RSD法优化微胶囊化乳清小肽喷雾干燥工艺研究

肖功年，何光华，储小军，尤玉如，*

(1.浙江科技学院省农产品化学与生物加工技术重点实验室，浙江杭州310023;2.浙江贝因美科工贸股份有限公司，浙江杭州 310007)

RSD法优化微胶囊化乳清小肽喷雾干燥工艺研究

肖功年1，何光华2，储小军2，尤玉如1，*

(1.浙江科技学院省农产品化学与生物加工技术重点实验室，浙江杭州310023;2.浙江贝因美科工贸股份有限公司，浙江杭州 310007)

对乳清小肽粉的表观密度大小与溶解冲调性的关系进行了研究。密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，溶解冲调性最好。研究了料液浓度、进风量、进口温度对干燥粉末的影响，并采用响应面分析法(RSD)优化了微胶囊化乳清小肽喷雾干燥的工艺参数。实验结果表明，喷雾干燥的最佳条件为:料液浓度27.75%、进风量3.72m3/min、进风温度190℃。

响应面分析，乳清小肽，喷雾干燥

乳清蛋白质粉是从鲜牛奶中提取的有营养的活性乳清蛋白浓缩粉，同人的母乳有着相同的活性蛋白质——合成谷胱甘肽物质［1－4］。它含有四十多种营养元素，是成人和儿童摄取多种维他命、矿物质、蛋白质和能量的宝贵来源。乳清蛋白是从牛奶中提取出来的，牛奶的组成中87%是水，13%是乳固体。而在乳固体中27%是乳蛋白质，乳蛋白质中只有20%是乳清蛋白，其余80%都是酪蛋白，因此乳清蛋白在牛奶中的含量仅为0.7%，可见弥足珍贵［5］。乳清蛋白经蛋白酶水解后，不仅能够显著改善其乳化性、起泡性能，而且降解后的肽段更易于机体的转化、吸收和利用。其中一些肽段更是有着特殊的生理功能，如降血压、降胆固醇、抗菌、镇静、增强免疫力、促进生长等［6－8］。但乳清蛋白是一种敏感性的蛋白质，在热、酸的作用下极易变性，溶解度明显下降，使其应用范围受到很大的限制。本文探索利用蛋白酶将乳清蛋白水解，然后进行微胶囊化，研究喷雾干燥对其性能的影响，为乳清进一步的开发利用奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

WPC80粉 蛋白质含量为80%的浓缩乳清蛋白粉，贝因美集团;胰蛋白酶 BR，活力≥2500U/mg，pH5.0～7.0，50g/L，25℃，国药集团化学试剂有限公司;卵磷脂 BR，国药集团化学试剂有限公司;β－环糊精

BR，上海伯奥生物科技有限公司;实验室常规试剂。

SCA210电子天平 上海奥豪斯国际贸易有限公司;DKS－24电热恒温水浴锅 杭州蓝天化验仪器厂;B25高剪切分散均质机 上海贝而特机电设备科技有限公司;YC－015实验型喷雾干燥机 上海雅程设备仪器有限公司;PhS－25型pH计 上海精科科学仪器有限公司;SCK820秒表 福州市哈吉尔电子厂。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 称取乳清蛋白粉→加水搅拌溶解→预热至60℃，加NaOH或HCl溶液调制pH7.0→加入水解所需的蛋白酶(E/S为3%)→60℃恒温水浴中酶解5h→按固形物(WPC80粉)∶卵磷脂=100∶1比例加入10%的卵磷脂溶液，再加入8%的β－环糊精溶液(WPC80∶β－环糊精=4∶1)→均质5min→喷雾干燥→小肽粉

1.2.2 粉末表观密度和溶解性能研究 取不同条件下喷雾干燥得到的粉末(15个点)，测试其表观密度，研究每个样品在水中的溶解时间，分析其溶解性能。

1.2.3 料液浓度对表观密度和粉末性能的影响 选取21%、23%、25%、27%、29%、31%的不同料液浓度进行喷雾干燥实验，研究不同料液浓度对乳清小肽粉末的影响。

1.2.4 进风量对表观密度和粉末性能的影响 选取3.22、3.50、3.78、4.06、4.34m3/m in 的不同进风量进行喷雾干燥实验，研究不同进风量对乳清小肽粉末的影响。

1.2.5 进风温度对表观密度和粉末性能的影响 选取 180、190、200、210、220℃的不同干燥进风温度进行喷雾干燥实验，研究不同干燥温度对乳清小肽粉末的影响。

1.2.6 RSD法优化工艺实验 根据单因素实验结果，设计了三因素三水平的响应面分析实验，共有15组实验，其中12组为析因点，3个零点以估计误差。采用料液浓度X1(%)、进风量X2(m3/m in)和进风温度X3(℃)作为自变量，以感官评定分数与溶解性评定分数相加之和作为响应值。实验因素与水平的安排如表1所示。

