乳酸菌噴霧干燥技術研究進展

王瑞雪，鄂晶晶，姚彩青，張巧玲，孫瑞胤，何宗柏，馬蓉澤，陳子超，王俊國*

（內蒙古農業(yè)大學食品科學與工程學院，乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，農業(yè)農村部奶制品加工重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010018）

乳酸菌是一類利用可發(fā)酵碳水化合物產生大量乳酸的菌群，通常為革蘭氏陽性桿菌或球菌，厭氧或兼性厭氧，主要分布在乳桿菌屬、鏈球菌屬、明串珠菌屬、雙歧桿菌屬及片球菌屬等幾個屬中。隨著對乳酸菌的深入研究發(fā)現，乳酸菌在人體腸道內可以定植并保護腸道不受有害菌的侵害，具有促進營養(yǎng)成分吸收、提高人體免疫力、維持腸道菌群平衡等多種益生功能，還被廣泛應用于日常生產生活中，如醫(yī)藥制造、食品生產及新型生物技術研發(fā)等領域[1]。無論是用作發(fā)酵劑還是保護性培養(yǎng)物，均需保證乳酸菌在一定時間內的存活率達到最高，才能有利于其發(fā)揮有益作用。

干燥是食品貯藏的一種重要的技術手段，通過去除食物中大部分水分，可以延長食品的貨架期，降低運輸、貯藏成本。通過冷凍干燥或噴霧干燥法生產的乳酸菌制劑，可以長期、穩(wěn)定地在環(huán)境溫度下貯藏。使用冷凍干燥法制備乳酸菌制劑具有耗時長、耗能多、成本較高且解凍過程中菌種存活量降低等特點。與之相比，噴霧干燥每千克的成本僅為冷凍干燥的1/6；噴霧干燥粉末運輸成本低、耗能少且能長期穩(wěn)定貯藏[2]。然而在噴霧干燥過程中，乳酸菌與高溫空氣充分接觸，盡管時間較短，但熱力作用還是會導致菌體死亡，制備的干燥菌粉活菌數較低。因此，噴霧干燥乳酸菌的存活率對于其商業(yè)化生產是一個較大的挑戰(zhàn)，微生物對熱的敏感性和存活的必要條件都成為目前的研究熱點[3]。本文重點論述噴霧干燥過程中影響乳酸菌菌體存活率的外部因素與內部因素。

1 噴霧干燥技術原理及其物理參數變化

噴霧干燥是將液體中的乳酸菌及載體材料通過泵輸送至霧化器，隨后霧化器將物料分散成無數細小的液滴，液滴在下降過程中與熱空氣接觸，發(fā)生傳熱傳質，熱空氣帶走物料中的水分，形成固體顆粒，并完成乳酸菌脫水過程。

噴霧干燥過程可以分為4 個階段：第1階段是霧化階段，物料流經霧化噴嘴形成小液滴；第2階段是快速脫水階段，液體開始與熱空氣接觸，氣液兩相達到平衡狀態(tài)，進行熱量交換，熱空氣帶走顆粒表面的水分，當液體表面水分充足時，能夠維持恒定的干燥速率，此時菌體所接觸的溫度為濕球溫度，低于熱空氣的溫度；第3階段是降速脫水階段，顆粒表面水分不能夠滿足恒速脫水的需求時，顆粒內部水分開始向顆粒表面遷移，脫水速率下降，逐漸形成干燥顆粒，菌體開始逐漸暴露在熱空氣中，接觸溫度開始上升，最終達到熱空氣出口溫度；第4階段是顆粒與氣體分離階段，干燥后較大的顆粒沉積在干燥塔底，較小、較輕的顆粒通過旋風分離器分離[4]。

