基于响应面分析法的小球藻藻粉喷雾干燥工艺优化

谢 明，王伟良，黄建科，李元广

（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237）

基于响应面分析法的小球藻藻粉喷雾干燥工艺优化

谢 明，王伟良，黄建科，李元广*

（华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237）

以小球藻藻粉得率为主要目标，选取进料浓度、进风温度和进料速度三个因素进行中心组合实验（Box－Benhnken），通过响应面分析法对小球藻藻粉干燥工艺进行优化研究。利用Design Expert软件，得到了小球藻粉最佳的喷雾干燥条件:进风温度200℃，进料浓度77.8g/L，进料速度100mL/h。在此工艺条件下，喷雾干燥所得的藻粉得率最高，其最大得率理论值为48.18%，与实测值47.20%基本一致。

小球藻，喷雾干燥，藻粉得率，响应面分析

藻粉是微藻系列产品加工的原料，最初是利用太阳能晒干，不仅严重影响其品质、达不到卫生标准要求，而且由于效率低无法保证连续生产［1］。随着干燥技术的发展，喷雾干燥技术逐步应用于微藻的干燥，不仅实现了藻粉的连续生产，而且可以根据物料的特性改变喷雾干燥条件，使产品符合质量指标要求［2］。在藻粉干燥方面，研究较多的是螺旋藻的干燥。董俊德［3］等对螺旋藻喷雾干燥条件进行了研究，分析了在干燥过程中可能出现的问题以及解决的办法。梁妍［4］对螺旋藻进行烘干、喷雾干燥、冷冻干燥及晒干干燥对照处理并测定了藻粉的营养成分。近年来人们对小球藻的化学成分进行了详细的分析，由于其富含蛋白质、氨基酸、脂类、碳水化合物、叶绿素、类胡萝卜素和多种维生素［5－8］，已被联合国粮农组织（FAO）列为21世纪人类的绿色营养源健康食品［9］。小球藻作为营养食品添加剂［2］与其它食品原料混合，一方面可以提高食品的营养价值，另一方面可以改善食品风味、脱臭、保水及防止食品老化［10］。响应面分析法（Response Surface Analysis）用来优化若干独立变量影响一个（或多个）响应变量的实验条件［11］，目前已广泛应用于各个领域。本文首次对小球藻喷雾干燥条件进行了系统的研究，并利用响应面分析法对小球藻喷雾干燥工艺进行了优化。选取进料浓度、进风温度和进料速度三个因素进行中心组合实验（Box－Benhnken），通过响应面分析法对小球藻藻粉喷雾干燥条件进行优化，确定最佳的喷雾干燥工艺，为小球藻粉干燥工艺的优化和放大奠定了良好的基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

小球藻（Chlorella sp.）藻液 为本实验室培养所得。

小型高速喷雾干燥仪 上海世远生物设备有限公司生产的SY6000型，最大蒸发能力1.8kg/h，鼓风机工作时空气流量约 70m3/h，工作压力维持在700Pa;中型高速喷雾干燥器 江苏常州市长江干燥设备厂生产的LPG－5型，最大蒸发能力为5kg/h。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 藻粉得率 计算公式为:

藻粉得率（%）=藻液喷雾干燥后获得的藻粉质量/藻液中实际含有的藻细胞干重×100% 式（1）

1.2.2 含水率测定 称取适量藻粉W1（g），在80℃烘箱里烘至恒重W2（g），藻粉含水率按下式计算:

1.2.3 蛋白质含量测定 采用凯氏定氮法［12］测定小球藻藻粉中粗蛋白质含量。

1.2.4 叶绿素含量测定 采用甲醇提取比色法［13］测定小球藻中叶绿素含量。

1.3 实验设计

1.3.1 单因素实验 喷雾干燥工艺的各种参数如进料浓度、进风温度和进料速度等直接影响藻粉得率，所以首先分析各个因素对藻粉得率的影响。

1.3.1.1 进料浓度 将待干燥的藻液分别配成浓度25、50、75、100g/L的料液，恒定进风温度180℃和进料速度200m L/h，出风温度保持在78～81℃，喷雾干燥后分别收集藻粉，按式（1）计算得率。

