劉 賀，王 雪，李 君，郭曉飛，朱丹實，何余堂，錢建華

(1.渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省高校食品質量安全與功能性食品研究重點實驗室，遼寧 錦州 121013)

扁杏仁水解蛋白的噴霧干燥及其抗氧化活性

劉 賀1,2，王 雪1，李 君1，郭曉飛1，朱丹實1,2，何余堂1，錢建華1

(1.渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省高校食品質量安全與功能性食品研究重點實驗室，遼寧 錦州 121013)

通過響應面設計方法探討減壓濃縮脫水比例、進風溫度和進料速度等噴霧干燥工藝參數(shù)對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響，獲得表征相關指標的數(shù)學模型，在實踐過程中可以對相關指標進行預測。扁杏仁水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，但受到噴霧干燥工藝參數(shù)的影響，通過SAS統(tǒng)計分析軟件對相關指標進行優(yōu)化，并進行驗證實驗，總體而言，脫水比例在0.5～0.6之間，進風溫度200℃左右，進料速度在270～320mL/h，可以獲得較好的綜合效果。

扁杏仁；水解蛋白；噴霧干燥；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

大扁杏又稱甜杏(Prunus sibirica var. suavosperma)，屬薔薇科杏屬，是龍王帽、一窩蜂、白玉扁、北山大扁等品種的總稱，是我國特有的經濟樹種[1]。近年來，仁用杏在我國的栽培面積得到迅速擴大[2]。扁杏仁中富含高品質油脂，油脂中不飽和脂肪酸含量達到95%以上[3]。近年來，考慮到高溫壓榨提取植物油脂會破壞蛋白功能特性，而溶劑萃取油脂具有溶劑殘留的潛在風險，不少學者嘗試采用水酶法進行植物油脂的提取，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，扁杏仁所含蛋白質比例最高，扁杏仁蛋白氨基酸組成與谷物氨基酸組成形成互補，是一種良好的蛋白質營養(yǎng)強化劑，清蛋白和球蛋白是杏仁蛋白的主要蛋白成分，含量分別為45.76%和40.32%，谷蛋白含量較少，幾乎不含醇溶蛋白[7]。杏仁分離蛋白黏度低于大豆分離蛋白，發(fā)泡能力與大豆分離蛋白相當，吸油性比大豆蛋白強，乳化能力顯著高于大豆分離蛋白，體外試驗表明杏仁分離蛋白容易被胃蛋白酶水解[8]。水酶法在提取油脂的同時，酶將蛋白水解，水解蛋白具有區(qū)別于原蛋白的功能特性如乳化性、起泡性等物理性質，更重要的是水解蛋白有可能具有抗氧化及降血壓等生理活性[9]。張君慧[10]研究了不同水解度大米蛋白酶解物對抗氧化活性的影響，表明一定水解度的大米蛋白酶解物具有還原能力、清除羥自由基及氧自由基的能力。

本課題組前期科研工作主要圍繞水酶法制備扁杏仁油方面，在酶的種類選擇，酶與底物的比例，提取過程環(huán)境因素對提取率及產品品質的影響等方面均做了一定研究，此部分工作已經申請國家發(fā)明專利[3]，在獲得高品質扁杏仁油的同時，產生了大量具有潛在功能活性的水解蛋白液，為了方便貯藏及流通，需要對水解溶液進行干燥，干燥方法很多，其中噴霧干燥是一種較理想的技術，在水解蛋白的干燥研究方面，Trindade等[11]以大豆分離蛋白及明膠包埋酪蛋白酶解物，通過噴霧干燥工藝制備水解蛋白粉，一方面優(yōu)化了干燥效率，同時顯著地降低了水解蛋白的苦味。Louise等[12]研究了雞肉水解蛋白的噴霧干燥工藝，探討了工藝參數(shù)對干燥效果及產品抗氧化性的影響，干燥效果指標包括回收率、出口溫度、熱量利用率等，DPPH自由基清除率在38.7%～59.4%之間。目前關于扁杏水解蛋白方面的研究還少見報道，本實驗采用噴霧干燥的方法對扁杏水解蛋白溶液進行脫水處理，同時探討不同的工藝參數(shù)對干燥效果和水解蛋白抗氧化活性的影響，為開發(fā)具有抗氧化活性的保健產品提供依據(jù)，為扁杏仁水解蛋白的后續(xù)分級純化及深入研究其活性機理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

扁杏仁水解蛋白溶液(固形物含量5.268%，pH-stat方法測定其水解度為22%) 自制；氯化高鐵(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司；鐵氰化鉀(分析純) 中國上海試劑一廠；菲咯嗪、2-硫代巴比妥酸、2-脫氧核糖、二硫蘇糖醇 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