表1 RSD法实验因素水平表

1.3 测定方法

1.3.1 感官评定 采用综合感官法确定乳清小肽干燥粉末的性能，即将感官(色泽、香味、组织状态)评定的得分加上冲调性能的得分，得到最终的样品品质总分(满分20分)。

1.3.1.1 感官评定方法 挑选10名评分人员，分别从色泽、香味、组织状态三个方面，对样品感官品质进行10分制的评定，评分标准见表2。取10名评分人员对三方面因素评分的平均值，采用变异系数法来确定三个指标间的权重。参照文献［9］方法进行，获得色泽、香味、组织形态的权重分别为:0.3269、0.2557、0.4174。

将每个指标的平均得分乘以各自指标的权重，得到该样品在感官评定方面的得分。

1.3.1.2 冲调性的感官评定 用量筒量取50℃的蒸馏水100m L于200m L的烧杯中，然后称量样品10g分散地倒入烧杯中，在将样品迅速倒入的同时启动秒表计时，记录粉末的下沉时间及全部溶解的时间。同时观察是否有上浮块，最后观察是否有未溶解的白色小点。

表2 感官评定标准

表3 冲调性评定标准

1.3.2 表观密度的测定 在分析天平上称取烘干至恒重的100m L量筒的重量，然后自然地倒入粉末至100m L刻度线，称量重量并且计算单位体积的重量，用此种方法检测的密度称之为表观密度［11］。

2 结果与分析

2.1 溶解性与表观密度的关系

由图1可以看出，表观密度越大，溶解时间并不是越短，密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，溶解时间较为适宜，而密度在0.3785g·cm－3以上的次之，密度在0.3519g·cm－3以下的颗粒溶解时间最长，需要反复搅拌才会溶解。

图1 乳清小肽粉末表观密度与溶解时间的关系

上述情况大致由两种粉末导致:一种是颗粒细小，由于本身较轻，冲调后下沉速度较慢，大量细粉粒倾倒入水中而浮于表面，由于毛细管作用，水进入粉中膨胀而致使粉团下沉，干粉被包裹而沉于杯底;另一种是颗粒正常，但颗粒结构致密，冲凋后下沉速度较快，粉与水尚未充分接触就已到达杯底，致使杯底沉淀多，需要较长时间的搅拌才能使粉粒完全溶解。

密度在 0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，颗粒松散、表面粗糙、颗粒大小均匀，冲调性最好。在沉降过程中绝大部分能与水充分接触，少量剩余只需稍稍搅拌就能溶解。

表5 进风量对表观密度和粉末性能的影响

2.2 料液浓度对表观密度和粉末性能的影响

实验结果见表4。从表中可以看出，物料浓度越高，料液黏度增大，雾滴在干燥过程中的膨胀系数减小，又由于强热风的作用，表面干燥过于迅速，表面易结一层硬壳，从而内部水分很难扩散到表面，颗粒内空隙的体积减小，易形成硬粒粉，降低了粉末的溶解性，

这与徐秋梅等报道一致［11］;并且浓度过高，其产品的光泽也将受到影响;若物料浓度过低，则易造成产品颗粒细小、不松散、冲调后下沉速度慢和上浮团块较多。

表4 料液浓度对表观密度和粉末性能的影响

2.3 进风量对表观密度和粉末性能的影响

实验结果见表5。从表中可以看出，进风量太大会致使液滴未充分干燥而使产品粘于瓶壁，难于收集且会将原本被收集的粉末吹入排风管，致使产率降低。进风量过小则会影响雾滴的附聚效果，降低粉末颗粒在水中的沉降能力，并且还会造成粉末颗粒内部空隙的体积减小，导致颗粒密度增大，冲调后润湿性、分散性较差，杯底沉淀较多，粉末溶解变慢。

2.4 进风温度对表观密度和粉末性能的影响

实验结果见表6。从表中可以看出，进风温度对产品品质影响较大。进风温度过高，雾滴与强热风接触，雾滴表面易结一层硬壳，阻碍了内部水分的扩散和蒸发，同时内部水分仍不断受热膨胀，导致产品颗粒内汽泡增多，降低了粉末的可溶性。此外，冲调后液体表面汽泡较多，影响感官效果。温度太低时，干燥设备的蒸发能力降低，料液无法充分干燥，导致产品凝块。

表6 进风温度对表观密度和粉末性能的影响

2.5 喷雾干燥参数的优化

实验以随机次序进行，采用表1设置的3因素3水平分别进行15组实验，实验获得的品质评定分数响应值用Minitab 15软件进行分析，结果见表7。

表7 Box－Behnken实验设计与结果

经M initab软件回归拟合后，各实验因子响应值的影响可用下列三元二次回归方程表示:

回归方程描述各因子与响应值的关系时，其应变量与全体自变量之间的线性关系是显著的，R2=98.73%，方程的F值为43.28，查F值分布的临界值表，F＞F0.01(9，5)=10.2，所以该回归效果极显著，从统计意义上说，回归方程可作为进一步分析的依据［12］。