1.3.1.2 进风温度 选取120、150、175、200℃作为进风温度，恒定进料浓度50g/L和进料速度200m L/h，出风温度保持在78～81℃，喷雾干燥后分别收集藻粉，按式（1）计算得率。

1.3.1.3 进料速度 选取100、300、500、700m L/h作为进料速度，恒定进料浓度 50g/L和进风温度180℃，出风温度保持在78～81℃，喷雾干燥后分别收集藻粉按式（1）计算得率。

1.3.2 响应面实验 根据单因素实验结果，以进料浓度、进风温度、进料速度三个因素与藻粉得率进行响应面实验设计，优化小球藻藻粉的喷雾干燥工艺。通过Design Expert软件对实验数据进行回归分析，确定最优工艺参数采用Box－Behnken中心组合实验设计法。表1为三因素三水平实验设计方案。

表1 Box－Behnken实验设计Table 1 Experiment design of Box－Behnken

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 进料浓度对藻粉得率的影响 如图1所示，在进风温度及进料速度一定的情况下，进料浓度为75g/L时，藻粉得率最高，达到45%。这是因为在干燥过程中，进料浓度越大，单位时间内要被雾化器雾化为小液滴的物料就越多，因此即单位时间内，热风提供给物料的热量一定时，进料浓度越大，干燥效率就越低。但是如果进料浓度过低，粘附在筒壁上的物料所占比例就越大，造成藻粉得率偏低，同时还会造成喷雾干燥效率的降低。此外，随着进料浓度的增大，藻粉的含水率有增加的趋势，表明进料浓度过高会使得干燥效果变差，但是藻粉含水率都符合小于7%的标准（参考食用螺旋藻粉国家标准［14］）。

图1 进料浓度对小球藻粉得率及含水率的影响Fig.1 Influence of feed concentration on the yield of Chlorella powder and moisture

2.1.2 进风温度对藻粉得率的影响 在喷雾干燥过程中，料液经蠕动泵输送至雾化器雾化为微小的液滴，与高温干燥空气相接触，在很短的时间里完成热交换和水分蒸发，形成干燥颗粒。在进料速度、进料浓度等都一定的条件下，提高进风温度，单位时间内提供给雾滴的热量就增多。所以，理论上随着进风温度的升高，藻粉得率应该呈上升的趋势。如图2所示，在较低的温度下，例如120℃时，喷雾干燥过程中，大量的物料粘着在干燥腔壁，损失了大量的物料，并且所得的藻粉含水率较大，不利于保存;但是温度过高，将破坏藻体内的一些活性物质（叶绿素和蛋白质），所以应该选择合适的进风温度范围。

图2 进风温度对小球藻粉得率及含水率的影响Fig.2 Influence of inlet air temperature on the yield of Chlorella powder and moisture

2.1.3 进料速度对藻粉得率的影响 在喷雾干燥过程中，进料速度越大，即单位时间内要被雾化器雾化为小液滴的物料就越多，将料液干燥转化为粉粒时所需的热量就越多。因此，在进风温度和进料浓度一定的条件下，即单位时间内，热风提供给物料的热量一定时，进料速度越大，干燥效果就越差。由图3可知，随着进料速度的增大，藻粉得率逐渐降低，藻粉的含水量呈明显的递增趋势，表明干燥效果随着进料速度增大而下降。

图3 进料速度对小球藻粉得率及含水率的影响Fig.3 Influence of feed flow rate on the yield of Chlorella powder and misture

