響應面法優化噴霧干燥制備乳酸菌發酵枸杞粉工藝

程浩，秦小彤，熊 濤

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

近年來，隨著對健康食品需求的增加使得新型功能性產品得到迅速發展，出現了大量非乳制品基功能性產品，益生菌發酵果蔬汁就是其中之一。使用乳酸菌將果蔬汁制成發酵飲料能夠在保留原有果蔬特有風味的同時，改良口感并賦予其更高的營養價值［1-2］。但是含活菌的發酵果蔬汁貨架期較短，且需在冷鏈下流通，而將其制成發酵果蔬粉則能夠延長保質期，降低運輸成本。果蔬粉可以應用于食品加工的各個行業，如飲料、食品、醫藥保健品等［3］。

使用噴霧干燥技術制備發酵果蔬粉具有能耗低，處理量較大且易于放大等優點。但由于富含低分子量糖，果蔬汁在噴霧干燥過程中粘壁嚴重，產品中含水量較高［4］。同時，整個工藝過程中益生菌活力的保持也是一個艱巨的挑戰［5］。因此為保證益生菌果蔬粉的質量，除了選擇合適的助干劑，還必須優化噴霧干燥過程的工藝參數。

目前關于噴霧干燥制備益生菌發酵果蔬粉的研究報道較少且主要集中在國外，Mestry等［6］首次提出噴霧干燥制備胡蘿卜西瓜混合發酵果粉，對理化性質、生物學性質和溶解性進行優化，得到最優工藝條件為進風溫度144℃，進料流速5mL·min-1，霧化壓力1kg·m-2。Kingwatee等［7］研究了不同出風溫度和載體對益生菌荔枝粉理化性質的影響，發現出風溫度80℃條件下，以15%麥芽糊精和5%菊粉為載體，能夠得到活菌數6.11log CFU·g-1，含水率為2.34%的益生菌荔枝粉。但是國內關于噴霧干燥制備益生菌發酵果蔬粉的研究鮮見報道。

現代醫學研究證實，枸杞具有補腎養肝、潤肺明目、增強免疫力、防衰老、抗腫瘤、抗氧化、抗疲勞及協同防癌等多方面的藥理作用［8-11］。本文以植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）為起始菌株，對復水枸杞汁進行發酵，研究了噴霧干燥工藝條件對乳酸菌發酵枸杞粉的含水率、活菌數及集粉率的影響，再通過響應面試驗設計，以含水率、活菌數及集粉率為響應值，對噴霧干燥工藝參數進行優化，為益生菌發酵果蔬粉相關產品的生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）NCU137，由南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室保藏；寧夏枸杞，銀川杞里香商貿有限公司；麥芽糊精（食品級），麥芽糖醇（食品級）；MRS培養基：牛肉膏，酵母粉等。

1.2 儀器與設備

B-290小型噴霧干燥儀（瑞士步琪公司）；JSM-6701F場發射掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）；PB203-N分析天平（梅特勒-托利多國際股份有限公司）；MJ-BL25C3打漿機（美的集團股份有限公司）；GYB高壓均質機（上海華東高壓均質機廠）；DHG-9246A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；ZSD-A1160A生化培養箱（上海精宏實驗設備有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

枸杞挑選→浸泡→打漿去籽→均質→稀釋→滅菌→接種→發酵→加入載體、噴霧干燥→產品

1.3.2 乳酸菌枸杞汁的制備

干枸杞1∶3復水浸泡30min，使用打漿機打漿去籽，30MPa高壓均質3次，即為原漿。原漿∶水（w／w）=3∶7稀釋，102℃滅菌20min，冷卻。向冷卻至室溫的枸杞汁中接入植物乳桿菌NCU137菌劑（活菌數為11.2log CFU·g-1），接種量為總體積的萬分之五（w／v），搖勻后于37℃恒溫培養箱培養28h，得到發酵枸杞汁（活菌數為8.5log CFU·mL-1）。

1.3.3 物料制備

以原漿體積20%麥芽糊精和8%麥芽糖醇作為載體加入枸杞汁，攪拌20min至充分溶解后，進行噴霧干燥試驗。

1.3.4 噴霧干燥工藝單因素試驗

在大量預實驗基礎上，確定噴霧干燥工藝參數點，通過單因素試驗，確定合適的工藝參數范圍。

1.3.4.1 進風溫度

在進料流速400mL·h-1，氣流量470L·h-1條件下，分別選擇進風溫度110℃，120℃，130℃，140℃，150℃進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數和集粉率。

