红曲色素属于红曲菌次级代谢产物,主要是由红曲菌经过固态或液态发酵培养红曲,再分离纯化,进行单体制备得到[1]。红曲色素对身体无毒、无害,来源丰富、安全性高、着色自然,且具有抗氧化、抗肿瘤、抗疲劳等诸多的生理活性,广泛应用于肉制品、面食、酒类的着色[2]。
目前有关红曲色素造粒技术的研究相对有限。喷雾干燥微胶囊制粒,首先是将芯材与壁材混合均匀,经高压剪切后,通过喷雾干燥制得[3]。优点是粒径大、溶解度高、成本低、装载率高。缺点是可能存在颗粒分布不均匀、挂壁严重、损耗量大。其他制粒方法有,湿法制粒与干法制粒。湿法制粒具有流动性较好,水溶性较高,稳定性好,制得的粉体颗粒均匀,破残率较低且有较高的母核装载等优点[4-6]。干法制粒需要添加的辅料少,生产工序简单,劳动力成本低,产品生产周期短,具有能耗低、污染小等优点[7-9]。干法造粒与湿法制粒多用于药品。
本研究对比喷雾干燥制粒、干法制粒、湿法制粒3种技术对红曲色素粉体综合特性的影响进行研究,以期解决红曲色素粉体的扬尘问题。
1 材料与方法
1.1 实验材料
红曲色素、麦芽糊精(maltodextrin,MAL),广东天益生物科技有限公司。
1.2 实验设备
干法制粒机、湿法制粒机,常州新马干燥仪器有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器,河南省予华仪器有限公司；搅拌剪切分散仪,德国ZKA公司；H-2000喷雾干燥机,美国尼鲁公司；BT-1001智能粉体测试仪、Mastersizer 2000激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司；S-4800型扫描式电子显微镜,韩国COXEM。
1.3 红曲色素粉体的制备
(1) 红曲色素的溶解：称取390 g纯红曲粉,与210 g麦芽糊精粉混合溶于900 mL去离子水中,常温条件下搅拌溶解4 h。
(2) 搅拌剪切：模拟工业化生产,采用搅拌剪切分散仪将溶解完全的混合溶液进行搅拌剪切,剪切速率8 000 r/min,时间5 min。
(3) 喷雾干燥制粒：剪切后的红曲色素样品经H-2000喷雾干燥机进行干燥制得红曲色素粉体,喷雾干燥进口温度为250 ℃,出口温度大约200 ℃,进料量12 r/s,补风量为8个单位[10]。
(4) 干法制粒：喷雾干燥后的红曲色素经干法制粒机压制成薄长条状的干片，经破碎、整粒、过筛制备出红曲色素粉体,干法制粒机的输料转速45 r/min、压轮转速10 r/min、压力值10 MPa。
(5) 湿法制粒：红曲色素经喷雾干燥后投入湿法制粒机中的物料口,在黏合剂进料口中加入500 mL,140 g/L的麦芽糊精溶液,制得红曲色素粉体,进口温度180 ℃,进料量12 r/s,风机转速为1 350 r/min,雾化压力1.3 MPa。
1.4 红曲色素粉体粒径及粒径分布测定
颗粒的粒径及粒径分布通过BT-2001型激光粒度仪测量。进气压力10 Pa,进样速率为40%,进样振动强度为80%,遮光度在0.4%～6%,测量结果通过体积直径表示。
1.5 红曲色素粉体分散度、差角、休止角测定
采用BT-1001智能粉体测试仪,测试红曲色素粉体分散度、差角、休止角。
分散度[11](粉体在空气中的飘散程度)的测量：称取10.0 g物料注入内径为40 mm的圆柱形容器,容器下方15 mm处有一圆柱形有机玻璃管(内径100 mm,高300 mm),玻璃管下方15 mm处有一内径为100 mm的接料盘,滑片移开,料落入盘中,称量盘中物料质量,连续测量3次,求出平均值m。
休止角测量[12]：透过振动筛将物料沿着漏斗缓缓注入不锈钢底座上,漏斗的直径为80 mm,漏斗底部小孔直径为1 mm,并定在离底座45 mm处,当物料落满底座且是对称的圆锥体时,关闭振动筛,停止加料,休止角即为底座水平面与颗粒堆积形成的圆锥体锥线之间所形成的夹角,连续测量3次,求出平均值。
1.6 红曲色素粉体的扫描电镜形态
红曲色素粉体的表面形态学通过Quanta 200型扫描式电子显微镜观测。将红曲色素粉体定在双面导电胶上,由离子溅射仪在其表面喷涂一层金属导电膜,喷金60 s、喷金1次、电压加速度为10.0 kV。
1.7 红曲色素粉体溶解性测试[13]
分别用称量纸称取0.1 g的6组样品,用6只量筒分别量取100 mL去离子水,将6组样品同时倒入6只相对应的量筒里(分别为对照组、喷雾干燥耦合干法制粒中的大颗粒组、喷雾干燥耦合干法制粒中的小颗粒组、喷雾干燥耦合湿法制粒组、喷雾干法组),并在倒入时用秒表计时,记录样品在量筒里完全溶解所需的时间,每组试验重复3次。