2.2 响应面分析实验

单因素实验只是在其它因素固定的条件下，研究一种因素对考察指标的影响，得出了较适宜的操作范围。在考虑进料浓度（A）、进风温度（B）和进料速度（C）3个因素对喷雾干燥制备藻粉得率的影响时，实验结果见表2。

表2 Box－Behnken实验设计结果Table 2 Experiment results of Box－Behnken design

利用Design Expert软件对表2中实验数据进行二次多项回归拟合，获得藻粉得率对进料浓度、进风温度以及进料速度的二次多项回归方程式，如下所示:

响应面分析中对实验结果进行拟和的二次模型方差分析见表3。F值为47.42，多元相关系数为R2为0.9884，说明模型对实际情况拟合较好;P为0.003表明该模型高度显著，可以用来进行响应值预测。二次模型中回归系数的显著性检验表明:因素A、C和A2对藻粉得率的线性效应高度显著（P＜0.001）; AC交互作用对藻粉得率的线性效应影响一般显著（P＜0.05）;因素B、B2、C2以及AB和BC交互影响不显著（P＞0.05）。

2.3 响应面优化

图4～图6是由多元回归方程式（3）所做的响应曲面图。由此可对任何两个因素交互影响下的藻粉得率进行分析与评价，以确定最佳因素水平范围。

表3 二次模型回归方程系数显著性检验Table 3 Coefficient estimates by the regression quadratic model

图4显示了进料速度在最佳值（100m L/h）条件下，进风温度和进料浓度对藻粉得率的交互影响。当进风温度一定时，随着进料浓度的增加，藻粉得率呈现上升趋势，但是当进料浓度超过约80.0g/L后，随着进料浓度的增加，藻粉得率反而降低。当进料浓度一定时，进风温度的增加对藻粉得率影响不明显，故进风温度和进料浓度对藻粉得率的交互影响不显著。

图4 进料浓度和进风温度对藻粉得率交互影响的响应面图Fig.4 Response surface graph ofmutual influence for feed concentration and inlet air temperature on the yield of Chlorella powder

图5显示了进风温度为最佳值（200℃）时，进料速度和进料浓度对藻粉得率的交互影响。当进料浓度一定时，随着进料速度的增加，藻粉得率呈现下降趋势。而当进料速度一定时，随着进料浓度的增加，藻粉得率先上升后下降，故进料速度和进料浓度对藻粉得率的交互影响显著。由图5可看出，进料浓度的最佳值是77.8g/L，进料速度最佳值是100m L/h。

图6显示了进料浓度在最佳值（77.8g/L）条件下，进料速度和进风温度对藻粉得率的交互影响。当进料速度一定时，随着进风温度的增加，藻粉得率上升不明显。而当进风温度一定时，随着进料速度的增加，藻粉得率呈现下降趋势，故进料速度和进风温度对藻粉得率的交互影响不显著。由图6可看出，进料速度最佳值是100m L/h。

由Design Expert软件得到15组（未列出）优化条件，确定最优喷雾干燥工艺为:进风温度200℃，进料浓度77.8g/L，进料速度100m L/h。理论藻粉得率为48.18%。

表5 喷雾干燥工艺初步放大Table 5 Scale－up of spray drying for Chlorella powder

图5 进料速度和进料浓度对藻粉得率交互影响的响应面图Fig.5 Response surface graph ofmutual influence for feed flow rate and feed concentration on the yield of Chlorella powder

图6 进料速度和进风温度对藻粉得率交互影响的响应面图Fig.6 Response surface graph ofmutual influence for feed flow rate and inlet air temperature on the yield of Chlorella powder

2.4 验证实验

按照优化后的喷雾干燥条件:进风温度200℃，进料浓度 77.8g/L（实际为 78.0g/L），进料速度100m L/h，进行了小球藻液的喷雾干燥验证实验，藻粉得率达到了47.20%，与理论值误差为2.0%左右，表明应用此工艺对小球藻进行喷雾干燥是可行的。

