乳酸菌喷雾干燥技术研究进展

王瑞雪，鄂晶晶，姚彩青，张巧玲，孙瑞胤，何宗柏，马蓉泽，陈子超，王俊国*

（内蒙古农业大学食品科学与工程学院，乳品生物技术与工程教育部重点实验室，农业农村部奶制品加工重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018）

乳酸菌是一类利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸的菌群，通常为革兰氏阳性杆菌或球菌，厌氧或兼性厌氧，主要分布在乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、双歧杆菌属及片球菌属等几个属中。随着对乳酸菌的深入研究发现，乳酸菌在人体肠道内可以定植并保护肠道不受有害菌的侵害，具有促进营养成分吸收、提高人体免疫力、维持肠道菌群平衡等多种益生功能，还被广泛应用于日常生产生活中，如医药制造、食品生产及新型生物技术研发等领域[1]。无论是用作发酵剂还是保护性培养物，均需保证乳酸菌在一定时间内的存活率达到最高，才能有利于其发挥有益作用。

干燥是食品贮藏的一种重要的技术手段，通过去除食物中大部分水分，可以延长食品的货架期，降低运输、贮藏成本。通过冷冻干燥或喷雾干燥法生产的乳酸菌制剂，可以长期、稳定地在环境温度下贮藏。使用冷冻干燥法制备乳酸菌制剂具有耗时长、耗能多、成本较高且解冻过程中菌种存活量降低等特点。与之相比，喷雾干燥每千克的成本仅为冷冻干燥的1/6；喷雾干燥粉末运输成本低、耗能少且能长期稳定贮藏[2]。然而在喷雾干燥过程中，乳酸菌与高温空气充分接触，尽管时间较短，但热力作用还是会导致菌体死亡，制备的干燥菌粉活菌数较低。因此，喷雾干燥乳酸菌的存活率对于其商业化生产是一个较大的挑战，微生物对热的敏感性和存活的必要条件都成为目前的研究热点[3]。本文重点论述喷雾干燥过程中影响乳酸菌菌体存活率的外部因素与内部因素。

1 喷雾干燥技术原理及其物理参数变化

喷雾干燥是将液体中的乳酸菌及载体材料通过泵输送至雾化器，随后雾化器将物料分散成无数细小的液滴，液滴在下降过程中与热空气接触，发生传热传质，热空气带走物料中的水分，形成固体颗粒，并完成乳酸菌脱水过程。

喷雾干燥过程可以分为4 个阶段：第1阶段是雾化阶段，物料流经雾化喷嘴形成小液滴；第2阶段是快速脱水阶段，液体开始与热空气接触，气液两相达到平衡状态，进行热量交换，热空气带走颗粒表面的水分，当液体表面水分充足时，能够维持恒定的干燥速率，此时菌体所接触的温度为湿球温度，低于热空气的温度；第3阶段是降速脱水阶段，颗粒表面水分不能够满足恒速脱水的需求时，颗粒内部水分开始向颗粒表面迁移，脱水速率下降，逐渐形成干燥颗粒，菌体开始逐渐暴露在热空气中，接触温度开始上升，最终达到热空气出口温度；第4阶段是颗粒与气体分离阶段，干燥后较大的颗粒沉积在干燥塔底，较小、较轻的颗粒通过旋风分离器分离[4]。

乳酸菌遭受热损伤主要发生在第3阶段之后。由于热损伤主要发生在干燥后期，所以停留时间和出口温度是影响乳酸菌存活率的2 个主要因素。停留时间越长，出口温度越高，乳酸菌存活率越低。但通常干燥温度越高，水分蒸发速率越快，在达到同等水分含量的要求下，所需要的停留时间越短。所以，干燥温度并不是越低越好，还要考虑到干燥时间对乳酸菌存活率的影响[5]。

2 影响乳酸菌菌体存活率的外部因素

2.1 喷雾干燥工艺对乳酸菌菌体存活率的影响

2.1.1 进、出口温度

空气入口温度的升高与乳酸菌存活率的下降有关[6]。然而，Kim等[7]研究表明，较高的进口温度对乳酸菌存活率的影响很小。这可能是由于干燥过程中益生菌的灭活是温度和时间共同作用的结果。在喷雾干燥过程中，温度的变化主要分为2 个阶段，首先是恒定干燥速率阶段，该阶段液滴被热空气雾化，发生热量传递，其温度很快升到一恒定值（即干燥空气的湿球温度），由于其温度和热失活都受限于湿球温度，因此乳酸菌的存活率受进口温度影响较小，与出口温度密切相关；在恒定干燥速率阶段之后，微粒将经历降速阶段，此时微粒表面变得干燥，产品温度根据干燥机配置的不同而升高[8]。在这一阶段，乳酸菌的灭活取决于干燥参数，如出口温度、停留时间和进料速度[9]。