SP-1500噴霧干燥器 上海順儀實驗設備有限公司；E52旋轉蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；721分光光度計 上海欣茂儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 扁杏仁水解蛋白溶液的制備

采用水酶法提取扁杏仁油[3]，將獲得的水解液用0.5mol/L鹽酸調整pH4.5，然后4000r/min離心10min收集上清液即為水解蛋白液，然后將水解蛋白溶液按照試驗設計脫水比例進行減壓濃縮(加熱溫度55℃，真空度0.095MPa)。

1.3.2 噴霧干燥工藝流程

將減壓濃縮后的水解蛋白溶液預熱至50℃，然后通過蠕動泵將溶液導入噴霧干燥器，進氣壓力0.3MPa，霧化頻率60Hz，撞針間隔時間設置5s，采用響應面試驗設計考察水解蛋白溶液減壓濃縮脫水比例、進風溫度及進料速度對噴霧干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影響，試驗因素水平見表1。

表1 扁杏仁水解蛋白噴霧干燥響應面試驗因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.3 產品回收率的計算

1.3.4 產品指標測定

水解蛋白粉還原力測定參考文獻[13]的方法，水解蛋白的質量分數(shù)為0.25g/100mL，其他抗氧化活性測定均采用此質量分數(shù)；水解蛋白粉清除羥自由基能力的測定參考文獻[14]的方法進行；水解蛋白粉對Fe2+螯合能力的測定參考文獻[15]的方法進行。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析方法

應用軟件SAS 9.2對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 扁杏仁水解蛋白噴霧干燥工藝響應面試驗

噴霧干燥影響粉體質量的工藝參數(shù)有：料液濃度、進料速度、霧化壓力、進風溫度、出口溫度、進風量等[16]，這些因素都可能不同程度影響到干燥效果及產品的抗氧化活性，本實驗采用的噴霧干燥機為試驗型，有些參數(shù)不能調控，因此選取減壓濃縮脫水比例、進風溫度和進料速度作為試驗因素，由前期預試驗可知，如果水解蛋白溶液不經濃縮直接進料，或者進風溫度過低，進料速度過快，產品的黏壁現(xiàn)象非常嚴重，在樣品接收瓶中獲得干燥產品非常少，因此，在預試驗的基礎上，設計如表1的因素水平表，采用響應面設計以優(yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)，用一個二次多項式來表征參數(shù)與指標間的數(shù)學模型：

式中：Y為測定的響應值，b0、bi、bii、bij為回歸模型中的參數(shù)項：Xi、Xj為不同變量的水平、e為試驗誤差。

利用SAS 9.2進行響應面分析，計算回歸方程中各項系數(shù)，并進行顯著性檢驗[17]。采用SAS系統(tǒng)設計試驗方案并獲得相關結果見表2?；貧w方程的參數(shù)估計見表3，響應面回歸方程及方差分析分別見表4、5。

表2 響應面設計方案及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表5 回歸方程的方差分析Table 5 Variance analyses of different regression equation

表3 回歸方程參數(shù)估計表Table 3 Estimated parameters of the fitted regression models

表4 響應面回歸方程及優(yōu)化結果Table 4 Fitted regression equations and optimization results

2.2 噴霧干燥工藝對產品回收率影響

圖1 水解蛋白回收率響應面圖Fig.1 Response surface plots for the recovery rate of protein hydrolysate

各噴霧干燥產品的水分含量及成分組成差異并不顯著(數(shù)據(jù)未列出)，因此不討論水分含量及成分組成引起有效抗氧化成分濃度的區(qū)別。噴霧干燥工藝的產品回收率反映了干燥過程中產品的收集效率，從生產成本及經濟效益角度來看，這是一個非常重要的指標。在噴霧干燥過程中，產品損失主要包括兩方面，一是物料黏附在干燥容器及連接管路器壁，二是由于旋風分離器的分離效率有限導致部分小尺寸物料顆粒以廢氣的形式排出干燥系統(tǒng)。本研究主要收集接收瓶中產品，盡管可以刮取器壁上黏附的樣品，但由于此部分產品受熱時間相對較長，產品品質受到影響甚至有少數(shù)黏附產品出現(xiàn)焦糊情況，影響產品品質，因此把黏附在器壁上的樣品作為干燥損失計。從圖1的水解蛋白回收率響應曲線來看，脫水比例也即是反映了水解溶液濃縮倍數(shù)這一參數(shù)越高，回收率越大，當固定進料速度300mL/h，溫度190～200℃時，脫水比例從0.4增加到0.6，產品的回收率可從50%左右增加至65%左右。因為濃縮倍數(shù)越高，水解液水分含量低，蛋白顆粒容易聚集成大的顆粒，表面積增加，顆粒表面光滑，所以傳熱效果較好，黏壁程度較小[11]。進風溫度及進料速度對回收率的影響呈拋物線型，進風溫度過低，熱量供給較弱，脫水速率較慢，導致產品在干燥容器內部流動時由于顆粒表面水分含量高而黏性大，容易黏壁，隨著溫度升高，此現(xiàn)象減弱，但溫度過高會導致產品熱熔黏壁[18]。過低的進料速度使干燥容器內部干燥產品顆粒濃度較低，慣性力不足，導致黏壁或者被排出系統(tǒng)，而進料速度過快，導致水分蒸發(fā)不徹底，容易黏壁。由表3可獲得表征回收率數(shù)學模型的各項系數(shù)，詳見表4，從表5的方差分析可以看出，所得Y1的回歸方程極顯著，說明此回歸模型很理想，用方程Y1擬合三個因素與回收率之間的關系是可行的，故可用該回歸模型代替實驗真實點對實驗結果進行分析。同時，Y1回歸方程中一次項只有脫水比例對回收率有極顯著的影響，影響程度遠超過進風溫度及進料速度。通過SAS軟件輔助進行嶺嵴分析，得到回收率最大時的參數(shù)水平，并進行了驗證，與預測值差異不顯著，說明采用響應面法優(yōu)化得到的噴霧干燥條件參數(shù)準確可靠，按照建立的模型進行預測回收率在實踐中是可行的。

