正交试验优化喷雾干燥法制备玛咖精粉工艺

张雯雯，郑 华，李 坤，张 弘,*，徐 涓，张 丽

正交试验优化喷雾干燥法制备玛咖精粉工艺

张雯雯1，郑 华1，李 坤1，张 弘1,*，徐 涓1，张 丽2

（1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650224；2.西南林业大学林学院，云南 昆明 650224）

以玛咖块根为原料，经过醇提、浓缩后采用喷雾干燥法制备玛咖精粉，对进料液固形物质量分数、进风温度和热风流速3 个因素进行单因素和正交试验分析，结果表明：进料液固形物质量分数5%、进风温度120 ℃和热风流速0.4 m3/min时制得的玛咖精粉质量最佳，此时玛咖精粉水分含量为21.2 mg/g（含水率2.12%），生物碱含量为15.87 mg/g，水溶性蛋白质含量为1.64 mg/g，VC含量为6.03 mg/g，总糖含量为554.50 mg/g。对优化条件下得到的玛咖精粉超微结构、吸湿性的实验研究表明，优化后的喷雾干燥工艺使得玛咖中的有效成分得以保留，所制备的玛咖精粉可作为玛咖深加工产品的优良原料。

玛咖；精粉；喷雾干燥

玛咖（Lepidium meyenii Walp.）属于十字花科独行菜属草本植物，原产于秘鲁[1]，近年来的研究发现，玛咖中含有丰富的蛋白质、矿物质、糖类、氨基酸等营养成分和生物碱、芥子油苷等功效成分，通过动物实验研究证明，玛咖具有抗氧化[2]、缓解机体疲劳[3-4]、减少前列腺增生[5]等作用。生物碱是玛咖中重要的次生代谢物质之一，包括酰胺类生物碱、咪唑类生物碱、β-咔啉生物碱等，生物碱具有镇痛、消炎、降压、抗菌等多种生理活性[6-7]，Cui Baoliang等[8]从玛咖根中分离出了两种咪唑生物碱，并称该生物碱能选择性对抗人类癌细胞的细胞毒素活性；β-咔啉生物碱有多种神经药理活性和抗肿瘤活性[9-10]，玛咖酰胺和玛咖烯等酰胺类生物碱被认为是玛咖中特有的活性成分[11]，所以生物碱在玛咖研究的早期就受到了极大的关注。

目前市场上出售的玛咖产品以新鲜玛咖和玛咖干片为主，商品附加值较低且难以服用。果蔬粉是目前一种良好的营养深加工产品，既拓宽了果蔬原料的应用范围，还可用作配料加工其他食品[12]，这为玛咖产品的加工提供了思路。喷雾干燥过程由于物料受热时间短、料液温度低，能较好地保留产品的营养成分与风味，便于包装、贮存和运输[13]，已经成为目前果蔬粉加工中最受欢迎的的干燥方式[12]，被广泛用于藕粉、红枣粉等的生产[14-15]，采用喷雾干燥工艺制取香蕉粉、蛋黄粉、番木瓜粉的研究也取得了一定的成果[16-18]。因此，本研究根据玛咖的物料特点，以玛咖干片的醇提浓缩液为原料，采用喷雾干燥法制备玛咖精粉，并以玛咖中功效成分生物碱含量来优化喷雾干燥条件，以期为生产高附加值的玛咖产品提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

干玛咖块根 中国林业科学院资源昆虫研究所。1.2 仪 器与设备

HR83水分测定仪、AB204-S电子天平 梅特勒-托利多（中国）有限公司；数显机械搅拌器 杭州仪表厂；N-1000V-W旋转蒸发仪、SD-1000喷雾干燥机 日本东京理化器械株式会社；DU-800紫外-可见分光光度计美国贝克曼库尔特有限公司；TM3000扫描电镜 日本株式会社日立高新技术那珂事业所；BPHJS-120B高低温湿热试验箱 上海齐欣科学仪器有限公司；DYQ-401B参茸中药切片机 瑞安市永历制药机械有限公司；BCD-208KB冰箱 青岛海尔股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

干玛咖块根→玛咖切片→70%乙醇溶液浸提→醇提浓缩液→调配→喷雾干燥→玛咖精粉

干玛咖块根切片，取定量的干玛咖片以体积分数70%乙醇溶液浸提，合并提取液后减压浓缩得待喷雾样品，控制喷雾干燥机进样流速为6.25 mL/min、出口温度不大于80 ℃，以进料液固形物质量分数、进风温度和热风流速3 个因素的变化来优化喷雾干燥玛咖精粉的工艺，找出最佳条件。

