益生菌發(fā)酵棗粉噴霧干燥條件的優(yōu)化

張振民，方海田，劉慧燕 *，辛世華，楊小萍，潘 琳，宋國慶，艾治宇，李一鳴

（1.寧夏大學(xué) 食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 旅游管理學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

紅棗（Zizyphus jujubeMill.）是一種營養(yǎng)價(jià)值極高的果品，含有豐富的維生素C、維生素P、多糖及二磷酸腺苷和三萜類化合物[1-4]。目前，市場上的紅棗產(chǎn)品以干制棗為主。益生菌發(fā)酵棗粉是一種新型的休閑食品，不僅具備紅棗的抗氧化、保護(hù)腸胃等營養(yǎng)價(jià)值[6-7]，還具備相應(yīng)益生菌調(diào)節(jié)腸道菌群等益生功能，且更易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是一種良好的營養(yǎng)深加工產(chǎn)品[8]，成為近年來?xiàng)椆罴庸さ囊环N趨勢[5-6]。

目前常用的干燥技術(shù)有噴霧干燥、微波干燥、真空冷凍干燥、熱風(fēng)干燥、膨化干燥等[8-12]，其中噴霧干燥法是果蔬粉加工最常用的方法。噴霧干燥法制備的果蔬粉具有含水量低、營養(yǎng)成分保存好、溶解性好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[13]，但也存在熱敏性成分損失的缺點(diǎn)。利用該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有番茄粉[14]、棗粉[15]、獼猴桃粉[16]、龍眼粉[17]、芒果粉[18]等，均有良好的效果。

本試驗(yàn)通過噴霧干燥法，以脫脂乳粉為助干劑，對噴霧干燥條件進(jìn)行優(yōu)化，以期制備高活菌數(shù)、低含水量、高營養(yǎng)、感官評價(jià)良好的發(fā)酵益生菌發(fā)酵棗粉。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈武紅棗：市售；植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus coagulans）：寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室保藏；LB肉湯培養(yǎng)基、MRS肉湯培養(yǎng)基：青島高科技工業(yè)園海博生物技術(shù)有限公司；瓊脂粉：范德（北京）生物科技有限公司；試驗(yàn)所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BSP-250生化培養(yǎng)箱：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；YXQ-LS-50S II 立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；PA2004電子天平：上海花潮實(shí)業(yè)有限公司；B-290小型噴霧干燥儀：步琦實(shí)驗(yàn)室設(shè)備貿(mào)易（上海）有限公司；5977B氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）儀：Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點(diǎn)

發(fā)酵棗漿→添加助干劑→噴霧干燥→益生菌發(fā)酵棗粉

發(fā)酵棗漿（由前期試驗(yàn)得到）[19]：植物乳桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌按3%和1%的接種量接種于滅菌棗漿中，混菌發(fā)酵18 h，溫度為37 ℃。發(fā)酵結(jié)束后測定發(fā)酵棗漿的活菌數(shù)為1.62×108CFU/mL。

添加助干劑：向發(fā)酵棗漿中添加一定量的脫脂乳粉（助干劑），攪拌均勻，防止噴霧干燥過程中堵塞細(xì)管。

噴霧干燥：在一定條件下對發(fā)酵棗漿進(jìn)行噴霧干燥。

益生菌發(fā)酵棗粉：噴霧干燥結(jié)束后，待出口溫度降至90 ℃后及時(shí)收集益生菌發(fā)酵棗粉，稱質(zhì)量。計(jì)算出粉率、測定含水量、活菌數(shù)和堆積密度，同時(shí)記錄感官評分。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

噴霧干燥機(jī)進(jìn)口溫度的確定：其他條件確定不變，進(jìn)口溫度分別設(shè)置為140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃，通過考察益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數(shù)確定噴霧干燥機(jī)進(jìn)口溫度。

噴霧干燥機(jī)霧化流量的確定：其他條件確定不變，霧化流量分別設(shè)置為414 L/h、473 L/h、536 L/h、601 L/h，通過考察益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數(shù)確定噴霧干燥機(jī)霧化流量。

