乳清蛋白對(duì)以麥芽糊精為助劑桑葚汁噴霧干燥性能影響

石啟龍 王瑞穎 趙 亞 劉彥愛(ài)

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000)

乳清蛋白對(duì)以麥芽糊精為助劑桑葚汁噴霧干燥性能影響

石啟龍 王瑞穎 趙 亞 劉彥愛(ài)

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000)

桑葚富含多酚類物質(zhì)，具有一定的營(yíng)養(yǎng)與保健功能。多酚類物質(zhì)在加工及貯藏過(guò)程中非常不穩(wěn)定，噴霧干燥法微膠囊包埋是保護(hù)生物活性成分常采用的方法。但是，果汁噴霧干燥過(guò)程中極易出現(xiàn)黏壁現(xiàn)象，導(dǎo)致粉末回收率較低?；诖?，研究不同比例乳清分離蛋白(WPI)與麥芽糊精(MD)對(duì)噴霧干燥桑葚粉理化特性的影響。結(jié)果表明，進(jìn)料液中以少量WPI取代MD能顯著提高桑葚粉的回收率，WPI較高的表面活性與良好的成膜性是使桑葚粉回收率提高的主要原因。隨著進(jìn)料溶液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，桑葚粉含水率增加；水分活度、堆積密度、粒徑、水溶性指數(shù)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度呈降低趨勢(shì)，而吸濕性則無(wú)明顯變化。隨著進(jìn)料溶液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，桑葚粉L值、b值增加，a值降低，色差ΔE增加。桑葚粉的總酚含量與清除自由基能力隨進(jìn)料溶液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈降低趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)料溶液中桑葚汁/MD/WPI質(zhì)量比為65∶(34.5～30.0)∶(0.5～5.0)時(shí)，既能有效解決黏壁問(wèn)題，又能較好地抑制桑葚汁中多酚類成分降解，使桑葚粉具有較高的抗氧化能力。

桑葚汁； 乳清分離蛋白； 麥芽糊精； 噴霧干燥； 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度； 理化特性

引言

桑葚(Morusnigra)為多年生木本植物桑樹(shù)的成熟果實(shí)，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)成分[1]。桑葚也含有豐富的花色苷、白藜蘆醇等多酚類化合物和多糖等活性物質(zhì)，具有抗氧化、清除自由基等保健功能[2]。但桑葚采收期較短，采收季節(jié)溫度較高，采后極易腐爛變質(zhì)，導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與保健功能喪失。此外，桑葚中的多酚類化合物在加工及貯藏過(guò)程中非常不穩(wěn)定，容易發(fā)生氧化、分解等反應(yīng)，導(dǎo)致其功能特性部分甚至完全喪失[2-3]。

微膠囊技術(shù)是將固體小顆粒、液體或氣體包埋在一層膜中形成球狀微膠囊的一種技術(shù)。噴霧干燥是將液態(tài)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成粉末廣泛采用的方法，同時(shí)也是一種微膠囊加工的方法[4]。對(duì)于含糖或酸豐富的果汁，噴霧干燥過(guò)程中會(huì)伴隨黏壁問(wèn)題，導(dǎo)致粉末回收率低。此外，在高溫或高濕條件下貯藏時(shí)，粉末還容易出現(xiàn)聚集與結(jié)塊等現(xiàn)象[5-6]。這主要是由于果汁中低分子量糖類(如葡萄糖、果糖、蔗糖等)含量較高，這些糖分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg較低，噴霧干燥過(guò)程中，糖分子處于橡膠態(tài)，流動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致黏壁現(xiàn)象發(fā)生[7]。目前，添加高分子質(zhì)量的干燥助劑，如麥芽糊精(Maltodextrin，MD)、阿拉伯膠、淀粉是解決黏壁問(wèn)題常采用的方法[8]。這些干燥助劑具有較高的Tg值，進(jìn)而提高了混合體系的Tg，避免了黏壁現(xiàn)象。但是，這種方法較高的干燥助劑用量，導(dǎo)致果汁原有風(fēng)味被干燥助劑掩蓋，這不僅增加成本，而且影響到消費(fèi)者的購(gòu)買[9-10]。

