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破壁灵芝孢子粉重建孢壁工艺技术研究
发布日期:2019/11/1 12:45:47


黄训端

(安徽大学生命科学学院,安徽 合肥 230601)

摘要:灵芝孢子粉破壁处理是促进其功效成分释放的有效途径,但破壁后灵芝孢子稳定性差。为此,本文以破壁灵芝孢子粉为材料,采用喷雾干燥法重建了有新孢壁的灵芝孢子粉,优化了孢子粉孢壁重建工艺技术参数,并进行了产品分析。结果表明:以羟丙甲纤维素和大豆分离蛋白为复合壁材,优选比例为2:1,壁材与芯材比例为2:1;固形物浓度为30 %;工艺参数为均质压力为40 MPa,均质次数2次,喷雾干燥进风温度220 ,出风温度105 ,孢壁重建率为90.2 %;制备的产品分散性较好,抗氧化性强。

关键词:灵芝孢子;重建孢壁;工艺技术

中图分类号:TS20       文献标识码: A

Study on technology of spore wall reconstruction for broken spore of Ganoderma lucidum

HUANG Xunduan

School of Life Science, Anhui University, Hefei 230601, China

Abstract: The wall-breaking treatment of Ganoderma lucidum spores is an effective way to promote the release of its effective components, but the stability of broken spore is poor. In this paper, the spore wall of broken spore was reconstructed by spray drying method, the technological parameters of spore wall reconstruction were optimized and the products were analyzed. The results showed that: the hydroxypropyl methyl cellulose and soy protein isolates were selected as composite wall material, optimal ratio of hydroxypropyl methyl cellulose and soybean protein isolates was 2:1, ratio of wall material and core material was 2:1, and solids concentration was 30%. The processing parameters and product characteristics were as follows: homogeneity pressure was 40 MPahomogeneity times was 2inlet air temperature was 220 and outlet temperature was 105, percent of remodeled spores wall was 90.2%, and the product had good dispersivity and strong anti-oxidation.

Key words: Ganoderma lucidum spore; Reconstruction spore wall, Technology

灵芝(Ganoderma lucidum)是重要的药用真菌之一。灵芝孢子是灵芝在生长成熟期,从灵芝菌褶中弹射出来的极其微小的卵形生殖细胞,含有糖肽类、甾醇类、三萜类、脂肪酸类等多种活性成分,有防细胞老化、增强免疫力等功效[1-4]。灵芝孢子具有孢壁,摄入人体后不被胃酸降解,只有破壁服用,才能更好吸收其有效成分 [5-6];但破壁的灵芝孢子粉存在弊端:孢子破壁后,破壁颗粒处于非稳定状态,表面电荷相互吸引出现团聚现象,不利于加工调配[7-8];破壁后孢子外保护层受损,萜烯类、脂肪酸类等成分易发生氧化反应,导致孢子粉变质,保存期限缩短[9-10]

本研究将采用天然生物材料为壁材,利用喷雾干燥技术[11]对破壁灵芝孢子进行深度加工,开发孢壁重建技术,制备具有完整孢璧的灵芝孢子粉,为灵芝孢子粉深度加工及资源利用奠定基础。

 

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

破壁灵芝孢子粉,安徽黄山毫喝食品有限公司;羟丙甲纤维素系列(Hydroxypropyl methyl cellulose, HPMC),山东泰安瑞泰纤维素有限公司;大豆分离蛋白(Soybean protein, SP),山东御馨豆业蛋白有限公司;其他试剂为分析纯。

GJB60-70实验型均质机ATS Engineering IncYC-105喷雾干燥器,上海雅程仪器设备有限公司;扫描电子显微镜S-4800:日本日立公司;激光粒度仪Microtrac S-3500:美国Microtrac公司;全自动比表面积仪ASAP2020M+C,美国Mi公司;马尔文Zetasizer Nano ZS90,英国马尔文仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1分散稳定性的测定方法  将溶液倒入离心管,60ºC恒温30min4500r/min离心15min,观察分层情况,记录液体总高度H与未分层高度H1,分散稳定性=(H1/H*100%[12]

1.2.2 孢壁重建率的测定方法  2g灵芝孢子粉分散于100mL水中,滴加1mL吐温-80,搅拌均匀,在显微镜下观察孢子结建,采用血球计数板计数重建孢壁的孢子。孢壁重建率=重建孢壁的孢子数量/总孢子数量*100%  

