不同干燥技術對核桃粕蛋白粉品質特性及微觀結構的影響

李明娟，張雅媛,，游向榮，王 穎，周 葵，衛 萍，韋林艷

（1.廣西壯族自治區農業科學院農產品加工研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西果蔬貯藏與加工新技術重點實驗室，廣西 南寧 530007）

核桃（Juglans regiaL.）富含70%左右的脂肪和14%～18%的蛋白，是一種經濟價值和營養價值都很高的珍貴林果，長期食用對身體具有良好的保健效果[1-3]。核桃粕是核桃榨油后的副產物，保留著核桃仁中原有的蛋白質成分，尤其是冷榨后核桃粕的蛋白質量分數高達53.89%[4]，且蛋白幾乎未變性，是一種營養豐富、物美價廉的植物蛋白原料[5-6]。我國是世界核桃種植和消費大國，種植面積和產量均居世界第一，隨著核桃種植規模、產量及其銷量的逐年擴大，核桃粕資源越來越豐富[7-8]。然而，目前核桃粕大多被作為動物飼料、植物肥料，或被直接丟棄，造成大量核桃優質蛋白資源浪費，經濟效益低。同時，因其富含蛋白質，直接丟棄對環境造成嚴重的富營養化污染[9-10]。因此實現核桃粕的綜合利用、提高核桃仁副產物的附加值，具有重要意義。

核桃蛋白粉屬于熱敏性食品，選擇科學合理的干燥技術是關鍵。目前常用的蛋白食品干燥技術有真空冷凍干燥、噴霧干燥、熱風干燥、微波真空干燥等，不同干燥技術的原理和特點各不相同。其中，熱風干燥具有操作簡單、成本低、產量大等優點，但干燥時間長，易造成表面硬化、營養成分流失、色澤褐變[11]，且干燥溫度較高會對植物蛋白含量產生影響[12]；太陽能熱泵干燥以太陽能為能源，節能低耗環保[13]，但前期投資大，制熱系統不穩定；真空冷凍干燥是一種在真空條件下，利用升華原理將物料中的水分直接脫除的干燥技術，該技術有利于原料營養和風味物質的保持[14]，但干燥時間長、設備貴、成本高[15]；噴霧干燥通過霧化器將液體物料分散成小霧滴，在熱干燥介質中將水分迅速蒸發而加工成粉末狀產品，該技術具有干燥迅速、易于連續化生產、能耗低、能夠較好保持產品營養品質等優點[16-18]。

目前，已有不同干燥技術對大豆蛋白[12]、小扁豆蛋白[19]、蓮子蛋白[20]、苦蕎蛋白[21]、亞麻籽蛋白[22]和花生蛋白[23]等理化品質、結構和功能特性影響的相關研究報道，但關于不同干燥技術對核桃蛋白粉品質特性及微觀結構影響的研究鮮有報道。因此，本實驗以液壓冷榨后的核桃粕為原料，采用熱風、太陽能熱泵、真空冷凍和噴霧干燥4 種干燥技術制備核桃粕蛋白粉，對核桃粕蛋白粉集粉率、感官品質、營養品質、色度值、粒徑、吸水率、潤濕性及微觀結構進行比較，分析4 種干燥技術對核桃粕蛋白粉品質特性及微觀組織結構的影響，以期篩選出適合核桃粕蛋白粉的干燥技術，為核桃粕這一優質副產物資源的高值開發利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核桃采自廣西河池市鳳山縣；核桃粕自制，為脫皮、烘干后的核桃仁經液壓冷榨后的副產物，其中含6.40%水、50.57%蛋白、25.33%脂肪。

