喷雾干燥制备海参肠卵肽粉的工艺条件优化

潘芸芸，陈增鑫，于嘉慧，姜竹茂*，洪杏德，王恒，闫泽文

（1.烟台大学生命科学学院，山东 烟台 264000；2.蓬莱深奥生物科技研究所，山东 烟台 264000）

海参又名刺参，是我国“海产八珍”之一，蛋白质含量高，脂肪含量低[1-2]，同时含有海参皂苷、海参多糖等生物活性物质，在抗肿瘤、抗炎、降血压、增强人体免疫力方面具有一定的功效[3-4]。海参肠卵是海参内脏的重要组成部分，其蛋白质、脂肪酸等营养成分含量与海参体壁相似，并含有色素、微量元素、酶等多种活性成分[5-6]，具有较好的保健功能。目前，海参加工多以体壁为主，产品形式多偏向速食产品，如海参肽果冻、即食海参、海参肽口服液等[7-8]，海参肠卵的研究较少，现有产品种类较为单一，并多以酶解液形式销售，粉剂类产品不多，其保健功能深入研究较少，资源浪费严重，附加值低。

肽即氨基酸聚合物，蛋白质不完全分解的产物，是人体生命活动必需的物质[9]。通过酶解技术将海参肠卵中大分子蛋白降解成小分子肽，更利于人体吸收，营养价值更高。在前期的研究中，对海参肠卵酶解后蛋白分子量进行测定，发现海参肠卵经酶解后，分子量在0～1 000 Da蛋白水解物占64.7%[10]。海参肽本身具有腥味，感官体验差，添加乳酸菌进行发酵，可去除腥味，使产品富含乳酸菌。乳酸菌具有调节肠道、提高免疫力等功效[11-12]。喷雾干燥技术是利用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热空气干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法[13]。虽然热风的温度较高，但热风进入干燥室后可立即与喷雾雾滴接触，干燥室内温度急降，物料温度基本不变，带来的热效应少，故也适用于蛋白质、油脂等热敏性物质[14-15]，周建等[16]成功用实验型喷雾干燥机制备了色泽呈乳白色，水分含量为6.05%的胶原蛋白粉。曹少谦等[17]用喷雾干燥法制备了微胶囊化的鱼油微粉，微粉包埋率达92.66%，颗粒光滑，水溶性好，稳定性高。但是关于海参肠卵类产品的喷雾干燥技术尚未进行深入研究。

基于此，本研究以海参肠卵为基本原料，经过酶解、发酵过程得海参肠卵发酵液，选用麦芽糊精作为助干剂，利用喷雾干燥技术制备海参肠卵肽粉，研究麦芽糊精添加量、进风温度、蠕动泵转速对产品品质的影响，并在单因素试验的基础上进行响应面优化试验，得到海参肠卵肽粉制备的最佳工艺条件，为海参类产品的研究开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

海参肠卵：蓬莱深奥生物科技研究所；乳清蛋白粉（WPC80速溶型）：上海浦佳食品科技有限公司；麦芽糊精（DE值15～20）：保龄宝生物股份有限公司；木瓜蛋白酶（80万U/g）：南宁庞博生物工程有限公司；中性蛋白酶（15万U/g）：山东隆科特酶制剂有限公司；乳酸菌菌种：山东悠乐滋生物科技有限公司；白砂糖：市售。

1.2 仪器与设备

DNP-9082电热恒温培养箱：上海精宏实验设备有限公司；PA1004电子分析天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；EMS-30磁力搅拌水浴锅：常州市人和仪器厂；XHF-DY高速分散器：宁波新芝生物科技股份有限公司；YC-1800喷雾干燥机：上海雅程仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

在前期试验的基础上，确定了制备海参肠卵肽粉的工艺条件，具体工艺流程见图1。

图1 海参肠卵肽粉制备工艺流程Fig.1 Preparation process of sea cucumber intestine egg peptide powder

1.3.2 海参肠卵酶解液的制备

将海参肠卵从冰箱里取出，解冻，打碎，按质量比加9倍蒸馏水，混匀后，添加2%木瓜蛋白酶，1%中性蛋白酶，搅拌均匀，55℃酶解2 h，酶解完成后，过滤取上清液，得海参肠卵酶解液[18]。

