酶改性干酪粉噴霧干燥工藝優化及其特性研究

郝千紅，陳會民，孫軍杰，仲玉備，苗帥，陳樹興，*

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023；2.河南省洛陽市農產品安全檢測中心，河南洛陽471023）

酶改性干酪粉噴霧干燥工藝優化及其特性研究

郝千紅1，陳會民2，孫軍杰1，仲玉備1，苗帥1，陳樹興1，*

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023；2.河南省洛陽市農產品安全檢測中心，河南洛陽471023）

為探討酶改性干酪粉的噴霧干燥工藝優化條件，以酶改性干酪漿為原料，以產品回收率為主要指標，采用中心組合設計結合響應面分析，研究了進料流量、進口溫度及熱風流量對產品回收率的影響，構建回歸模型，并采用色差分析、電鏡分析、差示掃描量熱技術對最終產品的品質進行評價。結果表明，進料流量增加會提高酶改性干酪粉的回收率，但流量過大會導致粘壁現象；酶改性干酪粉的回收率隨著熱風流量的增加而先上升后下降；進口溫度增加會提高產品回收率，但過高溫度會導致熱變性發生。響應面分析結果顯示，對產品回收率（Y）影響的因素主次為：進料流量（B）＞進口溫度（C）＞熱風流量（A）；最佳參數組合為熱風流量28 m3/h，進料流量0.25 L/h，進口溫度170℃，在此條件下得到的產品回收率為46.67%，含水量3.5%，色澤良好，溶解性能佳。研究成果可為酶改性干酪粉的實際生產提供參考。

酶改性干酪；噴霧干燥；回收率；中心組合設計

酶改性干酪（Enzyme Modified Cheese，EMC）是指利用特定的外源酶（如蛋白酶、脂肪酶和肽酶等）或特定的微生物，作用于未成熟干酪、成熟干酪或其他乳制品基料，而形成的一種具有天然的干酪風味的濃縮物［1］。EMC作為富含多肽物質的再制干酪，與傳統的天然干酪相比具有以下的優點：風味好，經濟成本低廉，保健作用大［2-3］，應用與貯藏方便。目前，制備酶改性干酪的方法有，組合法、一步酶解法、兩步酶解法［4］。一步酶解法中，脂肪的降解會引起的酸度值的降低，從而抑制蛋白酶的活性［5］。兩步法制備EMC可避免上述缺點，但干酪漿經兩步酶解之后，其粘度比較大，其中的蛋白質等營養物質受熱容易變性，才用普通的熱風干燥容易造成營養的損失和產品的品質和風味變差，而采用凍干又具有耗費時間較長、經濟成本較高的不足。因此，工業生產中通常選用噴霧干燥［6］。

噴霧干燥主要通過對液體的瞬間霧化以實現干燥［7］。噴霧干燥能將物料瞬時霧化，減少了物料與熱風的接觸時間，可以更好地使物料中的熱敏物質得到充分的保護，使營養成分的損壞降到最低。近年來的研究表明，噴霧干燥技術被應用于蛋粉［8］、茱萸粉［9］、乳粉［10］、果汁［11］等的干燥，但對EMC干燥工藝的研究較為少見。

本研究選取經過兩次酶解之后得到的酶改性干酪漿為干燥原料，對其進行噴霧干燥。對試驗中的噴霧干燥參數采用響應面法進行優化，分析噴霧干燥參數（進口溫度、進料流量、熱風流量等）對產品回收率的影響，并對得到的EMC粉進行理化性質的分析與測定，為EMC的工業化生產提供一定的理論和數據參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

切達干酪：安佳；木瓜蛋白酶、脂肪酶2F-G-NA：天津諾奧科技；三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉（食品級）：永和化工；濃硫酸、硫酸銅、石油醚（沸程30℃～60℃）、無水乙醇：天津市德恩化學試劑有限公司；氯化鈉、氫氧化鈉：洛陽昊華化學試劑有限公司；硝酸銀、鹽酸（質量分數36%）：北京化工。

1.2儀器與設備

YC-015實驗型噴霧干燥機：上海雅程設備有限公司；JSM-6010LA型掃描電子顯微鏡：日本電子株式會社；差示掃描量熱儀：梅特勒-托利多公司；color i5型色差計：美國愛色麗公司；FJ-200高速分散均質機：上海標本模型廠。