NaOH、檸檬酸（均為食品級）廣西南寧泰諾生物工程有限公司。

1.2 儀器與設備

WGLL-230BE電熱鼓風干燥箱天津市泰斯特儀器有限公司；太陽能熱泵干燥儀 廣西壯族自治區農科院農產品加工研究所自主研發（專利號ZL 201320617683.6）；LGJ-18真空冷凍干燥機北京松源華興科技發展有限公司；YC-1800型低溫噴霧干燥機上海雅程儀器設備有限公司；DLL-150T全自動液壓壓榨機常德市鼎糧機械制造有限公司；JYL-Y20破壁打漿機九陽股份有限公司；JM-L50膠體磨 鄭州玉祥食品機械有限責任公司；3-18KS臺式高速冷凍離心機 德國Sigma公司；C-MAG HS 7磁力攪拌器 德國IKA公司；JRJ300-I高速剪切乳化機上海越磁電子科技有限公司；NH300色差儀 深圳市三恩馳科技有限公司；BT-2001型激光粒度分布儀 丹東市百特儀器有限公司；P henom臺式掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）復納科學儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 核桃粕蛋白提取工藝流程和操作要點

工藝流程：核桃→去殼→核桃仁→脫皮→50 ℃烘干→液壓榨油→核桃粕→加水浸泡、打漿→膠體磨細化→堿溶→過濾→酸沉→收集沉淀→水洗至中性→物料樣液→干燥→集粉→過篩→包裝

操作要點：1）將去殼后的核桃仁放入90 ℃、質量分數為0.4%的NaOH溶液中熱燙3 min，撈出沖洗脫皮，再用清水漂洗數次至中性；2）將脫皮核桃仁放入50 ℃的烘箱中干燥12 h（水分質量分數為2.5%左右）；3）于壓力45 MPa、常溫下液壓冷榨3 次，榨油后得到的副產物即為核桃粕；4）取一定量的核桃粕，按料液比1∶10添加蒸餾水浸泡60 min，打漿5 min以上至漿液細膩，過膠體磨細化2 遍；5）用質量分數10%的NaOH溶液調pH值至8.5，磁力攪拌60 min，過160 目濾布，收集濾液，10 000 r/min離心10 min，去除上層油脂層和下層沉淀，收集中間層濾液；6）用檸檬酸調pH值至4.5，磁力攪拌30 min，靜置收集沉淀，用蒸餾水洗至中性，加蒸餾水至原始物料質量的10 倍獲得物料樣液。

1.3.2 干燥處理與集粉

根據前期實驗，確定各干燥技術的工藝條件如下：1）熱風干燥：將物料樣液置于不銹鋼盤中，厚度約為0.5 cm，于45 ℃的電熱鼓風干燥箱中干燥36 h；2）熱泵干燥：將物料樣液置于不銹鋼盤中，厚度約為0.5 cm，于45 ℃太陽能熱泵烘房中烘干30 h；3）真空冷凍干燥：將物料樣液置于不銹鋼盤中，厚度約為0.5 cm，于-80 ℃預凍24 h以上，置于冷肼溫度為-45 ℃、真空度為0.07 MPa條件下干燥24 h；4）噴霧干燥：將物料樣液在進風溫度140 ℃、風機風量2.5 m3/min，進樣速率12 mL/min條件下進行噴霧干燥。

熱風、熱泵和真空冷凍干燥后的核桃粕蛋白粉于研缽中研磨粉碎，研磨時室內溫度為20 ℃，相對濕度約為35%；各干燥處理的蛋白粉再過80 目篩，收集篩下物密封包裝，置于4 ℃保存備用。

集粉率以制備獲得核桃粕蛋白粉質量占核桃粕原料質量的比例計，具體按式（1）計算。每個處理重復3 次，并計算平均值。

式中：m1為核桃粕質量/g；m2為收集到的核桃粕蛋白粉質量/g。

1.3.3 感官品質評價

由經過專門培訓的10 名科研人員組成評價小組，對核桃粕蛋白粉產品進行感官品質評價并評分，去掉一個最高分和一個最低分，取8 個評分的平均值為最終得分，具體評定標準見表1。

表 1 核桃粕蛋白粉感官評價標準Table 1 Criteria for sensory evaluation of walnut meal protein powder

