(内蒙古农业大学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呼和浩特 010018)
益生菌作为一类活性微生物,会对机体健康产生有益的作用,因为乳是益生菌良好的保护性载体,同时在乳发酵过程中益生菌也会产生大量对人体有益的营养成分,因此近些年来以益生菌为代表的发酵乳制品受到越来越多人的关注。在制作发酵乳制品过程中,益生菌发酵剂的活性对最终产品的质量及其益生功能产生重要影响。目前根据发酵剂的制备方式可分为:液态发酵剂、冷冻发酵剂和干燥发酵剂三类[1],其中因干燥发酵剂具有易于贮藏和使用方便等特点被广泛应用。干燥发酵剂的制备主要依赖于干燥技术(Drying technology),尽可能将菌粉的含水量降到最低,使菌株处于休眠状态以延长贮藏期[2]。现如今应用广泛的干燥技术主要为:真空冷冻干燥、喷雾干燥、鼓风干燥、流化床干燥等,但在食品工业中主要以真空冷冻干燥和喷雾干燥为主。
真空冷冻干燥技术是将细菌细胞悬浮液冷冻至低温状态,在真空条件下由冰升华为水蒸气,除去菌液中的水分,进而使菌体成为冻干粉状态[3]。由于物料温度被控制在冰点以下,因此微生物遭受的热胁迫、氧化胁迫等均为最小,处理后的菌株活菌数相对较高且能较好的保留菌株中的活性物质,但这种技术成本相对较高且因冷冻造成的冰晶及干燥过程的脱水,会使得益生菌受到伤害,进而影响菌株存活率[4]。喷雾干燥技术是指菌体浓缩液经喷雾干燥分散于热空气中,料液水分快速蒸发形成固体粉末的过程,此法用时较短、制粉迅速、可使料液由液态经雾化和干燥直接变成为固体粉末,具有生产能力高,生产成本低等优点[5],但在快速脱水时以及高气流温度会对菌株造成热胁迫、脱水胁迫及氧化胁迫等不可避免的损伤[6]。大量研究证明冷冻干燥及喷雾干燥会对益生菌的生理机制造成一定程度上的损伤,并提出了相应的解决办法,但缺乏对两种不同干燥方式下影响益生菌活性的主要因素进行系统地对比分析。因此本文将从菌株自身特性、菌株培养基成分、制备工艺及保护措施等方面分析不同干燥方式下影响菌株活性的主要因素,为选择合理的益生菌发酵剂制备方法及减少制备过程中对益生菌的伤害提供一些理论参考。
制备益生菌发酵剂不仅要求菌株具有良好的发酵性能及较弱的后酸化能力,同时也应具有抵抗不良环境的能力。从菌株自身特性出发,在干燥过程中其菌株存活率与菌体遗传物质、细胞膜结构、细胞形态及菌体酶活等息息相关。
尽管有些特定的菌株由于内在基因的关系对冷冻干燥特别敏感,但绝大多数益生菌还是具有抗冷冻性的[7],而原核生物的遗传物质均是以蛋白质包裹DNA的复合形式存在,冷冻干燥过程中由于冰结晶及脱水引起电荷的变化和空间结构的改变都会导致蛋白质的变性,进而引起DNA双螺旋结构的稳定性下降,遗传物质受到破坏,因此DNA修复酶会对菌株的抗冷冻干燥性起到很大影响。田中吉纪等对大肠杆菌(E.Coli)Bs-1(放射敏感性菌株,缺乏修复酶)与E.Coli B/r(放射性抵抗株,具有修复酶)菌株培养之后进行冷冻干燥,发现两者的存活率分别为0.23%和53%,这就说明具有DNA修复酶的菌株能够修复冷冻干燥带来的DNA损伤,恢复菌株繁殖能力,因而其抗冻性较强[8]。此外,菌体的抗冷冻干燥性能也会受到膜中不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸含量的影响,其中不饱和脂肪酸熔点低,有利于保持菌株细胞膜的流动性,使菌株保持活性,因此选择细胞膜不饱和脂肪酸相对含量高的菌株有利于提高冷冻干燥存活率,赵文英等研究ATB培养基培养所得酒球菌,与FMATB和MATB培养基相比,菌株细胞膜不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比值,即U:S提高分别提高了20.4%和45.2%,增强了细胞膜的流动性,从而提高了对冷冻干燥的抗性[9]。