1.3試驗方法

1.3.1EMC制備工藝

將切達干酪與水按1∶3（質量比）的比例混合，加入2%的復合鹽（三聚磷酸鈉與焦磷酸鈉1∶1，質量比），在溫度85℃、熔融時間15 min、攪拌速度1 200 r/min和均質壓力25 MPa的條件下進行熔融，得到干酪漿［12］。然后根據圖1的工藝流程制備EMC，并在85℃，15 min的條件下滅酶處理，并放入4℃冰箱備用。EMC工藝圖見圖1。

圖1　EMC工藝圖Fig.1Process flow chart of EMC

1.3.2噴霧干燥優化試驗

以酶改性干酪粉的回收率為指標，對噴霧干燥的3個主要因素：進料流量（0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 L/h）、熱風流量（20、24、28、32、36 m3/h）、進口溫度（110、130、150、170、190℃）進行單因素試驗［13］。

在單因素試驗基礎上，進行三因素三水平中心組合設計的響應面試驗研究，試驗設計如表1所示。

表1　因素水平編碼表Table 1Factor level coding table

根據響應面分析建立回歸模型，并對回歸方程進行擬合度檢驗和顯著性檢驗，分析各試驗因素及交互作用對產品回收率的影響規律，得到最優參數組合并進行驗證試驗。

產品回收率參照于寧華［14］等的方法。

式中：M1為所得EMC粉的質量，g；M2為制備EMC時所用干酪的量，g。

1.3.3酶改性干酪粉基本成分及物理特性的測定

按照優選出的工藝參數制備得到EMC粉，進行如下品質指標測定。

1.3.3.1基本成分的測定

粗蛋白：按照GB/T 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》，凱氏定氮法；粗脂肪：按照GB/T 14772-2008《國家標準食品中粗脂肪的測定》，索氏抽提法；水分：GB/T 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》；食鹽：硝酸銀滴定［15］；灰分：GB 5009.4-2010《食品安全國家標準食品中灰分的測定》。

1.3.3.2色度測定

用色差儀進行測定，其中L*、a*、b*表示色度［16］。

1.3.3.3堆積密度測定

將EMC粉由漏斗自由落體至10 mL量筒內，通過測定10 mL的EMC粉的質量，經計算可得堆積密度［17］。

1.3.3.4溶解時間測定

取10 g的EMC粉溶于100 mL，25℃的水中，用玻璃棒攪拌，記錄溶解完全所需的時間［18］。

1.3.3.5酶改性干酪粉的熱變性測定

采用差示掃描量熱法（different scanning calorimetry，DSC）對EMC粉的蛋白變性情況進行分析，參照盧曉明［19］的方法，將干燥的粉末取5 mg放置于坩堝中，并對其進行壓樣密封。放入測樣區，在50℃平衡5 min，以2℃/min升溫至140℃，用N2作保護氣，以空坩堝為對照。

1.3.3.4酶改性干酪粉微觀結構的電鏡測定

參照蘇燕玲［20］的方法，將噴霧干燥的粉進行掃描電鏡的測定，觀察所得粉末的微觀結構。將粉沾到膠布上，將多余的粉吹掉，進行噴金工藝處理，選擇電壓為3 kV，放大倍數為2 000。

1.4數據分析

所有試驗均重復3次，利用Origin8.5軟件進行數據處理，中心組合設計采用Design-Expert8.05進行分析。

2　結果與分析

2.1噴霧干燥的單因素試驗結果

選擇熱風流量為28 m3/h，進口溫度為170℃，研究不同進料流量對產品回收率的影響，結果如圖2所示。

圖2　進料流量對回收率的影響Fig.2The material flow on the influence of product recovery

在進料流量為0.25 L/h之前，隨著進料流量的增加，酶改性干酪粉的回收率隨之增加，當進料流量較小時所得回收率也較小。但在進料流量為0.25 L/h之后，隨著進料流量的繼續增加，回收率隨之降低。這是由于噴霧干燥設備的風速確定時，隨著進料流量的增加，進入霧化室的物料量增加，但是風速不夠充足，部分物料不能在短時間內被霧化而呈液態狀，在霧化室中沾到器壁的內表面，造成部分物料的損失，致使回收率的降低。由圖可知，在進料流量為0.25 L/h時，酶改性干酪粉的回收率達到最大。

