171.88 ℃,出風溫度88.24 ℃,進料濃度22.84%,預測抑制率達到了76.87%。

由實驗結果可知,獲得最佳收集率與抑制率的工藝條件并不相同,但之間的差距并不大。綜合兩種最佳工藝參數,并考慮生產操作上的方便,將工藝定為進風溫度172 ℃,出風溫度88 ℃,進料濃度23%,并進行驗證實驗,該工藝下收集率為91.28%,抑制率為76.33%,這與理論值結果很接近,確定以此為最佳工藝參數。成品多肽粉粒比重輕、具有多孔的毛細管結構,溶解性、流動性和分散性良好,使得多肽復水時的速溶效果較好[13],具有較高的抗氧化活性[16],有助于人體消化吸收。

3　結論

本實驗利用噴霧干燥法濃縮核桃抗氧化多肽制備多肽干粉。通過單因素與響應面實驗,研究得到核桃抗氧化多肽收集率與抑制率的最佳工藝參數為:進風溫度172 ℃,出風溫度88 ℃,進料濃度23%,在此條件下獲得的核桃抗氧化多肽干燥粉末的收集率為91.28%,抑制率為76.33%,此條件下制備的多肽粉有較好的顆粒均勻度、色澤、氣味、溶解性以及抑制活性。根據響應面實驗結果,得出出風溫度與進料濃度的交互作用對多肽收集率與抗氧化活性的影響均最為顯著，各實驗因素對收集率與抑制率的影響并非是簡單的線性關系。對收集率的影響程度為:進風溫度>出風溫度>進料濃度,對抑制率的影響程度為:進料濃度>出風溫度>進風溫度。模型可以用于噴霧干燥核桃抗氧化多肽收集率與抑制率的預測,與實際擬合度良好,抗干擾能力強。為生物抗氧化多肽干粉的工業化生產提供了一定的理論依據。

[1]Szetao K W C,Sathe S K. Walnut(JuglausregiaL.)proximate composition,protein solubility,protein amino acid composition and proteininvitrodigestibility[J]. Sci Food Agric,2000,80:1393-1401.

[2]鐘海雁,李忠海,袁列江,等.核桃生產加工利用研究的現狀與前景[J].食品與機械,2002(4):5-8.

[3]章亭洲. 山核桃的營養、生物學特性及開發利用現狀[J]. 食品與發酵工業,2006,32(4):90-93.

[4]Hassan-Beygi S R,Aghbashlo M,Kianmehr M H,et al. Drying characteristics of walnut(JuglansregiaL.)during convection drying[J]. International Agrophysics,2009,23(2):129-135.

[5]Pavel Jelen. Industrial whey processing technology[J].J Agric Food Chem,1979,27(4):658-661.

[6]劉勝利,胡兵.核桃蛋白的制備工藝[J].食品研究與開發,2010,31(10):107-110.

[7]馬云輝,裘愛泳,顧穎.小核桃蛋白性質及其乳液制備[J].食品與生物技術學報,2007,26(6):43-47.

[8]胡新穎.山核桃蛋白多肽制備方法的研究[D].長春:吉林農業大學,2002.

[9]鐘芳,王璋,許時嬰.噴霧干燥條件對豆粉速溶性的影響[J].食品工業科技,2003,24(12):17-20.

[10]郭思群.響應面法超聲波輔助提取核桃蛋白工藝優化[J].食品科技,2012,37(2):251-255.

[11]朱蓓薇,葛瑞宏.雙酶水解法制備羊胎盤活性肽[J].食品與發酵業,2003,29(11):41-45.

[12]夏炎,張瑩,劉志昌,等.腐竹廢水制備大豆多肽復合酶解條件研究[J].化學與生程,2009,26(3):69-71.

[13]唐偉強,郭松旺.工藝參數對蛋白粉離心噴霧干燥質量問題的研究[J].食品工業科技,2006,27(2):53-55.

[14]鄭德勇.安鑫南竹葉提取物清除DPPH·自由基的測定方法[J].福建農林大學學報:自然科學版,2005,34(1):59-62.

[15]李建喜,楊志強,王學智. 活性氧自由基在動物機體內的生物學作用[J].動物醫學進展,2006,27(10):33-36.

[16]焦駝文,孔繁東,祖國仁,等.酶解蛋白制備抗氧化多肽的研究現狀與展望[J].中國釀造,2007,32(3):5-7.

Optimization of the walnut antioxidant polypeptide’s spray drying process

MA Yan1,MENG Xian-jun2,*

(1.Center of Experimental Teaching ,Shenyang Normal College,Shenyang 110034,China;2.College of Food,Shenyang Agriculture University,Shenyang 110866,China)

According to the problems of difficult control for activity and high cost of drying polypeptide solution. Walnut protein was abstracted by ultrasonic-assisted extraction method with the defatted walnut powder as raw material. Bienzyme(papain and trypsin)was used to hydrolysis walnut protein into antioxidant polypeptide. The dried powder was produced by spray drying walnut antioxidant polypeptide emulsion. The influence of inlet air temperature of spray drying,exhaust air temperature and mass fraction of material on walnuts polypeptide’s gathering rate and inhibiting rate of DPPH· were studied in this paper. On foundation of single factor experiment,the regression mathematical models were established by response surface,describing the significance between the influence factors,interactions and experimental indices,the following optimal parameter:inlet air temperature of 172 ℃,exhaust air temperature of 88 ℃,mass fraction of material at 23%. Under these conditions,polypeptide’s gathering rate of powder was 91.28%,inhibiting rate was 76.33%,and the solubility and inhibiting rate of the powder were superb. It was provided a theoretical basis for dried polypeptide power’s industrialized production.

walnut;antioxidant polypeptide;spray drying;gathering rate;inhibiting rate

2015-11-11

馬巖(1976-),女,在讀博士研究生,研究方向:果蔬加工工藝,E-mail:ma1976@126.com。

孟憲軍(1960-),男,博士,教授,研究方向:天然活性成分和功能性食品,E-mail:mengxjsy@126.com。

遼寧省科學事業公益研究基金團隊建設項目(2015005004)。

TS255.6

B

1002-0306(2016)12-0243-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.038