1.3.4 基本營養指標測定

水分質量分數按GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》[24]中的直接干燥法測定；蛋白質量分數按GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[25]中的凱氏定氮法測定；脂肪質量分數按GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》[26]中的索氏抽提法測定；灰分質量分數按GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》[27]中的直接灰化法測定；碳水化合物質量分數按式（2）計算。

氨基酸種類及含量參照GB 5009.124—2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》[28]中的水解法測定。

以上每組樣品的各項指標均重復測定3 次取平均值。

1.3.5 色度值測定

采用NH300色差儀測定核桃粕蛋白粉L*、a*、b*值，L*值表示亮度，越接近100表明產品亮度越高，色澤越白；a*值表示紅綠色度，a*值為正表示紅色度，越大紅色越深；b*值表示黃藍色度，b*值為正表示黃色度，越大黃色越深。每個樣品重復測定6 次取平均值。

1.3.6 粒徑測定

采用BT-2001型激光粒度分布儀濕法測定核桃粕蛋白粉的粒徑，以跨度和比表面積評價核桃粕蛋白粉粒徑大小，每個樣品重復測定3 次取平均值。

1.3.7 吸水率測定

稱取2.00 g蛋白粉均勻平鋪于已知質量（m1/g）的培養皿底部，稱質量（m2/g），在相對濕度75%、溫度25 ℃的恒溫恒濕箱中放置24 h后再次稱質量（m3/g），按公式（3）計算吸水率，每個樣品平行測定3 次，取平均值。

1.3.8 潤濕性測定

在250 mL燒杯中加入100 mL蒸餾水，稱取0.5 g核桃粕蛋白粉樣品均勻平鋪在水面上，測定從樣品加入至樣品完全沉降所需的時間/s，以此來表征潤濕性。每個樣品重復測定3 次，取平均值。

1.3.9 微觀結構觀察

采用SEM對核桃粕蛋白粉進行表觀形貌觀察，在樣品臺貼上雙面膠，在雙面膠上均勻放置少量樣品，吹去多余樣品，噴金處理，再利用SEM進行掃描觀察、拍照[29]。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2003和DPS 7.05軟件對實驗數據進行處理分析、制圖，并進行鄧肯新復極差法差異顯著性分析，以P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉集粉率的影響

由圖1可知，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉集粉率影響的差異達到顯著水平（P＜0.05），集粉率由高到低的干燥方式為：真空冷凍干燥＞熱風干燥＞熱泵干燥＞噴霧干燥。真空冷凍干燥過程物料處于靜止狀態，干燥后蛋白粉損失小，因此集粉率最高，為29.18%；熱風干燥和熱泵干燥物料受風速影響，產品有一定的損失；而噴霧干燥過程中有部分物料出現粘壁現象而被浪費，因此集粉率最低，僅為22.96%。這與付露瑩等[17]采用噴霧干燥制備的核桃粕紅棗復合粉集粉率低于真空冷凍干燥的研究結果相近。

圖 1 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉集粉率的影響Fig. 1 Effect of different drying technologies on the yield of walnut meal protein powder

2.2 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉感官品質的影響

表 2 不同干燥技術制備的核桃粕蛋白粉感官評價結果Table 2 Sensory evaluation results of walnut meal protein powders prepared by different drying technologies

圖 2 不同干燥技術制備的核桃粕蛋白粉外觀Fig. 2 Appearance of walnut meal protein powders prepared by different drying technologies

由表2和圖2可知，從色澤上看，噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉為乳白色，粉體細膩，而其他3 種干燥技術制備的蛋白粉色澤較暗，可能與不同干燥技術對產品美拉德和焦糖化反應的影響不同以及顆粒形狀、大小和表面結構不同有關[30]；從氣味上看，真空冷凍干燥蛋白粉的表現優于噴霧干燥，熱風和熱泵干燥的差別不大；從口感上看，噴霧干燥的蛋白粉口感細膩，而真空冷凍的蛋白粉略有松軟感；從組織狀態上看，真空冷凍干燥的蛋白粉粉體狀態最佳，其次是熱泵和熱風干燥，噴霧干燥的蛋白粉結塊較多，但很細膩。總體來看，噴霧干燥的感官評分最高，為75 分，其次是真空冷凍干燥（69 分）。

