全 文 ：263
谢 明，王伟良，黄建科，李元广*
(华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237)
摘 要:以小球藻藻粉得率为主要目标，选取进料浓度、进风温度和进料速度三个因素进行中心组合实验(Box－
Benhnken) ，通过响应面分析法对小球藻藻粉干燥工艺进行优化研究。利用 Design Expert 软件，得到了小球藻粉最佳
的喷雾干燥条件:进风温度 200℃，进料浓度 77.8g /L，进料速度 100mL /h。在此工艺条件下，喷雾干燥所得的藻粉得率
最高，其最大得率理论值为 48.18%，与实测值 47.20%基本一致。
关键词:小球藻，喷雾干燥，藻粉得率，响应面分析
Optimization of spray drying process of Chlorella powder with
response surface method
XIE Ming，WANG Wei－ liang，HUANG Jian－ke，LI Yuan－guang*
(The State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，East China University of
Science and Technology，Shanghai 200237，China)
Abstract:For increasing the yield of Chlorella powder，the effect of feed concentration，inlet air temperature and
feed flow rate were investigated based on a three－ level three－ factor Box － Behnken design.The spray drying
conditions which influenced the yield of Chlorella powder was optimized by response surface method.Experimental
data were analyzed by Design Expert software which indicated that the optimum drying parameters were as follows:
the inlet air temperature was 200℃，the feed concentration was 77.8g /L and the feed flow rate was 100mL/h. Under
those conditions，the predicted value of Chlorella powder yield was 48.18% which was consistent with the
measured value 47.20% .
Key words:Chlorella;spray drying;Chlorella powder yield;response surface method
中图分类号:TS255.3 文献标识码:A 文 章 编 号:1002－0306(2012)06－0263－05
收稿日期:2011－06－20 * 通讯联系人
作者简介:谢明(1985－) ，男，硕士研究生，研究方向:生物化工。
基金项目:“十一五”国家科技支撑项目(2006BAD09A12) ;“十一五”
863 项目(2007AA09Z419)和(2007AA02Z209)。
藻粉是微藻系列产品加工的原料，最初是利用
太阳能晒干，不仅严重影响其品质、达不到卫生标准
要求，而且由于效率低无法保证连续生产［1］。随着干
燥技术的发展，喷雾干燥技术逐步应用于微藻的干
燥，不仅实现了藻粉的连续生产，而且可以根据物料
的特性改变喷雾干燥条件，使产品符合质量指标要
求［2］。在藻粉干燥方面，研究较多的是螺旋藻的干
燥。董俊德［3］等对螺旋藻喷雾干燥条件进行了研究，
分析了在干燥过程中可能出现的问题以及解决的办
法。梁妍［4］对螺旋藻进行烘干、喷雾干燥、冷冻干燥
及晒干干燥对照处理并测定了藻粉的营养成分。近
年来人们对小球藻的化学成分进行了详细的分析，
由于其富含蛋白质、氨基酸、脂类、碳水化合物、叶绿
素、类胡萝卜素和多种维生素［5－8］，已被联合国粮农组
织(FAO)列为 21 世纪人类的绿色营养源健康食
品［9］。小球藻作为营养食品添加剂［2］与其它食品原
料混合，一方面可以提高食品的营养价值，另一方面
可以改善食品风味、脱臭、保水及防止食品老化［10］。
