γ-氨基丁酸發酵液噴霧干燥條件優化的研究

劉元，王玥瑋，張立娟

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric，GABA）是廣泛分布于動植物中的一種氨基酸，由谷氨酸經谷氨酸脫羧酶催化轉化而來，是存在于哺乳動物腦、脊髓中的抑制性神經傳遞物質[1]。除腦和脊髓外，已在多種哺乳動物的近30 種外周組織中發現GABA 的存在，其中大多數組織GABA 的濃度僅是腦的1%[2-3]。已有研究表明，GABA 具有降血壓、抗驚厥、鎮痛、改善腦機能、精神安定、促進長期記憶、促進生長激素分泌、腎功能活化、肝功能活化等作用[4]。

在我國，目前米糠的開發利用還不充分，稻谷加工的副產品米胚芽營養全面，但其分離難度較高，所以許多米廠未作分離而留在米糠中作飼料用。黃美娥等從蕨菜葉、莖中分離提取GABA，測得其中分別含0.319%和0.141%的GABA。陳穎等則開發出GABA產量達到9.22 g/kg 的米糠。GABA 的技術研究、保健功能研究及應用研究在我國已引起重視[5]。

本課題組在前期試驗中以新鮮米糠為原料，加入乳酸菌進行發酵生產米糠γ-氨基丁酸，對發酵條件進行研究。通過單因素及正交試驗優化發酵條件，結果表明在乳酸菌添加量3%、發酵溫度48 ℃、嗜熱鏈球菌S1∶保加利亞乳桿菌L1=1∶2、發酵時間24 h 條件下，γ-氨基丁酸含量為320.61 mg/100 g。

在此研究基礎上將發酵液進行離心、過濾、濃縮，得到米糠GABA 富集液，噴霧干燥得到GABA 粉。GABA 粉可以作為食品添加劑研制開發富含GABA 的保健食品。

富含GABA 食品的開發始于1986年，當時日本農林水產省茶葉試驗場首先開發成功了富含GABA的茶，并制成商品銷售[6]。研究人員從生產奶酪的菌株中分離的高產GABA 的菌株（Lactococcus Lactis 01-7），可使奶酪制品中 GABA 的含量達到 383 mg/kg[7]。目前，在我國研究開發富含GABA 的保健食品具有廣闊的市場前景

1 材料和方法

1.1 材料

GABA 發酵液：天津市食品研究所有限公司食品研發實驗室自制。

1.2 儀器和設備

TG18G-II 高速離心機：湖南凱達科學儀器有限公司；RE-1002 旋轉蒸發儀：天津科諾儀器設備有限公司；JT-6000Y 噴霧干燥機：杭州聚同電子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 單因素試驗

考察不同的噴霧壓力、進料速度和進風溫度對GABA 粉溶解度的影響，并確定出各因素的最佳水平。

1.3.1.1 噴霧壓力的確定

在進料速度0.8 L/min，進風溫度145 ℃的條件下，設定噴霧壓力分別為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa，測定GABA 粉的溶解時間，選取最佳噴霧壓力。

1.3.1.2 進料速度的確定

在噴霧壓力0.8 MPa，進風溫度145 ℃的條件下，設定進料速度分別為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 L/min，測定GABA 粉的溶解時間，選取最佳進料速度。

1.3.1.3 乳酸菌添加量的確定

在噴霧壓力0.8 MPa，進料速度0.8 L/min 的條件下，設定進風溫度分別為 100、115、130、145、160、175 ℃，測定GABA 粉的溶解時間，選取最佳進風溫度。

1.3.2 正交試驗

GABA 噴霧干燥條件正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

根據單因素實驗的結果，采用三因素三水平正交試驗對噴霧壓力、進料速度和進風溫度3 個因素進行優化，以GABA 粉溶解時間為最終評價指標，確定噴霧干燥的最優條件。

2 結果與分析

2.1 噴霧壓力對GABA粉溶解時間的影響

噴霧壓力對GABA 粉溶解時間的影響見圖1。

圖1 噴霧壓力對GABA 粉溶解時間的影響Fig.1 Effect of spray pressure on dissolution time of GABA powder