選擇進口溫度為170℃，進料流量為0.25 L/h，不同熱風流量下產品回收率的試驗結果如圖3所示。

圖3　熱風流量對產品回收率的影響Fig.3Hot air volume on the influence of product recovery

由圖3可知，酶改性干酪粉的回收率隨著熱風流量的增加呈現先上升后下降的趨勢，當熱風流量達到28 m3/h時，產品的回收率達到最大。當物料的進料流量確定時，提高熱風流量可加快傳熱傳質進程，從而有助于噴霧干燥的進行。但當熱風流量大于一定的值時，過大的風速會導致產品攜帶率上升，一部分產品會從排風口隨著廢氣排除，從而造成物料的顯著損失。因此過大的熱風流量對于粉的回收率并不利，因此，選擇熱風流量為28 m3/h。

選取熱風流量為28 m3/h，進料流量為0.25 L/h，不同進口溫度對產品回收率的影響如圖4所示。

圖4　進口溫度對產品回收率的影響Fig.4Inlet temperature effects on product recovery

從圖4中可以看出，隨著進口溫度的增加，回收率也隨之增加，但在進口溫度為170℃之后，回收率有所降低。溫度升高有利于水分的快速蒸發，從而有利于提高干燥速率，但由于酶改性干酪中含有蛋白質等熱敏感的物質，過高的進口溫度會使得所干燥的物料發生熱變性，因此，綜合考慮選擇進口溫度為170℃。

2.2噴霧干燥中心組合設計結果

根據干燥單因素所得到的試驗結果，選擇熱風流量為26 m3/h～30 m3/h；進口溫度為：160℃～180℃；進料流量為：0.2 L/h～0.3 L/h，采用Design-Expert8.05軟件進行中心組合設計并對噴霧干燥的參數進行優化。試驗方案及結果如表2所示。

表2　Box-Behnken試驗方案設計及結果Table 2Design and results of Box-Behnken experiments

用Design-Expert8.05軟件對表2中的試驗數據進行回歸分析，得到產品回收率與進口溫度、進料流量、熱風流量之間的回歸模型如式（2）所示，該方程更好的反映了各因素及其交互作用項與指標產品回收率之間的關系：

該方程的回歸系數R2=0.989 6，說明該方程響應值的變化98.96%來自于所選的自變量，只有不到1.04%的總變異不能用該方程來解釋。該模型的方差分析及系數的顯著性檢驗結果見表3。

方差檢驗采用F檢驗來判定，P值越小表明該項越顯著，對指標的影響越明顯。由表3可知，該模型的顯著水平為0.01，失擬檢驗為不失擬（P＞0.05），表示該模型可以實現較高的擬合精度。顯著性分析結果顯示，對回收率影響的因素主次為：進料流量＞進口溫度＞熱風流量。系數檢驗結果表示，一次項A不顯著，B、C項極顯著，顯著水平為0.01。交互作用項AC不顯著，AB、BC為顯著項。二次項A2不顯著。

表3　回歸模型系數顯著性檢驗分析表Table 3Significance test of the regression coefficients

對顯著的交互作用項進行響應面分析，進口溫度與進料流量的交互作用的響應面及平面圖如圖5所示。

圖5　進料流量和進口溫度對產品回收率影響的響應面和平面圖Fig.5Response surface and planar graph of feeding rate and inlet temperature on the yield of product

從其交互的響應面圖可以看出，當固定進口溫度，隨著熱風流量的增加產品的回收率呈下降的趨勢。在進料流量為0.25 L/h，進口溫度為170℃時，產品的回收率達到最大值。

熱風流量與進料流量的交互項的響應面圖及平面圖如圖6所示。

圖6　熱風流量和進料流量對產品回收率影響的響應面和平面圖Fig.6Response surface and planar graph of hot air flow rate and feeding rate on the yield of product

在響應面圖可以看出，當進料流量為0.25 L/h，熱風流量為28 m3/h，產品的回收率達到最大值。

2.3噴霧干燥參數最佳組合及驗證試驗

通過響應面分析，得到噴霧干燥的最佳參數組合為：熱風流量為27.12 m3/h、進料流量為0.25 L/h、進口溫度為171.14℃，在此條件下得到的產品回收率為46.54%。

根據響應面分析所得到的參數與指標間的回歸方程，進行三次驗證試驗，驗證的試驗結果與回歸方程的預測結果相近。結果如表4所示。

2.4EMC粉的理化測定

在所得到的工藝參數下進行干燥，測得酶改性干酪粉的組成成分及物理特性見表5。

表5　酶改性干酪粉的組成成分及物理特性Table 5Composition and physical properties of EMC powder

酶改性干酪粉的主要組成成分為蛋白質及脂肪，含水率為3.5%有利于其保藏。亮度值L*為77.25，紅度值a*為負，黃度值b*為正，肉眼觀察產品外觀為微黃色，具有特殊的奶香味，且在水中具有很好的溶解性。