噴霧干燥機(jī)蠕動(dòng)泵速的確定：其他條件確定不變，調(diào)整蠕動(dòng)泵速分別為10%、20%、30%、40%，通過考察益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數(shù)確定噴霧干燥機(jī)的蠕動(dòng)泵速。

脫脂乳粉添加量的確定：調(diào)整脫脂乳粉添加量為1.5%、2.5%、3.5%、4.5%，蠕動(dòng)泵速為20%，霧化流量為473 L/h，進(jìn)口溫度為150 ℃，通過考察益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數(shù)確定最佳脫脂乳粉的添加量。

1.3.3 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)4因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)，以進(jìn)口溫度（A）、霧化流量（B）、蠕動(dòng)泵速（C）、脫脂乳粉添加量（D）為評價(jià)因素，以感官評分（Y）為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面分析，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.4 測定方法

益生菌發(fā)酵棗粉出粉率的計(jì)算[20]：

式中：m1為益生菌發(fā)酵棗粉質(zhì)量，g；m2為干棗和干物質(zhì)添加總質(zhì)量，g。

水分的測定：準(zhǔn)確稱量益生菌發(fā)酵棗粉2 g置于已質(zhì)量恒定的有蓋稱量瓶中，置于105 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥2～4 h，蓋好蓋子取出，在干燥器內(nèi)冷卻0.5 h后稱質(zhì)量。重復(fù)操作，直至前后的稱量差＜2 mg即為質(zhì)量恒定[20]。

式中：X為水分含量；m1為干燥前棗粉質(zhì)量，g；m2為干燥后棗粉質(zhì)量，g。

活菌數(shù)檢測：傾注平板計(jì)數(shù)法：取1 g樣品加入9 mL滅菌后的生理鹽水，用渦旋振蕩器充分混合均勻后，采用10倍系列稀釋，選擇3個(gè)合適稀釋度的樣品均液，各取1 mL加入無菌玻璃平板中，倒入滅菌后的MRS培養(yǎng)基，放入37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每個(gè)梯度做三組平行，取平均值[19]。

堆積密度的測定：稱量5 g益生菌發(fā)酵棗粉在同一高度裝入15 mL的量筒，并振動(dòng)量筒，記錄體積，按下式計(jì)算堆積密度[20]：

式中：D為堆積密度，g/mL；m為益生菌發(fā)酵棗粉質(zhì)量，g；v為益生菌發(fā)酵棗粉體積，mL。

益生菌發(fā)酵棗粉香氣成分的測定：參考劉巧玲[21]的發(fā)酵棗粉的制備及品質(zhì)評價(jià)研究略作修改。香氣物質(zhì)的提取采用固相微萃取法，準(zhǔn)確稱取益生菌發(fā)酵棗粉1 g置于10 mL樣品瓶中。水浴溫度40 ℃，平衡時(shí)間5 min，萃取頭老化時(shí)間為5 s，吸附時(shí)間為40 min。GC條件：TG-WA*MS（30 m×0.25 mm×0.250 μm）彈性石英毛細(xì)管柱，程序升溫至40 ℃保持3 min，以8 ℃/min升至180 ℃保持3 min，再以10 ℃/min升至250 ℃保持3 min，進(jìn)樣口溫度250 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，載氣為氦氣（He），流速為1.66 mL/min，不分流進(jìn)樣。MS條件：電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃，質(zhì)量掃描范圍35～500 amu，發(fā)射電流10 μA，檢測電壓1.4 kV。

感官評價(jià)：首先對噴霧干燥后的固態(tài)粉末狀樣品進(jìn)行組織狀態(tài)和色澤的感官評分，取5 g粉末狀樣品加40 ℃左右飲用水40 mL沖調(diào)，對沖調(diào)后的紅棗益生菌飲品進(jìn)行感官評分。本次試驗(yàn)感官評價(jià)小組共20人，培訓(xùn)合格后對益生菌發(fā)酵棗粉進(jìn)行品評[22-23]，滿分100分。感官評分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 棗粉感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of jujube powder

