程浩，秦小彤，熊 濤

（南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

近年來，隨著對健康食品需求的增加使得新型功能性產(chǎn)品得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量非乳制品基功能性產(chǎn)品，益生菌發(fā)酵果蔬汁就是其中之一。使用乳酸菌將果蔬汁制成發(fā)酵飲料能夠在保留原有果蔬特有風味的同時，改良口感并賦予其更高的營養(yǎng)價值［1-2］。但是含活菌的發(fā)酵果蔬汁貨架期較短，且需在冷鏈下流通，而將其制成發(fā)酵果蔬粉則能夠延長保質(zhì)期，降低運輸成本。果蔬粉可以應用于食品加工的各個行業(yè)，如飲料、食品、醫(yī)藥保健品等［3］。

使用噴霧干燥技術(shù)制備發(fā)酵果蔬粉具有能耗低，處理量較大且易于放大等優(yōu)點。但由于富含低分子量糖，果蔬汁在噴霧干燥過程中粘壁嚴重，產(chǎn)品中含水量較高［4］。同時，整個工藝過程中益生菌活力的保持也是一個艱巨的挑戰(zhàn)［5］。因此為保證益生菌果蔬粉的質(zhì)量，除了選擇合適的助干劑，還必須優(yōu)化噴霧干燥過程的工藝參數(shù)。

目前關(guān)于噴霧干燥制備益生菌發(fā)酵果蔬粉的研究報道較少且主要集中在國外，Mestry等［6］首次提出噴霧干燥制備胡蘿卜西瓜混合發(fā)酵果粉，對理化性質(zhì)、生物學性質(zhì)和溶解性進行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝條件為進風溫度144℃，進料流速5mL·min-1，霧化壓力1kg·m-2。Kingwatee等［7］研究了不同出風溫度和載體對益生菌荔枝粉理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)出風溫度80℃條件下，以15%麥芽糊精和5%菊粉為載體，能夠得到活菌數(shù)6.11log CFU·g-1，含水率為2.34%的益生菌荔枝粉。但是國內(nèi)關(guān)于噴霧干燥制備益生菌發(fā)酵果蔬粉的研究鮮見報道。

現(xiàn)代醫(yī)學研究證實，枸杞具有補腎養(yǎng)肝、潤肺明目、增強免疫力、防衰老、抗腫瘤、抗氧化、抗疲勞及協(xié)同防癌等多方面的藥理作用［8-11］。本文以植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）為起始菌株，對復水枸杞汁進行發(fā)酵，研究了噴霧干燥工藝條件對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的含水率、活菌數(shù)及集粉率的影響，再通過響應面試驗設計，以含水率、活菌數(shù)及集粉率為響應值，對噴霧干燥工藝參數(shù)進行優(yōu)化，為益生菌發(fā)酵果蔬粉相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）NCU137，由南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室保藏；寧夏枸杞，銀川杞里香商貿(mào)有限公司；麥芽糊精（食品級），麥芽糖醇（食品級）；MRS培養(yǎng)基：牛肉膏，酵母粉等。

1.2 儀器與設備

B-290小型噴霧干燥儀（瑞士步琪公司）；JSM-6701F場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）；PB203-N分析天平（梅特勒-托利多國際股份有限公司）；MJ-BL25C3打漿機（美的集團股份有限公司）；GYB高壓均質(zhì)機（上海華東高壓均質(zhì)機廠）；DHG-9246A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；ZSD-A1160A生化培養(yǎng)箱（上海精宏實驗設備有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

枸杞挑選→浸泡→打漿去籽→均質(zhì)→稀釋→滅菌→接種→發(fā)酵→加入載體、噴霧干燥→產(chǎn)品

1.3.2 乳酸菌枸杞汁的制備

干枸杞1∶3復水浸泡30min，使用打漿機打漿去籽，30MPa高壓均質(zhì)3次，即為原漿。原漿∶水（w／w）=3∶7稀釋，102℃滅菌20min，冷卻。向冷卻至室溫的枸杞汁中接入植物乳桿菌NCU137菌劑（活菌數(shù)為11.2log CFU·g-1），接種量為總體積的萬分之五（w／v），搖勻后于37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)28h，得到發(fā)酵枸杞汁（活菌數(shù)為8.5log CFU·mL-1）。

1.3.3 物料制備

以原漿體積20%麥芽糊精和8%麥芽糖醇作為載體加入枸杞汁，攪拌20min至充分溶解后，進行噴霧干燥試驗。

1.3.4 噴霧干燥工藝單因素試驗

在大量預實驗基礎上，確定噴霧干燥工藝參數(shù)點，通過單因素試驗，確定合適的工藝參數(shù)范圍。

1.3.4.1 進風溫度

在進料流速400mL·h-1，氣流量470L·h-1條件下，分別選擇進風溫度110℃，120℃，130℃，140℃，150℃進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數(shù)和集粉率。

