活性乳酸菌酸奶粉加工关键技术研究

李秀军，王彦民，杨利刚，任会强，钱镭，*

（1.黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江哈尔滨150086；2．石家庄君乐宝乳业有限公司，河北石家庄050200）

活性乳酸菌酸奶粉加工关键技术研究

李秀军1，王彦民2，杨利刚2，任会强2，钱镭1，*

（1.黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江哈尔滨150086；2．石家庄君乐宝乳业有限公司，河北石家庄050200）

建立活性乳酸菌酸奶粉加工技术参数。新鲜牛乳经过发酵后得出最佳乳酸菌活性产品，首先使用单因素试验法选择最佳酸奶粉喷雾干燥参数，再采用响应面法对所得试验结果进行系统的优化，从而选定最佳发酵工艺条件如下：进风温度149.2℃、出风温度70.5℃、干物质含量35.8%、进料流量10.6 mL/min。该工艺条件下生产的产品活菌数较高，感官品质优良。

乳酸菌；喷雾干燥；菌种保护剂

牛奶由于其富含丰富的钙、蛋白质及其他营养元素在人类的食谱中越来越被人们所重视[1]，使得牛奶不断的在我们生活饮食中出现的比重增加[2]，牛奶的需求也在全球不断的上涨，但是牛奶中含有大量的乳糖，而全世界乳糖不耐症患者也占据了人口数量的30%[3]，而将牛乳进行发酵使得乳酸菌将乳糖进行分解转化为乳酸，这样就可以在保留原有营养成分的同时让乳糖不耐症患者放心食用，再者酸奶对于人体来说具有整肠、抗衰老、补钙以及平衡人体肠道菌群等功能[4]，对人体的生长发育以及保持健康具有十分重要的意义，但是就我国目前来说，国土面积大，全程冷链不是十分发达，制约了酸奶的销售半径[5]。而酸奶粉的研究将会打破这一局面，酸奶在喷粉时加入菌种保护剂使得酸奶粉在保留原有营养成分的基础上也可以保留足够的活菌在复原之后具有新鲜酸奶的所有营养[6]。酸奶粉的研制有利于酸奶的全球化以及调节地区以及季节供应问题[7]，因此酸奶粉的研制具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原奶：君乐宝优质牧场奶源；乳酸菌：保加利亚乳杆菌；嗜热链球菌：丹麦hansen公司；试验用水RO高纯水；氢氧化钠（分析纯）：北京化工厂；酚酞指示液（分析纯）；盐酸（6 mol/L，分析纯）：北京化工厂；硫酸铜（CuSO4·5H2O）分析纯：北京化工厂；硫酸钾（K2SO4）分析纯：北京化工厂；移液枪：梅特勒瑞宁有限公司；蛋白胨：依维龙生物科技有限公司；牛肉膏：依维龙生物科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

GEA Niro Soavi均质机：意大利GEA NiroSoavi公司；电子天平：METLIER TOLEDO公司；p H计：上海康仪仪器有限公司；恒温恒湿箱：上海博迅有限公司；分光光度计：上海精密科学仪器有限公司；电热式水浴锅：上海医疗器械五厂；电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司；电子天平：梅特勒离心机：上海一恒科技有限公司；移液枪：梅特勒瑞宁有限公司；小型喷雾干燥器：意大利基伊埃公司；高压泵：意大利基伊埃公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

乳酸菌酸奶粉工艺流程图见图1。

图1 乳酸菌酸奶粉工艺流程图Fig.1 Lactic acid bacteria yogurt powder process flow chart

1.3.2 发酵乳制备

选用新鲜牛奶，经前部分试验得出使用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌为主要菌种，发酵时间5.12 h、发酵温度42.90℃、菌种添加量3.12%为发酵主要参数，制成乳酸菌发酵乳。

1.3.3 测量方法

1.3.3.1 集粉率

集粉率=全部集粉质量/（酸奶固形物质量+其他辅料质量）

1.3.3.2 含水量

直接干燥法：取洁净的称量瓶，加入适量海沙及玻璃棒，在105℃干燥箱中干燥至恒重，取试样5 g（精确到0.000 1 g）于称量瓶中，在沸水浴中蒸干，放入105℃干燥箱中恒重。计算试样中水分含量[8]。

1.3.3.3 菌种成活率

菌种成活率=酸奶粉中菌种数量/发酵结束酸奶中菌种数量[9]

