一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法

技术领域

本发明涉及菌种加工技术领域，尤其是涉及一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高和对身体健康的重视，益生菌产品市场需求量不断增大，对高活性益生菌粉的需求量也随之增加。益生菌主要包括乳酸菌和酵母菌，目前菌粉的加工方式主要有冷冻干燥、喷雾干燥、真空干燥、热风干燥、流化床干燥等等，不同菌种根据其对热的耐受性不同而选择不同的制备方式。

乳酸菌菌粉制备目前应用最多的是冷冻干燥，但该加工技术对设备要求比较高，加工能耗大，加工耗时长，导致生产成本较高。喷雾干燥作为菌粉的加工方式，主要受限于加工温度对菌种活性的影响，例如，中国专利文献上公开的“一种用喷雾干燥制备益生菌微胶囊的方法”，专利号为201810760178.4，该专利公开了一种用喷雾干燥制备益生菌微胶囊的方法，该技术中喷雾干燥工艺中进口温度控制为100℃，出口温度控制为80℃，对于耐热性能好的菌种，有效降低了由于干燥机内温度较高而造成的菌体死亡率。但是，其进口温度和出口温度仍然偏高，菌种加工过程中因为脱水和热刺激会出现不同程度的活性损伤，很难在乳酸菌菌粉加工中普及。因此需要找到降低喷雾干燥中进出口温度的方法，保护菌种活性不受脱水和热刺激损伤。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中利用喷雾干燥法制备益生菌粉时，菌种在加工过程中因为脱水和热刺激会出现不同程度的活性损伤，导致菌种存活率低的问题，提供一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法，将菌液热激后用保护壁材进行乳化包埋，可以通过喷干设备在较低的温度下对乳液进行干燥，得到高活力的干燥益生菌粉。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法，包括如下步骤：

(1)制备发酵基料：将发酵基料中的原料倒入纯净水中加热溶解，灭菌冷却后得到发酵基料；

(2)菌种活化：将益生菌体从保藏状态恢复到室温状态，然后接种到培养基中，放入36～37℃的恒温箱中培养20～30h，活化得到种子液备用；

(3)菌体培养：将活化好的种子液接种到发酵基料中，30～40℃，pH5.0～6.0，培养12～16h，得到发酵液；

(4)菌体热激：将发酵液升温至50～60℃，保持5～10min，再降温至30～40℃，保持1～2h，得到热激后的发酵液；

(5)菌体浓缩：将热激后的发酵液离心分离，得到菌泥；

(6)配制壁材保护剂：将壁材保护剂的原料混合，45～55℃热水剪切溶解，100～110℃杀菌8～12min后冷却至30～40℃备用，以1000份重量份计，所述壁材保护剂的原料包括120～230份包覆剂、3～10份电解质平衡剂、1～25份保水剂、1～2份抗氧剂，余量为水，所述包覆剂包括10～50份碳水化合物、0～3份蛋白质、5～15份胶体、0～50份脱脂乳粉、20～200份全豆粉，所述电解质平衡剂包括3～7份无机盐和0～3份氨基酸，所述保水剂包括生物碱、醇类中的一种或多种；

(7)制备混合悬液：将菌泥和壁材保护剂混合搅拌均匀得到混合悬液，混合悬液中菌泥质量分数为15～40wt％，壁材保护剂质量分数为60～85wt％；

(8)喷雾干燥：将混合悬液加入喷雾干燥机中氮气保护下进行喷雾干燥得到所述益生菌粉，进料温度70～80℃，出口温度35～45℃。

本发明使用喷雾干燥法制备菌粉，通过在喷雾干燥前用合适的保护剂配方对菌体进行乳化包埋，可以降低喷雾的温度，并且能加快干燥速度，缩短干燥时间，而且干燥体系中充氮气保护物料，减少了物料的氧化损伤。

并且，本发明的壁材保护剂中的包覆剂可以通过整体的包裹保护的作用，减少菌体的热刺激损伤；电解质平衡剂通过渗透作用，维持电解质平衡，减少溶质损伤，对菌体提供保护作用；保水剂能在水分减少时替代水的作用维持生物活性物质的活性，避免菌体脱水损伤，同时小分子醇类保水剂还能同时起到维持电解质平衡的作用；抗氧剂可以减轻氧化损伤和溶质损伤，对菌体起到保护作用。避免了喷雾干燥过程中可能导致的菌体电解质失衡以及菌体受到的热损伤和脱水损伤。

