鮑魚活性肽噴霧冷凍干燥新工藝研究*

江新輝，江銘福，謝永燦，劉海霞，溫海蘭，江敏，劉忠明，藍(lán)登杭，賴譜富

（1.墨爾本皇家理工大學(xué)，澳大利亞 墨爾本 VIC3001；2.連江縣水產(chǎn)職業(yè)學(xué)校，福建 福州 350500；3.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002；4.福建師范大學(xué)，福建 福州 350007；5.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515；6.廈門水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門 361021；7.福州日興水產(chǎn)食品有限公司，福建 福州 350500；8.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002；9.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院工程研究所，福建 福州 350002）

噴霧干燥和冷凍干燥法通常用于植物、醫(yī)藥產(chǎn)品[1]和生物、化工產(chǎn)品的提取粉狀產(chǎn)品[2]，這類干燥得到的是塊狀類狀態(tài)，隨后還需通過粉碎機(jī)磨粉得到粉狀產(chǎn)品，但是這會(huì)造成產(chǎn)品的顆粒直徑過粗、粒徑分布不均，同時(shí)提取物再次經(jīng)過機(jī)械的摩擦，因摩擦產(chǎn)生的熱量也會(huì)使粉體受熱從而引起產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生變性。傳統(tǒng)的噴霧干燥[3]法得到的產(chǎn)品，由于在高溫噴霧下，通常會(huì)對(duì)蛋白肽產(chǎn)品帶來較多的破壞，無法保證產(chǎn)品的品質(zhì)。而通過冷凍干燥法和噴霧干燥法兩種工藝技術(shù)的相互結(jié)合形成的噴霧冷凍干燥[4]技術(shù)主要由霧化、凍結(jié)、干燥3步驟組成，此技術(shù)生產(chǎn)獲得的產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性和很好的復(fù)水性，比傳統(tǒng)噴霧干燥[5,6]、冷凍干燥具有更好的品質(zhì)，因此非常適用于那些具有較高市場(chǎng)價(jià)值的產(chǎn)品制備。

隨著對(duì)蛋白肽的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)蛋白肽具有良好的生物活性和良好的生物相容性。根據(jù)相關(guān)研究，蛋白肽具有抗衰老、抗氧化、促吸收、提免疫等生理功能，還含有一定的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制活性等。根據(jù)蛋白肽對(duì)人類的生理作用，人們對(duì)各種生物的蛋白肽進(jìn)行了提取利用，特別是對(duì)高端生物的蛋白肽提取，鮑魚活性肽就是當(dāng)前比較高端的一種。早期，鮑魚活性肽的提取采用傳統(tǒng)的冷凍干燥和噴霧干燥[7-10]技術(shù)，導(dǎo)致獲得的鮑魚活性肽存在品質(zhì)不良、復(fù)水性差、活性低等缺點(diǎn)，但是隨著人們對(duì)干燥技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同物質(zhì)的提取可采用不同的干燥法以保持物質(zhì)的活性。研究表明，采用噴霧冷凍干燥技術(shù)[11,12]生產(chǎn)出的鮑魚活性肽具有更高的結(jié)構(gòu)完整性、優(yōu)良的質(zhì)量和更好的生物活性及穩(wěn)定性，更容易被人體吸收利用。

本實(shí)驗(yàn)以鮑魚酶解分離肽濃縮液為原料，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)方法探究噴霧冷凍干燥提取鮑魚活性肽的工藝，比較固形物含量、芯壁比、干燥溫度、進(jìn)料速度[13]的噴霧實(shí)驗(yàn)參數(shù)，探究其對(duì)噴霧冷凍干燥的影響，為噴霧冷凍干燥提取鮑魚活性肽提供理論參考值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮑魚酶解分離肽濃縮液由福州日興水產(chǎn)食品有限公司提供，β-環(huán)糊精由廣州嘉業(yè)食品配料有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

YC-3000 型噴霧冷凍干燥機(jī)（上海雅程儀器設(shè)備有限公司）；DW-40L188型低溫保存箱（海爾電冰箱有限公司，帶速凍功能）；BS2000S型電子天平（北京賽多利斯天平有限公司）；高速冷凍離心機(jī)（TGL-16型，湖南湘儀儀器有限公司）；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 鮑魚生物活性肽微膠囊的制備

添加50 gβ-環(huán)糊精到500 mL的鮑魚酶解分離肽濃縮液中，添加后在40 ℃恒溫磁力攪拌下反應(yīng)30 min后即可得鮑魚生物活性肽微膠囊。

1.3.2 包埋率的測(cè)定

取100 mL鮑魚生物活性肽微膠囊，用蒸餾水洗滌后進(jìn)行離心，取離心沉淀物加入5 mL蒸餾水，采用1.3 kW功率的超聲波處理10 min，使微膠囊完全破裂。而后在4000 r/min下離心10 min。將所得上清液定容至5 mL，備用待測(cè)。

