噴霧干燥與水浴模擬實驗條件對應關系的研究

于章龍，武慧媛，李永歌，薛文通，張 惠，張澤俊

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083）

噴霧干燥與水浴模擬實驗條件對應關系的研究

于章龍，武慧媛，李永歌，薛文通*，張 惠，張澤俊

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京100083）

噴霧干燥是生產粉末的一種常用加工方式，但如果用來生產有活性的菌種粉末，依然需要進一步的研究。噴霧干燥使菌種致死的主要原因是高溫脫水，本實驗對噴霧干燥菌落成活數與水浴模擬加熱條件的對應關系進行了研究，選擇不同水浴加熱溫度和不同加熱時間與最佳噴霧條件進行對比，結果表明，在噴霧條件為進口溫度170℃，出口溫度70℃時與水浴模擬實驗60℃，10min的菌落成活數相當。

噴霧干燥，水浴模擬實驗，菌落成活數

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

植物乳桿菌 黃漿汁中提取；優化番茄汁液體培養基 自制；菌落計數瓊脂培養基 北京奧博星生物技術有限責任公司；脫脂奶粉 黑龍江省完達山乳業股份有限公司；糊精、可溶性淀粉、麥芽提取物、甘油、NaCl、聚乙烯醇、卡拉膠 均為分析純；2mol/L NaOH溶液，2mol/L HCl溶液。

DLP電動高速離心噴霧干燥機 江蘇星輪高速機電設備制造公司；GL-20G-∏型高速冷凍離心機上海安亭科學儀器廠；pHS-3D pH計 上海三信儀表廠；潔凈工作臺 北京京鵬凈化設備有限責任公司；HZQ-X100恒溫振蕩培養箱 太倉市實驗設備廠；LRH-150生化培養箱 上海一恒科技有限公司；101A-2型電熱鼓風干燥箱 上海市實驗儀器總廠；YXQ-LS-50立式壓力蒸汽滅菌器 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；電熱恒溫水浴鍋XMTD-6000 北京市長風儀器儀表公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗流程

1.2.1.1 濃縮菌液的制備 優化培養基的制備→活化培養→離心濃縮→濃縮菌液4℃冷藏

a.優化培養基的制備：取胰蛋白胨10g、酵母浸膏10g、番茄汁200mL、碳酸鈣3g、黃漿汁100mL，然后添加蒸餾水至 1000mL，用2mol/L NaOH溶液調pH7.2，121℃滅菌20min，4℃冰箱保存備用。b.活化培養：向培養基中添加3%的活化后的菌液，放入37℃振蕩培養箱中，120r/min振蕩培養 18～22h。c.離心濃縮：采用高速冷凍離心機在溫度10℃、轉速4000r/min、時間為20min的條件下離心濃縮，得到的濃縮物以10∶1（原菌液∶生理鹽水）的比例加入生理鹽水，在4℃冰箱中冷藏備用。

1.2.1.2 噴霧前培養基與濃縮菌液添加條件的選擇本實驗所選用的保護劑為麥芽提取物、糊精和甘油。

向加入保護劑和包埋劑的培養基中添加5%的濃縮菌液，在37℃、120r/min下振蕩培養3、5、7、9、11h后分別測其菌落數，對其結果進行比較，選出菌落數較多而且盡量多地保留其營養成分和盡量使細菌與保護劑和包埋劑充分接觸的培養時間，然后直接對此菌液進行噴霧干燥。

1.2.1.3 噴霧條件的選擇 設計正交實驗，以進口溫度、出口溫度、卡拉膠和聚乙烯醇添加量為實驗因素，采用L9（34）正交設計表，選出最佳噴霧條件。正交實驗因素水平表見表1。

表1 噴霧干燥正交實驗因素水平表

1.2.1.4 水浴模擬實驗 選用最佳噴霧條件下的菌液進行水浴模擬實驗，水浴溫度分別設為：60、65、70、75、80℃，水浴時間分別為10、15、20、25、30min。在此水浴條件加熱后菌落計數得到25組數據，與最佳噴霧條件下的菌落數進行對比，找出二者的關系。

