干燥溫度與助劑類型對噴霧干燥桑葚粉理化特性的影響

常連鑫,張 欣,朱智壯,趙 亞,石啟龍

(山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東淄博 255000)

桑葚(MorusnigraL.)又名桑椹,為?？浦参锷涞墓麑?廣泛分布于溫帶、熱帶和亞熱帶等地區(qū)。桑葚不僅含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分,而且富含花青素、白藜蘆醇等多酚類化合物,具有抗氧化、清除自由基、降血脂、預防心腦血管疾病、抗癌等保健功能[1-2]。但是,桑葚采收期短,果實耐貯運能力差,導致桑葚采后易腐爛變質(zhì)。此外,多酚類化合物在加工及貯藏過程中易氧化、分解,使其功能特性部分或者完全喪失[2-3]。桑葚采后保質(zhì)成為制約桑葚產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

噴霧干燥微膠囊包埋是保護生物活性成分常采用的方法[4]。但是,含糖/酸豐富的果汁噴霧干燥過程中常伴隨黏壁現(xiàn)象,導致粉末加工效率低[5]。解決黏壁常采用過程控制(如機械刮擦干燥塔內(nèi)壁、調(diào)控氣體溫/濕度等)和材料科學控制(如麥芽糊精、阿拉伯膠等助劑)這兩類方法,但其存在各自弊端[6]。噴霧干燥過程中,霧化后液滴黏附特性與其界面特性密切相關,而界面特性則取決于霧滴表面的組成成分[7]。采用蛋白質(zhì)對霧滴表面改性是避免果汁噴霧干燥黏壁的新技術,添加乳清蛋白、蛋清蛋白可以顯著提高噴霧干燥楊梅粉和柿子粉的回收率[8-9]。石啟龍等[2]研究表明,進料溶液中麥芽糊精被少量乳清分離蛋白取代時,可有效減緩桑葚汁噴霧干燥過程中的黏壁現(xiàn)象;但是,桑葚粉總酚與清除自由基能力隨乳清分離蛋白比例增加而降低。因此,維持桑葚粉較高回收率的情況下,如何最大限度地保留其總酚含量和抗氧化能力,亟需深入研究。

助劑類型與干燥條件對果汁多酚類化合物與抗氧化能力有顯著影響[5,9]。噴霧干燥常用助劑以碳水化合物聚合物為主,包括淀粉及其衍生物、食品膠體、纖維素及其衍生物等[10]。淀粉及其衍生物具有較高的玻璃化轉變溫度,良好的水溶性,較低的黏度等性質(zhì),但其成膜性較差,而成膜性對噴霧干燥效率和活性成分包埋至關重要[5]。食品膠體具有良好的成膜性,但其玻璃態(tài)轉變溫度較低;纖維素及其衍生物盡管具有良好的成膜性和表面活性,但其不易被人體消化利用[5]。桑葚汁噴霧干燥過程中,為最大限度地保留其品質(zhì)和功能特性,亟需深入探究助劑類型與干燥條件對其理化特性,尤其是多酚類化合物與抗氧化能力的影響規(guī)律?；诖?本文旨在探究干燥溫度與助劑類型對桑葚汁噴霧干燥性能的影響規(guī)律,為富含多酚類化合物果品尤其桑葚的噴霧干燥微膠囊包埋提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桑葚 淄博市果品批發(fā)市場，桑葚榨汁、過濾、均質(zhì),得到固形物含量(9.28%±0.05%)的桑葚汁,將其置于-78 ℃超低溫冰箱中備用；麥芽糊精(MD) 山東西王集團有限公司;乳清分離蛋白(WPI)、菊糖(In)、海藻糖(Tr)、阿拉伯膠(GA) 食品級 上海權旺生物科技有限公司;甲醇 煙臺市雙雙化工有限公司;福林酚、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 分析純 上海權旺生物科技有限公司。

B-290噴霧干燥儀 瑞士BUCHI公司;LabSwift-aw水分活度儀 大昌華嘉商業(yè)有限公司;GL-20G-Ⅱ離心機 上海安亭科學儀器廠;UV-2102PCS紫外可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;DHG-9140A電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 進口、出口溫度對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響 根據(jù)石啟龍等[2]的研究結果,控制進料溶液中桑葚汁、MD、WPI固形物比例為65∶34∶1,進料溶液總質(zhì)量400 g,進料溶液總固形物質(zhì)量分數(shù)10%,進料溶液溫度(50±1) ℃,空氣流速36 m3/h,抽氣速率為100%。以桑葚粉回收率、水分活度、水溶性指數(shù)、總酚含量、清除自由自能力為指標,探究噴霧干燥進口溫度(120、130、140、150、160 ℃)和出口溫度(65、70、75、80、85 ℃)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響。