同时，壁材保护剂中各组分还可以通过相互作用，起到避免菌体细胞膜结构破坏、提高菌体内物质玻璃态转变温度的作用，从而进一步提高菌体活性。菌体细胞在正常环境下，细胞膜磷脂双层的极性基团通过与水分子的结合而在空间上相互隔开，当干燥去除水分子后，极性基团间会产生分子间的相互作用，导致菌体细胞间及细胞器官间的相互融合，导致细胞膜泄露，降低菌体活性，本发明大分子包覆机中的碳水化合物、保水剂等可以通过氢键与菌体细胞膜中的蛋白质结合，替换脂类极性基团之间的水分子，避免菌体细胞膜结构破坏，提高菌体的存活率。

并且本发明在喷雾干燥前，还先对菌体进行了热激，使菌体产生耐热蛋白，有利于进一步提高菌体存活率。因此使用本发明中的方法可以制备出高活力的益生菌粉，制备出的菌粉存活率大于90％，菌粉具有约2％～5％的水分，水活0.1～0.3。

作为优选，步骤(1)中灭菌温度120～122℃，灭菌时间15～25min。

作为优选，步骤(2)中益生菌体的菌种包括我国发布的《可用于食品的菌种名单》中的所有菌种。

作为优选，步骤(5)中离心温度3～5℃，离心时间0.5～2.5h。

作为优选，步骤(6)中包覆剂中的碳水化合物包括乳糖、海藻糖、蔗糖、葡萄糖、壳聚糖、麦芽糖、糊精、异麦芽糖醇、基于糖的材料、基于糖醇的材料中的一种或多种；蛋白质包括明胶、大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、肽、谷蛋白中的一种或多种；胶体包括阿拉伯树胶、卡拉胶、瓜尔胶、柑橘纤维、菊粉、琼脂、黄原胶、海藻酸钠、果胶中的一种或多种。

作为优选，步骤(6)中电解质平衡剂中的无机盐包括氯化钙、硫酸镁、硫酸锰、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、氯化钠、醋酸钠、氯化锌、硫酸锌、碳酸钙、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种；氨基酸包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、色氨酸、丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸和组氨酸中的一种或多种。

步骤(6)中的保水剂中的生物碱为甜菜碱；醇类包括甘油醇、山梨醇、甘露醇中的一种或多种。

作为优选，步骤(6)中的抗氧剂包括异抗坏血酸钠、抗坏血酸、抗坏血酸钠、抗坏血酸钙中的一种或多种。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)使用喷雾干燥法制备菌粉，通过在喷雾干燥前用合适的保护剂配方对菌体进行乳化包埋，可以降低喷雾的温度，并且能加快干燥速度，而且干燥体系中充氮气保护物料，减少了物料的氧化损伤；

(2)在喷雾干燥前，先对菌体进行热激，使菌体产生耐热蛋白，有利于提高菌体的耐热性；

(3)用壁材保护剂对菌体进行乳化包埋，使壁材保护剂中的不同成分通过包裹、维持电解质平衡、替代溶剂、抗氧化等作用，减少菌体的热刺激损伤、溶质损伤、脱水损伤及氧化损伤，对菌体起到保护作用，提高菌体的存活率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。

本发明各实施例和对比例中选用罗伊氏乳杆菌(CGMCC No 13122)和植物乳杆菌(CGMCC No 13121)作为实验菌种。

实施例1：

一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法，包括如下步骤：

(1)制备发酵基料：将发酵基料中的原料倒入纯净水中加热溶解，置于灭菌锅内，121℃下灭菌20min，冷却后得到发酵基料，以重量份计，1000份纯净水中的发酵基料原料包括：葡萄糖20份，胰蛋白胨5份，牛肉膏10份，酵母粉50份，大豆胨5份，硫酸锰0.58份，硫酸镁0.28份，吐温80 1份，半胱氨酸盐酸盐0.5份，磷酸氢二钾2份，柠檬酸氢二胺2份和乙酸钠10份；

(2)菌种活化：超净工作台紫外杀菌30分钟后，打到工作模式，在其中将益生菌体从保藏状态恢复到室温状态，然后按1％的接种量接种到培养基中，放入37℃的恒温箱中培养24h，活化得到种子液备用；

