扁杏仁水解蛋白的喷雾干燥及其抗氧化活性

刘 贺，王 雪，李 君，郭晓飞，朱丹实，何余堂，钱建华

(1.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁 锦州 121013；2.辽宁省高校食品质量安全与功能性食品研究重点实验室，辽宁 锦州 121013)

扁杏仁水解蛋白的喷雾干燥及其抗氧化活性

刘 贺1,2，王 雪1，李 君1，郭晓飞1，朱丹实1,2，何余堂1，钱建华1

(1.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁 锦州 121013；2.辽宁省高校食品质量安全与功能性食品研究重点实验室，辽宁 锦州 121013)

通过响应面设计方法探讨减压浓缩脱水比例、进风温度和进料速度等喷雾干燥工艺参数对扁杏仁水解蛋白溶液干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影响，获得表征相关指标的数学模型，在实践过程中可以对相关指标进行预测。扁杏仁水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，但受到喷雾干燥工艺参数的影响，通过SAS统计分析软件对相关指标进行优化，并进行验证实验，总体而言，脱水比例在0.5～0.6之间，进风温度200℃左右，进料速度在270～320mL/h，可以获得较好的综合效果。

扁杏仁；水解蛋白；喷雾干燥；抗氧化活性

Abstract ：In this work, the effects of spray drying process parameters such as vacuum dehydration ratio, inlet air temperature and feeding rate on the recovery and antioxidant properties of protein hydrolysate powder were explored by response surface methodology. Mathematical predictive models were established, respectively, describing hdyrolysate recovery and reducing power, hydroxyl free radical scavenging activity and Fe2+chelating activity as a function of these three spray drying process parameters. The prepared powder had certain antioxidant activity, which was dependent on the spray drying process parameters.Process parameters optimization was performed using the SAS software, and the optimized parameters were experimentally validated. In general good results for the spray drying of sweet almond protein hydrolysate could be achieved with a vacuum dehydration ratio of 0.5－0.6, an inlet air temperature of approximately 200 ℃, and a feeding rate of f 270－320 mL/h.

Key words：sweet almond；protein hydrolysate；spray drying；antioxidant activity

大扁杏又称甜杏(Prunus sibirica var. suavosperma)，属蔷薇科杏属，是龙王帽、一窝蜂、白玉扁、北山大扁等品种的总称，是我国特有的经济树种[1]。近年来，仁用杏在我国的栽培面积得到迅速扩大[2]。扁杏仁中富含高品质油脂，油脂中不饱和脂肪酸含量达到95%以上[3]。近年来，考虑到高温压榨提取植物油脂会破坏蛋白功能特性，而溶剂萃取油脂具有溶剂残留的潜在风险，不少学者尝试采用水酶法进行植物油脂的提取，如菜籽油的水酶法提取[4]，大米胚芽油的提取[5]，以及花生油的水酶法提取[6]等。除了油脂以外，扁杏仁所含蛋白质比例最高，扁杏仁蛋白氨基酸组成与谷物氨基酸组成形成互补，是一种良好的蛋白质营养强化剂，清蛋白和球蛋白是杏仁蛋白的主要蛋白成分，含量分别为45.76%和40.32%，谷蛋白含量较少，几乎不含醇溶蛋白[7]。杏仁分离蛋白黏度低于大豆分离蛋白，发泡能力与大豆分离蛋白相当，吸油性比大豆蛋白强，乳化能力显著高于大豆分离蛋白，体外试验表明杏仁分离蛋白容易被胃蛋白酶水解[8]。水酶法在提取油脂的同时，酶将蛋白水解，水解蛋白具有区别于原蛋白的功能特性如乳化性、起泡性等物理性质，更重要的是水解蛋白有可能具有抗氧化及降血压等生理活性[9]。张君慧[10]研究了不同水解度大米蛋白酶解物对抗氧化活性的影响，表明一定水解度的大米蛋白酶解物具有还原能力、清除羟自由基及氧自由基的能力。

