凍干保護劑對西番蓮酵素粉理化特性菌體活力影響及其益生菌活力評價

張 順，沈雪玉，黃 葦

（華南農業大學，廣東 廣州 510642）

0 引言

在前期研究中，以西番蓮果皮為對象，通過優化酵母菌、乳酸菌混合發酵工藝，制備出活菌數高、多酚成分保留率高，且風味醇和的果皮漿[1-2]。但制備的果皮漿體積大，常溫下極易變質，經干燥處理后更適宜貯運、銷售。制備高活力的益生菌酵素粉主要是將益生菌包埋在可溶性微膠囊壁材中，以提高益生菌存活性，目前益生菌粉的主要干燥法有噴霧干燥法和冷凍干燥法[3]。真空冷凍干燥酵素粉中的益生菌存活率和復水后的活性都較高，并且熱敏性營養成分損傷小，對發酵漿的香氣成分保留好[4-5]。

益生菌活菌數及其活性高低是評價酵素產品的主要指標之一，要獲得高質量的益生菌粉，在凍干過程中需要添加對益生菌具有保護作用的保護劑。試驗利用冷凍干燥法制備西番蓮酵素粉，除加入常規保護劑CMC、麥芽糊精、β -環糊精以外，重點關注了脫脂乳粉和海藻糖的保護作用。益生菌酵素粉在進入人體后，分別經過胃液、腸液、膽汁等消化器官，并最終定植于人體腸道系統發揮生理功能，因此其活性取決于在腸道環境中的活菌數量[6]。研究模擬人體消化環境下益生菌的存活情況，是評價酵素粉質量的重要指標之一。

針對發酵西番蓮果皮漿真空冷凍干燥過程中保護劑的應用效果開展研究，并對酵素粉在模擬人體消化環境下益生菌的存活情況進行評價。

1 材料與設備

1.1 材料

發酵西番蓮果皮漿（參照張順等人[1]的方法制得）。其中，復合乳桿菌活菌數為8.93 lg CFU/g，釀酒酵母菌活菌數為7.78 lg CFU/g，總酚含量為24.00 μg/mL，總酸含量為4.40 mg/mL；西番蓮，購自廣州市天平架水果批發市場。

1.2 主要試劑

脫脂乳粉、蔗糖、葡萄糖等（均為食用級或分析純），山東祥瑞藥業有限公司提供；海藻糖、胰蛋白酶、膽酸鹽、胃蛋白酶，上海源聚生物科技有限公司提供；CMC，上海申光化學品有限公司提供；β -環糊精、L -酪氨酸，上海博奧生物科技有限公司提供；麥芽糊精，天津市科密歐化學試劑有限公司提供；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、沒食子酸、重鉻酸鉀，廣州化學試劑廠提供；三氯乙酸，永華化學科技（江蘇） 有限公司提供；干酪素，北京奧博星生物技術有限責任公司提供。

1.3 菌種

釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、干酪乳桿菌（Lactobacillus casei subsp. casei），均為本實驗室保藏菌種。

1.4 主要培養基

MRS 瓊脂培養基、MRS 肉湯培養基、麥芽汁培養基、孟加拉紅培養基等，廣東環凱微生物科技有限公司提供。

1.5 試驗儀器與設備

JE/T 型電子分析天平，梅特勒-托利多上海儀器有限公司產品；HK-10B 型高速粉碎機，杭州賽旭食品機械有限公司產品；電熱鼓風干燥箱、LRH型生化培養箱，上海一恒科學儀器有限公司產品；MJBL25C4 型攪拌機，廣東美的生活電器制造有限公司產品；JM-L80 型膠體磨，溫州富瑞康機械科技有限公司產品；TGL-16M 型冷凍高速離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司產品；12ND 型冷凍干燥機，寧波新芝生物技術有限公司產品；DF101S 型磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限公司產品；LDZX-30KBS 型立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海申安醫療器械廠產品；XK97-A 型菌落計數器，邦西儀器科技上海有限公司產品。

1.6 溶液配制

（1） 人工胃液的配制。準確量取濃度1 mol/L 的鹽酸溶液20 mL，加蒸餾水調節pH 值，使pH 值達到2~3，然后分別加入胃蛋白酶，加入量按照1∶10（g∶mL） 的質量濃度比計算，充分溶解后過濾除菌，制得人工胃液，備用。