乳酸菌遭受熱損傷主要發(fā)生在第3階段之后。由于熱損傷主要發(fā)生在干燥后期，所以停留時間和出口溫度是影響乳酸菌存活率的2 個主要因素。停留時間越長，出口溫度越高，乳酸菌存活率越低。但通常干燥溫度越高，水分蒸發(fā)速率越快，在達到同等水分含量的要求下，所需要的停留時間越短。所以，干燥溫度并不是越低越好，還要考慮到干燥時間對乳酸菌存活率的影響[5]。

2 影響乳酸菌菌體存活率的外部因素

2.1 噴霧干燥工藝對乳酸菌菌體存活率的影響

2.1.1 進、出口溫度

空氣入口溫度的升高與乳酸菌存活率的下降有關[6]。然而，Kim等[7]研究表明，較高的進口溫度對乳酸菌存活率的影響很小。這可能是由于干燥過程中益生菌的滅活是溫度和時間共同作用的結果。在噴霧干燥過程中，溫度的變化主要分為2 個階段，首先是恒定干燥速率階段，該階段液滴被熱空氣霧化，發(fā)生熱量傳遞，其溫度很快升到一恒定值（即干燥空氣的濕球溫度），由于其溫度和熱失活都受限于濕球溫度，因此乳酸菌的存活率受進口溫度影響較小，與出口溫度密切相關；在恒定干燥速率階段之后，微粒將經歷降速階段，此時微粒表面變得干燥，產品溫度根據干燥機配置的不同而升高[8]。在這一階段，乳酸菌的滅活取決于干燥參數，如出口溫度、停留時間和進料速度[9]。

研究表明，乳酸菌存活率降低與出口溫度升高相關[10]。出口溫度取決于物料的干燥特性，因此不能直接控制。Fu Nan等[11]報道了噴霧干燥的出口溫度為40～90 ℃條件下對乳酸菌存活率的影響。部分研究中噴霧干燥的出口溫度對乳酸菌存活率的影響如表1所示。

表1 噴霧干燥的出口溫度對乳酸菌存活率的影響Table 1 Effect of spray drying outlet temperature on survival rate of LAB

續(xù)表1

2.1.2 剪切力與霧化氣壓

霧化過程中，乳酸菌細胞受到剪切力影響。Riveros等[34]研究顯示，剪切力對乳酸菌的存活率影響較小。然而，Ghandi等[38]研究不同剪切力對乳酸球菌存活率的影響，結果表明，乳酸球菌亞種ASCC930119無論在霧化過程中使用何種氣體，剪切力的增加都會大大降低其存活率，且霧化氣壓增大也會影響乳酸菌的存活。Riveros等[34]在霧化氣壓較低的情況下觀察到嗜酸乳桿菌細胞存活率較高。較低的霧化氣壓通常會帶來較低的剪切力，從而提高乳酸菌的存活率。Ghandi等[38]通過改變微粒的溫度、水分的軌跡和在氧氣中的暴露程度，得出乳酸菌的存活率也受到初始微粒大小和分布的間接影響，在干燥過程中，除剪切力外，在氧氣中的暴露對乳酸菌的損傷比熱應力和脫水力更強。

2.2 噴霧干燥后乳酸菌存活率的影響因素

貯藏和包裝也是影響噴霧干燥后乳酸菌存活率的重要因素之一。噴霧干燥后產物的穩(wěn)定性隨著貯藏時間延長而減弱，而較低的貯藏溫度可以將乳酸菌的存活率維持在一個較高的水平[39]。