粉末顆粒的發(fā)粘行為(粘附或聚集)均與其表面特性有關(guān)，而表面特性則受到顆粒表面組成的影響[5]。因此，采用蛋白質(zhì)對(duì)噴霧后霧滴的表面改性是一種避免黏壁的新型方式。JAYASUNDERA等[9, 11-12]研究表明，蛋白質(zhì)能提高葡萄糖、果糖與蔗糖等高糖溶液模擬體系噴霧干燥粉末的回收率。蛋白質(zhì)的優(yōu)先遷移特性與良好的成膜特性是確保避免黏壁現(xiàn)象的關(guān)鍵。此外，不同蛋白質(zhì)具有不同功能特性，進(jìn)而導(dǎo)致糖類粉末回收率差異。乳清分離蛋白(Whey protein isolate，WPI)因其具有起泡性、乳化性與成膜性等功能而廣泛應(yīng)用于食品及醫(yī)藥行業(yè)[13]。與模擬體系相比，果汁中除了含有糖外，還含有多酚類化合物和有機(jī)酸等成分，導(dǎo)致果汁在噴霧干燥過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)更為復(fù)雜。對(duì)于富含低分子質(zhì)量糖與多酚的食品體系，采用蛋白質(zhì)對(duì)霧滴表面改性方式抑制黏壁問(wèn)題鮮有報(bào)道，同時(shí)對(duì)多酚含量變化規(guī)律缺乏系統(tǒng)、深入研究?；诖耍疚牟捎肳PI作為霧滴表面改性劑，探討進(jìn)料液中不同WPI固形物比例對(duì)以MD為干燥助劑的桑葚汁噴霧干燥效率與粉末理化特性的影響，為富含糖與多酚類化合物果蔬汁的噴霧干燥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

新鮮桑葚，購(gòu)于淄博果品批發(fā)市場(chǎng)。桑葚經(jīng)榨汁、過(guò)濾、均質(zhì)后，貯藏于-78℃超低溫冰箱中待用。采用高效液相色譜法分析桑葚汁中糖類組成及含量，得到果糖與葡萄糖質(zhì)量濃度分別為4.55 g/mL與4.72 g/mL。麥芽糊精(DE 15)，購(gòu)于山東西王集團(tuán)有限公司；乳清分離蛋白，購(gòu)于上海權(quán)旺生物科技有限公司，MD與WPI均為食品級(jí)；甲醇、異丙醇、福林酚、碳酸鈉、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)等均為分析純。

1.2 主要試驗(yàn)儀器

AL 204型分析天平,梅特勒-托利多有限公司；B-290型噴霧干燥機(jī)，瑞士BUCHI公司；FD-1B-80型冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；Lab Swift型水分活度測(cè)定儀，瑞士Novasina公司；GL-20G-Ⅱ型冷凍離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；Mastersizer 3000型激光粒度儀，英國(guó)Malvern公司；WSC-S型色差計(jì)，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；UV-2012PCS型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，尤尼柯儀器有限公司；Q2000型差示掃描量熱儀(DSC)，美國(guó)TA公司。

1.3 試驗(yàn)方法

桑葚汁進(jìn)料量為400 g，進(jìn)料液的總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。為探討WPI對(duì)以MD為助劑的桑葚汁噴霧干燥效果的影響，進(jìn)料溶液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以總固形物含量計(jì))范圍為0～35%。進(jìn)料溶液中，桑葚汁、MD與WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)磁力攪拌器控制進(jìn)料液溫度(50±1)℃，噴霧干燥進(jìn)口與出口溫度分別為(150±1)℃與(80±1)℃，空氣流速為36 m3/h，抽氣率為100%。噴霧干燥后將粉末收集到預(yù)先稱量的收集瓶中，立即密封并貯藏于底部置有過(guò)量硅膠粒的干燥器中，粉末立即進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)分析。