近些年来研究发现菌株细胞形态对其抗冷冻干燥性能具有重要作用,一般来说球菌的抗性优于杆菌,Tripathi等发现形状呈小球型的球菌比长杆状的杆菌对冷冻干燥具有更强的抵抗力,短棒状杆菌比长纤细状杆菌对冷冻干燥的抵抗力强[10],这是因为菌株相对较小的比表面积在冷冻过程中可以有效地降低冰晶对菌株细胞膜造成的机械损伤,但Selmer等人却发现在相同的冻干条件下,明串珠菌(Leuconostoc)的活力要远远低于杆菌,这表明菌株对冷冻干燥的抗性不仅仅与比表面积有关,还有可能取决于本身细胞膜脂肪酸成分,因为对杆菌细胞膜脂肪酸的测定表明不饱和脂肪酸含量远远高于明串珠菌,因而其抗冻性较强[11]。综上所述:在冷冻干燥过程中,菌株内部遗传物质的稳定性及DNA修复酶的活性等菌株自身特性对其抗冷冻性能起到非常重要的作用,同时细胞形态、菌株不饱和脂肪酸含量也会产生一定影响。
与冷冻干燥不同,在喷雾干燥过程中菌株形态对其自身抗热性影响不大,但与菌体关键酶活性、细胞遗传物质及菌株抗氧化能力等密切关联。Song和Schuck通过对比乳球菌、乳杆菌、双歧杆菌以及丙酸杆菌,发现耐热性更好的丙酸杆菌的干燥存活率最高[12-13],由此可见在喷雾干燥过程中细胞存活率和细菌形态并无太大关系,而取决于菌体自身抗热性能,进一步的研究表明不同菌株间存在差异性的原因可能是在高温环境中菌体内关键酶的失活程度不同,如β-半乳糖苷酶、己糖激酶及乳酸脱氢酶等,而益生菌的抗逆性直接受其活性的影响,例如,乳酸脱氢酶可在细胞膜的脂肪酸链中引入双键提高脂肪酸的不饱和度造成膜脂熔点的降低,使得细胞膜流动性升高,防止了脱水干燥造成的细胞膜损伤,但在高温环境中,如果乳酸脱氢酶的活性降低,会导致不饱和脂肪酸含量降低,膜的流动性下降,菌株受到伤害[14]。研究还尝试通过菌株遗传物质中G-C的比例来探究菌株与其耐热性的关系,Brock等发现在70℃以上生长的嗜热高温菌(Thermophilic),其基因组中G-C含量高达67%,推测菌株基因组DNA解链温度取决于A-T碱基和G-C碱基对的比例,因为G-C碱基对氢键比例高、键能强,DNA热稳定性强,不容易受到破坏[15]。此外喷雾干燥过程虽能够快速除去料液中的水分,但环境氧气浓度相对较高,在高氧环境下,菌株产生大量自由基并在细胞内积聚,如果菌株缺乏相应的抗氧化能力,这些自由基将与菌株内氨基酸,脂质和核酸等发生氧化应激反应,导致细胞蛋白、脂质及核酸受到破坏。Annereinou等对从不同地区分离的39株乳酸乳球菌在经喷雾干燥后菌株的热抗性及氧化抗性进行研究,结果发现对热和氧均具有抗性的菌株为:Lactococcus lactis MG1363,Lactococcus lactis LMG14418和Lactococcus lactis NCDO 895,且在喷雾干燥过程中的存活率比对热和氧气敏感的菌株Lactococcus lactis SK11、Lactococcus lactis AM 2和Lactococcus lactis LMG8526)高出200倍以上[16]。因此选取具有较高抗氧化活性的菌株,能够有效避免高浓度氧环境带来的氧化胁迫反应,减轻自由基对菌株造成的损伤,提高菌株的存活率。综上所述:在喷雾干燥过程中,菌体关键酶活性、遗传物质在高温环境中的稳定性、抗氧化性,均能显著影响到菌株在喷雾干燥过程中的存活率。
