一种酒糟饲料化活性菌剂的喷雾干燥工艺条件研究

一种酒糟饲料化活性菌剂的喷雾干燥工艺条件研究

摘要研究以乳酸菌和米曲霉组成降解酒糟的复合微生物系，探讨其活性菌剂的喷雾干燥最佳工艺条件。以干燥乳酸菌菌粉和米曲霉菌粉活菌数为评判标准，对喷雾干燥进风温度、出风温度、进料流量、保护剂的种类及配比设计单因素试验与正交试验。结果表明: 进风温度为150 ℃、进料流量为 50 r/min、菌液与保护剂配比为1∶1 及复合保护剂配比为1∶1 (10%β－环糊精∶10% 麦芽浸粉)，为生产活性菌剂的喷雾干燥最佳工艺条件。该工艺条件下制备的乳酸菌菌粉和米曲霉菌粉活菌数分别达到 5. 2 亿和 7. 5 亿个/g 菌粉。

关键词乳酸菌米曲霉喷雾干燥生物制剂工艺条件

开展清洁生产，发展可持续农业是 21 世纪可

持续发展的目标。把容易造成环境污染的白酒糟、

啤酒糟和酒精糟等发酵副产物及农作物下脚料综合

利用生产高效价的菌体饲料，是推行清洁生产、发

展生态农业、合理利用和节约资源及有效治理和保

护环境的一条可持续发展之路。

乳酸菌是动物体内的主要益生菌，能调整动物

肠道菌群间的生理平衡，降低肠道内腐败菌的异常

增殖及致病菌的入侵和定植，从而减少或消除体内

毒素的产生，是一种天然的饲料添加剂和优良的发

酵菌种来源。

米曲霉的酶系比较丰富，包括纤维素酶、糖化

酶、淀粉酶和果胶酶等。在发酵酒糟生产饲料的过

程中，淀粉酶和糖化酶作用于原料的淀粉物质，使

其充分分解为葡萄糖，增加饲料中的葡萄糖含量，

易于动物吸收利用; 果胶酶和纤维素酶作用于原料

外壁，使其内部的蛋白质等物质充分裸露，提高饲

料中的蛋白质含量。同时米曲霉不会产生真菌毒

素，因此是一种优良的发酵菌种。

降解酒糟的复合微生物菌剂的开发，可简化酒

糟发酵饲料的生产工艺，降低生产成本，提高发酵

饲料质量，有利于酒糟发酵技术的推广应用，对酒

糟发酵饲料产业化具有重要意义与长远的应用前

景。根据前期研究基础和酒糟原料的特点，米曲霉

及乳酸菌协同发酵能有效降解酒糟中的粗纤维，提

高真蛋白含量。因此，选取米曲霉和乳酸菌为优良

发酵菌种，组成酒糟降解复合微生物菌系，并通过

喷雾干燥制备乳酸菌活性菌剂和米曲霉活性菌剂，

以期为复合微生物菌剂发酵酒糟的工业化应用提供

上游技术及产品，最终解决废弃酒糟再利用的难

题，达到环境保护与经济增长的双重目的。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳酸菌和米曲霉: 四川理工学院实验室保藏;

牛肉膏蛋白胨培养基; 保护剂:

β－环糊精，成都

市科龙化工试剂厂; 麦芽浸粉: 北京博奥生物技术

有限责任公司; 脱脂奶粉: 伊利集团。

1.2 仪器与设备

ZHJH － 2112B 水平流超静工作台，上海智城分

析仪器制造有限公司; NSKY －2102C 恒温培养振荡

器，上海苏坤实业有限公司; YC － 015 实验型喷雾

干燥机，上海雅程仪器设备有限公司; BS －2F 数控

全温振荡培养箱，常州精诚国华仪器有限公司;科技动态70 饲料研究 FEED ＲESEAＲCH NO. 12，2013

DZX － 50KA 压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械

厂; SHB －Ⅲ循环水式多用真空泵，郑州长城科工

贸有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 乳酸菌扩大培养

在 250 mL 三角瓶中装入 50 mL 牛肉膏蛋白胨

培养基，68. 65 MPa，灭菌 20 min。冷却后，在无

菌操作下，将培养48 h 的斜面菌种接5 环于250 mL 三角瓶中，于30 ℃旋转式摇床 150 r/min，振荡培养

24 h。吸取 10 mL 一级扩培液接种于 250 mL 三角瓶中，于 30 ℃旋转式摇床150 r/min，振荡培养24 h，

即为二级扩培液。

1.3.2 米曲霉扩大培养

在 250 mL 三角瓶中装入 50 mL 察氏培养基，

68. 65 MPa，灭菌 20 min。冷却后，在无菌操作下，

用5 mL 无菌水洗脱培养72 h 的霉菌斜面得菌悬液，

加入三角瓶中，于30 ℃旋转式摇床 150 r/min，振

荡培养 24 h。吸取10 mL 一级扩培液接种于250 mL

三角瓶中，于30 ℃旋转式摇床 150 r/min，振荡培

养 24 h，即为二级扩培液。

1.3.3 喷雾干燥制备菌剂

将二级扩培菌液与保护剂混合，经喷雾干燥制

得菌剂，收集菌粉，无菌包装好冷藏待用。试验的

出风温度控制在 80 ～100 ℃。水分控制在低于 10%。

1.3.4 菌剂的感观指标分析

通过对感观指标的分析 (观察颜色和闻其气味

等) 初步判定干燥的效果。

1.3.5 菌剂的菌体活性分析

将干燥后所得的菌粉活化，经稀释和涂布后，

采用平板菌落计数法测定活菌个数。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 进风温度对菌粉活菌数的影响

因进风温度过高，单位时间内提供的热量越

多，过多的热量导致微生物在喷雾干燥过程中大量

死亡; 进风温度过低，出风温度达不到80 ℃，菌

剂水分大于 10%，很难收集和保存，所以试验选择150、170、190 和210 ℃ ，作为进风温度进行试验。从表 1 可见: 随着进风温度的升高，菌粉的活

菌数均出现了较为明显的波动变化，但最终呈递减

趋势。考虑到活菌数与能耗，试验合适的进风温度

约为150 ℃。

表 1 进风温度单因素试验个/g 菌粉

项目150 ℃ 170 ℃ 190 ℃ 210 ℃

乳酸菌 380 万 206 万 420 万 66 万

米曲霉 260 万 190 万 240 万 30 万

2.1.2 进料流量对菌粉活菌数的影响

分别取 50 mL 乳酸菌和米曲霉的二级扩培菌液

和等体积的 10%脱脂乳溶液 (保护剂) 混合，进风

温度设定为150 ℃，在50、60、70 和80 r/min 的进料流量下分别作喷雾干燥。

表 2 进料流量单因素试验个/g 菌粉

项目 50 r/min 60 r/min 70 r/min 80 r/min

乳酸菌 163 万 250 万 170 万 85 万

米曲霉 77 万 735 万 807 万 100 万

从表 2 可见: 在进风温度一定的情况下，随着

进料流量的增大，乳酸菌粉活菌数量先增大后减

小，在进料流量为 60 r/min 时，活菌数量最大; 米

曲霉活菌数变化趋势与乳酸菌相当，在进料流量为

70 r / min 时，活菌数量最大。这可能是由于当进料

流量较小时，雾滴干燥完全，菌体在喷雾过程中与

热空气接触时间短，存活率高; 随着进料量不断增

大，超过 70 r/min 时，雾滴不断积蓄变大且在湿度

较大的空气介质中，物料的干燥效果，出现黏壁和

结块现象，此时雾滴与热空气的接触时间变长，活

菌数下降。

2.1.3 不同保护剂对微生物菌粉活菌数的影响

选取的保护剂为: 10% 脱脂乳溶液，等比例混

合的 10%脱脂乳溶液 + 10% β－环糊精溶液，等比

例混合的 10%的麦芽浸粉溶液 + 10% β－环糊精溶液。将 3 种保护剂，分别加入到等体积的乳酸菌和

米曲霉菌液中充分混合，在进风温度为150 ℃、进

料流量为 60 r/min 的条件下作喷雾干燥，将所得菌

粉活化，经稀释和涂布，检测活菌个数。

表 3 保护剂种类单因素试验个/g 菌粉

项目

10% 脱脂

乳溶液

10% 脱脂乳溶液 + 10%

β－环糊精溶液

10% 的麦芽浸粉溶

液 +10%β－环糊精溶液

乳酸菌 440 万 1. 50 亿 1. 50 亿

米曲霉 560 万 8. 27 亿 10. 00 亿

从表 3 可见: 使用混合保护剂比使用单一保护

剂 (10%脱脂乳溶液) 效果更好，使用单一保护剂时，单克菌粉活菌数为 10

6

数量级，而使用混合保科技动态

饲料研究

FEED ＲESEAＲCH NO. 12，2013 71

护剂时单克菌粉活菌数能够达到10

8

数量级。而且，

混合保护剂所得到的乳酸菌最高活菌数达到了 1. 50 亿个/g 菌粉，米曲霉达到 10. 00 亿个/g 菌粉。但考虑到脱脂乳溶液包埋性能及保存性较差，

β－环

糊精具有良好的生物相容性，且内部空腔具有疏水性，腔外羟基具有亲水性，这种特殊的分子结构使环糊精能够选择性地结合底物形成超分子，故选择10% 的麦芽浸粉溶液 +10%β－环糊精溶液作为保护剂。

2.2 正交试验

以进风温度、进料流量、菌液与保护剂配比和

复合保护剂配比为试验因素，作 4 因素 3 水平正交试验 L

9

(3

4

)。在试验中，乳酸菌和米曲霉菌液体

积 (未加保护剂) 均为 50 mL，出风温度控制在

80 ～100 ℃ ，保护剂采用质量分数都为 10% 的

β－

环糊精溶液和麦芽浸粉溶液组合保护剂。

表 4 正交试验因素水平表

序号

A

进风

温度/℃

B 进料

流量/

(r·min

－ 1

)

C 菌液与

保护剂

配比

D 保护剂种类和配比

(10%β－环糊精∶10%

麦芽浸粉)