表1 進(jìn)料液中桑葚汁、MD與WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Mass fractions of mulberry juice, maltodextrin and whey protein isolate in feed solution %

1.4 指標(biāo)分析

1.4.1回收率

桑葚粉末回收率計(jì)算公式為

(1)

式中Rp——回收率，%Mp——收集瓶中回收桑葚粉質(zhì)量，gMj——進(jìn)料液中桑葚汁固形物質(zhì)量，gMm——進(jìn)料液中麥芽糊精固形物質(zhì)量，gMw——進(jìn)料液中乳清分離蛋白固形物質(zhì)量，g

1.4.2含水率

采用真空干燥法[14]。桑葚粉置于70℃、-0.09MPa干燥至質(zhì)量恒定。桑葚粉濕基含水率為

(2)

式中 Mc——濕基含水率，% Mi——干燥前桑葚粉質(zhì)量，gMf——干燥后桑葚粉質(zhì)量，g

1.4.3水分活度

采用水分活度儀測(cè)定樣品的水分活度aw，樣品測(cè)定溫度為25℃。

1.4.4堆積密度

稱量2.0g桑葚粉放入10mL的量筒中，將其置于渦流振蕩器上振蕩2min，讀取量筒中粉末的體積。桑葚粉的質(zhì)量與最終體積之比即為桑葚粉的堆積密度Bd[15]。

1.4.5粒徑

將桑葚粉分散于異丙醇中，然后通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)定粉末粒徑，結(jié)果用D[4,3]表示。

1.4.6吸濕性

取1.0g桑葚粉于稱量瓶中，置于底部放有飽和氯化鈉溶液(25℃時(shí)，相對(duì)濕度為75.29%)的干燥器里，并將干燥器置于25℃平衡7d。粉末的吸濕性指數(shù)Hyg為：每100g干物質(zhì)所吸收水分的質(zhì)量(單位：g/(100g))[16]。

1.4.7水溶性指數(shù)

參考CORTéS-ROJAS等[17]方法，略作改動(dòng)。取1.0 g桑葚粉于100 mL蒸餾水中，攪拌均勻，37℃水浴30 min，將混合液10 000 r/min下離心15 min，上清液轉(zhuǎn)移至預(yù)先稱量的燒杯中，置于105℃干燥箱中至質(zhì)量恒定。水溶性指數(shù)計(jì)算式為

(3)

式中Ws——水溶性指數(shù)，%Wp——桑葚粉質(zhì)量，gWd——上清液中固體質(zhì)量，g

1.4.8色差

桑葚粉色澤采用色差計(jì)測(cè)定，通過(guò)CIELAB表色系統(tǒng)測(cè)定其L、a、b值。由于噴霧干燥單純桑葚汁不能得到粉末，故用冷凍干燥純桑葚汁作為對(duì)照。色差ΔE計(jì)算式為

(4)

式中 L、a、b——噴霧干燥桑葚粉的值 L0、a0、b0——冷凍干燥純桑葚汁所得桑葚粉的值

1.4.9總酚含量

參考KRISHNAIAH等[18]方法，略作改動(dòng)。稱量0.5 g桑葚粉于10 mL甲醇中，10 000 r/min離心10 min，取上清液0.5 mL，加入2.5 mL福林酚試劑混勻，靜置5 min，加入2.0 mL 75 g/L碳酸鈉溶液，蒸餾水定容至25 mL，暗處常溫放置2 h，760 nm下測(cè)定其吸光度。總酚含量以每100 g樣品中所含沒(méi)食子酸質(zhì)量(毫克)計(jì)算(單位：mg/(100 g))。

1.4.10清除自由基能力

參考BRAND-WILLIAMS等[19]方法，略作改動(dòng)。稱量0.05 g桑葚粉于30 mL甲醇中，10 000 r/min離心10 min。1.0 mL上清液與3.0 mL 0.062 5 mmol/L DPPH溶液混合，置于暗處常溫放置1 h， 515 nm下測(cè)定其吸光度。清除自由基能力采用有效濃度(EC50)表示，即減少初始DPPH濃度50%時(shí)所需樣品的量(單位：mg/mL)。

