(福建農林大學食品科學學院，福州350002)

響應面分析法優(yōu)化噴霧干燥工藝制備酪蛋白巨肽

張寧寧，陳圓圓，毛極仁

(福建農林大學食品科學學院，福州350002)

本研究的目的是采用噴霧干燥技術實現酪蛋白巨肽（CMP）的工業(yè)化生產。借助響應面分析法對CMP噴霧干燥工藝進行優(yōu)化，研究了進風溫度、風機頻率、進料速度對CMP出粉量的影響，，并對CMP的感官指標進行評定。結果表明，制備CMP的最佳噴霧干燥條件為：進風溫度161℃，風機頻率50 Hz，進料速度401 mL/h；此條件下，CMP出粉量達13.6 g/200 mL，感官指標評價良好。

酪蛋白巨肽，噴霧干燥，響應面法

0 引言

酪蛋白巨肽（caseinomacropeptide，CMP）天然存在于乳中，是哺乳動物攝入乳后胃內迅速釋放的消化產物[1]。CMP具有多種生理功能，包括結合腸毒素、調節(jié)免疫系統(tǒng)反應、促進雙歧桿菌增殖等[2-8]。將CMP制成粉，不僅便于貯藏，更有利于擴大其在食品中的應用范圍。

目前CMP粉的制備多以冷凍干燥方式為主[9-10]。冷凍干燥的設備造價高，工藝時間長，能源消耗大，生產成本高，不適宜工業(yè)化大規(guī)模生產[11]。噴霧干燥因具有干燥速度快、變性程度低、復水性、味道、色澤均較佳、衛(wèi)生安全等特點[12]，已成為多肽干燥常用的方法。

前期研究工作已建立酶法獲得CMP水解液的方法[13]。在此基礎上，本文運用響應面法優(yōu)化制備CMP的噴霧干燥工藝，以期為CMP的工業(yè)化生產提供理論依據和技術支撐。

牛奶，金龍魚黃金比例調和油，凝乳酶，透析袋（分子量3 500 u），十二烷基磺酸鈉，其他試劑均為國產分析純。

噴霧干燥機，H1850R臺式高速冷凍離心機，PB-10數顯pH計，恒溫水浴鍋，紫外可見分光光度計，DHG-9140(A)電熱鼓風干燥箱。

1.2 方法

（1）CMP的制備根據文獻[13]中描述的方法，修改如下：透析后的溶液經噴霧干燥后獲得粉末狀CMP。

（2）CMP溶液噴霧干燥單因素實驗。①進風溫度對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進料速度400 mL/h，風機頻率50 Hz，考察進風溫度140，150，160，170，180℃對CMP出粉量的影響。②風機頻率對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進料速度400 mL/h，進風溫度160℃，考察風機頻率為40，45，50，55，60Hz對CMP出粉量的影響。③進料速度對CMP出粉量的影響取200 mL CMP透析液，固定進風溫度160℃，風機頻率為50 Hz，考察進料速度100，200，300，400，500 mL/h對CMP出粉量的影響。

（3）CMP噴霧干燥響應面優(yōu)化試驗以Box-Behnken中心組合試驗設計原理，采用3因素3水平的響應面分析法對進風溫度（A）、風機頻率（B）

1 實驗

1.1 材料與儀器和進料速率（C）對出粉量進行響應面試驗設計。采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行處理分析。試驗因素與水平如表1所示。

表1 響應曲面設計實驗因素水平和編碼

（4）CMP出粉量的計算[14]出粉量：出粉量（g/ 200 mL）=收集瓶內的粉末質量。

（5）CMP純度的測定CMP不含芳香族氨基酸，在280 nm處沒有紫外吸收，但在210 nm處有紫外吸收，因此可用210 nm與280 nm處的吸收差來鑒定CMP的純度[15]。