研究表明，乳酸菌存活率降低与出口温度升高相关[10]。出口温度取决于物料的干燥特性，因此不能直接控制。Fu Nan等[11]报道了喷雾干燥的出口温度为40～90 ℃条件下对乳酸菌存活率的影响。部分研究中喷雾干燥的出口温度对乳酸菌存活率的影响如表1所示。

表1 喷雾干燥的出口温度对乳酸菌存活率的影响Table 1 Effect of spray drying outlet temperature on survival rate of LAB

续表1

2.1.2 剪切力与雾化气压

雾化过程中，乳酸菌细胞受到剪切力影响。Riveros等[34]研究显示，剪切力对乳酸菌的存活率影响较小。然而，Ghandi等[38]研究不同剪切力对乳酸球菌存活率的影响，结果表明，乳酸球菌亚种ASCC930119无论在雾化过程中使用何种气体，剪切力的增加都会大大降低其存活率，且雾化气压增大也会影响乳酸菌的存活。Riveros等[34]在雾化气压较低的情况下观察到嗜酸乳杆菌细胞存活率较高。较低的雾化气压通常会带来较低的剪切力，从而提高乳酸菌的存活率。Ghandi等[38]通过改变微粒的温度、水分的轨迹和在氧气中的暴露程度，得出乳酸菌的存活率也受到初始微粒大小和分布的间接影响，在干燥过程中，除剪切力外，在氧气中的暴露对乳酸菌的损伤比热应力和脱水力更强。

2.2 喷雾干燥后乳酸菌存活率的影响因素

贮藏和包装也是影响喷雾干燥后乳酸菌存活率的重要因素之一。喷雾干燥后产物的稳定性随着贮藏时间延长而减弱，而较低的贮藏温度可以将乳酸菌的存活率维持在一个较高的水平[39]。

2.2.1 包装材料

选择合适的包装至关重要，包装材料的类型、透光性和透气性及包装方式（气调包装或真空包装）均可能会影响乳酸菌的存活[40]。不同类型的包装材料被用于不同的喷雾干燥乳酸菌[41]。Wang等[26]将嗜酸乳杆菌CCRC14079和嗜热链球菌CCRC14085在发酵豆乳中干燥后，置于层压袋中，于玻璃聚酯瓶中保存，菌体存活率更高。Maciel等[42]将喷雾干燥后的嗜酸乳杆菌La-5用金属化聚酯聚乙烯包装贮藏后具有良好的存活率。由于聚乙烯对水蒸气的阻隔性较好，聚酯的气阻性较大且金属化聚酯聚乙烯的光阻性较强，因此其对乳酸菌的保存具有较强的保护作用。Santivarangkna等[9]报道，不透气和不透光的包装可能会减少细胞膜的脂质氧化，防止自由基形成，自由基一旦扩散到细胞内，就会通过DNA损伤导致细胞死亡，因此该类包装对乳酸菌细胞具有良好的保护性。关于包装方式，Golowczyc等[37]发现，真空和空气中贮藏的植物乳杆菌CIDCA83114和溶脂酵母菌CIDCA812存活率没有显著差异。然而，Chávez等[43]研究表明，与空气贮藏相比，真空条件下贮藏的乳双歧杆菌BB-12存活率较高。

2.2.2 贮藏条件

贮藏温度和相对湿度是影响干燥乳酸菌活性的关键因素。诸多研究表明，在温度较低的条件下贮藏有利于乳酸菌存活[44-45]。在温度较高的条件下，菌体可能会发生脂质氧化及蛋白质变性，导致细胞失活[11]。干燥后剩余的水分也会影响贮藏期间乳酸菌的活性[46]。干燥的乳酸菌水分活度和水分含量应该均较低，并在贮藏过程中保持不变，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）下贮藏对保加利亚乳杆菌NCFB1489存活率的影响，结果表明，该菌在水分活度0.11和0.23条件下贮藏存活率较高。其他研究也报道了水分活度较低时乳酸菌存活率较高[49-50]。贮藏的相对湿度影响干粉的玻璃化转变温度。贮藏过程中相对湿度较高会导致干粉结块，从而致使乳酸菌失活。因此，保护性载体的加入使干燥的粉末保持玻璃状态，通过控制自由基的形成提高了乳酸菌贮藏过程中的存活率[51]。

2.2.3 复水

复水性被认为是乳酸菌发酵剂复苏阶段的关键步骤。Muller等[44]报道，使用的溶液、复水时间和温度影响喷雾干燥乳酸菌的回收。Teixeira等[13]研究表明，复水应该缓慢进行（浸泡30 min而不是剧烈摇晃2 min），而Muller等[44]观察到喷雾干燥的双歧杆菌NCC3001在浸泡30 min后比浸泡60 min后恢复得更好。基于上述2 项研究，浸泡30 min是较为合适的复水时间，此时，不同的复水时间没有明显差异。由于复水过程中乳酸菌的存活依赖于菌株本身，且乳酸菌粉在食用前必须复水，因此必须达到最佳的复水条件（一般在产品包装上有具体说明），以确保特定乳酸菌最大程度发挥其有益作用。

