張鴻雁 曾凱芳,2 周雅涵 鄧麗莉,2 姚世響,2

(1. 西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術(shù)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(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715； 2. 重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715)

通過干燥的方法使酵母細(xì)胞脫水并進(jìn)入休眠狀態(tài)即固態(tài)活性干酵母，其儲運(yùn)方便，且可長期保存，廣泛應(yīng)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(gè)重要環(huán)節(jié)，文章介紹了成本低、可行性高、能夠長時(shí)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(yīng)用進(jìn)展；分析了整個(gè)熱干燥過程前后影響活性干酵母活性的相關(guān)因素，包括酵母自身對外界環(huán)境的耐受力、酵母培養(yǎng)條件、保護(hù)劑添加、干燥工藝條件、貯藏及復(fù)水條件等；并進(jìn)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(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，與人類的生活緊密相關(guān)[1]1-5。數(shù)千年前，人類就已經(jīng)利用酵母來釀酒，隨后開發(fā)出一系列酵母菌產(chǎn)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(fā)的酵母菌菌劑產(chǎn)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(yīng)用前需復(fù)水，存活率較低；但因其在室溫下具有更強(qiáng)的遺傳穩(wěn)定性，運(yùn)儲簡便，保質(zhì)期較長而在生物技術(shù)應(yīng)用中受到歡迎[4]。

活性干酵母，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)[5]、烘焙[6]、釀酒[7]、凈化環(huán)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(chǎn)活性干酵母即將酵母細(xì)胞脫水使之進(jìn)入一個(gè)新陳代謝臨時(shí)可逆暫停的低濕休眠狀態(tài)[13]；制備活性干酵母過程中一個(gè)重要步驟是將酵母菌進(jìn)行干燥，其中冷凍干燥作為一種較常用的方法，處理時(shí)間長，加工成本高，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮，無法大規(guī)模生產(chǎn)活性干酵母產(chǎn)品，所以在實(shí)際生產(chǎn)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(diǎn)討論幾種生產(chǎn)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(yīng)對措施，旨在為活性干酵母產(chǎn)品的實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

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(yīng)對措施見圖1。

1.2 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥，即將物料置于連續(xù)流動的空氣流中，同時(shí)物料中的水分不斷蒸發(fā)的過程[15]，該方法操作簡單、成本低，且使用由來已久，但熱風(fēng)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(fù)壓狀態(tài)且隔絕空氣進(jìn)行加熱，物料內(nèi)部的水分?jǐn)U散到物料表面，水分子獲得足夠的動能而蒸發(fā)到低壓空氣中，從而避免了物料在干燥過程中發(fā)生氧化，保持其特性并減少物料品質(zhì)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(chǎn)活性干酵母的干燥方法并對其工藝進(jìn)行優(yōu)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(zhuǎn)變成干燥粉末的過程。噴霧干燥包括4個(gè)連續(xù)的過程：液體霧化、霧滴與熱空氣接觸、霧滴水分快速蒸發(fā)、熱空氣與干粉的分離[16]；噴霧干燥成本較低、產(chǎn)品均一性好、效率高且操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)活性干酵母的商業(yè)化生產(chǎn)。

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(dá)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(nèi)溫度分布均勻，避免物料的局部過熱，最終產(chǎn)品含水率也較為穩(wěn)定，且流化床干燥的應(yīng)用較久且更為廣泛。但在生產(chǎn)活性干酵母過程中其生產(chǎn)工藝及相關(guān)參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)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(jìn)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(nèi)而外的被快速均勻地加熱，使水分快速蒸發(fā)達(dá)到干燥的目的[18]。微波真空干燥過程中，傳熱和傳質(zhì)的方向相同，水分轉(zhuǎn)移會大幅度提高，可在較低的溫度、較短的時(shí)間內(nèi)完成干燥；能較大限度地保持物料性質(zhì)，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(shí)間、真空度、進(jìn)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(hù)劑等熱干燥工藝參數(shù)。

2 提高活性干酵母制劑活性的方法

從酵母培養(yǎng)到經(jīng)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(yīng)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(guān)因素，并找出相應(yīng)應(yīng)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(huán)境的耐受力

酵母細(xì)胞本身是否具備耐受力是影響酵母熱干燥后細(xì)胞活性的關(guān)鍵因素之一。酵母細(xì)胞細(xì)胞壁組分主要是葡聚糖、甘露聚糖和蛋白質(zhì)，整體細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)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(xì)胞需承受熱應(yīng)力、脫水應(yīng)力、滲透應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等壓力，主要承受熱應(yīng)力，當(dāng)酵母細(xì)胞經(jīng)受的溫度過高會破壞其大分子如蛋白質(zhì)、核酸的高級結(jié)構(gòu)；脫水應(yīng)力通過改變細(xì)胞質(zhì)膜的流動性或物理狀態(tài)以及引起脂質(zhì)過氧化而損傷細(xì)胞質(zhì)膜[34]，最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物外泄[35]；脫水還影響酵母細(xì)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(xì)胞在水分活度為0.4時(shí)其耐熱性最強(qiáng)[36]。熱干燥過程中酵母會同時(shí)受到多種脅迫壓力而引起酵母細(xì)胞損傷，同時(shí)當(dāng)溫度或滲透壓突然變化，酵母細(xì)胞也會通過調(diào)節(jié)自身代謝和基因表達(dá)來適應(yīng)新環(huán)境；如酵母細(xì)胞會產(chǎn)生甘油、熱激蛋白、海藻糖等[37-38]應(yīng)激保護(hù)性物質(zhì)；因此在干燥前增強(qiáng)酵母對脅迫環(huán)境的適應(yīng)性可改善細(xì)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(qiáng)了酵母細(xì)胞脂質(zhì)大分子和周圍水分子的相互作用，穩(wěn)定了脂質(zhì)雙分子層，最終使經(jīng)受熱激的細(xì)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(dǎo)酵母的抗氧化應(yīng)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(huán)境下的耐受力，經(jīng)處理的酵母其海藻糖-6-磷酸合酶基因上調(diào)，海藻糖積累較多，活性氧積累量減少，另外在培養(yǎng)基中加入某些酵母細(xì)胞不可利用的組分如氯化鈉可誘導(dǎo)細(xì)胞的滲透壓休克反應(yīng)[45-46]；因此短暫的暴露于一個(gè)非致死逆境條件下，可誘導(dǎo)酵母對更極端環(huán)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(yǎng)條件

酵母培養(yǎng)條件如生長期、培養(yǎng)基組分等是影響細(xì)胞存活率的基本因素。微生物生長穩(wěn)定期的微生物細(xì)胞具有更好的抗逆能力[47]；不同的培養(yǎng)基組分對酵母細(xì)胞有不同的作用， Teixidó等[48]使用添加甘油的培養(yǎng)基，降低了酵母生長環(huán)境的水分活度，酵母細(xì)胞內(nèi)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(huán)境中的生存力；還可添加適量的Ca2+促進(jìn)酵母生長[49]。

2.3 熱干燥前預(yù)處理及添加保護(hù)劑

在實(shí)驗(yàn)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(yè)規(guī)模上對酵母進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，影響酵母活性的主要因素是均質(zhì)、霧化等[33]。

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

在熱干燥過程中添加的保護(hù)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(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)，提高酵母細(xì)胞對外界壓力的耐受力，而酵母細(xì)胞內(nèi)的海藻糖也會在酵母受到脫水應(yīng)力、高溫、滲透壓等壓力時(shí)為酵母細(xì)胞提供保護(hù)[51-53]；另外海藻糖具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因而會延緩一些化學(xué)反應(yīng)如自由基氧化等[54]；海藻糖也是細(xì)胞組分的穩(wěn)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(hù)劑。