1.2.3灵芝孢子微观  采用扫描式电子显微镜观察。

1.2.4粒度测定  采用激光粒度仪进行湿法测定。

1.2.5一般性状指标的测定方法  含水率:参照GB5497-1985方法;密度:将产品倒入带刻度的量筒中,计算单位体积产品的重量;堆积角:取一定量产品测定自然堆积的角度。

1.2.6 比表面积的分析测定方法  利用全自动比表面积仪ASAP2020M+C进行测定[13]

1.2.7 Zeta电位的测定方法  利用马尔文Zeta电位仪对电位测定。

1.2.8氧化稳定性的测定方法  按照GB/T5538-1995进行测定[14]

2 结果与分析

2.1 孢壁材料复配组合与优化

2.1.1 壁材及比例的确定  实验优选HPMCSP作为复配壁材,在浓度为20%的条件下,考查不同比例对分散稳定性的影响,重复三次,结果如表1。表1可见分散稳定性随着HPMC:SP比例的增加呈现先增加后减少的趋势,当HPMC:SP比例为2:1时,溶液的分散稳定性最高为79.69%溶液的分散稳定性高说明壁材与芯材在溶液中的混合程度好,有利于提高芯材的包埋率,选择复配壁材复配比例范围为1:1-3:1

1壁材复配比例对分散稳定性的影响

Table 1 Effect of wall material ratio on disperse stability

序号

                HPMCSP

      分散稳定性/%

1

12

73.33±0.28

2

11

75.21±0.17

3

21

79.69±0.49

4

5

31

41

75.51±0.53

72.17±0.24

 

2.1.2 壁材与芯材比例的确定  壁材与芯材的比例直接影响到溶液的分散稳定性和最终的包埋效果,实验设置不同的比例,重复三次,结果如表22表明分散稳定性随着壁材芯材比例的增加呈现先增加后减少的趋势,当壁材与芯材的比例为2:1时,溶液的分散稳定性最高为80.64%,选择壁材与芯材比值范围:1:1-3:1

2 壁材与芯材比例对分散稳定性的影响

Table 2 Effect of wall material and the core material ratio on disperse stability

序号

壁材:芯材

分散稳定性/%

1

11

68.37±0.27

2

32

73.59±0.31

3

4

43

21

74.62±0.43

80.64±0.58

5

31

68.19±0.25

6

41

65.83±0.14

 

2.1.3 固形物含量的影响  实验中固形物指除蒸馏水之外的所有固体,包括壁材,芯材以及微量增溶剂等。设置不同的固形物含量,每组实验三次,结果如表3,其分散稳定性呈先增大后减小的趋势。当固形物含量为30%时,溶液的分散稳定性最高为82.59%。因此选择固形物含量适宜范围为25%-35%

3 固形物含量对分散稳定性的影响

Table 3 Effect of solids content on the disperse stability

固形物含量/%

分散稳定性/%

10

70.12

15

73.46

20

75.38

25

78.15

30

82.59

35

80.76

40

78.05

45

73.23

50

67.26

 

2.1.4 曲面响应优化  根据以上实验结果,采用Box-Behnken Design进行孢壁材料组合优化,实验因子和水平设计见表4设计具体方案与结果见表5

4 实验因子和水平

Table 4 Test factor and level

因素
 
水平

A(壁材与芯材比例)

BHPMC:SP

C(固形物浓度,%

-1

1:1

1:1

25

0

2:1

2:1

30

1

3:1

3:1

35

 