1.2.2 包埋劑的選擇 噴霧干燥生產菌粉不僅需要添加抗濕熱型保護劑，也需要添加大分子的包埋劑，使細菌能夠更好地與保護劑結合在一起，并且起到一定的保護作用。經常使用的包埋劑包括一些天然大分子多糖類和人工合成的大分子物質。中空纖維［4］、卡拉膠［5］、聚丙烯酰胺［6］、海藻酸鈉和聚乙烯醇（PVA）［7］是常用的細胞固定化載體。

其中PVA具有機械強度高、穩定性好、價格低廉等優點，但用它制備的凝膠具有非常強的附聚傾向。作為包埋載體，天然高分子多糖類的海藻酸鈉和卡拉膠應用最多，它們具有固化、成形方便、對微生物毒性小、固定化密度高等優點。但它們對抗微生物的分解性能較差，機械強度較低。天然卡拉膠中含有!-卡拉膠，它可使凝膠強度降低，而且凝膠對鈉離子比較敏感。海藻酸鈣凝膠在酸、鹽溶液中不穩定。合成高分子化合物中常用的載體物質有聚丙烯酰胺、光硬化樹脂等。它們的突出優點是抗微生物分解性能好，機械強度高，化學性能穩定。但是聚合物形成網絡的聚合條件比較劇烈。對微生物損害較大，而且成形的多樣性和可控性不好。

綜合以上分析，本實驗選用卡拉膠和聚乙烯醇為包埋材料，二者具有優勢互補性。

1.2.3 菌落計數及活菌率的計算 采用稀釋平板菌落計數法［5］進行菌落計數；活菌率（%）=加熱后菌落數/加熱前菌落數×100%

2 結果與分析

2.1 噴霧前培養基與濃縮菌液添加條件的選擇

根據預實驗結果，向加入2%PVA和2%卡拉膠以及保護劑的培養液中添加5%的濃縮菌液，進行3、5、7、9、11h的振蕩培養，結果如圖1所示。

圖1 菌液菌落數隨振蕩時間的變化

由圖1可知：加入濃縮菌液振蕩放置3～5h時，培養液菌落數含量較高，可達1013cfu/mL，而且對營養液的營養成分幾乎不消耗，能夠保證噴霧干燥后粉末營養成分的充足，以保證菌粉中細菌的長時間存活；另外，3～5h的振蕩可以保證菌落與包埋劑充分混合，形成包埋網狀結構。在5～9h期間，菌落數持續減少，分析其原因可能是有些菌落被包埋后因不適而死亡，但9h后，菌落數又開始增多，此時是因為新的菌落開始繁殖，營養成分開始消耗，不利于菌粉后期的保藏。所以最終選擇加入濃縮菌液振蕩放置3～5h后進行噴霧干燥，此時有利于提高菌落的成活數。

2.2 噴霧干燥正交實驗結果

最佳組合為C1B3D3A3，即卡拉膠添加量為1‰，出口溫度為65℃，聚乙烯醇（PVA）添加量為2%，進口溫度為170℃。由此可知，卡拉膠的添加量和出口溫度對噴霧干燥菌落活數影響較大，進口溫度影響最小。但是出口溫度在65℃時，出粉率較低且菌粉濕度大、較粘，不能成顆粒狀，不易收集，所以最終出口溫度設為70℃，即最終選擇C1B2D3A3，在此組合下菌粉菌落數可達到109cfu/mL，活菌率可達12.5%。

表2 噴霧干燥正交實驗結果

2.3 水浴加熱模擬實驗結果

實驗結果如圖2所示。

圖2 水浴模擬實驗結果

由圖2可知：在60℃加熱10min條件下，菌落數可達到109cfu/mL，加熱15min時菌落數下降了一個數量級為108cfu/mL，在此溫度下，隨著時間的增加，直到30min時，菌落數基本上不發生變化，說明在此溫度下菌液的保護效果比較明顯；65℃加熱時，平均菌落數在108cfu/mL左右，說明65℃條件下與60℃條件相差不是很明顯，但70℃以后菌落數下降明顯，數量級保持在104～105cfu/mL，80℃時基本全部死亡。與最佳噴霧條件下菌落數相比較，60℃、10min水浴加熱模擬條件與之效果相似，可以作為噴霧條件的模擬實驗。