1.8 数据统计分析
采用SPSS进行数据方差分析,所有红曲色素粉体的制备试验平行3次,试验测定重复3次。
2 结果分析
2.1 不同制粒技术对红曲色素粉体粒径的影响、
不同制粒技术制备的红曲色素粉体的粒径,一定程度上可以表征扬尘强度,颗粒粒径越大,红曲色素粉体的扬尘越低[14]。图1为不同制粒技术对红曲色素粉体的粒径影响。喷雾干燥、喷雾干燥耦合干法造粒、喷雾干燥耦合湿法造粒制得红曲色素粉体的粒径分别为6.25(对照组)、14.35和81.67 μm,喷雾干燥耦合湿法造粒制备红曲色素粉体粒径明显高于对照组。喷雾干燥制备的粉体粒径最小,可能是由于在喷雾干燥室内,由于热气流的作用使雾滴中的水分迅速蒸发,红曲色素粉体受热脱水收缩所致。干法制粒技术通过将红曲色素粉体挤压制成薄长条状的干片,在挤压过程中,红曲色素分子之间存在颗粒重排和塑性形变,经过压力的作用使得红曲色素粉体粒径增大。湿法制粒需要加入黏合剂,黏合剂通过静电相互作用与空间位阻效应,使得红曲色素粉体的粒径增大。
图1 不同制粒技术对红曲色素粉体粒径的影响
Fig.1 Effect of different pelletizing techniques on particle size of Monfile:///E:/SPFX202111/SPFX202111/images/8ee27003c2f2dd1fcf57e6fd24ff2d1e.jpgascus pigment powder
注：干法,喷雾干燥耦合干法造粒,湿法,喷雾干燥耦合湿法造粒(下同)
2.2 不同制粒技术对红曲色素粉体粒径分布的影响
不同粒径区间内的颗粒占总量的百分数称为粒度分布。由图2可知,喷雾干燥制得的红曲色素粉体的粒径分布为0.554～29.12 μm(对照组),喷雾干燥耦合湿法制粒技术制得的红曲色素粉体的粒径分布为2.23～275.8 μm,喷雾干燥耦合干法制粒技术制得红曲色素粉体的粒径分布为0.554～179.7 μm,3种不同制粒技术制备的红曲色素粉体平均粒径依次为：喷雾干燥耦合湿法>喷雾干燥耦合干法>喷雾干燥。喷雾干燥制备的红曲色素粉体的平均粒径最小,喷雾干燥耦合湿法制粒技术制备的红曲色素粉体平均粒径最大。可能是因为喷雾干燥技术是将粉体在热气流的作用下迅速脱水收缩,从而粒径最小。不同制粒技术制备的红曲色素粉体的粒径分布均呈现单峰分布,这表明粉体颗粒大小均一,能够有效地生产颗粒均匀的红曲色素粉体。其中,喷雾干燥和喷雾干燥耦合干法制粒技术制备的红曲色素粉体的粒径分布最接近正态分布,说明粉体的一致性较好,粒度分布均匀。喷雾干燥耦合湿法制粒红曲色素粉体的粒径分布峰偏向粗粒度一侧,说明红曲色素粉体以粗组分为主。这可能是因为湿法制粒需要黏合剂的加入造成平均粒径最大,粉体以粗颗粒为主。采用3种不同制粒技术制备的红曲色素粉体具有不同的粒径分布,这为选择不同制粒技术制备色素形成多尺度粒径分布提供了良好数据。
1-粒度范围的颗粒在所测样品中的百分数；2-样品的累积百分数
a-喷雾干燥制粒技术；b-喷雾干燥耦合湿法制粒技术；c-喷雾干燥耦合干法制粒技术
图2 不同制粒技术对红曲色素粉体粒径分布的影响
Fig.2 Effect of different pelletizing techniques on particle distribution of Monascus pigment powder
2.3 不同制粒技术对红曲色素粉体分散度的影响
分散度是粉体扬尘性强度最主要的指标,此值越小说明粉体扬尘性越弱,越不易扬尘[15]。由图3可知,不同制粒技术制备的红曲色素粉体的分散度大小排序为喷雾干燥制粒技术>喷雾干燥耦合湿法制粒技术>喷雾干燥耦合干法制粒技术。其分散度分别为：11.2、6.2、5.8。湿法制粒和干法制粒都是在喷雾干燥的基础上进行耦合制粒,所以粉体粒径较大,从而其分散度较小,喷雾干燥技制备的粉体粒径最小,密度较低,从而分散度较大。表明干法制粒技术、湿法制粒技术对粉体的扬尘有较好的改善,对于解决实际生产加工过程中色素扬尘问题具有重要的作用。
图3 不同制粒技术对红曲色素分散度的影响
Fig.3 Effect of different pelletizing techniques technology on Monascus pigment powder dispersion
2.4 不同制粒技术对红曲色素粉体休止角的影响