1.4.11玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

采用DSC測(cè)定Tg。稱量5.0～10.0 mg樣品，以空鋁盤(pán)作為對(duì)照，載氣為50 mL/min 高純N2。DSC掃描程序采用雙掃描[15]。分析熱流密度曲線，取中點(diǎn)溫度作為樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

噴霧干燥試驗(yàn)平行2次，指標(biāo)測(cè)定平行2次，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。分別采用SPSS 19.0軟件與Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 回收率

進(jìn)料溶液中不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚汁噴霧干燥粉末回收率Rp的影響如圖1所示，圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

圖1 進(jìn)料溶液中MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉回收率的影響Fig.1 Effect of MD/WPI mass ratio in feed solution on powder recovery of mulberry juice powders

當(dāng)進(jìn)料溶液中干燥助劑僅含有MD時(shí)(即桑葚汁/MD質(zhì)量比為65∶35，以總固形物含量計(jì))，Rp為43.17%，未達(dá)到BHANDARI等[7]提出的成功噴霧干燥的標(biāo)準(zhǔn)(Rp≥50%)。但是，當(dāng)進(jìn)料溶液中MD被少量WPI取代時(shí)，Rp顯著增加。例如，進(jìn)料溶液中MD分別被0.25份(MD/WPI質(zhì)量比34.75∶0.25)與0.5份(MD/WPI質(zhì)量比34.5∶0.5)WPI取代時(shí)，Rp顯著提高至51.00%與56.63%(P<0.05)。

當(dāng)進(jìn)料溶液中WPI比例增加至2.5%時(shí)，Rp顯著提高至62.23%(P<0.05)。但是，當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至5.0%～20.0%時(shí)，盡管桑葚粉Rp持續(xù)提高，但無(wú)顯著差異(P>0.05)。當(dāng)進(jìn)料溶液中MD全部被WPI取代時(shí)(桑葚汁/MD/WPI質(zhì)量比65∶0∶35)，Rp達(dá)到73.04%。

2.2 含水率

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉含水率Mc的影響如表2所示。Mc范圍為3.81%～5.00%，這與MASTERS[20]提出的噴霧干燥產(chǎn)品含水率范圍(0～5.0%)吻合。進(jìn)料液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.5%時(shí)，Mc隨著WPI比例增加呈微弱增加趨勢(shì)(P>0.05)；當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增加至1.0%時(shí)，粉末Mc顯著增加至4.67%(P<0.05)；當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至35.0%時(shí)，盡管桑葚粉Mc繼續(xù)增加，但無(wú)顯著差異(P>0.05)。MD與WPI對(duì)桑葚粉Mc的影響可能與二者的吸濕能力(或持水能力)有關(guān)，WPI的吸濕能力高于MD[12]。

表2 進(jìn)料液中不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)噴霧干燥桑葚粉含水率、水分活度、堆積密度、粒徑、吸濕性與水溶性指數(shù)的影響Tab.2 Effect of MD/WPI mass ratio in feed solution on moisture content (Mc), water activity (aw), bulk density (Bd), particle size (D[4,3]), hygroscopicity (Hyg) and water solubility index (Ws) of mulberry juice powders

注：同一列中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 水分活度

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉水分活度aw的影響如表2所示。aw范圍為0.238～0.265，這與大多數(shù)噴霧干燥果蔬粉的aw基本一致。例如噴霧干燥阿薩伊漿果的aw為0.137～0.257[21-22]。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～10.0%、10.0%～35.0%時(shí)，各處理間桑葚粉的aw無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.4 堆積密度