1.3.4.2 進料流速

在進風溫度120℃，氣流量470L·h-1條件下，分別選擇進料流速240，320，400，480，560mL·h-1進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數(shù)和集粉率。

1.3.4.3 氣流量

在進風溫度120℃，進料流速400mL·h-1條件下，分別選擇氣流量350，410，470，530，590L·h-1進行噴霧干燥，測定含水率、活菌數(shù)和集粉率。

1.3.5 響應面實驗設計

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用3因素3水平的Box-Behnken試驗設計，以進風溫度進料流速和氣流量為因素，含水率、活菌數(shù)、集粉率為響應值，對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的噴霧干燥工藝進行優(yōu)化，因素與水平設計見表1。

1.4 顆粒形貌觀察

利用環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）觀察乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的微觀形態(tài)，取雙面導電膠置于載物臺上，用牙簽挑取少量樣品涂于導電膠上，置于電子顯微鏡樣品室中，電子槍加速電壓為10kV，選擇合適的放大倍數(shù)對樣品進行掃描觀察并拍照。

1.5 指標測定及計算

1.5.1 活菌計數(shù)

將0.1g乳酸菌發(fā)酵枸杞粉加入9.9mL 0.01 mol·L-1的PBS中，振蕩混勻、梯度稀釋、涂布于MRS固體培養(yǎng)基上，于37℃恒溫培養(yǎng)48h后進行菌落計數(shù)，記為CFU·g-1。

1.5.2 含水率的測定

參考 GB 5009.3—2016［12］，準確稱取2g乳酸菌發(fā)酵枸杞粉于烘干至恒重的稱量瓶中，102℃烘干4h，取出置于干燥器內(nèi)，冷卻稱重，再置于102℃烘0.5h，取出冷卻稱重，重復至減重不超過2mg。含水率計算公式如下：

1.5.3 集粉率的測定

集粉率即產(chǎn)率，由噴霧干燥所得粉末的質(zhì)量比上噴霧干燥前物料所含總固形物的質(zhì)量，具體公式如下［13］：

1.6 數(shù)據(jù)處理

每個試驗重復3次，實驗結(jié)果以平均值±標準差表示。Box-Behnken響應面試驗使用Design-expert 8.0.6設計分析。響應面試驗數(shù)據(jù)使用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

含水率和活菌數(shù)為發(fā)酵果蔬粉產(chǎn)品最重要的指標，果蔬粉含水率必須低于6%［3］，而益生菌產(chǎn)品的活菌數(shù)必須高于6log CFU·g-1［14］，集粉率越高生產(chǎn)效率越高，綜合考慮含水率、活菌數(shù)和集粉率結(jié)果，以得到較優(yōu)的實驗范圍。

2.1.1 進風溫度對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

由表2可知，隨著進風溫度的升高，含水率逐漸下降，活菌數(shù)和集粉率都是先上升后下降。這是由于進風溫度的上升，使得霧滴與熱風之間的溫度梯度增大，傳熱速率加快，從而加速水分的蒸發(fā)，使得粉末的含水率下降。噴霧干燥過程中的霧滴干燥分為恒速干燥和降速干燥兩個階段［15］，在恒速干燥階段，霧滴表面濕潤，內(nèi)部溫度較低，對菌體活性影響較小，而在降速干燥階段顆粒內(nèi)部逐漸升溫，進風溫度越高恒速干燥階段越短，降速干燥時間延長，從而使得顆粒內(nèi)部溫度過高，導致菌體大量失活。進風溫度較低時，霧滴干燥不充分，會出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，而進風溫度過高會使得粉末發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變粘附于干燥室內(nèi)，這都會導致集粉率的降低［16］。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，由于進風溫度高于130℃后，活菌數(shù)過低，因此選取110℃，120℃和130℃為響應面試驗水平。

表2 進風口溫度對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

2.1.2 進料流速對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

由表3可知，隨著進料流速的增加，含水率逐漸上升，活菌數(shù)先上升后下降，集粉率逐漸下降。這是由于進料流速的上升，使得霧滴變大，比表面積減小，傳質(zhì)傳熱速率降低，導致含水率逐漸上升。進料速度較低時，霧滴較小，水分蒸發(fā)過快，使得干燥顆粒過熱，因此存活率較低，而隨著進料速度逐漸上升，霧滴逐漸變大，蒸發(fā)足夠的水分使得顆粒不會過熱，但進料流速過高會導致霧化效果變差，霧滴比表面積減小，水分蒸發(fā)減慢，使得液滴溫度升高，活菌數(shù)降低。隨著進料流速的上升，霧滴干燥不充分，使得粘壁程度加重，導致集粉率逐漸降低［17］。根據(jù)單因素實驗結(jié)果，由于進料流速為240mL·h-1時，活菌數(shù)過低，而560mL·h-1時，含水率過高，因此選取320，400，480mL·h-1作為響應面試驗水平。

表3 進料流速對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

2.1.3 氣流量對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

由表4可知，隨著氣流量的上升，含水率先下降后上升，菌體存活率先上升再下降再上升，而集粉率先上升后下降。這是由于低氣流量下，霧化效果差，霧滴經(jīng)過干燥室時，干燥不完全導致含水率較高，隨著氣流量的上升含水率會逐漸下降，而過高的氣流量會減少顆粒在干燥室內(nèi)的停留時間，導致含水率上升。低氣流量使得霧滴停留時間較長，導致霧滴溫度過高，因此存活率較低，而隨著氣流量的上升，霧滴逐漸變細，水分蒸發(fā)加快，防止過熱風險，使得存活率升高，而在470L·h-1條件下，霧化效果較優(yōu)，但由于在塔內(nèi)的停留時間較長，使得顆粒溫度上升，因此存活率降低。隨著氣流量的繼續(xù)上升，霧滴在干燥室內(nèi)的停留時間減少，同時由于霧化效果較好，不存在過熱風險，存活率較高。同時，集粉率與含水率呈負相關(guān)，含水率越高粘壁程度越高，集粉率越低。結(jié)果表明：氣流量470L·h-1時，含水率處于最低點，集粉率處于最高點，同時活菌數(shù)接近7 log CFU·g-1，因此選擇410，470，530L·h-1作為響應面試驗水平。

表4 氣流量對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉粉末性質(zhì)的影響

2.2 響應面試驗結(jié)果

2.2.1 響應面試驗結(jié)果及方差分析

以進風溫度、進料流速和進氣量為因素，以含水率、活菌數(shù)和集粉率為響應值，進行Box-Behnken響應面試驗，對噴霧干燥制備乳酸菌發(fā)酵枸杞粉工藝進行優(yōu)化。試驗方案及結(jié)果見表5。

表5 響應面試驗設計方案及結(jié)果

由回歸分析結(jié)果得到乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的含水率預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

由表6可知，模型極顯著（P＜0.01），失擬項不顯著（P＞0.05），由一次項F值可知各因素對枸杞粉含水率影響程度為：進料流速＞進風溫度＞氣流量。A、B項對含水率的影響極顯著，A2，B2，C2，AB項對含水率的影響顯著，其余項對含水率的影響不顯著?；貧w模型中的相關(guān)系數(shù)R2和R2Adj分別為0.939 7和0.862 2，模型的信噪比為13.788，一般認為模型的可接受信噪比大于4，說明模型的擬合度和可信度較高；變異系數(shù)越小說明試驗可靠性越高，變異系數(shù)不能高于10%［17］，該模型的變異系數(shù)為4.40%，說明試驗可靠性良好。因此可用此回歸方程預測乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的含水率。

由回歸分析結(jié)果得到乳酸菌發(fā)酵枸杞粉活菌數(shù)的預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

表6 回歸模型方差分析／含水率

由表7可知，模型極顯著，失擬項不顯著，由一次項F值可知各因素對活菌數(shù)影響程度為：進風溫度＞進料流速＞氣流量。A，B，A2，C2，AB項對存活率影響極顯著，AC項對存活率影響顯著，其余項對存活率影響不顯著。回歸模型中的相關(guān)系數(shù)R2和分別為0.932 2和0.845 0，模型的信噪比為13.768，變異系數(shù)為2.89%，說明模型的擬合度、可信度較高，可靠性良好，可用此回歸方程預測乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的活菌數(shù)。

表7 回歸模型方差分析／活菌數(shù)

由回歸分析結(jié)果得到乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的集粉率預測值對進風溫度、進料流速、氣流量3個因素的二次多項回歸方程如下：

由表8可知，模型極顯著，失擬項不顯著，由一次項F值可知各因素對粉末集粉率影響程度為：進料流速＞進風溫度＞氣流量。A、B、BC項對集粉率影響極顯著，C、C2項對集粉率影響顯著，其余項對集粉率影響不顯著?；貧w模型中的相關(guān)系數(shù)R2和R2Adj分別為0.978 7和0.951 3，模型的信噪比為23.953，變異系數(shù)為2.50%，說明模型的擬合度、可信度較高，可靠性良好?？捎么嘶貧w方程預測噴霧干燥乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的集粉率。