1.3.2 单因素试验

设定进风温度120 ℃、热风流速0.6 m3/min，将浓缩后的玛咖乙醇提取液分别配制成固形物质量分数为5%、10%、15%、25%、35%、45%的溶液来考察进料液固形物质量分数对玛咖精粉品质的影响；然后根据单因素试验的结果选定出较优的进料液固形物质量分数，设定热风流速为0.6 m3/min，考察进风温度分别为120、130、140、150、160 ℃对制备出的玛咖精粉的影响；固定前期单因素试验选定的较优进料液固形物质量分数和进风温度，设定热风流速分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m3/min，对制备出的玛咖精粉进行比较。结果以玛咖精粉中有效成分生物碱的含量为评价指标，结合喷雾干燥过程的难易程度进行单因素试验。

1.3.3 正交试验

在单因素试验的基础上，对进料液固形物质量分数、进风温度和热风流速3 个因素选取3 个水平进行考察，以玛咖精粉中生物碱的含量为评价指标，采用L9（34）正交试验表进行正交试验优化并对最佳条件下制得的玛咖精粉的几种成分进行了分析。因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels used for orthogonal array design

1.3.4 生物碱的测定

1.3.4.1 样品溶液的制备

取0.5 g玛咖精粉，用质量分数2%的HCl溶液溶解，10 000 r/min离心15 min。取酸溶液，用质量分数10% NaOH溶液调至pH 10，再用等体积氯仿萃取3 次，合并萃取液并定容至25 mL[19]。

1.3.4.2 盐酸小檗碱标准曲线

精密称取盐酸小檗碱5.0 mg作为对照品，溶于氯仿中并定容至25 mL，摇匀后得到200 μg/mL的对照品溶液，置于4 ℃冰箱冷藏备用。准确移取对照品溶液0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mL，加氯仿至1 mL，再加入pH 7.0的2.0×10-4mol/L溴麝香草酚蓝显色剂6.0 mL、氯仿5.0 mL后加塞振摇2 min，静置2 h后取氯仿层4.0 mL，在氯仿层中加入0.2 g无水硫酸钠，放置10 min，以未加盐酸小檗碱的实验样为空白对照，于最大吸收波长415 nm处测定吸光度。以盐酸小檗碱对照品质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，得到线性回归方程。

1.3.4.3 生物碱的测定

取1.3.4.1节中的溶液0.5 mL，加氯仿至1.0 mL，按照1.3.4.2节中的方法显色，于415nm波长处测定吸光度，将所得吸光度代入回归方程，求得玛咖精粉中总生物碱的含量。

1.3.5 总糖含量测定

采用蒽酮法测定[20]。

1.3.6 水溶性蛋白质含量测定

采用考马斯亮蓝法测定[21]。

1.3.7 玛咖精粉超微结构观察

采用扫描电镜观察。

1.3.8 玛咖精粉吸湿性的测定

参照中药提取物粉末吸湿特性参数的测定方法[22]。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

以盐酸小檗碱对照品质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，得到的线性回归方程为：y=0.002 5x-0.002 0，R2=0.999 0，线性关系良好。

2.2 单因素试验

2.2.1 进料液固形物质量分数

图1 进料液固形物质量分数对玛咖精粉生物碱含量的影响Fig.1 Effect of feed concentration on alkaloid content of maca powder

由图1可看出，随着进料液固形物质量分数的增加，生物碱含量呈现先上升后下降的趋势，且在进料液的固形物质量分数为10%时达到最大。喷雾干燥过程中可以看出，进料液固形物质量分数过高的时候，黏稠度大，制得的产品较容易黏壁，也容易阻塞进样管路，从而导致玛咖精粉受热时间长，造成有效成分的损失；但如果进料液固形物质量分数过低，蒸发的水量就会增加，能耗增大，效率降低。由本试验来看，当进料液固形物质量分数大于10%后，随着固形物质量分数的增大，生物碱的含量呈下降趋势，综合考虑，该单因素最终选定5%、10%和15%进行下一步的优化。

2.2.2 进风温度

图2 进风温度对玛咖精粉生物碱含量的影响Fig.2 Effect of air inlet temperature on alkaloid content of maca powder

