酵母熱干燥法及其活性提高途徑

張鴻雁 曾凱芳,2 周雅涵 鄧麗莉,2 姚世響,2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

酵母熱干燥法及其活性提高途徑

張鴻雁1曾凱芳1,2周雅涵1鄧麗莉1,2姚世響1,2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶 400715)

通過干燥的方法使酵母細胞脫水并進入休眠狀態即固態活性干酵母，其儲運方便，且可長期保存，廣泛應用于釀酒、烘焙、生物防治等方面。在制備活性干酵母的過程中菌體干燥是一個重要環節，文章介紹了成本低、可行性高、能夠長時間保存且能耗小的真空干燥、噴霧干燥、流化床干燥等熱干燥方法的原理及應用進展；分析了整個熱干燥過程前后影響活性干酵母活性的相關因素，包括酵母自身對外界環境的耐受力、酵母培養條件、保護劑添加、干燥工藝條件、貯藏及復水條件等；并進一步論述了提高其活性的方法。

活性干酵母；熱干燥；活性

酵母菌，生長繁殖較快，對環境的適應能力較強，與人類的生活緊密相關[1]1-5。數千年前，人類就已經利用酵母來釀酒，隨后開發出一系列酵母菌產品，如非活性干酵母(inactive dry yeast，IDY)[2]和活性干酵母(active dry yeast，ADY)[3]。

開發的酵母菌菌劑產品有液體劑型和固體劑型。液體劑型的酵母活菌率高，但無法長期貯存，固體劑型酵母應用前需復水，存活率較低；但因其在室溫下具有更強的遺傳穩定性，運儲簡便，保質期較長而在生物技術應用中受到歡迎[4]。

活性干酵母，主要應用于醫學[5]、烘焙[6]、釀酒[7]、凈化環境[8]、微生物固定化[9]、生物防治[10]等方面，還可以用作動物飼料[11]生物吸附劑[12]。生產活性干酵母即將酵母細胞脫水使之進入一個新陳代謝臨時可逆暫停的低濕休眠狀態[13]；制備活性干酵母過程中一個重要步驟是將酵母菌進行干燥，其中冷凍干燥作為一種較常用的方法，處理時間長，加工成本高，從經濟實用的角度考慮，無法大規模生產活性干酵母產品，所以在實際生產中可考慮成本低、可行性高、能耗小的熱干燥方法，如真空干燥、噴霧干燥、流化床干燥等。本文重點討論幾種生產活性干酵母的熱干燥方法及熱干燥過程中對酵母活性的影響因素和應對措施，旨在為活性干酵母產品的實際大規模生產提供一定的理論指導。

1 熱干燥方法

1.1 活性干酵母的制備流程

活性干酵母的制備流程和在制備過程中影響酵母活性的因素及應對措施見圖1。

1.2 熱風干燥

熱風干燥，即將物料置于連續流動的空氣流中，同時物料中的水分不斷蒸發的過程[15]，該方法操作簡單、成本低，且使用由來已久，但熱風干燥對干酵母活性有很大的影響，因而該方法不太適合干燥酵母。

圖1 活性干酵母制備流程[14]Figure 1 The process to prepare active dry yeast

1.3 減壓干燥

減壓干燥，即真空干燥，干燥過程中物料處于負壓狀態且隔絕空氣進行加熱，物料內部的水分擴散到物料表面，水分子獲得足夠的動能而蒸發到低壓空氣中，從而避免了物料在干燥過程中發生氧化，保持其特性并減少物料品質損失。真空干燥成本較低、操作較為簡單，干燥后酵母菌體存活率相對較高，因此可作為生產活性干酵母的干燥方法并對其工藝進行優化。

1.4 噴霧干燥

噴霧干燥是將濕物料在干燥室中高速霧化從而把漿狀物料轉變成干燥粉末的過程。噴霧干燥包括4個連續的過程：液體霧化、霧滴與熱空氣接觸、霧滴水分快速蒸發、熱空氣與干粉的分離[16]；噴霧干燥成本較低、產品均一性好、效率高且操作簡單，易于實現活性干酵母的商業化生產。