1.2.2 助劑類型和質(zhì)量分數(shù)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響 噴霧干燥進口溫度和出口溫度分別為130、75 ℃,其它參數(shù)同1.2.1,桑葚汁與干燥助劑固形物比例如表1所示,對桑葚汁進行噴霧干燥。收集后的粉末立即密封并貯藏于底部置有過量硅膠粒的干燥器中,樣品立即進行相關指標分析。

表1 進料液中桑葚汁與干燥助劑固形物質(zhì)量分數(shù)(%)Table 1 Total solid ratio of mulberry juice to drying aids in the feed solution(%)

1.3 指標測定

1.3.1 回收率 采用稱量法測定桑葚粉的回收率(RP)[2]。

式(1)

式中:Mp為回收桑葚粉的質(zhì)量,g;Ms為進料溶液中的總固形物質(zhì)量,g。

1.3.2 水分活度 采用水分活度測定儀測定樣品的水分活度aw。

1.3.3 水溶性指數(shù) 稱取0.30 g桑葚粉于30 mL蒸餾水中,攪拌均勻,37 ℃水浴30 min,混合液10000 r/min離心15 min,上清液轉移至預先稱量的燒杯中,105 ℃干燥,直至質(zhì)量恒定。上清液的固體質(zhì)量與桑葚粉質(zhì)量百分比即為水溶性指數(shù)(WSI,%)[11]。

1.3.4 總酚含量 總酚含量(TPC)測定參考石啟龍等[2]方法,稱取0.50 g桑葚粉溶于10 mL甲醇,10000 r/min離心10 min,上清液取0.5 mL,加入2.5 mL福林酚混勻、靜置5 min,再加入2.0 mL 75 g/L碳酸鈉溶液,蒸餾水定容至25 mL,置于暗處常溫反應2 h,760 nm測定吸光度。TPC即每100 g桑葚粉中所含沒食子酸mg當量(mg GAE/100 g)。

1.3.5 清除自由基能力 參考Brand-Williams等[12]的方法,稱取0.05 g桑葚粉溶于30 mL甲醇,10000 r/min離心10 min,上清液取1.0 mL,一系列濃度的上清液分別與3.0 mL 0.0625 mmol/L DPPH溶液混合,置于暗處常溫反應1.0 h,515 nm測定吸光度。采用有效濃度(EC50)表示清除自由基(抗氧化)能力,即減少初始DPPH濃度50%時,需要樣品的量(mg/mL)。

1.4 統(tǒng)計分析

噴霧干燥試驗和指標測定均平行3次,數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。分別采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析,差異顯著者進行Duncan’s多重比較。

2 結果與分析

2.1 進口溫度對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響

進口溫度對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響如表2所示。溫度范圍120～150 ℃時,Rp變化范圍56.26%～59.63%,但處理間無顯著差異(P>0.05)。進口溫度130 ℃時,Rp達到最高值59.63%。但是,當溫度高于150 ℃時,Rp顯著降低(P<0.05)。隨著進口溫度升高,桑葚粉aw由0.254降低至0.202;但是,溫度范圍為140～150 ℃時,aw無顯著變化(P>0.05)。隨著進口溫度升高,WSI由90.71%降低至82.78%;溫度范圍120～130、140～160 ℃時,WSI無顯著變化(P>0.05)。TPC隨進口溫度升高總體呈降低趨勢,溫度由120 ℃升高至130 ℃時,TPC由738.97 mg GAE/100 g增加至776.55 mg GAE/100 g,但二者間無顯著差異(P>0.05);當溫度升高至140 ℃時,TPC則顯著降低至697.63 mg GAE/100 g(P<0.05);繼續(xù)升高溫度至160 ℃,TPC降低至635.63 mg GAE/100 g;但是,溫度范圍140～150、150～160 ℃時,TPC無顯著變化(P>0.05)。EC50值隨進口溫度升高呈增加趨勢,溫度由120 ℃升高至160 ℃時,EC50由1.02 mg/mL增加至1.27 mg/mL;但是,進口溫度120與130 ℃,120與140 ℃時,EC50值無顯著變化(P>0.05)。

表2 進口溫度對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響Table 2 Effect of inlet temperature on the physicochemical properties of spray dried mulberry juice powders