2.3 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉營養品質的影響

表 3 不同干燥技術制備的核桃粕蛋白粉主要營養指標含量Table 3 Nutrient contents of walnut meal protein powders prepared by different drying technologies

水分含量作為檢測干制品的重要指標，其越高產品越容易結塊且容易被細菌感染發生霉變，從而影響產品貯藏品質[31]。由表3可知，4 種干燥技術制備的核桃粕蛋白粉水分質量分數在3.05%～3.91%之間，均低于4%，說明4 種干燥均能達到較好的效果，產品水分質量分數由低到高排序為：真空冷凍干燥＜熱泵干燥＜熱風干燥＜噴霧干燥，真空冷凍干燥制備的核桃粕蛋白粉水分質量分數最低（3.05%），顯著低于其他3 種干燥技術（P＜0.05）；噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉水分質量分數最高（3.91%），不利于產品貯藏。

由表3可知，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉蛋白質量分數的影響達到差異顯著水平（P＜0.05），產品蛋白質量分數由高到低排序為：真空冷凍干燥＞噴霧干燥＞熱泵干燥＞熱風干燥，真空冷凍干燥制備的蛋白粉蛋白質量分數高達87.70%，其次是噴霧干燥的84.80%。真空冷凍干燥在低溫和真空條件下進行干燥，蛋白結構比較穩定，從而使蛋白質得到較好的保留[32]；噴霧干燥的瞬間高溫引起熱敏性蛋白質少量發生變性，從而導致其質量分數降低；而熱泵和熱風干燥長時間加熱會引起更多蛋白變性。

由表3可知，不同干燥技術制備的核桃粕蛋白粉脂肪、灰分和碳水化合物質量分數排序一致，從低到高排序均為真空冷凍干燥＜噴霧干燥＜熱泵干燥＜熱風干燥，且各干燥技術處理組差異均達到顯著水平（P＜0.05），其中真空冷凍干燥獲得的核桃粕蛋白粉脂肪、灰分和碳水化合物質量分數均最低，分別為7.13%、1.21%和0.91%。

表 4 不同干燥技術制備的核桃粕蛋白粉氨基酸組成及含量Table 4 Amino acid composition of walnut meal protein powders prepared by different drying technologies

由表4可知，核桃粕蛋白粉氨基酸種類齊全，富含17 種氨基酸，未檢測到色氨酸，是因為氨基酸含量采用酸水解法測定，色氨酸在HCl作用下被水解破壞[33]。其中谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸的含量明顯較高，屬于核桃粕蛋白粉的特征氨基酸；含人體必需的7 種氨基酸，必需氨基酸含量占氨基酸總量的28.22%以上，說明以核桃粕為原料生產的蛋白粉品質優良。不同干燥技術下制備的核桃粕蛋白粉必需氨基酸含量、總氨基酸含量由高到低排序均為真空冷凍干燥＞噴霧干燥＞熱泵干燥＞熱風干燥，與蛋白質量分數成正比，與王穎倩等[34]的研究結果一致，可能是噴霧、熱泵和熱風干燥的蛋白粉氨基酸發生了不同程度的美拉德反應，導致氨基酸含量降低[35]；必需氨基酸相對含量則呈現出噴霧干燥＞真空冷凍干燥＞熱風干燥＞熱泵干燥。因此，真空冷凍干燥獲得的核桃粕蛋白粉必需氨基酸、總氨基酸含量均最高，分別為24.61、86.11 g/100 g。

2.4 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉色度值的影響

表 5 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉色度值的影響Table 5 Color parameters of walnut meal protein powders prepared by different drying technologies

