喷雾干燥与水浴模拟实验条件对应关系的研究

于章龙，武慧媛，李永歌，薛文通，张 惠，张泽俊

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

喷雾干燥与水浴模拟实验条件对应关系的研究

于章龙，武慧媛，李永歌，薛文通*，张 惠，张泽俊

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083）

喷雾干燥是生产粉末的一种常用加工方式，但如果用来生产有活性的菌种粉末，依然需要进一步的研究。喷雾干燥使菌种致死的主要原因是高温脱水，本实验对喷雾干燥菌落成活数与水浴模拟加热条件的对应关系进行了研究，选择不同水浴加热温度和不同加热时间与最佳喷雾条件进行对比，结果表明，在喷雾条件为进口温度170℃，出口温度70℃时与水浴模拟实验60℃，10min的菌落成活数相当。

喷雾干燥，水浴模拟实验，菌落成活数

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

植物乳杆菌 黄浆汁中提取；优化番茄汁液体培养基 自制；菌落计数琼脂培养基 北京奥博星生物技术有限责任公司；脱脂奶粉 黑龙江省完达山乳业股份有限公司；糊精、可溶性淀粉、麦芽提取物、甘油、NaCl、聚乙烯醇、卡拉胶 均为分析纯；2mol/L NaOH溶液，2mol/L HCl溶液。

DLP电动高速离心喷雾干燥机 江苏星轮高速机电设备制造公司；GL-20G-∏型高速冷冻离心机上海安亭科学仪器厂；pHS-3D pH计 上海三信仪表厂；洁净工作台 北京京鹏净化设备有限责任公司；HZQ-X100恒温振荡培养箱 太仓市实验设备厂；LRH-150生化培养箱 上海一恒科技有限公司；101A-2型电热鼓风干燥箱 上海市实验仪器总厂；YXQ-LS-50立式压力蒸汽灭菌器 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；电热恒温水浴锅XMTD-6000 北京市长风仪器仪表公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程

1.2.1.1 浓缩菌液的制备 优化培养基的制备→活化培养→离心浓缩→浓缩菌液4℃冷藏

a.优化培养基的制备：取胰蛋白胨10g、酵母浸膏10g、番茄汁200mL、碳酸钙3g、黄浆汁100mL，然后添加蒸馏水至 1000mL，用2mol/L NaOH溶液调pH7.2，121℃灭菌20min，4℃冰箱保存备用。b.活化培养：向培养基中添加3%的活化后的菌液，放入37℃振荡培养箱中，120r/min振荡培养 18～22h。c.离心浓缩：采用高速冷冻离心机在温度10℃、转速4000r/min、时间为20min的条件下离心浓缩，得到的浓缩物以10∶1（原菌液∶生理盐水）的比例加入生理盐水，在4℃冰箱中冷藏备用。

1.2.1.2 喷雾前培养基与浓缩菌液添加条件的选择本实验所选用的保护剂为麦芽提取物、糊精和甘油。

向加入保护剂和包埋剂的培养基中添加5%的浓缩菌液，在37℃、120r/min下振荡培养3、5、7、9、11h后分别测其菌落数，对其结果进行比较，选出菌落数较多而且尽量多地保留其营养成分和尽量使细菌与保护剂和包埋剂充分接触的培养时间，然后直接对此菌液进行喷雾干燥。

1.2.1.3 喷雾条件的选择 设计正交实验，以进口温度、出口温度、卡拉胶和聚乙烯醇添加量为实验因素，采用L9（34）正交设计表，选出最佳喷雾条件。正交实验因素水平表见表1。

表1 喷雾干燥正交实验因素水平表

1.2.1.4 水浴模拟实验 选用最佳喷雾条件下的菌液进行水浴模拟实验，水浴温度分别设为：60、65、70、75、80℃，水浴时间分别为10、15、20、25、30min。在此水浴条件加热后菌落计数得到25组数据，与最佳喷雾条件下的菌落数进行对比，找出二者的关系。

1.2.2 包埋剂的选择 喷雾干燥生产菌粉不仅需要添加抗湿热型保护剂，也需要添加大分子的包埋剂，使细菌能够更好地与保护剂结合在一起，并且起到一定的保护作用。经常使用的包埋剂包括一些天然大分子多糖类和人工合成的大分子物质。中空纤维［4］、卡拉胶［5］、聚丙烯酰胺［6］、海藻酸钠和聚乙烯醇（PVA）［7］是常用的细胞固定化载体。

其中PVA具有机械强度高、稳定性好、价格低廉等优点，但用它制备的凝胶具有非常强的附聚倾向。作为包埋载体，天然高分子多糖类的海藻酸钠和卡拉胶应用最多，它们具有固化、成形方便、对微生物毒性小、固定化密度高等优点。但它们对抗微生物的分解性能较差，机械强度较低。天然卡拉胶中含有!-卡拉胶，它可使凝胶强度降低，而且凝胶对钠离子比较敏感。海藻酸钙凝胶在酸、盐溶液中不稳定。合成高分子化合物中常用的载体物质有聚丙烯酰胺、光硬化树脂等。它们的突出优点是抗微生物分解性能好，机械强度高，化学性能稳定。但是聚合物形成网络的聚合条件比较剧烈。对微生物损害较大，而且成形的多样性和可控性不好。