2.2.1 包裝材料

選擇合適的包裝至關重要，包裝材料的類型、透光性和透氣性及包裝方式（氣調包裝或真空包裝）均可能會影響乳酸菌的存活[40]。不同類型的包裝材料被用于不同的噴霧干燥乳酸菌[41]。Wang等[26]將嗜酸乳桿菌CCRC14079和嗜熱鏈球菌CCRC14085在發(fā)酵豆乳中干燥后，置于層壓袋中，于玻璃聚酯瓶中保存，菌體存活率更高。Maciel等[42]將噴霧干燥后的嗜酸乳桿菌La-5用金屬化聚酯聚乙烯包裝貯藏后具有良好的存活率。由于聚乙烯對水蒸氣的阻隔性較好，聚酯的氣阻性較大且金屬化聚酯聚乙烯的光阻性較強，因此其對乳酸菌的保存具有較強的保護作用。Santivarangkna等[9]報道，不透氣和不透光的包裝可能會減少細胞膜的脂質氧化，防止自由基形成，自由基一旦擴散到細胞內，就會通過DNA損傷導致細胞死亡，因此該類包裝對乳酸菌細胞具有良好的保護性。關于包裝方式，Golowczyc等[37]發(fā)現，真空和空氣中貯藏的植物乳桿菌CIDCA83114和溶脂酵母菌CIDCA812存活率沒有顯著差異。然而，Chávez等[43]研究表明，與空氣貯藏相比，真空條件下貯藏的乳雙歧桿菌BB-12存活率較高。

2.2.2 貯藏條件

貯藏溫度和相對濕度是影響干燥乳酸菌活性的關鍵因素。諸多研究表明，在溫度較低的條件下貯藏有利于乳酸菌存活[44-45]。在溫度較高的條件下，菌體可能會發(fā)生脂質氧化及蛋白質變性，導致細胞失活[11]。干燥后剩余的水分也會影響貯藏期間乳酸菌的活性[46]。干燥的乳酸菌水分活度和水分含量應該均較低，并在貯藏過程中保持不變，以提高其存活率[47]。Teixeira等[48]研究不同水分活度（0.03、0.11、0.23、0.43和0.75）下貯藏對保加利亞乳桿菌NCFB1489存活率的影響，結果表明，該菌在水分活度0.11和0.23條件下貯藏存活率較高。其他研究也報道了水分活度較低時乳酸菌存活率較高[49-50]。貯藏的相對濕度影響干粉的玻璃化轉變溫度。貯藏過程中相對濕度較高會導致干粉結塊，從而致使乳酸菌失活。因此，保護性載體的加入使干燥的粉末保持玻璃狀態(tài)，通過控制自由基的形成提高了乳酸菌貯藏過程中的存活率[51]。

2.2.3 復水

復水性被認為是乳酸菌發(fā)酵劑復蘇階段的關鍵步驟。Muller等[44]報道，使用的溶液、復水時間和溫度影響噴霧干燥乳酸菌的回收。Teixeira等[13]研究表明，復水應該緩慢進行（浸泡30 min而不是劇烈搖晃2 min），而Muller等[44]觀察到噴霧干燥的雙歧桿菌NCC3001在浸泡30 min后比浸泡60 min后恢復得更好。基于上述2 項研究，浸泡30 min是較為合適的復水時間，此時，不同的復水時間沒有明顯差異。由于復水過程中乳酸菌的存活依賴于菌株本身，且乳酸菌粉在食用前必須復水，因此必須達到最佳的復水條件（一般在產品包裝上有具體說明），以確保特定乳酸菌最大程度發(fā)揮其有益作用。

3 影響乳酸菌菌體存活率的內部因素

3.1 生長周期

處于穩(wěn)定期的細胞比處于遲緩期或指數期的細胞通過噴霧干燥后存活率更高且更易于貯存[27,52]。這是由于乳酸菌細胞在生長過程中所受的脅迫（如營養(yǎng)不夠充足及pH值較低）誘導細胞對其他脅迫產生抵抗力[53]。一般乳酸菌培養(yǎng)時間設定為穩(wěn)定前期，此時菌體的存活率較高。處于穩(wěn)定前期的鼠李糖乳桿菌GG經噴霧干燥后的存活率在50%左右，而培養(yǎng)至對數期的菌體干燥后的存活率僅為14%[27]。

