活性乳酸菌酸奶粉加工關鍵技術研究

李秀軍，王彥民，楊利剛，任會強，錢鐳，*

（1.黑龍江東方學院食品與環境工程學部，黑龍江哈爾濱150086；2．石家莊君樂寶乳業有限公司，河北石家莊050200）

活性乳酸菌酸奶粉加工關鍵技術研究

李秀軍1，王彥民2，楊利剛2，任會強2，錢鐳1，*

（1.黑龍江東方學院食品與環境工程學部，黑龍江哈爾濱150086；2．石家莊君樂寶乳業有限公司，河北石家莊050200）

建立活性乳酸菌酸奶粉加工技術參數。新鮮牛乳經過發酵后得出最佳乳酸菌活性產品，首先使用單因素試驗法選擇最佳酸奶粉噴霧干燥參數，再采用響應面法對所得試驗結果進行系統的優化，從而選定最佳發酵工藝條件如下：進風溫度149.2℃、出風溫度70.5℃、干物質含量35.8%、進料流量10.6 mL/min。該工藝條件下生產的產品活菌數較高，感官品質優良。

乳酸菌；噴霧干燥；菌種保護劑

牛奶由于其富含豐富的鈣、蛋白質及其他營養元素在人類的食譜中越來越被人們所重視[1]，使得牛奶不斷的在我們生活飲食中出現的比重增加[2]，牛奶的需求也在全球不斷的上漲，但是牛奶中含有大量的乳糖，而全世界乳糖不耐癥患者也占據了人口數量的30%[3]，而將牛乳進行發酵使得乳酸菌將乳糖進行分解轉化為乳酸，這樣就可以在保留原有營養成分的同時讓乳糖不耐癥患者放心食用，再者酸奶對于人體來說具有整腸、抗衰老、補鈣以及平衡人體腸道菌群等功能[4]，對人體的生長發育以及保持健康具有十分重要的意義，但是就我國目前來說，國土面積大，全程冷鏈不是十分發達，制約了酸奶的銷售半徑[5]。而酸奶粉的研究將會打破這一局面，酸奶在噴粉時加入菌種保護劑使得酸奶粉在保留原有營養成分的基礎上也可以保留足夠的活菌在復原之后具有新鮮酸奶的所有營養[6]。酸奶粉的研制有利于酸奶的全球化以及調節地區以及季節供應問題[7]，因此酸奶粉的研制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原奶：君樂寶優質牧場奶源；乳酸菌：保加利亞乳桿菌；嗜熱鏈球菌：丹麥hansen公司；試驗用水RO高純水；氫氧化鈉（分析純）：北京化工廠；酚酞指示液（分析純）；鹽酸（6 mol/L，分析純）：北京化工廠；硫酸銅（CuSO4·5H2O）分析純：北京化工廠；硫酸鉀（K2SO4）分析純：北京化工廠；移液槍：梅特勒瑞寧有限公司；蛋白胨：依維龍生物科技有限公司；牛肉膏：依維龍生物科技有限公司。

1.2 主要儀器與設備

GEA Niro Soavi均質機：意大利GEA NiroSoavi公司；電子天平：METLIER TOLEDO公司；p H計：上海康儀儀器有限公司；恒溫恒濕箱：上海博迅有限公司；分光光度計：上海精密科學儀器有限公司；電熱式水浴鍋：上海醫療器械五廠；電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；電子天平：梅特勒離心機：上海一恒科技有限公司；移液槍：梅特勒瑞寧有限公司；小型噴霧干燥器：意大利基伊埃公司；高壓泵：意大利基伊埃公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

乳酸菌酸奶粉工藝流程圖見圖1。

圖1 乳酸菌酸奶粉工藝流程圖Fig.1 Lactic acid bacteria yogurt powder process flow chart

1.3.2 發酵乳制備

選用新鮮牛奶，經前部分試驗得出使用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌為主要菌種，發酵時間5.12 h、發酵溫度42.90℃、菌種添加量3.12%為發酵主要參數，制成乳酸菌發酵乳。

1.3.3 測量方法

1.3.3.1 集粉率

集粉率=全部集粉質量/（酸奶固形物質量+其他輔料質量）

1.3.3.2 含水量

直接干燥法：取潔凈的稱量瓶，加入適量海沙及玻璃棒，在105℃干燥箱中干燥至恒重，取試樣5 g（精確到0.000 1 g）于稱量瓶中，在沸水浴中蒸干，放入105℃干燥箱中恒重。計算試樣中水分含量[8]。

1.3.3.3 菌種成活率

菌種成活率=酸奶粉中菌種數量/發酵結束酸奶中菌種數量[9]

