酸水解酪蛋白生產(chǎn)工藝條件優(yōu)化

李國鋒　楊富民　張安林（.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院，蘭州 70070；.甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，蘭州70070；.臨夏華安生物制品有限責任公司，甘肅 臨夏 700）

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酸水解酪蛋白生產(chǎn)工藝條件優(yōu)化

李國鋒1楊富民2張安林3
（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，蘭州730070；3.臨夏華安生物制品有限責任公司，甘肅 臨夏 731100）

為提高酸水解酪蛋白品質，試驗采用單因素和正交試驗設計對水解和噴霧干燥工藝條件進行了優(yōu)化。結果表明，在水解溫度92℃、鹽酸濃度35%、料液比1∶1.6、水解時間為3h時，酪蛋白水解度可達到87.00%；在進風溫度120℃、出風溫度90℃、進風量25m3/h、噴霧壓力0.18Mpa時，噴霧干燥產(chǎn)品感官品質最好。

酸水解；酪蛋白；噴霧干燥

Abstract∶In order to improve the quality of casein， single factor and orthogonal design were used to optimize the process of hydrolysis and spray drying.The results show that，the degree of hydrolysis of casein was 87% when the temperature of hydrolysis was 92， the concentration of hydrochloric acid was 35%， the ratio of liquid to solid was 1.6∶1， the hydrolysis time was 3H.The sensory quality of the spray dried product was the best when the inlet temperature was 120， the air temperature was 90， and the air volume was 25m3/h and the spray pressure was 0.18Mpa.

Key words∶ Acid hydrolysis；Casein；Spray drying

牛乳蛋白的水解主要有酶水解、化學水解（如酸水解、堿水解）、物理水解（如加熱、高壓）等［1］。酸水解酪蛋白產(chǎn)品可直接用于微生物發(fā)酵中培養(yǎng)基或營養(yǎng)發(fā)酵液的配制，提高菌種快速繁殖能力及產(chǎn)酶能力縮短發(fā)酵周期［2］，提高發(fā)酵中的產(chǎn)出率。本文通過單因素試驗和正交試驗，對水解，噴霧干燥過程進行優(yōu)化，確定酸水解酪蛋白工藝優(yōu)化的最優(yōu)條件。

1、材料與方法

1.1材料

1.1.1試劑

酪蛋白，臨夏州華安生物制品有限公司，食品級；鹽酸，分析純；氫氧化鈉標準溶液；甲醛溶液

1.1.2設備

堿性陰離子樹脂交換柱：上海匯珠樹脂有限公司；酸水解釜：上海亞榮儀器廠；精密pH計pHS-3C：上海精密科學儀器有限公司；TD電子天平：余姚市金諾天平儀器有限公司；LRP-5噴霧干燥塔：常州力馬干燥工程有限公司。

1.2方法

1.2.1酸水解酪蛋白生產(chǎn)工藝

具體工藝流程為：酪蛋白→酸水解→過濾→濃縮洗滌→脫色→脫酸→濃縮→噴霧干燥→成品→檢驗包裝

1.2.2 單因素試驗設計

1.2.2.1水解工藝單因素試驗

以水解度為指標，對水解溫度、水解時間、鹽酸濃度、料液比四個因素［3］進行單因素試驗。采用單因素與正交試驗相結合的方法進行優(yōu)化工藝參數(shù)，單因素試驗設計如下：

1.水解溫度單因素試驗：固定其他條件不變（料液比1∶1.6、鹽酸濃度35%、水解時間3h）設置水解溫度83℃、86℃、89℃、92℃、95℃，以水解度為指標，篩選較優(yōu)溫度。

2.水解時間單因素試驗：固定其他條件不變（料液比1∶1.6、鹽酸濃度35%、水解溫度92℃），設置水解時間2h、2.5h、3h、3.5h、4h，以水解度為指標，篩選較優(yōu)時間。

3.鹽酸濃度單因素試驗：固定其他條件不變（料液比1∶1.6、水解溫度92℃、水解時間3h），設置鹽酸濃度分別為15%、20%、25%、30%、35%，以水解度為指標，篩選較優(yōu)濃度。

4.料液比單因素試驗：固定其他條件不變（水解溫度92℃、水解時間3h、鹽酸濃度35%），設置料液比分別為1∶1、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8，以水解度為指標，篩選較優(yōu)液固比。

1.2.2.2噴霧干燥工藝單因素試驗

以產(chǎn)品感官品質為指標，對噴霧壓力、進風溫度、出風溫度、進風量四個因素［13］進行單因素試驗。以噴霧干燥產(chǎn)品感官評分最高為終點，采用單因素與正交試驗相結合的方法進行優(yōu)化工藝參數(shù)，單因素試驗設計如下：