作为菌株生长培养基中的碳源和氮源对菌体的抗冷冻干燥性能起到重要作用,通过研究MRS培养基中不同碳源对保加利亚乳杆菌(Lactobacillus bulgaricus)冻干存活率的影响,发现当用葡萄糖、果糖、乳糖和甘露糖分别代替原始M RS中的碳源物质时,甘露糖的效果最好,冻干存活率最高[17],原因在于德氏乳杆菌保加利亚亚种利用培养基中的甘露糖转化为部分甘露醇并保留在细胞内,在干燥细胞脱水过程中,甘露醇作为相容性物质维持细胞内外渗透压,对菌株起到保护作用。Chen等研究不同培养基成分对菌株Lactobacillus bulgaricus LB6的冷冻存活率的影响,结果表明添加海藻糖使菌株的冷冻存活率提高,原因可能是菌体吸入海藻糖后细胞内的DNA、核糖体等大分子的稳定性增强从而提高菌株的抗冷冻干燥能力[18]。邵玉宇等研究不同类型氮源对菌株Lactobacillus bulgaricus ND02冷冻干燥存活率的影响发现,当在培养基中额外添加4%酵母浸膏时,菌株冷冻干燥存活率反而下降了12%,进一步观察发现菌体长度增加1倍,因此由于菌株比表面积的增加可能会导致细胞膜机械损伤的增大,从而使得菌株死亡率增高,可见氮源类型会影响其菌体形态[19]。以上研究说明培养基中不同类型的碳源及氮源均会影响到菌株对冷冻干燥的抗性。
对于喷雾干燥,当培养基成分选择乳糖和胰蛋白胨分别做为菌株碳源及氮源时,菌株的抗性存活率有所提高。Carvalho等研究了不同碳源培养基对菌株耐热性的影响,结果发现乳糖为碳源的培养基可以培育出耐热性较好的菌株[20];HUANG等对干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)喷雾干燥存活率影响因素的研究中发现添加高乳糖含量的甜乳清(质量分数30%),可使得菌株的存活率提高到100%[21];此外氮源也会影响菌株喷雾干燥存活率,胡榴榴等对干酪乳杆菌进行研究,发现在基础培养基中分别添加1%的大豆蛋白胨、鱼粉、胰蛋白胨时,胰蛋白胨作为菌株氮源培养基,其活菌数最高为9.5 lgCFU/mL,在此基础上添加10%脱脂乳保护剂,其干燥存活率为63.9%[22]。综合以上结果说明分别使用乳糖和胰蛋白胨作为菌株碳源和氮源生长培养基时,菌株增殖效果好且抗热性较强。
在冷冻干燥过程中,细胞死亡的主要原因是由于菌株内外冰晶的形成导致细菌细胞膜受到机械损伤。慢速冻结是指细胞悬液以1℃/min的速度降温至零下20~40℃。当冻结速率较低时,细胞游离水在胞外形成冰晶,胞内外存在化学势差异,使得胞内水分外渗到胞外,并在细胞外形成大的冰晶,与此同时胞内溶质浓度升高,造成细胞蛋白损伤及细胞膜稳定性下降,产生“溶质损伤”;相反快速冻结是指细胞悬液以10℃/min以上的速度降温,短时间即可完成冻结,此方式胞内失水较慢,从而形成较大的冰晶造成菌体细胞的机械损伤。于金迪等通过乳酸菌研究冻结速率的快慢对细菌产生的影响,结果发现:快速冻结(76℃/min)的效果优于慢冻(0.4℃/min);然而也有针对保加利亚乳杆菌进行冻干实验,发现采用速冻(60℃/min)菌株存活率低于慢冻(1℃/min)[23]。这表明冻结速率与菌株特异性有关,利用最适冻结速度进行冷冻时,虽然菌体细胞内的水分会渗透到细胞外,但细胞体积收缩较小,对细胞的活性不会造成太大影响;而产品共熔点决定其冻结温度,若高于共熔点,未完全冻结的样品液体迅速蒸发,样品收缩;若低于共熔点,会造成能源浪费,同时会使菌株存活率降低,因此选择低于共熔点10~20℃为合适冻结温度[24]。综上所述:冻结速率和冻结温度均会对细菌冷冻干燥存活率产生较大影响,利用适合菌株的冻结速率和冻结温度进行冷冻干燥时,会提高菌株的干燥存活率。