為了避免感官視覺評價存在的主觀性和局限性，采用色差儀可以更加準確客觀地判定產品的色澤。由表5可知，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉L*、a*、b*值影響的差異均達到顯著水平（P＜0.05），其中，噴霧干燥的核桃粕蛋白粉L*值高達90.63，其他3 種干燥技術的蛋白粉L*值則在61.29～70.61之間；噴霧干燥的a*值最低，為1.83，其他3 種干燥技術的a*值在4.91～6.39范圍內；b*值從高到低依次為真空冷凍干燥＞熱泵干燥＞熱風干燥＞噴霧干燥。上述結果表明噴霧干燥核桃粕蛋白粉亮度最大，色澤最白，而其他3 種干燥技術制備的蛋白粉均呈黑色、紅色和黃色，色澤較差。時文芳[20]、Joshi[36]等分別在小扁豆蛋白和蓮子蛋白中的研究也發現，噴霧干燥蛋白粉的L*值大于真空冷凍干燥組，a*和b*值則小于真空冷凍干燥組。Ghribi等[30]研究表明，噴霧干燥制備的鷹嘴豆蛋白粉色澤顯著優于40 ℃和50 ℃熱風干燥。

2.5 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉粒徑的影響

表 6 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉粒徑的影響Table 6 Effect of different drying technologies on particle size of walnut meal protein powder

跨度用于表征粉體粒度的均勻程度，跨度越小表示粉體分布越均勻[37-38]；比表面積表征粉體粒徑，比表面積越大，表明粉體顆粒越小[39-40]。由表6可知，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉跨度具有顯著影響（P＜0.05），噴霧干燥的蛋白粉跨度最小（2.09），其次是真空冷凍干燥、熱泵干燥和熱風干燥；粉體比表面積由高到低的干燥方式為噴霧干燥＞真空冷凍干燥＞熱泵干燥＞熱風干燥，噴霧干燥的蛋白粉比表面積最大（271.47 m2/kg），顯著高于其他3 種干燥技術（P＜0.05）。這是由于噴霧干燥過程中霧化器將物料均勻分散成小霧滴，瞬間干燥成粉末狀，粉體粒徑小、分布較均勻[17]；真空冷凍干燥流程中預凍和冷凍過程中物料均處于靜止狀態，料液隨意組合，粒徑較大且分布不均[23]；而熱風和熱泵因干燥時間較長，物料表面收縮硬化、組織緊密，因此粒徑大且尺寸不均勻[41]。

2.6 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉吸水率的影響

表 7 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉吸水率及潤濕性的影響Table 7 Effect of different drying technologies on hygroscopicity and wettability of walnut meal protein powder

吸水率指干制品在貯藏過程中吸收周圍環境中水分的能力，吸水率高的產品易發生粉體潮解結塊現象，降低產品的物理、化學和生物穩定性，進而影響產品品質及貨架期[42]。由表7可知，不同干燥技術核桃粕蛋白粉吸水率由高到低依次為噴霧干燥＞真空冷凍干燥＞熱泵干燥＞熱風干燥，其中噴霧干燥獲得的蛋白粉吸水能力最高，達2.16%，顯著高于其他3 種干燥技術（P＜0.05），真空冷凍干燥次之，熱泵干燥和熱風干燥較小，兩者差異不顯著。噴霧干燥的核桃粕蛋白粉粒徑小、比表面積大、吸水性強，因此產品的包裝應選擇適宜的方式和材料；真空冷凍干燥制備的蛋白粉可能因形成孔隙結構，顆粒間較松散，易吸附水分，也可能與產品中糖的種類和含量有關[43]；蛋白粉在熱風和熱泵干燥過程中長時間受熱風影響，表面急劇收縮，孔隙通路受阻，吸水率較低[44]。

潤濕性是評價核桃粕蛋白粉沖調性能的關鍵指標，粉體在蒸餾水中潤濕下沉時間越短，說明產品在水中可較快地擴散，具有良好的沖調溶解性[44]。由表7可知，噴霧干燥的核桃粕蛋白粉濕潤性最小（139.33 s），與真空冷凍干燥組（153.33 s）差異不顯著，可能是噴霧干燥制備的蛋白粉粒徑較小、尺寸均勻，利于水分吸附與流動，而真空冷凍干燥的粉體組織結構較疏松，因而潤濕性低；熱泵和熱風干燥的核桃粕蛋白粉潤濕性均顯著高于噴霧和真空冷凍干燥組（P＜0.05），可能與其粒徑較大、尺寸不均勻，且表面孔隙通路受阻有關。

