噴霧干燥對(duì)發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709存活影響的研究

郭 云，孟祥晨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

噴霧干燥對(duì)發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709存活影響的研究

郭 云，孟祥晨*

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

研究噴霧干燥對(duì)高抗氧化活性發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709存活的影響。以脫脂乳為菌體懸浮基質(zhì)，研究不同出風(fēng)溫度對(duì)該菌噴霧干燥后菌體存活率的影響，然后在脫脂乳中添加不同比例的海藻糖和蔗糖，比較不同基質(zhì)對(duì)菌體存活率的影響。結(jié)果表明，隨出風(fēng)溫度的升高，菌體存活率和水分含量均降低；當(dāng)出風(fēng)溫度為75℃時(shí)，菌體存活率為62.98%，殘留水分含量為5.80%。以10%脫脂乳+5%海藻糖+5%蔗糖為基質(zhì)進(jìn)行噴霧干燥，菌體存活率最高達(dá)73.90%，表明海藻糖和蔗糖與脫脂乳混合作為基質(zhì)時(shí)可提高該菌噴霧干燥后的存活率。

噴霧干燥，脫脂乳，發(fā)酵乳桿菌，海藻糖，蔗糖

乳酸桿菌是人類有益腸道菌群的重要組成菌種之一，具有許多重要的生理功能［1］，抗氧化活性是其重要的生理功能之一，具有抗氧化活性的乳桿菌能夠在攝取食物的過(guò)程中降低活性氧聚積，減少超氧負(fù)離子和過(guò)氧化氫的含量［2］。Kullisaar等人報(bào)道了從健康的嬰兒腸道中分離出兩株具有抗氧化活性的發(fā)酵乳桿菌E-3和E-18，它們含有大量的谷胱甘肽和過(guò)氧化物歧化酶（SOD），能夠抑制脂質(zhì)過(guò)氧化物反應(yīng)，減少過(guò)氧化氫含量，維護(hù)腸道生態(tài)系統(tǒng)并抑制內(nèi)源性和外源性的氧化應(yīng)激反應(yīng)［3］。本研究前期從50株益生菌中已篩選出一株具有抗氧化活性的發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709，將這株具有抗氧化活性的益生菌制備成菌粉，目前常用的兩種方法是冷凍干燥和噴霧干燥［4］。在食品工業(yè)中，與冷凍干燥相比，噴霧干燥具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合益生菌大規(guī)模生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存，是商業(yè)化制備益生菌產(chǎn)品普遍采用的方法。許多研究報(bào)道了噴霧干燥技術(shù)在制備益生菌產(chǎn)品中的應(yīng)用［5］。然而在噴霧干燥過(guò)程中，益生菌與高溫空氣充分接觸，盡管時(shí)間短，但熱力作用還是會(huì)導(dǎo)致菌體死亡，制備的干燥菌粉活菌數(shù)較低。因此，采用噴霧干燥制備益生菌粉時(shí)需考慮菌體的存活率問(wèn)題。本研究的主要目的是通過(guò)優(yōu)化噴霧干燥參數(shù)和使用不同菌體懸浮基質(zhì)來(lái)減少噴霧干燥對(duì)發(fā)酵乳桿菌存活率的影響，為該菌的商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發(fā)酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）KLDS1.0709乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保藏；優(yōu)化后的玉米漿液體培養(yǎng)基 玉米漿粉100g，葡萄糖40g，吐溫-80 2g，K2HPO46g，檸檬酸鈉6g，MgSO40.6g，MnSO40.6g，蒸餾水2L，調(diào)pH到6.0，121℃滅菌15min；MRS培養(yǎng)基；脫脂乳 蛋白質(zhì)含量為35%，新西蘭；海藻糖純度≥99%，上海倍翔；蔗糖 食品級(jí)，天津光復(fù)科技；其它試劑 均為分析純。

Delta320 pH計(jì) 瑞士梅特勒-托利多集團(tuán)；HVE-50高溫高壓滅菌鍋 日本平山公司；DHP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科技有限公司；VD-1320潔凈工作臺(tái) 北京東聯(lián)哈爾濱儀器制造有限公司；GL-21高速冷凍離心機(jī) 上海市離心機(jī)械研究所；瑞士比歐KLF2000型發(fā)酵罐 瑞士比歐生物工程公司；XK96-A快速混勻振蕩器 姜堰市新康醫(yī)療器械有限公司；B-290噴霧干燥儀 瑞士Buchi（布奇）公司；S-3400N掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菌種的活化及發(fā)酵培養(yǎng) 將發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709接種于MRS液體培養(yǎng)基中，于恒溫箱中35℃培養(yǎng)12h，連續(xù)活化三代，以提高菌株活力。

配制玉米漿液體培養(yǎng)基，然后將其倒入3.7L發(fā)酵罐，121℃滅菌15min，當(dāng)溫度降至30℃時(shí)，以1%接種量接種發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709培養(yǎng)液，在35℃恒 pH6.0條件下發(fā)酵培養(yǎng) 12h，攪拌速度為100r/min。

1.2.2 菌懸液的制備 發(fā)酵結(jié)束放罐后，將發(fā)酵液在4℃、6000×g離心10min后，傾倒上清液，獲得的菌體細(xì)胞再用PBS緩沖溶液清洗兩次，將最后獲得的菌體細(xì)胞通過(guò)混勻振蕩器懸浮在相應(yīng)的基質(zhì)中。

1.2.3 基質(zhì)的制備 按照表1制備相應(yīng)的菌體懸浮基質(zhì)。

表1 噴霧干燥基質(zhì)的配比

1.2.4 噴霧干燥 參考Ananta E（2005）的方法進(jìn)行噴霧干燥，進(jìn)料速度恒定為5mL/min，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)溫度使出風(fēng)溫度在70～90℃之間［6］，干粉樣品從旋風(fēng)分離器下收集。

1.2.5 活菌計(jì)數(shù) 采用平板菌落計(jì)數(shù)法［7］。

1.2.6 存活率測(cè)定 發(fā)酵乳桿菌存活率（%）=（噴霧干燥后發(fā)酵乳桿菌的活菌數(shù)/噴霧干燥前發(fā)酵乳桿菌的活菌數(shù)）×100%

1.2.7 水分含量測(cè)定 采用烘干方法測(cè)定產(chǎn)品的水分含量，將裝有3g樣品的鋁盒放入（102±2℃）的烘箱中加熱，直至恒量，重復(fù)上述操作，直到兩次連續(xù)稱量質(zhì)量之差不超過(guò)0.0005g（GB/T 5413.8-1997）。

式中，m1：加入樣品后鋁盒和蓋的最初質(zhì)量，g；m2：樣品烘干后兩次稱量獲得的最小質(zhì)量，g；m3：樣品的質(zhì)量，g。

1.2.8 產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè) 制備后的菌粉樣品采用掃描電子顯微鏡的方法觀察其微觀結(jié)構(gòu)特征。具體操作步驟如下：a.粘樣：將少許樣品均勻地粘貼在掃描電鏡樣品臺(tái)上；b.鍍膜：用W-1010（Giko）型離子濺射鍍膜儀在樣品表面上鍍上一層1500nm厚的金屬膜（金或鉑膜）；c.將處理好的樣品放入樣品盒中待檢；d.開機(jī)，采用加速電壓20kV測(cè)量樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同出風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥后菌體存活的影響

以20%脫脂乳為基質(zhì)進(jìn)行噴霧干燥，不同的出風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥后發(fā)酵乳桿菌KLDS 1.0709存活率的影響見圖1。

圖1 不同出風(fēng)溫度對(duì)發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709噴霧干燥后存活率及殘留水分含量的影響

從圖1中可以看出：隨出風(fēng)溫度的升高，菌體的存活率呈線性下降，當(dāng)出風(fēng)溫度從70℃升高到85℃時(shí)，菌體存活率從74.37%急劇降低到33.18%。菌粉的水分含量也隨出風(fēng)溫度的升高而從7.63%降至2.94%。從食品儲(chǔ)藏玻璃化溫度的角度考慮，25℃適宜乳粉儲(chǔ)藏的殘留水分含量的臨界值為7%［8］。產(chǎn)品干燥后殘留水分含量低于7%能減少儲(chǔ)藏過(guò)程中產(chǎn)生的不良影響，例如乳糖結(jié)晶等。而且根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)該選擇高存活率和低水分含量的參數(shù)，因此綜合考慮上述因素，確定適合發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709噴霧干燥的出風(fēng)溫度為75℃，此時(shí)的菌體存活率為62.98%，殘留水分含量為5.80%。

Gardiner G E等研究了噴霧干燥對(duì)副干酪乳桿菌NFBC338和唾液乳桿菌UCC118的存活率的影響［9］，同樣以脫脂乳為基質(zhì)，不同出風(fēng)溫度的實(shí)驗(yàn)顯示，出風(fēng)溫度在75℃最佳，該溫度下獲得菌粉的殘留水分含量為5%左右，NFBC338和UCC118的存活率分別為66%和1%。本研究采用的發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709在最適出風(fēng)溫度75℃時(shí)菌體存活率為60%左右，與副干酪乳桿菌接近。

2.2 不同基質(zhì)對(duì)噴霧干燥后菌體存活的影響

將蔗糖和/或海藻糖添加至脫脂乳中，作為菌體懸浮基質(zhì)在出風(fēng)溫度為75℃的條件下進(jìn)行噴霧干燥，結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，以20%脫脂乳為基質(zhì)時(shí)菌體的存活率可達(dá)60.22%，當(dāng)以10%脫脂乳與10%蔗糖混合為基質(zhì)時(shí)，菌體存活率提高5.68%，當(dāng)以10%脫脂乳與10%海藻糖混合為基質(zhì)時(shí)，菌體存活率提高8.52%，當(dāng)海藻糖和蔗糖分別以5%混合添加至10%脫脂乳中時(shí)，菌體的存活率達(dá)最高，為73.90%，比20%脫脂乳為基質(zhì)時(shí)的存活率提高13.68%。

