魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥參數(shù)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)研究

周亞男，楊宏志，李志江，趙婧，魏春紅，關(guān)琛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319）

魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥參數(shù)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)研究

周亞男，楊宏志*，李志江*，趙婧，魏春紅，關(guān)琛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319）

為制備魯氏酵母發(fā)酵劑，研究噴霧干燥工藝對(duì)魯氏酵母發(fā)酵劑活菌存活率的影響。通過單因素及正交試驗(yàn)，確定最佳噴霧干燥工藝參數(shù)；以最重要因素進(jìn)口溫度為基礎(chǔ)，研究噴霧干燥過程的動(dòng)力學(xué)特性，應(yīng)用SigmaPlot軟件構(gòu)建理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的噴霧干燥動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果顯示，魯氏酵母噴霧干燥工藝最優(yōu)參數(shù)為進(jìn)口溫度120℃、進(jìn)料流量17%（蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速占比）、保護(hù)劑與菌泥比例1∶1（g/L）。在噴霧干燥過程中，活菌存活率符合Polynomial模型函數(shù)，在溫度范圍內(nèi)，存活率變化符合二次線性函數(shù)模型。

魯氏酵母；噴霧干燥；參數(shù)；動(dòng)力學(xué)模型

魯氏酵母（Zygosaccharomyces rouxii）作為傳統(tǒng)豆醬中增香的微生物，在豆醬的后期發(fā)酵過程中，協(xié)同球擬酵母（Torulopsis）、假絲酵母（Candida），對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用[1]。在自然條件下，豆醬釀造過程中微生物的種類及數(shù)量有限，將魯氏酵母發(fā)酵劑人工接種到豆醬后熟發(fā)酵階段中，可縮短周期，增加風(fēng)味物質(zhì)，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[2]。

目前，酵母菌發(fā)酵劑的制備方法主要采用真空冷凍干燥和噴霧干燥。真空冷凍干燥雖制備的菌種活力高，但一直存在產(chǎn)量低、費(fèi)用昂貴和產(chǎn)品易結(jié)塊等缺點(diǎn)[3-4]。噴霧干燥法作為眾多工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝過程之一，具可連續(xù)操作、全自動(dòng)化控制、對(duì)料液要求范圍廣、可工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。同時(shí)，根據(jù)噴霧干燥原理，質(zhì)量平衡、熱量平衡及熱量傳遞原理，可構(gòu)建噴霧干燥動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，可使整個(gè)干燥過程更方便快捷[7-8]。為使魯氏酵母生存的最大化，研究?jī)?yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)及建立動(dòng)力學(xué)模型，可為提高發(fā)酵劑存活率提供數(shù)據(jù)參考。因此，本研究以魯氏酵母發(fā)酵劑為研究對(duì)象，應(yīng)用單因素和正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)，并建立噴霧干燥過程動(dòng)力學(xué)模型，為工業(yè)化生產(chǎn)魯氏酵母發(fā)酵劑提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魯氏酵母：中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏管理中心（編號(hào)：32899）；YPD液體培養(yǎng)基：青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司；平板計(jì)數(shù)瓊脂：Xiya Reagent生物技術(shù)有限公司；海藻糖（食品級(jí)）：山東天力藥業(yè)有限公司；谷氨酸鈉（食品級(jí)）：Biosharp生物技術(shù)有限公司；脫脂乳粉（食品級(jí)）伊利乳業(yè)有限公司；氯化鈉（分析純）、葡萄糖（分析純）：天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；YPD液體培養(yǎng)基（蛋白胨20.0 g/L，葡萄糖20.0 g/L，酵母浸粉10.0 g/L）：青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YG-003-20 L微生物發(fā)酵罐：上海洋格生物工程設(shè)備有限公司；XSP-C生物顯微鏡：重慶光學(xué)儀器廠；HZQ恒溫振蕩器：哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司；DRP-9082型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；LDZM立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠；YM-6000Y小型噴霧干燥機(jī)：上海豫明儀器有限公司；DGG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；R2140型分析天平：瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；Centrifuge 5403 R低溫離心機(jī)：Eppendorf生命科技有限公司；FA25model均質(zhì)機(jī)：上海佛魯克流體機(jī)械制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酵母菌細(xì)胞總數(shù)測(cè)定

