魯氏酵母發酵劑噴霧干燥參數優化及動力學研究

周亞男，楊宏志，李志江，趙婧，魏春紅，關琛

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶163319）

魯氏酵母發酵劑噴霧干燥參數優化及動力學研究

周亞男，楊宏志*，李志江*，趙婧，魏春紅，關琛

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶163319）

為制備魯氏酵母發酵劑，研究噴霧干燥工藝對魯氏酵母發酵劑活菌存活率的影響。通過單因素及正交試驗，確定最佳噴霧干燥工藝參數；以最重要因素進口溫度為基礎，研究噴霧干燥過程的動力學特性，應用SigmaPlot軟件構建理論與經驗結合的噴霧干燥動力學模型。結果顯示，魯氏酵母噴霧干燥工藝最優參數為進口溫度120℃、進料流量17%（蠕動泵轉速占比）、保護劑與菌泥比例1∶1（g/L）。在噴霧干燥過程中，活菌存活率符合Polynomial模型函數，在溫度范圍內，存活率變化符合二次線性函數模型。

魯氏酵母；噴霧干燥；參數；動力學模型

魯氏酵母（Zygosaccharomyces rouxii）作為傳統豆醬中增香的微生物，在豆醬的后期發酵過程中，協同球擬酵母（Torulopsis）、假絲酵母（Candida），對風味物質的產生發揮重要作用[1]。在自然條件下，豆醬釀造過程中微生物的種類及數量有限，將魯氏酵母發酵劑人工接種到豆醬后熟發酵階段中，可縮短周期，增加風味物質，提高企業經濟效益[2]。

目前，酵母菌發酵劑的制備方法主要采用真空冷凍干燥和噴霧干燥。真空冷凍干燥雖制備的菌種活力高，但一直存在產量低、費用昂貴和產品易結塊等缺點[3-4]。噴霧干燥法作為眾多工業生產中的重要工藝過程之一，具可連續操作、全自動化控制、對料液要求范圍廣、可工業化生產等優點[5-6]。同時，根據噴霧干燥原理，質量平衡、熱量平衡及熱量傳遞原理，可構建噴霧干燥動力學模型，對參數指標進行實施監測，可使整個干燥過程更方便快捷[7-8]。為使魯氏酵母生存的最大化，研究優化噴霧干燥工藝參數及建立動力學模型，可為提高發酵劑存活率提供數據參考。因此，本研究以魯氏酵母發酵劑為研究對象，應用單因素和正交試驗確定最佳工藝參數，并建立噴霧干燥過程動力學模型，為工業化生產魯氏酵母發酵劑提供理論基礎及數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魯氏酵母：中國工業微生物菌種保藏管理中心（編號：32899）；YPD液體培養基：青島高科技工業園海博生物技術有限公司；平板計數瓊脂：Xiya Reagent生物技術有限公司；海藻糖（食品級）：山東天力藥業有限公司；谷氨酸鈉（食品級）：Biosharp生物技術有限公司；脫脂乳粉（食品級）伊利乳業有限公司；氯化鈉（分析純）、葡萄糖（分析純）：天津市東麗區天大化學試劑廠；YPD液體培養基（蛋白胨20.0 g/L，葡萄糖20.0 g/L，酵母浸粉10.0 g/L）：青島高科技工業園海博生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

YG-003-20 L微生物發酵罐：上海洋格生物工程設備有限公司；XSP-C生物顯微鏡：重慶光學儀器廠；HZQ恒溫振蕩器：哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司；DRP-9082型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；LDZM立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫療器械廠；YM-6000Y小型噴霧干燥機：上海豫明儀器有限公司；DGG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥機：上海森信實驗儀器有限公司；R2140型分析天平：瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；Centrifuge 5403 R低溫離心機：Eppendorf生命科技有限公司；FA25model均質機：上海佛魯克流體機械制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酵母菌細胞總數測定

采用GB 4789.2-2010《食品安全國家標準食品微生物學檢驗菌落總數測定》[2]。

1.3.2 噴霧干燥條件單因素試驗

噴霧干燥進口溫度試驗：

采用進料流量13%（蠕動泵轉速占比）、保護劑與菌泥（水分）比例為4∶1（g/L）、進料溫度分別選擇 110、115、120、125、130℃進行試驗。酵母菌活率為檢驗指標。

噴霧干燥進料流量試驗：

采用進料溫度120℃、保護劑與菌泥比例為4∶1（g/L），進料流量分別選擇 12%、13%、14%、15%、1 6%進行試驗。酵母菌活率為檢驗指標。

噴霧干燥保護劑與菌泥比例試驗：

采用進料流量13%（蠕動泵轉速占比）、進料溫度120℃，保護劑與菌泥比例分別選擇 3∶1、1∶1、4∶1、8∶1、12∶1（g/L）進行試驗，酵母菌存活率為檢驗指標。

