益生菌發酵棗粉噴霧干燥條件的優化

張振民，方海田，劉慧燕 *，辛世華，楊小萍，潘 琳，宋國慶，艾治宇，李一鳴

（1.寧夏大學 食品與葡萄酒學院，寧夏食品微生物應用技術與安全控制重點實驗室，寧夏 銀川 750021；2.寧夏工商職業技術學院 旅游管理學院，寧夏 銀川 750021）

紅棗（Zizyphus jujubeMill.）是一種營養價值極高的果品，含有豐富的維生素C、維生素P、多糖及二磷酸腺苷和三萜類化合物[1-4]。目前，市場上的紅棗產品以干制棗為主。益生菌發酵棗粉是一種新型的休閑食品，不僅具備紅棗的抗氧化、保護腸胃等營養價值[6-7]，還具備相應益生菌調節腸道菌群等益生功能，且更易儲存和運輸，是一種良好的營養深加工產品[8]，成為近年來棗果深加工的一種趨勢[5-6]。

目前常用的干燥技術有噴霧干燥、微波干燥、真空冷凍干燥、熱風干燥、膨化干燥等[8-12]，其中噴霧干燥法是果蔬粉加工最常用的方法。噴霧干燥法制備的果蔬粉具有含水量低、營養成分保存好、溶解性好、成本較低等優點[13]，但也存在熱敏性成分損失的缺點。利用該方法生產的產品主要有番茄粉[14]、棗粉[15]、獼猴桃粉[16]、龍眼粉[17]、芒果粉[18]等，均有良好的效果。

本試驗通過噴霧干燥法，以脫脂乳粉為助干劑，對噴霧干燥條件進行優化，以期制備高活菌數、低含水量、高營養、感官評價良好的發酵益生菌發酵棗粉。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

靈武紅棗：市售；植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）、凝結芽孢桿菌（Bacillus coagulans）：寧夏食品微生物應用技術與安全控制重點實驗室保藏；LB肉湯培養基、MRS肉湯培養基：青島高科技工業園海博生物技術有限公司；瓊脂粉：范德（北京）生物科技有限公司；試驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

BSP-250生化培養箱：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；YXQ-LS-50S II 立式壓力蒸汽滅菌鍋：上海博訊實業有限公司醫療設備廠；PA2004電子天平：上?；ǔ睂崢I有限公司；B-290小型噴霧干燥儀：步琦實驗室設備貿易（上海）有限公司；5977B氣相色譜-質譜聯用（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）儀：Agilent公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程及操作要點

發酵棗漿→添加助干劑→噴霧干燥→益生菌發酵棗粉

發酵棗漿（由前期試驗得到）[19]：植物乳桿菌和凝結芽孢桿菌按3%和1%的接種量接種于滅菌棗漿中，混菌發酵18 h，溫度為37 ℃。發酵結束后測定發酵棗漿的活菌數為1.62×108CFU/mL。

添加助干劑：向發酵棗漿中添加一定量的脫脂乳粉（助干劑），攪拌均勻，防止噴霧干燥過程中堵塞細管。

噴霧干燥：在一定條件下對發酵棗漿進行噴霧干燥。

益生菌發酵棗粉：噴霧干燥結束后，待出口溫度降至90 ℃后及時收集益生菌發酵棗粉，稱質量。計算出粉率、測定含水量、活菌數和堆積密度，同時記錄感官評分。

1.3.2 單因素試驗

噴霧干燥機進口溫度的確定：其他條件確定不變，進口溫度分別設置為140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃，通過考察益生菌發酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數確定噴霧干燥機進口溫度。

噴霧干燥機霧化流量的確定：其他條件確定不變，霧化流量分別設置為414 L/h、473 L/h、536 L/h、601 L/h，通過考察益生菌發酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數確定噴霧干燥機霧化流量。

噴霧干燥機蠕動泵速的確定：其他條件確定不變，調整蠕動泵速分別為10%、20%、30%、40%，通過考察益生菌發酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數確定噴霧干燥機的蠕動泵速。

脫脂乳粉添加量的確定：調整脫脂乳粉添加量為1.5%、2.5%、3.5%、4.5%，蠕動泵速為20%，霧化流量為473 L/h，進口溫度為150 ℃，通過考察益生菌發酵棗粉的感官評分、出粉率、含水量、堆積密度、活菌數確定最佳脫脂乳粉的添加量。