1.噴霧壓力單因素試驗：固定其他條件不變（進風溫度120℃、出風溫度90℃、進風量25m3/h）設置噴霧壓力為0.14MPa、0.16MPa、0.18MPa、0.20MPa、0.22MPa，以感官評分為指標，篩選較優(yōu)噴霧壓力。

2.進風溫度單因素試驗：固定其他條件不變（噴霧壓力0.18MPa、出風溫度90℃、進風量25m3/h）設置進口溫度為80℃、100℃、120℃、140℃、160℃，以感官評分為指標，篩選較優(yōu)進風溫度。

3.出風溫度單因素試驗：固定其他條件不變（噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃、進風量25m3/h）設置出口溫度為70℃、80℃、90℃、100℃、110℃，以感官評分為指標，篩選較優(yōu)出風溫度。

4.進風量單因素試驗：固定其他條件不變（噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃、出風溫度90℃）設置進風量為10m3/h、15m3/h、20m3/h、25m3/h、30m3/h，以感官評分為指標，篩選較優(yōu)進風量。

1.2.3正交試驗設計

1.2.3.1水解工藝正交試驗

在單因素試驗基礎上，以水解溫度、水解時間、鹽酸濃度、液固比作為因素，以水解度為指標，選用L9（34）正交表設計4因素3水平正交試驗，具體方案見表1。

表1　正交試驗因素水平表

1.2.3.2噴霧干燥工藝正交試驗

在單因素試驗基礎上，以噴霧壓力、進風溫度、出風溫度、進風量作為因素，以感官評分為指標，選用L9（34）正交表設計4因素3水平正交試驗，具體方案見表2。

表2　正交試驗因素水平表

1.2.4水解工藝水解度測定

酪蛋白水解物水解度的測定，是按照國內文獻報道［3～5］通用方法進行，具體如下：

將所得的水解物定容至100mL，取3mL溶液于100mL燒杯中，加入57mL的蒸餾水，用0.05mol/L的NaOH溶液預先滴定至pH值等于8.2，再加入10mL的甲醛溶液，攪拌1min后再用0.05mol/LNaOH溶液滴定至pH值至9.2，并記錄消耗的NaOH溶液的體積（mL）做空白試驗。酪蛋白水解物的水解度按下式計算：

水解度（DH%）=［M（Vi-Vo）×100/3/W-0.45］/8.2×100%

式中：M—NaOH溶液的濃度（mol/L）

Vi，Vo—樣品滴定，空白試驗時消耗的NaOH溶液的體積（mL）

W—所用酪蛋白的質量（g）

8.2—每克酪蛋白水解后所含的肽鍵毫摩爾數(shù)（mmol/g）

1.2.5噴霧干燥工藝感官評定

感官：感官評定標準見表3，按其進行產(chǎn)品的感官評價［6］。

表3　感官評定標準

各項指標測定均依照國標相關標準進行。

2、結果與分析

2.1水解工藝單因素試驗

2.1.1水解溫度對酪蛋白水解度的影響

圖1　水解溫度對酪蛋白水解度的影響

由圖1可以看出，固定水解時間、鹽酸濃度、料液比的基礎條件不變，在試驗范圍內，83℃時水解度最低，隨著溫度的逐漸升高，水解度也逐漸增大［7］。到溫度達到92℃時水解達到最大。當溫度高于92℃時，隨著溫度的升高，水和蛋白質分子親水基團之間的氫鍵遭到破壞，酪蛋白的水解度逐漸下降。因此選溫度為92℃時為水解溫度適宜溫度。

2.1.2水解時間對酪蛋白水解度的影響

圖2　水解時間對酪蛋白水解度的影響

由圖2可以看出，固定水解溫度、鹽酸濃度、料液比的基礎條件不變，在試驗范圍內，水解時間越長，水解度越高［4］。但是到水解時間超過3h以后，水解度增加緩慢，從生產(chǎn)工藝角度看，在最短的時間內就能達到理想的水解度最好，且隨著時間的延長水解度變化不大故選擇3h為最佳水解時間。

2.1.3鹽酸濃度對酪蛋白水解度的影響

圖3　鹽酸濃度對酪蛋白水解度的影響

由圖3可以看出，固定水解溫度、水解時間、料液比的基礎條件不變，在試驗范圍內，隨著鹽酸濃度的增加，水解度不斷增加［4］。當鹽酸濃度達到35%時，水解度達到最高。且鹽酸用量關系到成本高低及水解效率， 用量過高（超過35%）， 中和時需消耗太多的氫氧化鈉并會給后處理帶來困難，故選擇鹽酸濃度為35%適宜。