采用GB 4789.2-2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測(cè)定》[2]。

1.3.2 噴霧干燥條件單因素試驗(yàn)

噴霧干燥進(jìn)口溫度試驗(yàn)：

采用進(jìn)料流量13%（蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速占比）、保護(hù)劑與菌泥（水分）比例為4∶1（g/L）、進(jìn)料溫度分別選擇 110、115、120、125、130℃進(jìn)行試驗(yàn)。酵母菌活率為檢驗(yàn)指標(biāo)。

噴霧干燥進(jìn)料流量試驗(yàn)：

采用進(jìn)料溫度120℃、保護(hù)劑與菌泥比例為4∶1（g/L），進(jìn)料流量分別選擇 12%、13%、14%、15%、1 6%進(jìn)行試驗(yàn)。酵母菌活率為檢驗(yàn)指標(biāo)。

噴霧干燥保護(hù)劑與菌泥比例試驗(yàn)：

采用進(jìn)料流量13%（蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速占比）、進(jìn)料溫度120℃，保護(hù)劑與菌泥比例分別選擇 3∶1、1∶1、4∶1、8∶1、12∶1（g/L）進(jìn)行試驗(yàn)，酵母菌存活率為檢驗(yàn)指標(biāo)。

1.3.3 噴霧干燥正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)對(duì)噴霧干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，分別選取進(jìn)口溫度、進(jìn)料流量、保護(hù)劑與菌泥比例進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)。表1為噴霧干燥工藝優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表。

表1 噴霧干燥工藝優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of spray drying process optimization test

1.3.4 驗(yàn)證性試驗(yàn)

以正交試驗(yàn)優(yōu)選的最佳條件進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，比較各試驗(yàn)組存活率，分析判斷試驗(yàn)的可重復(fù)性。

1.4 動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

1.4.1魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥計(jì)算方程

在魯氏酵母噴霧干燥的過程中，以Gv來表示酵母菌存活率，計(jì)算公式為：

式中：Gt為干燥后發(fā)酵劑中活菌總數(shù)，CFU/g；GO初始活菌總數(shù)，CFU/g。

初始活菌總數(shù)可由式（2）確定：

式中：G液為經(jīng)實(shí)驗(yàn)室條件下液體培養(yǎng)對(duì)數(shù)期魯氏酵母活菌總數(shù)CFU/g。當(dāng)活菌總數(shù)達(dá)到108CFU/g時(shí)予以應(yīng)用。

1.4.2 平均換熱溫差計(jì)算方程

式中：△Tm為平均換熱溫差；△T1為加熱器入口端傳熱溫差；△T2出口端傳熱溫差。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥單因素試驗(yàn)

2.1.1 不同進(jìn)口溫度對(duì)魯氏酵母存活率的影響

不同進(jìn)口溫度對(duì)存活率的影響如圖1所示。

圖1 進(jìn)料溫度對(duì)發(fā)酵劑的影響Fig.1 Influence of inlet temperature on starter

在進(jìn)口溫度為115℃時(shí)魯氏酵母發(fā)酵劑存活率達(dá)到最大，當(dāng)進(jìn)口溫度達(dá)到120℃時(shí)，存活率已呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著進(jìn)口溫度的持續(xù)升高，魯氏酵母經(jīng)受不住高溫，導(dǎo)致存活率下降，同時(shí)制得的發(fā)酵劑顏色由白色變至稍偏黃，伴有焦糊氣味產(chǎn)生。

2.1.2 不同進(jìn)料流量對(duì)魯氏酵母存活率的影響

不同進(jìn)料流量對(duì)魯氏酵母存活率的影響見圖2。

圖2 進(jìn)料流量對(duì)發(fā)酵劑的影響Fig.2 Influence of injective flow on starter

如圖2所示，不同進(jìn)料流量對(duì)存活率的影響。隨著進(jìn)料流量的增大，存活率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，隨著進(jìn)料流量的增加，經(jīng)霧化后的液滴數(shù)量也大量增加，熱空氣不能瞬間對(duì)霧滴進(jìn)行干燥，導(dǎo)致發(fā)酵劑內(nèi)的活菌數(shù)降低，影響發(fā)酵劑存活率。