（2） 人工腸液的配制。稱取KH2PO43.4 g，加蒸餾水250 mL 溶解，用0.4%的NaOH 溶液調節pH 值至6.8，加水稀釋至500 mL，然后按照1∶100（g∶mL） 的質量濃度比加入胰蛋白酶，充分溶解后過濾除菌，制得人工腸液，備用。

2 試驗方法

2.1 凍干酵素粉的制備

西番蓮果磨皮去角質層→果皮打漿→高壓滅菌→釀酒酵母、乳酸菌混合發酵→凍干保護劑調配→均質→真空冷凍干燥→西番蓮酵素粉。

2.2 西番蓮凍干酵素粉保護劑的篩選

在試驗中，選用不同性質的保護劑CMC、麥芽糊精、β -環糊精、脫脂乳粉及海藻糖，并進行配比組合，比較不同組合保護劑對凍干酵素粉活菌數的影響。

不同種類保護劑添加量組合見表1。

表1 不同種類保護劑添加量組合/ g·（100 mL）-1

2.3 西番蓮凍干酵素粉的理化特性

2.3.1 凍干酵素粉水分的測定

常壓干燥法（質量法），參照GB/T 5009.3—2016 食品安全國家標準食品中水分的測定。

2.3.2 凍干酵素粉還原糖及總糖的測定

3,5 - 二硝基水楊酸比色法，參照GB 5009.7—2016 食品安全國家標準 食品中還原糖的測定，繪制葡萄糖標準吸收曲線。

2.3.3 凍干酵素粉酸度的測定

酸堿滴定法，參照GB/T 12456—2008 食品中總酸的測定。

2.3.4 凍干酵素粉總酚的測定

參照GB/T 8313—2008 茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法，繪制沒食子酸標準曲線。

2.3.5 凍干酵素粉氯化鈉的測定

參照GB 5009.44—2016 食品中氯化物的測定。

2.3.6 凍干酵素粉中活菌數測定

參照GB 4789—2010 中乳酸菌菌落總數的測定方法。

2.4 西番蓮凍干酵素粉的生理特性

2.4.1 人工胃液耐受試驗

參照艾連中等人[7]報道的方法，取1 g 酵素粉溶解于9 mL 生理鹽水中，放入磁力攪拌器37 ℃下水浴加熱，待充分溶解后取1 mL 加入4 支裝有10 mL人工胃液的試管中，放入培養箱中37 ℃下分別培養0.5，1.0，2.0，3.0 h，待相應時間后取出利用稀釋倒平板法進行菌落計數，每組平行試驗3 次。

2.4.2 人工腸液耐受試驗[8]

取1 g 酵素粉溶解于9 mL 生理鹽水中，放入磁力攪拌器37 ℃下水浴加熱，待充分溶解后取1 mL加入4 支裝有10 mL 人工腸液的試管中，放入培養箱中37 ℃下分別培養0.5，1.0，2.0，3.0 h，在相應時間取出后，利用稀釋倒平板法進行菌落計數，每組平行試驗3 次。

2.4.3 膽汁耐受力試驗

根據卜永士等人[9]報道的方法有所改動。準確稱取1.00 g 酵素粉分別溶入9 mL 質量濃度為0，0.3，0.5，1.0，2.0，3.0 g/L 膽酸鹽溶液中，在放入磁力攪拌器37 ℃下保溫2 h，取出后利用稀釋倒平板計數法計算活菌數和存活率。

2.5 數據處理

樣品做3 次平行試驗，利用WPS office 對試驗數據進行整理和處理，利用Origin Pro8 對數據處理作出相關圖形。

3 結果與分析

3.1 不同保護劑組合對真空冷凍干燥酵素粉中活菌數影響

在益生菌真空冷凍干燥過程中，CMC 具有較好的菌體保護作用，并能夠改善粉體的流動性、溶解度等特性，在此基礎上，加入脫脂乳粉和海藻糖，以提高酵素粉中的益生菌存活率。