由圖1 可知，溶解時間在0.8 MPa 時為最低值，這可能是由于當壓力低于0.4 MPa 時，料液經霧化后所得液滴顆粒過大，且不均勻，干燥效果較差，不易被溶解。隨著壓力的提升，液體顆粒被霧化的效果逐漸提升，并在壓力達到0.8 MPa 時，獲得的GABA 粉顆粒分散性最好，顆粒易于溶解。當壓力大于0.8 MPa 后，沖調時間呈現逐漸上升的趨勢，這是因為隨著壓力的提升，霧化所得霧滴顆粒粒徑進一步減小，致使干燥后所得粉質顆粒過小，從而降低了粉料的分散性及沖調性[8]。所以當噴霧壓力為0.8 MPa 時，GABA 粉的沖調性能最佳，溶解時間為46 s。

2.2 進料速度對GABA粉溶解時間的影響

進料速度對GABA 粉溶解時間的影響見圖2。

圖2 進料速度對GABA 粉溶解時間的影響Fig.2 Effect of feed rate on dissolution time of GABA powder

由圖2 可知，當進料速度低于0.6 L/min 時，所得物料的溶解時間長，這是因為物料流量太低導致單位面積的物料受熱過度，物料干燥較徹底，從而分散性和沖調性下降，另外部分GABA 粉易焦化。當進料速度高于1 L/min 時，物料不易被干燥，容易結塊，從而溶解時間也變長。由此可見，在一定噴霧壓力和進風溫度條件下，最適進料速度為0.8 L/min，此時GABA粉的溶解時間為48 s。

2.3 進風溫度對GABA粉溶解時間的影響

進風溫度對GABA 粉溶解時間的影響見圖3。

圖3 進風溫度對GABA 粉溶解時間的影響Fig.3 Effect of inlet air temperature on dissolution time of GABA powder

由圖3 可知，隨著進風溫度的提高，粉質溶解時間呈先下降后上升的趨勢，進風溫度對粉質的沖調性影響顯著。進風溫度低于115 ℃時，所得粉質易黏結，旋風分離器內壁黏掛物料嚴重；當溫度大于115 ℃，粉質干燥效果較好；當進風溫度達到180 ℃時，物料顏色發黃，表明已有部分焦化現象發生。在試驗所設的其他參數一定的條件下，當進風溫度為130 ℃時，干燥所得顆粒具有較好的分散性及沖調性，溶解時間為49 s。

2.4 正交試驗

正交試驗結果見表2。

表2 正交試驗結果Table 2 Result of experiment

由表2 可知：3 個因素對GABA 粉溶解時間影響的重要程度依次為：進風溫度＞噴霧壓力＞進料速度。通過對比可以分別得到各因素最佳水平為：A2B3C3，即各因素最佳水平為：噴霧壓力0.8 MPa、進料速度0.9 L/min、進風溫度140 ℃，重復做3 次驗證試驗，溶解時間為40 s。經測定噴霧干燥后GABA 粉中GABA 的含量為28.71 mg/g。方差分析結果見表3。

表3 方差分析結果Table 3 Result of variance analysis

由表3 的方差分析結果可知：3 個因素均對溶解時間無顯著性影響。

3 結論

本試驗以米糠為原料為原料，利用發酵生產GABA，發酵液通過過濾、濃縮、噴霧干燥制備GABA 粉。通過單因素及正交試驗確定了最佳噴霧干燥工藝工藝，即噴霧壓力0.8 MPa、進料速度0.9 L/min、進風溫度140 ℃，溶解時間為40 s。經測定噴霧干燥后GABA 粉中GABA 的含量為28.71 mg/g。該產品可作為食品添加劑進行應用，為制備富含GABA 的保健食品提供了研究基礎。