張　倩,熊利霞,張紅星,謝遠紅,劉　慧,*,王維彬

(1.北京農學院食品科學與工程學院/微生態(tài)制劑關鍵技術開發(fā)北京市工程實驗室/食品質量與安全北京實驗室/農產品有害微生物及農殘安全檢測與控制北京市重點實驗室,北京 102206;2.北京電子科技職業(yè)學院,北京 100176)

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藏靈菇源干酪乳桿菌微膠囊噴霧干燥工藝條件的優(yōu)化

張倩1,熊利霞1,張紅星1,謝遠紅1,劉慧1,*,王維彬2

(1.北京農學院食品科學與工程學院/微生態(tài)制劑關鍵技術開發(fā)北京市工程實驗室/食品質量與安全北京實驗室/農產品有害微生物及農殘安全檢測與控制北京市重點實驗室,北京 102206;2.北京電子科技職業(yè)學院,北京 100176)

為了降低從藏靈菇中篩選的產膽鹽水解酶的干酪乳桿菌微膠囊菌粉的水分活度及保持其高活菌數量,采用三因素三水平[L9(34)]正交實驗,研究不同噴霧干燥工藝條件對微膠囊菌粉水分活度和活菌數量的影響。結果表明:在阿拉伯膠濃度為40%、進/出口風溫度為170/75 ℃、蠕動泵流速為75 mL/min的條件下進行微膠囊化,其菌粉的水分活度為0.096,活菌數量為2.37×109CFU/g。既降低了微膠囊菌粉的水分活度,又保持了其高活菌數量,為制備干酪乳桿菌微膠囊產品提供實踐依據。

干酪乳桿菌,微膠囊,噴霧干燥法,條件優(yōu)化

微膠囊系采用高分子聚合物將微粒或微滴包覆所形成的微小顆粒,使得微膠囊內的物質與外界隔離,以免受不良環(huán)境的影響,從而保持活性物質的穩(wěn)定[1],而在適當條件下,被微膠囊化的物質又可以釋放出來[2]。采用微膠囊化技術能夠使活菌制劑中的菌種活力在貯存過程中得到保護。目前微膠囊化技術有化學法、物理法(噴霧干燥法、空氣懸浮法、擠壓法)、物理化學法[3]。噴霧干燥法是將芯材均勻分散于壁材溶液中,以霧化器噴霧成小液滴,使壁材中的水分迅速蒸發(fā)干燥成微膠囊[4-5]。微膠囊菌粉的水分活度與保持微生物的活力有一定關系。在一定貯存溫度條件下,水分活度越低,保持菌種的活力越高,使得微生物細胞處于休眠狀態(tài)[6]。目前國內有關噴霧干燥法制備微膠囊菌粉的文獻報道甚少,劉茜[7]等人以海藻酸鈉為壁材,通過噴霧冷凝法制備高性能乳酸菌微膠囊,為噴霧干燥法制備微膠囊奠定了基礎,吳德龍[8]等人通過真空低溫噴霧干燥的方法制備乳酸菌微膠囊,為噴霧干燥法制備微膠囊做出了進一步研究。本研究利用噴霧干燥法對藏靈菇源產膽鹽水解酶的干酪乳桿菌J1進行三因素三水平[L9(34)]正交實驗,優(yōu)化微膠囊的噴霧干燥工藝條件,以期降低微膠囊菌粉的水分活度及保持其活菌數量,為生產干酪乳桿菌的活菌制劑提供實踐依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)J1,由北京市自然基金課題組從藏靈菇中篩選,并確定為產膽鹽水解酶及降血清膽固醇的菌株[9]。

阿拉伯膠北京億諾食品配料有限公司;麥芽糊精西王集團有限公司;脫脂乳內蒙古伊利實業(yè)集團有限公司。改良MRS培養(yǎng)基[10-11]。

YC-015實驗室型噴霧干燥機上海雅程;LabMaster-aw控溫型水分活度儀瑞士Novasina公司;GL-21M高速冷凍離心機上海盧湘儀離心機儀器公司;BS224S型精密電子天平德國賽多利斯集團;MLS-3750型全自動高壓蒸汽滅菌鍋日本SANYO公司;BCN-1360B型無菌超凈工作臺哈爾濱東聯公司;GHP-9160型恒溫培養(yǎng)箱上海一恒公司;電磁爐美的公司;電冰箱海爾集團。

1.2實驗方法

1.2.1菌種活化與擴大培養(yǎng)將干酪乳桿菌J1,以3%的接種量,接種于裝有10 mL滅菌改良MRS培養(yǎng)基試管中,振蕩搖勻,于37 ℃培養(yǎng)至呈渾濁狀態(tài)。如此傳代培養(yǎng)至第3次,得到活化菌種。將活化菌種以3%的接種量,分別接種于裝有100 mL滅菌改良MRS培養(yǎng)基三角瓶中,振蕩搖勻,于37 ℃培養(yǎng)12～14 h至絮狀沉淀,得到擴大培養(yǎng)液,冷藏備用[12]。

1.2.2微膠囊化方法以阿拉伯膠為壁材,干酪乳桿菌J1為芯材,首先將擴大培養(yǎng)得到的菌液以4000 r/min離心,棄上清液;其次將得到的菌泥與一定比例的麥芽糊精和脫脂乳溶液混勻,原菌液與麥芽糊精和脫脂乳的混合液比例為10∶1,振蕩搖勻[13];再次將三種物質的混合液與阿拉伯膠溶液進行混合,均質;最后利用噴霧干燥機進行微膠囊化,得到干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉[7，14]。

1.2.3微膠囊菌粉水分活度檢測方法設置水分活度儀的溫度為25 ℃,取一定量干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉,置于水分活度儀中,對干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉的水分活度進行測定并記錄。

1.2.4微膠囊菌粉活菌計數方法稱取1 g干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉于裝有9 mL滅菌生理鹽水的試管中,利用漩渦振蕩器搖勻,使其充分溶解,采用菌落計數方法檢測干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉活菌數量,參照參考文獻[6]。

1.2.5利用噴霧干燥機制備干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉分別選取阿拉伯膠濃度、進/出口風溫度、蠕動泵流速、銳孔直徑為自變量進行四組單因素實驗,測定微膠囊菌粉的水分活度并檢測其活菌數量,以此確定最適宜的噴霧干燥工藝條件。其中,阿拉伯膠濃度的單因素實驗條件是進/出風溫度為180/80 ℃、蠕動泵流速為70 mL/min、銳孔直徑為18 μm,分別選取25%、30%、35%、40%、45%、50%的不同濃度,進行6批次微膠囊化實驗;進/出口風溫度的單因素實驗條件是阿拉伯膠濃度為35%、蠕動泵流速為70 mL/min、銳孔直徑為18 μm,分別選取160/70、170/75、180/80、190/85、200/90 ℃的不同溫度,進行5批次微膠囊化實驗;蠕動泵流速的單因素實驗條件是阿拉伯膠濃度為35%、進/出口風溫度為180/80 ℃、銳孔直徑為18 μm,分別選取60、65、70、75、80 mL/min的不同流速,進行5批次微膠囊化實驗;銳孔直徑的單因素實驗條件是阿拉伯膠濃度為35%、進/出風口溫度為180/80 ℃、蠕動泵流速為70 mL/min,分別選取14、16、18、20、22 μm的不同直徑,進行5批次微膠囊化實驗。

1.2.6正交實驗優(yōu)化微膠囊化條件根據單因素多水平實驗結果,選擇阿拉伯膠濃度、進/出口風溫度、蠕動泵流速為影響因素,設計三因素三水平[L9(34)]正交實驗(見表1)。分別以測定干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉的水分活度與活菌數量為實驗指標,經過極差分析和K值分析優(yōu)化微膠囊化條件。

表1　優(yōu)化微膠囊化工藝條件正交實驗設計因素水平表

1.2.7驗證實驗根據正交實驗結果選擇優(yōu)化后噴霧干燥工藝條件進行微膠囊化實驗,檢測菌粉水分活度和活菌數量,對照組以阿拉伯膠濃度為35%,進/出口風溫度為180/80 ℃,蠕動泵流速為70 mL/min的工藝條件進行微膠囊化,取樣并測定水分活度和活菌數,由此驗證比較具有低水分活度和高活菌數的微膠囊菌粉噴霧干燥工藝條件的優(yōu)越性。

2　結果與分析

2.1適宜阿拉伯膠濃度的選擇

阿拉伯膠濃度是影響干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉水分活度和活菌數量重要因素之一,但并不是阿拉伯膠濃度越高越好。由圖1可知,濃度過高,菌粉的水分活度逐漸增大,活菌數量也有所下降,當阿拉伯膠濃度為25%～40%時,菌粉的水分活度呈逐漸下降趨勢,即水分活度從0.252下降至0.100,而菌粉的活菌數量呈逐漸上升趨勢,即活菌數量從0.71×109CFU/g提高至1.00×109CFU/g;而當阿拉伯膠濃度高于40%時,不利于微膠囊菌粉水分蒸發(fā)干燥和高活菌數量的保持。故確定微膠囊適宜阿拉伯膠濃度為40%。

圖1　阿拉伯膠濃度對菌粉水分活度和活菌數量的影響Fig.1　Effect of the amount of added Arabic gum on water activity and number of living bacteria

2.2適宜進出/口風溫度的選擇

由圖2可知,不同微膠囊化的進/出口風溫度,干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉中水分活度有所不同。當微膠囊化進/出口風溫度由160/70 ℃提高至180/80 ℃時,菌粉的水分活度大幅度下降,即水分活度從0.190降低至0.110,與此同時,菌粉的活菌數量略有下降,即活菌數量從1.10×109CFU/g降低至1.00×109CFU/g;當進/出口風溫度繼續(xù)升高至190/85 ℃時,菌粉的水分活度趨于穩(wěn)定狀態(tài),即水分活度保持在0.110左右,而此時,由于進/出口風溫度的繼續(xù)提高,菌粉的活菌數量大幅度下降至0.85×109CFU/g。故確定微膠囊化適宜進/出口風溫度為180/80 ℃。

圖2　進出/口風溫度對菌粉水分活度和活菌數量的影響Fig.2　Effect of the air intake/outlet temperature on water activity and number of living bacteria

2.3適宜蠕動泵流速的選擇

由圖3可知,微膠囊化蠕動泵流速對干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉水分活度亦有較大影響。當微膠囊化蠕動泵流速從60 mL/min增至70 mL/min時,菌粉的水分活度呈逐漸下降趨勢,即菌粉水分活度由0.143降低至0.103,而菌粉的活菌數量呈上升趨勢,即菌粉的活菌數量由0.82×109CFU/g提高至1.78×109CFU/g;而當微膠囊化蠕動泵流速提高至75 mL/min時,菌粉的水分活度有所上升,即水分活度增至0.117;繼續(xù)提高微膠囊化蠕動泵流速至80 mL/min時,菌粉的水分活度再次下降至0.103,與蠕動泵流速為70 mL/min時菌粉的水分活度相當,而此時菌粉的活菌數量卻有所下降,即活菌數量降至1.49×109CFU/g。故確定微膠囊化蠕動泵流速為70 mL/min。

圖3　蠕動泵流速對菌粉水分活度和活菌數量的影響Fig.3　Effect of the velocity of peristaltic pump on water activity and number of living bacteria

2.4適宜銳孔直徑的選擇

由圖4可知,微膠囊化的銳孔直徑的大小,對干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉水分活度及活菌數量均影響不大。銳孔直徑從14 μm擴大到22 μm的過程中,菌粉的水分活度穩(wěn)定在0.128左右且活菌數量也穩(wěn)定在0.82×109CFU/g左右。如果微膠囊菌粉顆粒的直徑過大,則出現砂礫口感[7,15],故微膠囊化銳孔直徑需在適當范圍內,根據產品要求進行調整。

圖4　銳孔直徑對菌粉水分活度和活菌數量的影響Fig.4　Effect of the orifice diameter on water activity and number of living bacteria

2.5正交實驗優(yōu)化微膠囊化條件

由表2極差分析可知,以菌粉的水分活度為實驗指標,對干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉水分活度影響因素的主次順序為:A>B>C,即阿拉伯膠濃度對菌粉水分活度影響最大,進/出口風溫度對菌粉水分活度影響略小,而蠕動泵流速對菌粉水分活度影響最小;由K值分析KA2

表2　優(yōu)化微膠囊化工藝條件[L9(34)]正交實驗結果

表3　微膠囊化工藝條件優(yōu)化結果與優(yōu)化前結果對照

由表2極差分析可知,以菌粉的活菌數量為實驗指標,對干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉活菌數量影響因素的主次順序為:C>A>B,即蠕動泵流速對菌粉活菌數量影響最大,阿拉伯膠濃度對菌粉活菌數量影響略小,進/出口風溫度對菌粉活菌數量影響最小;由K值分析KA2>KA1>KA3,KB2>KB1>KB3,KC3>KC1>KC2可知,微膠囊化的最優(yōu)組合為A2B2C3,即膠囊化條件為阿拉伯膠濃度40%、進/出口風溫度170/75 ℃、蠕動泵流速75 mL/min。

以干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉水分活度為實驗指標的正交實驗微膠囊化優(yōu)化條件為阿拉伯膠濃度為40%、進/出口進溫度為180/80 ℃、蠕動泵流速為75 mL/min,而以干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉活菌數量為實驗指標的正交實驗優(yōu)化條件為阿拉伯膠濃度40%、進/出口風溫度170/75 ℃、流速75 mL/min。經比較,兩組優(yōu)化結果只有進/出口風溫度不同,而進/出口風溫度越高,菌粉活菌數量越少,為保持微膠囊菌粉具有高菌活數,因此確定適宜進/出口風溫度為170/75 ℃。

綜上所述,干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉,通過單因素多水平實驗和正交實驗優(yōu)化微膠囊化工藝條件為:阿拉伯膠濃度40%、進/出口風溫度170/75 ℃、蠕動泵流速75 mL/min。

2.6驗證實驗

由表3可見,在優(yōu)化條件下進行微膠囊化實驗,微膠囊菌粉水分活度由未優(yōu)化前0.130降低至0.096,活菌數量亦由0.84×109CFU/g提高至2.37×109CFU/g,微膠囊菌粉的水分活度顯著降低,活菌數量也提高了3倍,表明采用優(yōu)化后噴霧干燥條件可大幅度降低微膠囊菌粉的水分活度并保持其高活菌數。

3　結論與討論

食品中微生物的生長繁殖都要求有一定最低限度的Aw,研究表明當水分活度低于0.60時,絕大多數微生物就無法生張,因此水分活度是微膠囊菌粉貯存時間長短的關鍵因素之一[16]。本研究不但對從藏靈菇中篩選的產膽鹽水解酶的干酪乳桿菌微膠囊菌粉進行活菌數量的檢測,而且對其水分活度也進行了測定,以期望在降低微膠囊菌粉的水分活度的同時保持其高活菌數量。為此,通過正交實驗,優(yōu)化了噴霧干燥工藝條件,可以降低干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉的水分活度并保持其活菌數量。利用藏靈菇產膽鹽水解酶的干酪乳桿菌J1采用噴霧干燥法進行三因素三水平[L9(34)]正交設計實驗,優(yōu)化微膠囊菌粉微膠囊化的工藝條件:阿拉伯膠濃度為40%、進/出口風溫度為170/75 ℃、蠕動泵流速為75 mL/min。在此條件下進行微膠囊化,干酪乳桿菌J1微膠囊菌粉的水分活度為0.096,活菌數量為2.37×109CFU/g。

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Optimization of the technique of atomizing and dry conditions for microencapsulation ofLactobacilluscaseifrom Tibetan Kefir

ZHANG Qian1,XIONG Li-xia1,ZHANG Hong-xing1,XIE Yuan-hong1,LIU Hui1,*,WANG Wei-bin2

(1.College of Food Science and Engineering,Beijing University of Agriculture/Beijing Engineering Laboratory of Probiotics Key Technology Development/Beijing Laboratory of Food Quality and Safety/Beijing Key Laboratory of Agricultural Product Detection and Control of Spoilage Organisms and Pesticide Residue,Beijing 102206,China;2.Beijing Polytechnic,Beijing 100176,China)

In order to reduce the water activity and keep the large number of living bacteria ofLactobacilluscaseimicrocapsule powder which was isolated from Tibetan Kefir and can produce bile salt hydrolase,the method of orthogonal experiments[L9(34)]were used to investigate the dry conditions,and the effect of different spray drying techniques on the water activity of microcapsule powder and the number of the living bacteria were studied. The results showed that the amount of added Arabic gum was 40%,the air intake/outlet temperature was 170/75 ℃ and the velocity of peristaltic pump was 75 mL/min,the living bacteria number of the microcapsule powder was 2.37×109CFU/g and the water activity was 0.096. This method not only reduced the water activity but also kept the large number of living bacteria of the microcapsule powder,which can provide the practical basis of the microencapsulation production ofLactobacilluscasei.

Lactobacilluscasei;microcapsule;spray drying technology;optimization conditions

2015-12-16

張倩(1989-)，女，碩士，研究方向：食品營養(yǎng)與生物技術，E-mail：zhangqian1870@hotmail.com。

劉慧(1963-)，女，碩士，教授，研究方向：食品微生物與發(fā)酵，E-mail：foodlh@263.net。

北京市屬高等學校高層次人才引進與培養(yǎng)項目(CIT&TCD20140315)；“抗病轉基因羊新品種培育”專項(2014ZX08008-005)。

TS201.3

B

1002-0306(2016)13-0210-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.034