2.5DSC的測定結果分析

采用優化后的噴霧干燥條件，將EMC進行干燥，對其進行DSC的測定，熱焓曲線的變化如圖7所示。

圖7　EMC粉的DSC變化曲線Fig.7The DSC curve of EMC powder

從圖7中可以得到，隨著溫度的升高，熱流變化明顯，曲線出現了吸熱峰，這是由于在升溫過程中，蛋白質的高級結構發生了異常變化，即蛋白質變性所致。從圖中可以得到EMC粉的熱變性溫度為79.12℃。

2.6電鏡掃描結果與分析

所制備的酶改性干酪粉的掃描電鏡觀察圖見圖8，放大倍數為2 000。

圖8　EMC粉的電鏡掃描圖Fig.8Electron microscope scanning figure of EMC powder

從圖8中可以看出，EMC粉呈球形顆粒狀，可單個或多個沾在一起呈串狀存在，與蘇燕玲［20］的結果一致。粉的顆粒呈球狀，表面光滑，界面清晰，在視野中的顆粒發生凹陷的數量并不多，球狀顆粒其流動性好。

3　結論

1）進行了酶改性干酪粉的噴霧干燥試驗研究，結果表明增加進料流量會提高產品回收率，但流量過大會產生粘壁的不利現象；隨著熱風流量的增加，酶改性干酪粉的回收率呈先上升后下降的趨勢；進口溫度增加會提高產品回收率，但過高溫度會導致熱變性發生。

2）根據干燥單因素所得到的試驗結果，選擇熱風流量為26 m3/h～30 m3/h；進口溫度160℃～180℃；進料流量為0.2 L/h～0.3 L/h；通過響應面分析，得到對回收率（Y）影響的因素主次為：進料流量（B）＞進口溫度（C）＞熱風流量（A）；得到的回歸模型為：Y=-867.822+ 0.881A+942.35B+9.148C+5.95AB-0.01AC-1.7BC-0.014A2-1600.6B2-0.025C2；結合實際情況對參數進行調整，熱風流量為28 m3/h，進料流量為0.25 L/h，進口溫度為170℃，在此條件下得到的產品回收率為46.67%。

3）在最佳工藝參數條件下制備得到的EMC粉蛋白質含量為24.51%、脂肪含量22.9%，含水率為3.5%有利于其保藏。色澤呈微黃色，具有特殊的奶香味，在水中具有很好的溶解性，熱變性溫度為79.12℃，呈球形顆粒狀存在。

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Study on the Optimization of Spray Drying Process Conditions and Characteristics of Enzymemodified Cheese Powder

HAO Qian-hong1，CHEN Hui-min2，SUN Jun-jie1，ZHONG Yu-bei1，MIAO Shuai1，CHEN Shu-xing1，*
（1.Food&Bioengineering School，Henan University of Science&Technology，Luoyang 471023，Henan，China；2.Luoyang Testing Center for Quality and Safety of Agri-produces，Luoyang 471023，Henan，China）

To obtain the optimal spray drying process conditions of enzyme modified cheese（EMC）powder，EMC slurry was used as raw material and product recovery was used as the main indicator，effects of feed flow rate，inlet temperature and hot air flow rate on the product recovery were investigated，and the regression model was built by central composite design combing with response surface analysis.The quality of the final product was also evaluated through chromatic difference analysis，electron microscope analysis，and differential scanning calorimetry（DSC）analysis.The results showed that：along with the increasing of feed flow rate，the product recovery rate of EMC increased，but also wall deposition increased；along with increasing of hot air flow rate，the product recovery rate increased at first and then decreased；along with increasing of the inlet temperature，the product recovery rate increased，but higher temperatures caused the more thermal denaturation.The results of response surface analysis showed that：the sequence of factors those affected product recovery rate（Y）was the feed flow rate（B）＞inlet temperature（C）＞hot air flow rate（A）；the final product had better color and solubility with product recovery rate of 46.67%，moisture content of 3.5%，under optimized conditions of the hot air flow rate 28 m3/h，the feed flow rate 0.25 L/h，inlet temperature 170℃.The findings should be able to serve as

for the actual production of EMC powder.

enzyme modified cheese；spray drying；recovery rate；central composite design

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.17.017

2016-05-16

國家863項目資助（2007AA10Z311）

郝千紅（1989—），女（漢），在讀碩士研究生，研究方向：功能性乳制品。

陳樹興（1965—），男，教授，研究生導師，研究方向：功能性乳制品及干酪加工技術。