在喷雾干燥过程中,高温环境会造成菌株脱水失活及热失活,为了降低细菌的这种损伤,可以通过调控进出口温度,提高菌株的喷雾干燥存活率。研究表明高出口温度对益生菌的存活具有负面影响,因而在保证低水分的前提下,喷雾干燥的出口温度越低越有利,见表1。Wanticha等研究出口温度对菌株存活率时发现:当喷雾干燥出口温度是65℃时,植物乳杆菌(Lb.pseudo-plantarum)UL137的存活率为40%,在提高出口温度的情况下(进口温度180℃,出口温度75℃),乳杆菌的存活率仅为14.7%[25]。在喷雾干燥过程中,菌体细胞温度变化分为两个阶段:在干燥速率恒定时期,菌体的存活率取决于湿球温度,此时喷雾塔内料液水分快速蒸发带走热量,菌株的存活率与出口温度密切相关与入口温度并与太大关系,此期间干燥时间极短,约几分之一秒,甚至几十分之一秒,物料表面温度约45℃,因此此阶段对菌体造成的损伤是有限的;在降速干燥速率期间,菌粉颗粒表面变干,固形物热阻较大,水分转移阻力增大,所以干燥时间较长,一般需20~30 s,此时粉末最高温度和干燥塔空气温度相同,一般约80~100℃,这时菌体的热失活不仅取决于出口温度,还与干燥时间有关,而且细胞的失活主要发生在此阶段,升高入口温度会降低菌体的存活率[26]。除脱水失活以外,在高温过程中还有可能对菌株造成热失活,Peighambardoust等人提出高温环境会使胞内核糖体、胞内大分子(DNA、RNA和蛋白质)及细胞膜发生伤害,但热失活对菌株造成最大的伤害仍来自于核糖体的功能的丧失[27]。因此高温会对菌株造成一定损伤,适当降低出口温度更有利于提高其干燥存活率。
冷冻干燥和喷雾干燥过程均会不可避免的给菌株造成伤害,影响其干燥存活率,为了提高菌株的干燥存活率,一方面通过不同温度对其进行驯化处理,这不仅能够改变细菌细胞膜不饱和脂肪酸含量,还将促使菌株发生应激反应,产生相应的应激蛋白,提高细菌抗干燥性能,另一方面还可以通过添加保护剂的方法保护菌株免受损伤,提高其干燥存活率。
表1 不同因素对菌株喷雾干燥存活率的影响
采用冷胁迫的方法一方面可以使菌体产生应激蛋白(Cold Shock Protein,CSP),可降低冷冻干燥过程带来的损伤,进一步提高其对于冷冻的耐受能力;另一方面在低温诱导过程中,乳酸菌内不饱和脂肪酸的比例会随温度降低而增加,有效避免细胞内凝胶的形成,保持细胞膜的流动性,进而使细胞能继续生长[34],因此低温诱导下不饱和脂肪酸比例的增加,对细胞膜发挥正常功能至关重要。Beales等将嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)CNRZ 302在20℃分别预冷处理2 h和4 h后,其冻干存活率相比于对照组提高了10倍和100倍[25];李梦洋等通过PCR克隆及SDS-PAGE电泳等技术,采用较低温度对保加利亚乳杆菌中冷应激蛋白基因Csp A进行分析,结果表明:20℃、2 h的低温培养使得菌株中冷应激蛋白Csp A基因的mRNA拷贝数增加3倍左右,并发现两种7 ku的冷应激蛋白,菌体抗冻性显著提高[35];Murga等研究不同温度对嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)CRL640抗冷冻性能的影响时发现,当培养温度较低时(25℃),细胞膜中十八碳二烯酸的含量是37℃培养时的3倍,菌株具有比较高的抗冷冻能力[36];此外Li等研究冷应激处理对保加利亚乳杆菌中环丙烷脂肪酸(CFA)和冻干存活率影响时发现,在冷应激条件下乳酸菌冻干耐受性增强,其CFA含量均有不同程度的提高[37]。以上现象说明:低温诱导有利于菌株产生冷应激蛋白,从而增强益生菌株的抗冻能力;同时经过预冷处理的菌株,细菌细胞膜中不饱和脂肪酸含量高,增强了菌株的抗冷冻干燥性能。