2.5 不同进风温度对藻粉品质的影响

由于喷雾干燥过程中进风温度会达到170℃以上，可能会对藻体内活性物质造成一些破坏。在进料速度和进料浓度确定在最佳值（进料浓度77.8g/L，进料速度100m L/h）条件下，选择不同进风温度干燥得到藻粉，检测其主要活性物质。如表4所示。

由表4可见，虽然经过喷雾干燥所得到的藻粉与湿藻体相比，叶绿素和蛋白质都有一定程度的损失，但是在170～200℃范围内，藻粉的品质基本不受进风温度的影响。

2.6 藻粉喷雾干燥工艺的初步放大

在工厂中型喷雾干燥器（蒸发能力5kg/h）中，对小球藻的喷雾干燥工艺进行了初步的放大，藻粉得率约为45.14%，基本符合实验室小试结果。由表5可见，喷雾干燥得到的藻粉含水率较高，干燥效果比实验室小型喷雾干燥仪差，在温度高于180℃时藻粉含水率 ＜7%，蛋白质和叶绿素的含量分别达到50.0%和20.0mg/g Dcw以上，品质完全符合藻粉质量要求。

表4 不同进风温度对藻粉品质的影响Table 4 Quality of Chlorella powder influenced by different inlet air temperatures

3 结论

本文首次对小球藻藻粉的喷雾干燥进行了较为系统的研究，并首次采用响应面法对小球藻粉的喷雾干燥工艺参数进行了优化，建立的藻粉得率与进料浓度、进风温度与进料速率三个因素的二次多项数学模型具有显著性（P=0.003），多元相关系数R2为0.9884。通过Design Expert软件分析得到在最佳进风温度200℃，最佳进料浓度77.8g/L及最佳进料速度 100m L/h的工艺条件下，理论藻粉得率为48.18%，与实测值47.20%基本一致。此外，对于喷雾干燥不同进风温度条件下的藻粉品质进行了检测，结果表明在进风温度170～200℃范围内，藻粉的品质基本不受影响。最后，对小球藻藻粉的喷雾干燥工艺进行了初步放大，藻粉蛋白质和叶绿素的含量分别达到50.0%和20.0mg/g Dcw以上，符合德国著名小球藻生产公司BlueBio的标准。此外，对应用本工艺制备的藻粉进行氨基酸组分分析，其中必需氨基酸/总氨基酸为0.4，非必需氨基酸/总氨基酸为0.64，达到世界卫生组织（WHO）和美国食品药品监督局（FAO）提出的必需氨基酸/总氨基酸应为0.4、非必需氨基酸/总氨基酸应在0.6以上的参考蛋白模式［15］，满足了作为优质蛋白食物或饲料的要求。

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Optim ization of spray drying process of Chlorella powder w ith response surface method

XIE M ing，WANG W ei－liang，HUANG Jian－ke，LIYuan－guang*
（The State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai200237，China）

For increasing the yield of Chlorella powder，the effect of feed concentration，inlet air tem perature and feed flow rate were investigated based on a three－level three－fac tor Box－Behnken design.The sp ray d rying conditions which influenced the yield of Chlorella powderwas op tim ized by response surfacemethod.Experimental data were analyzed by Design Expert software which ind icated that the op timum d rying parameters were as follows: the inlet air tem perature was 200℃，the feed concentration was 77.8g/L and the feed flow rate was 100m L/h.Under those cond itions，the p red ic ted value of Chlorella powder yield was 48.18%which was consistent w ith the measured value 47.20%.

Chlorella;sp ray d rying;Chlorella powder yield;response surface method

TS255.3

A

1002－0306（2012）06－0263－05

2011－06－20 *通讯联系人

谢明（1985－），男，硕士研究生，研究方向:生物化工。

“十一五”国家科技支撑项目（2006BAD09A12）;“十一五”863项目（2007AA09Z419）和（2007AA02Z209）。