1.3.3.4 感官評價

感官評定主要考慮4個方面的因素：產品色澤、組織狀態、滋味及氣味以及沖調性。感官評價表見表1。

1）色澤、組織狀態

取待評價樣品5 g在感官試驗室中，保持試驗室中燈光充足或者日光或充足，將待評價樣品放于硫酸紙上，放于感官試驗室評價臺，然后評定奶粉的色澤、組織狀態和干粉滋氣味。

2）沖調性和滋味及氣味的評定

表1 感官評價表Table 1 Sensory evaluation

a下沉時間

在試驗室中用量筒量取50℃～55℃的蒸餾水100 mL放入200 mL燒杯中，準確稱取待測酸奶粉13.6 g，稱取后將酸奶粉快速傾倒進200 mL燒杯中，立刻啟動秒表進行試驗記時[10]。待水面上的粉全部下沉后結束記時，記錄奶粉下沉時間。

b小白點、掛壁和團塊

在秒表計時結束后迅速對酸奶粉進行攪拌，攪拌速度為2周/s，該攪拌持續時間為45 s。然后觀察復原乳的掛壁情況；將復原乳（2 mL）傾倒黑色塑料盤中觀察小白點情況；最后觀察容器底部是否有不溶團塊。

c沖調后的滋氣味

首先用清水漱口，然后用鼻子聞酸奶粉復原奶氣味，最后喝一口（約5 mL）酸奶粉復原奶，仔細品嘗再咽下。

1.4 單因素試驗

1.4.1 噴霧干燥進風溫度對酸奶粉品質的影響

精準稱取發酵酸奶10.0 L經過過濾、預熱、均質、蒸發濃縮后加入高壓泵中，打入小型噴霧干燥器中，噴霧干燥器進料速度設定為10 mL/min，干物質含量為25%、出風溫度設定位70℃，進風溫度設定為140、145、150、155、160 ℃進行噴霧干燥取樣[11]。

1.4.2 噴霧干燥干物質含量對酸奶粉品質的影響

在最佳進風溫度的條件下進行，精準稱取發酵酸奶10.0 L經過濾、預熱、均質、蒸發濃縮后加入高壓泵，打入噴霧干燥器，進料速度設定為10 mL/min，出風溫度設定位70℃，干物質含量為20%、25%、30%、35%、40%進行噴霧干燥取樣。

1.4.3 噴霧干燥出風溫度對酸奶粉品質的影響

在最適進風溫度和最適干物質含量的條件下進行[12]，精準稱取發酵酸奶10.0 L經過濾、預熱、均質、蒸發濃縮后經高壓泵加入噴霧干燥器，設定出風溫度為55、60、65、70、75℃進行噴霧干燥取樣。

1.4.4 進料速度對酸奶粉品質的影響

在最適進風溫度、最適干物質含量、最適出風溫度的條件下進行，精準稱取發酵酸奶10.0 L經過濾、預熱、蒸發濃縮均質加入高壓泵當中然后打入入噴霧干燥器，進料速度設定為 6、8、10、12、14 mL/min 進行噴霧干燥取樣[13]。

1.4.5 響應面法優化工藝

根據單因素試驗的結果以加權總評分數為判定標準（權重以百分為基礎，含水量∶出粉率∶菌種成活率 ∶感官評定分數=17 ∶17∶30∶36），應用 Design Expert軟件進行Box-Behnken設計[14]影響條件的范圍并建立模型，見表2。

表2 試驗因素水平編碼表Table 2 Experimental factors level code table

1.5 菌種保護劑的選擇

本試驗在最佳進風溫度、最佳干物質含量及最佳進料速度的條件下進行，在酸奶發酵過程中加入菌種保護劑[15]，發酵后，精準稱取發酵酸奶10.0 L經過濾、預熱均質后加入噴霧干燥器[16]，計算不同進料速度的條件下酸奶產品的出粉率及菌種成活率。

1.5.1 脫脂乳粉對菌種存活率的影響[17]

在發酵過程中采用42℃、發酵時間5 h、菌種添加量3%為發酵條件，添加脫脂乳粉含量為8、10、12、14、16 g/L后進行發酵。發酵完畢后測量乳酸菌含量，并進行噴霧干燥試驗，試驗后測量產品中的活菌數計算活菌成活率。

1.5.2 麥芽糊精對菌種存活率的影響

在發酵過程中采用42℃、發酵時間5 h、菌種添加量 3%為發酵條件，添加脫脂乳粉含量為 1、2、3、4、5 g/L后進行發酵。發酵完畢后測量乳酸菌含量，并進行噴霧干燥試驗，試驗后測量產品中的活菌數計算活菌成活率。