1.3.4.2 進料流速

在進風溫度120℃，氣流量470L·h-1條件下，分別選擇進料流速240，320，400，480，560mL·h-1進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數和集粉率。

1.3.4.3 氣流量

在進風溫度120℃，進料流速400mL·h-1條件下，分別選擇氣流量350，410，470，530，590L·h-1進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數和集粉率。

1.3.5 響應面實驗設計

根據單因素試驗結果，采用3因素3水平的Box-Behnken試驗設計，以進風溫度進料流速和氣流量為因素，含水率、活菌數、集粉率為響應值，對乳酸菌發酵枸杞粉的噴霧干燥工藝進行優化，因素與水平設計見表1。

1.4 顆粒形貌觀察

利用環境掃描電子顯微鏡（SEM）觀察乳酸菌發酵枸杞粉的微觀形態，取雙面導電膠置于載物臺上，用牙簽挑取少量樣品涂于導電膠上，置于電子顯微鏡樣品室中，電子槍加速電壓為10kV，選擇合適的放大倍數對樣品進行掃描觀察并拍照。

1.5 指標測定及計算

1.5.1 活菌計數

將0.1g乳酸菌發酵枸杞粉加入9.9mL 0.01 mol·L-1的PBS中，振蕩混勻、梯度稀釋、涂布于MRS固體培養基上，于37℃恒溫培養48h后進行菌落計數，記為CFU·g-1。

1.5.2 含水率的測定

參考 GB 5009.3—2016［12］，準確稱取2g乳酸菌發酵枸杞粉于烘干至恒重的稱量瓶中，102℃烘干4h，取出置于干燥器內，冷卻稱重，再置于102℃烘0.5h，取出冷卻稱重，重復至減重不超過2mg。含水率計算公式如下：

1.5.3 集粉率的測定

集粉率即產率，由噴霧干燥所得粉末的質量比上噴霧干燥前物料所含總固形物的質量，具體公式如下［13］：

1.6 數據處理

每個試驗重復3次，實驗結果以平均值±標準差表示。Box-Behnken響應面試驗使用Design-expert 8.0.6設計分析。響應面試驗數據使用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

含水率和活菌數為發酵果蔬粉產品最重要的指標，果蔬粉含水率必須低于6%［3］，而益生菌產品的活菌數必須高于6log CFU·g-1［14］，集粉率越高生產效率越高，綜合考慮含水率、活菌數和集粉率結果，以得到較優的實驗范圍。

2.1.1 進風溫度對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

由表2可知，隨著進風溫度的升高，含水率逐漸下降，活菌數和集粉率都是先上升后下降。這是由于進風溫度的上升，使得霧滴與熱風之間的溫度梯度增大，傳熱速率加快，從而加速水分的蒸發，使得粉末的含水率下降。噴霧干燥過程中的霧滴干燥分為恒速干燥和降速干燥兩個階段［15］，在恒速干燥階段，霧滴表面濕潤，內部溫度較低，對菌體活性影響較小，而在降速干燥階段顆粒內部逐漸升溫，進風溫度越高恒速干燥階段越短，降速干燥時間延長，從而使得顆粒內部溫度過高，導致菌體大量失活。進風溫度較低時，霧滴干燥不充分，會出現粘壁現象，而進風溫度過高會使得粉末發生玻璃化轉變粘附于干燥室內，這都會導致集粉率的降低［16］。根據單因素試驗結果，由于進風溫度高于130℃后，活菌數過低，因此選取110℃，120℃和130℃為響應面試驗水平。

表2 進風口溫度對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

2.1.2 進料流速對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

由表3可知，隨著進料流速的增加，含水率逐漸上升，活菌數先上升后下降，集粉率逐漸下降。這是由于進料流速的上升，使得霧滴變大，比表面積減小，傳質傳熱速率降低，導致含水率逐漸上升。進料速度較低時，霧滴較小，水分蒸發過快，使得干燥顆粒過熱，因此存活率較低，而隨著進料速度逐漸上升，霧滴逐漸變大，蒸發足夠的水分使得顆粒不會過熱，但進料流速過高會導致霧化效果變差，霧滴比表面積減小，水分蒸發減慢，使得液滴溫度升高，活菌數降低。隨著進料流速的上升，霧滴干燥不充分，使得粘壁程度加重，導致集粉率逐漸降低［17］。根據單因素實驗結果，由于進料流速為240mL·h-1時，活菌數過低，而560mL·h-1時，含水率過高，因此選取320，400，480mL·h-1作為響應面試驗水平。