圖4　料液比對酪蛋白水解度的影響

2.1.4料液比對酪蛋白水解度的影響

由圖4可以看出，固定水解溫度、水解時間、鹽酸濃度的基礎條件不變，在試驗范圍內，隨著料液比的增加，水解度逐漸增加［4］。當料液比達到1∶1.6時，水解度已經(jīng)達到理想狀態(tài)，為了節(jié)約工藝成本、結合其他三個影響因素對水解度的影響，料液比1∶1.6時為水解工藝的最佳選擇。

2.2正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗，結果見表4：

表4　正交試驗結果

由極差R分析比較即C＞A＞D＞B可以看出∶ 因素對酸水解酪蛋白的影響主次順序是CADB，即鹽酸濃度對酪蛋白的水解度影響最大，其次是水解溫度、液固比和水解時間。根據(jù)k1、k2、k3確定各因素的最優(yōu)水平組合為A2B2C3D2， 即最佳水解條件為∶ 水解溫度為92℃、水解時間為3h、鹽酸濃度為35%、料液比為1：1.6時，酪蛋白水解最好。

2.3驗證試驗

水解試驗結果表明，最優(yōu)提取工藝為A2B2C3D2

表5　驗證試驗結果

由表5可以看出，驗證試驗測得水解度平均值為87.16%，水解度高于正交試驗中包括最優(yōu)組合在內的任何一種組合，證明正交試驗確定A2B2C3D2，即在水解溫度為92℃，水解時間為3h、鹽酸濃度為35%、料液比為1∶1.6時，是最佳酪蛋白水解工藝。

2.4噴霧干燥工藝單因素試驗

2.4.1噴霧壓力對酸水解酪蛋白制品感官評分的影響

噴霧壓力對酸水解酪蛋白制品［8］感官評分的影響單因素試驗結果見表6

表6　噴霧壓力對酸水解酪蛋白性質的影響

水分含量隨噴霧壓力的升高逐漸減少。噴霧壓力對產(chǎn)品的水分含量和色澤有很大影響。噴霧壓力低，產(chǎn)品水分含量高，噴霧干燥中會有大量的粘壁現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的感官評分。提高噴霧壓力，水分含量逐漸降低，但噴霧壓力過高，使產(chǎn)品的色澤加深，失去產(chǎn)品原有的白色和淡黃色，影響感官評分。由表6可見，噴霧壓力選擇0.18MPa較好。

2.4.2進風溫度對酸水解酪蛋白制品感官的影響

進風溫度對酸水解酪蛋白制品感官的影響單因素試驗結果見表7。

表7　進風溫度對酸水解酪蛋白性質的影響

水分含量隨進風溫度的提高逐漸減少［9］。進風溫度對產(chǎn)品的吸濕性、顆粒結構以及色澤有很大影響。進風溫度過低，料液干燥速度慢，產(chǎn)品水分含量高，噴霧干燥過程中會出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，不利于產(chǎn)品的收集及保存。提高進風溫度，水分含量逐漸降低，但進風溫度過高，可能會使噴霧干燥后段物料溫度升高至其黏流溫度，因此發(fā)生熱黏壁現(xiàn)象，色澤也較深。影響產(chǎn)品的感官評分。由表7可見，進風溫度120℃較適宜。

2.4.3出風溫度對酸水解酪蛋白制品感官的影響

出風溫度對酸水解酪蛋白制品感官的影響單因素試驗結果見表8

表8　出風溫度對酸水解酪蛋白性質的影響

隨著出風溫度的提高，產(chǎn)品水分含量逐漸減少［9］。出風溫度影響產(chǎn)品的干燥時間、水分含量和顆粒結構。出風溫度適宜，能縮短顆粒干燥時間，降低水分含量，避免干燥物回潮和粘壁。影響產(chǎn)品的感官評分。由表8可見，出風溫度應控制在90℃為宜。

2.4.4 進風量對酸水解酪蛋白制品感官評分的影響

進風量對酸水解酪蛋白制品感官評分的影響單因素試驗結果見表9

表9　進風量對酸水解酪蛋白性質的影響

隨著進風量的提高，產(chǎn)品水分含量逐漸減少［10］。進風量影響產(chǎn)品的干燥時間、水分含量。進風量適宜，能縮短顆粒干燥時間，降低水分含量，避免干燥物回潮和粘壁。進風量過高，產(chǎn)品完全失水，影響產(chǎn)品的感官評分。由表9可見，進風量應控制在25m3/h為宜。

2.5正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗，結果見表10：

表10　噴霧干燥正交試驗結果

由正交試驗結果表10可知，噴霧壓力（A）、進風溫度（B）、出風溫度（C）、進風量（D）等4個因素的極差（R）關系為B＞ C ＞ D＞ A，即影響蛋白粉品質的因素依次是進風溫度、出風溫度、進風量和噴霧壓力。最優(yōu)噴霧干燥工藝條件組合為A1B2C2D2，即噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃，出風溫度90℃、進風量25m3/h時，噴霧干燥產(chǎn)品感官品質最好。