1.5.3 葡萄糖對菌種存活率的影響

在發酵過程中采用42℃、發酵時間5 h、菌種添加量 3%為發酵條件，添加葡萄糖含量為 1、2、3、4、5 g/L后進行發酵。發酵完畢后測量乳酸菌含量，并進行噴霧干燥試驗，試驗后測量產品中的活菌數計算活菌成活率。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 進風溫度對酸奶粉質量的影響

進風溫度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響見圖2，進風溫度對酸奶噴霧干燥各指標的影響見圖3。

圖2 進風溫度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響Fig.2 Effect of air intake temperature on comprehensive scanning of yoghurt spray drying

圖3 進風溫度對酸奶噴霧干燥各指標的影響Fig.3 Effect of inlet air temperature on each indicator of spray drying of yogurt

由圖2可以看出在進風溫度升高的過程中酸奶噴霧干燥的總評分在快速升高，在150℃后開始下降。由圖3可以看出進風溫度升高的過程中含水量不斷降低，集粉率不斷下降與歐陽琨[18]所得結論基本符合，但乳酸菌數量和感官評價分數都是先增高后降低，在140℃和145℃之間噴出的酸奶粉在水分含量上都相對較高，大于4%，而高于155℃后酸奶粉含水量過低，奶粉沉淀下沉時間增加，在150℃含水量為3.12%，達到可接受水平，在集粉率方面在160℃時達到最低為80.65%，15℃最高為86.77%，且此時乳酸菌含量也偏低，而140℃時集粉率與145℃很高都在86%左右，而140℃時水分含量較高，對酸奶粉的保存容易產生影響。在乳酸菌數量上150℃含有活性乳酸菌最高，所以進風溫度選擇150℃。

2.1.2 出風溫度對酸奶粉質量的影響

出風溫度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響見圖4，出風溫度對酸奶噴霧干燥各指標的影響見圖5。

圖4 出風溫度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響Fig.4 Effect of ventilation temperature on comprehensive score of soybean powder spray drying

圖5 出風溫度對酸奶噴霧干燥各指標的影響Fig.5 Effect of ventilation temperature on each indicator of spray drying of yogurt

由圖4可知在出風溫度不斷升高的過程中，酸奶粉的綜合評分呈現先緩步升高，再70℃后綜合評分出現下降趨勢。

在圖5中可以看出在出風溫度不斷升高的過程中，酸奶粉的集粉率在緩步下降，酸奶粉中活性乳酸菌數則是急速下降，含水量也呈下降趨勢，只有感官分數在70℃之前呈現上升趨勢，然后逐漸下降。集粉率隨著出風溫度的變化呈現緩步的下降，65℃后集粉率出現平緩狀態，出粉率隨著溫度的提高改變較小，而含水量也在隨著出風溫度的提高而降低，當出風溫度為70℃時，含水量為2.98%，達到理想效果，75℃時集粉率較低[19]，且乳酸菌活菌數也處于最低水平，所以出風溫度選擇70℃為最佳。

2.1.3 干物質含量對酸奶粉質量的影響

干物質含量對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響見圖6，干物質含量對酸奶噴霧干燥各指標的影響見圖7。

由圖6可以看出在干物質含量不斷增加的過程中，酸奶粉的綜合評分在35%之前不斷上升，當干物質含量達到35%后，綜合分數出現下降趨勢。

圖6 干物質含量對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響Fig.6 Effects of dry matter content on comprehensive evaluation of yoghurt spray drying

圖7 干物質含量對酸奶噴霧干燥各指標的影響Fig.7 Effects of dry matter content on each indicator of the spray drying of yogur

由圖7可知在奶粉的噴霧干燥中，隨著干物質含量的增加奶粉的集粉率成先上升后降低的趨勢，且水分含量呈現不斷降低的趨勢在35%時達到最佳，35%后酸奶粉水分含量過低，使得其產品沉淀下沉時間延長，達不到良好的速溶性，而菌種成活率也在隨著干物質含量的增加而增加，但綜合感官指標的評分，在35%時酸奶粉綜合指標達到最好，所以干物質含量選擇35%為最佳。

2.1.4 進料速度對酸奶粉質量的影響

進料速度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響見圖8，進料速度對酸奶噴霧干燥各指標的影響見圖9。

圖8 進料速度對酸奶噴霧干燥綜合評分的影響Fig.8 Effect of feeding speed on comprehensive scanning of yoghurt spray drying