1.3.3 噴霧干燥正交試驗

根據單因素試驗對噴霧干燥工藝進行優化，分別選取進口溫度、進料流量、保護劑與菌泥比例進行三因素三水平的正交試驗。表1為噴霧干燥工藝優化試驗因素水平表。

表1 噴霧干燥工藝優化試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of spray drying process optimization test

1.3.4 驗證性試驗

以正交試驗優選的最佳條件進行重復性試驗，比較各試驗組存活率，分析判斷試驗的可重復性。

1.4 動力學數學模型

1.4.1魯氏酵母發酵劑噴霧干燥計算方程

在魯氏酵母噴霧干燥的過程中，以Gv來表示酵母菌存活率，計算公式為：

式中：Gt為干燥后發酵劑中活菌總數，CFU/g；GO初始活菌總數，CFU/g。

初始活菌總數可由式（2）確定：

式中：G液為經實驗室條件下液體培養對數期魯氏酵母活菌總數CFU/g。當活菌總數達到108CFU/g時予以應用。

1.4.2 平均換熱溫差計算方程

式中：△Tm為平均換熱溫差；△T1為加熱器入口端傳熱溫差；△T2出口端傳熱溫差。

2 結果與分析

2.1 噴霧干燥單因素試驗

2.1.1 不同進口溫度對魯氏酵母存活率的影響

不同進口溫度對存活率的影響如圖1所示。

圖1 進料溫度對發酵劑的影響Fig.1 Influence of inlet temperature on starter

在進口溫度為115℃時魯氏酵母發酵劑存活率達到最大，當進口溫度達到120℃時，存活率已呈現下降趨勢，隨著進口溫度的持續升高，魯氏酵母經受不住高溫，導致存活率下降，同時制得的發酵劑顏色由白色變至稍偏黃，伴有焦糊氣味產生。

2.1.2 不同進料流量對魯氏酵母存活率的影響

不同進料流量對魯氏酵母存活率的影響見圖2。

圖2 進料流量對發酵劑的影響Fig.2 Influence of injective flow on starter

如圖2所示，不同進料流量對存活率的影響。隨著進料流量的增大，存活率呈現先上升后下降的趨勢，隨著進料流量的增加，經霧化后的液滴數量也大量增加，熱空氣不能瞬間對霧滴進行干燥，導致發酵劑內的活菌數降低，影響發酵劑存活率。

2.1.3 不同保護劑與菌泥比例對魯氏酵母存活率的影響

如圖3所示，不同保護劑與菌泥配比對存活率的影響。隨著保護劑的增加，存活率呈現先上升后平緩下降的趨勢，保護劑含量過低，導致酵母菌在干燥過程中死亡，保護效果不理想，含量過高，粉狀顆粒中的菌體比例變小。影響發酵劑內的活菌數。

2.2 噴霧干燥工藝優化正交試驗結果

根據單因素試驗結果，設計三因素三水平正交試驗。試驗結果如2所示。

圖3 保護劑與菌泥比例對發酵劑的影響Fig.3 Influence of proportion of protectants cells

表2 正交試驗及結果Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

通過直觀分析法可得，在試驗選定的因素水平中RA>RC>RB，各因素對實驗結果影響水平由大到小的排列順序為A>C>B，最佳組合方式為A3B3C1，即進口溫度120℃、進料流量17%、保護劑與菌泥比例1∶1（g/L）時較好。

以進料溫度120℃、進料流量17%（蠕動泵轉速占比）、保護劑與菌泥比例1∶1（g/L）為條件進行驗證性試驗，結果魯氏酵母發酵劑活菌存活率為85%，高于正交試驗中的9個試驗組。

2.3 魯氏酵母發酵劑噴霧干燥過程模型

在噴霧干燥過程中，熱量和質量的傳遞過程是同時發生的[9-10]。霧滴和干燥介質接觸時，熱量是以對流的方式由空氣傳給液滴的，將空氣的顯熱轉化為潛熱[11-13]。加熱器的入口溫度直接影響干物料的水分蒸發含量，對于本研究發酵劑的制備，不但要考慮干物料的濕含量，更為重要的是考慮活菌的存活率[14-15]。根據單因素及正交試驗結果可得，進口溫度越高，發酵劑活菌存活率呈現先上升后下降的趨勢，同時，進口溫度是影響存活率的重要因素。故以進口溫度為研究對象，確定魯氏酵母發酵劑活菌存活率與加熱器進口溫度的相關性，在原物料初始濕基含量相同，進料流量17%，保護劑與菌泥配比1∶1（g/L），室溫條件下，可得不同進口溫度下，發酵劑內活菌總數、存活率、平均換熱溫差變化，如表3所示。

表3 魯氏酵母發酵劑噴霧干燥過程中初始活菌數和存活率值Table 3 The number of initial viable cells and the survival rate during the spray drying process of the yeast fermentation