1.3.3 海参肠卵发酵液的制备

在制备好的海参肠卵酶解液中，添加2%乳清蛋白，3%白砂糖，混合均匀，95℃水浴灭酶5 min～10 min，冷却至43℃左右，加0.3%乳酸菌，搅拌均匀，43℃发酵10 h，得海参肠卵发酵液。

1.3.4 样品的制备

将制备好的海参肠卵发酵液取出，加一定比例的麦芽糊精，高速离散机离散均匀，95℃水浴灭菌5 min～10 min后，喷雾干燥机进行干燥，得成品。

1.3.5 喷雾干燥单因素试验

对麦芽糊精添加量、进风温度、蠕动泵转速3个条件进行单因素试验。（1）麦芽糊精：在进风温度150℃，蠕动泵转速14 r/min的条件下，分别选择质量分数为0%、10%、20%、30%、40%的麦芽糊精进行喷雾干燥，测定集粉率及含水量。（2）进风温度：在麦芽糊精添加量20%，蠕动泵转速14 r/min的条件下，分别选择进风温度 130、140、150、160、170 ℃进行喷雾干燥，测定集粉率及含水量。（3）蠕动泵转速：在麦芽糊精添加量20%，进风温度150℃的条件下，分别选择蠕动泵转速10、12、14、16、18 r/min 进行喷雾干燥，测定集粉率及含水量。

1.3.6 响应面优化试验

在单因素试验的基础上，以麦芽糊精添加量、进风温度、蠕动泵转速为自变量，以集粉率、含水量为响应值，进行三因素三水平的响应面优化试验，响应面因素与水平设计见表1。

表1 响应面试验因素与水平设计Table 1 Response surface factors and level design

1.4 指标测定

1.4.1 集粉率

称量喷雾干燥后样品的质量，并计算海参肠卵发酵液固形物含量及麦芽糊精添加量，两者相除即得到集粉率[19]，具体公式如下。

式中：W为集粉率，%；M1为收集到的样品质量，g；M2为海参肠卵发酵液固形物含量，g；M3为添加的麦芽糊精质量，g。

1.4.2 含水量

参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》[20]，取2 g～3 g样品于烘干至恒重的称量瓶中，置于101℃干燥箱干燥4 h，取出在干燥室放置0.5 h，冷却称重，再101℃干燥0.5 h，取出冷却称重，直至恒重。计算公式如下。

式中：X 为含水量，%；m1为干燥前样品质量，g；m2为干燥后样品质量，g。

1.5 数据处理与统计分析

采用Design-Expert V8.0.6.1软件和Microsoft Excel 2013软件对试验数据进行统计学法分析。所有数据均进行3次平行取平均值，并采用anova过程进行方差分析，P＞0.05表示无显著性差异，P＜0.05表示差异显著，用Origin 2018软件进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 麦芽糊精添加量对海参肠卵肽粉品质的影响

麦芽糊精添加量对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响见图2。

图2 麦芽糊精添加量对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响Fig.2 Effect of maltodextrin addition on powder collection rate and water content of egg peptide from sea cucumber intestine

从图2可以看出海参肠卵肽粉集粉率随麦芽糊精添加量的增加呈现先升后降的趋势，麦芽糊精添加量为0%～20%时，集粉率逐渐增加至77.88%，原因在于在海参肠卵发酵液喷雾干燥时，麦芽糊精在其表面形成一层膜，减少粘壁现象，提高出粉率[21-22]。麦芽糊精添加量大于20%时，集粉率降低，原因在于麦芽糊精添加量过高时，样品黏度增加，雾化不完全，存在一定的挂壁现象，集粉率降低。含水量随麦芽糊精添加量的增加逐渐降低，添加量为40%时，含水量最低。说明麦芽糊精在干燥过程中起到很好的助干作用，同时，添加麦芽糊精可增加样品总固形物的含量，一定程度上减少了含水量[23]。综合考虑，确定麦芽糊精较适添加量为20%。