通过热激反应使得菌产生一系列热激蛋白(Heat Shock Protein,HSP),可增强菌株在高温环境下对热的抵抗能力,从而最大限度的保护菌体免受损伤。张书猛等采用通过热激的方法提高Lactobacillus bulgaricus和Lactobacillus的抗热能力,将菌株在45℃和50℃的温度下分别培养1 h,之后进行80℃5 min的热处理,此时活菌数较处理前增加一个数量级[38];Khem等对副干酪乳杆菌(L.paracasei)进行热激研究,结果发现将菌株在52℃处理15 min后,所得菌体在60℃热处理过程中的存活率可以提升30~70倍,而在喷雾干燥后的活性可以提升18倍[39];陆英等研究热激条件对干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)BD-Ⅱ耐热性的影响,结果表明合适的热激条件处理可提高菌株的耐热性,且菌株的最佳热激条件为:菌龄7 h时、50℃热激45 min,相比处理前提高2.11倍[40];在此基础上,通过动力学实验对乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)进行研究,发现菌株热激后立即诱导产生的是热激蛋白DnaK和GroEL,显著快于其他类型蛋白;Gouesbet等通过蛋白组学对比菌株在热激下蛋白的改变,发现德氏乳杆菌保加利亚亚种(Lactobacil-lus delbrueckii subsp.bulgaricus)和其热突变株在热激下都能诱导产生热激蛋白,但是经过热突变菌株诱导蛋白的速度更快,且能持续大量表达,使突变株抗热性更强[41]。以上研究表明:经过适当强度的热刺激,会诱导菌株产生相应应激蛋白,能够有效增强细胞对高温环境的耐受能力,还可以通过热突变的方式使菌株产生应激蛋白的速度更快,更加有效增强菌株抗热性能。
添加保护剂是菌体在干燥和储存期间保持活性最有效的方法之一。益生菌保护剂按其化学结构可分为:甘露糖、海藻糖等糖类及脱脂乳、全脂乳等蛋白两大类,食品工业中常用的保护剂主要以海藻糖和脱脂乳为主[31,40]。
4.2.1 冷冻干燥保护剂
有研究表明二糖适合用作菌株冻干保护剂,在冷冻干燥过程中,海藻糖和蔗糖等二糖相比于单糖和多糖来说,对菌株保护效果较好[42]。Costa等人研究发现:当使用5 g/100 mL的海藻糖作保护剂时,成团泛菌(Pantoea agglomerans)菌株的存活率为83%,当使用10 g/100 mL的蔗糖时,菌株存活率接近75%[43],进一步研究显示,利用脱脂乳及甘油等成分与上述糖类进行复配时,细菌冻干效果会更好,研究不同保护剂对乳酸杆菌乳脂亚种KLDS4.0326冷冻干燥存活率发影响时发现,脱脂乳、海藻糖及甘油等复配保护剂的效果要优于单一保护剂,其存活率可达87.4%。原因可能是:糖类中双糖作为保护剂具有一定优势,一方面体现在它们的玻璃转化温度较高,能够通过磷脂双分子层表面,磷酸与糖的羟基相互作用,代替细胞内极性残基周围的水(即水置换假设,见图1),降低膜相转变温度,进而抑制细胞内外冰晶的形成[44-45];另一方面糖类分子内含有多个羟基,可通过氢键与菌体细胞膜磷脂或蛋白质结合,起到稳定磷脂双分子层和膜蛋白结构的作用,保护细胞膜免受损伤;此外复配保护剂脱脂乳中乳蛋白能在菌体外形成蛋白膜,固定冻干酶类,有效防止细胞壁蛋白质损伤所引起胞内物质的泄露,且甘油具有良好的渗透能力,可进入细胞内部与胞内大分子形成氢键,取代干燥过程中失去的水分,从而维持蛋白质、碳水化合物等活性物质的原有结构,提高细菌的冻干存活率[46]。综上所述:糖类物质适合用于菌株冷冻干燥保护剂,当与脱脂乳及其他成分复配使用时菌株抗冻性效果会更好。