表3 進料流速對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

2.1.3 氣流量對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

由表4可知，隨著氣流量的上升，含水率先下降后上升，菌體存活率先上升再下降再上升，而集粉率先上升后下降。這是由于低氣流量下，霧化效果差，霧滴經過干燥室時，干燥不完全導致含水率較高，隨著氣流量的上升含水率會逐漸下降，而過高的氣流量會減少顆粒在干燥室內的停留時間，導致含水率上升。低氣流量使得霧滴停留時間較長，導致霧滴溫度過高，因此存活率較低，而隨著氣流量的上升，霧滴逐漸變細，水分蒸發加快，防止過熱風險，使得存活率升高，而在470L·h-1條件下，霧化效果較優，但由于在塔內的停留時間較長，使得顆粒溫度上升，因此存活率降低。隨著氣流量的繼續上升，霧滴在干燥室內的停留時間減少，同時由于霧化效果較好，不存在過熱風險，存活率較高。同時，集粉率與含水率呈負相關，含水率越高粘壁程度越高，集粉率越低。結果表明：氣流量470L·h-1時，含水率處于最低點，集粉率處于最高點，同時活菌數接近7 log CFU·g-1，因此選擇410，470，530L·h-1作為響應面試驗水平。

表4 氣流量對乳酸菌發酵枸杞粉粉末性質的影響

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析

以進風溫度、進料流速和進氣量為因素，以含水率、活菌數和集粉率為響應值，進行Box-Behnken響應面試驗，對噴霧干燥制備乳酸菌發酵枸杞粉工藝進行優化。試驗方案及結果見表5。

表5 響應面試驗設計方案及結果

由回歸分析結果得到乳酸菌發酵枸杞粉的含水率預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

由表6可知，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P＞0.05），由一次項F值可知各因素對枸杞粉含水率影響程度為：進料流速＞進風溫度＞氣流量。A、B項對含水率的影響極顯著，A2，B2，C2，AB項對含水率的影響顯著，其余項對含水率的影響不顯著?；貧w模型中的相關系數R2和R2Adj分別為0.939 7和0.862 2，模型的信噪比為13.788，一般認為模型的可接受信噪比大于4，說明模型的擬合度和可信度較高；變異系數越小說明試驗可靠性越高，變異系數不能高于10%［17］，該模型的變異系數為4.40%，說明試驗可靠性良好。因此可用此回歸方程預測乳酸菌發酵枸杞粉的含水率。

由回歸分析結果得到乳酸菌發酵枸杞粉活菌數的預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

表6 回歸模型方差分析／含水率

由表7可知，模型極顯著，失擬項不顯著，由一次項F值可知各因素對活菌數影響程度為：進風溫度＞進料流速＞氣流量。A，B，A2，C2，AB項對存活率影響極顯著，AC項對存活率影響顯著，其余項對存活率影響不顯著?；貧w模型中的相關系數R2和分別為0.932 2和0.845 0，模型的信噪比為13.768，變異系數為2.89%，說明模型的擬合度、可信度較高，可靠性良好，可用此回歸方程預測乳酸菌發酵枸杞粉的活菌數。

表7 回歸模型方差分析／活菌數

由回歸分析結果得到乳酸菌發酵枸杞粉的集粉率預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

由表8可知，模型極顯著，失擬項不顯著，由一次項F值可知各因素對粉末集粉率影響程度為：進料流速＞進風溫度＞氣流量。A、B、BC項對集粉率影響極顯著，C、C2項對集粉率影響顯著，其余項對集粉率影響不顯著?；貧w模型中的相關系數R2和R2Adj分別為0.978 7和0.951 3，模型的信噪比為23.953，變異系數為2.50%，說明模型的擬合度、可信度較高，可靠性良好?？捎么嘶貧w方程預測噴霧干燥乳酸菌發酵枸杞粉的集粉率。