2.1.2 进风温度对海参肠卵肽粉品质的影响

进风温度对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响见图3。

进风温度可显著影响产品的品质及喷雾干燥效果。从图3可知，随进风温度的增加，海参肠卵肽粉集粉率先升后降，含水量逐渐降低。在130℃～150℃内，集粉率逐渐增加至71.27%，而后逐渐下降，原因在于进风温度较低时，含水量较高，干燥不完全，存在粘壁现象，集粉率较低，而进风温度较高时，样液可能从液滴状态转化为橡胶态，黏性状态会造成粘壁现象，同时可能会出现轻微焦化现象[24-25]，造成集粉率降低。进风温度为130、140℃时，含水量相差不大，但随着进风温度的增加，热传导速率加快，水分蒸发速率变快，含水量降低。综合考虑，确定较适合的进风温度为150℃。

2.1.3 蠕动泵转速对海参肠卵肽粉品质的影响

蠕动泵转速对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响见图4。

图4 蠕动泵转速对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响Fig.4 Effect of peristaltic pump on powder collection rate and water content of egg peptide from sea cucumber intestine

蠕动泵转速即样品的进样速度，可显著影响样品干燥的时间及干燥的品质。从图4可以看出，随蠕动泵转速的增加，集粉率先上升后下降，含水量逐渐增加。蠕动泵转速为12、14 r/min时，集粉率相差不大，但显著高于其它转速。蠕动泵转速为12 r/min时，集粉率最高为68.17%，而蠕动泵转速大于14 r/min时，集粉率下降显著。蠕动泵转速较低时，进样速度较慢，样品与热空气接触完全，雾滴较小，干燥较完全，不易粘壁，集粉率较高，含水量较低[26]。而蠕动泵转速较高时，进样速度快，样品受热不均匀，雾滴较大，干燥不充分，使集粉率降低，含水量升高[27]。综合考虑，确定较适合的蠕动泵转速为12 r/min。

2.2 响应面试验结果

在单因素试验的基础上，以集粉率、含水量为响应值，利用Design-Expert V8.0.6.1软件对麦芽糊精添加量、进风温度、蠕动泵转速3个因素进行优化，响应面设计方案与试验结果见表2。

表2 响应面设计方案与结果Table 2 Response surface design scheme and results

应用Design Expert V8.0.6.1软件对试验数据进行多元回归拟合，建立以集粉率（Y1）为响应值的三元二次方程为Y1=66.33-4.81A+1.8B+0.19C-2.46AB+0.84AC-3.23BC-5.39A2-7.97B2+2.5C2。由回归分析结果得到以含水量（Y2）为响应值的三元二次方程，方程如下：Y2=1.84-0.74A-0.53B+0.37C+0.13AB-0.16AC+0.17BC+0.27A2+0.45B2+0.16C2。

2.2.1 回归模型的建立与方差分析

集粉率回归模型方差分析见表3。

表3 集粉率回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression model of powder collection rate

由表3可知，模型差异极显著（P＜0.01），失拟项不显著（P＞0.05），R2=0.969 9，R2Adj=0.931 3，说明模型与实际情况拟合良好。由F值可知各因素对海参肠卵肽粉集粉率的影响程度为麦芽糊精添加量＞进风温度＞蠕动泵转速，A、A2、B2、BC 项影响极显著（P＜0.01），B、AB、C2影响显著（P＜0.05），剩余项对集粉率影响不显著。变异系数越小说明试验可靠性越高[28-29]，模型的变异系数为2.88%，说明模型的可信度好，可靠性高，故可用此回归方程预测海参肠卵肽粉的集粉率。

含水量回归模型方差分析见表4。

表4 含水量回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of water content regression model

由表4可知，模型差异极显著（P＜0.01），失拟项不显著（P＞0.05），R2=0.9913，R2Adj=0.980 2，说明模型与实际情况拟合良好。由F值可知各因素对海参肠卵肽粉含水量的影响程度为麦芽糊精添加量＞进风温度＞蠕动泵转速，一次项A、B、C影响极显著，交互项AC、BC影响显著，A2、B2影响极显著。模型的变异系数为1.80%，说明模型的可信度好，可靠性高，故可用此回归方程预测海参肠卵肽粉的含水量。