图1 细胞菌株脱水时海藻糖的“水替代”保护作用机理图[46]
4.2.2 喷雾干燥保护剂
与冷冻干燥相比,喷雾干燥保护剂中脱脂乳起到非常关键的作用,脱脂乳中的蛋白质可以稳定细胞膜成分来免受高温损伤,其中的钙离子能够在热处理过程中引起乳蛋白聚集而保护细菌,因而是被研究最为深入的一种菌株保护剂,熊涛等在研究植物乳杆菌NCU 116的喷雾干燥效果时,发现利用脱脂乳当做菌株保护剂时,菌株存活率达到69.5%,效果优于海藻糖和谷氨酸钠[47]。另外脱脂乳浓度也会影响菌株的干燥存活率,Espina和Ananta等发现在喷雾干燥过程中,利用25%脱脂乳作为嗜酸乳杆菌保护剂时,其干燥存活率高于使用40%脱脂乳的菌株存活率,Ananta等认为对于不同类型的乳酸菌菌株,当脱脂浓度为20%时,菌株均具有最好的抗热性能[48]。进一步研究表明,利用明胶、阿拉伯胶及可溶性淀粉类与脱脂乳进行复配使用,可提高菌株存活率,Khem等研究表明,同时使用脱脂乳和阿拉伯胶用作干燥保护剂,可以提高喷雾干燥的乳双歧杆菌BB12的存活率[49];研究还发现,若单独使用聚右旋糖或菊粉作为保护剂,喷雾干燥后的乳酸菌的存活率并不高,但当脱脂乳和聚右旋糖,或脱脂乳和菊粉复配使用,则能提高干燥后和储藏过程中乳酸菌的存活率,达到85.8%[50]。原因可能是:脱脂乳中乳清蛋白分子中的疏水基团与菌体表面间存在疏水作用,使蛋白质分子紧密包裹于细胞表面并形成蛋白膜,在干燥过程中会较早成壳,减少菌体胞壁破损而引起细胞内物质外露,有利于保护益生菌的活性[51],此外若载体介质固体含量较高,会导致较长的干燥时间,菌株会受到更多的热损伤,相反随着载体中脱脂乳固体含量的降低,喷雾干燥后菌株储存稳定性下降,因此脱脂乳浓度应保证菌株在脱水过程中免受损伤的同时,还应考虑其贮藏稳定性;另外类似阿拉伯胶、聚右旋糖及菊粉等多糖类物质是多羟基化合物,可通过氢键与菌体细胞膜磷脂结合,在喷雾干燥过程中起到保护细胞膜及蛋白质结构的作用。综上所述:脱脂乳非常适合用做菌株喷雾干燥保护剂,与多糖类物质进行复配使用时,菌株抗干燥性能会得到进一步提高。
冷冻干燥和喷雾干燥技术常被应用于益生菌发酵剂制备过程中,但二者均会对菌体细胞造成损伤影响其活性。本文从益生菌株自身特性、菌株培养条件、制备工艺及保护措施等方面,系统的分析了冷冻干燥和喷雾干燥技术对益生菌发酵剂造成的影响,并提出相应保护措施。在冷冻干燥过程中,菌株细胞损伤主要来自于冰晶对菌株细胞膜的破坏,菌株抗冻性主要取决于菌株自身DNA稳定性和细胞膜不饱和脂肪酸含量;菌株培养基也会影响菌株冻干存活率,可用甘露糖替代原始培养基中的碳源物质提高菌株存活率;此外还可通过可以采取冷刺激的方式改变菌株培养条件,使得菌株产生应激蛋白提高其抗性。在喷雾干燥过程中,菌株关键酶活性、遗传物质的热稳定性及菌株抗氧化性均会对菌株喷雾干燥存活率产生影响,为了进一步提升细菌的抗热性,可通过调整喷雾干燥出口温度,减少菌株热损伤,还可以通过优化细菌培养基碳氮源、对菌株进行热刺激使其产生热应激蛋白的方法,提高菌株干燥存活率。最后针对冷冻干燥和喷雾干燥两种不同的干燥方式,在制备的工艺中添加相应的冷冻、喷雾干燥保护剂,均有利于提高菌株活性及干燥存活率。