由圖8可知，酸奶粉噴霧干燥總評分數隨著進料流量的增加呈現先增加后降低的趨勢。在10 mL/min左右達到最佳值。

圖9 進料速度對酸奶噴霧干燥各指標的影響Fig.9 Effect of feeding speed on each indicator of spray drying of yogurt

由圖9可以看出隨著進料流量的不斷加大產生的酸奶粉的集粉率呈現緩慢上升趨勢，而在進料速度不斷增加的過程中，產品的含水量也在不斷增加，最后使得產品中的水分含量不能達到要求，而在圖中可以看出活菌數也在不斷的增加，但是綜合考慮在進料速度達到10 mL/min時產品的感官評分最高，同時該點也滿足的了產品的水分含量。所以進料速度選擇10 mL/min為最佳。

2.2 響應面試驗設計與結論

2.2.1 響應面試驗安排

試驗設計與試驗結果見表3。

表3 試驗設計與試驗結果Table 3 Response surface design arrangement and experimental results

續表3 試驗設計與試驗結果Continue table 3 Response surface design arrangement and experimental results

2.2.2 響應面試驗設計及分析

利用Design Expert[20]對表3的數據進行二次多項式擬合，獲得進風溫度A、出風溫度B、干物質含量C、進料流量D二次回歸方程：R=92.8+2.75×A+0.50×B+0.42×C-1.00×D-0.5×A×B+0.45×A×C-3.75×A×D+3.75×B×C+1.25×B×D+0.50×C×D-12.23×A2-10.11×B2-7.73×C2-5.11×D2

試驗結果方差分析表見表4。

表4 試驗結果方差分析表Table 4 Variance analysis of fiited regression model

由表4方差分析可知，模型P值（=0.023 6）小于0.05，此時回歸方差模型是高度顯著的，因此這種試驗方法是可靠的。決定系數R2=0.867 9，說明回歸方程的擬合程度較好。

表4可以看出，影響酸奶噴霧干燥品質大小的因素次序為 A＞D＞B＞C，即進風溫度、進料速度、出風溫度、干物質含量。其中進風溫度是影響酸奶粉質量的最主要因素，而干物質含量對酸奶噴霧干燥產品品質的影響較小。

四因素之間的交互作用見圖 10、11、12、13、14、15所示。

在干物質含量35%，進料速度為10 mL/min時，進風溫度與出風溫度對奶粉加權總評分數的影響見圖10，當進風溫度不變時，總分數R1隨著出風溫度的增加先增加后減少，當到達70℃時達到最高值，當出風溫度不變時，隨著進風溫度的增加R1先增加后減少，在150℃時到達最大值。

圖10 進風溫度與出風溫度的交互作用圖Fig.10 The interaction between the inlet air temperature and the outlet temperature

當進風溫度為150℃，進料速度為10 mL/min時，干物質含量與出風溫度對奶粉加權總評分數的影響見圖11，當出風溫度不變時，總分數R1隨著干物質含量的增加先增加后減少，成坡度變化，當干物質含量到達35%時R1達到最高值，當干物質含量不變時，隨著出風溫度的增加R1先增加后減少，在70℃時到達最大值。

圖11 出風溫度與干物質含量的交互作用圖Fig.11 The interaction between air temperature and dry matter content

圖12 進風溫度與干物質含量的交互作用圖Fig.12 The interaction between inlet air temperature and dry matter content

圖13 出風溫度與進料流量的交互作用圖Fig.13 The interaction between air temperature and dry matter content

圖14 干物質含量與進料流量的交互作用圖Fig.14 The interaction between dry matter content and feed flow

圖15 進風溫度與進料流量的交互作用圖Fig.15 The interaction between inlet air temperature and feed flow

當出風溫度為70℃，進料速度為10 mL/min時，干物質含量與進風溫度對奶粉加權總評分數的影響見圖12，當進風溫度不變時，總分數R1隨著干物質含量的增加先增加后減少，成坡度變化，當干物質含量到達35%時R1達到最高值，當干物質含量不變時，隨著進風溫度的增加R1先增加后減少，在150℃時到達最大值。

由圖13知當進風溫度為150℃，干物質含量為35%時，出風溫度與進料流量對奶粉加權總評分數的影響見圖，當出風溫度不變時，總分數R1隨著進料流量的增加先逐漸增加再緩慢下降，成小坡度變化，當進料流量到達10 mL/min時R1達到最高值，當進料流量不變時，隨著出風溫度的增加R1先增加后減少，在70℃時到達最大值。

當進風溫度為150℃，出風溫度為70℃時，干物質含量與進料流量對奶粉加權總評分數的影響見圖14，當干物質含量不變時，總分數R1隨著進料流量的增加先增加后減少，成坡度變化，當進料流量達到10 mL/min時R1達到最高值，當干物質含量進料流量不變時，隨干物質含量的增加R1先增加后減少，在35%時到達最大值。