2.2.2 各因素交互作用响应面分析

根据各模型的方差分析结果，选出影响显著的交互项进行响应面分析，从各响应面分析图中可以更直观地看出各因素对海参肠卵肽粉集粉率及含水量的影响。具体结果见图5～图8。

图5 麦芽糊精添加量、进风温度交互作用对集粉率的影响Fig.5 Effect of interaction of maltodextrin content and air temperature on powder collection rate

图6 进风温度、蠕动泵转速交互作用对集粉率的影响Fig.6 Effect of interaction of air temperature and peristaltic pump speed on powder collection rate

图7 麦芽糊精添加量、蠕动泵转速交互作用对含水量的影响Fig.7 Effect of interaction of maltodextrin content and peristaltic pump speed on water content

图8 进风温度、蠕动泵转速交互作用对含水量的影响Fig.8 Effect of interaction of air temperature and peristaltic pump speed on water content

从图5可以看出，固定蠕动泵转速12 r/min，集粉率随进风温度和麦芽糊精添加量的增加呈现先升后降的趋势，与单因素试验结果一致。在麦芽糊精添加量19%～21%，进风温度145℃～155℃之间存在最高点。等高线密集且呈椭圆形，响应曲面坡度较大[30]，说明两者交互作用显著。

从图6可以看出，固定麦芽糊精添加量20%，集粉率随进风温度的升高呈现先升后降的趋势，随蠕动泵转速的增加而增加，其中蠕动泵转速为10、12 r/min时，集粉率相差不大。在高进风温度下，集粉率随蠕动泵转速的增加而减少，在低进风温度下，集粉率随蠕动泵转速的增加而增加，等高线密集，响应曲面较陡，说明两者交互作用显著。

从图7可以看出，固定进风温度150℃，含水量随麦芽糊精添加量的增加而降低，随蠕动泵转速的增加而升高，这一趋势与单因素试验结果一致，说明响应面图可信度较高。等高线呈椭圆形，响应曲面坡度明显，说明麦芽糊精添加量和蠕动泵转速交互作用对含水量影响显著。

从图8可以看出，固定麦芽糊精添加量20%，含水量随进风温度的升高而降低，随蠕动泵转速的增加而增加，趋势与单因素试验结果一致。其中，等高线密集且呈椭圆形，响应曲面坡度明显，说明两者交互作用显著。

2.3 最佳工艺条件的确定及验证试验

根据回归模型，利用Design-Expert V8.0.6.1软件进行回归方程分析，以集粉率最大，含水量最小为目标，预测的最佳条件为麦芽糊精添加量19.43%，进风温度154.96℃，蠕动泵转速10 r/min，集粉率预测值为69.89%，含水量预测值为1.46%。在实际验证试验中，设置麦芽糊精添加量20%，进风温度155℃，蠕动泵转速10 r/min，在此条件下平行进行3次试验，取平均值，最终得到集粉率为68.69%，含水量为1.52%，与预测值相近，说明优化结果可靠。

3 结论

本研究以海参肠卵发酵液为原料，添加麦芽糊精，利用喷雾干燥技术干燥成粉，研究麦芽糊精添加量、进风温度、蠕动泵转速对海参肠卵肽粉集粉率、含水量的影响。研究发现麦芽糊精添加量和进风温度可显著影响海参肠卵肽粉的集粉率，麦芽糊精添加量越多，进风温度越高，含水量越低，而蠕动泵转速对含水量有相反的影响，转速越快，含水量越高。在单因素试验的基础上，利用Box-Behnken中心组合方法优化喷雾干燥条件，得到了制备海参肠卵肽粉的最佳工艺条件：麦芽糊精添加量20%，进风温度155℃，蠕动泵转速10 r/min。在此条件下制备的海参肠卵肽粉，蛋白含量12.5 g/100 g，颜色淡黄，无腥味，粉质细腻，集粉率达68.69%，含水量为1.52%，与预测值接近，可为海参类产品的研究开发提供理论依据。