休止角指在静止平衡状态下,粉体自然堆积斜面与底部水平面所夹锐角,是通过电磁振动方式使粉体自然下落到特定平台上形成的。休止角大小直接反映粉体的流动性,休止角越小流动性越好。休止角也称安息角或自然坡度角。由图4可知,喷雾干燥制得红曲色素粉体的休止角为42°(对照组),喷雾干燥耦合干法制粒技术制得红曲色素粉状物的休止角为41°,喷雾干燥耦合湿法制粒技术制得红曲色素粉体的休止角为40°,不同制粒技术制备的红曲色素粉体流动性依次为：喷雾干燥耦合湿法>喷雾干燥耦合干法>喷雾干燥。SCHIANO等[16]通过干/湿法制粒扩大粒度来改善饲料粉末的流动性,研究表明,空气可以显著抑制小颗粒的流动,粗颗粒比细颗粒具有较好的流动性。当颗粒足够大时(如>500 μm)流动性一般可以得到改善,对于小颗粒(<500 μm)颗粒形状的影响占主导地位,圆形颗粒与形状不规则的颗粒相比流动性好。
图4 不同制粒技术对红曲色素休止角的影响
Fig.4 Effect of different pelletizing techniques on angle of repose of Monascus pigment
2.5 不同制粒技术制备的红曲色素粉体的微观结构
粉体大颗粒形成的2种主要方式：一是涂布包裹；二是分子黏合[17-20]。通过扫描电镜能直观地看出红曲色素粉体颗粒的结构、大小与分布。由图5可知,喷雾干燥耦合干法制粒技术、喷雾干燥耦合湿法制粒技术制得红曲色素粉体粒径增大,形成多孔团聚粉体,颗粒呈现不规则多边形结构,多以分子黏合的方式形成红曲色素粉体,表明不规则形状是其抑制扬尘的主要原因。通过扫描电镜能够直观地看出红曲色素粉体大颗粒形成的主要方式是通过分子组装,湿法与干法制粒技术制备的红曲色素粉状体,通过分子黏合作用,湿法制粒技术制备的红曲色素粉状体表面结合小颗粒麦芽糊精,形成无规则颗粒,增大比表面积,而干法制粒技术制备的红曲色素粉体,结构团聚、松散,呈现无规则形状的颗粒分布。微观结构表明,喷雾干燥制粒、干法制粒、湿法制粒3种不同技术,通过形成不同的结构分布,影响红曲色素粉体综合特性。
图5 不同制粒技术制备红曲色素粉体的微观结构图
Fig.5 Microstructure of Monascus pigment powders prepared by different pelletizing techniques
2.6 不同制粒技术对红曲色素粉体溶解性的影响
以纯红曲色素粉体作为对照组,由图6可以看出,在100 mL的量筒中喷雾干燥耦合干法制粒的红曲色素粉体大颗粒(>100 μm)在水中的扩散最快,溶解最快。但是由于颗粒粒径较大,颗粒在没有完全溶解的情况下沉降到量筒底部,存在不完全溶解的现象。其次是喷雾干燥耦合干法制粒得到的混合颗粒的扩散速度、溶解速度较快,完全溶解所需的时间最短,就扩散速度来说两者无明显差异。喷雾干燥耦合湿法制粒技术得到的红曲色素粉体在20 s时扩散速度较慢,仅快于喷雾干燥组。在70 s时所有的红曲色素粉体均已完全扩散开,但是对照组红曲色素粉体并没有完全扩散开,并且在水中扩散速度较慢、扩散不均匀、溶解速度最慢。不同制粒技术制备的红曲色素粉体的溶解性大小排序为：喷雾干燥耦合干法制粒大颗粒(>100 μm)>喷雾干燥耦合干法制粒混合粉体>喷雾干燥耦合干法制粒小颗粒(1～100 μm)>喷雾干燥耦合湿法制粒>喷雾干燥制粒>对照组。
从左至右的试管分别为:对照组、喷雾干燥耦合干法制粒中的大颗粒组、
喷雾干燥耦合干法制粒中的小颗粒组、喷雾干燥耦合干法制粒组、
喷雾干燥耦合湿法制粒组、喷雾干燥组
图6 不同制粒技术对红曲色素粉体的水溶性扩散的影响
Fig.6 Effect of different pelletizing techniques on water soluble diffusion of Monascus pigment powder
3 结论
通过比较喷雾干燥耦合干法制粒、喷雾干燥耦合湿法制粒、喷雾干燥制粒对红曲色素粉体粒径及粒径分布、分散度、休止角及微观结构的影响,表明干法造粒、湿法造粒均可增大红曲色素粉体粒径,减少红曲色素粉体颗粒的扬尘,主要原因是形成多孔团聚粉体,颗粒呈现不规则多边形结构,以分子黏合的方式形成红曲色素粉体;同时,干法制粒技术制得的红曲色素粉体溶解性较好。该研究为开发红曲色素粉体及相关产品奠定良好的基础。
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