响应面分析法(Response Surface Analysis)用来优化
若干独立变量影响一个(或多个)响应变量的实验条
件［11］，目前已广泛应用于各个领域。本文首次对小
球藻喷雾干燥条件进行了系统的研究，并利用响应
面分析法对小球藻喷雾干燥工艺进行了优化。选取
进料浓度、进风温度和进料速度三个因素进行中心
组合实验(Box－Benhnken) ，通过响应面分析法对小
球藻藻粉喷雾干燥条件进行优化，确定最佳的喷雾
干燥工艺，为小球藻粉干燥工艺的优化和放大奠定
了良好的基础。
1 材料与方法
1.1 实验材料
小球藻(Chlorella sp.)藻液 为本实验室培养
264
所得。
小型高速喷雾干燥仪 上海世远生物设备有限
公司生产的 SY6000 型，最大蒸发能力 1.8kg /h，鼓风
机工作时空气流量约 70m3 /h，工作压力维持在
700Pa;中型高速喷雾干燥器 江苏常州市长江干燥
设备厂生产的 LPG－5 型，最大蒸发能力为 5kg /h。
1.2 测定指标与方法
1.2.1 藻粉得率 计算公式为:
藻粉得率(%)=藻液喷雾干燥后获得的藻粉质
量 /藻液中实际含有的藻细胞干重 × 100% 式(1)
1.2.2 含水率测定 称取适量藻粉 W1(g) ，在 80℃
烘箱里烘至恒重 W2(g) ，藻粉含水率按下式计算:
含水率(%)=
W1 －W2
W1
× 100% 式(2)
1.2.3 蛋白质含量测定 采用凯氏定氮法［12］测定小
球藻藻粉中粗蛋白质含量。
1.2.4 叶绿素含量测定 采用甲醇提取比色法［13］测
定小球藻中叶绿素含量。
1.3 实验设计
1.3.1 单因素实验 喷雾干燥工艺的各种参数如进
料浓度、进风温度和进料速度等直接影响藻粉得率，
所以首先分析各个因素对藻粉得率的影响。
1.3.1.1 进料浓度 将待干燥的藻液分别配成浓度
25、50、75、100g /L 的料液，恒定进风温度 180℃和进
料速度 200mL /h，出风温度保持在 78～81℃，喷雾干
燥后分别收集藻粉，按式(1)计算得率。
1.3.1.2 进风温度 选取 120、150、175、200℃作为进
风温度，恒定进料浓度 50g /L和进料速度 200mL /h，出
风温度保持在 78～81℃，喷雾干燥后分别收集藻粉，
按式(1)计算得率。
1.3.1.3 进料速度 选取 100、300、500、700mL /h 作
为进料速度，恒定进料浓度 50g /L 和进风温度
180℃，出风温度保持在 78～81℃，喷雾干燥后分别收
集藻粉按式(1)计算得率。
1.3.2 响应面实验 根据单因素实验结果，以进料
浓度、进风温度、进料速度三个因素与藻粉得率进行
响应面实验设计，优化小球藻藻粉的喷雾干燥工艺。
通过 Design Expert 软件对实验数据进行回归分析，
确定最优工艺参数采用 Box－Behnken 中心组合实验
设计法。表 1 为三因素三水平实验设计方案。
表 1 Box－Behnken实验设计
Table 1 Experiment design of Box－Behnken
水平
因素
A进料浓度
(g /L)
B进风温度
(℃)
C进料速度
(mL /h)
－ 1
0
1
50
75
100
170
185
200
100
200
300
2 结果与讨论
2.1 单因素实验
2.1.1 进料浓度对藻粉得率的影响 如图 1 所示，在
进风温度及进料速度一定的情况下，进料浓度为
75g /L时，藻粉得率最高，达到 45%。这是因为在干
燥过程中，进料浓度越大，单位时间内要被雾化器雾
化为小液滴的物料就越多，因此即单位时间内，热风
提供给物料的热量一定时，进料浓度越大，干燥效率
就越低。但是如果进料浓度过低，粘附在筒壁上的
物料所占比例就越大，造成藻粉得率偏低，同时还会
造成喷雾干燥效率的降低。此外，随着进料浓度的
增大，藻粉的含水率有增加的趋势，表明进料浓度过
高会使得干燥效果变差，但是藻粉含水率都符合小
于 7%的标准(参考食用螺旋藻粉国家标准［14］)。
图 1 进料浓度对小球藻粉得率及含水率的影响
Fig.1 Influence of feed concentration on
the yield of Chlorella powder and moisture
2.1.2 进风温度对藻粉得率的影响 在喷雾干燥过
程中，料液经蠕动泵输送至雾化器雾化为微小的液
滴，与高温干燥空气相接触，在很短的时间里完成热
交换和水分蒸发，形成干燥颗粒。在进料速度、进料
浓度等都一定的条件下，提高进风温度，单位时间内
提供给雾滴的热量就增多。所以，理论上随着进风
温度的升高，藻粉得率应该呈上升的趋势。如图 2