由图2可看出，生物碱含量在进风温度110～140 ℃范围内整体呈上升趋势，140 ℃时生物碱含量达到最高值。进风温度适中可提高干燥效率，制得的玛咖精粉含水量 小。但如果进风口温度过 高则因样品受热导致生物碱等成分损失；而如果进风温度过低则干燥得到的玛咖精粉水分含量大，流动性不好，容易黏壁，且干燥效率低，成本高。综合考虑该单因素的试验结果及喷雾干燥的过程，140 ℃时生物碱的含量明显高出其他几个点，其余几个温度条件下的生物碱含量差异相对较小，所以优化试验中进风温度选取的范围相对较大，以120、140、160 ℃作为较优点进行优化。

2.2.3 热风流速

图3 热风流速对玛咖精粉生物碱含量的影响Fig.3 Effect of airflow rate on alkaloid content of maca powder

由图3可看出，玛咖精粉中生物碱的含量随热风流速的增大呈先上升后下降的趋势，生物碱含量在热风流速为0.5 m3/min时达最大值，分析主要是因为随着热风流速的增大，单位时间内供给的热量随之增大，在相同进样条件下，雾滴被蒸发的水分增多，干燥速率增大；但热风流速过大，导致样品受热，有效成分含量随之降低。综合生物碱含量随热风流速的变化趋势，选定0.4、0.5、0.6 m3/min进行优化。

2.3 正交优化试验

玛咖精粉的喷雾干燥工艺正交试验结果和极差分析结果如表2所示，优化条件下各产品的主要成分分析结果如表3所示。

表2 喷雾干燥玛咖精粉的正交试验结果Table 2 Results of the orthogonal array design for spray drying of maca fine powder

表3 产品主要营养成分分析Table 3 Nutritional composition of maca refine powder

由表2的极差分析结果看出，以生物碱含量作为喷雾干燥制备玛咖精粉的质量指标，可得出影响该工艺的主次因素为A＞B＞C，即进料液固形物质量分数＞进风温度＞热风流速，由结果可以看出，进料液固形物质量分数对喷雾干燥玛咖精粉的影响相对较大，在工业生产上进料液固形物质量分数较低会降低干燥效率、增大能耗，但表2的试验结果表明在低固形物质量分数条件下得到的玛咖精粉生物碱含量整体偏高。同时表3的数据显示，在不同的喷雾干燥条件下，玛咖精粉中水溶性蛋白的含量变化不大，但在A1B1C1工艺条件下制备的玛咖精粉中VC和总糖的含量明显高于其他优化试验组。所以，从优化后的玛咖精粉的各指标数据，最后选定A1B1C1为最佳组合，该条件下玛咖精粉得率为63.01%（以喷雾干燥前溶液中总固形物质量分数计），所得产品含水率为2.12%，生物碱含量为15.87 mg/g。

表4 玛咖精粉与玛咖粉特征成分含量Table 4 The contents of characteristic components in maca fine powder and maca powder, namely dried powdered maca without extraction

相关文献[19]报道用同样的检测方法得出玛咖干根中生物碱含量在2.224 1～4.407 8 mg/g之间，文献[23-24]用超声波提取玛咖中的生物碱，提取率达到5‰～6.9‰。本研究通过喷雾干燥制得的玛咖精粉与原料玛咖粉中特征成分的含量如表4所示，玛咖精粉中生物碱的含量为15.87 mg/g，相对于玛咖粉能够得到较大程度的富集。同时芥子油苷含量为2.15 mg/g，低于玛咖粉中芥子油苷的含量，甘瑾等[25]检测了新鲜玛咖、自然干燥玛咖以及真空干燥玛咖中芥子油苷的含量，结果发现自然干燥及真空干燥后玛咖中芥子油苷含量相对于新鲜玛咖均大幅降低，结合本研究芥子油苷含量的变化可见，干燥过程尤其是受热干燥会对玛咖中芥子油苷造成较大损失。此外，加工路线越长、步骤越多，芥子油苷的损失越严重。

余龙江等[26]报道玛咖干粉中总糖含量占19.86%，采用凯式定氮法测定的粗蛋白含量占8.87%。本研究是采用70%乙醇浸提玛咖片，总糖主要是还原性的葡萄糖、果糖等单糖和在测试条件下能分解为单糖的蔗糖，这些糖都易溶于水，果糖也易溶于乙醇，葡萄糖和蔗糖在乙醇中微溶，所以玛咖干粉中的总糖能较大程度的被提取出来，喷雾干燥条件优化后所得玛咖精粉中总糖含量为554.50 mg/g。文献报道玛咖干粉中粗蛋白含量较高，主要是氨基酸，不同氨基酸的水溶性差别很大，但大多数的蛋白质都不能溶于酒精溶液，所以得到的产品中蛋白质含量相对较低也是合理的，但玛咖精粉检测出的蛋白质的种类还有待进一步研究。