1.5 流化床干燥

流化床干燥是顆粒狀固體物料的干燥方法，不能干燥液體物料。流化床干燥通過向上移動的熱空氣使含水量較高的物料在氣流的作用下，將水分帶入空氣而達到干燥的目的；干燥過程中，酵母和干燥空氣接觸面積大，流化床內溫度分布均勻，避免物料的局部過熱，最終產品含水率也較為穩定，且流化床干燥的應用較久且更為廣泛。但在生產活性干酵母過程中其生產工藝及相關參數還需進一步優化。

1.6 微波真空干燥

微波真空干燥是用微波輻射作為加熱源在真空條件下對物料進行加熱而使其脫水的過程[17]；干燥過程中，微波可直接滲入所干燥的物料中，物料整體由內而外的被快速均勻地加熱，使水分快速蒸發達到干燥的目的[18]。微波真空干燥過程中，傳熱和傳質的方向相同，水分轉移會大幅度提高，可在較低的溫度、較短的時間內完成干燥；能較大限度地保持物料性質，該方法適于加工熱敏性物料[19]。

表1給出了真空干燥、噴霧干燥、流化床干燥以及微波真空干燥等熱干燥方法干燥酵母過程中所使用酵母菌株、熱干燥溫度和時間、真空度、進料速度、干燥后活性干酵母的活菌率以及在干燥中使用的保護劑等熱干燥工藝參數。

2 提高活性干酵母制劑活性的方法

從酵母培養到經熱干燥制備活性干酵母過程中諸多因素影響著活性干酵母的最終活性，如高溫、氧化應激等脅迫條件，最終干酵母制劑的活性大大降低，因此了解活性干酵母制劑在制備過程中對其活性影響的相關因素，并找出相應應對措施，對于制備高活性、高效率且貯存期長的活性干酵母制劑是很有必要的。

2.1 提高酵母菌株對外界環境的耐受力

酵母細胞本身是否具備耐受力是影響酵母熱干燥后細胞活性的關鍵因素之一。酵母細胞細胞壁組分主要是葡聚糖、甘露聚糖和蛋白質，整體細胞壁結構較厚，因而對外界壓力具有較好的耐受性[32-33]。

在熱干燥過程中酵母細胞需承受熱應力、脫水應力、滲透應力、機械應力等壓力，主要承受熱應力，當酵母細胞經受的溫度過高會破壞其大分子如蛋白質、核酸的高級結構；脫水應力通過改變細胞質膜的流動性或物理狀態以及引起脂質過氧化而損傷細胞質膜[34]，最終導致細胞內容物外泄[35]；脫水還影響酵母細胞的水分活度，而水分活度的改變也會影響酵母的耐受性；如酵母細胞在水分活度為0.4時其耐熱性最強[36]。熱干燥過程中酵母會同時受到多種脅迫壓力而引起酵母細胞損傷，同時當溫度或滲透壓突然變化，酵母細胞也會通過調節自身代謝和基因表達來適應新環境；如酵母細胞會產生甘油、熱激蛋白、海藻糖等[37-38]應激保護性物質；因此在干燥前增強酵母對脅迫環境的適應性可改善細胞對干燥過程中脅迫壓力的耐受性。如可通過熱激[39]來改善菌體對逆境的耐受力[23]，熱激增強了酵母細胞脂質大分子和周圍水分子的相互作用，穩定了脂質雙分子層，最終使經受熱激的細胞耐熱性增加[40]；還可使用鈣、抗壞血酸、過氧化氫或甜菜堿來誘導酵母的抗氧化應激能力[41-44]以提高酵母在隨后逆境中的耐受性。Liu等[37]將拮抗酵母置于40 ℃熱水浴30 min，或使用0.4 mol/L過氧化氫處理20～60 min，提高了酵母在45 ℃熱環境下的耐受力，經處理的酵母其海藻糖-6-磷酸合酶基因上調，海藻糖積累較多，活性氧積累量減少，另外在培養基中加入某些酵母細胞不可利用的組分如氯化鈉可誘導細胞的滲透壓休克反應[45-46]；因此短暫的暴露于一個非致死逆境條件下，可誘導酵母對更極端環境的耐受力。