本课题组前期科研工作主要围绕水酶法制备扁杏仁油方面，在酶的种类选择，酶与底物的比例，提取过程环境因素对提取率及产品品质的影响等方面均做了一定研究，此部分工作已经申请国家发明专利[3]，在获得高品质扁杏仁油的同时，产生了大量具有潜在功能活性的水解蛋白液，为了方便贮藏及流通，需要对水解溶液进行干燥，干燥方法很多，其中喷雾干燥是一种较理想的技术，在水解蛋白的干燥研究方面，Trindade等[11]以大豆分离蛋白及明胶包埋酪蛋白酶解物，通过喷雾干燥工艺制备水解蛋白粉，一方面优化了干燥效率，同时显著地降低了水解蛋白的苦味。Louise等[12]研究了鸡肉水解蛋白的喷雾干燥工艺，探讨了工艺参数对干燥效果及产品抗氧化性的影响，干燥效果指标包括回收率、出口温度、热量利用率等，DPPH自由基清除率在38.7%～59.4%之间。目前关于扁杏水解蛋白方面的研究还少见报道，本实验采用喷雾干燥的方法对扁杏水解蛋白溶液进行脱水处理，同时探讨不同的工艺参数对干燥效果和水解蛋白抗氧化活性的影响，为开发具有抗氧化活性的保健产品提供依据，为扁杏仁水解蛋白的后续分级纯化及深入研究其活性机理奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

扁杏仁水解蛋白溶液(固形物含量5.268%，pH-stat方法测定其水解度为22%) 自制；氯化高铁(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司；铁氰化钾(分析纯) 中国上海试剂一厂；菲咯嗪、2-硫代巴比妥酸、2-脱氧核糖、二硫苏糖醇 美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

SP-1500喷雾干燥器 上海顺仪实验设备有限公司；E52旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂；721分光光度计 上海欣茂仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 扁杏仁水解蛋白溶液的制备

采用水酶法提取扁杏仁油[3]，将获得的水解液用0.5mol/L盐酸调整pH4.5，然后4000r/min离心10min收集上清液即为水解蛋白液，然后将水解蛋白溶液按照试验设计脱水比例进行减压浓缩(加热温度55℃，真空度0.095MPa)。

1.3.2 喷雾干燥工艺流程

将减压浓缩后的水解蛋白溶液预热至50℃，然后通过蠕动泵将溶液导入喷雾干燥器，进气压力0.3MPa，雾化频率60Hz，撞针间隔时间设置5s，采用响应面试验设计考察水解蛋白溶液减压浓缩脱水比例、进风温度及进料速度对喷雾干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影响，试验因素水平见表1。

表1 扁杏仁水解蛋白喷雾干燥响应面试验因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.3 产品回收率的计算

1.3.4 产品指标测定

水解蛋白粉还原力测定参考文献[13]的方法，水解蛋白的质量分数为0.25g/100mL，其他抗氧化活性测定均采用此质量分数；水解蛋白粉清除羟自由基能力的测定参考文献[14]的方法进行；水解蛋白粉对Fe2+螯合能力的测定参考文献[15]的方法进行。

1.3.5 数据分析方法

应用软件SAS 9.2对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 扁杏仁水解蛋白喷雾干燥工艺响应面试验

喷雾干燥影响粉体质量的工艺参数有：料液浓度、进料速度、雾化压力、进风温度、出口温度、进风量等[16]，这些因素都可能不同程度影响到干燥效果及产品的抗氧化活性，本实验采用的喷雾干燥机为试验型，有些参数不能调控，因此选取减压浓缩脱水比例、进风温度和进料速度作为试验因素，由前期预试验可知，如果水解蛋白溶液不经浓缩直接进料，或者进风温度过低，进料速度过快，产品的黏壁现象非常严重，在样品接收瓶中获得干燥产品非常少，因此，在预试验的基础上，设计如表1的因素水平表，采用响应面设计以优化喷雾干燥工艺参数，用一个二次多项式来表征参数与指标间的数学模型：

式中：Y为测定的响应值，b0、bi、bii、bij为回归模型中的参数项：Xi、Xj为不同变量的水平、e为试验误差。

利用SAS 9.2进行响应面分析，计算回归方程中各项系数，并进行显著性检验[17]。采用SAS系统设计试验方案并获得相关结果见表2。回归方程的参数估计见表3，响应面回归方程及方差分析分别见表4、5。

表2 响应面设计方案及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表5 回归方程的方差分析Table 5 Variance analyses of different regression equation

表3 回归方程参数估计表Table 3 Estimated parameters of the fitted regression models

表4 响应面回归方程及优化结果Table 4 Fitted regression equations and optimization results

2.2 喷雾干燥工艺对产品回收率影响

图1 水解蛋白回收率响应面图Fig.1 Response surface plots for the recovery rate of protein hydrolysate

各喷雾干燥产品的水分含量及成分组成差异并不显著(数据未列出)，因此不讨论水分含量及成分组成引起有效抗氧化成分浓度的区别。喷雾干燥工艺的产品回收率反映了干燥过程中产品的收集效率，从生产成本及经济效益角度来看，这是一个非常重要的指标。在喷雾干燥过程中，产品损失主要包括两方面，一是物料黏附在干燥容器及连接管路器壁，二是由于旋风分离器的分离效率有限导致部分小尺寸物料颗粒以废气的形式排出干燥系统。本研究主要收集接收瓶中产品，尽管可以刮取器壁上黏附的样品，但由于此部分产品受热时间相对较长，产品品质受到影响甚至有少数黏附产品出现焦糊情况，影响产品品质，因此把黏附在器壁上的样品作为干燥损失计。从图1的水解蛋白回收率响应曲线来看，脱水比例也即是反映了水解溶液浓缩倍数这一参数越高，回收率越大，当固定进料速度300mL/h，温度190～200℃时，脱水比例从0.4增加到0.6，产品的回收率可从50%左右增加至65%左右。因为浓缩倍数越高，水解液水分含量低，蛋白颗粒容易聚集成大的颗粒，表面积增加，颗粒表面光滑，所以传热效果较好，黏壁程度较小[11]。进风温度及进料速度对回收率的影响呈抛物线型，进风温度过低，热量供给较弱，脱水速率较慢，导致产品在干燥容器内部流动时由于颗粒表面水分含量高而黏性大，容易黏壁，随着温度升高，此现象减弱，但温度过高会导致产品热熔黏壁[18]。过低的进料速度使干燥容器内部干燥产品颗粒浓度较低，惯性力不足，导致黏壁或者被排出系统，而进料速度过快，导致水分蒸发不彻底，容易黏壁。由表3可获得表征回收率数学模型的各项系数，详见表4，从表5的方差分析可以看出，所得Y1的回归方程极显著，说明此回归模型很理想，用方程Y1拟合三个因素与回收率之间的关系是可行的，故可用该回归模型代替实验真实点对实验结果进行分析。同时，Y1回归方程中一次项只有脱水比例对回收率有极显著的影响，影响程度远超过进风温度及进料速度。通过SAS软件辅助进行岭嵴分析，得到回收率最大时的参数水平，并进行了验证，与预测值差异不显著，说明采用响应面法优化得到的喷雾干燥条件参数准确可靠，按照建立的模型进行预测回收率在实践中是可行的。

2.3 喷雾干燥工艺对产品还原力影响

图2 水解蛋白还原力响应面图Fig.2 Response surface plots for the reducing power of protein hydrolysate

由图2可知，进风温度越高，还原力有所增加，原因可能是高温下水解蛋白氨基与溶液中糖类分子的羰基发生了有限的美拉德反应，从而提高了还原能力[19]，是否有新物质生成需要进一步的深入探讨。而脱水比例和进料速度对还原力的影响则呈抛物线型。从表3～5可知，Y2的回归方程是显著的，用方程Y2拟合三个因素与还原力之间的关系是可行的，Y2回归方程中一次项中脱水比例和进风温度对还原力有显著的影响，进风温度与还原力正相关，而脱水比例则相反，可能是由于溶液浓度高，活性氨基酸被包裹在分子内部的量相对较多，影响到还原能力。还原力与进风温度的二次项正相关，与脱水比例与进料速度的交互作用负相关。通过SAS软件进行岭嵴分析，优化还原力指标，并进行了验证，如表4所示，还原力的最优值A700为0.387，与预测值差异不显著，但此值比9号试验所得水解蛋白产品还原力要低，可能是检测误差所致，总体而言按照建立的模型进行还原力的预测在实践中是可行的。

2.4 喷雾干燥工艺对产品羟自由基清除率影响

图3 水解蛋白羟自由基清除率响应面图Fig.3 Response surface plots for hydroxyl radical scavenging activity of protein hydrolysate

由图3可知，当固定进料速度300mL/h时，脱水比例越高，羟自由基清除率越高，进风温度越高羟自由基清除率越高，与进风温度对还原力的影响规律是类似的。当固定进风温度200℃时，脱水比例越高，羟自由基清除率越高，而进料速度对其的影响则呈抛物线型。当固定脱水比例0.5时，进料速度及进风温度对羟自由基清除率的影响呈抛物线型。从表3和表5可知，Y3的回归方程是显著的，Y3回归方程中一次项全部对羟自由基清除率有显著的影响。进风温度和进料速度的二次项以及进风温度与脱水比例和进风温度与进料速度的交互作用也对羟自由基清除率有显著的影响，这表明响应值的变化相当复杂，各个具体的试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，而是呈二次关系，且三因素之间有相互影响。通过SAS软件进行岭嵴分析，优化羟自由基清除率指标，并进行验证实验，结果见表4。验证实验结果与预测值差异不显著，说明按照建立的模型进行羟自由基清除率的预测在实践中同样是可行的。

2.5 喷雾干燥工艺对产品Fe2+螯合能力影响

图4 水解蛋白Fe2+螯合能力响应面图Fig.4 Response surface plots for Fe2+-chelating activity of protein hydrolysate

过渡金属铁、铜是许多自由基产生过程的催化剂，可介导脂质过氧化，Fe2+还是羟自由基等自由基产生的媒介物，螯合金属离子是重要的抗氧化活性之一。从图4的Fe2+螯合能力响应曲线来看，脱水比例、进料速度及进风温度对Fe2+螯合率的影响均呈抛物线型。经酶解后，因为水解蛋白中暴露出来的氨基酸能与铁离子等形成配位键而具有螯合金属离子的能力，干燥参数的改变可能影响了氨基酸的暴露程度从而造成其螯合金属能力的不同。从表3和表5可知，Y4的回归方程是显著的，回归方程中一次项除了进料速度以外均对Fe2+螯合率有显著的影响。进风温度与脱水比例的二次项对羟自由基清除率有显著的影响。通过SAS软件进行岭嵴分析，优化羟自由基清除率指标，进行验证实验，结果见表4。验证实验结果与预测值差异不显著。

评价天然抗氧化剂体外抗氧化能力的方法很多，本实验采用还原能力、羟自由基清除能力和金属离子螯合能力作为评价指标。扁杏仁水解蛋白粉具有较好的还原能力，明显的自由基清除效果，在水酶法提取油脂的过程中，蛋白酶将扁杏蛋白水解成肽段，将原先包埋于蛋白质分子高级结构内部的具有抗氧化活性的小分子肽和游离氨基酸暴露出来[10]，显示出抗氧化功能。

由表4可知，就回收率而言，脱水比例在0.6左右，进风温度198℃，进料速度276.5mL/h，回收率最高可超过66%，抗氧化活性中的Fe2+螯合率的最佳工艺参数与其类似，而还原力和羟自由基清除率方面，脱水比例要适当降低，温度同样在200℃左右较合适，且改善还原力需要较高的进风温度和进料速度。因此采用哪一种优化过的工艺参数，取决于对产品指标的要求，但总体而言，脱水比例在0.5～0.6之间，进风温度200℃左右，进料速度在270～320mL/h，可以获得较好的综合效果。

3 结论与展望

3.1 扁杏水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，且喷雾干燥工艺参数对其抗氧化活性具有较大影响。

3.2 分别获得了喷雾干燥过程中表征产品回收率和还原力、羟基自由基清除率及金属离子鳌合能力等抗氧化指标的数学模型，并对相应指标进行了优化，但各指标最优条件下的工艺参数并不一致，可能各指标间相互制约，有待于进一步研究。

3.3 产品回收率在最优条件下也仅达到66%左右，损失过多，如果单纯从优化产品本身得率而言，可以考虑加入少量糊精或其他助干剂。

3.4 在后续研究中，对于扁杏水解蛋白组成及其他功能特性将更进一步分析和探讨。

3.5 作为水酶法制备扁杏仁油的另一种主要产物，扁杏蛋白水解物作为天然抗氧化剂的开发资源，具有广阔的应用前景。

[1] 韩志萍. 大扁杏仁挥发油化学成分的气相色谱-质谱分析[J]. 安微农业科学, 2008, 36(23): 9831-9833.

[2] 宋日钦, 王建中. 苦杏仁开发利用的前景[J]. 食品科学, 2006, 27(1):68-70.