2.2.2 各因素間相互作用響應面分析

根據(jù)各回歸模型的方差分析結(jié)果，選出影響顯著的交互項進行響應面分析，從而更直觀的觀察交互項對乳酸菌發(fā)酵枸杞粉各指標的影響。

由圖1可以看出，固定氣流量為470L·h-1，含水率隨著進風溫度的升高逐漸下降，隨進料流速的上升而上升。在進風溫度120℃～130℃，進料流速240～310mL·h-1范圍內(nèi)，存在最低點，同時，等高線呈橢圓形［18］，也能說明進風溫度和進料流速 的交互作用對含水率的影響顯著。

表8 回歸模型方差分析／集粉率

由圖2（a）可以看出，固定氣流量為470L·h-1，活菌數(shù)隨著進風溫度的升高，先上升后下降。在低進風溫度下，隨著進料速度的增加而降低。在高進風溫度下，隨著進料速度得增加而增加。由圖2（b）可以看出，固定進料速度400mL·h-1，活菌數(shù)隨進風溫度的升高，先上升后下降。在低進風溫度下，隨著氣流量的上升，先降后升，而在高進風溫度下，隨著氣流量的上升而上升。由響應曲面可直觀的看出AB比AC更陡峭，說明AB的交互作用比AC的交互作用對活菌數(shù)的影響大。

由圖3可以看出，固定進風溫度為120℃，集粉率隨著進料流速的增加逐漸減小。在低進料速度下，隨著氣流量的升高，集粉率逐漸下降。而在高進料速度下，集粉率隨著氣流量的升高而升高。說明進料流度和氣流量的交互作用對集粉率的影響顯著。

2.3 最佳噴霧干燥條件的確定及驗證實驗

使用Design-Expert V8.0.6軟件，以含水率取最小，活菌數(shù)和和集粉率取最大為目標，對噴霧干燥益生菌發(fā)酵枸杞粉工藝條件進行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)為進風溫度117.88℃、進料速度320mL·h-1、氣流量427.51L·h-1，含水率預測值為5.53%，活菌數(shù)預測值為7.62log CFU·g-1，集粉率預測值為55.15%。以最終優(yōu)化所得工藝條件進行驗證，設置進風溫度118℃，進料流速320mL·h-1，氣流量428L·h-1，所得乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的含水率為5.412%±0.209%，活菌數(shù)為7.534±0.138log CFU·g-1，集粉率為55.61%±2.4%，實驗結(jié)果與預測值接近，說明優(yōu)化結(jié)果可靠。

Pereira等［19］使用兩種載體配方對干酪乳桿菌發(fā)酵腰果梨汁進行噴霧干燥，初始活菌數(shù)為8.35 log CFU·mL-1，最終所得粉末活菌數(shù)分別為6.4和6.8log CFU·g-1，Anekella等［20］在使用樹莓汁對益生菌進行微囊化的研究中，優(yōu)化范圍內(nèi)的集粉率均低于50%。說明在此工藝條件下制備的乳酸菌發(fā)酵枸杞粉含水率符合標準，活菌數(shù)和集粉率都較高。

2.4 顆粒形貌觀察

如圖4所示，乳酸菌發(fā)酵枸杞粉顆粒呈大小不同的球形，顆粒表面有凹陷和褶皺，這是由于噴霧干燥過程中高溫使得水分迅速蒸發(fā)導致的，同時未觀察到乳酸菌菌體說明包埋效果較好。顆粒表面無裂紋，可避免噴霧干燥過程中菌體受到高溫損傷，并有效防止乳酸菌發(fā)酵枸杞粉儲藏過程中發(fā)生脂質(zhì)過氧化［21］。

3 結(jié)論

由于不同產(chǎn)地枸杞的營養(yǎng)成分不同，噴霧干燥效果不同，因此本文僅針對寧夏枸杞進行研究。通過對回歸模型的方差分析可知，對噴霧干燥乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的含水率和集粉率影響最大的是進料流速，其次是進風溫度，氣流量影響最小。而對于噴霧干燥乳酸菌發(fā)酵枸杞粉的活菌數(shù)而言，進風溫度影響最大，其次是進料流速。經(jīng)過響應面優(yōu)化，得到最優(yōu)噴霧干燥條件為進風溫度117.88℃、進料速度320mL·h-1、氣流量427.51L·h-1，采用上述最優(yōu)條件制備的乳酸菌發(fā)酵枸杞粉，實際含水率為5.412%，活菌數(shù)為7.534log CFU·g-1，集粉率為55.61%，與預測值接近，工藝參數(shù)可靠，可為益生菌發(fā)酵果蔬粉相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供理論依據(jù)。