不同保護劑組合對冷凍干燥活菌數及存活率的影響見圖1。

圖1 不同保護劑組合對冷凍干燥活菌數及存活率的影響

在未添加凍干保護劑直接干燥的空白對照酵素粉中，益生菌存活率較低，只有62%，而添加了凍干保護劑的組合c，活菌數和存活率較直接干燥的酵素粉a 對照分別提高了34.9%和21.0%，說明加入保護劑后，對酵素粉的益生菌保護效果明顯；另外，比較組合b 和c 可以看出，c 組合中將等量的脫脂乳粉換成海藻糖，其活菌數和存活率分別比b 提升了9.8%和8.0%，證明了海藻糖能夠保護菌體活力，使之免受干燥過程中的損傷。

3.2 凍干西番蓮酵素粉的理化特性結果分析

不同處理方式的凍干西番蓮酵素粉見圖2，酵素粉一般理化指標測定結果見表2，酵素粉特征性指標測定結果見表3。

圖2 不同處理方式的凍干西番蓮酵素粉

表2 酵素粉一般理化指標測定結果/%

表3 酵素粉特征性指標測定結果

由圖2 可看出，未添加凍干保護劑的酵素粉色澤偏淡黃色，且粉體顆粒大，較為粗糙，西番蓮果皮發酵液中纖維成分豐富，因此在干燥后粉體質感較為粗糙。而加入了凍干保護劑的試驗組則色澤偏淡，但粉體均勻細膩，沒有顆粒感，說明加入的脫脂乳粉、海藻糖等既可作為益生菌保護劑起到保護作用，又可以改善粉體性質。

根據TCBFIA 08001—2016 酵素產品分類導則和團體標準食用植物酵素，將凍干酵素粉中的理化指標分為一般理化指標和特征性指標[10]。從表2 中看出，添加保護劑的試驗組和和未添加的空白組，都均未檢出乙醇，氯化鈉含量均在標準要求范圍內；從表3 可知，空白組總酸和總酚含量高于添加了保護劑的試驗組，這是因為添加了凍干保護劑的酵素粉中因含有麥芽糊精、脫脂乳粉和海藻糖、總酚和總酸占比下降；同理，添加了海藻糖的凍干酵素粉中，因額外添加的糖使總糖含量高于空白組；而關鍵性指標、益生菌活菌數方面，添加保護劑的試驗組顯著高于空白組，其乳酸活菌數達到8.08 lg CFU/g，遠高于標準要求的5. 00 lg CFU/g；多酚含量也高于標準要求。

3.3 凍干西番蓮酵素粉的模擬消化條件下菌體活力結果分析

3.3.1 酵素粉中益生菌在模擬胃液環境下的存活率結果分析

胃液的酸度極高，通常其pH 值在1~3，在消化食物時會出現波動，這樣的酸性環境下大部分微生物都難以存活，食物在人體胃部的停留時間一般在3 h。要保證益生菌能“安全”到達人體腸道而進一步定植，以發揮抑制有害菌群增殖、增強腸道免疫等生理作用，益生菌需要耐受胃液的嚴苛環境。

模擬胃液環境下的活菌數和存活率變化情況見圖3。

圖3 模擬胃液環境下的活菌數和存活率變化情況

由圖3 可知，在模擬胃液環境下，酵素粉中的活菌數隨消化時間延長呈下降趨勢，在模擬消化時間0.5 h 時活菌數有8.86 lg CFU/g，存活率達到98%，而在經過3 h 后的胃液消化后活菌數為7.00 lg CFU/g，存活率為77%，說明在模擬胃液環境下，酵素粉中的益生菌能夠保持較好的活力，以保證食用后發揮益生菌的功效。

3.3.2 酵素粉中益生菌模擬腸液環境下的存活率結果分析

食物經過胃液的消化后會進入腸道，而腸道內是人體微生物聚集的部位，其種類和數量都很多，包括對人體有益的益生菌和對人體有害的有害菌群。益生菌對小腸液必須具有一定的耐受性才能更好地發揮作用。小腸液的pH 值大約為7.6，無論是固體還是液體食物通過小腸的平均時間約為1.5 h。