1.3.3.4 感官评价

感官评定主要考虑4个方面的因素：产品色泽、组织状态、滋味及气味以及冲调性。感官评价表见表1。

1）色泽、组织状态

取待评价样品5 g在感官试验室中，保持试验室中灯光充足或者日光或充足，将待评价样品放于硫酸纸上，放于感官试验室评价台，然后评定奶粉的色泽、组织状态和干粉滋气味。

2）冲调性和滋味及气味的评定

表1 感官评价表Table 1 Sensory evaluation

a下沉时间

在试验室中用量筒量取50℃～55℃的蒸馏水100 mL放入200 mL烧杯中，准确称取待测酸奶粉13.6 g，称取后将酸奶粉快速倾倒进200 mL烧杯中，立刻启动秒表进行试验记时[10]。待水面上的粉全部下沉后结束记时，记录奶粉下沉时间。

b小白点、挂壁和团块

在秒表计时结束后迅速对酸奶粉进行搅拌，搅拌速度为2周/s，该搅拌持续时间为45 s。然后观察复原乳的挂壁情况；将复原乳（2 mL）倾倒黑色塑料盘中观察小白点情况；最后观察容器底部是否有不溶团块。

c冲调后的滋气味

首先用清水漱口，然后用鼻子闻酸奶粉复原奶气味，最后喝一口（约5 mL）酸奶粉复原奶，仔细品尝再咽下。

1.4 单因素试验

1.4.1 喷雾干燥进风温度对酸奶粉品质的影响

精准称取发酵酸奶10.0 L经过过滤、预热、均质、蒸发浓缩后加入高压泵中，打入小型喷雾干燥器中，喷雾干燥器进料速度设定为10 mL/min，干物质含量为25%、出风温度设定位70℃，进风温度设定为140、145、150、155、160 ℃进行喷雾干燥取样[11]。

1.4.2 喷雾干燥干物质含量对酸奶粉品质的影响

在最佳进风温度的条件下进行，精准称取发酵酸奶10.0 L经过滤、预热、均质、蒸发浓缩后加入高压泵，打入喷雾干燥器，进料速度设定为10 mL/min，出风温度设定位70℃，干物质含量为20%、25%、30%、35%、40%进行喷雾干燥取样。

1.4.3 喷雾干燥出风温度对酸奶粉品质的影响

在最适进风温度和最适干物质含量的条件下进行[12]，精准称取发酵酸奶10.0 L经过滤、预热、均质、蒸发浓缩后经高压泵加入喷雾干燥器，设定出风温度为55、60、65、70、75℃进行喷雾干燥取样。

1.4.4 进料速度对酸奶粉品质的影响

在最适进风温度、最适干物质含量、最适出风温度的条件下进行，精准称取发酵酸奶10.0 L经过滤、预热、蒸发浓缩均质加入高压泵当中然后打入入喷雾干燥器，进料速度设定为 6、8、10、12、14 mL/min 进行喷雾干燥取样[13]。

1.4.5 响应面法优化工艺

根据单因素试验的结果以加权总评分数为判定标准（权重以百分为基础，含水量∶出粉率∶菌种成活率 ∶感官评定分数=17 ∶17∶30∶36），应用 Design Expert软件进行Box-Behnken设计[14]影响条件的范围并建立模型，见表2。

表2 试验因素水平编码表Table 2 Experimental factors level code table

1.5 菌种保护剂的选择

本试验在最佳进风温度、最佳干物质含量及最佳进料速度的条件下进行，在酸奶发酵过程中加入菌种保护剂[15]，发酵后，精准称取发酵酸奶10.0 L经过滤、预热均质后加入喷雾干燥器[16]，计算不同进料速度的条件下酸奶产品的出粉率及菌种成活率。

1.5.1 脱脂乳粉对菌种存活率的影响[17]

在发酵过程中采用42℃、发酵时间5 h、菌种添加量3%为发酵条件，添加脱脂乳粉含量为8、10、12、14、16 g/L后进行发酵。发酵完毕后测量乳酸菌含量，并进行喷雾干燥试验，试验后测量产品中的活菌数计算活菌成活率。

1.5.2 麦芽糊精对菌种存活率的影响

在发酵过程中采用42℃、发酵时间5 h、菌种添加量 3%为发酵条件，添加脱脂乳粉含量为 1、2、3、4、5 g/L后进行发酵。发酵完毕后测量乳酸菌含量，并进行喷雾干燥试验，试验后测量产品中的活菌数计算活菌成活率。