2.1.3 不同保護(hù)劑與菌泥比例對(duì)魯氏酵母存活率的影響

如圖3所示，不同保護(hù)劑與菌泥配比對(duì)存活率的影響。隨著保護(hù)劑的增加，存活率呈現(xiàn)先上升后平緩下降的趨勢(shì)，保護(hù)劑含量過低，導(dǎo)致酵母菌在干燥過程中死亡，保護(hù)效果不理想，含量過高，粉狀顆粒中的菌體比例變小。影響發(fā)酵劑內(nèi)的活菌數(shù)。

2.2 噴霧干燥工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如2所示。

圖3 保護(hù)劑與菌泥比例對(duì)發(fā)酵劑的影響Fig.3 Influence of proportion of protectants cells

表2 正交試驗(yàn)及結(jié)果Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

通過直觀分析法可得，在試驗(yàn)選定的因素水平中RA>RC>RB，各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響水平由大到小的排列順序?yàn)锳>C>B，最佳組合方式為A3B3C1，即進(jìn)口溫度120℃、進(jìn)料流量17%、保護(hù)劑與菌泥比例1∶1（g/L）時(shí)較好。

以進(jìn)料溫度120℃、進(jìn)料流量17%（蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速占比）、保護(hù)劑與菌泥比例1∶1（g/L）為條件進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果魯氏酵母發(fā)酵劑活菌存活率為85%，高于正交試驗(yàn)中的9個(gè)試驗(yàn)組。

2.3 魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥過程模型

在噴霧干燥過程中，熱量和質(zhì)量的傳遞過程是同時(shí)發(fā)生的[9-10]。霧滴和干燥介質(zhì)接觸時(shí)，熱量是以對(duì)流的方式由空氣傳給液滴的，將空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱[11-13]。加熱器的入口溫度直接影響干物料的水分蒸發(fā)含量，對(duì)于本研究發(fā)酵劑的制備，不但要考慮干物料的濕含量，更為重要的是考慮活菌的存活率[14-15]。根據(jù)單因素及正交試驗(yàn)結(jié)果可得，進(jìn)口溫度越高，發(fā)酵劑活菌存活率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，同時(shí)，進(jìn)口溫度是影響存活率的重要因素。故以進(jìn)口溫度為研究對(duì)象，確定魯氏酵母發(fā)酵劑活菌存活率與加熱器進(jìn)口溫度的相關(guān)性，在原物料初始濕基含量相同，進(jìn)料流量17%，保護(hù)劑與菌泥配比1∶1（g/L），室溫條件下，可得不同進(jìn)口溫度下，發(fā)酵劑內(nèi)活菌總數(shù)、存活率、平均換熱溫差變化，如表3所示。

表3 魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥過程中初始活菌數(shù)和存活率值Table 3 The number of initial viable cells and the survival rate during the spray drying process of the yeast fermentation

對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，如圖4所示。

圖4表3中發(fā)酵劑活菌數(shù)（Gt）與平均換熱溫差（△Tm）的數(shù)據(jù)擬合Fig.4The number of viable bacteria viable（Gt）and the average heat transfer temperature difference（△Tm）data fitting in Table 3

可得式：

由于噴霧干燥在室溫條件下進(jìn)行，根據(jù)噴霧干燥熱量衡算，△Tm為平均換熱溫差可用公式（3）表示計(jì)算。

根據(jù)公式（4）Gv為理論計(jì)算的存活率，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的差距，需引進(jìn)校正系數(shù)k進(jìn)行修正，并將式（3）與（5）式聯(lián)立，則存活率Gv可表示為：

采用Polynomial線性擬合的方法對(duì)公式（5）中的參數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。