1.3.3 響應面分析試驗

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計4因素3水平響應面試驗，以進口溫度（A）、霧化流量（B）、蠕動泵速（C）、脫脂乳粉添加量（D）為評價因素，以感官評分（Y）為響應值進行響應面分析，響應面試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.4 測定方法

益生菌發酵棗粉出粉率的計算[20]：

式中：m1為益生菌發酵棗粉質量，g；m2為干棗和干物質添加總質量，g。

水分的測定：準確稱量益生菌發酵棗粉2 g置于已質量恒定的有蓋稱量瓶中，置于105 ℃的恒溫鼓風干燥箱中干燥2～4 h，蓋好蓋子取出，在干燥器內冷卻0.5 h后稱質量。重復操作，直至前后的稱量差＜2 mg即為質量恒定[20]。

式中：X為水分含量；m1為干燥前棗粉質量，g；m2為干燥后棗粉質量，g。

活菌數檢測：傾注平板計數法：取1 g樣品加入9 mL滅菌后的生理鹽水，用渦旋振蕩器充分混合均勻后，采用10倍系列稀釋，選擇3個合適稀釋度的樣品均液，各取1 mL加入無菌玻璃平板中，倒入滅菌后的MRS培養基，放入37 ℃培養箱中培養。每個梯度做三組平行，取平均值[19]。

堆積密度的測定：稱量5 g益生菌發酵棗粉在同一高度裝入15 mL的量筒，并振動量筒，記錄體積，按下式計算堆積密度[20]：

式中：D為堆積密度，g/mL；m為益生菌發酵棗粉質量，g；v為益生菌發酵棗粉體積，mL。

益生菌發酵棗粉香氣成分的測定：參考劉巧玲[21]的發酵棗粉的制備及品質評價研究略作修改。香氣物質的提取采用固相微萃取法，準確稱取益生菌發酵棗粉1 g置于10 mL樣品瓶中。水浴溫度40 ℃，平衡時間5 min，萃取頭老化時間為5 s，吸附時間為40 min。GC條件：TG-WA*MS（30 m×0.25 mm×0.250 μm）彈性石英毛細管柱，程序升溫至40 ℃保持3 min，以8 ℃/min升至180 ℃保持3 min，再以10 ℃/min升至250 ℃保持3 min，進樣口溫度250 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，載氣為氦氣（He），流速為1.66 mL/min，不分流進樣。MS條件：電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量70 eV，離子源溫度250 ℃，質量掃描范圍35～500 amu，發射電流10 μA，檢測電壓1.4 kV。

感官評價：首先對噴霧干燥后的固態粉末狀樣品進行組織狀態和色澤的感官評分，取5 g粉末狀樣品加40 ℃左右飲用水40 mL沖調，對沖調后的紅棗益生菌飲品進行感官評分。本次試驗感官評價小組共20人，培訓合格后對益生菌發酵棗粉進行品評[22-23]，滿分100分。感官評分標準見表2。

表2 棗粉感官評分標準Table 2 Sensory evaluation standards of jujube powder

1.3.6 添加脫脂乳粉與β-環糊精對益生菌發酵棗粉品質的影響

以最佳工藝條件下脫脂乳粉添加量為對比，比較添加10%、20%、30%β-環糊精對噴霧干燥益生菌發酵棗粉的出粉率、感官評定、活菌數等的影響。

1.3.7 數據處理

試驗數據均用Origin9.0與Design-Expert 13.0進行處理與分析[24]。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 進口溫度對益生菌發酵棗粉的影響

由圖1可知，當進口溫度低于150 ℃時，隨著進口溫度的升高，干燥越來越充分，使出粉率和感官評價升高，同時含水量和堆積密度下降，說明益生菌發酵棗粉的顆粒變小。當進口溫度為150 ℃時出粉率、感官評分、活菌數最大，分別為39.56%、95.6分、1.83×109CFU/g，堆積密度最小為0.252 g/mL，含水量為4.17%。當進口溫度高于150 ℃時，隨著溫度繼續升高，益生菌存活率迅速下降，粘壁現象嚴重，使出粉率和感官評定下降，益生菌發酵棗粉的顆粒變大，導致棗粉的堆積密度增大。因此選擇進口溫度150 ℃為宜。

圖1 進口溫度對益生菌發酵棗粉的影響Fig.1 Effect of inlet temperature on probiotic fermented jujube powder

2.1.2 霧化流量對益生菌發酵棗粉的影響

由圖2可知，當霧化流量＜473 L/h時，隨著霧化流量的增大，噴霧液滴越來越小，霧化效果越來越好，干燥速度變快，活菌存活率升高，出粉率和感官得分增大，含水量和堆積密度變小，益生菌發酵棗粉的顆粒越來越小，棗粉質量越來越高。當霧化流量增大至473 L/h時，出粉率、感官評分、活菌數最大，分別為39.15%、94.9分、1.82×109CFU/g，堆積密度最小為0.256 g/mL，含水量為4.16%。當霧化流量＞473 L/h時，由于噴霧液滴過小，干燥過程中水分蒸干帶走少量的熱量，所以活菌數迅速下降，出粉率略微下降。由于噴霧干燥過程過高的溫度，使益生菌焦糊嚴重，感官評價也快速下降，導致含水量和堆積密度變小。因此選擇霧化流量473 L/h為宜。

圖2 霧化流量對益生菌發酵棗粉的影響Fig.2 Effect of atomization flow rate on probiotic fermented jujube powder

2.1.3 蠕動泵速對益生菌發酵棗粉的影響

由圖3可知，當蠕動泵速＜20%時，隨著蠕動泵速的增大，感官評價基本不變，由于棗的噴霧效果更充分，出粉率增大，由于蠕動泵速增大，平均噴霧液滴增大，在干燥成粉的過程中蒸干的水分帶走更多的熱量，所以活菌數略微升高，含水量略微上升，堆積密度略微下降。當蠕動泵速為20%時，出粉率、感官評分、活菌數最大，分別為39.43%、93.8分、1.82×109CFU/g，堆積密度最小為0.253 g/mL，含水量為4.12%。當蠕動泵速＞20%時，由于物料的干燥越來越不充分，所以益生菌發酵棗粉的含水量快速上升，導致感官評定下降，堆積密度不斷上升，說明益生菌發酵棗粉的顆粒越來越大。粘壁現象嚴重，導致出粉率下降，活菌數下降。因此選擇蠕動泵速20%為宜。

圖3 蠕動泵速對益生菌發酵棗粉的影響Fig.3 Effect of peristaltic pump speed on probiotic fermented jujube powder

2.1.4 脫脂乳粉添加量對益生菌發酵棗粉的影響

由圖4可知，當脫脂乳粉添加量＜2.5%時，隨著脫脂乳粉的添加量增加，由于可溶性固形物含量升高，出粉率不斷升高，含水量和堆積密度變小，說明益生菌發酵棗粉的顆粒變小，同時對益生菌的保護效果越來越好，使益生菌存活率升高，當脫脂乳粉添加量升至2.5%時，出粉率、感官評分、活菌數達到最大，分別為39.56%、96.5分、1.82×109CFU/g，含水量最小為4.15%，堆積密度為0.254 g/mL。當脫脂乳粉添加量＞2.5%時，由于脫脂乳粉含量過大，棗粉特有的香氣和顏色被掩蓋，所以隨著脫脂乳粉繼續增大，感官評定開始下降?？扇苄怨绦挝锖窟^大，反而影響噴霧效果，所以出粉率也開始下降，過大比例的脫脂乳粉，相當于益生菌發酵棗粉被稀釋，所以活菌數開始下降，含水量和堆積密度開始微上升，說明益生菌發酵棗粉的顆粒大小略增大。因此選擇脫脂乳粉添加量2.5%為宜。

圖4 脫脂乳粉添加量對益生菌發酵棗粉的影響Fig.4 Effect of skimmed milk powder addition on probiotic fermented jujube powder

2.2 響應面試驗結果

以進口溫度（A）、霧化流量（B）、蠕動泵速（C）、脫脂乳粉添加量（D）為自變量，以感官評分（Y）為響應值進行Box-Behnken響應面分析，結果如表3。

表3 益生菌發酵棗粉噴霧干燥條件優化響應面分析結果Table 3 Response surface analysis results for spray drying conditions optimization of probiotic fermented jujube powder

對各參數和響應值數據進行二次線性回歸擬合，得到數學模型為Y=94.58-3.48A+0.12B-3.31C-6.33D-0.075AB+2.37AC+2.48AD+0.77BC+2.28BD+3.67CD-7.53A2-3.65B2-4.75C2-11.38D2

上述所有方程是益生菌發酵棗粉的感官評價與益生菌發酵棗粉制備工藝之間較為合適的數學模型，故可以分別利用回歸方程來確定最佳的益生菌發酵棗粉制備工藝參數。分別對模型進行回歸分析，得到回歸統計分析見表4。

如表4所示，模型P＜0.01說明模型顯著[24]；失擬項P值為0.120 5（＞0.05）說明方程的擬合度較好。對模型進行回歸方程系數顯著性檢驗，一次項A、C、D，交互項CD，二次項A2、B2、C2、D2對益生菌發酵棗粉感官評分影響極顯著（P＜0.01）；交互項AD對益生菌發酵棗粉感官評分影響顯著（P＜0.05）。由響應面分析可知，當進口溫度為150 ℃、霧化流量為475 L/h、蠕動泵速為20%、脫脂乳粉添加量為2.5%時，在此條件下得到益生菌發酵棗粉的感官評分理論值為95.13分，為了驗證模型預測理論值的準確性和真實性，在此優化條件下進行3次平行試驗，得到益生菌發酵棗粉的感官評分為95.6分，與理論預測值基本接近，說明響應面優化得到的發酵條件具有一定的可行性。根據各個因素的回歸方程得出不同因子的響應面分析圖，通過圖5響應面可以直觀的看出各參數之間的相互作用，影響因素的顯著性與響應面圖中曲線的坡度有關，坡度越陡影響越大，坡度平滑說明影響較小[25]，圖5為開口向下的凸形曲面，說明響應值存在最高值，圖5中脫脂乳粉所在的等高線較密集，說明脫脂乳粉對感官評定的影響極顯著，其他條件對感官評定的影響較小。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

圖5 各因素交互作用對益生菌發酵棗粉感官評分影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface plots and counter lines of effects of interaction between each factor on sensory scores of probiotic fermented jujube powder

2.3 添加脫脂乳粉與β-環糊精對益生菌發酵棗粉品質的影響

由表5可知，與添加10%～30%β-環糊精的益生菌發酵棗粉相比，添加2.5%脫脂乳粉的益生菌發酵棗粉出粉率、感官評定、活菌數更優。說明選擇脫脂乳粉為助干劑不但在噴霧干燥益生菌發酵棗粉助干方面效果良好，在對活菌的保護方面也優于β-環糊精。

表5 添加脫脂乳粉與添加β-環糊精對益生菌發酵棗粉品質的影響Table 5 Effect of skimmed milk powder addition and β-cyclodextrins addition on quality of probiotic fermented jujube powder

2.4 益生菌發酵棗粉香氣成分的測定

由表6可知，經過益生菌發酵的棗漿制備的棗粉之所以感官評價較高，是因為棗漿在發酵過程中乙酸、癸酸等一些酸味較重影響口感的物質逐漸減少，產生一些使棗粉更加醇香的物質，如乙酸甲酯、辛酸甲酯、月桂酸甲酯等以及一些對香氣有好的影響的烷類、醇類，使益生菌發酵棗粉更加醇香。

表6 益生菌發酵棗粉與未發酵棗粉香氣成分比較Table 6 Comparison of aroma components between probiotic fermented jujube powder and unfermented jujube powder

續表

2.5 益生菌發酵棗粉理化指標及營養成分

測得最佳工藝條件的益生菌發酵棗粉的活菌數為1.78×109CFU/g，含水量為3.82%，堆積密度為0.251 g/mL，多糖含量為（3.1±0.05）mg/g，總酸含量為（368±5）mg/g，乳酸含量為（73±2）mg/g。

3 結論

由響應面分析試驗可得益生菌發酵棗粉噴霧干燥最佳工藝參數為蠕動泵速20%、霧化流量475 L/h、進口溫度150 ℃、脫脂乳粉添加量2.5%，在此優化條件下得到益生菌發酵棗粉出粉率為39.15%，感官評定為95.6分。

測得最佳工藝條件下益生菌發酵棗粉的活菌數為1.78×109CFU/g，含水量為3.82%，堆積密度為0.251 g/mL，多糖含量（3.1±0.05）mg/g，總酸含量（368±5）mg/g，乳酸含量（73±2）mg/g。測得的益生菌發酵棗粉香氣成分相比于未發酵棗漿棗粉更豐富多樣，闡明了益生菌發酵棗粉香氣醇厚的原因。采用脫脂乳粉作為助干劑相比于傳統助干劑β-環糊精等在出粉率、感官評定和活菌數存活率方面都有很大優勢。