對表中的數據進行線性回歸擬合，如圖4所示。

圖4表3中發酵劑活菌數（Gt）與平均換熱溫差（△Tm）的數據擬合Fig.4The number of viable bacteria viable（Gt）and the average heat transfer temperature difference（△Tm）data fitting in Table 3

可得式：

由于噴霧干燥在室溫條件下進行，根據噴霧干燥熱量衡算，△Tm為平均換熱溫差可用公式（3）表示計算。

根據公式（4）Gv為理論計算的存活率，與試驗數據有一定的差距，需引進校正系數k進行修正，并將式（3）與（5）式聯立，則存活率Gv可表示為：

采用Polynomial線性擬合的方法對公式（5）中的參數進行擬合，結果如表4所示。

表4 噴霧干燥動力學參數值Table 4 Parameter values of spray drying

2.4 魯氏酵母發酵劑噴霧干燥過程模型驗證

試驗存活率與理論計算曲線如圖5所示。

圖5 存活率隨平均換熱溫差變化的理論和試驗曲線Fig.5 Theory and Test Curve of Survival Rate with Mean Temperature Difference of Heat Transfer

從圖5可以看出，在溫度范圍內，存活率的試驗與模型理論計算曲線趨勢一致，起初隨著溫度的升高，存活率呈現上升趨勢，當△Tm為78時，對應T入：120℃；T出：48℃，此時試驗及理論存活率均達到最高。當溫度繼續升高，存活率呈現明顯下降趨勢，可以看出，過高的溫度對發酵劑活菌存活率影響較大。當△Tm較低時，噴霧干燥室內的熱空氣未能將霧滴表面的水分及時蒸發，導致干物料的濕含量增加，制備的發酵劑相對粘性較大，對活菌的存活率產生影響；當△Tm較高時，對應 T入、T出均升高，在 Tm為 86時，T出達到 53，幾乎達到酵母菌的生存極限，故過高的溫度對魯氏酵母發酵劑存活率有重要影響。通過圖5可得，理論模擬曲線與實際情況相符，所以公式（6）為魯氏酵母發酵劑噴霧干燥過程的動力學模型。

3 結論

本文研究了魯氏酵母發酵劑噴霧干燥工藝優化，建立了噴霧干燥過程動力學模型。通過單因素試驗和三因素三水平正交試驗，確定3個因素的主次關系式：進口溫度＞保護劑與菌泥比例＞進料流量，最佳參數為：進口溫度120℃、進料流量17%、保護劑與菌泥比例1∶1（g/L）。根據正交試驗結果，以進口溫度為研究對象，魯氏酵母發酵劑噴霧干燥過程符合Polynomial模型函數。在溫度范圍內，存活率變化符合二次線性函數模型，并通過試驗數據回歸得到模型中的各個系數。

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Parameters Optimization and Kinetics Study of Zygosaccharomyces rouxii with the Spray Drying Method

ZHOU Ya-na，YANG Hong-zhi*，LI Zhi-jiang*，ZHAO Jing，WEI Chun-hong，GUAN Chen
（College of Food，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，Heilongjiang，China）

In order to prepare the Zygosaccharomyces rouxii，the effect of spray drying on the survival rate of live yeast fermentation was studied.With the single factor and orthogonal test，the optimal parameters of the spray drying were constructed.Based on the most important factor of inlet temperature，the kinetic characteristics of the spray drying process were studied by the SigmaPlot software to construct the spray drying dynamics model together with theory and experience.The results indicated that the optimal spray drying parameter of the inlet temperature was 120℃，feed flow was 17%，ratio of preservative to bacteria was 1∶1（g/L）.During the spray drying process，the survivability of live bacteria was in accordance with the Polynomial model function，which the survival rate changed in line with the quadratic linear function model within the temperature range.

Zygosaccharomyces rouxii；spray drying process；parameters；Dynamic model

2017-04-21

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.036

大慶市指導性科技計劃項目“魯氏酵母高密度培養制備技術及其豆醬增香效果研究”（ZD-2016-154）；大慶市指導性科技計劃項目“魯氏酵母對面團發酵特性及焙烤食品品質影響研究”（ZD-2016-030）；大慶市指導性科技計劃項目“豆醬中大豆苷元和染料木黃酮提取純化及生物活性研究”（SZDFY-2015-33）；黑龍江八一農墾大學博士啟動基金項目（XDB 2015-08）；黑龍江八一農墾大學研究生創新科研項目（YJSCX2017-Y53）

周亞男（1993—），女（漢），碩士研究生，研究方向：農產品加工及貯藏工程。

*通信作者：楊宏志（1963—），男，教授，博士，研究方向：農產品加工及貯藏工程；李志江（1977—），男，副教授，博士，研究方向：食品發酵與釀造。