2.2 出口溫度對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響

出口溫度對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響如表3所示。出口溫度由65 ℃升高至85 ℃時,Rp由46.95%提高至61.50%。溫度低于70 ℃時,RP<50%,未達到Bhandari等[13]提出的工業(yè)成功噴霧干燥的標準,即Rp≥50%。溫度提高至75 ℃時,Rp顯著提高至60.00%(P<0.05);繼續(xù)提高溫度至85 ℃,Rp盡管呈增加趨勢,但變化不顯著(P>0.05)。出口溫度由65 ℃升高至80 ℃時,aw由0.230逐漸降低至0.221(P>0.05);繼續(xù)升高溫度至85 ℃,aw顯著降低至0.207(P<0.05)。這與進口溫度對aw的影響規(guī)律基本一致。隨著出口溫度升高,WSI由86.77%降低至84.65%,但處理間無顯著差異(P>0.05)。TPC隨出口溫度升高而降低,出口溫度由65 ℃升高至85 ℃時,TPC由857.72 mg GAE/100 g降低至803.79 mg GAE/100 g;但是,溫度范圍65～80、75～85 ℃時,溫度對TPC影響不顯著(P>0.05)。EC50隨出口溫度升高而增加,溫度由65 ℃升高至85 ℃時,EC50由0.92 mg/mL提高至1.04 mg/mL;但是,溫度范圍65～80、75～85 ℃時,處理間EC50無顯著變化(P>0.05)。

表3 出口溫度對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響Table 3 Effect of outlet temperature on the physicochemical properties of spray dried mulberry juice powders

2.3 菊糖質(zhì)量分數(shù)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響

進料溶液中菊糖In質(zhì)量分數(shù)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響如表4所示。In質(zhì)量分數(shù)由0增加至34.0%時,Rp由61.43%顯著降低至35.71%(P<0.05)。此外,當In質(zhì)量分數(shù)≥25.5%時,Rp<50%。隨著In質(zhì)量分數(shù)增加,aw由0.261增加至0.295。隨著In質(zhì)量分數(shù)增加,WSI由85.92%降低至81.17%,但處理間無顯著差異(P>0.05)。隨著In質(zhì)量分數(shù)增加,TPC呈先降低后升高的趨勢。In質(zhì)量分數(shù)由0增加至8.5%時,TPC由842.31 mg GAE/100 g顯著降低到699.14 mg GAE/100 g(P<0.05);而當In質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到34%時,TPC顯著增加至786.70 mg GAE/100 g(P<0.05);但是,In質(zhì)量分數(shù)為8.5%和17.0%、17.0%和25.5%時,處理間TPC無顯著差異(P>0.05)。EC50則隨In質(zhì)量分數(shù)增加呈先增加而后降低的趨勢。In質(zhì)量分數(shù)由0增加到8.5%時,EC50值由0.96 mg/mL顯著增加到1.23 mg/mL(P<0.05);而當In含量由8.5%增加至34.0%時,EC50值由1.23 mg/mL顯著降低到0.98 mg/mL(P<0.05)。

表4 菊糖質(zhì)量分數(shù)對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響Table 4 Effect of inulin mass fraction on the physicochemical properties of spray dried mulberry juice powders

2.4 海藻糖質(zhì)量分數(shù)對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響

進料溶液中海藻糖Tr質(zhì)量分數(shù)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響如表5所示。Tr質(zhì)量分數(shù)由0增加至25.5%時,Rp由61.43%逐漸降低至59.08%,但處理間無顯著差異(P>0.05);繼續(xù)增加Tr質(zhì)量分數(shù)至34.0%時,Rp顯著降低至54.46%(P<0.05)。Tr質(zhì)量分數(shù)由0增加至8.5%時,aw由0.261增加至0.262,但二者無顯著差異(P>0.05);繼續(xù)增加Tr質(zhì)量分數(shù)至17.0%,aw顯著增加至0.273(P<0.05);Tr質(zhì)量分數(shù)增加至34.0%時,aw顯著增加至0.287(P<0.05);但是,Tr質(zhì)量分數(shù)為17.0%和25.5%、25.5%和34.0%時,處理間aw無顯著差異(P>0.05)。隨著Tr質(zhì)量分數(shù)增加,WSI由85.92%增加至87.92%,但處理間無顯著差異(P>0.05)。TPC隨Tr質(zhì)量分數(shù)增加而增加,Tr質(zhì)量分數(shù)由0增加至34.0%時,TPC由842.31 mg GAE/100 g顯著增加至1211.41 mg GAE/100 g(P<0.05)。EC50則隨Tr質(zhì)量分數(shù)增加而降低,Tr質(zhì)量分數(shù)由0增加到34.0%時,EC50由0.96 mg/mL顯著降低至0.61 mg/mL(P<0.05)。但是,Tr質(zhì)量分數(shù)25.5%和34.0%時,TPC和EC50均無顯著變化(P>0.05)。