1.5.3 葡萄糖对菌种存活率的影响

在发酵过程中采用42℃、发酵时间5 h、菌种添加量 3%为发酵条件，添加葡萄糖含量为 1、2、3、4、5 g/L后进行发酵。发酵完毕后测量乳酸菌含量，并进行喷雾干燥试验，试验后测量产品中的活菌数计算活菌成活率。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 进风温度对酸奶粉质量的影响

进风温度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响见图2，进风温度对酸奶喷雾干燥各指标的影响见图3。

图2 进风温度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响Fig.2 Effect of air intake temperature on comprehensive scanning of yoghurt spray drying

图3 进风温度对酸奶喷雾干燥各指标的影响Fig.3 Effect of inlet air temperature on each indicator of spray drying of yogurt

由图2可以看出在进风温度升高的过程中酸奶喷雾干燥的总评分在快速升高，在150℃后开始下降。由图3可以看出进风温度升高的过程中含水量不断降低，集粉率不断下降与欧阳琨[18]所得结论基本符合，但乳酸菌数量和感官评价分数都是先增高后降低，在140℃和145℃之间喷出的酸奶粉在水分含量上都相对较高，大于4%，而高于155℃后酸奶粉含水量过低，奶粉沉淀下沉时间增加，在150℃含水量为3.12%，达到可接受水平，在集粉率方面在160℃时达到最低为80.65%，15℃最高为86.77%，且此时乳酸菌含量也偏低，而140℃时集粉率与145℃很高都在86%左右，而140℃时水分含量较高，对酸奶粉的保存容易产生影响。在乳酸菌数量上150℃含有活性乳酸菌最高，所以进风温度选择150℃。

2.1.2 出风温度对酸奶粉质量的影响

出风温度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响见图4，出风温度对酸奶喷雾干燥各指标的影响见图5。

图4 出风温度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响Fig.4 Effect of ventilation temperature on comprehensive score of soybean powder spray drying

图5 出风温度对酸奶喷雾干燥各指标的影响Fig.5 Effect of ventilation temperature on each indicator of spray drying of yogurt

由图4可知在出风温度不断升高的过程中，酸奶粉的综合评分呈现先缓步升高，再70℃后综合评分出现下降趋势。

在图5中可以看出在出风温度不断升高的过程中，酸奶粉的集粉率在缓步下降，酸奶粉中活性乳酸菌数则是急速下降，含水量也呈下降趋势，只有感官分数在70℃之前呈现上升趋势，然后逐渐下降。集粉率随着出风温度的变化呈现缓步的下降，65℃后集粉率出现平缓状态，出粉率随着温度的提高改变较小，而含水量也在随着出风温度的提高而降低，当出风温度为70℃时，含水量为2.98%，达到理想效果，75℃时集粉率较低[19]，且乳酸菌活菌数也处于最低水平，所以出风温度选择70℃为最佳。

2.1.3 干物质含量对酸奶粉质量的影响

干物质含量对酸奶喷雾干燥综合评分的影响见图6，干物质含量对酸奶喷雾干燥各指标的影响见图7。

由图6可以看出在干物质含量不断增加的过程中，酸奶粉的综合评分在35%之前不断上升，当干物质含量达到35%后，综合分数出现下降趋势。

图6 干物质含量对酸奶喷雾干燥综合评分的影响Fig.6 Effects of dry matter content on comprehensive evaluation of yoghurt spray drying

图7 干物质含量对酸奶喷雾干燥各指标的影响Fig.7 Effects of dry matter content on each indicator of the spray drying of yogur

由图7可知在奶粉的喷雾干燥中，随着干物质含量的增加奶粉的集粉率成先上升后降低的趋势，且水分含量呈现不断降低的趋势在35%时达到最佳，35%后酸奶粉水分含量过低，使得其产品沉淀下沉时间延长，达不到良好的速溶性，而菌种成活率也在随着干物质含量的增加而增加，但综合感官指标的评分，在35%时酸奶粉综合指标达到最好，所以干物质含量选择35%为最佳。

2.1.4 进料速度对酸奶粉质量的影响

进料速度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响见图8，进料速度对酸奶喷雾干燥各指标的影响见图9。

图8 进料速度对酸奶喷雾干燥综合评分的影响Fig.8 Effect of feeding speed on comprehensive scanning of yoghurt spray drying