模擬腸液環境下的活菌數和存活率變化情況見圖4。

圖4 模擬腸液環境下的活菌數和存活率變化情況

由圖4 可知，在初始消化時間0.5 h 和1.0 h時，活菌數維持在較高水平，無明顯下降，達到8.86 lg CFU/g 左右，說明益生菌對模擬腸液的適應性較好；而在消化后期，益生菌活菌數開始下降，在3 h 活菌數對數值還有8.00 lg CFU/g 左右，而存活率也達到88%。即在模擬腸液下，酵素粉中的益生菌在前期3 h 內能夠保持在90%的存活率，能夠在經過腸液環境后依然能保證較高的存活數，并順利進入其他消化環境中。

3.3.3 酵素粉中益生菌模擬膽汁環境下的存活性結果分析

人體內的膽汁含有一定膽酸，其質量分數一般為0.3%~3.0%。膽酸鹽對微生物具有一定的抑制作用，因此要發揮益生菌在人體腸道定植的作用，對膽酸鹽的耐受性也是重要指標。

不同膽酸鹽質量分數下的活菌數及存活率變化情況見圖5。

圖5 不同膽酸鹽質量分數下的活菌數及存活率變化情況

由圖5 可知，選擇模擬膽汁酸的作用時間均為2 h（進餐消化后1~2 h 內的血清膽汁酸水平會急劇升高），在較低質量分數下，酵素粉中的活菌數維持在7.00 lg CFU/g 左右，而在升高膽酸鹽質量分數后，益生菌活菌數會迅速下降，在質量分數為3%的高水平時，存活率為64%，活菌數下降為5.78 lg CFU/g，低于益生菌最低發揮作用數量級6.00 lg CFU/g 的要求，但總體看，在膽酸鹽質量分數處于非極端條件下的益生菌仍可以維持較高的活性水平。

3.4 討論

試驗中，在CMC、麥芽糊精和β -環糊精基礎上，添加了脫脂乳粉和海藻糖，后兩者可以明顯提高益生菌酵素粉的活性。脫脂乳粉為大分子物質，可在細胞表面形成保護層，以減少細胞暴露在氧氣及介質中的面積，從而保護細胞免受損傷，其適用性強，對不同的益生菌類均能起到很好的保護作用；而海藻糖一方面作為非還原性多糖，其含有多個極性較強的親水羥基，能夠在脫水干燥過程中，在菌體細胞表面形成保護膜，保護蛋白質分子不變性失活，其玻璃化溫度較高、吸濕性低，很適合作為活性成分干燥保護劑[11-14]。另外，海藻糖作為功能性低聚糖，有研究也表明其可以促進益生菌在體內的增殖，提高人體的免疫力，從而發揮預防腸道疾病的作用[13，15-18]。

4 結論

以真空冷凍干燥法制備西番蓮果皮酵素粉，比較了不同干燥保護劑對凍干酵素粉的理化特性、菌體活力的影響，并對模擬消化條件下酵素粉中益生菌活力進行評價，結論如下：

（1） 海藻糖、脫脂乳粉凍干保護劑在西番蓮果皮酵素粉凍干過程中，起到了保護益生菌和改善粉體性質的作用。添加了保護劑的酵素粉較直接干燥的酵素粉，其益生菌存活率提高了34.9%，且粉體更加細膩均勻，適合進行后續的保存與應用。

（2） 該條件下生產的凍干酵素粉在模擬人體消化試驗中表現出較好的耐受性，胃液消化3 h 后，活菌數7.00 lg CFU/g，存活率為77%；在腸液中3 h 后，活菌數8.00 lg CFU/g，而存活率也達到88%；在中等濃度膽酸鹽的模擬膽汁中，活菌數高于6.00 lg CFU/g標準要求。較高的活菌數和存活率保證了益生菌酵素粉進入人體環境后能定植成功，發揮相應的作用。

（3） 該工藝下制得的凍干酵素粉中，雖然益生菌存活性較高，但是總酸和含糖量偏低，產品應用還需要從發酵工藝和后期凍干添加劑上進行優化。同時，試驗只對其儲存特性進行了初步的驗證和分析，對于該益生菌酵素粉的最佳儲存方式未做討論，因此后續還應加強對其儲存、包裝等性質的研究。