助干剂对喷雾干燥技术制备二羟基丙酮饲料添加剂的影响.pdf

浙江农业学报 Acta Agriculturae Zhejiangensis，2013，25(2):235-240http:/www zjnyxb cn胡忠策，焦学劳，郑裕国 助干剂对喷雾干燥技术制备二羟基丙酮饲料添加剂的影响J 浙江农业学报，2013，25(2):235-240DOI:10.3969/j issn 1004-1524.2013.02.06助干剂对喷雾干燥技术制备二羟基丙酮饲料添加剂的影响胡忠策，焦学劳，郑裕国*(浙江工业大学 生物工程研究所，浙江 杭州 310014)收稿日期:2012-04-03基金项目:浙江省重大科技专项(2008C01014-2)作者简介:胡忠策(1971)，男，浙江永嘉人，博士，副教授，研究方向为发酵工程。E-mail:zhongce zjut edu cn*通讯作者，郑裕国，E-mail:zhengyg zjut edu cn摘要:为了提高喷雾干燥技术制备饲料添加剂过程中的集粉率和二羟基丙酮的保留率，降低产品的水分含量，研究了应用喷雾干燥技术生产二羟基丙酮饲料添加剂过程中不同干燥助剂的效果和最佳添加量。结果表明:在二羟基丙酮发酵液中加入麦芽糊精 60%，-环糊精 8%，阿拉伯胶 4%为宜(均以发酵液中固形物含量计)。在此条件下，二羟基丙酮饲料添加剂集粉率为 87.4%，二羟基丙酮保留率为 88.1%，存放 10 个月无霉变、色变，此时干燥所得产品中含有二羟基丙酮 50.4%，助干剂总质量 41.9%，水分 5.3%，其他 2.4%。关键词:二羟基丙酮;饲料添加剂;喷雾干燥;助干剂中图分类号:S 816.34文献标志码:A文章编号:1004-1524(2013)02-0235-06Effects of spray drying aid on preparing process of dihydroxyacetone feed additiveHU Zhong-ce，JIAO Xue-lao，ZHENG Yyu-guo*(Institute of Bioengineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)Abstract:Dihydroxyacetone is an important intermediate product in the organism metabolic processes，it can partici-pate in the metabolism through the glycolytic pathway，and effectively regulate the relationship between glucose me-tabolism and fat metabolism The dihydroxyacetone used in feed additives can effectively improve the biological car-cass quality and improve the function of animal body The effects of the choice and additive mass of drying aid in theprocess of using spray drying technology to produce dihydroxyacetone feed additives was detected In order to improvethe powder collection rate and the dihydroxyacetone retention，and reduce the water content of the product，we addeda certain amount of drying agent to the fermentation broth during the experiment The results showed that it was suit-able to add 60%maltodextrin，8%-cyclodextrin and 4%arabic gum in the feed solution of the spray drying(thesolid matter in liquid is for reference)In this condition，the powder rate of feed additive was 87.4%，the