综合以上分析，本实验选用卡拉胶和聚乙烯醇为包埋材料，二者具有优势互补性。

1.2.3 菌落计数及活菌率的计算 采用稀释平板菌落计数法［5］进行菌落计数；活菌率（%）=加热后菌落数/加热前菌落数×100%

2 结果与分析

2.1 喷雾前培养基与浓缩菌液添加条件的选择

根据预实验结果，向加入2%PVA和2%卡拉胶以及保护剂的培养液中添加5%的浓缩菌液，进行3、5、7、9、11h的振荡培养，结果如图1所示。

图1 菌液菌落数随振荡时间的变化

由图1可知：加入浓缩菌液振荡放置3～5h时，培养液菌落数含量较高，可达1013cfu/mL，而且对营养液的营养成分几乎不消耗，能够保证喷雾干燥后粉末营养成分的充足，以保证菌粉中细菌的长时间存活；另外，3～5h的振荡可以保证菌落与包埋剂充分混合，形成包埋网状结构。在5～9h期间，菌落数持续减少，分析其原因可能是有些菌落被包埋后因不适而死亡，但9h后，菌落数又开始增多，此时是因为新的菌落开始繁殖，营养成分开始消耗，不利于菌粉后期的保藏。所以最终选择加入浓缩菌液振荡放置3～5h后进行喷雾干燥，此时有利于提高菌落的成活数。

2.2 喷雾干燥正交实验结果

最佳组合为C1B3D3A3，即卡拉胶添加量为1‰，出口温度为65℃，聚乙烯醇（PVA）添加量为2%，进口温度为170℃。由此可知，卡拉胶的添加量和出口温度对喷雾干燥菌落活数影响较大，进口温度影响最小。但是出口温度在65℃时，出粉率较低且菌粉湿度大、较粘，不能成颗粒状，不易收集，所以最终出口温度设为70℃，即最终选择C1B2D3A3，在此组合下菌粉菌落数可达到109cfu/mL，活菌率可达12.5%。

表2 喷雾干燥正交实验结果

2.3 水浴加热模拟实验结果

实验结果如图2所示。

图2 水浴模拟实验结果

由图2可知：在60℃加热10min条件下，菌落数可达到109cfu/mL，加热15min时菌落数下降了一个数量级为108cfu/mL，在此温度下，随着时间的增加，直到30min时，菌落数基本上不发生变化，说明在此温度下菌液的保护效果比较明显；65℃加热时，平均菌落数在108cfu/mL左右，说明65℃条件下与60℃条件相差不是很明显，但70℃以后菌落数下降明显，数量级保持在104～105cfu/mL，80℃时基本全部死亡。与最佳喷雾条件下菌落数相比较，60℃、10min水浴加热模拟条件与之效果相似，可以作为喷雾条件的模拟实验。

3 结论

本文通过喷雾前培养基与浓缩菌液添加条件的选择实验，在浓缩菌液添加量为5%的条件下，通过37℃，120r/min振荡放置3～5h效果最好，此时菌落数可达1012～1013cfu/mL，而且培养液的营养条件基本上没有消耗，可以保证后期菌粉的长期需要；由正交实验及分析找出了最佳喷雾条件是卡拉胶添加量为1‰，出口温度为70℃，聚乙烯醇（PVA）添加量为2%，进口温度为170℃，此时菌落数达到109cfu/mL，而且得到的菌粉为土色略带有香味的细腻粉末，经后期检测可以长时间在冷藏条件下保存；通过水浴模拟实验，可知60℃、10min加热效果与最佳喷雾条件效果基本相同，此条件可以作为喷雾条件的模拟实验。

［1］张峻，齐崴，韩志慧，等.食品徽胶囊、超微粉碎加工技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

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［7］王建龙，施汉昌.聚乙烯醇包埋固定化微生物的研究及进展［J］.工业微生物，1998，28（2）：35-39.

Study on the relationships between spray-drying conditions and water-bath simulation experiment

YU Zhang-long，WU Hui-yuan，LI Yong-ge，XUE Wen-tong*，ZHANG Hui，ZHANG Ze-jun
（College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Spray drying is a common processing method in the production of powder.But it still need to further study active bacteria powder production.Spray-drying makes bacteria die is mainly due to high-temperature dehydration.By comparing different heating temperature and time with the best spraying conditions，the corresponding relationships between spray-drying conditions and water-bath simulation heating conditions were studied.Results showed that there was the same number of colonies survived between the spray-drying conditions of inlet temperature 170℃，outlet temperature 70℃ and that water bath simulation experiment conditions of 60℃，10min.

spray-drying；water-bath simulation experiment；number of colonies survived

TS201.1

A

1002-0306（2011）02-0101-03

喷雾干燥技术到现在已有一百多年的历史，早在1865年，就有人将喷雾技术应用于蛋液的处理上。多年以来，喷雾干燥的应用已十分普遍，在食品、化学药品、医药品、洗涤剂、化肥、合成树脂、陶瓷、染料、农药等方面得到广泛应用。它是以单一工序将溶液、乳液、悬浮液或浆状物加工成粉状干燥制品的一种干燥法。将被干燥的液体经雾化器作用，喷成非常细微的雾滴，并依靠干燥介质（热空气、冷空气、烟道气或惰性气体）与雾滴均匀混合，进行热交换和质交换，使溶剂气化或熔融物固化［1］。它具有［2］干燥速率高、时间短，产品具有良好的分散性和溶解性、产品纯度高、生产工程简单、操作控制方便、更适用于连续化工业生产等优点。益生菌菌粉的生产多采用冷冻干燥法，但此法生产成本较高，本实验从喷雾干燥条件的摸索进行研究，但由于微生物的蛋白质和核酸等重要物质在高温下发生变性，例如使核酸发生脱氨、脱嘌呤或者降解以及破坏细胞膜上的类脂成分等，会大大降低菌粉的活菌落数［3］。为了尽量提高其活菌落数，本文从水浴模拟实验研究它们的对应关系，这样就可以在水浴条件下进行喷雾条件的摸索，能够大大提高实验效率，并为本类实验提供一些理论数据。

2010-01-11 *通讯联系人

于章龙（1984-），男，在读硕士，研究方向：农产品加工与贮藏工程。