（6）感官指標評定。①形態(tài)、色澤、雜質的評定稱取3 g酪蛋白巨肽干粉，散放于培養(yǎng)皿中，在自然光下直接觀察；②氣味的評定在無異味的環(huán)境下，采用鼻嗅的方法進行評定。

1.3 數據分析

每個實驗重復3次，結果以（平均值±標準差）表示。統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0進行，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1噴霧干燥單因素試驗結果

不同噴霧干燥條件對CMP出粉量的影響如圖1所示。由圖1（a）可知，進風溫度在140 ～180℃范圍內時，隨著進風溫度的升高，出粉量呈上升后下降的趨勢。當進風溫度較低時，物料在干燥塔內并沒有得到充分的干燥，物料黏壁，導致出粉量低；當溫度逐漸升高，物料在干燥塔內干燥越來越充分，出粉量逐漸升高；當溫度過高時，物料表面的水分蒸發(fā)很快，物料表面形成硬殼，阻止了物料內部水分的蒸發(fā)與擴散，此時蒸汽壓力的增大導致物料顆粒開裂回潮而粘在壁上，最終導致出粉量降低[16-17]。綜合考慮，進風溫度選取150 ～170℃范圍內。

由圖1（b）可知，CMP的出粉量隨著風機頻率的提高呈先上升后下降的趨勢。當風機頻率較低時，CMP溶液不能充分形成霧滴，存在粘壁現象，出粉量較低；當風機頻率為50 Hz左右時，噴霧干燥效果較好，集粉量較高；當風機頻率進步升高超過一定值，物料還未被完全干燥已隨風黏附在干燥塔上，隨尾氣流出的CMP增多，產品的集粉量減少[18-19]。綜合考慮，風機頻率選取在45 ～55 Hz范圍內。

由圖1（c）可知，出粉量隨進料速度的增加呈先上升后下降的趨勢。進料速度的增加，導致料液被霧化器霧化的液滴體積增大，霧滴并能被完全干燥，水分蒸發(fā)不徹底，料液被“吹”至干燥塔內表面后，出現粘壁現象[20-21]，導致出粉量降低。綜合考慮，進料速度選取在300 ～500 mL/h范圍內。

2.2噴霧干燥的響應面實驗結果

2.2.1 響應面實驗設計與結果

圖1 不同噴霧干燥條件下CMP的出粉量

采用Design-Expert 8.0.6對表1中的試驗數據進行多元回歸擬合，對回歸系數和回歸模型進行方差分析，分析結果如表2所示。

表2 實驗設計和結果

各因素經二次多項式回歸擬合后，得到CMP出粉量對進風溫度、風機頻率、進料速度3個因素的二次多項回歸方程為

出粉量（g·200mL-1）=13.47+0.44A-0.29B-0.0148C+0.96AB+0.76AC+0.23BC–2.30A2-1.25B2-1.74C2，

式中：A為進風溫度（℃）；B為風機頻率（Hz）；C為進料速度（mL/h）。

對模型進行方差分析，結果如表3所示。從表3分析結果可以看出，CMP出粉量回歸模型的P＜0.0001，說明模型高度顯著；模型的R2和校正的R2分別為0.9981和0.9957，說明該模型能解釋99.57%響應曲面的變化，僅有總變異的0.43%不能用此模型解釋，失擬項P＞0.05，說明模型擬合程度良好，試驗誤差小，該模型是合適的，可用于預測CMP噴霧干燥的出粉量。

出粉量方程中，一次項A、B、C和二次項A2、B2、C2以及交互項AC、BC、AB的P值均小于0.0001，對CMP出粉量的影響高度顯著，可以此確定CMP噴霧干燥的最佳工藝參數。且在一定的范圍內，不同因素對CMP出粉量的影響程度大小依次為：進風溫度＞風機頻率＞進料速度。

