乳酸雙歧桿菌噴霧干燥工藝研究

付博，馬齊，王衛(wèi)衛(wèi)

(1.陜西省科學(xué)院酶工程研究所，西安 710600；2.西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安 710069)

乳酸雙歧桿菌噴霧干燥工藝研究

付博1，馬齊1，王衛(wèi)衛(wèi)2

(1.陜西省科學(xué)院酶工程研究所，西安 710600；2.西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安 710069)

為有效保證乳酸雙歧桿菌在生產(chǎn)、消費(fèi)及貯藏過程中的菌體活性，利用噴霧干燥法制備雙歧桿菌微膠囊，深入研究了噴霧干燥過程中的工藝參數(shù)。通過壁材選擇及相關(guān)工藝參數(shù)的正交分析，結(jié)果表明：噴霧干燥過程中的最佳壁材質(zhì)量濃度為100 g/L，包括β-環(huán)糊精與阿拉伯樹膠粉，且質(zhì)量比為4∶6，芯材質(zhì)量濃度60 g/L，包括海藻糖20 g/L，甘露醇20 g/L，菌泥25 g/L和抗壞血酸0.01 g/L。最佳工藝參數(shù)為進(jìn)風(fēng)溫度（108±2）℃，排風(fēng)溫度（61±3）℃，塔壁溫度（50±3）℃及霧化器轉(zhuǎn)速17 000 r/min。在此工藝條件下菌粉的活菌數(shù)為3.4×109g-1，存活率72.12%，包埋率75.88%。

乳酸雙歧桿菌，噴霧干燥，工藝

0 引言

雙歧桿菌（Bifidobacterium）是普遍存在于人體和哺乳動(dòng)物腸內(nèi)的重要生理性細(xì)菌之一，并逐漸應(yīng)用于功能性食品、保健品及醫(yī)療免疫產(chǎn)品的開發(fā)和使用[1-2]。但是，雙歧桿菌營養(yǎng)要求苛刻、對氧氣和酸度比較敏感，其活菌制劑的保藏期短[3]。目前，國內(nèi)外多利用微膠囊技術(shù)來解決這一難題[4，5]。

微膠囊技術(shù)主要包括：擠壓法、乳化法、噴霧干燥法和空氣懸浮法等[5]。其中噴霧干燥法成本低、適用性廣、工藝簡單，更適宜在食品工業(yè)中推廣應(yīng)用[6]，本次研究主要利用了β-環(huán)糊精和阿拉伯樹膠粉作為噴霧干燥過程中的包埋壁材，選擇適宜組分作為包埋芯材，并對進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度、塔壁溫度和進(jìn)樣流速等工藝參數(shù)進(jìn)行研究，最終確定了雙歧桿菌活菌率較高的噴霧干燥最佳操作工藝流程。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與試劑

乳酸雙歧桿菌（Bifidobacterium lactis）?；罨N用改良TPY液體培養(yǎng)基[3]。發(fā)酵及活菌計(jì)數(shù)培養(yǎng)基[7-8]。

β-環(huán)糊精、海藻糖、甘露醇、阿拉伯樹膠粉（均為食品級）。

1.2 儀器與設(shè)備

QPG-1噴霧干燥機(jī)，噴霧干燥中試設(shè)備（水分蒸發(fā)量為40 kg/h）。

1.3 方法

1.3.1 菌種活化與菌泥制備

將乳酸雙歧桿菌菌粉接種改良的TPY培養(yǎng)液，37℃培養(yǎng)14 h?；罨?代，轉(zhuǎn)接發(fā)酵培養(yǎng)液，接種量5%，發(fā)酵時(shí)間20 h。取發(fā)酵液，4 000 r/min，離心5 min，棄上清液得菌泥[9]。

1.3.2 壁材的選擇[1,10，11]