由图8可知，酸奶粉喷雾干燥总评分数随着进料流量的增加呈现先增加后降低的趋势。在10 mL/min左右达到最佳值。

图9 进料速度对酸奶喷雾干燥各指标的影响Fig.9 Effect of feeding speed on each indicator of spray drying of yogurt

由图9可以看出随着进料流量的不断加大产生的酸奶粉的集粉率呈现缓慢上升趋势，而在进料速度不断增加的过程中，产品的含水量也在不断增加，最后使得产品中的水分含量不能达到要求，而在图中可以看出活菌数也在不断的增加，但是综合考虑在进料速度达到10 mL/min时产品的感官评分最高，同时该点也满足的了产品的水分含量。所以进料速度选择10 mL/min为最佳。

2.2 响应面试验设计与结论

2.2.1 响应面试验安排

试验设计与试验结果见表3。

表3 试验设计与试验结果Table 3 Response surface design arrangement and experimental results

续表3 试验设计与试验结果Continue table 3 Response surface design arrangement and experimental results

2.2.2 响应面试验设计及分析

利用Design Expert[20]对表3的数据进行二次多项式拟合，获得进风温度A、出风温度B、干物质含量C、进料流量D二次回归方程：R=92.8+2.75×A+0.50×B+0.42×C-1.00×D-0.5×A×B+0.45×A×C-3.75×A×D+3.75×B×C+1.25×B×D+0.50×C×D-12.23×A2-10.11×B2-7.73×C2-5.11×D2

试验结果方差分析表见表4。

表4 试验结果方差分析表Table 4 Variance analysis of fiited regression model

由表4方差分析可知，模型P值（=0.023 6）小于0.05，此时回归方差模型是高度显著的，因此这种试验方法是可靠的。决定系数R2=0.867 9，说明回归方程的拟合程度较好。

表4可以看出，影响酸奶喷雾干燥品质大小的因素次序为 A＞D＞B＞C，即进风温度、进料速度、出风温度、干物质含量。其中进风温度是影响酸奶粉质量的最主要因素，而干物质含量对酸奶喷雾干燥产品品质的影响较小。

四因素之间的交互作用见图 10、11、12、13、14、15所示。

在干物质含量35%，进料速度为10 mL/min时，进风温度与出风温度对奶粉加权总评分数的影响见图10，当进风温度不变时，总分数R1随着出风温度的增加先增加后减少，当到达70℃时达到最高值，当出风温度不变时，随着进风温度的增加R1先增加后减少，在150℃时到达最大值。

图10 进风温度与出风温度的交互作用图Fig.10 The interaction between the inlet air temperature and the outlet temperature

当进风温度为150℃，进料速度为10 mL/min时，干物质含量与出风温度对奶粉加权总评分数的影响见图11，当出风温度不变时，总分数R1随着干物质含量的增加先增加后减少，成坡度变化，当干物质含量到达35%时R1达到最高值，当干物质含量不变时，随着出风温度的增加R1先增加后减少，在70℃时到达最大值。

图11 出风温度与干物质含量的交互作用图Fig.11 The interaction between air temperature and dry matter content

图12 进风温度与干物质含量的交互作用图Fig.12 The interaction between inlet air temperature and dry matter content

图13 出风温度与进料流量的交互作用图Fig.13 The interaction between air temperature and dry matter content

图14 干物质含量与进料流量的交互作用图Fig.14 The interaction between dry matter content and feed flow

图15 进风温度与进料流量的交互作用图Fig.15 The interaction between inlet air temperature and feed flow

当出风温度为70℃，进料速度为10 mL/min时，干物质含量与进风温度对奶粉加权总评分数的影响见图12，当进风温度不变时，总分数R1随着干物质含量的增加先增加后减少，成坡度变化，当干物质含量到达35%时R1达到最高值，当干物质含量不变时，随着进风温度的增加R1先增加后减少，在150℃时到达最大值。

由图13知当进风温度为150℃，干物质含量为35%时，出风温度与进料流量对奶粉加权总评分数的影响见图，当出风温度不变时，总分数R1随着进料流量的增加先逐渐增加再缓慢下降，成小坡度变化，当进料流量到达10 mL/min时R1达到最高值，当进料流量不变时，随着出风温度的增加R1先增加后减少，在70℃时到达最大值。

当进风温度为150℃，出风温度为70℃时，干物质含量与进料流量对奶粉加权总评分数的影响见图14，当干物质含量不变时，总分数R1随着进料流量的增加先增加后减少，成坡度变化，当进料流量达到10 mL/min时R1达到最高值，当干物质含量进料流量不变时，随干物质含量的增加R1先增加后减少，在35%时到达最大值。