5 Box-Behnken 实验设计方案及结果

Table 5 Box-Behnken Design experimental program and results

实验号

A

B

C

分散稳定性(%

1

1

1

0

61.68

2

1

0

1

65.98

3

-1

1

0

56.29

4

0

0

0

78.11

5

0

0

0

78.22

6

0

-1

1

62.87

7

0

1

1

67.54

8

1

0

-1

59.82

9

-1

0

1

59.39

10

0

0

0

78.41

11

0

0

0

77.93

12

0

1

-1

62.48

13

1

-1

0

56.73

14

-1

-1

0

55.24

15

0

0

0

77.79

16

0

-1

-1

60.27

17

-1

0

-1

55.33

6 实验结果分析

Table 6 Analysis of experimental results

Source

Sum   of

Df

Mean

F

p-value


Squares

Square

Value

Prob   > F


Model

1292.054

9

143.5616

299.4181

<   0.0001

significant

  A

40.3202

1

40.3202

84.09352

<   0.0001


  B

20.7368

1

20.7368

43.24955

0.0003


  C

39.9618

1

39.9618

83.34603

<   0.0001


  AB

3.8025

1

3.8025

7.930655

0.0259


  AC

1.1025

1

1.1025

2.299421

0.1732


  BC

1.5129

1

1.5129

3.155368

0.0389


  AA

594.6003

1

594.6003

1240.124

<   0.0001


  BB

320.4187

1

320.4187

668.2789

<   0.0001


  CC

155.5712

1

155.5712

324.4659

<   0.0001


ResiduX1l

3.35628

7

0.479469




Lack   of Fit

3.121

3

1.040333

17.68673

0.0090

significant

Pure   Error

0.23528

4

0.05882




Cor   Total

1295.41

16





 

以表5分散稳定性为响应值,建立二次回归方程:Y1=78.09+2.06A+1.61B+2.02C+0.97AB+0.48AC+0.62BC-11.86A2-8.75B2-6.05C2。对回归模型进行方差分析,结果见表6。从回归模型P<0.0001,表明该二次方程模型达到极显著水平,说明该回归模型方程能较好地描述各因素与响应值之间的真实关系,拟合程度良好。相关系数R20.9990,校正相关系数R2Adj0.9978,说明响应值的变化有99.78%来源于所选变量,即壁材与芯材比例、壁材比例和固形物浓度。从回归模拟方程中可以看出,ABC变量的拟合系数绝对值分别为2.061.612.02,即各因素对分散稳定性的影响表现为:壁材与芯材比例>固形物浓度> HPMC:SP,三者p值均小于0.01,说明三者作用极显著。交互项ABBCp值小于0.05存在显著交互作用,ACp值大于0.05,交互作用不显著。

1 壁材:芯材和HPMC:SP对分散稳定性影响

Fig.1 Effect of wall material: core material and HPMC: SP on dispersion stability

2 HPMC:SP和固形物含量对分散稳定性影响

Fig.2 Effect of HPMC: SP and solids content on dispersion stability

由图12可知,等高线最小椭圆中心在所选的-1~1范围内,而且响应曲面的开口都是向下的,这说明分散稳定度在本实验设计的范围内存在最大值且优化是十分合理可行的。对整个曲面响应优化的实验结果进行分析,如表7所示。表7显示,5组参数均为优化的试验参数,其中最大值为78.4869%A=0.087B=0.143C=0.135。即壁材:芯材=2.09,羟丙基甲基纤维素:大豆分离蛋白=2.14,固形物含量=30.37%。考虑到实验中可操作性,优选的复配参数:选择壁材:芯材为2:1,羟丙基甲基纤维素:大豆分离蛋白为2:1,总固形物含量为30%

7 优化结果分析

Table 7 Analysis of optimization results

Number

A

B

C

分散稳定性%

1

0.087

0.143

0.135

78.4869

2

0.101

0.157

0.183

78.4282

3

0.070

0.088

0.135

78.4347

4

0.083

0.132

0.243

78.4213

5

0.058

0.132

0.172

78.4309

 

2.2 喷雾干燥重建灵芝孢壁工艺参数

将壁材、芯材混合液预先高压均质,设定均质压力为40MPa,均质2次后,采用喷雾干燥器进行雾化、干燥,可获得重建孢壁的灵芝孢子。喷雾干燥器的进风温度、出风温度对孢壁重建的灵芝孢子水分含量、孢壁重建率及感官性状的影响如表8所示:

8 喷雾干燥条件对重建孢壁孢子粉品质影响

Table 8 Effect of spray drying conditions on spore quality after reconstructed wall