選用明膠/蔗糖、阿拉伯樹膠粉/麥芽糊精、β-環(huán)糊精/明膠、β-環(huán)糊精/阿拉伯樹膠粉4種組合壁材，設(shè)計(jì)質(zhì)量比分別為1︰9，2︰8，3︰7，4︰6；壁材質(zhì)量濃度為60，90，120 g/L；利用QPG-1噴霧干燥機(jī)，進(jìn)風(fēng)溫度140±3℃，芯材質(zhì)量濃度60 g/L進(jìn)行噴霧干燥[3]。觀察噴霧菌粉的物理狀態(tài)，并采用雙層平板菌落計(jì)數(shù)法測活菌數(shù)[12]，篩選最佳包埋壁材。

1.3.3 壁材和芯材及不同條件對菌體存活率的影響

以壁材質(zhì)量濃度、芯材質(zhì)量濃度、處理溫度和處理時(shí)間為實(shí)驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。確定噴霧干燥過程中壁材質(zhì)量濃度和芯材質(zhì)量濃度的最佳組合，檢驗(yàn)在熱處理過程中4種試驗(yàn)因素對菌體的存活率影響能力。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平表

1.3.4 噴霧干燥工藝參數(shù)的確定

梯度設(shè)置進(jìn)風(fēng)溫度、調(diào)節(jié)控制排風(fēng)溫度、在最佳包埋壁材和芯材條件下利用我所自行研制的噴霧干燥中試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。雙層平板菌落計(jì)數(shù)法對噴霧干燥后的菌粉進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)，根據(jù)活菌數(shù)的多少確定最佳工藝參數(shù)。

1.3.5 產(chǎn)品質(zhì)量檢測

噴霧干燥后菌粉的存活率及包埋率的測定[13-15]：取噴霧干燥后的微膠囊樣品各1 g，分別置于99 mL的緩沖液（pH=4.0）和腸溶液（pH=6.8），37℃恒溫水浴振蕩，處理45 min，活菌計(jì)數(shù)分別為微膠囊表面的活菌數(shù)和產(chǎn)品中的活菌數(shù)。

噴霧干燥后菌粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，方法參照GB/T 5009.3-2003。將噴霧干燥后的菌粉置于4℃儲(chǔ)藏30 d、60 d、90 d，檢測噴霧干燥菌粉的活菌數(shù)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳壁材的確定

QPG-1噴霧干燥機(jī)在進(jìn)行噴霧操作過程中，要求加樣液體密度大于1。因此，在對包埋壁材進(jìn)行選擇時(shí)，首先對明膠/蔗糖、阿拉伯樹膠粉/麥芽糊精、β-環(huán)糊精/明膠、β-環(huán)糊精/阿拉伯樹膠粉4種組合壁材的質(zhì)量濃度和配比進(jìn)行了篩選，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，當(dāng)組合壁材的質(zhì)量濃度為60 g/L時(shí)，4組液體密度均小于1，沒有達(dá)到操作要求，故排除。當(dāng)組合壁材的質(zhì)量濃度為90 g/L時(shí)，除明膠/蔗糖（1︰9）外，密度均大于1，達(dá)到操作要求。當(dāng)組合壁材的質(zhì)量濃度為120 g/L時(shí)，β-環(huán)糊精隨著添加量的增加而飽和度降低，有少量析出，故排除該質(zhì)量濃度下的③和④組。

在噴霧干燥過程中，對加樣液體的一般要求是“高濃度、低黏度”[1]，同時(shí)考慮到小型噴霧干燥機(jī)的工作性能，最終擇優(yōu)選擇了8組壁材在進(jìn)風(fēng)溫度（140± 3）℃，芯材質(zhì)量濃度60 g/L[3]條件下，利用QPG-1噴霧干燥機(jī)，進(jìn)行了噴霧干燥，并對收集的純菌粉進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，當(dāng)壁材為明膠/蔗糖時(shí)，干燥后的菌粉粘壁現(xiàn)象比較嚴(yán)重，粉體易結(jié)塊且堵塞噴嘴，極大的降低了產(chǎn)品中的活菌數(shù)，不適于推廣使用。而其他壁材保護(hù)雙歧桿菌得到的菌粉，粉粒較細(xì)，基本沒有粘壁和堵塞噴嘴的現(xiàn)象。最終根據(jù)活菌數(shù)的多少，確定最佳壁材組合為β-環(huán)糊精/阿拉伯樹膠粉，配比為4︰6。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果一致，穩(wěn)定性較好。