2.4 優(yōu)化熱干燥工藝條件

當(dāng)正式進(jìn)行熱干燥時(shí)，影響干燥后酵母細(xì)胞活性的主要因素包括干燥溫度，水分含量，干燥時(shí)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(gè)較低的范圍，可降低對酵母細(xì)胞潛在的熱損傷。Mille等[30]通過流化床干燥酵母(Saccharomycescerevisiae)，發(fā)現(xiàn)在低于8 ℃或高于25 ℃的溫度下對酵母進(jìn)行干燥時(shí)，干燥后酵母活性更高；Bayrock等[56]也通過流化床干燥酵母，當(dāng)酵母細(xì)胞在低于40 ℃下進(jìn)行干燥時(shí)，酵母活性幾乎沒有損失；噴霧干燥中，進(jìn)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(yīng)盡量避免細(xì)胞暴露在高溫環(huán)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(jù)報(bào)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(shí)，當(dāng)酵母水分含量高于15%，30～80 ℃ 的干燥溫度對酵母細(xì)胞活性沒有影響，當(dāng)酵母水分含量低于15%時(shí)，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(shí)間即酵母細(xì)胞暴露于干燥設(shè)備中的時(shí)間。將酵母置于40～56 ℃的不同溫度下流化床干燥20～120 min，發(fā)現(xiàn)酵母菌株在40～48 ℃溫度范圍內(nèi)干燥不等時(shí)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(xiàn)明顯下降的趨勢[57]；對于脫水速率，緩慢脫水的酵母細(xì)胞具備更好的活性[57]。

2.5 最佳貯藏及復(fù)水條件

理想的干酵母制劑作為一種商品，其復(fù)水后迅速增殖至顯著水平是其具備良好應(yīng)用價(jià)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(yīng)用效果，一般通過平板計(jì)數(shù)法來評估酵母復(fù)水后的存活率。為在隨后的貯藏及復(fù)水階段保持干酵母產(chǎn)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(xì)胞活性的影響因素包括貯藏溫度、濕度、所添加保護(hù)劑等；貯藏溫度影響最大，貯存于37 ℃時(shí)細(xì)胞存活率大幅度下降，而貯存于4 ℃時(shí)，酵母干粉的貯存時(shí)間可長達(dá)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?dú)庵匈A存，其活性較高[58-59]。

干酵母細(xì)胞復(fù)水時(shí)滲透壓變化、復(fù)水介質(zhì)、復(fù)水時(shí)間、復(fù)水溫度、復(fù)水速率[59]等是其活性恢復(fù)的重要影響因素。干酵母復(fù)水過程中細(xì)胞會因滲透壓的變化而失去活性，因而較為豐富的復(fù)水介質(zhì)對其復(fù)水活性更好；Abadias等[24]使用富集培養(yǎng)基復(fù)水干燥酵母，其復(fù)水后活性相較于無菌水復(fù)水活性高，而以脫脂奶粉作為復(fù)水介質(zhì)時(shí)活性最高。復(fù)水時(shí)間對酵母細(xì)胞的活性也有很大影響，Poirier等[60]發(fā)現(xiàn)，將干燥后酵母立即復(fù)水其活性僅為28%，而將酵母緩慢復(fù)水14 d，酵母活性為91%，因此酵母細(xì)胞緩慢復(fù)水可使酵母細(xì)胞活性最大限度地恢復(fù)。當(dāng)復(fù)水溫度低于38～40 ℃，酵母細(xì)胞會因吸脹而遭受損害，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)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(fù)水時(shí)，其存活率可達(dá)65%，對于啤酒酵母，其最佳復(fù)水溫度為43 ℃，因此復(fù)水時(shí)，應(yīng)盡量提高酵母復(fù)水溫度。

3 展望

活性干酵母在食品方面應(yīng)用廣泛，其作為固態(tài)菌劑易于儲運(yùn)，可長時(shí)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(shù)活性低，且貯存要求較高，因此，在生產(chǎn)過程中所涉及的干燥方法和工藝參數(shù)還需進(jìn)行優(yōu)化，可通過提高酵母對外界環(huán)境耐受力的方式提高其活性，以更經(jīng)濟(jì)高效的方法制備活性干酵母可拓展干酵母的應(yīng)用市場，從而使活性干酵母更廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、微生物固定化、生物防治等領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，有益于環(huán)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(jì)劃項(xiàng)目(編號：2015BAD16B07)；重慶市科委柑桔主題專項(xiàng)課題(編號：cstc2016shms-ztzx80005)

張鴻雁，女，西南大學(xué)在讀碩士研究生。

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

2016—12—26

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.043