retentionrate of dihydroxyacetone was 88.1%After storage for 10 months，there was no mildew and no discoloration and theproduct contained 50.4%dihydroxyacetone，41.9%drying aid，5.3%water and 2.4%other compositionsKey words:dihydroxyacetone;feed additive;spray drying;drying aid1，3-二羟基丙酮(简称二羟基丙酮)是生物体代谢过程的一种重要中间产物，它能通过糖酵解途径，参与生物体内新陈代谢，能有效调节糖代谢与脂肪代谢的关系1。多项研究表明，二羟基丙酮应用于饲料添加剂，能有效提高动物胴体质量，改善动物机体机能2 7。二羟基丙酮是利用氧化葡糖杆菌(Gluconobacter oxydans)发酵甘油生产制得，已有文献报道氧化葡糖杆菌对人体和动物是无害无毒的8。二羟基丙酮应用于饲料添加剂，需要对其发酵液进行干燥。二羟基丙酮是热不稳定酮糖类物质，其玻璃态转化温度较低，水溶液粘度很高，且发酵液中水分含量约为 70%80%，如果直接进行喷雾干燥，二羟基丙酮损失率大、能耗高，容易出现严重的粘壁、结块现象，甚至无法得到粉末状固体。在喷雾干燥过程中加入干燥助干剂，有利于提高二羟基丙酮的玻璃态转化温度，减少干燥过程中二羟基丙酮的损失，避免粘壁、结块现象。本试验主要研究了喷雾干燥技术制备含二羟基丙酮的饲料添加剂过程中助干剂的选择及不同干燥助剂添加量对喷雾干燥过程的影响，为工业化生产提供理论依据。1材料与方法1 1原料按照文献报道的工艺，以甘油为原料，采用氧化葡糖杆菌 ZJB09112(Gluconobacter oxydansZJB09112)补料分批发酵制得二羟基丙酮发酵液9，发酵液中二羟基丙酮浓度为 237.5 g L1，固形物含量 27.6%，含水量 72.4%。1 2试剂试验中所用的试剂:-环糊精(食品级，上海博奥生物科技有限公司);阿拉伯树胶粉(化学纯，西陇化工股份有限公司);麦芽糊精(食品级，杭州三富生化制品有限公司)。1 3实验仪器及设备试验中所用的主要仪器及设备:喷雾干燥仪(Spray Dryer B-290，瑞士 BUCHI 公司)，折光仪(Quick-Brix 60，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司);电热恒温鼓风干燥箱(DHG9140A，杭州蓝天化验仪器厂)。1 4检测指标及检测方法试验中选取的检测指标有集粉率、二羟基丙酮保留率和产品的水分含量。粉末质量用分析天平称量，二羟基丙酮含量采用气相色谱法检测10，水 分 含 量 用 105 常 压 烘 干 恒 重 法(GB6435-86)测定。计算方法分别如下:集粉率=干燥所得粉末质量干燥前发酵液中固形物含量+加入干燥助剂的质量100%二羟基丙酮(DHA)保留率=所得粉末中二羟基丙酮质量干燥前发酵液中二羟基丙酮质量100%水分含量=粉末烘干前总质量 烘干至恒重后总质量粉末烘干前总质量100%固形物含量=烘干至恒重后质量烘干前质量100%1 5喷雾干燥试验本试验选用气流式干燥设备，干燥条件为:进风温度 140，进料温度 30，压缩空气流量35 m3 h1，进料速度 7.5 mL min1，设备自动清洗频率 4。二羟基丙酮是一种酮糖类物质，其玻璃态转化温度较低，干燥过程易引起粘壁现象，通过大量预试验表明麦芽糊精、-环糊精、阿拉伯胶是较好的干燥助剂，有助于二羟基丙酮饲料添加剂制备过程。试验中助干剂的添加量以发酵液中固形物含量计。每批次处理量 500 mL，重复 3 次。1 5 1单因素试验(1)麦芽糊精对喷雾干燥过程的影响向发 酵 液 中 分 别 加 入 30%，40%，50%，60%，70%的麦芽糊精，记录干燥过程中料液的粘壁情况，干燥结束后测定集粉率，二羟基丙酮保留率，物料水分含量。(2)-环糊精对喷雾干燥过程的影响向发酵液中加入 60%的麦芽糊精，再分别加入 1%，5%，8%，12%，15%的-环糊精，记录干燥过程中料液的粘壁情况，干燥结束后测定集粉率，二羟基丙酮保留率，物料水分含量。(3)阿拉伯胶对喷雾干燥过程的影响向发酵液中加入 60%的麦芽糊精，再分别加入 1.0%，2.5%，4.0%，5.5%，7.0%的阿拉伯胶，记录干燥过程中料液的粘壁情况，干燥结束后测定集粉率，二羟基丙酮保留率，物料水分含量。