2.2 正交試驗(yàn)

噴霧干燥過程對雙歧桿菌的存活率有很大的影響，一方面要通過包埋克服熱風(fēng)和氧氣對菌體的損傷，另一方面還要盡量提高工作效率，減少操作時(shí)間。為了節(jié)約生產(chǎn)成本，在進(jìn)行大規(guī)模噴霧干燥之前，首先利用水浴法對壁材質(zhì)量濃度、芯材質(zhì)量濃度、處理溫度和處理時(shí)間進(jìn)行了3水平4因素的正交實(shí)驗(yàn)，并利用雙層平板菌落計(jì)數(shù)法測定活菌數(shù)，進(jìn)而對菌體存活率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

可見，壁材質(zhì)量濃度、芯材質(zhì)量濃度、處理溫度和處理時(shí)間對雙歧桿菌的存活率影響存在明顯差異，影響能力依次為處理時(shí)間＞處理溫度＞芯材質(zhì)量濃度＞壁材質(zhì)量濃度，最優(yōu)處理組合為A3B2C1D1。雖然噴霧干燥過程中的干燥時(shí)間僅有5～35 s左右[15]，但是對雙歧桿菌存活率影響最為顯著的因素仍然是處理時(shí)間和處理溫度，因此，為了更好的提高菌體存活率和活菌數(shù)，在噴霧干燥過程中應(yīng)盡量調(diào)低進(jìn)風(fēng)溫度、減少菌粉在塔內(nèi)的存留時(shí)間。最終確定最佳的壁材質(zhì)量濃度為100 g/L，芯材質(zhì)量濃度為60 g/L，芯材組合參考文獻(xiàn)[3]確定為海藻糖20 g/L，甘露醇20 g/L，菌泥25 g/L和抗壞血酸0.01 g/L。

表2 壁材的濃度和配比篩選

表3 在不同組分配比的壁材保護(hù)下噴霧干燥后產(chǎn)品的活菌數(shù)g-1

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 溫度及流速對活菌數(shù)的影響

利用上述試驗(yàn)確定的最佳壁材100 g/L（β-環(huán)糊精與阿拉伯樹膠粉，質(zhì)量比為4:6），芯材60 g/L（海藻糖20 g/L，甘露醇20 g/L，菌泥25 g/L和抗壞血酸0.01 g/L）配制料液，在我所自行研制的噴霧干燥中試設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。梯度設(shè)置進(jìn)風(fēng)溫度，排風(fēng)溫度通過流速進(jìn)行調(diào)節(jié)，結(jié)果顯示，隨著進(jìn)風(fēng)溫度和排風(fēng)溫度的降低，活菌數(shù)逐漸升高（表5）。

表5 溫度與流速對噴霧干燥菌粉活菌數(shù)的影響

由表5可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度從150℃逐漸調(diào)節(jié)到110℃，通過流速的控制排風(fēng)溫度從（85±3）℃降低到（61±3）℃，菌粉的活菌數(shù)提高了2個(gè)數(shù)量級。因此，在噴霧干燥過程中為保證高活菌數(shù)，應(yīng)將進(jìn)風(fēng)溫度適當(dāng)降低，同時(shí)通過流速控制排風(fēng)溫度，并維持在低溫度范圍。

當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為（108±2）℃，排風(fēng)溫度（61±3）℃，塔壁溫度（50±3）℃，流速為600 mL/min時(shí)，噴霧干燥后活菌數(shù)最高，達(dá)3.4×109g-1，經(jīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果一致，工藝參數(shù)穩(wěn)定。