2.7 不同干燥技術對核桃粕蛋白粉微觀結構的影響

圖 3 核桃粕蛋白粉SEM圖（×800）Fig. 3 Scanning electron microscope micrographs of walnut meal protein powder (× 800)

由圖3可知，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉微觀結構影響很大。熱風和熱泵干燥的蛋白粉呈不規則塊狀結構，顆粒形狀大小不一、分布不均、表面不平整且有小的片狀物附著在上面，表面結構發生了變化，可能物料長時間受熱風影響發生了收縮變形。真空冷凍干燥的蛋白粉呈大片層結構、形狀不規則，顆粒大小和分布不均，可能與物料靜止在低溫狀態下迅速形成冰晶，分子之間的共價鍵、靜電和疏水作用等使物料隨意組合有關[23]；但較小的顆粒很少，表面結構較光滑，與蓮子蛋白粉[20]、花生蛋白粉[23]和小扁豆蛋白粉[36]的研究結果一致。噴霧干燥的蛋白粉基本呈完整的圓球形，顆粒小且尺寸和分布相對較均勻，表面光滑圓潤；時文芳等[20]研究表明噴霧干燥的蓮子蛋白粉顆粒較小，外形基本完整，呈不規則、凹陷、折疊起皺的球形，可能因其進樣溫度（170 ℃）較高，使物料瞬間干燥時表面張力較大，形成凹陷、折疊起皺的不規則表面，而本實驗進樣溫度為140 ℃，屬于低溫噴霧干燥，對核桃粕蛋白粉組織結構起到很好的保護作用。

3 結 論

熱泵和熱風干燥的核桃粕蛋白粉吸水率較低，耐貯藏，但色澤和品質較差，其中熱風干燥的核桃粕蛋白粉蛋白質、必需氨基酸含量、總氨基酸含量、比表面積、L*值、吸水率最低，脂肪、灰分、碳水化合物質量分數和跨度、潤濕性最高。真空冷凍干燥的核桃粕蛋白粉粉體松散、無結塊，但色澤不佳，其集粉率、蛋白質量分數、必需氨基酸含量、總氨基酸含量最高，水分、脂肪、灰分和碳水化合物質量分數最低。噴霧干燥的核桃粕蛋白粉粉體細膩、色澤乳白，其感官總分、L*值、水分質量分數、必需氨基酸相對含量、比表面積、吸水率最高，集粉率、a*值、b*值、跨度、潤濕性最小。不同干燥技術對核桃粕蛋白粉組織結構造成不同程度的影響，噴霧干燥的核桃粕蛋白粉呈圓球狀，粒徑小且均勻，表面光滑圓潤；真空冷凍干燥的蛋白粉顆粒較大，但表面光滑；而熱泵和熱風干燥的蛋白粉顆粒大、尺寸不一，且表面結構粗糙。

綜上所述，不同干燥技術對核桃粕蛋白粉品質特性和微觀結構有一定的影響，真空冷凍干燥技術可以較好地保留核桃粕蛋白粉的營養物質，但色澤不佳、顆粒較大，而噴霧干燥制備的核桃粕蛋白粉感官質量最高，營養品質較好，粒徑小且均勻，細胞結構保持較好。在實際工業生產中，真空冷凍干燥耗時長、能耗大、成本過高且處理量有限，不適合核桃粕蛋白粉工業化生產；而噴霧干燥耗時短、能耗小、對產品品質影響較小，且適于連續自動化生產、產能大，因此噴霧干燥是制備核桃粕蛋白粉的最好選擇，適用于工業生產，但大規模工業生產還有待進一步研究。本研究結果為核桃粕蛋白粉工業化干燥提供一定的技術參考。