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉堆積密度Bd的影響如表2所示。Bd隨進(jìn)料液中WPI比例增加而降低。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至35%時(shí)，Bd由0.72 g/mL降低至0.37 g/mL(P<0.05)。這可能是由于粉末含水率與吸濕性不同所致。如前所述，桑葚粉含水率隨WPI比例增加而增加，同時(shí)WPI的吸濕性高于MD，所以導(dǎo)致粉末之間黏結(jié)能力隨著WPI比例增加而加劇。這種粉末顆粒間的粘附、聚集導(dǎo)致顆粒間界面空間加大，使相同質(zhì)量條件下粉末顆粒所占體積加大。堆積密度也可能與桑葚粉的粒徑及粒子形態(tài)有關(guān)，這需要進(jìn)一步研究。

2.5 粒徑

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉粒徑的影響如表2所示。粒徑隨進(jìn)料液中WPI比例增加而降低。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至35%時(shí)，D[4,3]由87.6 μm顯著降低至22.6 μm(P<0.05)。這可能是由于進(jìn)料溶液的黏度隨MD比例增加而增大，噴霧干燥霧化后液滴的平均直徑隨料液黏度增加而增大，由此液滴易于聚集，進(jìn)而導(dǎo)致噴霧干燥后粉末粒徑較大[20]。SHI等[15]與TONON等[16]分別對(duì)蜂蜜、阿薩伊汁進(jìn)行了噴霧干燥研究，得到了類似結(jié)論。

2.6 吸濕性

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉吸濕性Hyg的影響如表2所示。Hyg范圍23.70～24.42 g/(100 g)，但是處理間無(wú)顯著差異(P>0.05)。桑葚粉具有較高吸濕性，主要原因：進(jìn)料溶液中桑葚汁的固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總固形物的65%，同時(shí)桑葚中含有大量具有較高吸濕能力的果糖。

2.7 水溶性指數(shù)

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉水溶性指數(shù)Ws的影響如表2所示。隨著進(jìn)料溶液中WPI比例增加，Ws呈降低趨勢(shì)，Ws為86.80%～99.06%。當(dāng)進(jìn)料液中WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至1.0%時(shí)，Ws由99.06%顯著降低至95.78%；當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.0%增加至10.0%時(shí)，Ws由95.78%降低至95.00%(P>0.05)；而當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至35.0%時(shí)，Ws顯著降低至86.80%(P<0.05)。CORTES-ROJAS等[17]研究表明，噴霧干燥所得粉末的溶解能力受到干燥助劑(壁材)種類的影響，碳水化合物類的溶解能力顯著優(yōu)于蛋白質(zhì)類。CANO-CHAUCA等[23]以MD作為助劑，對(duì)芒果漿噴霧干燥，所得芒果粉具有良好的水溶解能力(Ws>90%)。DU等[24]以蛋白質(zhì)(乳清蛋白濃縮物、蛋清蛋白)作為干燥助劑，對(duì)柿子漿噴霧干燥，所得到柿子粉溶解能力較差(Ws<58%)。

2.8 色澤

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉色澤的影響如表3所示。噴霧干燥過(guò)程中，進(jìn)料溶液干燥助劑種類與含量對(duì)粉末色澤有重要影響[25]。桑葚粉的L值隨著進(jìn)料溶液中WPI比例增加而增加。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至35%時(shí)，L值由15.95顯著增加至55.87(P<0.05)。與之相反，a值隨進(jìn)料溶液中WPI比例的增加而顯著降低。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至35%時(shí)，a值由28.71顯著降低至20.24(P<0.05)。b值則隨進(jìn)料液中WPI比例增加呈增加趨勢(shì)，當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至5.0%時(shí)，b值由7.04顯著增加至8.44(P<0.05)；當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10.0%增加至35.0%時(shí)，b值由9.00顯著增加至12.96(P<0.05)；而當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～2.5%、0.5%～5.0%、1.0%～10.0%變化時(shí)，WPI比例對(duì)b值影響不大(P>0.05)。色差ΔE隨進(jìn)料液中WPI比例增加而增加，當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至1.0%時(shí)，ΔE值由14.31顯著增加至18.36；繼續(xù)提高WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2.5%，ΔE值略微增加(P>0.05)；而當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至5.0%～35.0%時(shí)，ΔE值顯著增加至24.66～38.00。