所示，在较低的温度下，例如 120℃时，喷雾干燥过程
中，大量的物料粘着在干燥腔壁，损失了大量的物
料，并且所得的藻粉含水率较大，不利于保存;但是
温度过高，将破坏藻体内的一些活性物质(叶绿素和
蛋白质) ，所以应该选择合适的进风温度范围。
图 2 进风温度对小球藻粉得率及含水率的影响
Fig.2 Influence of inlet air temperature on
the yield of Chlorella powder and moisture
2.1.3 进料速度对藻粉得率的影响 在喷雾干燥过
程中，进料速度越大，即单位时间内要被雾化器雾化
为小液滴的物料就越多，将料液干燥转化为粉粒时
所需的热量就越多。因此，在进风温度和进料浓度
一定的条件下，即单位时间内，热风提供给物料的热
量一定时，进料速度越大，干燥效果就越差。由图 3
可知，随着进料速度的增大，藻粉得率逐渐降低，藻
粉的含水量呈明显的递增趋势，表明干燥效果随着
进料速度增大而下降。
265
图 3 进料速度对小球藻粉得率及含水率的影响
Fig.3 Influence of feed flow rate on
the yield of Chlorella powder and misture
2.2 响应面分析实验
单因素实验只是在其它因素固定的条件下，研
究一种因素对考察指标的影响，得出了较适宜的操
作范围。在考虑进料浓度(A)、进风温度(B)和进料
速度(C)3 个因素对喷雾干燥制备藻粉得率的影响
时，实验结果见表 2。
表 2 Box－Behnken实验设计结果
Table 2 Experiment results of Box－Behnken design
实验号 A B C
Y藻粉得率
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
－ 1
－ 1
1
1
0
0
0
0
－ 1
1
－ 1
1
0
0
0
－ 1
1
－ 1
1
－ 1
－ 1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
－ 1
1
－ 1
1
－ 1
－ 1
1
1
0
0
0
38.2
36.4
40.7
40.0
47.5
41.5
48.7
41.2
41.2
43.0
33.4
38.5
43.2
44.4
44.3
利用 Design Expert软件对表 2 中实验数据进行
二次多项回归拟合，获得藻粉得率对进料浓度、进风
温度以及进料速度的二次多项回归方程式，如下
所示:
Y = 43.63 + 2.38A + 0.30B － 3.23C + 0.78AB －
0.18AC +0.13BC－5.00A2 + 1.20B2 －0.60C2 式(3)
响应面分析中对实验结果进行拟和的二次模型
方差分析见表 3。F 值为 47.42，多元相关系数为 R2
为 0.9884，说明模型对实际情况拟合较好;P 为 0.003
表明该模型高度显著，可以用来进行响应值预测。
二次模型中回归系数的显著性检验表明:因素 A、C
和 A2 对藻粉得率的线性效应高度显著(P ＜ 0.001) ;
AC交互作用对藻粉得率的线性效应影响一般显著
(P ＜ 0.05) ;因素 B、B2、C2 以及 AB和 BC交互影响不
显著(P ＞ 0.05)。
2.3 响应面优化
图 4～图 6 是由多元回归方程式(3)所做的响应
曲面图。由此可对任何两个因素交互影响下的藻粉
得率进行分析与评价，以确定最佳因素水平范围。
表 3 二次模型回归方程系数显著性检验
Table 3 Coefficient estimates by the regression quadratic model
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P
模型 221.21 9 24.58 47.42 0.0003
A 21.13 1 21.13 40.76 0.0014
B 0.32 1 0.32 0.62 0.4676
C 83.21 1 83.21 160.53 ＜ 0.0001
A2 108.50 1 108.50 209.32 ＜ 0.0001
B2 0.29 1 0.29 0.56 0.4897
C2 0.85 1 0.85 1.64 0.2571
AB 0.30 1 0.30 0.58 0.4794
AC 2.72 1 2.72 5.25 0.0405
BC 0.56 1 0.56 1.09 0.3453
图 4 显示了进料速度在最佳值(100mL /h)条件
下，进风温度和进料浓度对藻粉得率的交互影响。
当进风温度一定时，随着进料浓度的增加，藻粉得率