(3)菌体培养：将活化好的种子液按1％的接种量接种到发酵基料中，35℃，pH5.5，培养14h，得到发酵液；

(4)菌体热激：将发酵液升温至55℃，保持8min，再降温至35℃，保持1.5h，得到热激后的发酵液；

(5)菌体浓缩：将热激后的发酵液4℃下离心分离1h，得到菌泥；

(6)配制壁材保护剂：将壁材保护剂的原料混合，50℃热水剪切溶解，105℃杀菌10min后冷却至35℃备用，以重量份计，壁材保护剂的原料包括海藻糖10份，阿拉伯胶15份，全豆粉200份，氯化钙6份，碳酸氢钠2份，甜菜碱1份，甘油20份，异抗坏血酸钠1份，水745份；

(7)制备混合悬液：将菌泥和壁材保护剂混合，35℃，50rpm下搅拌20min，得到混合悬液，混合悬液中菌泥质量分数为30wt％，壁材保护剂质量分数为70wt％；

(8)喷雾干燥：将喷雾干燥机进行预热，并通入氮气，将混合悬液通入喷雾干燥机的进料口，开始喷雾，控制进料温度设置为75℃，开始喷雾，出口温度40℃，干燥后得到益生菌粉。

实施例2：

一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法，包括如下步骤：

(1)制备发酵基料：将发酵基料中的原料倒入纯净水中加热溶解，置于灭菌锅内，121℃下灭菌15min，冷却后得到发酵基料，以重量份计，1000份纯净水中的发酵基料原料包括：葡萄糖20份，胰蛋白胨5份，牛肉膏10份，酵母粉50份，大豆胨5份，硫酸锰0.58份，硫酸镁0.28份，吐温80 1份，半胱氨酸盐酸盐0.5份，磷酸氢二钾2份，柠檬酸氢二胺2份和乙酸钠10份；

(2)菌种活化：超净工作台紫外杀菌30分钟后，打到工作模式，在其中将益生菌体从保藏状态恢复到室温状态，然后按1.5％的接种量接种到培养基中，放入36℃的恒温箱中培养20h，活化得到种子液备用；

(3)菌体培养：将活化好的种子液按1.5％的接种量接种到发酵基料中，30℃，pH5.0，培养12h，得到发酵液；

(4)菌体热激：将发酵液升温至50℃，保持10min，再降温至30℃，保持2h，得到热激后的发酵液；

(5)菌体浓缩：将热激后的发酵液3℃下离心分离0.5h，得到菌泥；

(6)配制壁材保护剂：将壁材保护剂的原料混合，45℃热水剪切溶解，100℃杀菌10min后冷却至30℃备用，以重量份计，壁材保护剂的原料包括海藻糖10份，阿拉伯胶15份，全豆粉200份，氯化钙6份，碳酸氢钠2份，甜菜碱1份，甘油20份，异抗坏血酸钠1份，水745份；

(7)制备混合悬液：将菌泥和壁材保护剂混合，30℃，30rpm下搅拌30min，得到混合悬液，混合悬液中菌泥质量分数为30wt％，壁材保护剂质量分数为70wt％；

(8)喷雾干燥：将喷雾干燥机进行预热，并通入氮气，将混合悬液通入喷雾干燥机的进料口，开始喷雾，控制进料温度设置为70℃，开始喷雾，出口温度35℃，干燥后得到益生菌粉。

实施例3：

一种益生菌粉的低温喷雾干燥制备方法，包括如下步骤：

(1)制备发酵基料：将发酵基料中的原料倒入纯净水中加热溶解，置于灭菌锅内，122℃下灭菌25min，冷却后得到发酵基料，以重量份计，1000份纯净水中的发酵基料原料包括：葡萄糖20份，胰蛋白胨5份，牛肉膏10份，酵母粉50份，大豆胨5份，硫酸锰0.58份，硫酸镁0.28份，吐温80 1份，半胱氨酸盐酸盐0.5份，磷酸氢二钾2份，柠檬酸氢二胺2份和乙酸钠10份；

(2)菌种活化：超净工作台紫外杀菌30分钟后，打到工作模式，在其中将益生菌体从保藏状态恢复到室温状态，然后按2％的接种量接种到培养基中，放入37℃的恒温箱中培养30h，活化得到种子液备用；