3 影响乳酸菌菌体存活率的内部因素

3.1 生长周期

处于稳定期的细胞比处于迟缓期或指数期的细胞通过喷雾干燥后存活率更高且更易于贮存[27,52]。这是由于乳酸菌细胞在生长过程中所受的胁迫（如营养不够充足及pH值较低）诱导细胞对其他胁迫产生抵抗力[53]。一般乳酸菌培养时间设定为稳定前期，此时菌体的存活率较高。处于稳定前期的鼠李糖乳杆菌GG经喷雾干燥后的存活率在50%左右，而培养至对数期的菌体干燥后的存活率仅为14%[27]。

3.2 亚致死应激反应

乳酸菌菌株的耐热性与喷雾干燥乳酸菌的存活率呈正相关。大量研究表明，乳酸菌的耐热性主要由乳酸菌的热应激蛋白水平决定。Paéz等[54]研究温和热处理对5 种经喷雾干燥处理后的乳酸菌存活率的影响，结果表明，不经过温和热处理的干酪乳杆菌和植物乳杆菌8329细胞经喷雾干燥后，存活率明显降低。Silva等[31]研究酸胁迫对乳酸菌存活率的影响发现，相比于在经调节的pH值条件下（pH 6.5）生长，保加利亚乳杆菌ESB285细胞在未调节pH值的条件下（最终pH 4.5）对热应激和喷雾干燥的抵抗力更强。Teixeira等[55]观察到生长环境相同的细胞中，没有受到任何刺激的细胞在稳定期更具抵抗力。控制培养基pH值恒定为6.5时，喷雾干燥后保加利亚乳杆菌的存活率仅为不控制pH值（即菌体会在pH＜4的环境中生长10 h）的1/10[56]。细胞在受到热、病原体、理化有害因素等刺激后会导致热休克蛋白的合成，且一般发生在对数期[57]。

3.3 培养基成分

干燥过程中，对乳酸菌活力有显著影响的培养条件包括生长阶段、培养基成分和培养基pH值。其中，培养基成分对乳酸菌喷雾干燥和贮藏过程中的存活率至关重要。在喷雾干燥过程中，细胞处于水分活度较低且温度较高的条件下（即细胞同时受到渗透压力和热应力）。在培养基中加入糖类、氨基酸类（如甘氨酸）、季胺（如甜菜碱、肉碱）可以在培养阶段提高乳酸菌干燥后的存活率。Ferreira等[56]研究发现，喷雾干燥后的贮藏过程中，在含有20 g/L蔗糖或12.5 g/L谷氨酸钠的培养基中生长的沙克乳杆菌CTC494细胞存活时间延长60%；在补充甜菜碱、甘氨酸和海藻糖的培养基中培养的乳酸菌喷雾干燥后的存活率可达100%，而在普通培养基中培养的乳酸菌干燥后的存活率不足20%。类似的可溶性物质可由某些细菌（乳酸菌除外）合成，并在处于恶劣条件时积累，但在干燥过程中，由于干燥时间较短，合成此类物质几乎是不可能的[57]。因此，这类物质应该在喷雾干燥前加入，如在所使用的培养基中加入，以提高乳酸菌细胞的存活率[11]。

4 结 语

喷雾干燥为乳酸菌菌粉的贮藏与运输提供了一种比冷冻干燥更具经济效益的选择。本文从喷雾干燥外部工艺的角度出发，对喷雾干燥过程中进、出口温度、剪切力及雾化气压参数对乳酸菌菌株存活率的影响进行了综述。较低的出口温度以及适宜的剪切力与雾化压力等工艺参数，可以最大限度减少乳酸菌在喷雾干燥过程中的损失。其次，选择合适的包装材料、调节适宜的贮藏条件以及适当的复水过程均可在一定程度上提高乳酸菌存活率。此外，选择合适的培养条件，包括生长阶段、培养基成分和培养基pH值同样也影响乳酸菌的存活率。总体而言，虽然喷雾干燥会造成乳酸菌一定程度上的死亡，但仍不失为目前制备发酵剂最经济实用的方法。目前，喷雾干燥技术作为更具经济效益的方法可能会进一步帮助扩大市场，其广泛应用于乳酸菌的商业化生产指日可待。在干燥乳酸菌发酵剂方面，人们更为期待一种在较低温度下即可进行热量交换的技术，以达到对乳酸菌伤害最小化的目的。因此在设计多种复合型的干燥设备和开发新型干燥技术两方面均需进一步研究。