序号

进风温度(

出风温度(

含水率(%

孢壁重建率(%

产品感官性状

1

190

85

     8.48

76.8

暗红色,黏湿

2

200

90

7.23

80.3

暗红色,较干燥

3

210

100

6.01

85.5

红色,较干燥

4

220

105

4.89

90.2

深褐色,干燥

5

230

110

3.38

80.7

偏黄,干燥

6

240

115

3.15

70.5

焦黄,干爽

7

250

120

     2.98

61.2

焦黄,干爽

从表8中可以看出,随着进风温度的升高,产品水分含量呈下降趋势,孢壁重建率出现先增长后下降的趋势,当进风温度为220时,重建率最高,为90.2%。高于220时,由于水分含量的减少,重建率下降较快,制备效果变差,产品粉末颜色发黄,产品外观不佳。因此,进风温度为220,出风温度为105为最佳喷雾条件。

 

2.3 重建孢壁灵芝孢子产品分析

2.3.1重建孢壁孢子微观形态、粒径和一般性状  采用扫描电镜对重建孢壁的孢子形态进行观察(见图3),其形态完整,包膜圆润严密,呈现卵圆形,与天然灵芝孢子形态相似,显示破壁孢子粉孢壁重建成功。经粒径分析仪检测,重建孢壁灵芝孢子粒度分布主要在5.23-9.12μm之间,粒度小于9.12μm的颗粒累积分布约为87.34%,分布最多的粒度是5.89μm(见图4),与天然灵芝孢子粒径大小近似。

3重建孢壁孢子微观结构

Fig.3 Microstructure of spore after reconstructed wall

4 重建孢壁孢子粒度分布

Fig4 Particle size distribution of spore after reconstructed wall

  对灵芝孢子的含水率、密度进行了测定,结果如表9。实验制备的孢壁重建灵芝孢子粉含水率低于破壁灵芝孢子粉,有利于保存。产品密度低于原料破壁灵芝孢子粉,疏散蓬松,利于配伍,不易板结。

9 重建孢壁孢子粉主要性状指标

Table 9 Mainly properties indicators of spore after reconstructed wall

样品

含水率/%

密度/g/cm3

重建孢壁孢子粉

4.89

0.072

破壁孢子粉

6.37

0.096

 

2.3.2重建对灵芝孢子粉的流动分散性的影响 

10为堆积角、比表面积、Zeta电位测定结果。堆积角是反映粉末颗粒流动性的重要特征,产品的堆积角略大于破壁灵芝孢子粉,说明颗粒间的内摩擦力小,粘聚力小,流动性较好;产品比破壁灵芝孢子粉的比表面积小,粒子更加稳定,Zeta电位也小,粒子分散性更好。

10重建孢壁孢子粉比表面积

Table 10 Specfic surface area of spore after reconstructed wall

样品

     堆积角

比表面积(m2/g

Zeta电位(mV

重建孢壁孢子粉

18.96

0.7595

-6.46

破壁孢子粉

18.27

0.9036

-3.32

 

 

2.3.3重建对灵芝孢子粉过氧化值的影响 

20ºC下,对灵芝孢子粉过氧化值测定,结果见下图5。破壁灵芝孢子粉的过氧化值在储藏的5个月内从5.83meq/kg上升到25.49meq/kg。而重建孢壁孢子粉的过氧化值从1.95meq/kg上升到3.43meq/kg。过氧化值变化较为缓慢,可见重建的孢壁可以很好地保护芯材破壁灵芝孢子粉,延长了保存期限。

5重建孢壁孢子粉过氧化值随储藏时间的变化

Fig.5 The peroxide value of spore after reconstructed wall changes with the storage time.

 

3 结论

本实验针对市场上破壁灵芝孢子粉的存在分散性和易氧化问题,利用喷雾干燥技术对灵芝孢子粉的孢壁进行重建,工艺参数:壁材选用羟丙基甲基纤维素和大豆分离蛋白,质量比为2:1,壁材与芯材破壁灵芝孢子粉的比例为2:1,固形物浓度为30%,均质压力为40MPa,均质次数2次,采用喷雾干燥法制备孢壁重建的灵芝孢子粉产品,进风温度220,出风温度105,孢壁重建率高达90.2%。经过孢壁重建后,灵芝孢子粉产品干燥程度较高,有利于保存;密度蓬松,流动性较好;孢壁重建的孢子粉比破壁灵芝孢子粉的比表面积减小,粒子更加稳定,Zeta电位减小,粒子分散性更好;孢壁重建的灵芝孢子粉的过氧化值变化缓慢,具有良好的抗氧化性。本研究为灵芝孢子精深加工和新产品研发提供了技术支持。

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