表1 酵母熱干燥方法及其干燥條件Table 1 Thermal drying methods and drying conditions of yeasts

2.2 改良酵母培養條件

酵母培養條件如生長期、培養基組分等是影響細胞存活率的基本因素。微生物生長穩定期的微生物細胞具有更好的抗逆能力[47]；不同的培養基組分對酵母細胞有不同的作用， Teixidó等[48]使用添加甘油的培養基，降低了酵母生長環境的水分活度，酵母細胞內積累了較多的糖醇和海藻糖等糖類，從而提高了酵母(Candidasake)在脅迫環境中的生存力；還可添加適量的Ca2+促進酵母生長[49]。

2.3 熱干燥前預處理及添加保護劑

在實驗室將酵母離心配置懸浮液，該步驟對酵母菌干燥后活性也有一定的影響[21]20-21。而在工業規模上對酵母進行預處理時，影響酵母活性的主要因素是均質、霧化等[33]。

為提高干酵母活性還可在干燥前添加保護劑，所添加保護劑按照保護劑的穿透性[50]，可將其分為可滲透細胞壁和細胞膜的保護劑，能滲透細胞壁但不能滲透細胞膜的保護劑和既不能滲透細胞壁又不能滲透細胞膜的保護劑；還可按照保護劑的用途[1]236-242，將其分為增加滲透壓的保護劑、乳化劑和抗氧化劑。

在熱干燥過程中添加的保護劑是影響酵母干燥后活性的最大因素之一。如添加外源海藻糖可在干燥過程中穩定細胞結構，提高酵母細胞對外界壓力的耐受力，而酵母細胞內的海藻糖也會在酵母受到脫水應力、高溫、滲透壓等壓力時為酵母細胞提供保護[51-53]；另外海藻糖具有較高的玻璃化轉變溫度，因而會延緩一些化學反應如自由基氧化等[54]；海藻糖也是細胞組分的穩定劑[51]。除了海藻糖，脫脂乳、蔗糖[55]、甜菜堿、阿東糖醇、乳糖、葡聚糖[47]，山梨醇、麥芽糖、甘露醇、麥芽糖糊精、阿拉伯樹膠、淀粉等也是有效的保護劑。

2.4 優化熱干燥工藝條件

當正式進行熱干燥時，影響干燥后酵母細胞活性的主要因素包括干燥溫度，水分含量，干燥時間、脫水速率等。

干燥溫度即干燥過程中干燥物料所承受的溫度；在流化床干燥和真空干燥中，干燥溫度可維持在一個較低的范圍，可降低對酵母細胞潛在的熱損傷。Mille等[30]通過流化床干燥酵母(Saccharomycescerevisiae)，發現在低于8 ℃或高于25 ℃的溫度下對酵母進行干燥時，干燥后酵母活性更高；Bayrock等[56]也通過流化床干燥酵母，當酵母細胞在低于40 ℃下進行干燥時，酵母活性幾乎沒有損失；噴霧干燥中，進口溫度一般在100 ℃以上，出口溫度約為50～120 ℃，高于酵母的致死溫度，其中出口溫度對酵母活性的影響較大，且酵母存活率隨溫度的升高而降低[24]；因此為保證干酵母活性應盡量避免細胞暴露在高溫環境中。

水分含量，包括干燥空氣中水分含量及干燥物料含水量；據報道，濕熱空氣干燥比干熱空氣干燥更容易讓微生物失活[24]。流化床干燥時，當酵母水分含量高于15%，30～80 ℃ 的干燥溫度對酵母細胞活性沒有影響，當酵母水分含量低于15%時，干燥溫度決定了酵母最終的活性，且溫度越高，其活性越低[29]。

干燥時間即酵母細胞暴露于干燥設備中的時間。將酵母置于40～56 ℃的不同溫度下流化床干燥20～120 min，發現酵母菌株在40～48 ℃溫度范圍內干燥不等時長，其活性沒有顯著變化，50 ℃下干燥40～60 min之后酵母活性出現明顯下降的趨勢[57]；對于脫水速率，緩慢脫水的酵母細胞具備更好的活性[57]。