表5 海藻糖質(zhì)量分數(shù)對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響Table 5 Effect of trehalose on the physicochemical properties of spray dried mulberry juice powders

2.5 阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響

進料溶液中阿拉伯膠GA質(zhì)量分數(shù)對桑葚汁噴霧干燥理化特性影響如表6所示。GA質(zhì)量分數(shù)由0增加至8.5%,Rp由61.43%逐漸增加至62.18%(P>0.05);繼續(xù)增加GA質(zhì)量分數(shù)至34.0%,Rp顯著增加至67.97%(P<0.05)。隨著進料溶液中GA質(zhì)量分數(shù)增加，aw由0.261顯著降低至0.231(P<0.05);但是,GA質(zhì)量分數(shù)為0和8.5%、8.5%和17.0%、17.0%～34.0%時,處理間無顯著差異(P>0.05)。GA質(zhì)量分數(shù)由0增加至8.5%,WSI由85.92%增加至86.14%(P>0.05);繼續(xù)增加GA質(zhì)量分數(shù)至17.0%,WSI增加至86.53%(P>0.05);當GA質(zhì)量分數(shù)增加至34.0%時,WSI顯著增加至87.93%(P<0.05)。隨著進料溶液中GA質(zhì)量分數(shù)的增加,TPC呈逐漸降低趨勢。GA質(zhì)量分數(shù)由0增加至17.0%時,總酚含量由842.31 mg GAE/100 g顯著降低到732.16 mg GAE/100 g(P<0.05);繼續(xù)提高GA至34.0%,TPC顯著降低至701.90 mg GAE/100 g(P<0.05);但是,GA質(zhì)量分數(shù)為17.0%和25.5%、25.5%和34.0%時,處理間無顯著差異(P>0.05)。EC50則隨GA質(zhì)量分數(shù)增加而增加。GA由0增加到17.0%時,EC50由0.96 mg/mL顯著增加到1.16 mg/mL(P<0.05);繼續(xù)提高GA至25.5%,EC50提高至1.18 mg/mL(P>0.05);而當GA含量增加至34.0%時,EC50顯著增加至1.24 mg/mL(P<0.05)。

表6 阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)對噴霧干燥桑葚粉理化特性影響Table 6 Effect of gum arabic on the physicochemical properties of spray dried mulberry juice powders

3 討論

噴霧干燥法微膠囊包埋是保護生物活性成分常采用的方法。噴霧干燥過程中,果汁活性成分包埋效率取決于噴霧干燥條件、進料溶液組成和含量等因素。助劑類型和用量、噴霧干燥溫度對果汁粉理化特性有顯著影響。

桑葚汁噴霧干燥效率受溫度和助劑顯著影響。隨著進口溫度過高,物料水分蒸發(fā)速度過快,導致霧滴表面硬化,阻礙內(nèi)部水分向外部擴散,由于水分塑化作用,導致霧滴玻璃化轉變溫度下降,易于黏壁,進而導致Rp降低。Papadakis等[14]、徐學玲等[15]研究了進口溫度對葡萄汁、草莓汁噴霧干燥粉末得率的影響,得到了相同的結論。但是,Fazaedi等[16]研究表明,桑葚粉得率與噴霧干燥進口溫度正相關。這可能與進料溶液組成和質(zhì)量分數(shù)不同有關。隨著出口溫度升高,霧化后液滴下落過程中,傳熱傳質(zhì)效率加快,粉末含水率低,降低了水分的塑化作用,粉末玻璃化轉變溫度升高,同樣溫度下不易黏壁,故Rp逐漸升高。助劑類型對Rp影響顯著,噴霧干燥效率由高到低依次為阿拉伯膠>海藻糖>菊糖。Yousefi等[17]研究了石榴汁噴霧干燥方法,相比麥芽糊精和糯性淀粉,阿拉伯膠能顯著降低石榴汁噴霧干燥黏壁,提高粉末得率。本文研究中,不同助劑抑制桑葚汁黏壁效果存在差異,其原因可能與助劑在干燥過程中形成的構象變化有關,需要進一步探索。