表3 進(jìn)料液中不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉色澤參數(shù)的影響Tab.3 Effect of MD/WPI mass ratio in feed solution on color parameters of mulberry juice powders

2.9 總酚含量

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉總酚含量的影響如表4所示?？偡雍侩S進(jìn)料溶液中WPI比例增加而降低。進(jìn)料溶液中助劑分別僅為MD或WPI時(shí)，桑葚粉的總酚含量分別為791.42 mg/(100 g)與610.82 mg/(100 g)。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至2.5%時(shí)，總酚含量由791.42 mg/(100 g)顯著降低至727.51 mg/(100 g)(P<0.05)。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加至35%時(shí)，總酚含量由718.49 mg/(100 g)顯著降低至610.82 mg/(100 g)(P<0.05)。而當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～1%、0.25%～5.0%、0.5%～10.0%以及1%～20.0%變化時(shí)，WPI比例對(duì)總酚含量影響不大(P>0.05)。酚類物質(zhì)與大分子物質(zhì)結(jié)合是影響酚類含量的主要因素[26]。桑葚粉總酚隨WPI比例增加而降低的原因可能是桑葚汁噴霧干燥過(guò)程中，酚類物質(zhì)與WPI結(jié)合，進(jìn)而降低桑葚粉的總酚含量。

2.10 清除自由基能力

不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉自由基清除能力的影響如表4所示。EC50隨進(jìn)料溶液中WPI比例增加呈增加趨勢(shì)，這意味著桑葚粉清除自由基能力隨進(jìn)料溶液中WPI比例增加而減弱。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至2.5%時(shí)，EC50由0.83 mg/mL顯著增加至0.96 mg/mL(P<0.05)。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5.0%增加至35%時(shí)，EC50由1.04 mg/mL顯著增加至1.17 mg/mL(P<0.05)。而WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～1%、0.25%～2.5%、0.5%～5.0%、2.5%～10.0%、5.0%～20.0%以及20.0%～35.0%變化時(shí)，EC50無(wú)顯著差異(P>0.05)。

表4 進(jìn)料液中不同MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉總酚含量與清除自由基能力的影響Tab.4 Effect of MD/WPI mass ratio in feed solution on total phenols and radical scavenging activity of mulberry juice powders

2.11 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

由于未添加助劑的桑葚汁噴霧干燥過(guò)程中黏壁嚴(yán)重，粉末回收率為零。因此，采用冷凍干燥法得到純桑葚粉末，并對(duì)其Tg進(jìn)行了分析，得到Tg值為13.03℃(圖2)。這意味著單純桑葚粉(無(wú)任何助劑)在室溫下(例如25℃)呈橡膠態(tài)。這也進(jìn)一步闡明了桑葚汁在不添加任何干燥助劑的情況下是無(wú)法得到無(wú)定形桑葚粉末的原因。

圖2 進(jìn)料溶液中MD/WPI質(zhì)量比對(duì)桑葚粉Tg的影響Fig.2 Effect of MD/WPI mass ratio in feed solution on glass transition temperature of mulberry juice powders

如圖2所示，Tg隨進(jìn)料溶液中WPI比例的增加而降低。當(dāng)進(jìn)料溶液中助劑僅含MD時(shí)，桑葚粉的Tg為67.88℃；當(dāng)進(jìn)料液中MD被0.25份WPI取代時(shí)，Tg降低至65.44℃(P>0.05)。而當(dāng)進(jìn)料液中MD被0.5份WPI取代時(shí)，Tg由67.88℃顯著降低至55.80℃(P<0.05)。當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增加至35%時(shí)，Tg由55.80℃降低至43.12℃(P<0.05)。但是當(dāng)WPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～20%以及5%～35%變化時(shí)，Tg盡管隨WPI比例增加而降低，但是無(wú)顯著差異(P>0.05)。桑葚粉Tg隨進(jìn)料溶液中MD/WPI質(zhì)量比變化的原因可能與MD、WPI的Tg值有關(guān)。MD與WPI的Tg分別為148.46℃和132.12℃[15]。