632浙江农业学报第 25 卷第 2 期(2013 年 3 月)1 5 2正交实验为了找到适宜的助干剂添加量组合，研究了麦芽糊精、-环糊精、阿拉伯胶 3 个因素对喷雾干燥过程的影响，选用 L9(34)正交表安排试验，因子水平对照表 1。表 1因子对照水平表Table 1Factor levels of the experiment水平因素-环糊精/%阿拉伯胶/%麦芽糊精/%空白152.5501284.06023125.57032结果与分析2 1麦芽糊精对喷雾干燥过程的影响麦芽糊精添加量对喷雾干燥过程的影响如图 1 和表 2 所示。选择合适的喷雾干燥配料对干燥过程的影响非常关键，它直接决定了干燥过程的成败。加入适量的麦芽糊精有助于提高干燥过程中二羟基丙酮发酵液的玻璃态转化温度，并且可以减少二羟基丙酮在干燥过程的损失。从图 1 可以看出，当麦芽糊精添加量从 30%上升到 60%时，集粉率和二羟基丙酮的保留率均呈上升趋势，水分含量一直降低;当麦芽糊精的添加量超过 60%的时候，集粉率和二羟基丙酮保留率有下降趋势，但水分含量变化不大，这是因为当麦芽糊精添加量加大时，喷雾干燥过程进行得更图 1麦芽糊精量对喷雾干燥过程影响Fig 1Effect of maltodextrin on spray drying process彻底，此时被尾气带走的粉末含量也在增加，导致集粉率和二羟基丙酮保留率有下降趋势。从表 2 也可以看出，随着麦芽糊精添加量的增加，粉末在干燥器塔壁的粘黏情况逐渐渐弱。所以综合考虑，试验中麦芽糊精的添加量以 60%为宜。2 2-环糊精对喷雾干燥过程的影响-环糊精既可促进发酵液的乳化性，又可保护二羟基丙酮在干燥过程中不会受热损失。其对喷雾干燥过程的影响实验结果如图 2 和表 3所示，从图 2 可看出，随着-环糊精添加量的增加，集粉率和二羟基丙酮的保留率也增加，粉末中水分含量一直减少;当添加量超过 8%时，随着添加量的继续增加，集粉率和二羟基丙酮保留率减小，粉末状水分含量变化很小。这是因为-环糊精不但能增加物质的溶解度，还能增加麦芽糊精对发酵液中各种物质的包合性，因此当添加量增加时，集粉率和二羟基丙酮保留率增加，同时表 2不同麦芽糊精添加量下干燥粘壁情况Table 2Effect of different adding amount of maltodextrin onwall sticking during spray drying麦芽糊精添加量/%粘壁情况30喷头大量粘结，塔壁四周半干湿糊状物粘壁严重40喷头较少量粘结，塔壁四周半干湿糊状物粘壁较多50喷头少量粘结，塔壁四周少量粘壁60喷头几乎无粘结，塔壁四周少量粘壁70喷头几乎无粘结，塔壁四周较少粘壁图 2-环糊精对喷雾干燥的影响Fig 2Effect of-cyclodextrin on spray drying process732胡忠策，等 助干剂对喷雾干燥技术制备二羟基丙酮饲料添加剂的影响随着干燥变得更加容易，会导致尾气带走的粉末增加，这可以在试验过程中清洗仪器尾气过滤处得到验证。表 3 反映了粉末在干燥器塔釜中的粘壁情况，从表 3 可以看出，随着-环糊精添加量的增加，有助于减弱粉末的粘壁情况，同时，考虑到经济性，因此试验中-环糊精的添加量以8%为宜。表 3不同-环糊精添加量下干燥粘壁情况Table 3Effect of different adding amount of-cyclodextrinon wall sticking during spray drying-环糊精添加量/%粘壁情况1喷头大量粘结，塔壁四周半干湿糊状物粘壁严重5喷头有较多量粘结，塔壁四周半干湿糊状物粘壁较严重8喷头少量粘结，塔壁四周少量粘壁12喷头几乎无粘结，塔壁四周少量粘壁15喷头几乎无粘结，塔壁四周较少粘壁3 3阿拉伯胶对喷雾干燥过程的影响图 3阿拉伯胶对喷雾干燥过程的影响Fig 3Effect of gum arabic on spray drying process在含有 60%麦芽糊精的发酵液混合溶液中添加不同量的阿拉伯胶，其结果如图 3 和表 4 所示。从图 3 可看出，随着阿拉伯胶添加量的增加，粉末中水分含量逐渐减少，集粉率和二羟基丙酮保留率增大，当添加量超过 4%时，随着添加量的继续增加，集粉率和二羟基丙酮保留率增大的趋势减慢，水分含量变化较小。阿拉伯胶具有良好的乳化作用和成膜特性，是一种良好的稳定剂，因此当添加适量阿拉伯胶增加时，有助于发酵液干燥形成粉末。结合表 4 中粉末在干燥器塔釜中的粘壁情况，可以看出，随着阿拉伯胶添加量的增加，有助于减弱粉末的粘壁情况，但考虑到经济性和操作成本，在试验中阿拉伯胶的添加量以 4%为宜。