1 150 50 1∶1 1∶1

2 160 60 1∶2 1∶3

3 170 70 1∶3 1∶5

从表 5 可见: 乳酸菌 4 个因素的极差大小顺序

为菌液与保护剂配比﹥进风温度﹥复合保护剂配比﹥

进料流量。菌液与保护剂配比是影响乳酸菌单克菌

粉活菌数的关键因素，这是由于在保护剂适量存在

的情况下，保护剂的持水性和形成的网络，能避免

细胞中的水分在干燥过程中不至于急剧下降，从而

细胞蛋白结构不至于遭到破坏，保持较高的活菌

数; 但当保护剂用量过大时，溶液变得黏稠，不利

于喷雾干燥，菌液与保护剂的混合溶液会黏在干燥

器的内壁上，影响乳酸菌的活菌数。由乳酸菌单克

活菌数的均值结果得出最优的试验组合为A

1

B

1

C

1

D

2

，但经试验验证，活菌数不及试验 1 的结

果 5. 20 亿个/g 菌粉多，因此选择试验 1 为最佳试

验条件，此时水平组合为 A

1

B

1

C

1

D

1

，条件为进风

温度为150 ℃、进料流量为 50 r/min、菌液与保护剂配比为1∶1 及复合保护剂配比为1∶1 (10%β

－环

糊精∶10%麦芽浸粉)。

从表 5 可见: 米曲霉 4 个因素的极差大小为菌

液与保护剂配比﹥进风温度﹥进料流量﹥复合保护

剂配比。菌液与保护剂配比也是影响米曲霉单克菌

粉活菌数的关键因素。由米曲霉单克活菌数的均值

结果得出最优的试验组合为 A

1

B

1

C

1

D

2

，但经试验

验证，此试验组合下的米曲霉活菌数不如试验 1 的

活菌数 7. 5 亿个/g 菌粉多，因此选择试验 1 为最佳试验条件，此时水平组合为 A

1

B

1

C

1

D

1

，条件为进

风温度为150 ℃、进料流量为 50 r/min、菌液与保护剂配比为1∶1 及复合保护剂配比为1∶1 (10%

β－

环糊精∶10%麦芽浸粉)。

3 结论

进风温度是喷雾干燥加工菌粉时热量的主要来

源，雾滴需要在喷雾干燥室内干燥完全就需要足够

高的温度以提供热量，但并不是温度越高越好。因

表 5 直观分析个/g 菌粉

序号 A B C D

乳酸菌粉活菌数/

(个·g

－ 1

菌粉)

米曲霉菌粉活菌数/

(个·g

－ 1

菌粉)

1 1

(150) 1 (50) 1 (1∶1) 1 (1∶1) 5. 20 亿 7. 50 亿

2 150 2

(60) 2 (1∶2) 2 (1∶3) 4. 55 亿 2. 90 亿

3 150 3 (70) 3 (1∶3) 3 (1∶5) 2. 08 亿 4. 20 亿

4 2

(160) 50 1∶2 1∶5 2. 79 亿 5. 60 亿

5 160 60 1∶3 1∶1 1. 30 亿 2. 50 亿

6 160 70 1∶1 1∶3 4. 10 亿 3. 60 亿

7 3 (170) 50 1∶3 1∶3 2. 20 亿 9. 00 亿

8 170 60 1∶1 1∶5 3. 18 亿 4. 40 亿

9 170 70 1∶2 1∶1 2. 23 亿 2. 00 亿

乳酸菌数

Ⅰ/

(个·g 菌粉) 3. 94 亿 3. 40 亿 4. 16 亿 2. 91 亿

Ⅱ/

(个·g 菌粉) 2. 73 亿 3. 01 亿 3. 19 亿 3. 62 亿

Ⅲ/

(个·g 菌粉) 2. 54 亿 2. 80 亿 1. 86 亿 2. 68 亿

Ｒ / ( 个·g 菌粉) 1. 40 亿 0. 60 亿 2. 30 亿 0. 94 亿米曲霉数

Ⅰ/

(个·g 菌粉) 4. 35 亿 3. 80 亿 5. 11 亿 3. 62 亿

Ⅱ/

(个·g 菌粉) 3. 93 亿 3. 75 亿 3. 53 亿 3. 84 亿

Ⅲ/

(个·g 菌粉) 2. 50 亿 3. 22 亿 2. 13 亿 3. 31 亿

Ｒ / ( 个·g 菌粉) 1. 85 亿 0. 58 亿 2. 98 亿 0. 53 亿(下转第 75 页)科技动态

饲料研究

FEED ＲESEAＲCH NO. 12，2013 75

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通信地址: 内蒙古巴彦淖尔市临河区今日尊府

49 号信箱

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪

015000

(上接第 71 页)

进风温度过高，单位时间内提供的热量越多，过多

的热量导致细菌在喷雾干燥过程中大量死亡; 进风

温度过低，出风温度达不到80 ℃，菌剂水分大于

10% ，很难收集，所以研究单因素合适的进风温度

约为150 ℃。

使用混合保护剂比使用单一保护剂 (脱脂牛

奶) 效果更好，且

β－环糊精溶液和麦芽浸粉溶液

作为混合保护剂时效果最好。

乳酸菌与米曲霉正交试验的最优水平组合均为

进风温度为150 ℃、进料流量为 50 r/min、菌液与

保护剂配比为1∶1 及复合保护剂配比为1∶1 (10%β－

环糊精∶10%麦芽浸粉)，此时活菌数达到最大。

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通信地址: 四川省自贡市汇兴路学苑街 180 号

四川理工学院生物工程学院办公室

643000

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