表4 噴霧干燥動(dòng)力學(xué)參數(shù)值Table 4 Parameter values of spray drying

2.4 魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥過程模型驗(yàn)證

試驗(yàn)存活率與理論計(jì)算曲線如圖5所示。

圖5 存活率隨平均換熱溫差變化的理論和試驗(yàn)曲線Fig.5 Theory and Test Curve of Survival Rate with Mean Temperature Difference of Heat Transfer

從圖5可以看出，在溫度范圍內(nèi)，存活率的試驗(yàn)與模型理論計(jì)算曲線趨勢(shì)一致，起初隨著溫度的升高，存活率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)△Tm為78時(shí)，對(duì)應(yīng)T入：120℃；T出：48℃，此時(shí)試驗(yàn)及理論存活率均達(dá)到最高。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，存活率呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，可以看出，過高的溫度對(duì)發(fā)酵劑活菌存活率影響較大。當(dāng)△Tm較低時(shí)，噴霧干燥室內(nèi)的熱空氣未能將霧滴表面的水分及時(shí)蒸發(fā)，導(dǎo)致干物料的濕含量增加，制備的發(fā)酵劑相對(duì)粘性較大，對(duì)活菌的存活率產(chǎn)生影響；當(dāng)△Tm較高時(shí)，對(duì)應(yīng) T入、T出均升高，在 Tm為 86時(shí)，T出達(dá)到 53，幾乎達(dá)到酵母菌的生存極限，故過高的溫度對(duì)魯氏酵母發(fā)酵劑存活率有重要影響。通過圖5可得，理論模擬曲線與實(shí)際情況相符，所以公式（6）為魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥過程的動(dòng)力學(xué)模型。

3 結(jié)論

本文研究了魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥工藝優(yōu)化，建立了噴霧干燥過程動(dòng)力學(xué)模型。通過單因素試驗(yàn)和三因素三水平正交試驗(yàn)，確定3個(gè)因素的主次關(guān)系式：進(jìn)口溫度＞保護(hù)劑與菌泥比例＞進(jìn)料流量，最佳參數(shù)為：進(jìn)口溫度120℃、進(jìn)料流量17%、保護(hù)劑與菌泥比例1∶1（g/L）。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，以進(jìn)口溫度為研究對(duì)象，魯氏酵母發(fā)酵劑噴霧干燥過程符合Polynomial模型函數(shù)。在溫度范圍內(nèi)，存活率變化符合二次線性函數(shù)模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到模型中的各個(gè)系數(shù)。

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Parameters Optimization and Kinetics Study of Zygosaccharomyces rouxii with the Spray Drying Method

ZHOU Ya-na，YANG Hong-zhi*，LI Zhi-jiang*，ZHAO Jing，WEI Chun-hong，GUAN Chen
（College of Food，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，Heilongjiang，China）

In order to prepare the Zygosaccharomyces rouxii，the effect of spray drying on the survival rate of live yeast fermentation was studied.With the single factor and orthogonal test，the optimal parameters of the spray drying were constructed.Based on the most important factor of inlet temperature，the kinetic characteristics of the spray drying process were studied by the SigmaPlot software to construct the spray drying dynamics model together with theory and experience.The results indicated that the optimal spray drying parameter of the inlet temperature was 120℃，feed flow was 17%，ratio of preservative to bacteria was 1∶1（g/L）.During the spray drying process，the survivability of live bacteria was in accordance with the Polynomial model function，which the survival rate changed in line with the quadratic linear function model within the temperature range.

Zygosaccharomyces rouxii；spray drying process；parameters；Dynamic model

2017-04-21

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.036

大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目“魯氏酵母高密度培養(yǎng)制備技術(shù)及其豆醬增香效果研究”（ZD-2016-154）；大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目“魯氏酵母對(duì)面團(tuán)發(fā)酵特性及焙烤食品品質(zhì)影響研究”（ZD-2016-030）；大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目“豆醬中大豆苷元和染料木黃酮提取純化及生物活性研究”（SZDFY-2015-33）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（XDB 2015-08）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（YJSCX2017-Y53）

周亞男（1993—），女（漢），碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。

*通信作者：楊宏志（1963—），男，教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程；李志江（1977—），男，副教授，博士，研究方向：食品發(fā)酵與釀造。