藏灵菇源干酪乳杆菌微胶囊喷雾干燥工艺条件的优化

张　倩,熊利霞,张红星,谢远红,刘　慧,*,王维彬

(1.北京农学院食品科学与工程学院/微生态制剂关键技术开发北京市工程实验室/食品质量与安全北京实验室/农产品有害微生物及农残安全检测与控制北京市重点实验室,北京 102206;2.北京电子科技职业学院,北京 100176)



藏灵菇源干酪乳杆菌微胶囊喷雾干燥工艺条件的优化

张倩1,熊利霞1,张红星1,谢远红1,刘慧1,*,王维彬2

(1.北京农学院食品科学与工程学院/微生态制剂关键技术开发北京市工程实验室/食品质量与安全北京实验室/农产品有害微生物及农残安全检测与控制北京市重点实验室,北京 102206;2.北京电子科技职业学院,北京 100176)

为了降低从藏灵菇中筛选的产胆盐水解酶的干酪乳杆菌微胶囊菌粉的水分活度及保持其高活菌数量,采用三因素三水平[L9(34)]正交实验,研究不同喷雾干燥工艺条件对微胶囊菌粉水分活度和活菌数量的影响。结果表明:在阿拉伯胶浓度为40%、进/出口风温度为170/75 ℃、蠕动泵流速为75 mL/min的条件下进行微胶囊化,其菌粉的水分活度为0.096,活菌数量为2.37×109CFU/g。既降低了微胶囊菌粉的水分活度,又保持了其高活菌数量,为制备干酪乳杆菌微胶囊产品提供实践依据。

干酪乳杆菌,微胶囊,喷雾干燥法,条件优化

微胶囊系采用高分子聚合物将微粒或微滴包覆所形成的微小颗粒,使得微胶囊内的物质与外界隔离,以免受不良环境的影响,从而保持活性物质的稳定[1],而在适当条件下,被微胶囊化的物质又可以释放出来[2]。采用微胶囊化技术能够使活菌制剂中的菌种活力在贮存过程中得到保护。目前微胶囊化技术有化学法、物理法(喷雾干燥法、空气悬浮法、挤压法)、物理化学法[3]。喷雾干燥法是将芯材均匀分散于壁材溶液中,以雾化器喷雾成小液滴,使壁材中的水分迅速蒸发干燥成微胶囊[4-5]。微胶囊菌粉的水分活度与保持微生物的活力有一定关系。在一定贮存温度条件下,水分活度越低,保持菌种的活力越高,使得微生物细胞处于休眠状态[6]。目前国内有关喷雾干燥法制备微胶囊菌粉的文献报道甚少,刘茜[7]等人以海藻酸钠为壁材,通过喷雾冷凝法制备高性能乳酸菌微胶囊,为喷雾干燥法制备微胶囊奠定了基础,吴德龙[8]等人通过真空低温喷雾干燥的方法制备乳酸菌微胶囊,为喷雾干燥法制备微胶囊做出了进一步研究。本研究利用喷雾干燥法对藏灵菇源产胆盐水解酶的干酪乳杆菌J1进行三因素三水平[L9(34)]正交实验,优化微胶囊的喷雾干燥工艺条件,以期降低微胶囊菌粉的水分活度及保持其活菌数量,为生产干酪乳杆菌的活菌制剂提供实践依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei)J1,由北京市自然基金课题组从藏灵菇中筛选,并确定为产胆盐水解酶及降血清胆固醇的菌株[9]。

阿拉伯胶北京亿诺食品配料有限公司;麦芽糊精西王集团有限公司;脱脂乳内蒙古伊利实业集团有限公司。改良MRS培养基[10-11]。

YC-015实验室型喷雾干燥机上海雅程;LabMaster-aw控温型水分活度仪瑞士Novasina公司;GL-21M高速冷冻离心机上海卢湘仪离心机仪器公司;BS224S型精密电子天平德国赛多利斯集团;MLS-3750型全自动高压蒸汽灭菌锅日本SANYO公司;BCN-1360B型无菌超净工作台哈尔滨东联公司;GHP-9160型恒温培养箱上海一恒公司;电磁炉美的公司;电冰箱海尔集团。

1.2实验方法

1.2.1菌种活化与扩大培养将干酪乳杆菌J1,以3%的接种量,接种于装有10 mL灭菌改良MRS培养基试管中,振荡摇匀,于37 ℃培养至呈浑浊状态。如此传代培养至第3次,得到活化菌种。将活化菌种以3%的接种量,分别接种于装有100 mL灭菌改良MRS培养基三角瓶中,振荡摇匀,于37 ℃培养12～14 h至絮状沉淀,得到扩大培养液,冷藏备用[12]。

1.2.2微胶囊化方法以阿拉伯胶为壁材,干酪乳杆菌J1为芯材,首先将扩大培养得到的菌液以4000 r/min离心,弃上清液;其次将得到的菌泥与一定比例的麦芽糊精和脱脂乳溶液混匀,原菌液与麦芽糊精和脱脂乳的混合液比例为10∶1,振荡摇匀[13];再次将三种物质的混合液与阿拉伯胶溶液进行混合,均质;最后利用喷雾干燥机进行微胶囊化,得到干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉[7，14]。

1.2.3微胶囊菌粉水分活度检测方法设置水分活度仪的温度为25 ℃,取一定量干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉,置于水分活度仪中,对干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉的水分活度进行测定并记录。

1.2.4微胶囊菌粉活菌计数方法称取1 g干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉于装有9 mL灭菌生理盐水的试管中,利用漩涡振荡器摇匀,使其充分溶解,采用菌落计数方法检测干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉活菌数量,参照参考文献[6]。

1.2.5利用喷雾干燥机制备干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉分别选取阿拉伯胶浓度、进/出口风温度、蠕动泵流速、锐孔直径为自变量进行四组单因素实验,测定微胶囊菌粉的水分活度并检测其活菌数量,以此确定最适宜的喷雾干燥工艺条件。其中,阿拉伯胶浓度的单因素实验条件是进/出风温度为180/80 ℃、蠕动泵流速为70 mL/min、锐孔直径为18 μm,分别选取25%、30%、35%、40%、45%、50%的不同浓度,进行6批次微胶囊化实验;进/出口风温度的单因素实验条件是阿拉伯胶浓度为35%、蠕动泵流速为70 mL/min、锐孔直径为18 μm,分别选取160/70、170/75、180/80、190/85、200/90 ℃的不同温度,进行5批次微胶囊化实验;蠕动泵流速的单因素实验条件是阿拉伯胶浓度为35%、进/出口风温度为180/80 ℃、锐孔直径为18 μm,分别选取60、65、70、75、80 mL/min的不同流速,进行5批次微胶囊化实验;锐孔直径的单因素实验条件是阿拉伯胶浓度为35%、进/出风口温度为180/80 ℃、蠕动泵流速为70 mL/min,分别选取14、16、18、20、22 μm的不同直径,进行5批次微胶囊化实验。

1.2.6正交实验优化微胶囊化条件根据单因素多水平实验结果,选择阿拉伯胶浓度、进/出口风温度、蠕动泵流速为影响因素,设计三因素三水平[L9(34)]正交实验(见表1)。分别以测定干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉的水分活度与活菌数量为实验指标,经过极差分析和K值分析优化微胶囊化条件。

表1　优化微胶囊化工艺条件正交实验设计因素水平表

1.2.7验证实验根据正交实验结果选择优化后喷雾干燥工艺条件进行微胶囊化实验,检测菌粉水分活度和活菌数量,对照组以阿拉伯胶浓度为35%,进/出口风温度为180/80 ℃,蠕动泵流速为70 mL/min的工艺条件进行微胶囊化,取样并测定水分活度和活菌数,由此验证比较具有低水分活度和高活菌数的微胶囊菌粉喷雾干燥工艺条件的优越性。

2　结果与分析

2.1适宜阿拉伯胶浓度的选择

阿拉伯胶浓度是影响干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉水分活度和活菌数量重要因素之一,但并不是阿拉伯胶浓度越高越好。由图1可知,浓度过高,菌粉的水分活度逐渐增大,活菌数量也有所下降,当阿拉伯胶浓度为25%～40%时,菌粉的水分活度呈逐渐下降趋势,即水分活度从0.252下降至0.100,而菌粉的活菌数量呈逐渐上升趋势,即活菌数量从0.71×109CFU/g提高至1.00×109CFU/g;而当阿拉伯胶浓度高于40%时,不利于微胶囊菌粉水分蒸发干燥和高活菌数量的保持。故确定微胶囊适宜阿拉伯胶浓度为40%。

图1　阿拉伯胶浓度对菌粉水分活度和活菌数量的影响Fig.1　Effect of the amount of added Arabic gum on water activity and number of living bacteria

2.2适宜进出/口风温度的选择

由图2可知,不同微胶囊化的进/出口风温度,干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉中水分活度有所不同。当微胶囊化进/出口风温度由160/70 ℃提高至180/80 ℃时,菌粉的水分活度大幅度下降,即水分活度从0.190降低至0.110,与此同时,菌粉的活菌数量略有下降,即活菌数量从1.10×109CFU/g降低至1.00×109CFU/g;当进/出口风温度继续升高至190/85 ℃时,菌粉的水分活度趋于稳定状态,即水分活度保持在0.110左右,而此时,由于进/出口风温度的继续提高,菌粉的活菌数量大幅度下降至0.85×109CFU/g。故确定微胶囊化适宜进/出口风温度为180/80 ℃。

图2　进出/口风温度对菌粉水分活度和活菌数量的影响Fig.2　Effect of the air intake/outlet temperature on water activity and number of living bacteria

2.3适宜蠕动泵流速的选择

由图3可知,微胶囊化蠕动泵流速对干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉水分活度亦有较大影响。当微胶囊化蠕动泵流速从60 mL/min增至70 mL/min时,菌粉的水分活度呈逐渐下降趋势,即菌粉水分活度由0.143降低至0.103,而菌粉的活菌数量呈上升趋势,即菌粉的活菌数量由0.82×109CFU/g提高至1.78×109CFU/g;而当微胶囊化蠕动泵流速提高至75 mL/min时,菌粉的水分活度有所上升,即水分活度增至0.117;继续提高微胶囊化蠕动泵流速至80 mL/min时,菌粉的水分活度再次下降至0.103,与蠕动泵流速为70 mL/min时菌粉的水分活度相当,而此时菌粉的活菌数量却有所下降,即活菌数量降至1.49×109CFU/g。故确定微胶囊化蠕动泵流速为70 mL/min。

图3　蠕动泵流速对菌粉水分活度和活菌数量的影响Fig.3　Effect of the velocity of peristaltic pump on water activity and number of living bacteria

2.4适宜锐孔直径的选择

由图4可知,微胶囊化的锐孔直径的大小,对干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉水分活度及活菌数量均影响不大。锐孔直径从14 μm扩大到22 μm的过程中,菌粉的水分活度稳定在0.128左右且活菌数量也稳定在0.82×109CFU/g左右。如果微胶囊菌粉颗粒的直径过大,则出现砂砾口感[7,15],故微胶囊化锐孔直径需在适当范围内,根据产品要求进行调整。

图4　锐孔直径对菌粉水分活度和活菌数量的影响Fig.4　Effect of the orifice diameter on water activity and number of living bacteria

2.5正交实验优化微胶囊化条件

由表2极差分析可知,以菌粉的水分活度为实验指标,对干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉水分活度影响因素的主次顺序为:A>B>C,即阿拉伯胶浓度对菌粉水分活度影响最大,进/出口风温度对菌粉水分活度影响略小,而蠕动泵流速对菌粉水分活度影响最小;由K值分析KA2

表2　优化微胶囊化工艺条件[L9(34)]正交实验结果

表3　微胶囊化工艺条件优化结果与优化前结果对照

由表2极差分析可知,以菌粉的活菌数量为实验指标,对干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉活菌数量影响因素的主次顺序为:C>A>B,即蠕动泵流速对菌粉活菌数量影响最大,阿拉伯胶浓度对菌粉活菌数量影响略小,进/出口风温度对菌粉活菌数量影响最小;由K值分析KA2>KA1>KA3,KB2>KB1>KB3,KC3>KC1>KC2可知,微胶囊化的最优组合为A2B2C3,即胶囊化条件为阿拉伯胶浓度40%、进/出口风温度170/75 ℃、蠕动泵流速75 mL/min。

以干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉水分活度为实验指标的正交实验微胶囊化优化条件为阿拉伯胶浓度为40%、进/出口进温度为180/80 ℃、蠕动泵流速为75 mL/min,而以干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉活菌数量为实验指标的正交实验优化条件为阿拉伯胶浓度40%、进/出口风温度170/75 ℃、流速75 mL/min。经比较,两组优化结果只有进/出口风温度不同,而进/出口风温度越高,菌粉活菌数量越少,为保持微胶囊菌粉具有高菌活数,因此确定适宜进/出口风温度为170/75 ℃。

综上所述,干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉,通过单因素多水平实验和正交实验优化微胶囊化工艺条件为:阿拉伯胶浓度40%、进/出口风温度170/75 ℃、蠕动泵流速75 mL/min。

2.6验证实验

由表3可见,在优化条件下进行微胶囊化实验,微胶囊菌粉水分活度由未优化前0.130降低至0.096,活菌数量亦由0.84×109CFU/g提高至2.37×109CFU/g,微胶囊菌粉的水分活度显著降低,活菌数量也提高了3倍,表明采用优化后喷雾干燥条件可大幅度降低微胶囊菌粉的水分活度并保持其高活菌数。

3　结论与讨论

食品中微生物的生长繁殖都要求有一定最低限度的Aw,研究表明当水分活度低于0.60时,绝大多数微生物就无法生张,因此水分活度是微胶囊菌粉贮存时间长短的关键因素之一[16]。本研究不但对从藏灵菇中筛选的产胆盐水解酶的干酪乳杆菌微胶囊菌粉进行活菌数量的检测,而且对其水分活度也进行了测定,以期望在降低微胶囊菌粉的水分活度的同时保持其高活菌数量。为此,通过正交实验,优化了喷雾干燥工艺条件,可以降低干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉的水分活度并保持其活菌数量。利用藏灵菇产胆盐水解酶的干酪乳杆菌J1采用喷雾干燥法进行三因素三水平[L9(34)]正交设计实验,优化微胶囊菌粉微胶囊化的工艺条件:阿拉伯胶浓度为40%、进/出口风温度为170/75 ℃、蠕动泵流速为75 mL/min。在此条件下进行微胶囊化,干酪乳杆菌J1微胶囊菌粉的水分活度为0.096,活菌数量为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

张倩(1989-)，女，硕士，研究方向：食品营养与生物技术，E-mail：zhangqian1870@hotmail.com。

刘慧(1963-)，女，硕士，教授，研究方向：食品微生物与发酵，E-mail：foodlh@263.net。

北京市属高等学校高层次人才引进与培养项目(CIT&TCD20140315)；“抗病转基因羊新品种培育”专项(2014ZX08008-005)。

TS201.3

B

1002-0306(2016)13-0210-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.034