[3] 钱建华, 何余堂, 刘贺, 等. 一种从扁杏仁中提取油脂的生物学方法:中国, 200910220588[P]. 2010-06-16.

[4] ZHANG Shaobing, WANG Zhang, XU Shiying. Optimization of the aqueous enzymatic extraction of rapeseed oil and protein hydrolysates[J].Journal of The American Oil Chemists,Society, 2007, 84(1): 97-105.

[5] MOREAMN R A, DICKEY L C, JOHNSTON D B, et al. A process for the aqueous enzymatic extraction of corn oil from dry milled corn germ and enzymatic wet milled corn germ (E-germ)[J]. Journal of The American Oil Chemists,Society, 2009, 86(5): 469-474.

[6] JIANG Lihua, HUA Di, WANG Zhang, et al. Aqueous enzymatic extraction of peanut oil and protein hydrolysates[J]. Food and Bioproducts Processing, 2010, 88(2/3): 233-238.

[7] 李新华, 闫荣. 辽西大扁杏杏仁蛋白的组成及碱法提取工艺的研究[J]. 食品科技, 2009, 34(5): 132-135.

[8] SZE-TAO K W C, SATHE S K. Functional properties and in vitro digestibility of almond (Prunus dulcis L.) protein isolate[J]. Food Chemistry, 2000, 69(1): 153-160.

[9] DRYAKOVA A, PIHLANTO A, MARNILA P, et al. Antioxidant properties of whey protein hydrolysates as measured by three methods[J].European Food Research and Technology, 2010, 230(6): 865-874.

[10] 张君慧. 大米蛋白抗氧化肽的制备、分离纯化和结构鉴定[D]. 无锡: 江南大学, 2009.

[11] FAVARO-TRINDADE C S, SANTANA A S, MONTERREYQUINTERO E S, et al. The use of spray drying technology to reduce bitter taste of casein hydrolysate[J]. Food Hydrocolloids, 2010, 24(4):336-340.

[12] KUROZAWA L E, PARK K J, HUBINGERA M D. Spray drying of chicken meat protein hydrolysate: influence of process conditions on powder property and dryer performance[J]. Drying Technology 2011, 29(2): 163-173.

[13] LI Yanhong, JIANG Bo, ZHANG Tao, et al. Antioxidant and free radical-scavenging activities of chickpea protein hydrolysate (CPH)[J]. Food Chemistry, 2008, 106(2): 444-450.

[14] MENDIS E, RAJAPAKSE N, KIM S K. Antioxidant properties of a radical-scavenging peptide purified from enzymatically prepared fish skin gelatin hydrolysate[J]. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 2005,53(3): 581-587.

[15] 贾俊强, 马海乐, 曲文娟, 等. 超声预处理大米蛋白制备抗氧化肽[J].农业工程学报, 2008, 24(8): 288-295.

[16] 程燕锋, 杨公明, 王娟, 等. 喷雾干燥工艺对香蕉抗性淀粉保留率的影响[J]. 农业工程学报, 2008, 24(6): 282-286.

[17] 刘贺, 朱丹实, 徐学明, 等. 低酯桔皮果胶凝胶全质构参数及持水性响应面分析[J]. 食品科学, 2009, 30(3): 81-87.

[18] 苏东晓, 张名位, 侯方丽, 等. 速溶龙眼粉加工的酶解提取与喷雾干燥工艺优化[J]. 农业工程学报, 2009, 25(8): 268-274.

[19] 吴金鸿, 王璋, 许时婴. 采用大孔吸附树脂提纯乙醇分级的丝胶肽及其抗氧化活性的研究[J]. 食品工业科技, 2008, 29(1): 149-154.

Spray Drying and Antioxidant Activity of Sweet Almond Protein Hydrolysate

LIU He1,2，WANG Xue1，LI Jun1，GUO Xiao-fei1，ZHU Dan-shi1,2，HE Yu-tang1，QIAN Jian-hua1
(1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China；2. Liaoning Province Key Laboratory of Functional Food, Food Quality and Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

TS255.1

A

1002-6630(2012)16-0018-06

2011-06-27

科技部科技人员服务企业项目(2009GJB00034)；辽宁省教育厅高校重点实验室项目(2009S001)；

辽宁省教育厅高校一般项目(L2010008)

刘贺(1979—)，男，副教授，博士，研究方向为食品大分子的结构与功能及其修饰。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn