乳酸雙歧桿菌噴霧干燥工藝研究

付博，馬齊，王衛衛

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

乳酸雙歧桿菌噴霧干燥工藝研究

付博1，馬齊1，王衛衛2

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

為有效保證乳酸雙歧桿菌在生產、消費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。通過壁材選擇及相關工藝參數的正交分析，結果表明：噴霧干燥過程中的最佳壁材質量濃度為100 g/L，包括β-環糊精與阿拉伯樹膠粉，且質量比為4∶6，芯材質量濃度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。最佳工藝參數為進風溫度（108±2）℃，排風溫度（61±3）℃，塔壁溫度（50±3）℃及霧化器轉速17 000 r/min。在此工藝條件下菌粉的活菌數為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物腸內的重要生理性細菌之一，并逐漸應用于功能性食品、保健品及醫療免疫產品的開發和使用[1-2]。但是，雙歧桿菌營養要求苛刻、對氧氣和酸度比較敏感，其活菌制劑的保藏期短[3]。目前，國內外多利用微膠囊技術來解決這一難題[4，5]。

微膠囊技術主要包括：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，更適宜在食品工業中推廣應用[6]，本次研究主要利用了β-環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，并對進風溫度、排風溫度、塔壁溫度和進樣流速等工藝參數進行研究，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 實驗

1.1 材料與試劑

乳酸雙歧桿菌（Bifidobacterium lactis）。活化菌種用改良TPY液體培養基[3]。發酵及活菌計數培養基[7-8]。

β-環糊精、海藻糖、甘露醇、阿拉伯樹膠粉（均為食品級）。

1.2 儀器與設備

QPG-1噴霧干燥機，噴霧干燥中試設備（水分蒸發量為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培養液，37℃培養14 h。活化2代，轉接發酵培養液，接種量5%，發酵時間20 h。取發酵液，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-環糊精/明膠、β-環糊精/阿拉伯樹膠粉4種組合壁材，設計質量比分別為1︰9，2︰8，3︰7，4︰6；壁材質量濃度為60，90，120 g/L；利用QPG-1噴霧干燥機，進風溫度140±3℃，芯材質量濃度60 g/L進行噴霧干燥[3]。觀察噴霧菌粉的物理狀態，并采用雙層平板菌落計數法測活菌數[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

以壁材質量濃度、芯材質量濃度、處理溫度和處理時間為實驗因素，設計L9（34）正交實驗，結果如表1所示。確定噴霧干燥過程中壁材質量濃度和芯材質量濃度的最佳組合，檢驗在熱處理過程中4種試驗因素對菌體的存活率影響能力。

表1 正交試驗因素和水平表

1.3.4 噴霧干燥工藝參數的確定

梯度設置進風溫度、調節控制排風溫度、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備進行試驗。雙層平板菌落計數法對噴霧干燥后的菌粉進行活菌計數，根據活菌數的多少確定最佳工藝參數。

1.3.5 產品質量檢測

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，活菌計數分別為微膠囊表面的活菌數和產品中的活菌數。

噴霧干燥后菌粉的水分質量分數測定，方法參照GB/T 5009.3-2003。將噴霧干燥后的菌粉置于4℃儲藏30 d、60 d、90 d，檢測噴霧干燥菌粉的活菌數變化。

2 結果與分析

2.1 最佳壁材的確定

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

由表2可以看出，當組合壁材的質量濃度為60 g/L時，4組液體密度均小于1，沒有達到操作要求，故排除。當組合壁材的質量濃度為90 g/L時，除明膠/蔗糖（1︰9）外，密度均大于1，達到操作要求。當組合壁材的質量濃度為120 g/L時，β-環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]，同時考慮到小型噴霧干燥機的工作性能，最終擇優選擇了8組壁材在進風溫度（140± 3）℃，芯材質量濃度60 g/L[3]條件下，利用QPG-1噴霧干燥機，進行了噴霧干燥，并對收集的純菌粉進行活菌計數，結果如表3所示。

由表3可以看出，當壁材為明膠/蔗糖時，干燥后的菌粉粘壁現象比較嚴重，粉體易結塊且堵塞噴嘴，極大的降低了產品中的活菌數，不適于推廣使用。而其他壁材保護雙歧桿菌得到的菌粉，粉粒較細，基本沒有粘壁和堵塞噴嘴的現象。最終根據活菌數的多少，確定最佳壁材組合為β-環糊精/阿拉伯樹膠粉，配比為4︰6。經重復試驗結果一致，穩定性較好。

2.2 正交試驗

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，減少操作時間。為了節約生產成本，在進行大規模噴霧干燥之前，首先利用水浴法對壁材質量濃度、芯材質量濃度、處理溫度和處理時間進行了3水平4因素的正交實驗，并利用雙層平板菌落計數法測定活菌數，進而對菌體存活率進行了計算，結果如表4所示。

可見，壁材質量濃度、芯材質量濃度、處理溫度和處理時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間＞處理溫度＞芯材質量濃度＞壁材質量濃度，最優處理組合為A3B2C1D1。雖然噴霧干燥過程中的干燥時間僅有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間和處理溫度，因此，為了更好的提高菌體存活率和活菌數，在噴霧干燥過程中應盡量調低進風溫度、減少菌粉在塔內的存留時間。最終確定最佳的壁材質量濃度為100 g/L，芯材質量濃度為60 g/L，芯材組合參考文獻[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下噴霧干燥后產品的活菌數g-1

表4 正交實驗結果

2.3 溫度及流速對活菌數的影響

利用上述試驗確定的最佳壁材100 g/L（β-環糊精與阿拉伯樹膠粉，質量比為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備上進行實驗。梯度設置進風溫度，排風溫度通過流速進行調節，結果顯示，隨著進風溫度和排風溫度的降低，活菌數逐漸升高（表5）。

表5 溫度與流速對噴霧干燥菌粉活菌數的影響

由表5可以看出，進風溫度從150℃逐漸調節到110℃，通過流速的控制排風溫度從（85±3）℃降低到（61±3）℃，菌粉的活菌數提高了2個數量級。因此，在噴霧干燥過程中為保證高活菌數，應將進風溫度適當降低，同時通過流速控制排風溫度，并維持在低溫度范圍。

當進風溫度為（108±2）℃，排風溫度（61±3）℃，塔壁溫度（50±3）℃，流速為600 mL/min時，噴霧干燥后活菌數最高，達3.4×109g-1，經重復實驗驗證結果一致，工藝參數穩定。

2.4 噴霧干燥后乳酸雙歧桿菌菌粉的檢測結果

經計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，測定菌粉水分質量分數為5.9%。將噴霧干燥后的菌粉置于4℃儲藏30，60，90 d；結果如表6所示。由表6可以看出，隨儲藏時間的延長菌粉活力緩慢下降，但是4℃儲藏90 d時菌粉的活菌數僅降低了一個數量級，產品的穩定性較好，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℃保藏時間結果

3 結論

與現有技術相比，噴霧干燥法制備雙歧桿菌微膠囊具有很多優點：生產成本低、效率高，有成套的設備可供利用且操作控制簡單，生產中不會排放大量污染物等，這些都為大規模連續化工業生產提供了便利條件[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進行控制，分別利用了QPG-1小型噴霧干燥設備和我所自行研制的噴霧干燥中試設備。小型噴霧干燥設備處理量小，500 mL料液的噴霧干燥約進行3～4 h，適宜實驗室篩選研究。我所自行研制的噴霧干燥中試設備處理量大，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，然后進行噴霧干燥。進風溫度為（108±2）℃，排風溫度為（61±3）℃，塔壁溫度為（50±3）℃，霧化器轉速為17 000 r/min。其中最佳壁材100 g/L（β-環糊精與阿拉伯樹膠粉，質量比為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3.4×109g-1，存活率72.12%，微膠囊包埋率75.88%，菌粉水分質量分數為5.9%，4℃保藏90 d活菌數仍可達到2.9×108g-1。經重復試驗結果一致，工藝參數的穩定性好，因此可以為雙歧桿菌噴霧干燥微膠囊產品的開發、研究及推進產業化發展提供指導和借鑒。

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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

陜西省科學院青年基金資助項目(2010k-26)。

付博(1982-)，女，碩士研究生，研究方向為雙歧桿菌活菌制劑開發。