γ-氨基丁酸发酵液喷雾干燥条件优化的研究

刘元，王玥玮，张立娟

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric，GABA）是广泛分布于动植物中的一种氨基酸，由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化转化而来，是存在于哺乳动物脑、脊髓中的抑制性神经传递物质[1]。除脑和脊髓外，已在多种哺乳动物的近30 种外周组织中发现GABA 的存在，其中大多数组织GABA 的浓度仅是脑的1%[2-3]。已有研究表明，GABA 具有降血压、抗惊厥、镇痛、改善脑机能、精神安定、促进长期记忆、促进生长激素分泌、肾功能活化、肝功能活化等作用[4]。

在我国，目前米糠的开发利用还不充分，稻谷加工的副产品米胚芽营养全面，但其分离难度较高，所以许多米厂未作分离而留在米糠中作饲料用。黄美娥等从蕨菜叶、茎中分离提取GABA，测得其中分别含0.319%和0.141%的GABA。陈颖等则开发出GABA产量达到9.22 g/kg 的米糠。GABA 的技术研究、保健功能研究及应用研究在我国已引起重视[5]。

本课题组在前期试验中以新鲜米糠为原料，加入乳酸菌进行发酵生产米糠γ-氨基丁酸，对发酵条件进行研究。通过单因素及正交试验优化发酵条件，结果表明在乳酸菌添加量3%、发酵温度48 ℃、嗜热链球菌S1∶保加利亚乳杆菌L1=1∶2、发酵时间24 h 条件下，γ-氨基丁酸含量为320.61 mg/100 g。

在此研究基础上将发酵液进行离心、过滤、浓缩，得到米糠GABA 富集液，喷雾干燥得到GABA 粉。GABA 粉可以作为食品添加剂研制开发富含GABA 的保健食品。

富含GABA 食品的开发始于1986年，当时日本农林水产省茶叶试验场首先开发成功了富含GABA的茶，并制成商品销售[6]。研究人员从生产奶酪的菌株中分离的高产GABA 的菌株（Lactococcus Lactis 01-7），可使奶酪制品中 GABA 的含量达到 383 mg/kg[7]。目前，在我国研究开发富含GABA 的保健食品具有广阔的市场前景

1 材料和方法

1.1 材料

GABA 发酵液：天津市食品研究所有限公司食品研发实验室自制。

1.2 仪器和设备

TG18G-II 高速离心机：湖南凯达科学仪器有限公司；RE-1002 旋转蒸发仪：天津科诺仪器设备有限公司；JT-6000Y 喷雾干燥机：杭州聚同电子有限公司。

1.3 方法

1.3.1 单因素试验

考察不同的喷雾压力、进料速度和进风温度对GABA 粉溶解度的影响，并确定出各因素的最佳水平。

1.3.1.1 喷雾压力的确定

在进料速度0.8 L/min，进风温度145 ℃的条件下，设定喷雾压力分别为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 MPa，测定GABA 粉的溶解时间，选取最佳喷雾压力。

1.3.1.2 进料速度的确定

在喷雾压力0.8 MPa，进风温度145 ℃的条件下，设定进料速度分别为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 L/min，测定GABA 粉的溶解时间，选取最佳进料速度。

1.3.1.3 乳酸菌添加量的确定

在喷雾压力0.8 MPa，进料速度0.8 L/min 的条件下，设定进风温度分别为 100、115、130、145、160、175 ℃，测定GABA 粉的溶解时间，选取最佳进风温度。

1.3.2 正交试验

GABA 喷雾干燥条件正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

根据单因素实验的结果，采用三因素三水平正交试验对喷雾压力、进料速度和进风温度3 个因素进行优化，以GABA 粉溶解时间为最终评价指标，确定喷雾干燥的最优条件。

2 结果与分析

2.1 喷雾压力对GABA粉溶解时间的影响

喷雾压力对GABA 粉溶解时间的影响见图1。

图1 喷雾压力对GABA 粉溶解时间的影响Fig.1 Effect of spray pressure on dissolution time of GABA powder

由图1 可知，溶解时间在0.8 MPa 时为最低值，这可能是由于当压力低于0.4 MPa 时，料液经雾化后所得液滴颗粒过大，且不均匀，干燥效果较差，不易被溶解。随着压力的提升，液体颗粒被雾化的效果逐渐提升，并在压力达到0.8 MPa 时，获得的GABA 粉颗粒分散性最好，颗粒易于溶解。当压力大于0.8 MPa 后，冲调时间呈现逐渐上升的趋势，这是因为随着压力的提升，雾化所得雾滴颗粒粒径进一步减小，致使干燥后所得粉质颗粒过小，从而降低了粉料的分散性及冲调性[8]。所以当喷雾压力为0.8 MPa 时，GABA 粉的冲调性能最佳，溶解时间为46 s。

2.2 进料速度对GABA粉溶解时间的影响

进料速度对GABA 粉溶解时间的影响见图2。

图2 进料速度对GABA 粉溶解时间的影响Fig.2 Effect of feed rate on dissolution time of GABA powder

由图2 可知，当进料速度低于0.6 L/min 时，所得物料的溶解时间长，这是因为物料流量太低导致单位面积的物料受热过度，物料干燥较彻底，从而分散性和冲调性下降，另外部分GABA 粉易焦化。当进料速度高于1 L/min 时，物料不易被干燥，容易结块，从而溶解时间也变长。由此可见，在一定喷雾压力和进风温度条件下，最适进料速度为0.8 L/min，此时GABA粉的溶解时间为48 s。

2.3 进风温度对GABA粉溶解时间的影响

进风温度对GABA 粉溶解时间的影响见图3。

图3 进风温度对GABA 粉溶解时间的影响Fig.3 Effect of inlet air temperature on dissolution time of GABA powder

由图3 可知，随着进风温度的提高，粉质溶解时间呈先下降后上升的趋势，进风温度对粉质的冲调性影响显著。进风温度低于115 ℃时，所得粉质易黏结，旋风分离器内壁黏挂物料严重；当温度大于115 ℃，粉质干燥效果较好；当进风温度达到180 ℃时，物料颜色发黄，表明已有部分焦化现象发生。在试验所设的其他参数一定的条件下，当进风温度为130 ℃时，干燥所得颗粒具有较好的分散性及冲调性，溶解时间为49 s。

2.4 正交试验

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果Table 2 Result of experiment

由表2 可知：3 个因素对GABA 粉溶解时间影响的重要程度依次为：进风温度＞喷雾压力＞进料速度。通过对比可以分别得到各因素最佳水平为：A2B3C3，即各因素最佳水平为：喷雾压力0.8 MPa、进料速度0.9 L/min、进风温度140 ℃，重复做3 次验证试验，溶解时间为40 s。经测定喷雾干燥后GABA 粉中GABA 的含量为28.71 mg/g。方差分析结果见表3。

表3 方差分析结果Table 3 Result of variance analysis

由表3 的方差分析结果可知：3 个因素均对溶解时间无显著性影响。

3 结论

本试验以米糠为原料为原料，利用发酵生产GABA，发酵液通过过滤、浓缩、喷雾干燥制备GABA 粉。通过单因素及正交试验确定了最佳喷雾干燥工艺工艺，即喷雾压力0.8 MPa、进料速度0.9 L/min、进风温度140 ℃，溶解时间为40 s。经测定喷雾干燥后GABA 粉中GABA 的含量为28.71 mg/g。该产品可作为食品添加剂进行应用，为制备富含GABA 的保健食品提供了研究基础。