呈现上升趋势，但是当进料浓度超过约 80.0g /L 后，
随着进料浓度的增加，藻粉得率反而降低。当进料
浓度一定时，进风温度的增加对藻粉得率影响不明
显，故进风温度和进料浓度对藻粉得率的交互影响
不显著。
图 4 进料浓度和进风温度
对藻粉得率交互影响的响应面图
Fig.4 Response surface graph of mutual influence for
feed concentration and inlet air temperature
on the yield of Chlorella powder
图 5 显示了进风温度为最佳值(200℃)时，进料
速度和进料浓度对藻粉得率的交互影响。当进料浓
度一定时，随着进料速度的增加，藻粉得率呈现下降
趋势。而当进料速度一定时，随着进料浓度的增加，
藻粉得率先上升后下降，故进料速度和进料浓度对
藻粉得率的交互影响显著。由图 5 可看出，进料浓
度的最佳值是 77.8g /L，进料速度最佳值是 100mL /h。
图 6 显示了进料浓度在最佳值(77.8g /L)条件
下，进料速度和进风温度对藻粉得率的交互影响。
当进料速度一定时，随着进风温度的增加，藻粉得率
上升不明显。而当进风温度一定时，随着进料速度
的增加，藻粉得率呈现下降趋势，故进料速度和进风
温度对藻粉得率的交互影响不显著。由图 6 可看
出，进料速度最佳值是 100mL /h。
由 Design Expert软件得到 15 组(未列出)优化
条件，确定最优喷雾干燥工艺为:进风温度 200℃，进
料浓度 77.8g /L，进料速度 100mL /h。理论藻粉得率
为 48.18%。
266
表 5 喷雾干燥工艺初步放大
Table 5 Scale－up of spray drying for Chlorella powder
指标
工厂中型规模
160℃ 180℃ 200℃
实验室规模
常温
湿藻体
常温
叶绿素 a(mg /gDcw) 14.73 14.64 14.6 18.95 18.20
叶绿素 b(mg /gDcw) 5.82 6.00 6.17 5.29 8.40
总叶绿素(mg /gDcw) 20.55 20.64 20.77 24.24 26.60
蛋白质(%) 58.10 57.8 57.4 57.12 60.50
含水率(%) 7.50 6.80 6.70 4.76 －－
图 5 进料速度和进料浓度
对藻粉得率交互影响的响应面图
Fig.5 Response surface graph of mutual influence for feed
flow rate and feed concentration on the yield of Chlorella powder
图 6 进料速度和进风温度
对藻粉得率交互影响的响应面图
Fig.6 Response surface graph of mutual influence for feed flow
rate and inlet air temperature on the yield of Chlorella powder
2.4 验证实验
按照优化后的喷雾干燥条件:进风温度 200℃，
进料浓度 77.8g /L(实际为 78.0g /L) ，进料速度
100mL /h，进行了小球藻液的喷雾干燥验证实验，藻
粉得率达到了 47.20%，与理论值误差为 2.0%左右，
表明应用此工艺对小球藻进行喷雾干燥是可行的。
2.5 不同进风温度对藻粉品质的影响
由于喷雾干燥过程中进风温度会达到 170℃以
上，可能会对藻体内活性物质造成一些破坏。在进料
速度和进料浓度确定在最佳值(进料浓度 77.8g /L，进
料速度 100mL /h)条件下，选择不同进风温度干燥得
到藻粉，检测其主要活性物质。如表 4 所示。
由表 4 可见，虽然经过喷雾干燥所得到的藻粉
与湿藻体相比，叶绿素和蛋白质都有一定程度的损
失，但是在 170～200℃范围内，藻粉的品质基本不受
进风温度的影响。
2.6 藻粉喷雾干燥工艺的初步放大
在工厂中型喷雾干燥器(蒸发能力 5kg /h)中，对
小球藻的喷雾干燥工艺进行了初步的放大，藻粉得
率约为 45.14%，基本符合实验室小试结果。由表 5
可见，喷雾干燥得到的藻粉含水率较高，干燥效果比
实验室小型喷雾干燥仪差，在温度高于 180℃时藻粉
含水率 ＜ 7%，蛋白质和叶绿素的含量分别达到
50.0%和 20.0mg /g Dcw 以上，品质完全符合藻粉质
量要求。
表 4 不同进风温度对藻粉品质的影响
Table 4 Quality of Chlorella powder influenced by
different inlet air temperatures