2.4 噴霧干燥后乳酸雙歧桿菌菌粉的檢測結(jié)果

經(jīng)計(jì)算噴霧干燥后菌粉的存活率為72.12%，微膠囊包埋率為75.88%；參照GB/T 5009.3-2003方法，測定菌粉水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.9%。將噴霧干燥后的菌粉置于4℃儲(chǔ)藏30，60，90 d；結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，隨儲(chǔ)藏時(shí)間的延長菌粉活力緩慢下降，但是4℃儲(chǔ)藏90 d時(shí)菌粉的活菌數(shù)僅降低了一個(gè)數(shù)量級，產(chǎn)品的穩(wěn)定性較好，噴霧干燥法制備的乳酸雙歧桿菌菌粉的活菌保藏期延長。

表6 噴霧干燥菌粉4℃保藏時(shí)間結(jié)果

3 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，噴霧干燥法制備雙歧桿菌微膠囊具有很多優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)成本低、效率高，有成套的設(shè)備可供利用且操作控制簡單，生產(chǎn)中不會(huì)排放大量污染物等，這些都為大規(guī)模連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)提供了便利條件[6,16]。目前針對雙歧桿菌噴霧干燥工藝的研究并不多見，而在真空冷凍領(lǐng)域的研究相對比較多[17，18]。

本研究主要對乳酸雙歧桿菌在噴霧干燥過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，分別利用了QPG-1小型噴霧干燥設(shè)備和我所自行研制的噴霧干燥中試設(shè)備。小型噴霧干燥設(shè)備處理量小，500 mL料液的噴霧干燥約進(jìn)行3～4 h，適宜實(shí)驗(yàn)室篩選研究。我所自行研制的噴霧干燥中試設(shè)備處理量大，10 L料液噴霧干燥過程還不到20 min，而且菌粉不粘壁，得率高。最終確定的最佳工藝：發(fā)酵液4 000 r/min，離心5 min取菌泥，將包埋壁材和芯材充分混合均勻，靜置30 min，然后進(jìn)行噴霧干燥。進(jìn)風(fēng)溫度為（108±2）℃，排風(fēng)溫度為（61±3）℃，塔壁溫度為（50±3）℃，霧化器轉(zhuǎn)速為17 000 r/min。其中最佳壁材100 g/L（β-環(huán)糊精與阿拉伯樹膠粉，質(zhì)量比為4︰6），芯材60 g/L（海藻糖20 g/L，甘露醇20 g/L，菌泥25 g/L和抗壞血酸0.01 g/L）。此工藝條件下制備的乳酸雙歧桿菌的活菌數(shù)3.4×109g-1，存活率72.12%，微膠囊包埋率75.88%，菌粉水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.9%，4℃保藏90 d活菌數(shù)仍可達(dá)到2.9×108g-1。經(jīng)重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果一致，工藝參數(shù)的穩(wěn)定性好，因此可以為雙歧桿菌噴霧干燥微膠囊產(chǎn)品的開發(fā)、研究及推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供指導(dǎo)和借鑒。

[1]RODRIGUEZ-HUEZO M E,DURAN-LUGO R,PRADOBARRAGAN L A.,et al.Pre-selection of Protective Colloids for Enhanced Viability of Bifidobacterium bifidum Following Spray-Drying and Storage,and Evaluation of Aguamiel as Thermoprotective Prebiotic[J].Food Research International，2007,40(10):1299-1306.

[2]PALACIOS M C,HAROS M,ROSELL C M,et al.Selection of Phytate-Degrading Human Bifidobacteria and Application in Whole Wheat Dough Fermentation[J].Food Microbiology，2008,25(1):169-176.

[3]郝瑩.不同劑型雙歧桿菌制劑的制備技術(shù)及存活性能的研究[D].西安:西北大學(xué),2009.