表3 回歸模型及方差分析

2.2.2 響應面圖和等高線圖分析

圖2為各因素間交互作用對CMP出粉量影響的響應面和等高線。由圖2可以看出，進風溫度、風機頻率、進料速度3個因素間都存在著相互影響。

圖2 各因素間交互作用對CMP出粉量影響的響應面和等高線

進風溫度與風機頻率的交互作用對CMP出粉量的影響如圖2（a）和2（b）所示，當進料速度為400 mL/h，在進風溫度156 ～163℃和風機頻率在49 ～51 Hz范圍內，CMP出粉量最大。

進風溫度與進料速度的交互作用對CMP出粉量的影響如圖2（c）和2（d）所示，當風機頻率為50 Hz，在進風溫度156 ～163℃和進料速度380 ～420 mL/h范圍內，CMP出粉量最大。

風機頻率與進料速度的交互作用對酪蛋白巨肽出粉量的影響如圖2（e）和2（f）所示，當進風溫度為160℃，在風機頻率49 ～51 Hz和進料速度380 ～420 mL/h范圍內，CMP出粉量最大。

綜上所述，圖2均直觀地反映了各因素的交互作用對CMP出粉量的影響。進風溫度和風機頻率交互作用、進風溫度和進料速度交互作用以及進風速度和進料速度對酪蛋白巨肽出粉量都呈現出了最為顯著的水平（P＜0.01），表現為曲面較陡。

2.3最佳噴霧干燥工藝的確定

通過對所建立的模型進行擬合及方差分析，可得出噴霧干燥CMP的最佳工藝參數為：進風溫度160.8℃，風機頻率49.6 Hz，進料速度400.8 mL/h，在此條件下，CMP的理論出粉量為13.5 g/200 mL。考慮到實際操作條件，將最佳工藝條件修正為：進風溫度161℃，風機頻率50 Hz，進料速度401 mL/h。在此最優(yōu)條件下進行CMP噴霧干燥的驗證實驗，3次的出粉量分別是13.1 g/200 mL，13.9 g/200 mL，13.4 g/ 200 mL（平均值為13.6 g/200 mL），說明回歸方程能較真實得反映各因素對CMP出粉量的影響，表明采用響應面分析方法優(yōu)化得到的噴霧干燥工藝參數真實可靠。

2.4CMP感官指標

通過測定CMP在210 nm和280 nm處的比值，得到CMP的純度為81%。其外觀形態(tài)如圖3所示，感官指標如表4所示。

圖3 酪蛋白巨肽粉末

表4 感官指標檢測結果

3 結論

借助響應面分析法，以CMP出粉率為指標，確定了CMP噴霧干燥的最佳工藝條件：進風溫度160.8℃，風機頻率為49.6 Hz，進料速度為400.8 mL/h，此條件下獲得的CMP為淡黃色粉末，無肉眼可見雜質，感官評價質量良好，出粉量達13.6 g/200 mL。試驗所得模型與實際數據擬合良好，可以對參數進行預測和控制。

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Optimization of spray drying conditions for caseinomacropeptide by response surface methodology

ZHANG Ning-ning,CHEN Yuan-yuan,MAO Ji-ren
(College of Food Science，Fujian Agricultural and Forestry University，Fuzhou 350002，China)

caseinomacropeptide；spray drying；response surface

Q93-33

A

1001-2230（2016）11-0008-04

2016-05-29

國家自然科學基金青年科學基金項目（31301458）。

張寧寧（1984-），女，博士研究生，研究方向為食品加工，食品營養(yǎng)。

Abstrct:The purpose of this work was to industrially produce CMP powder by spray drying.The spray drying conditions were optimized by response surface methodology,where the effects of inlet air temperature,fan frequencyand feed flow rate on the powder yield of CMP were analyzed.The sensory index of CMP was also investigated after spray drying.The results showed that the optimum conditions for the spray drying of caseinomacropeptide was spray dried at inlet air temperature of 161℃,fan frequency of 50 Hz,and feed flow rate of 401 mL/h, resulting in a powder yield of 13.6 g/200 mL with good sensory qualities.