3.2 亞致死應激反應

乳酸菌菌株的耐熱性與噴霧干燥乳酸菌的存活率呈正相關。大量研究表明，乳酸菌的耐熱性主要由乳酸菌的熱應激蛋白水平決定。Paéz等[54]研究溫和熱處理對5 種經噴霧干燥處理后的乳酸菌存活率的影響，結果表明，不經過溫和熱處理的干酪乳桿菌和植物乳桿菌8329細胞經噴霧干燥后，存活率明顯降低。Silva等[31]研究酸脅迫對乳酸菌存活率的影響發(fā)現，相比于在經調節(jié)的pH值條件下（pH 6.5）生長，保加利亞乳桿菌ESB285細胞在未調節(jié)pH值的條件下（最終pH 4.5）對熱應激和噴霧干燥的抵抗力更強。Teixeira等[55]觀察到生長環(huán)境相同的細胞中，沒有受到任何刺激的細胞在穩(wěn)定期更具抵抗力?？刂婆囵B(yǎng)基pH值恒定為6.5時，噴霧干燥后保加利亞乳桿菌的存活率僅為不控制pH值（即菌體會在pH＜4的環(huán)境中生長10 h）的1/10[56]。細胞在受到熱、病原體、理化有害因素等刺激后會導致熱休克蛋白的合成，且一般發(fā)生在對數期[57]。

3.3 培養(yǎng)基成分

干燥過程中，對乳酸菌活力有顯著影響的培養(yǎng)條件包括生長階段、培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)基pH值。其中，培養(yǎng)基成分對乳酸菌噴霧干燥和貯藏過程中的存活率至關重要。在噴霧干燥過程中，細胞處于水分活度較低且溫度較高的條件下（即細胞同時受到滲透壓力和熱應力）。在培養(yǎng)基中加入糖類、氨基酸類（如甘氨酸）、季胺（如甜菜堿、肉堿）可以在培養(yǎng)階段提高乳酸菌干燥后的存活率。Ferreira等[56]研究發(fā)現，噴霧干燥后的貯藏過程中，在含有20 g/L蔗糖或12.5 g/L谷氨酸鈉的培養(yǎng)基中生長的沙克乳桿菌CTC494細胞存活時間延長60%；在補充甜菜堿、甘氨酸和海藻糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的乳酸菌噴霧干燥后的存活率可達100%，而在普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)的乳酸菌干燥后的存活率不足20%。類似的可溶性物質可由某些細菌（乳酸菌除外）合成，并在處于惡劣條件時積累，但在干燥過程中，由于干燥時間較短，合成此類物質幾乎是不可能的[57]。因此，這類物質應該在噴霧干燥前加入，如在所使用的培養(yǎng)基中加入，以提高乳酸菌細胞的存活率[11]。

4 結 語

噴霧干燥為乳酸菌菌粉的貯藏與運輸提供了一種比冷凍干燥更具經濟效益的選擇。本文從噴霧干燥外部工藝的角度出發(fā)，對噴霧干燥過程中進、出口溫度、剪切力及霧化氣壓參數對乳酸菌菌株存活率的影響進行了綜述。較低的出口溫度以及適宜的剪切力與霧化壓力等工藝參數，可以最大限度減少乳酸菌在噴霧干燥過程中的損失。其次，選擇合適的包裝材料、調節(jié)適宜的貯藏條件以及適當的復水過程均可在一定程度上提高乳酸菌存活率。此外，選擇合適的培養(yǎng)條件，包括生長階段、培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)基pH值同樣也影響乳酸菌的存活率?？傮w而言，雖然噴霧干燥會造成乳酸菌一定程度上的死亡，但仍不失為目前制備發(fā)酵劑最經濟實用的方法。目前，噴霧干燥技術作為更具經濟效益的方法可能會進一步幫助擴大市場，其廣泛應用于乳酸菌的商業(yè)化生產指日可待。在干燥乳酸菌發(fā)酵劑方面，人們更為期待一種在較低溫度下即可進行熱量交換的技術，以達到對乳酸菌傷害最小化的目的。因此在設計多種復合型的干燥設備和開發(fā)新型干燥技術兩方面均需進一步研究。