[4]ZHAO M,ZHANG F,WANG W,et al.Preparation Technology of Bifidobacterium bifidum Freeze-Dried Powder and Microencapsulation and Study on its Characters[J].Journal of Biotechnology，2008, 136(1):514.

[5]李良,魏慶梅,杜鵬,等.雙歧桿菌微膠囊技術(shù)及應(yīng)用[J].中國乳品工業(yè), 2006,34(5):39-42.

[6]李寧,田洪濤,吳蕊,等.雙歧桿菌微膠囊噴霧干燥工藝的影響因素研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2007,33(8):89-91.

[7]曹永梅,許時(shí)嬰.微膠囊化雙歧桿菌產(chǎn)品的特性[J].食品工業(yè)，2001 (3):28-29.

[8]SZILARD K,JUDIT M R,QUANG D N,et al.Changes of Microbial Population and some Components In Carrot Juice During Fermentation with Selected Bifidobacterium Strains[J].Process Biochemistry，2008,43:816-821.

[9]田洪濤,張柏林,賈英民.提高雙歧桿菌在離心過程中活菌收得率的研究[J].食品科學(xué)，2000,21(6):27-30

[10]孫俊良,趙瑞香,王大紅,等.嗜酸乳桿菌真空噴霧干燥微膠囊化技術(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006,22(5):161-164.

[11]趙瑞香.嗜酸乳桿菌及其應(yīng)用研究[M].北京:科學(xué)出版社,2007: 150-166.

[12]沈萍,范秀容,李廣武.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.北京:高等教育出版社,2003:77-80.

[13]黃序.微膠囊技術(shù)及片劑包衣技術(shù)在雙歧桿菌保護(hù)中的應(yīng)用[D].天津:天津科技大學(xué),2002.

[14]黃序,戚薇,王建玲,等.腸溶性雙歧桿菌微膠囊的初步研究[J].藥物生物技術(shù),2002,9(2):105-109.

[15]李寧.雙歧桿菌微膠囊制備工藝及功能特性的研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[16]劉繪景,陸海霞,樓加佳,等.噴霧干燥對雙歧桿菌存活影響的研究[J].食品與機(jī)械,2004,20(3):11-12,22.

[17]BRIAN C S T,MARK R E.Spray Drying,Freeze Drying,or Freezing of Three Different Lactic Acid Bacteria Species[J].Food Science,1997,62(3):576-578.

[18]郝瑩,王衛(wèi)衛(wèi),馬齊,等.凍干乳酸雙歧桿菌微膠囊的制備及存活性能研究[J].食品科學(xué),2009,30(9):163-167.

Spray drying technics of Bifidobacterium lactis

FU Bo1,MA Qi1,WANG Wei-wei2
(1.Enzyme Engineering Institute,Shanxi Academy of Sciences,Xi’an 710600,China; 2.College of Life Science,Northwest University,Xi’an 710069,China)

Spray drying of microencapsulation was used to effectively protect the activity of Bifidobacterium lactis during the production and storage,and technics parameters were also tested.Through wall material selection and orthogonal analysis of relevant parameters，the results showed that the best mass concentration of wall-material was 100 g/L,including β-cyclodextrin and gum acacia,and the mass ratio was 4∶6.The mass concentration of core-material was 60 g/L,include trehalose 20 g/L,mannitol 20 g/L,bacteria mire 25 g/L and ascorbic acid 0.01 g/L.The best inlet air temperature was 108±2℃,outlet air temperature was 61±3℃,and tower wall temperature was 50±3℃.Atomizer speed was 17 000 r/min.Under the optimized conditions,the survival bacteria number were over 3.4×109cfu/g,survival rate was 72.12%and encapsulation efficiency was 75.88%.

Bifidobacterium lactis;spray drying;technics

Q93-33

A

1001-2230（2011）05-0010-04

2011-03-31

陜西省科學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(2010k-26)。

付博(1982-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p歧桿菌活菌制劑開發(fā)。