2.3 噴霧干燥工藝對產品還原力影響

圖2 水解蛋白還原力響應面圖Fig.2 Response surface plots for the reducing power of protein hydrolysate

由圖2可知，進風溫度越高，還原力有所增加，原因可能是高溫下水解蛋白氨基與溶液中糖類分子的羰基發(fā)生了有限的美拉德反應，從而提高了還原能力[19]，是否有新物質生成需要進一步的深入探討。而脫水比例和進料速度對還原力的影響則呈拋物線型。從表3～5可知，Y2的回歸方程是顯著的，用方程Y2擬合三個因素與還原力之間的關系是可行的，Y2回歸方程中一次項中脫水比例和進風溫度對還原力有顯著的影響，進風溫度與還原力正相關，而脫水比例則相反，可能是由于溶液濃度高，活性氨基酸被包裹在分子內部的量相對較多，影響到還原能力。還原力與進風溫度的二次項正相關，與脫水比例與進料速度的交互作用負相關。通過SAS軟件進行嶺嵴分析，優(yōu)化還原力指標，并進行了驗證，如表4所示，還原力的最優(yōu)值A700為0.387，與預測值差異不顯著，但此值比9號試驗所得水解蛋白產品還原力要低，可能是檢測誤差所致，總體而言按照建立的模型進行還原力的預測在實踐中是可行的。

2.4 噴霧干燥工藝對產品羥自由基清除率影響

圖3 水解蛋白羥自由基清除率響應面圖Fig.3 Response surface plots for hydroxyl radical scavenging activity of protein hydrolysate

由圖3可知，當固定進料速度300mL/h時，脫水比例越高，羥自由基清除率越高，進風溫度越高羥自由基清除率越高，與進風溫度對還原力的影響規(guī)律是類似的。當固定進風溫度200℃時，脫水比例越高，羥自由基清除率越高，而進料速度對其的影響則呈拋物線型。當固定脫水比例0.5時，進料速度及進風溫度對羥自由基清除率的影響呈拋物線型。從表3和表5可知，Y3的回歸方程是顯著的，Y3回歸方程中一次項全部對羥自由基清除率有顯著的影響。進風溫度和進料速度的二次項以及進風溫度與脫水比例和進風溫度與進料速度的交互作用也對羥自由基清除率有顯著的影響，這表明響應值的變化相當復雜，各個具體的試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，而是呈二次關系，且三因素之間有相互影響。通過SAS軟件進行嶺嵴分析，優(yōu)化羥自由基清除率指標，并進行驗證實驗，結果見表4。驗證實驗結果與預測值差異不顯著，說明按照建立的模型進行羥自由基清除率的預測在實踐中同樣是可行的。

2.5 噴霧干燥工藝對產品Fe2+螯合能力影響

圖4 水解蛋白Fe2+螯合能力響應面圖Fig.4 Response surface plots for Fe2+-chelating activity of protein hydrolysate