2.4 玛咖精粉扫描电镜观察

图4 喷雾干燥制备的玛咖精粉（A）和直接粉碎的玛咖粉（B）扫描电镜图Fig.4 Microphotographs of maca fine powder and maca powder

由图4可以看出，喷雾干燥得到的玛咖精粉基本成圆形或椭圆形，表面光滑，疏松多孔，因为玛咖精粉含糖量高且喷雾干燥过程中没有添加助剂，得到的玛咖精粉有少量的黏连，但可以看出粉体的粒径基本都在10 μm以下；直接粉碎的玛咖粉则呈不规则的形状，且粒径偏大，这为接下来考察两种粉体的吸湿性提供了依据。

2.5 玛咖精粉吸湿性

粉体都具有一定的吸湿性，如果贮存不当就容易吸湿结块，影响产品的质量。所以本实验对玛咖精粉的吸湿性进行了研究，并同玛咖干粉的吸湿性进行了比较。

图5 玛咖精粉和玛咖粉的吸湿速度（T=25 ℃, RH=75%）Fig.5 Moisture absorption rate of maca fine powder and maca powder

由图5可以看出，玛咖精粉的吸湿速度明显大于玛咖粉。在温度25 ℃、相对湿度75%条件下，玛咖干粉在112 h 接近吸湿平衡，172 h达到吸湿平衡，吸湿率在17%左右；而玛咖精粉则在172 h后才接近吸湿平衡，220 h达到吸湿平衡，且吸湿率达到30%，分析是因为玛咖精粉中总糖含量较高，糖都具有吸湿性，这就增大了玛咖精粉的吸湿量，且由扫描电镜的结果可以看出，玛咖精粉基本成圆球或者椭球形，粒径小、表面疏松多孔，其比表面积更大，这就增大了粉体与环境中水分子的有效接触面积，加大了粉体吸湿性。因此，图5的结果表明，玛咖精粉的吸湿性比玛咖粉大，在玛咖精粉的加工和使用过程中应控制环境的湿度和产品暴露的时间。

3 结 论

3.1 通过对进料液固形物质量分数、进风温度和热风流速3 个因素进行单因素和正交试验后，得出喷雾干燥制备玛咖精粉的最优条件组合为进料液固形物质量分数5%、进风温度120 ℃和热风流速0.4 m3/min，该条件下制得玛咖精粉中生物碱的含量为15.87 mg/g。

3.2 喷雾干燥条件优化后所得玛咖精粉中总糖含量为554.50 mg/g，水溶性蛋白含量为1.64 mg/g，VC含量为6.03 mg/g。喷雾干燥法制备的玛咖精粉能使有效成分得到较大程度的保留，但通过扫描电镜看出，玛咖精粉因为含糖量较高导致粉体部分黏连，今后可考虑在浓缩液中添加助剂进一步研究。

[1] 余龙江, 金文闻. 国际良种: 药食两用植物MACA[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2003: 1-2.

[2] SANDOVALA M, OKUHAMA N N, ANGELESA F M, et al. Antioxidant activity of the cruciferous vegetable maca (Lepidium meyenii)[J]. Food Chemistry, 2002, 79(2): 207-213.

[3] 高珊, 童英, 熊晓燕, 等. 玛咖与西洋参缓解体力疲劳作用对比试验研究[J]. 实验动物科学与管理, 2006, 23(4): 4-6.

[4] STONE M, IBARRA A, ROLLER M, et al. A pilot investigation into the effect of maca supplementation on physical activity and sexual desire in sportsmen[J]. Journal of Ethnopharmacology, 2009, 126(3): 574-576.

[5] GONZALES G F, MIRANDA S, NIETO J, et al. Red maca (Lepidium meyenii) reduced prostate size in rats[J]. Reproductive Biology and Endocrinology, 2005, 3(1): 5.

[6] 姚新生, 吴立军, 吴继洲, 等. 天然药物化学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2006: 352; 441-443.

[7] 杜广香. 玛咖生物碱的分离纯化及抗氧化活性研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2011: 4-6.

[8] CUI Baoliang, ZHENG Bolin, HE Kan, et al. Imidazole alkaloids from Lepidium meyenii[J]. Journal of Natural Product, 2003, 66(8): 1101-1103.

[9] 赵晖. 生药中的β-咔啉生物碱成分[J]. 国外医学: 中医中药分册, 2000, 22(3): 176-177.

[10] 杨冰. β-咔啉类生物碱的合成及其生物活性[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2011: 8-16.

[11] MCCOLLOM M M, VILLINSKI J R, MCPHAIL K L, et al. Analysis of macamides in samples of maca (Lepidium meyenii) by HPLC-UVMS/MS[J]. Phytochemical Analysis, 2005, 16(6): 463-469.

[12] 梁琼, 张培政. 果蔬粉的加工技术及开发价值[J]. 食品科技, 2006, 31(5): 33-35.

[13] MARIA-INES R. Formulating drug delivery systems by spray drying[J]. Drying Technology, 2006, 24(4): 433-446.

[14] 刘建学. 全藕粉喷雾干燥工艺试验研究[J]. 农业工程学报, 2006, 22(9): 229-231.

[15] 张军合, 刘俊红, 李晓芳. 喷雾干燥速溶天然无核枣粉的研制[J]. 食品研究与开发, 2009, 30(8): 54-59.

[16] 陈启聪, 黄惠华, 王娟, 等. 香蕉粉喷雾干燥工艺优化[J]. 农业工程学报, 2010, 26(8): 331-337.

[17] 刘静波, 马爽, 林松毅, 等. 速溶蛋黄粉喷雾干燥工艺优化及其特性[J].吉林大学学报: 工学版, 2012, 42(5): 1336-1342.

[18] 陈清香, 黄苇, 温升南, 等. 番木瓜粉喷雾干燥工艺研究[J]. 现代食品科技, 2009, 25(1): 54; 68-72.

[19] 甘瑾, 冯颖, 何钊, 等. 云南栽培3种颜色玛咖中总生物碱含量分析[J].食品科学, 2010, 31(24): 415-419.

[20] 袁道强, 黄建华. 生物化学试验和技术[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2006: 126-132.

[21] 大连轻工业学院. 食品分析[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2004: 286-289.

[22] 付小菊, 冯怡, 徐德生, 等. 中药提取物吸湿特性表征方法再研究[J].中成药, 2010, 32(12): 2075-2079.

[23] 杜广香, 浦跃武. 超声波提取玛咖生物碱的工艺研究[J]. 广东农业科学, 2011, 38(3): 74-76.

[24] 罗堾子, 张弘, 郑华, 等. 超声波微波协同提取玛咖总生物碱[J]. 食品工业科技, 2011, 32(12): 354-358.

[25] 甘瑾, 冯颖, 张弘, 等. 三种色型玛咖芥子油苷组分及含量分析[J].中国农业科学, 2012, 45(7): 1365-1371.

[26] 余龙江, 金文闻. 玛咖(Lepidium meyenii)干粉的营养成分及抗疲劳作用研究[J]. 食品科学, 2004, 25(1): 164- 166.

Optimization of Spray Drying Process for the Prep aration of Maca Fine Powder

ZHANG Wen-wen1, ZHENG Hua1, LI Kun1, ZHANG Hong1,*, XU Juan1, ZHANG Li2
(1. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China; 2. College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

The aim of this study was to develop a maca processing system and provide a reliable method for preparing raw materials for high-value maca products. For the preparation of maca fine powder, maca tubers were extracted with alcohol, and the extract was then concentrated by evaporating the ethanol before spray drying. Three operating parameters, viz., feed concentration, air inlet temperature and airflow rate were investigated. The best spray drying conditions were established by single-factor and orthogonal array design methods as feed concentr ation 5%, air inlet temperature 120 ℃ and airflow rate 0.4 m3/min. Under the optimized conditions, the contents of moisture, alkaloid, protein, vitamin C and total sugar of maca fine powder were 2.12%, 15.87 mg/g, 1.64 mg/g, 6.03 mg/g and 554.50 mg/g, respectively. The ultrastructure and hygroscopic properties of the maca fine powder showed that the active components of maca were preserved by the optimized spry-drying process and the final product could be used as an excellent raw materialfor the development of maca products.

maca; fine powder; spray drying

TS218

A

1002-6630（2014）16-0034-05

10.7506/spkx1002-6630-201416007

2014-04-09

国家林业公益性行业科研专项（201004028）

张雯雯（1985—），女，助理研究员，硕士，研究方向为林产化学与加工。E-mail：zhangwenwen1105@163.com

*通信作者：张弘（1963—），男，研究员，博士，研究方向为林业生物资源化学与工程。E-mail：kmzhhong@163.com