(3)菌体培养：将活化好的种子液按2％的接种量接种到发酵基料中，40℃，pH6.0，培养16h，得到发酵液；

(4)菌体热激：将发酵液升温至60℃，保持5min，再降温至40℃，保持1h，得到热激后的发酵液；

(5)菌体浓缩：将热激后的发酵液5℃下离心分离2.5h，得到菌泥；

(6)配制壁材保护剂：将壁材保护剂的原料混合，55℃热水剪切溶解，110℃杀菌12min后冷却至40℃备用，以重量份计，壁材保护剂的原料包括海藻糖10份，阿拉伯胶15份，全豆粉200份，氯化钙6份，碳酸氢钠2份，甜菜碱1份，甘油20份，异抗坏血酸钠1份，水745份；

(7)制备混合悬液：将菌泥和壁材保护剂混合，30℃，30rpm下搅拌30min，得到混合悬液，混合悬液中菌泥质量分数为30wt％，壁材保护剂质量分数为70wt％；

(8)喷雾干燥：将喷雾干燥机进行预热，并通入氮气，将混合悬液通入喷雾干燥机的进料口，开始喷雾，控制进料温度设置为80℃，开始喷雾，出口温度45℃，干燥后得到益生菌粉。

实施例4：

实施例4与实施例1的区别在于，实施例4步骤(7)中混合悬液中菌泥质量分数为40wt％，壁材保护剂质量分数为60wt％，其余均与实施例1中相同。

实施例5：

实施例5与实施例1的区别在于，实施例5步骤(7)中混合悬液中菌泥质量分数为15wt％，壁材保护剂质量分数为85wt％，其余均与实施例1中相同。

实施例6～实施例15与实施例1的区别在于，实施例6～15步骤(6)中改变壁材保护剂的原料，如表1所示，其余均与实施例1中相同。

表1：实施例6～实施例15壁材保护剂原料。

对比例1：

对比例1与实施例1的区别在于，对比例2中不经过步骤(4)的热激，其余均与实施例1中相同。

对比例2：

对比例2与实施例1的区别在于，对比例3中经步骤(5)得到菌泥后直接对菌泥进行喷雾干燥，不用壁材保护剂对菌泥进行乳化包覆，其余均与实施例1中相同。

对比例3：

对比例3与实施例1的区别在于，对比例3中步骤(6)的壁材保护剂中不添加氯化钙和碳酸氢钠，其余均与实施例1中相同。

对比例4：

对比例4与实施例1的区别在于，对比例4中步骤(6)的壁材保护剂中不添加甜菜碱和甘油，其余均与实施例1中相同。

对比例5：

对比例5与实施例1的区别在于，对比例5中步骤(6)的壁材保护剂中不添加异抗坏血酸钠，其余均与实施例1中相同。

对比例6：

对比例6与实施例1的区别在于，对比例6步骤(7)中混合悬液中菌泥质量分数为50wt％，壁材保护剂质量分数为50wt％，其余均与实施例1中相同。

对上述实施例和对比例中得到的益生菌粉中菌体的存活率进行测定，结果如表2所示。

其中

表1：菌体存活率。

从表1中可以看出，实施例1～3改变制备过程中的温度等参数，两种菌体的存活率会发生改变，证明本发明中的各项参数不是常规选择。

实施例4和5与实施例1对比，改变菌体和壁材保护剂的比例，但均落在本发明的保护范围内，两种菌体均有较高的存活率；而对比例6中改变菌体和壁材保护剂的比例使其落在本发明的范围外，两种菌体的存活率均显著下降，证明本发明中菌体和壁材保护剂的比例不是常规选择。

实施例6～15与实施例1对比，改变了壁材保护剂中各原料的配比，各原料的配比不同，两种菌体的存活率存在较大差异。证明本发明壁材保护剂中各原料的配比不是常规选择。

对比例1中不对菌体进行热激，对比例2中不用壁材保护剂对菌体进行包埋，最终制得的菌粉的菌体存活率与实施例1中相比均有明显下降，证明本发明中的高活性益生菌粉是在各步骤的共同作用下制得的。

对比例3～5中壁材保护剂中不添加电解质平衡剂、保水剂或抗氧剂，菌体的存活率与实施例1相比也均有下降，证明本发明中的壁材保护剂中的各成分的选择和添加不是常规选择。