鮑魚生物活性肽質(zhì)量濃度的測(cè)定：取上述待測(cè)定溶液3 mL，按體積比1∶1加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的三氯乙酸溶液使其混合均勻，在室溫下靜置10 min 后，以6000 r/min離心10 min，取上清液加入雙縮脲試劑（V樣液∶V雙縮脲試劑= 1∶4）混合均勻，于37 ℃恒溫水浴30 min，在波長550 nm處測(cè)定吸光度（純水代替樣品做空白），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算大豆微膠囊內(nèi)多肽質(zhì)量濃度P1（mg/mL）。鮑魚生物活性肽粗溶液中多肽質(zhì)量濃度P2（mg/mL）測(cè)定同上。包埋率k=P1/P2×100%。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

在真空壓力45 Pa、冷風(fēng)分量50 m3/min條件下，選取不同固形物含量（10%、14%、18%、22%、26%、30%）、芯壁比（8∶1、7∶1、6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1）、干燥溫度（30、35、40、45、50、55 ℃）、進(jìn)料速度（20、25、30、35、40、45 mL/min）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 正交實(shí)驗(yàn)方法

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Benhnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取固形物含量（A）、芯壁比（B）、干燥溫度（C）、進(jìn)料速度（D）為實(shí)驗(yàn)因素，以包埋率、得率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)4因素3水平實(shí)驗(yàn)。因素水平編碼見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平及其編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 固形物含量對(duì)鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖1可知，固形物含量對(duì)噴霧冷凍干燥鮑魚生物活性肽的包埋率和得率均有顯著影響。數(shù)據(jù)顯示隨著固形物含量的增加，鮑魚生物活性肽微膠囊的包埋率、得率均先增大后減小，當(dāng)固形物含量為26%時(shí)，包埋率達(dá)到最大值89.2%，得率達(dá)到最大值59.1%。這是由于當(dāng)固形物含量低，料液的黏度降低，不利于致密的囊壁產(chǎn)生，將包埋率降低；固形物含量增高后，料液的黏度提高，在干燥過程中容易形成致密的囊壁，而固形物含量過高時(shí)，不利于水分從液滴內(nèi)部遷移至表面的，并且微膠囊內(nèi)部的高蒸氣壓會(huì)沖破囊壁，從而導(dǎo)致包埋率下降。因此，在固形物含量的確定還要考慮到黏度的要求，從數(shù)據(jù)可以分析出固形物含量在22%～30% 較合適。

圖1 固形物含量對(duì)鮑魚蛋白肽噴霧冷凍干燥的影響

2.1.2 芯壁比對(duì)鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖2可知，芯壁比對(duì)噴霧冷凍干燥鮑魚生物活性肽的包埋率有顯著影響。從圖中曲線可以看到，芯壁比在減小時(shí)，鮑魚生物活性肽的包埋率先增大后逐漸減小，當(dāng)芯壁比為5∶1時(shí)包埋率達(dá)到最大值。這是由于芯壁比數(shù)值較大時(shí)，在微膠囊表面的壁材少而使包埋率低，增大壁材占比利于干燥過程中壁材成膜，芯材易于被包裹在微膠囊內(nèi)，從而增大了包埋率。但是，當(dāng)壁材的比例過大時(shí)，霧化阻力增大，壁材占比太高會(huì)使產(chǎn)品中有效成分的含量過低，導(dǎo)致包埋率過低，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖2 芯壁比對(duì)鮑魚蛋白肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖2可知，芯壁比對(duì)噴霧冷凍干燥鮑魚生物活性肽的得率有顯著影響。隨著芯壁比的減小，鮑魚生物活性肽的得率先增大后基本不變，當(dāng)芯壁比為5∶1時(shí)得率達(dá)到較大值，而后繼續(xù)增大壁材占比則得率變化不大。因此，綜合得率與包埋率曲線數(shù)據(jù)，確定芯壁比在5∶1～3∶1時(shí)較合適。

2.1.3 干燥溫度對(duì)鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖3可知，隨著干燥溫度的升高鮑魚生物活性肽的包埋率先增大后減小，當(dāng)干燥溫度達(dá)到45 ℃時(shí)包埋率值達(dá)到最大，隨著干燥溫度逐步提升包埋率反而逐漸下降。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)楦稍餃囟冗^低時(shí)水分難以蒸發(fā)，由于蒸發(fā)力不夠?qū)е掳裥Ч?，而隨著干燥溫度的提高，水分的蒸發(fā)力提升加快囊壁的形成，從而使包埋率升高。但是，當(dāng)溫度過高時(shí)微膠囊表面的水分蒸發(fā)迅速，比內(nèi)部水分的遷移速度快，使內(nèi)壓力升高引起微膠囊膨脹，膨脹過度導(dǎo)致囊殼破裂。由此可知，干燥溫度為40～50 ℃為較合適的溫度。