3 結論

本文通過噴霧前培養基與濃縮菌液添加條件的選擇實驗，在濃縮菌液添加量為5%的條件下，通過37℃，120r/min振蕩放置3～5h效果最好，此時菌落數可達1012～1013cfu/mL，而且培養液的營養條件基本上沒有消耗，可以保證后期菌粉的長期需要；由正交實驗及分析找出了最佳噴霧條件是卡拉膠添加量為1‰，出口溫度為70℃，聚乙烯醇（PVA）添加量為2%，進口溫度為170℃，此時菌落數達到109cfu/mL，而且得到的菌粉為土色略帶有香味的細膩粉末，經后期檢測可以長時間在冷藏條件下保存；通過水浴模擬實驗，可知60℃、10min加熱效果與最佳噴霧條件效果基本相同，此條件可以作為噴霧條件的模擬實驗。

［1］張峻，齊崴，韓志慧，等.食品徽膠囊、超微粉碎加工技術［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［2］宋健，陳磊，李效軍.微囊化技術及應用［M］.北京：化學工業出版社，2001.

［3］李勇.乳酸菌抗高溫和冷凍損傷保護劑的研究［J］.乳品加工，2009（3）：40.

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［5］張強，褚西寧.卡拉膠包埋乳酸菌的研究［J］.微生物學雜志，1992，12（2）：22-25.

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［7］王建龍，施漢昌.聚乙烯醇包埋固定化微生物的研究及進展［J］.工業微生物，1998，28（2）：35-39.

Study on the relationships between spray-drying conditions and water-bath simulation experiment

YU Zhang-long，WU Hui-yuan，LI Yong-ge，XUE Wen-tong*，ZHANG Hui，ZHANG Ze-jun
（College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Spray drying is a common processing method in the production of powder.But it still need to further study active bacteria powder production.Spray-drying makes bacteria die is mainly due to high-temperature dehydration.By comparing different heating temperature and time with the best spraying conditions，the corresponding relationships between spray-drying conditions and water-bath simulation heating conditions were studied.Results showed that there was the same number of colonies survived between the spray-drying conditions of inlet temperature 170℃，outlet temperature 70℃ and that water bath simulation experiment conditions of 60℃，10min.

spray-drying；water-bath simulation experiment；number of colonies survived

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0101-03

噴霧干燥技術到現在已有一百多年的歷史，早在1865年，就有人將噴霧技術應用于蛋液的處理上。多年以來，噴霧干燥的應用已十分普遍，在食品、化學藥品、醫藥品、洗滌劑、化肥、合成樹脂、陶瓷、染料、農藥等方面得到廣泛應用。它是以單一工序將溶液、乳液、懸浮液或漿狀物加工成粉狀干燥制品的一種干燥法。將被干燥的液體經霧化器作用，噴成非常細微的霧滴，并依靠干燥介質（熱空氣、冷空氣、煙道氣或惰性氣體）與霧滴均勻混合，進行熱交換和質交換，使溶劑氣化或熔融物固化［1］。它具有［2］干燥速率高、時間短，產品具有良好的分散性和溶解性、產品純度高、生產工程簡單、操作控制方便、更適用于連續化工業生產等優點。益生菌菌粉的生產多采用冷凍干燥法，但此法生產成本較高，本實驗從噴霧干燥條件的摸索進行研究，但由于微生物的蛋白質和核酸等重要物質在高溫下發生變性，例如使核酸發生脫氨、脫嘌呤或者降解以及破壞細胞膜上的類脂成分等，會大大降低菌粉的活菌落數［3］。為了盡量提高其活菌落數，本文從水浴模擬實驗研究它們的對應關系，這樣就可以在水浴條件下進行噴霧條件的摸索，能夠大大提高實驗效率，并為本類實驗提供一些理論數據。

2010-01-11 *通訊聯系人

于章龍（1984-），男，在讀碩士，研究方向：農產品加工與貯藏工程。