3 討論

噴霧干燥過(guò)程中的黏壁行為是一種界面現(xiàn)象，包含顆粒-顆粒(粘附)和顆粒-干燥塔內(nèi)壁(聚集)[5]。由于顆粒粘附行為發(fā)生在界面處，所以顆粒界面特性對(duì)于黏壁行為起到至關(guān)重要的作用。

如果進(jìn)料溶液由桑葚汁與MD組成，MD與果汁溶液具有良好的兼容性(由于MD不具有表面活性)[10]。因此通過(guò)霧化器后的液滴表面由MD與果汁固形物組成(主要是葡萄糖、果糖、蔗糖等低分子質(zhì)量的糖類)，當(dāng)霧滴通過(guò)傳熱、傳質(zhì)后形成粉末顆粒時(shí)，顆粒表面含有MD與桑葚汁中的低分子質(zhì)量糖類，由于這些糖的Tg值較低，所以干燥條件下呈橡膠態(tài)，導(dǎo)致分子流動(dòng)性增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致黏壁現(xiàn)象(圖3a)。本文研究表明，當(dāng)進(jìn)料液中桑葚汁與MD固形物質(zhì)量比為65∶35時(shí)，桑葚粉末回收率為43.17%(回收率小于50%)。若想避免黏壁現(xiàn)象，只有提高進(jìn)料溶液中MD比例(例如桑葚汁固形物與MD質(zhì)量比60∶40)，使粉末顆粒的Tg值增加，進(jìn)而避免黏壁現(xiàn)象，提高果汁粉的回收率。

但是，當(dāng)進(jìn)料溶液中MD被少量WPI取代時(shí)(例如MD/WPI質(zhì)量比為34.75∶0.25)，桑葚粉回收率顯著提高至51.00%。這主要是由于WPI是表面活性物質(zhì)，且蛋白質(zhì)-糖溶液體系不能兼容[27-28]。當(dāng)進(jìn)料液中含有WPI時(shí)，蛋白質(zhì)優(yōu)先遷移至空氣-桑葚汁溶液的界面，當(dāng)進(jìn)料溶液霧化成液滴后，液滴表面富含WPI，在干燥室內(nèi)液滴與熱空氣進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，導(dǎo)致粉末表面含有大量的WPI，而WPI具有良好的成膜性，將桑葚汁中的糖分子包埋起來(lái)(圖3b)。同時(shí)，噴霧干燥過(guò)程中液滴內(nèi)外存在濃度梯度，導(dǎo)致液滴中溶質(zhì)遷移(遷移速率與分子質(zhì)量成反比)，導(dǎo)致液滴中小分子質(zhì)量糖類遷移至霧滴內(nèi)部，而WPI存在于霧滴表面。霧滴干燥以后，顆粒表面主要由WPI組成(圖3b)，液滴表面WPI脫水形成蛋白質(zhì)膜，而WPI的Tg值較高，噴霧干燥條件下，顆粒表面呈玻璃態(tài)。所以霧滴-霧滴、霧滴-干燥室內(nèi)部間不容易黏附，進(jìn)而導(dǎo)致桑葚粉的回收率顯著提高。此外，對(duì)于粉末Tg而言，當(dāng)進(jìn)料溶液中助劑僅為MD時(shí)，噴霧干燥后桑葚粉的Tg為MD-桑葚汁固形物體系的Tg，粉末表面的Tg與體系的Tg值相等(圖3a)。而當(dāng)進(jìn)料溶液中含有WPI時(shí)，桑葚粉的Tg為MD-WPI-桑葚汁固形物體系的Tg，但是粉末表面的Tg為WPI的Tg，其值要遠(yuǎn)高于粉末內(nèi)部的Tg(圖3b)。因此，盡管隨著進(jìn)料液中WPI含量增加，桑葚粉體系Tg降低，但是粉末表面Tg是顯著增加的，所以導(dǎo)致桑葚粉的回收率顯著提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了避免富含糖、多酚的果汁噴霧干燥黏壁與多酚含量降低等問(wèn)題，基于液滴表面改性方法，探討了添加乳清分離蛋白對(duì)以麥芽糊精為干燥助劑的噴霧干燥桑葚粉理化特性的影響。進(jìn)料溶液中以少量乳清分離蛋白取代麥芽糊精，能顯著提高桑葚粉的回收率。乳清分離蛋白較高的表面活性(優(yōu)先遷移至霧滴-空氣界面)和良好的成膜特性是導(dǎo)致粉末回收率提高的主要原因。以單獨(dú)麥芽糊精為干燥助劑時(shí)，為了避免桑葚汁噴霧干燥過(guò)程中黏壁現(xiàn)象，需要提高麥芽糊精-桑葚汁體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；而麥芽糊精被少量乳清分離蛋白取代時(shí)，為了避免桑葚汁噴霧干燥過(guò)程中黏壁現(xiàn)象，僅需乳清分離蛋白覆蓋霧滴表面即可。桑葚粉的含水率、L值、b值與色差ΔE隨進(jìn)料液中WPI含量增加而增加；而水分活度、堆積密度、粒徑、水溶性指數(shù)、a值、總酚與清除自由基能力則隨WPI含量增加而降低。綜合考慮，當(dāng)進(jìn)料溶液中桑葚汁/MD/WPI質(zhì)量比為65∶(34.5～30.0)∶(0.5～5.0)時(shí)，既能有效解決黏壁問(wèn)題，又能較好地抑制桑葚汁中多酚類成分降解，使桑葚粉具有較高的抗氧化能力。