當出風溫度為70℃，干物質含量為35%時，進風溫度與進料流量對奶粉加權總評分數的影響見圖15，當進風溫度不變時，總分數R1隨著進料流量的增加先增加后減少，成坡度變化，當進料流量達到10 mL/min時R1達到最高值，當進料流量不變時，隨著進風溫度的增加R1先增加后減少，在150℃時到達最大值。

為得到優化的工藝參數，模型方程求一階偏導，獲得最佳工藝參數：進風溫度149.2℃、出風溫度70.5℃、干物質含量35.8%、進料流量10.6 mL/min。

2.2.3 驗證試驗

在響應面試驗得到的優化工藝條件下進行試驗[21]，重復3次，平均最佳評分93分，與模型預測值相似，說明模型合理。

2.3 菌種保護劑的選擇

2.3.1 脫脂乳粉對酸奶粉活菌數的影響

脫脂乳粉對酸奶粉活菌數的影響見圖16。

圖16 脫脂乳粉添加量對乳酸菌成活率的影響Fig.16 Effect of skimmed milk powder on survival rate of lactic acid bacteria

由圖16可知，當隨著菌種保護劑的加入乳酸菌活菌數的量在不斷增加。從加入8 g/L的21%增加到加入14 g/L時的36%，但是在加入劑量達到14 g/L后菌種成活率變化不明顯。

2.3.2 麥芽糊精對酸奶粉活菌數的影響

麥芽糊精添加量對乳酸菌成活率的影響見圖17。

圖17 麥芽糊精添加量對乳酸菌成活率的影響Fig.17 Effect of maltodextrin on the survival rate of lactic acid bacteria

由圖17可知，當隨著麥芽糊精菌種保護劑[22]的加入乳酸菌活菌數的量在不斷增加。從加入1 g/L時的1.5%增加到加入5時的6.7%，但是在加入劑量達到4 g/L后菌種成活率變化不明顯。

2.3.3 葡萄糖對對酸奶粉活菌數的影響

葡萄糖添加量對乳酸菌成活率的影響見圖18。

圖18 葡萄糖添加量對乳酸菌成活率的影響Fig.18 Effect of glucose addition on survival rate of lactic acid bacteria

由圖18可知，當隨著葡萄糖菌種保護劑的加入乳酸菌活菌數的量在不斷增加。從加入1 g/L時的1.7%增加到加入5時的21%，但是在加入劑量達到4 g/L后菌種成活率變化不明顯。

綜上所述在加入菌種保護劑的過程中對于乳酸菌酸奶粉中乳酸菌的保護作用是具有一定的效果的[23]，其中加入脫脂乳粉影響效果最大。所以在實際生產的過程中選擇脫脂乳粉作為菌種保護劑為最佳保護劑。

3 結論

通過但因素試驗，確定了進風溫度、出風溫度、干物質含量、進料速度對乳酸菌酸奶粉品質的影響。采用Box-Behnken試驗對噴霧干燥的條件進行優化，得出優化條件為：進風溫度149.2℃、出風溫度70.5℃、干物質含量35.8%、進料流量10.6 mL/min。通過單因素試驗得出脫脂乳粉為最佳菌種保護劑，添加量為14 g/L時產品中乳酸菌活菌數達到39%。

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Study on Processing Key Technology of Active Lactic Acid Yogurt Powder

LI Xiu-jun1，WANG Yan-min2，YANG Li-gang2，REN Hui-qiang2，QIAN Lei1，*
（1．Food and Environment Engineering Faculty，East University of Heilongjiang，Harbin 150086，
Heilongjiang，China；2.Shijiazhuang Junlebao Dairy Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050200，Hebei，China）

The processing technology parameters of lactic acid bacteria yoghurt powder was established in this study.The optimum fermentation conditions were determined by the method of response surface method，and the optimum fermentation conditions were selected by the method of single factor experiment.The optimum fermentation conditions were selected by the method of response surface method.As followed：into the air temperature of 149.2℃，the outlet temperature of 70.5℃，dry matter content of 35.8%，feed flow 10.6 mL/min.Under the conditions of the process，the number of viable products is high and the sensory quality is excellent.

lactic acid bacteria；spray dry；strain protection agent

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.022

黑龍江省教育廳科學技術研究（指導）項目（12533047）

李秀軍（1991—），男（漢），碩士，研究方向：乳品工程。

*通信作者：錢鐳（1981—），男（漢），副教授，博士，研究方向：乳品工程。

2017-05-15