温度(℃)
活性物质
叶绿素(mg /g Dcw) 蛋白质(%)
湿藻体常温 31.33 60.85
170 21.08 58.12
185 20.38 58.01
200 20.58 57.66
3 结论
本文首次对小球藻藻粉的喷雾干燥进行了较为
系统的研究，并首次采用响应面法对小球藻粉的喷
雾干燥工艺参数进行了优化，建立的藻粉得率与进
料浓度、进风温度与进料速率三个因素的二次多项
数学模型具有显著性(P = 0.003) ，多元相关系数 R2
为 0.9884。通过 Design Expert 软件分析得到在最佳
进风温度 200℃，最佳进料浓度 77.8g /L 及最佳进料
速度 100mL /h 的工艺条件下，理论藻粉得率为
48.18%，与实测值 47.20%基本一致。此外，对于喷
雾干燥不同进风温度条件下的藻粉品质进行了检
测，结果表明在进风温度 170～200℃范围内，藻粉的
品质基本不受影响。最后，对小球藻藻粉的喷雾干
燥工艺进行了初步放大，藻粉蛋白质和叶绿素的含
量分别达到 50.0%和 20.0mg /g Dcw 以上，符合德国
著名小球藻生产公司 BlueBio 的标准。此外，对应用
本工艺制备的藻粉进行氨基酸组分分析，其中必需
氨基酸 /总氨基酸为 0.4，非必需氨基酸 /总氨基酸为
0.64，达到世界卫生组织(WHO)和美国食品药品监
督局(FAO)提出的必需氨基酸 /总氨基酸应为 0.4、
非必需氨基酸 /总氨基酸应在 0.6 以上的参考蛋白模
式［15］，满足了作为优质蛋白食物或饲料的要求。
参考文献
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展望［J］.生物工程进展，1998，18(6) :12－16.
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(下转第 271 页)
271
表 10 紫薯冻藏过程中总糖含量变化(%，珋x ± s，n = 3)
Table 10 Change of total sugar in purple sweet potato during freezing(%，珋x ± s，n = 3)
处理
冻藏时间(d)
鲜薯 14 30 60 90 120
真空 3.12 ± 0.01Aa 3.13 ± 0.02Aa 3.16 ± 0.01bAa 3.13 ± 0.02Aab 3.13 ± 0.02Aab 3.09 ± 0.02Aab
热烫 3.12 ± 0.01Aa 3.14 ± 0.01Aa 3.15 ± 0.01Ab 3.14 ± 0.02Aab 3.14 ± 0.02Aab 3.13 ± 0.01Acd
0.4%海藻酸钠 3.12 ± 0.01Aa 3.15 ± 0.03Aa 3.10 ± 0.02Ab 3.10 ± 0.01Ac 3.10 ± 0.01Ac 3.09 ± 0.01Aa
1.0%海藻酸钠 3.12 ± 0.01Aa 3.14 ± 0.01Aa 3.18 ± 0.01Aab 3.16 ± 0.01Abc 3.10 ± 0.02Aab 3.11 ± 0.02Ab
1.6%海藻酸钠 3.12 ± 0.01Aa 3.08 ± 0.02Aa 3.11 ± 0.01Ab 3.10 ± 0.01Aa 3.14 ± 0.01Aab 3.14 ± 0.02Ad
0.5%壳聚糖 3.12 ± 0.01Aa 3.11 ± 0.02Aa 3.15 ± 0.02Ab 3.15 ± 0.01Abc 3.09 ± 0.01Aab 3.10 ± 0.01Aa
0.8%壳聚糖 3.12 ± 0.01Aa 3.09 ± 0.02Aa 3.13 ± 0.01Ab 3.14 ± 0.01Abc 3.09 ± 0.02Aa 3.12 ± 0.02Abc
1.1%壳聚糖 3.12 ± 0.01Aa 3.16 ± 0.01Aa 3.16 ± 0.02Aab 3.14 ± 0.02Abc 3.10 ± 0.01Ab 3.10 ± 0.02Aab
膜护色后的样品淀粉含量减小最少，还原糖变化也
最小，处理效果较好。
3 结论
综合考虑紫薯的 PPO 活性、褐变强度、硬度、淀
粉含量、还原糖和总糖六个指标在冻藏过程中的变
化，八种护色处理方法中，用 1.6%的海藻酸钠涂膜
护色的样品，色泽保持较好，褐变强度也相对较小，
硬度保持最好，淀粉含量有所降低，还原糖含量有所
升高，口感较好。因此 1.6%的海藻酸钠涂膜护色再
经速冻后冻藏是最佳的紫薯丁制备工艺，保质期可
达 90d。
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