2.2.2 各因素間相互作用響應面分析

根據各回歸模型的方差分析結果，選出影響顯著的交互項進行響應面分析，從而更直觀的觀察交互項對乳酸菌發酵枸杞粉各指標的影響。

由圖1可以看出，固定氣流量為470L·h-1，含水率隨著進風溫度的升高逐漸下降，隨進料流速的上升而上升。在進風溫度120℃～130℃，進料流速240～310mL·h-1范圍內，存在最低點，同時，等高線呈橢圓形［18］，也能說明進風溫度和進料流速 的交互作用對含水率的影響顯著。

表8 回歸模型方差分析／集粉率

由圖2（a）可以看出，固定氣流量為470L·h-1，活菌數隨著進風溫度的升高，先上升后下降。在低進風溫度下，隨著進料速度的增加而降低。在高進風溫度下，隨著進料速度得增加而增加。由圖2（b）可以看出，固定進料速度400mL·h-1，活菌數隨進風溫度的升高，先上升后下降。在低進風溫度下，隨著氣流量的上升，先降后升，而在高進風溫度下，隨著氣流量的上升而上升。由響應曲面可直觀的看出AB比AC更陡峭，說明AB的交互作用比AC的交互作用對活菌數的影響大。

由圖3可以看出，固定進風溫度為120℃，集粉率隨著進料流速的增加逐漸減小。在低進料速度下，隨著氣流量的升高，集粉率逐漸下降。而在高進料速度下，集粉率隨著氣流量的升高而升高。說明進料流度和氣流量的交互作用對集粉率的影響顯著。

2.3 最佳噴霧干燥條件的確定及驗證實驗

使用Design-Expert V8.0.6軟件，以含水率取最小，活菌數和和集粉率取最大為目標，對噴霧干燥益生菌發酵枸杞粉工藝條件進行優化，得到最優參數為進風溫度117.88℃、進料速度320mL·h-1、氣流量427.51L·h-1，含水率預測值為5.53%，活菌數預測值為7.62log CFU·g-1，集粉率預測值為55.15%。以最終優化所得工藝條件進行驗證，設置進風溫度118℃，進料流速320mL·h-1，氣流量428L·h-1，所得乳酸菌發酵枸杞粉的含水率為5.412%±0.209%，活菌數為7.534±0.138log CFU·g-1，集粉率為55.61%±2.4%，實驗結果與預測值接近，說明優化結果可靠。

Pereira等［19］使用兩種載體配方對干酪乳桿菌發酵腰果梨汁進行噴霧干燥，初始活菌數為8.35 log CFU·mL-1，最終所得粉末活菌數分別為6.4和6.8log CFU·g-1，Anekella等［20］在使用樹莓汁對益生菌進行微囊化的研究中，優化范圍內的集粉率均低于50%。說明在此工藝條件下制備的乳酸菌發酵枸杞粉含水率符合標準，活菌數和集粉率都較高。

2.4 顆粒形貌觀察

如圖4所示，乳酸菌發酵枸杞粉顆粒呈大小不同的球形，顆粒表面有凹陷和褶皺，這是由于噴霧干燥過程中高溫使得水分迅速蒸發導致的，同時未觀察到乳酸菌菌體說明包埋效果較好。顆粒表面無裂紋，可避免噴霧干燥過程中菌體受到高溫損傷，并有效防止乳酸菌發酵枸杞粉儲藏過程中發生脂質過氧化［21］。

3 結論

由于不同產地枸杞的營養成分不同，噴霧干燥效果不同，因此本文僅針對寧夏枸杞進行研究。通過對回歸模型的方差分析可知，對噴霧干燥乳酸菌發酵枸杞粉的含水率和集粉率影響最大的是進料流速，其次是進風溫度，氣流量影響最小。而對于噴霧干燥乳酸菌發酵枸杞粉的活菌數而言，進風溫度影響最大，其次是進料流速。經過響應面優化，得到最優噴霧干燥條件為進風溫度117.88℃、進料速度320mL·h-1、氣流量427.51L·h-1，采用上述最優條件制備的乳酸菌發酵枸杞粉，實際含水率為5.412%，活菌數為7.534log CFU·g-1，集粉率為55.61%，與預測值接近，工藝參數可靠，可為益生菌發酵果蔬粉相關產品的研發提供理論依據。