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(guó)*

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶制品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

乳酸菌是一類(lèi)利用可發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量乳酸的菌群，通常為革蘭氏陽(yáng)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(gè)屬中。隨著對(duì)乳酸菌的深入研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌在人體腸道內(nèi)可以定植并保護(hù)腸道不受有害菌的侵害，具有促進(jìn)營(yíng)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(yīng)用于日常生產(chǎn)生活中，如醫(yī)藥制造、食品生產(chǎn)及新型生物技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域[1]。無(wú)論是用作發(fā)酵劑還是保護(hù)性培養(yǎng)物，均需保證乳酸菌在一定時(shí)間內(nèi)的存活率達(dá)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(shù)手段，通過(guò)去除食物中大部分水分，可以延長(zhǎng)食品的貨架期，降低運(yùn)輸、貯藏成本。通過(guò)冷凍干燥或噴霧干燥法生產(chǎn)的乳酸菌制劑，可以長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)、耗能多、成本較高且解凍過(guò)程中菌種存活量降低等特點(diǎn)。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(yùn)輸成本低、耗能少且能長(zhǎng)期穩(wěn)定貯藏[2]。然而在噴霧干燥過(guò)程中，乳酸菌與高溫空氣充分接觸，盡管時(shí)間較短，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，噴霧干燥乳酸菌的存活率對(duì)于其商業(yè)化生產(chǎn)是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)，微生物對(duì)熱的敏感性和存活的必要條件都成為目前的研究熱點(diǎn)[3]。本文重點(diǎn)論述噴霧干燥過(guò)程中影響乳酸菌菌體存活率的外部因素與內(nèi)部因素。

1 噴霧干燥技術(shù)原理及其物理參數(shù)變化

噴霧干燥是將液體中的乳酸菌及載體材料通過(guò)泵輸送至霧化器，隨后霧化器將物料分散成無(wú)數(shù)細(xì)小的液滴，液滴在下降過(guò)程中與熱空氣接觸，發(fā)生傳熱傳質(zhì)，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(guò)程。

噴霧干燥過(guò)程可以分為4 個(gè)階段：第1階段是霧化階段，物料流經(jīng)霧化噴嘴形成小液滴；第2階段是快速脫水階段，液體開(kāi)始與熱空氣接觸，氣液兩相達(dá)到平衡狀態(tài)，進(jìn)行熱量交換，熱空氣帶走顆粒表面的水分，當(dāng)液體表面水分充足時(shí)，能夠維持恒定的干燥速率，此時(shí)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(mǎn)足恒速脫水的需求時(shí)，顆粒內(nèi)部水分開(kāi)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(kāi)始逐漸暴露在熱空氣中，接觸溫度開(kāi)始上升，最終達(dá)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(guò)旋風(fēng)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(shí)間和出口溫度是影響乳酸菌存活率的2 個(gè)主要因素。停留時(shí)間越長(zhǎng)，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(dá)到同等水分含量的要求下，所需要的停留時(shí)間越短。所以，干燥溫度并不是越低越好，還要考慮到干燥時(shí)間對(duì)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(duì)乳酸菌菌體存活率的影響

2.1.1 進(jìn)、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(guān)[6]。然而，Kim等[7]研究表明，較高的進(jìn)口溫度對(duì)乳酸菌存活率的影響很小。這可能是由于干燥過(guò)程中益生菌的滅活是溫度和時(shí)間共同作用的結(jié)果。在噴霧干燥過(guò)程中，溫度的變化主要分為2 個(gè)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(jìn)口溫度影響較小，與出口溫度密切相關(guān)；在恒定干燥速率階段之后，微粒將經(jīng)歷降速階段，此時(shí)微粒表面變得干燥，產(chǎn)品溫度根據(jù)干燥機(jī)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(shù)，如出口溫度、停留時(shí)間和進(jìn)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(guān)[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(bào)道了噴霧干燥的出口溫度為40～90 ℃條件下對(duì)乳酸菌存活率的影響。部分研究中噴霧干燥的出口溫度對(duì)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(duì)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(guò)程中，乳酸菌細(xì)胞受到剪切力影響。Riveros等[34]研究顯示，剪切力對(duì)乳酸菌的存活率影響較小。然而，Ghandi等[38]研究不同剪切力對(duì)乳酸球菌存活率的影響，結(jié)果表明，乳酸球菌亞種ASCC930119無(wú)論在霧化過(guò)程中使用何種氣體，剪切力的增加都會(huì)大大降低其存活率，且霧化氣壓增大也會(huì)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(xì)胞存活率較高。較低的霧化氣壓通常會(huì)帶來(lái)較低的剪切力，從而提高乳酸菌的存活率。Ghandi等[38]通過(guò)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(guò)程中，除剪切力外，在氧氣中的暴露對(duì)乳酸菌的損傷比熱應(yīng)力和脫水力更強(qiáng)。

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(chǎn)物的穩(wěn)定性隨著貯藏時(shí)間延長(zhǎng)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(gè)較高的水平[39]。

2.2.1 包裝材料

選擇合適的包裝至關(guān)重要，包裝材料的類(lèi)型、透光性和透氣性及包裝方式（氣調(diào)包裝或真空包裝）均可能會(huì)影響乳酸菌的存活[40]。不同類(lèi)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(duì)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(qiáng)，因此其對(duì)乳酸菌的保存具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。Santivarangkna等[9]報(bào)道，不透氣和不透光的包裝可能會(huì)減少細(xì)胞膜的脂質(zhì)氧化，防止自由基形成，自由基一旦擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)，就會(huì)通過(guò)DNA損傷導(dǎo)致細(xì)胞死亡，因此該類(lèi)包裝對(duì)乳酸菌細(xì)胞具有良好的保護(hù)性。關(guān)于包裝方式，Golowczyc等[37]發(fā)現(xiàn)，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(méi)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(duì)濕度是影響干燥乳酸菌活性的關(guān)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(huì)發(fā)生脂質(zhì)氧化及蛋白質(zhì)變性，導(dǎo)致細(xì)胞失活[11]。干燥后剩余的水分也會(huì)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(yīng)該均較低，并在貯藏過(guò)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(duì)保加利亞乳桿菌NCFB1489存活率的影響，結(jié)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(bào)道了水分活度較低時(shí)乳酸菌存活率較高[49-50]。貯藏的相對(duì)濕度影響干粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。貯藏過(guò)程中相對(duì)濕度較高會(huì)導(dǎo)致干粉結(jié)塊，從而致使乳酸菌失活。因此，保護(hù)性載體的加入使干燥的粉末保持玻璃狀態(tài)，通過(guò)控制自由基的形成提高了乳酸菌貯藏過(guò)程中的存活率[51]。

2.2.3 復(fù)水

復(fù)水性被認(rèn)為是乳酸菌發(fā)酵劑復(fù)蘇階段的關(guān)鍵步驟。Muller等[44]報(bào)道，使用的溶液、復(fù)水時(shí)間和溫度影響噴霧干燥乳酸菌的回收。Teixeira等[13]研究表明，復(fù)水應(yīng)該緩慢進(jìn)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(fù)得更好?；谏鲜? 項(xiàng)研究，浸泡30 min是較為合適的復(fù)水時(shí)間，此時(shí)，不同的復(fù)水時(shí)間沒(méi)有明顯差異。由于復(fù)水過(guò)程中乳酸菌的存活依賴(lài)于菌株本身，且乳酸菌粉在食用前必須復(fù)水，因此必須達(dá)到最佳的復(fù)水條件（一般在產(chǎn)品包裝上有具體說(shuō)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(nèi)部因素

3.1 生長(zhǎng)周期

處于穩(wěn)定期的細(xì)胞比處于遲緩期或指數(shù)期的細(xì)胞通過(guò)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(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中所受的脅迫（如營(yíng)養(yǎng)不夠充足及pH值較低）誘導(dǎo)細(xì)胞對(duì)其他脅迫產(chǎn)生抵抗力[53]。一般乳酸菌培養(yǎng)時(shí)間設(shè)定為穩(wěn)定前期，此時(shí)菌體的存活率較高。處于穩(wěn)定前期的鼠李糖乳桿菌GG經(jīng)噴霧干燥后的存活率在50%左右，而培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期的菌體干燥后的存活率僅為14%[27]。

3.2 亞致死應(yīng)激反應(yīng)

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(guān)。大量研究表明，乳酸菌的耐熱性主要由乳酸菌的熱應(yīng)激蛋白水平?jīng)Q定。Paéz等[54]研究溫和熱處理對(duì)5 種經(jīng)噴霧干燥處理后的乳酸菌存活率的影響，結(jié)果表明，不經(jīng)過(guò)溫和熱處理的干酪乳桿菌和植物乳桿菌8329細(xì)胞經(jīng)噴霧干燥后，存活率明顯降低。Silva等[31]研究酸脅迫對(duì)乳酸菌存活率的影響發(fā)現(xiàn)，相比于在經(jīng)調(diào)節(jié)的pH值條件下（pH 6.5）生長(zhǎng)，保加利亞乳桿菌ESB285細(xì)胞在未調(diào)節(jié)pH值的條件下（最終pH 4.5）對(duì)熱應(yīng)激和噴霧干燥的抵抗力更強(qiáng)。Teixeira等[55]觀察到生長(zhǎng)環(huán)境相同的細(xì)胞中，沒(méi)有受到任何刺激的細(xì)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(shí)，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(huì)在pH＜4的環(huán)境中生長(zhǎng)10 h）的1/10[56]。細(xì)胞在受到熱、病原體、理化有害因素等刺激后會(huì)導(dǎo)致熱休克蛋白的合成，且一般發(fā)生在對(duì)數(shù)期[57]。

3.3 培養(yǎng)基成分

干燥過(guò)程中，對(duì)乳酸菌活力有顯著影響的培養(yǎng)條件包括生長(zhǎng)階段、培養(yǎng)基成分和培養(yǎng)基pH值。其中，培養(yǎng)基成分對(duì)乳酸菌噴霧干燥和貯藏過(guò)程中的存活率至關(guān)重要。在噴霧干燥過(guò)程中，細(xì)胞處于水分活度較低且溫度較高的條件下（即細(xì)胞同時(shí)受到滲透壓力和熱應(yīng)力）。在培養(yǎng)基中加入糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)（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(xiàn)，噴霧干燥后的貯藏過(guò)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(zhǎng)的沙克乳桿菌CTC494細(xì)胞存活時(shí)間延長(zhǎng)60%；在補(bǔ)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(dá)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(lèi)似的可溶性物質(zhì)可由某些細(xì)菌（乳酸菌除外）合成，并在處于惡劣條件時(shí)積累，但在干燥過(guò)程中，由于干燥時(shí)間較短，合成此類(lèi)物質(zhì)幾乎是不可能的[57]。因此，這類(lèi)物質(zhì)應(yīng)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(xì)胞的存活率[11]。

4 結(jié) 語(yǔ)

噴霧干燥為乳酸菌菌粉的貯藏與運(yùn)輸提供了一種比冷凍干燥更具經(jīng)濟(jì)效益的選擇。本文從噴霧干燥外部工藝的角度出發(fā)，對(duì)噴霧干燥過(guò)程中進(jìn)、出口溫度、剪切力及霧化氣壓參數(shù)對(duì)乳酸菌菌株存活率的影響進(jìn)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(shù)，可以最大限度減少乳酸菌在噴霧干燥過(guò)程中的損失。其次，選擇合適的包裝材料、調(diào)節(jié)適宜的貯藏條件以及適當(dāng)?shù)膹?fù)水過(guò)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(zhǎng)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。總體而言，雖然噴霧干燥會(huì)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(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。目前，噴霧干燥技術(shù)作為更具經(jīng)濟(jì)效益的方法可能會(huì)進(jìn)一步幫助擴(kuò)大市場(chǎng)，其廣泛應(yīng)用于乳酸菌的商業(yè)化生產(chǎn)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(jìn)行熱量交換的技術(shù)，以達(dá)到對(duì)乳酸菌傷害最小化的目的。因此在設(shè)計(jì)多種復(fù)合型的干燥設(shè)備和開(kāi)發(fā)新型干燥技術(shù)兩方面均需進(jìn)一步研究。