從上述結(jié)果可以看出，海藻糖和蔗糖在噴霧干燥脫水的過(guò)程中對(duì)菌體具有一定的保護(hù)作用，與Zaye等人研究利用海藻糖和蔗糖作為唾液乳桿菌唾液亞種（UCC500）凍干保護(hù)基質(zhì)的結(jié)果相似，在脫脂1-20%脫脂乳；2-10%脫脂乳+10%海藻糖；3-10%脫脂乳+10%蔗糖；4-10%脫脂乳+5%海藻糖+5%蔗糖乳中添加海藻糖或蔗糖比不添加的菌體凍干存活率要高，而且當(dāng)海藻糖和蔗糖兩者混合添加到脫脂乳中比兩者單獨(dú)分別添加到脫脂乳中保護(hù)效果要好［10］。

圖2 不同噴霧干燥基質(zhì)對(duì)發(fā)酵乳桿菌KLDS1.0709存活率及水分含量的影響

研究表明，糖類物質(zhì)由于具有替代水分子以及形成玻璃態(tài)的能力，在凍結(jié)和干燥過(guò)程中對(duì)細(xì)胞膜有很好的保護(hù)作用，同時(shí)對(duì)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體、原核細(xì)胞等生物系統(tǒng)的冷凍干燥和噴霧干燥有抑制損傷的作用，Leslie SB等人發(fā)現(xiàn)，海藻糖和蔗糖在冷凍干燥過(guò)程中對(duì)大腸桿菌和蘇云芽孢桿菌起到了很好的保護(hù)作用，主要是由于海藻糖和蔗糖在干燥階段能夠保護(hù)細(xì)胞膜維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定［11］。

2.3 噴霧干燥菌粉的表征

不同懸浮基質(zhì)噴霧干燥后形成菌粉的掃描電鏡觀察如圖3所示，干燥后的微粒都大體呈球形，與Charpenntier［12］的觀察相似，以脫脂乳為主要基質(zhì)的微球表面有裂縫出現(xiàn)，這些裂縫有利于干燥后顆粒內(nèi)部熱量的排出，減少熱對(duì)內(nèi)部菌體的傷害。

圖3 四種基質(zhì)噴霧干燥菌粉的微觀結(jié)構(gòu)（放大3000倍）

從圖中可以看出，5%海藻糖+5%蔗糖+10%脫脂乳懸浮基質(zhì)噴霧干燥后形成的微粒比其他三種基質(zhì)的微粒形態(tài)更圓潤(rùn)，而10%蔗糖+10%脫脂乳為基質(zhì)的微粒和20%脫脂乳為基質(zhì)的微粒表面有明顯干燥脫水后行成的凹坑。

3 結(jié)論

綜合考慮噴霧干燥菌體存活率和殘留水分含量，選擇最佳的噴霧干燥出風(fēng)溫度為75℃，此時(shí)的菌體存活率為62.98%，殘留水分含量為5.80%。

當(dāng)海藻糖和蔗糖與脫脂乳混合為噴霧干燥基質(zhì)時(shí)可提高菌體的存活率，其中10%脫脂乳+5%海藻糖+5%蔗糖為噴霧干燥基質(zhì)時(shí)，菌體的存活率最高，達(dá)73.90%。

由掃描電鏡可知菌粉微粒大體呈球型，微球表面有裂縫并且凸凹不平，粒徑分布不均勻，大體在30～500μm之間。

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Survival of Lactobacillus fermentum KLDS1.0709 after spray-drying

GUO Yun，MENG Xiang-chen*
（Key Laboratory of Dairy Science，Ministry of Education，F(xiàn)ood Scienceamp;Technology College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Lactobacillus fermentum KLDS1.0709 was first spray-dried with skim milk at different outlet temperatrure to investigate the microbial survival rate.Furthermore，trehalose or/and sucrose was/were included in the skim milk to assess their protection capacity.The results indicated that the survival rate and the residual moisture content decreased with increasing outlet temperatures.A microbial survival rate of 62.98%and a residual moisture content of 5.80%were achieved at an outlet temperature of 75℃.5%trehalose+5%sucrose in addition to skim milk were the most efficient materials giving a survival rate of 73.90%after spray-dring.Trehalose and sucrose greatly enhanced survival rate when they were used together with skim milk.

spray-drying；skim milk；Lactobacillus fermentum；trehalose；sucrose

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0109-03

2010-01-20 *通訊聯(lián)系人

郭云（1983-），女，碩士，研究方向：食品微生物。

國(guó)家863項(xiàng)目（2008AA10Z335）資助。