圖3 干燥溫度對(duì)鮑魚蛋白肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖3可知，鮑魚生物活性肽的得率隨著干燥溫度的升高而降低，干燥溫度40～50 ℃時(shí)得率變化不大，50 ℃后得率減小明顯，因此，干燥溫度為30～50 ℃較合適。

2.1.4 進(jìn)料速度對(duì)鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖4可知，隨著進(jìn)料速度的增大，鮑魚生物活性肽的包埋率先增大后減小。當(dāng)進(jìn)料速度達(dá)到30 mL/min時(shí)，包埋率達(dá)到最大值89.2%。這是由于當(dāng)進(jìn)料速度小時(shí)，霧化液滴粒徑也較小，水分蒸發(fā)速度快，包埋率低且生產(chǎn)率也降低，而當(dāng)增大進(jìn)料速度后，霧化液滴粒徑隨之增大，從而可增大微膠囊粒徑，但是進(jìn)料流量過大時(shí)不能形成良好的致密性和一定強(qiáng)度的囊壁，微膠囊粒徑大，使產(chǎn)品干燥效果和流動(dòng)性均不好。因此，進(jìn)料速度在25～35 mL/min 時(shí)較合適。

圖4 進(jìn)料速度對(duì)鮑魚蛋白肽噴霧冷凍干燥的影響

由圖4可知，鮑魚生物活性肽的得率隨著進(jìn)料速度的升高而降低，進(jìn)料速度20～35 mL/min 時(shí)得率變化不大，進(jìn)料速度35 mL/min后得率減小明顯。由此可知，進(jìn)料速度為20～35 mL/min 時(shí)較合適。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前面單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇固形物含量（A）、芯壁比（B）、干燥溫度（C）、進(jìn)料速度（D）為主要影響因素，以包埋率（K）、得率（K）為指標(biāo)，選取實(shí)驗(yàn)號(hào)（L1-L16）為正交設(shè)計(jì)方案，正交實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果見表2，方差分析結(jié)果見表3、4。

表2 L1-16鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表3 方差分析表（包埋率）

由表2和表3可知，影響鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥包埋率的主次因素是：A＞D＞B＞C，即固形物含量＞進(jìn)料速度＞芯壁比＞干燥溫度。鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的最佳工藝組合為A2B2C3D3，即固形物含量26%、芯壁比4∶1、干燥溫度50 ℃、進(jìn)料速度35 mL/min。

由表2和表4可知，影響鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥得率的主次因素是：A＞D＞B＞C，即固形物含量＞進(jìn)料速度＞芯壁比＞干燥溫度。鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的最佳工藝組合為A2B2C3D3，即固形物含量26%、芯壁比4∶1、干燥溫度50 ℃、進(jìn)料速度35 mL/min。

表4 方差分析表（得率）

綜合包埋率、得率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥最佳工藝組合為固形物含量26%、芯壁比4∶1、干燥溫度50 ℃、進(jìn)料速度35 mL/min。為驗(yàn)證該最優(yōu)組合的可靠性，在最優(yōu)組合條件下進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，取其平均值，測(cè)得鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥的包埋率為89.9%、得率為59.9%，高于表2中的所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而說明優(yōu)化結(jié)果正確[14]。

2.3 理化特性評(píng)定

由表5可以知，在不同的固形物含量、芯壁比、干燥溫度、進(jìn)料速度進(jìn)行噴霧冷凍干燥出來的鮑魚活性肽從氣味、組織形態(tài)、溶解性上都是有所不同的，固形物含量26%、芯壁比4∶1、干燥溫度50 ℃、進(jìn)料速度35 mL/min時(shí)噴霧冷凍干燥出來的鮑魚活性肽粉其風(fēng)味佳、顆粒[15]規(guī)則、溶解性好。

表5 不同噴霧干燥工藝參數(shù)組合值下的鮑魚活性肽的理化特性比較

3 結(jié)論

本研究以固形物含量、芯壁比、干燥溫度、進(jìn)料速度等主要因素為研究對(duì)象，綜合分析了不同值的固形物含量、芯壁比、干燥溫度、進(jìn)料速度對(duì)鮑魚活性肽噴霧冷凍干燥工藝的影響，同時(shí)優(yōu)化了鮑魚生物活性肽噴霧冷凍干燥最佳工藝組合[16]。結(jié)果表明，固形物含量26%、芯壁比4∶1、干燥溫度50 ℃、進(jìn)料速度35 mL/min、真空壓力45 Pa、冷風(fēng)分量50 m3/min，微膠囊壁材為β-環(huán)糊精，在此條件下，噴霧冷凍干燥出來的鮑魚活性肽包埋好，得率高，產(chǎn)品風(fēng)味佳、顆粒規(guī)則、溶解性好。本研究對(duì)今后在其他海洋生物制品或食品、藥品等有效成分的提取提供了參考[17]。