当出风温度为70℃，干物质含量为35%时，进风温度与进料流量对奶粉加权总评分数的影响见图15，当进风温度不变时，总分数R1随着进料流量的增加先增加后减少，成坡度变化，当进料流量达到10 mL/min时R1达到最高值，当进料流量不变时，随着进风温度的增加R1先增加后减少，在150℃时到达最大值。

为得到优化的工艺参数，模型方程求一阶偏导，获得最佳工艺参数：进风温度149.2℃、出风温度70.5℃、干物质含量35.8%、进料流量10.6 mL/min。

2.2.3 验证试验

在响应面试验得到的优化工艺条件下进行试验[21]，重复3次，平均最佳评分93分，与模型预测值相似，说明模型合理。

2.3 菌种保护剂的选择

2.3.1 脱脂乳粉对酸奶粉活菌数的影响

脱脂乳粉对酸奶粉活菌数的影响见图16。

图16 脱脂乳粉添加量对乳酸菌成活率的影响Fig.16 Effect of skimmed milk powder on survival rate of lactic acid bacteria

由图16可知，当随着菌种保护剂的加入乳酸菌活菌数的量在不断增加。从加入8 g/L的21%增加到加入14 g/L时的36%，但是在加入剂量达到14 g/L后菌种成活率变化不明显。

2.3.2 麦芽糊精对酸奶粉活菌数的影响

麦芽糊精添加量对乳酸菌成活率的影响见图17。

图17 麦芽糊精添加量对乳酸菌成活率的影响Fig.17 Effect of maltodextrin on the survival rate of lactic acid bacteria

由图17可知，当随着麦芽糊精菌种保护剂[22]的加入乳酸菌活菌数的量在不断增加。从加入1 g/L时的1.5%增加到加入5时的6.7%，但是在加入剂量达到4 g/L后菌种成活率变化不明显。

2.3.3 葡萄糖对对酸奶粉活菌数的影响

葡萄糖添加量对乳酸菌成活率的影响见图18。

图18 葡萄糖添加量对乳酸菌成活率的影响Fig.18 Effect of glucose addition on survival rate of lactic acid bacteria

由图18可知，当随着葡萄糖菌种保护剂的加入乳酸菌活菌数的量在不断增加。从加入1 g/L时的1.7%增加到加入5时的21%，但是在加入剂量达到4 g/L后菌种成活率变化不明显。

综上所述在加入菌种保护剂的过程中对于乳酸菌酸奶粉中乳酸菌的保护作用是具有一定的效果的[23]，其中加入脱脂乳粉影响效果最大。所以在实际生产的过程中选择脱脂乳粉作为菌种保护剂为最佳保护剂。

3 结论

通过但因素试验，确定了进风温度、出风温度、干物质含量、进料速度对乳酸菌酸奶粉品质的影响。采用Box-Behnken试验对喷雾干燥的条件进行优化，得出优化条件为：进风温度149.2℃、出风温度70.5℃、干物质含量35.8%、进料流量10.6 mL/min。通过单因素试验得出脱脂乳粉为最佳菌种保护剂，添加量为14 g/L时产品中乳酸菌活菌数达到39%。

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Study on Processing Key Technology of Active Lactic Acid Yogurt Powder

LI Xiu-jun1，WANG Yan-min2，YANG Li-gang2，REN Hui-qiang2，QIAN Lei1，*
（1．Food and Environment Engineering Faculty，East University of Heilongjiang，Harbin 150086，
Heilongjiang，China；2.Shijiazhuang Junlebao Dairy Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050200，Hebei，China）

The processing technology parameters of lactic acid bacteria yoghurt powder was established in this study.The optimum fermentation conditions were determined by the method of response surface method，and the optimum fermentation conditions were selected by the method of single factor experiment.The optimum fermentation conditions were selected by the method of response surface method.As followed：into the air temperature of 149.2℃，the outlet temperature of 70.5℃，dry matter content of 35.8%，feed flow 10.6 mL/min.Under the conditions of the process，the number of viable products is high and the sensory quality is excellent.

lactic acid bacteria；spray dry；strain protection agent

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.022

黑龙江省教育厅科学技术研究（指导）项目（12533047）

李秀军（1991—），男（汉），硕士，研究方向：乳品工程。

*通信作者：钱镭（1981—），男（汉），副教授，博士，研究方向：乳品工程。

2017-05-15