1.3.6 添加脫脂乳粉與β-環(huán)糊精對益生菌發(fā)酵棗粉品質(zhì)的影響

以最佳工藝條件下脫脂乳粉添加量為對比，比較添加10%、20%、30%β-環(huán)糊精對噴霧干燥益生菌發(fā)酵棗粉的出粉率、感官評定、活菌數(shù)等的影響。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Origin9.0與Design-Expert 13.0進(jìn)行處理與分析[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 進(jìn)口溫度對益生菌發(fā)酵棗粉的影響

由圖1可知，當(dāng)進(jìn)口溫度低于150 ℃時(shí)，隨著進(jìn)口溫度的升高，干燥越來越充分，使出粉率和感官評價(jià)升高，同時(shí)含水量和堆積密度下降，說明益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒變小。當(dāng)進(jìn)口溫度為150 ℃時(shí)出粉率、感官評分、活菌數(shù)最大，分別為39.56%、95.6分、1.83×109CFU/g，堆積密度最小為0.252 g/mL，含水量為4.17%。當(dāng)進(jìn)口溫度高于150 ℃時(shí)，隨著溫度繼續(xù)升高，益生菌存活率迅速下降，粘壁現(xiàn)象嚴(yán)重，使出粉率和感官評定下降，益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒變大，導(dǎo)致棗粉的堆積密度增大。因此選擇進(jìn)口溫度150 ℃為宜。

圖1 進(jìn)口溫度對益生菌發(fā)酵棗粉的影響Fig.1 Effect of inlet temperature on probiotic fermented jujube powder

2.1.2 霧化流量對益生菌發(fā)酵棗粉的影響

由圖2可知，當(dāng)霧化流量＜473 L/h時(shí)，隨著霧化流量的增大，噴霧液滴越來越小，霧化效果越來越好，干燥速度變快，活菌存活率升高，出粉率和感官得分增大，含水量和堆積密度變小，益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒越來越小，棗粉質(zhì)量越來越高。當(dāng)霧化流量增大至473 L/h時(shí)，出粉率、感官評分、活菌數(shù)最大，分別為39.15%、94.9分、1.82×109CFU/g，堆積密度最小為0.256 g/mL，含水量為4.16%。當(dāng)霧化流量＞473 L/h時(shí)，由于噴霧液滴過小，干燥過程中水分蒸干帶走少量的熱量，所以活菌數(shù)迅速下降，出粉率略微下降。由于噴霧干燥過程過高的溫度，使益生菌焦糊嚴(yán)重，感官評價(jià)也快速下降，導(dǎo)致含水量和堆積密度變小。因此選擇霧化流量473 L/h為宜。

圖2 霧化流量對益生菌發(fā)酵棗粉的影響Fig.2 Effect of atomization flow rate on probiotic fermented jujube powder

2.1.3 蠕動(dòng)泵速對益生菌發(fā)酵棗粉的影響

由圖3可知，當(dāng)蠕動(dòng)泵速＜20%時(shí)，隨著蠕動(dòng)泵速的增大，感官評價(jià)基本不變，由于棗的噴霧效果更充分，出粉率增大，由于蠕動(dòng)泵速增大，平均噴霧液滴增大，在干燥成粉的過程中蒸干的水分帶走更多的熱量，所以活菌數(shù)略微升高，含水量略微上升，堆積密度略微下降。當(dāng)蠕動(dòng)泵速為20%時(shí)，出粉率、感官評分、活菌數(shù)最大，分別為39.43%、93.8分、1.82×109CFU/g，堆積密度最小為0.253 g/mL，含水量為4.12%。當(dāng)蠕動(dòng)泵速＞20%時(shí)，由于物料的干燥越來越不充分，所以益生菌發(fā)酵棗粉的含水量快速上升，導(dǎo)致感官評定下降，堆積密度不斷上升，說明益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒越來越大。粘壁現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致出粉率下降，活菌數(shù)下降。因此選擇蠕動(dòng)泵速20%為宜。