干燥溫度與助劑類型對桑葚汁噴霧干燥總酚含量和抗氧化能力影響顯著。隨著進口溫度和出口溫度升高,多酚類成分含量和抗氧化能力降低。這主要是由于酚類屬熱敏性成分,在高溫作用下發(fā)生氧化、降解,導致總酚含量減少,抗氧化能力與酚類成分含量正相關[18-19]。助劑類型對總酚含量和抗氧化能力影響顯著,海藻糖保護效果顯著優(yōu)于菊糖和阿拉伯膠。Yousefi等[17]研究了不同助劑對石榴汁噴霧干燥粉末理化特性與抗氧化能力影響,阿拉伯膠作為助劑時,石榴粉末具有良好的延展結構,顆粒暴露空氣面積增加,花青素氧化分解速度和程度加快,導致石榴粉花青素含量較低。黑醋栗汁噴霧干燥過程中,菊糖對多酚類化合物的包埋效率顯著低于麥芽糊精[20]。但是,Lacerda等[21]研究表明,以麥芽糊精-菊糖混合物作為助劑,有利于保留果汁的花青素。Murugesan等[22]研究表明,采用阿拉伯膠與麥芽糊精作為助劑,提高了接骨木莓汁噴霧干燥效率;但是,多酚類化合物含量隨麥芽糊精增加而降低。本研究中,海藻糖對桑葚汁多酚類化合物具有顯著的保護作用。其可能原因是:其一,海藻糖分子羥基自由度大,易與酚類化合物以氫鍵結合,從而提高酚類物質(zhì)穩(wěn)定性;其二,海藻糖具有穩(wěn)定蛋白質(zhì)結構的功能,由于乳清分離蛋白降低桑葚多酚類化合物含量,進料溶液中添加海藻糖,導致蛋白質(zhì)和海藻糖結合,進而保護了多酚類化合物。海藻糖穩(wěn)定多酚類化合物機理還需進一步探討。

干燥溫度與助劑類型對噴霧干燥桑葚粉aw和WSI有一定影響。霧化后液滴傳質(zhì)速率隨進口溫度、出口溫度升高而加快,aw隨含水率降低而降低。隨著菊糖、海藻糖質(zhì)量分數(shù)增加,aw逐漸增加,這可能與菊糖、海藻糖的持水能力有關,需進一步驗證。但是,aw隨阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)增加而降低,這與Fazaeli等[19]的研究結論一致。本試驗條件下,桑葚粉aw<0.30,符合工業(yè)噴霧干燥食品粉末要求的最佳穩(wěn)定性范圍[23]。隨著噴霧干燥進口溫度升高,WSI呈降低趨勢。隨著進口溫度升高,粉末表面形成硬殼,妨礙了水分子擴散,導致粉末在水中分散和溶解能力降低[24]。噴霧干燥出口溫度對桑葚粉WSI無影響。隨著進料溶液中阿拉伯膠質(zhì)量分數(shù)增加,WSI呈增加趨勢,阿拉伯膠良好的水溶性是導致這一結論的主要原因。Yousefi等[17]研究了麥芽糊精、阿拉伯膠、糯性淀粉對石榴汁噴霧干燥性能影響,得到了相同的結論。但是,菊糖和海藻糖添加量對桑葚粉WSI無影響。本試驗條件下,桑葚粉WSI>80.0%,意味著桑葚粉具有良好的溶解性。

4 結論

桑葚汁噴霧干燥過程中,粉末回收率隨出口溫度升高而增加,但隨進口溫度升高而降低?？偡雍颗c清除自由基能力隨著進口溫度和出口溫度的升高而降低。不同助劑下桑葚汁噴霧干燥回收率RP高低順序為:阿拉伯膠>海藻糖>菊糖。桑葚汁噴霧干燥過程中,海藻糖對總酚含量與抗氧化能力的保護效果顯著優(yōu)于菊糖和阿拉伯膠。干燥溫度與助劑類型對桑葚粉aw和WSI有一定影響,但都符合工業(yè)噴霧干燥粉末標準。當噴霧干燥進口、出口溫度分別為130、75 ℃時,調(diào)整進料溶液中桑葚汁、麥芽糊精、乳清分離蛋白、海藻糖固形物質(zhì)量分數(shù)比為65∶8.5∶1∶25.5時,不僅可以維持較高桑葚粉回收率(59.08%±2.86%),而且可以最大限度地保留其總酚(1209.47±40.37) mg GAE/100 g和自由基清除能力(0.62±0.06) mg/mL。本研究為富含多酚類化合物果蔬汁的噴霧干燥微膠囊包埋提供理論依據(jù)和實踐參考。