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EffectofWheyProteinIsolateasComplementaryDryingAidofMaltodextrinonSprayDryingBehaviorofMulberryJuice

SHI Qilong WANG Ruiying ZHAO Ya LIU Yan’ai

(SchoolofAgriculturalEngineeringandFoodScience,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255000,China)

Mulberry is rich in polyphenols with characteristics of nutritional qualities and bioactive phytonutrients. However, the capacity and health benefit potential are limited due to their weak stability during processing and preservation. Spray drying encapsulation was well-established and widely utilized for protecting bioactive substances such as polyphenols. However, undesirable phenomena such as stickiness on the drier chamber wall arose during spray drying of sugar-rich solution such as fruit juice. Furthermore, powder recovery was decreased owing to stickiness issue during spray drying. Therefore, effect of different total solid ratios of whey protein isolate (WPI) and maltodextrin (MD) in the feed solution on physical and chemical properties of spray dried mulberry juice powders was investigated. The results showed that the powder recovery of spray dried mulberry juice powders was significantly increased when MD in the feed solution was replaced by small amount of WPI. The reason can be attributed to the high surface activity and excellent film-forming properties of WPI. The moisture content of spray dried mulberry juice powders was increased with the increase of WPI mass fraction in the feed solution. However, water activity, bulk density, particle size, water solubility index and glass transition temperature were decreased with the increase of WPI mass fraction in the feed solution. The hygroscopicity of mulberry juice powders was not significantly influenced by WPI/MD ratio in the feed solution. The color parameters of spray dried mulberry juice powders such asL,band ΔEwere increased with the increase of WPI mass fraction in the feed solution. Whereas, opposite behavior was observed for parameter a. The total phenol content and DPPH scavenging capacity of spray dried mulberry juice powders were decreased with the increase of WPI mass fraction in the feed solution.

mulberry juice； whey protein isolate； maltodextrin； spray drying； glass transition temperature； physical and chemical properties

TS201.1； TS255.36

A

1000-1298(2017)09-0337-07

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.043

2017-01-04

2017-02-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31171708)

石啟龍(1974—)，男，教授，主要從事果蔬、水產(chǎn)品加工與貯藏研究，E-mail： qilongshi@sdut.edu.cn