2.6驗證試驗

噴霧干燥試驗結果表明，最優(yōu)提取工藝為A1B2C2D2

表11　驗證試驗結果

由表11可以看出，驗證試驗測得感官評價平均值為97.0，感官評價高于正交試驗中包括最優(yōu)組合在內的任何一種組合，證明正交試驗確定A1B2C2D2，即在噴霧壓力為0.18MPa，進風溫度為120℃、出風溫度為90℃、進風量為25m3/h時，是噴霧干燥產(chǎn)品感官品質最好的工藝。

2.7成品檢測

感官指標：色澤為乳白或淡黃色，呈均勻粉末狀，無明顯顆粒，具有醬香味。

理化指標：總氮11.2%、水分5.5%、灰分1.2%，pH 值6.6、氨基氮10.0%、氯化物0%、硝酸鹽0.2%、磷酸鹽0.05%、鈉0%。

微生物指標：細菌總數(shù)＜10cfu/g、大腸菌群＜30MPN/100g、致病菌未檢出。

重金屬：砷（以As計）≤0.0002%，鉛（以Pb計）≤0.0006%。

檢測結果表明，產(chǎn)品各項指標均達到了企業(yè)標準。

3 、討論

以酪蛋白為原料，用鹽酸在80-92℃下水解2-4h、為解決氯化鈉殘留問題，在生產(chǎn)工藝上增加濃縮洗滌工序，通過3次濃縮洗滌，使產(chǎn)品質量得到了顯著提高?；钚蕴棵撋妷A性或弱堿性陰離子樹脂一步法交換、120-90℃下噴霧干燥，生產(chǎn)酸水解酪蛋白產(chǎn)品，依據(jù)文獻知工藝技術是可行的［3］。本試驗重點對其水解和噴霧干燥過程進行優(yōu)化，影響水解的四個因素水解溫度、水解時間、鹽酸濃度、料液比中，本試驗得出四個因素中鹽酸濃度對酪蛋白的水解度影響最大，其次是水解溫度、液固比和水解時間，且鹽酸濃度還影響著水解時間，與楊震等（2011）鹽酸快速水解酪蛋白工藝研究相一致；與楊葉昆（2001）酪蛋白的酸水解及其棕色化反應產(chǎn)物在卷煙加香中的應用相比較，水解時間由原來的18h縮短為3h，鹽酸濃度由原來的18%提高到了35%，料液比與其試驗結論相同。提高鹽酸濃度，縮短水解時間仍可以得到較高的水解度。影響噴霧干燥的四個因素噴霧壓力、進風溫度、出風溫度、進風量中，通過對鄧建華等（2006）噴霧干燥條件對速溶胡蘿卜、大豆蛋白復合飲料品質影響研究結論以及結合酪蛋白自身的特性，本試驗得出影響蛋白粉品質的因素依次是進風溫度、出風溫度、進風量和噴霧壓力，據(jù)陳啟聰（2010）香蕉粉噴霧干燥工藝優(yōu)化可知，進風溫度和出風溫度對產(chǎn)品的感官影響最大。本試驗進而得出產(chǎn)品最佳感官品質的優(yōu)化條件為噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃，出風溫度90℃、進風量25m3/h。

綜上所述，本試驗對水解工藝和噴霧干燥工藝優(yōu)化，確定出了最優(yōu)條件即：水解溫度為92℃、水解時間為3h、鹽酸濃度為35%、料液比為1：1.6時，酪蛋白水解最好，水解工藝達到最優(yōu)。噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃，出風溫度90℃、進風量25m3/h時，噴霧干燥產(chǎn)品感官品質最好，噴霧干燥工藝達到最優(yōu)。

4、結論

通過單因素試驗和正交試驗可知，在水解溫度為92℃、水解時間為3h、鹽酸濃度為35%、料液比為1∶1.6時，酪蛋白水解度可達到87.00%。

通過單因素試驗和正交試驗可知，在噴霧壓力0.18MPa、進風溫度120℃，出風溫度90℃、進風量25m3/h時，噴霧干燥產(chǎn)品感官品質最好。

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Optimization of production technology of acid hydrolysis of casein

LI Guo-feng1， YANG Fu-ming2， ZHANG An-lin3
（1.Gansu academy of agricultural sciences， Lan zhou 730070； 2.College of Food science and Engineering of Gansu
Agricultural University Lan zhou 730070； 3.Linxia hua an biological products co.， LTD Gansu 731100 ）

甘肅省科技重大專項（0801XKDN025）