圖3 蠕動(dòng)泵速對益生菌發(fā)酵棗粉的影響Fig.3 Effect of peristaltic pump speed on probiotic fermented jujube powder

2.1.4 脫脂乳粉添加量對益生菌發(fā)酵棗粉的影響

由圖4可知，當(dāng)脫脂乳粉添加量＜2.5%時(shí)，隨著脫脂乳粉的添加量增加，由于可溶性固形物含量升高，出粉率不斷升高，含水量和堆積密度變小，說明益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒變小，同時(shí)對益生菌的保護(hù)效果越來越好，使益生菌存活率升高，當(dāng)脫脂乳粉添加量升至2.5%時(shí)，出粉率、感官評分、活菌數(shù)達(dá)到最大，分別為39.56%、96.5分、1.82×109CFU/g，含水量最小為4.15%，堆積密度為0.254 g/mL。當(dāng)脫脂乳粉添加量＞2.5%時(shí)，由于脫脂乳粉含量過大，棗粉特有的香氣和顏色被掩蓋，所以隨著脫脂乳粉繼續(xù)增大，感官評定開始下降?？扇苄怨绦挝锖窟^大，反而影響噴霧效果，所以出粉率也開始下降，過大比例的脫脂乳粉，相當(dāng)于益生菌發(fā)酵棗粉被稀釋，所以活菌數(shù)開始下降，含水量和堆積密度開始微上升，說明益生菌發(fā)酵棗粉的顆粒大小略增大。因此選擇脫脂乳粉添加量2.5%為宜。

圖4 脫脂乳粉添加量對益生菌發(fā)酵棗粉的影響Fig.4 Effect of skimmed milk powder addition on probiotic fermented jujube powder

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

以進(jìn)口溫度（A）、霧化流量（B）、蠕動(dòng)泵速（C）、脫脂乳粉添加量（D）為自變量，以感官評分（Y）為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面分析，結(jié)果如表3。

表3 益生菌發(fā)酵棗粉噴霧干燥條件優(yōu)化響應(yīng)面分析結(jié)果Table 3 Response surface analysis results for spray drying conditions optimization of probiotic fermented jujube powder

對各參數(shù)和響應(yīng)值數(shù)據(jù)進(jìn)行二次線性回歸擬合，得到數(shù)學(xué)模型為Y=94.58-3.48A+0.12B-3.31C-6.33D-0.075AB+2.37AC+2.48AD+0.77BC+2.28BD+3.67CD-7.53A2-3.65B2-4.75C2-11.38D2

上述所有方程是益生菌發(fā)酵棗粉的感官評價(jià)與益生菌發(fā)酵棗粉制備工藝之間較為合適的數(shù)學(xué)模型，故可以分別利用回歸方程來確定最佳的益生菌發(fā)酵棗粉制備工藝參數(shù)。分別對模型進(jìn)行回歸分析，得到回歸統(tǒng)計(jì)分析見表4。

如表4所示，模型P＜0.01說明模型顯著[24]；失擬項(xiàng)P值為0.120 5（＞0.05）說明方程的擬合度較好。對模型進(jìn)行回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，一次項(xiàng)A、C、D，交互項(xiàng)CD，二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對益生菌發(fā)酵棗粉感官評分影響極顯著（P＜0.01）；交互項(xiàng)AD對益生菌發(fā)酵棗粉感官評分影響顯著（P＜0.05）。由響應(yīng)面分析可知，當(dāng)進(jìn)口溫度為150 ℃、霧化流量為475 L/h、蠕動(dòng)泵速為20%、脫脂乳粉添加量為2.5%時(shí)，在此條件下得到益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分理論值為95.13分，為了驗(yàn)證模型預(yù)測理論值的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到益生菌發(fā)酵棗粉的感官評分為95.6分，與理論預(yù)測值基本接近，說明響應(yīng)面優(yōu)化得到的發(fā)酵條件具有一定的可行性。根據(jù)各個(gè)因素的回歸方程得出不同因子的響應(yīng)面分析圖，通過圖5響應(yīng)面可以直觀的看出各參數(shù)之間的相互作用，影響因素的顯著性與響應(yīng)面圖中曲線的坡度有關(guān)，坡度越陡影響越大，坡度平滑說明影響較小[25]，圖5為開口向下的凸形曲面，說明響應(yīng)值存在最高值，圖5中脫脂乳粉所在的等高線較密集，說明脫脂乳粉對感官評定的影響極顯著，其他條件對感官評定的影響較小。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