2.5 最佳貯藏及復水條件

理想的干酵母制劑作為一種商品，其復水后迅速增殖至顯著水平是其具備良好應用價值的基本要求；因此需要評估其活性以確保所制備的活性干酵母制劑具有良好的應用效果，一般通過平板計數法來評估酵母復水后的存活率。為在隨后的貯藏及復水階段保持干酵母產品的活性，需要采取一些措施來保證酵母的活性。

貯藏期間對干酵母細胞活性的影響因素包括貯藏溫度、濕度、所添加保護劑等；貯藏溫度影響最大，貯存于37 ℃時細胞存活率大幅度下降，而貯存于4 ℃時，酵母干粉的貯存時間可長達1年且存活率沒有明顯的下降[30]。隨著貯藏溫度升高(4～37 ℃)，菌體存活率損耗也升高；且具有高水分含量的活性干酵母較低水分含量的活性干酵母的活性下降更快。干燥后酵母在低溫或真空下或氮氣中貯存，其活性較高[58-59]。

干酵母細胞復水時滲透壓變化、復水介質、復水時間、復水溫度、復水速率[59]等是其活性恢復的重要影響因素。干酵母復水過程中細胞會因滲透壓的變化而失去活性，因而較為豐富的復水介質對其復水活性更好；Abadias等[24]使用富集培養基復水干燥酵母，其復水后活性相較于無菌水復水活性高，而以脫脂奶粉作為復水介質時活性最高。復水時間對酵母細胞的活性也有很大影響，Poirier等[60]發現，將干燥后酵母立即復水其活性僅為28%，而將酵母緩慢復水14 d，酵母活性為91%，因此酵母細胞緩慢復水可使酵母細胞活性最大限度地恢復。當復水溫度低于38～40 ℃，酵母細胞會因吸脹而遭受損害，導致細胞內容物的泄漏，酵母活性喪失[61]，Poirier等[60]還在50 ℃下將干燥后的酵母復水時，其存活率可達65%，對于啤酒酵母，其最佳復水溫度為43 ℃，因此復水時，應盡量提高酵母復水溫度。

3 展望

活性干酵母在食品方面應用廣泛，其作為固態菌劑易于儲運，可長時間貯存。目前市場上雖然已有一些活性干酵母制劑的市售品，但大多數活性低，且貯存要求較高，因此，在生產過程中所涉及的干燥方法和工藝參數還需進行優化，可通過提高酵母對外界環境耐受力的方式提高其活性，以更經濟高效的方法制備活性干酵母可拓展干酵母的應用市場，從而使活性干酵母更廣泛地應用到醫學、微生物固定化、生物防治等領域，真正實現其應用價值，有益于環境和人體健康。

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Thermal drying methods of yeast and the ways to improve the activity

ZHANG Hong-yan1ZENGKai-fang1,2ZHOUYa-han1DENGLi-li1,2YAOShi-xiang1,2

(1.CollegeofFoodScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.ChongqingSpecialFoodEngineeringandTechnologyResearchCenter,Chongqing400715,China)

Drying the yeast cells into a dormant state, that is, preparing solid active dry yeast, and the active dry yeast is convenient for transport and storage, and widely used in the fields of wine making, baking, biological control and so on. During the process of preparing active dry yeast, drying the yeast is an important step. It was introduced that the thermal drying methods, including drying methods of using vacuum, spray, and fluidized bed, which are economical, high in feasibility, low energy consumption, and can be preserve for a long time. Moreover, the factors affect the activity of dry yeast during the whole drying process were also analyzed, including the tolerance of the yeast to the external environment, the culture conditions of the yeast, the addition of the protective agent, the drying process, the storage and rehydration conditions, etc. finally, the methods to improve the activity of the yeast were discussed.

active dry yeast; thermal drying; activity

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2015BAD16B07)；重慶市科委柑桔主題專項課題(編號：cstc2016shms-ztzx80005)

張鴻雁，女，西南大學在讀碩士研究生。

曾凱芳(1972—)，女，西南大學教授，博士。 E-mail:zengkaifang@163.com

2016—12—26

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.043