根据回归方程可以利用Minitab软件绘出曲面图，见图2～图4。每个响应面分别代表着两个独立变量之间的相互作用，此时第三个变量保持在最佳水平。由响应面图可以看出:料液浓度、进料量和进风温度与总分存在显著相关性。

图2 Y=f(X1，X2)的响应曲面图

从图2～图4可以看出，当进风温度和进风量固定在最佳水平时，在25%～27.75%范围内，总分随着料液浓度的增大而提高，超过27.75%后，总分随着料液浓度的增加而降低;当进风温度和料液浓度固定在最佳水平时，在3.5～3.72m3/min范围内，总分随着进风量的增大而提高，超过3.72m3/m in后，总分随着进风量的增加而降低;当料液浓度和进风量固定在最佳水平时，在190～210℃范围内，总分随着进风温度的增大而降低。

图3 Y=f(X1，X3)的响应曲面图

图4 Y=f(X2，X3)的响应曲面图

根据Minitab的响应优化器分析可得出最优工艺参数为:料液浓度27.75%，进风量3.72m3/m in，进风温度190℃。此时感官评定分数与溶解性评定分数相加之和为17.2185。

3 结论

3.1 对乳清小肽粉的表观密度大小与溶解冲调性的关系进行了研究。密度在0.3519～0.3785g·cm－3的粉粒，颗粒松散，表面粗糙，颗粒大小均匀，溶解冲调性最好。

3.2 通过单因素实验，确定了料液浓度取25%、27%、29%;进风量取 3.5、3.75、4m3/m in;进风温度可以取 190、200、210℃。

3.3 获得了喷雾干燥的最佳条件:料液浓度27.75%、进风量3.72m3/m in、进风温度190℃。

［1］Nilsson M，Holst JJ，Bjorck IME.Metabolic effects of amino acid mixtures and whey protein in healthy subjects:studies using glucose－equivalent drinks［J］.Am J Clin Nutr，2007，85:996－1004.

［2］Doucet D，OtterD E，Gauthier S F，et al.Enzyme induced gelation of extensively hydrolyzed whey proteins by Alcalase:peptide identification and determination of enzyme specificity［J］.J Agric Food Chem，2003，51(21):6300－6308.

［3］Monti JC，Tost R.Enzymatic Solubilization of heat－denatured cheese whey protein［J］.JDairy Sci，1978，61:1233－1237.

［4］郭本恒，孔保华.保健与功能食品［M］.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1996:366－372.

［5］Fitz Gerald R J，Murray bA，Walsh D J.Hypotensive peptides from milk proteins［J］.Nutr，2004，134:980－988.

［6］Claessens M，Saris WHM，Baak MAV.Glucagon and insulin responses after ingestion of different amounts of intact and hydrolysed proteins［J］.Br JNutr，2008，100:61－69.

［7］V Lagrange.乳清蛋白及其新组分的性质、功能和新用途［J］.中国乳品工业，1999，27(2):24－27.

［8］ Caessens PW，Visser S.Beta － lactoglobulin hydrolysis.1.Peptide composition and functional properties of hydrolysates obtained by the action of plasmin，trypsin，and Staphylococcus aureus V8 protease［J］.Agric Food Chem，1999，47(8):2973－2979.

［9］门宝辉，梁川.基于变异系数权重的水质评价属性识别模型［N］.哈尔滨工业大学学报，2005－10(10):1373－1375.

［10］农志荣，黄卫萍.食品感官与物理检验在食品质量优劣现场监测中的应用［J］.食品研究与开发，2008(10):157.

［11］徐秋梅，王伟，主培忠，等.配方奶粉的冲调性与颗粒密度的关系［J］.中国乳品工业，2005(9):57.

［12］姜荷，谷文英.姬松茸菌丝体粗多糖提取工艺的优化［J］.生物活性物质分离与提纯，2005，7(31):137－140.

Optimization of spray drying conditions for microencapsulated small whey peptides by response surface design(RSD)

XIAO Gong－nian1，HE Guang－hua2，CHU Xiao－jun2，YOU Yu－ru1，*

(1.Key Laboratory of Agricultural Products Chemical and Biological Processing Technology，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China;
2.Zhejiang Beingmate Scientific Industrial Trade Share Co.，Ltd.，Hangzhou 310007，China)

The dissolving ability of the microencapsulated whey small pep tides and spray drying conditions were studied.The results showed that when the apparent density was between 0.3519g·cm－3and 0.3785g·cm－3，the dissolving ability of the microencapsulated small whey peptides was the best，through Box－Behnken experimental response surface design(RSD)，the spray drying optimization conditions were reactant concentration 27.75%，intake air volume 3.72m3/m in and temperature of entering air 190℃.

response surface design;small whey peptide;spray drying

TS201.1

B

1002－0306(2011)08－0273－04

2010－08－09 *通讯联系人

肖功年(1976－)，男，博士，高级工程师，从事食品添加剂与配料研究工作。

浙江省重大科技专项(2010C12014);杭州市产学研项目。