圖5 各因素交互作用對益生菌發(fā)酵棗粉感官評分影響的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Response surface plots and counter lines of effects of interaction between each factor on sensory scores of probiotic fermented jujube powder

2.3 添加脫脂乳粉與β-環(huán)糊精對益生菌發(fā)酵棗粉品質(zhì)的影響

由表5可知，與添加10%～30%β-環(huán)糊精的益生菌發(fā)酵棗粉相比，添加2.5%脫脂乳粉的益生菌發(fā)酵棗粉出粉率、感官評定、活菌數(shù)更優(yōu)。說明選擇脫脂乳粉為助干劑不但在噴霧干燥益生菌發(fā)酵棗粉助干方面效果良好，在對活菌的保護(hù)方面也優(yōu)于β-環(huán)糊精。

表5 添加脫脂乳粉與添加β-環(huán)糊精對益生菌發(fā)酵棗粉品質(zhì)的影響Table 5 Effect of skimmed milk powder addition and β-cyclodextrins addition on quality of probiotic fermented jujube powder

2.4 益生菌發(fā)酵棗粉香氣成分的測定

由表6可知，經(jīng)過益生菌發(fā)酵的棗漿制備的棗粉之所以感官評價(jià)較高，是因?yàn)闂棟{在發(fā)酵過程中乙酸、癸酸等一些酸味較重影響口感的物質(zhì)逐漸減少，產(chǎn)生一些使棗粉更加醇香的物質(zhì)，如乙酸甲酯、辛酸甲酯、月桂酸甲酯等以及一些對香氣有好的影響的烷類、醇類，使益生菌發(fā)酵棗粉更加醇香。

表6 益生菌發(fā)酵棗粉與未發(fā)酵棗粉香氣成分比較Table 6 Comparison of aroma components between probiotic fermented jujube powder and unfermented jujube powder

續(xù)表

2.5 益生菌發(fā)酵棗粉理化指標(biāo)及營養(yǎng)成分

測得最佳工藝條件的益生菌發(fā)酵棗粉的活菌數(shù)為1.78×109CFU/g，含水量為3.82%，堆積密度為0.251 g/mL，多糖含量為（3.1±0.05）mg/g，總酸含量為（368±5）mg/g，乳酸含量為（73±2）mg/g。

3 結(jié)論

由響應(yīng)面分析試驗(yàn)可得益生菌發(fā)酵棗粉噴霧干燥最佳工藝參數(shù)為蠕動(dòng)泵速20%、霧化流量475 L/h、進(jìn)口溫度150 ℃、脫脂乳粉添加量2.5%，在此優(yōu)化條件下得到益生菌發(fā)酵棗粉出粉率為39.15%，感官評定為95.6分。

測得最佳工藝條件下益生菌發(fā)酵棗粉的活菌數(shù)為1.78×109CFU/g，含水量為3.82%，堆積密度為0.251 g/mL，多糖含量（3.1±0.05）mg/g，總酸含量（368±5）mg/g，乳酸含量（73±2）mg/g。測得的益生菌發(fā)酵棗粉香氣成分相比于未發(fā)酵棗漿棗粉更豐富多樣，闡明了益生菌發(fā)酵棗粉香氣醇厚的原因。采用脫脂乳粉作為助干劑相比于傳統(tǒng)助干劑β-環(huán)糊精等在出粉率、感官評定和活菌數(shù)存活率方面都有很大優(yōu)勢。