表 4不同阿拉伯胶添加量下干燥粘壁情况Table 4Effect of different adding amount of gum arabic onwall sticking during spray drying阿拉伯胶添加量/%粘壁情况1.0喷头大量粘结，塔壁四周半干湿糊状物粘壁严重2.5喷头有较多量粘结，塔壁四周有较多半干湿糊状物4.0喷头少量粘结，塔壁四周少量粘壁5.5喷头几乎无粘结，塔壁四周少量粘壁7.0喷头几乎无粘结，塔壁四周较少粘壁2 4正交试验单因素试验结果表明在干燥过程中水分都得到较好的处理，因此在考察正交试验结果时不再考虑水分含量，只考虑集粉率和二羟基丙酮保留率以及干燥过程中的粘壁情况。分别取麦芽糊精添加量为 50%，60%，70%，-环糊精添加量为 5%，8%，12%，阿拉伯胶添加量为 2.5%，4.0%，5.5%(均以发酵液中固形物含量为比例)，通过 L9(34)正交实验确定了干燥配料的最佳配比，正交试验结果如表 5 所示。从表 5 可以看出，-环糊精、阿拉伯胶、麦芽糊精三个因素对集粉率的影响为 C A B，即麦芽糊精的影响最大，-环糊精的影响次之，阿拉伯胶的影响最小。三个因素对二羟基丙酮保留率的影响为 C B A，即麦芽糊精的影响最大，阿拉伯胶的影响次之，-环糊精的影响最小。因此，为提高粉末的集粉率，较适宜的组 合 为A2B2C2，为提高二羟基丙酮保留率，较适宜的组合为 A2B3C2。从单因素试验可看出，二羟基丙酮保留率与集粉率变化紧密相连，近似成正相关关系，结合表 5 中粉末在塔釜壁上的粘壁情况，选择较适宜的组合为 A2B2C2，即助干剂添加量分别为:-环糊精8%，阿拉伯胶4.0%，麦芽糊精60%。试验结果也表明，该组合下得到的干燥物质品相、色泽均较好，经检测，该条件下二羟基丙酮饲料添加剂集粉率为 87.4%，二羟基丙酮保留率为88.1%，此时产品中含有二羟基丙酮 50.4%，助干剂总质量41.9%，水分5.3%，其他2.4%。832浙江农业学报第 25 卷第 2 期(2013 年 3 月)表 5正交实验结果Table 5Orthogonal experimental results试验号因素实验结果ABCD-环糊精/%阿拉伯胶/%麦芽糊精/%空白集粉率/%DHA 回收率/%粘壁情况152.550181.583.3粘壁较严重254.060286.287.4少量粘壁355.570386.485.1少量粘壁482.560388.188.5基本无粘壁584.070187.083.7基本无粘壁685.550286.285.6少量粘壁7122.570287.484.8基本无粘壁8124.050385.982.2粘壁较严重9125.560186.888.0少量粘壁集粉率K184.885.784.585.1K287.186.487.086.6K386 786 386 9868R2.40.72.51.7DHA保留率K185.385.583.785.0K285.984.588.085.9K385.086.284.685.3R0.91.83.10.93结论选用麦芽糊精、-环糊精、阿拉伯胶三种干燥助剂有助于较好地干燥得到二羟基丙酮饲料添加剂。在选定的配料基础上，通过单因素试验和正交实验考察了在喷雾干燥过程中添加不同质量的各种配料对干燥过程的影响，试验结果表明当麦芽糊精添加量为 60%，-环糊精添加量为8%，阿拉伯胶添加量为 4.0%(均以发酵液中固形物含量为比例)时，可以得到质量、色泽均较好的二羟基丙酮饲料添加剂，此时二羟基丙酮饲料添加剂集粉率为 87.4%，二羟基丙酮保留率为88.1%，存放 10 个月无霉变、色变，经检测添加剂中含有二羟基丙酮 50.4%，助干剂总质量41.9%，水分 5.3%，其他 2.4%。这为开发二羟基丙酮饲料添加剂打下了基础。但如何降低助干剂的添加质量，提高喷雾干燥过程的热效率等有待于今后继续研究。参考文献:1马骏，胡忠策，郑裕国 新型瘦肉型饲料添加剂生物基 1，3-二羟基丙酮的开发与应用J 现代农业科技，2009，20:332 333。2Stanko RT，Adibi SA，Inhibition of lipid accumulation and en-hancement of energy expenditure by the addition of pyruvateand dihydroxyacetone to a rat diet J Metabolism，1986，35(2):182 186 3Stanko RT，Mendelow H，Shinozuka H et al Prevention ofalcohol 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