過渡金屬鐵、銅是許多自由基產生過程的催化劑，可介導脂質過氧化，F(xiàn)e2+還是羥自由基等自由基產生的媒介物，螯合金屬離子是重要的抗氧化活性之一。從圖4的Fe2+螯合能力響應曲線來看，脫水比例、進料速度及進風溫度對Fe2+螯合率的影響均呈拋物線型。經酶解后，因為水解蛋白中暴露出來的氨基酸能與鐵離子等形成配位鍵而具有螯合金屬離子的能力，干燥參數(shù)的改變可能影響了氨基酸的暴露程度從而造成其螯合金屬能力的不同。從表3和表5可知，Y4的回歸方程是顯著的，回歸方程中一次項除了進料速度以外均對Fe2+螯合率有顯著的影響。進風溫度與脫水比例的二次項對羥自由基清除率有顯著的影響。通過SAS軟件進行嶺嵴分析，優(yōu)化羥自由基清除率指標，進行驗證實驗，結果見表4。驗證實驗結果與預測值差異不顯著。

評價天然抗氧化劑體外抗氧化能力的方法很多，本實驗采用還原能力、羥自由基清除能力和金屬離子螯合能力作為評價指標。扁杏仁水解蛋白粉具有較好的還原能力，明顯的自由基清除效果，在水酶法提取油脂的過程中，蛋白酶將扁杏蛋白水解成肽段，將原先包埋于蛋白質分子高級結構內部的具有抗氧化活性的小分子肽和游離氨基酸暴露出來[10]，顯示出抗氧化功能。

由表4可知，就回收率而言，脫水比例在0.6左右，進風溫度198℃，進料速度276.5mL/h，回收率最高可超過66%，抗氧化活性中的Fe2+螯合率的最佳工藝參數(shù)與其類似，而還原力和羥自由基清除率方面，脫水比例要適當降低，溫度同樣在200℃左右較合適，且改善還原力需要較高的進風溫度和進料速度。因此采用哪一種優(yōu)化過的工藝參數(shù)，取決于對產品指標的要求，但總體而言，脫水比例在0.5～0.6之間，進風溫度200℃左右，進料速度在270～320mL/h，可以獲得較好的綜合效果。

3 結論與展望

3.1 扁杏水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，且噴霧干燥工藝參數(shù)對其抗氧化活性具有較大影響。

3.2 分別獲得了噴霧干燥過程中表征產品回收率和還原力、羥基自由基清除率及金屬離子鰲合能力等抗氧化指標的數(shù)學模型，并對相應指標進行了優(yōu)化，但各指標最優(yōu)條件下的工藝參數(shù)并不一致，可能各指標間相互制約，有待于進一步研究。

3.3 產品回收率在最優(yōu)條件下也僅達到66%左右，損失過多，如果單純從優(yōu)化產品本身得率而言，可以考慮加入少量糊精或其他助干劑。

3.4 在后續(xù)研究中，對于扁杏水解蛋白組成及其他功能特性將更進一步分析和探討。

3.5 作為水酶法制備扁杏仁油的另一種主要產物，扁杏蛋白水解物作為天然抗氧化劑的開發(fā)資源，具有廣闊的應用前景。

[1] 韓志萍. 大扁杏仁揮發(fā)油化學成分的氣相色譜-質譜分析[J]. 安微農業(yè)科學, 2008, 36(23): 9831-9833.

[2] 宋日欽, 王建中. 苦杏仁開發(fā)利用的前景[J]. 食品科學, 2006, 27(1):68-70.

[3] 錢建華, 何余堂, 劉賀, 等. 一種從扁杏仁中提取油脂的生物學方法:中國, 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] 李新華, 閆榮. 遼西大扁杏杏仁蛋白的組成及堿法提取工藝的研究[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] 張君慧. 大米蛋白抗氧化肽的制備、分離純化和結構鑒定[D]. 無錫: 江南大學, 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] 賈俊強, 馬海樂, 曲文娟, 等. 超聲預處理大米蛋白制備抗氧化肽[J].農業(yè)工程學報, 2008, 24(8): 288-295.

[16] 程燕鋒, 楊公明, 王娟, 等. 噴霧干燥工藝對香蕉抗性淀粉保留率的影響[J]. 農業(yè)工程學報, 2008, 24(6): 282-286.

[17] 劉賀, 朱丹實, 徐學明, 等. 低酯桔皮果膠凝膠全質構參數(shù)及持水性響應面分析[J]. 食品科學, 2009, 30(3): 81-87.

[18] 蘇東曉, 張名位, 侯方麗, 等. 速溶龍眼粉加工的酶解提取與噴霧干燥工藝優(yōu)化[J]. 農業(yè)工程學報, 2009, 25(8): 268-274.

[19] 吳金鴻, 王璋, 許時嬰. 采用大孔吸附樹脂提純乙醇分級的絲膠肽及其抗氧化活性的研究[J]. 食品工業(yè)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

科技部科技人員服務企業(yè)項目(2009GJB00034)；遼寧省教育廳高校重點實驗室項目(2009S001)；

遼寧省教育廳高校一般項目(L2010008)

劉賀(1979—)，男，副教授，博士，研究方向為食品大分子的結構與功能及其修飾。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn