1、毕业论文文献综述食品科学与工程乳酸菌冻干保护剂研究状况摘要乳酸菌是酸奶的重要发酵剂,是某些蔬菜的腌制剂。然而,乳酸菌在冻干中会受损伤,使用冻干保护剂可以提高乳酸菌的存活率。乳酸菌细胞在没有保护剂的保护下,会冻干损伤。了解保护剂的保护机理。保护剂可以分为多元醇类、糖类、氨基酸类、无机盐类、蛋白质及肽类和混合物等。冻干保护剂的筛选可以根据不同的菌种,有不同的工艺条件,乳酸菌冻干保护剂的研究有着重要的意义。关键字乳酸菌；冻干保护剂；筛选随着我国乳品工业的飞速发展,市场对酸奶发酵剂的需求越来越大。酸奶已成为人们日常饮食的必备食品,它对人类的健康有益作用是非常明显的,而乳酸菌发酵剂是决定发酵乳制品的质量
2、和特性的最重要因素,其制备过程也是生产发酵乳制品的关键技术之一1。而乳酸菌在发酵的过程中会由于各种因素而影响酸奶的品质。因而,使用冷冻干燥技术可以提高乳酸菌的存活率。利用真空冷冻干燥技术生产活菌制剂是多种保藏方法中较为理想的一种2。冷冻干燥也称为冻干,是冷冻和干燥技术的有机结合,细胞在冻干过程中要经受冷冻和干燥两种激烈因素的作用,损伤是不可避免的。为了提高真空冷冻干燥后微生物的存活率,人们进行了大量的研究。乳酸菌培养物在冷冻干燥和随后长期的贮藏过程中,最大限度的保持乳酸菌的活性无论从经济角度还是从技术角度来讲都是至关重要的。微生物细胞的存活取决于许多因素,包括微生物起始浓度、培养基、非致死性处
3、理、冻干保护剂和复水环境等3。保护剂可以减轻冷冻干燥或复水对细胞的损害,尽可能保持原有的各种生理生化特性和生物活性。筛选适宜的冻干保护剂对细胞在冻干和贮藏过程中的存活性至关重要4。1乳酸菌细胞的冻干损伤11机械损伤机械损伤是由低温时细胞内外冰晶生长产生的机械力量引起的,一般冰晶越大,细胞膜越易破裂,从而造成细胞死亡。冰晶小,对细胞膜的机械损伤也较小5。12溶质损伤溶质损伤又称“溶液损伤”,是由于水的冻结使细胞问隙内的液体逐渐浓缩,从而使电解质的浓度显著增加6。13细胞膜损伤冻干过程中,细胞膜脂肪酸的不饱和度、链的长度、链的分支状态或环绕状态存在动态变化,脂肪酸的动态变化与膜的流动性密切相关。微
4、生物细胞的干燥损伤很大程度上是由于膜脂性质、结构的变化使膜的流动性或完整性改变,从而导致膜的功能失调7。14细胞代谢调节作用损伤当细胞内某一关键酶失活,会造成细胞代谢受阻,积累了影响正常生理功能的某种产物,从而整个细胞代谢紊乱,导致细胞死亡8。2冻干保护剂的保护机理冻干前在溶液中加入的保护介质在干燥后起支撑作用,在冻干过程中起保护作用。冻干的样品不失原有的固体骨架结构,保持原有的形态。冻干使保护介质具有多孔结构,该结构使冻干菌粉具有理想的速溶性和速复水性。冻干后菌体附着在保护介质上,大大减少了菌体暴露于外部的区域,减少了外界环境因素对菌体的影响,降低了菌体死亡的可能性,从而提高了其冻干存活率。
5、另一方面保护剂与菌体细胞壁结合,有助于稳定细胞内部成分,有助于菌体细胞冻干存活率的提高910。21保护剂对膜相变温度TM的影响由磷脂分子组成的双分子层是细胞膜的主要成分。通常情况下,水分子通过氢键与磷脂的极性端相连,当磷脂干燥脱水时,极性端的密度增加,平时处于液晶态的脂膜变成凝胶态,此时的温度被称为膜相转变温度。研究者认为,冻干过程中,膜质经历了从液晶态到凝胶态的相的变化。在室温下复水时,处于凝胶态的干燥质膜又经历了从凝胶态到液晶态的转变,由于膜经历了状态的转变,某些区域产生缺陷,使得膜渗漏。若在干前加入二糖如海藻糖可降低干燥膜的膜相转变温度,当磷脂干燥脱水时,海藻糖在失水部位以氢键和磷脂的极
6、性端相连,防止状态的转变和复水时的渗漏,从而提高细胞的存活率11。22保护剂对体系玻璃化转变温度的影响玻璃化是指物质以非晶态形式存在的一种状态,其粘度极大,具有液体的性质。由于这种非晶体结构的扩散系数很低,故在这种结构中分子运动和分子变性反应非常微弱,不利的化学反应能够被抑制,从而提高被保存物质的稳定性12。23保护剂对蛋白结构的影响13杨基础等研究认为海藻糖对酶的保护机理为一方面海藻糖的羟基替代了水分子同酶的酰胺基形成氢键,另一方面海藻糖分子包裹在酶分子周围,或填充在酶蛋白分子的空间结构内,特别是酶的活性部位附近,形成玻璃态,有效的防止蛋白质分子发生三维结构的变化,从而避免了酶的失活14。在
7、实际生产中通常采用各种保护剂来降低冻干过程对乳酸菌的伤害。一些亲水且能透过细胞膜的小分子保护剂能渗入细胞内抑制冰晶生成、减缓冰晶生长,冷冻时可减少对细胞的损伤；而不能穿透细胞膜的大分子保护剂有很强的亲水特性和氢键形成能力。保护剂利用它们的氢键和亲水基形成稳定的水分子层阻碍膜内结合水向外转移,保护了细胞结构15。3冻干保护剂的筛选冻干前加入保护介质,以减少其冻干损伤是必须的。对于绝大多数细菌,冷冻干燥成功的关键在于有效保护剂的使用,保护剂可以改变生物样品在冷冻干燥时的物理环境、化学环境,减轻或防止冷冻干燥或复水对细胞的损害,尽可能保持原有的生理生化特性和生物活性。冻干保护剂不仅影响乳酸菌在冻干过
8、程中的细胞存活率,还影响保藏期间的细胞稳定性16。31冻干保护剂的分类冻干保护剂按照不同的性质可分为多元醇类、糖类、氨基酸类、无机盐类、蛋白质及肽类和混合物。冻干保护剂可按照不同的方式进行分类,按其是否能渗到细胞内可分为渗透型和非渗透型两种17。32冻干保护剂的筛选对于冻干保护剂的研究有很多,主要有泡菜乳酸菌,干酪乳杆菌,瑞士乳干菌,保加利亚乳杆菌,嗜热链球菌,双岐杆菌18等等,对于这些菌种的保护剂筛选,已有很多的研究,保护剂主要包括单一的保护剂和复合保护剂两种,其中保护剂的种类以及含量也不同。321泡菜乳酸菌冻干保护剂筛选在泡菜乳酸菌保护剂的研究中,海藻糖对乳酸菌冻干的保护作用最强,山梨醇次
9、之,谷氨酸钠和VC也有明显的保护作用,添加05硫酸锰、05氯化钙未见保护效果。10脱脂乳、5海藻糖、7谷氨酸钠、3山梨醇和3VC的复合保护剂能使乳酸菌冻干后存活率较高,可达895,与单一保护剂比较,存活率有显著提高19。322干酪乳杆菌冻干保护剂的筛选保护效果大小排序依次为海藻糖,脱脂奶粉,蔗糖,甘油,可溶性淀粉,硫酸锰,抗坏血酸。今后的研究还需寻找添加量更小、保护效果更好的保护剂品种以提高冻干菌粉的活菌数量20。323保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌冻干工艺条件通过实验可以得出保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌冻干的最佳离心条件为转速4000RMIN,时间10M；预冻温度和预冻时间为在一20预冻3H；冻干
10、保护剂的最佳PH为65；保护剂与菌泥的最佳平衡时间为30MIN；保护菌泥的最佳配比为4L；最佳装液厚度为7MM；冻干菌粉的最佳含水量为2321。嗜热链球菌在冻干保护剂的筛选中可以使用正交实验,正交实验是一种较简单的实验方法22。324乳酸菌冻干保护剂的筛选根据文献的描述,各种菌种的冻干保护剂的种类、数量、工艺条件的分析及研究,可以确定乳酸菌冻干保护剂的研究的方案。由于脱脂乳价格比较便宜,不论是单独使用还是与其它保护剂混用均有较好的保护效果,一般将其作为冻千保护剂的主要成分。首先从乳酸菌冻干保护剂单因素开始筛选,从浓度为10的海藻糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖,5的谷氨酸钠,200MG/L的半胱氨酸,2
11、的甘油、甘露醇、山梨酸,02的乙酸钠、硫酸锰、氯化钙中筛选冻干后存活率较高的冻干保护剂,再者,根据筛选出来的冻干保护剂糖类,氨基酸类,醇类,缓冲盐类的存活率较高的,组合成复合冻干保护剂,以提高冻干菌种的活菌数量。此复合实验应用响应面优化23的方法,是一个四因素三水平的实验,总共27次实验。实际上,不同的保护剂各有优缺点,单一保护剂不能满足菌体抵抗外界恶劣的条件,例如大分子保护剂主要是保护细胞的表面免受伤害,冻干过程中对细胞有一定的保护作用,但大分子保护剂单独使用时,在保存期间对细胞的保护效果却不明显,如果合适的大分子和小分子保护剂配合使用,将会加速干燥且能在干燥和保存期间维持较高的细胞存活率2
12、4。4乳酸菌冻干保护剂研究的意义与进展41乳酸菌冻干保护剂研究的意义随着我国发酵乳制品工业的迅猛发展,积极研究并大力开发高效浓缩型酸奶冻干发酵剂,对推动我国酸奶发酵剂的生产水平,提高国产发酵剂的竞争力,具有重要的意义25。乳酸菌是酸奶的发酵剂,乳酸菌良好的生长是保证酸奶的品质的关键因素。乳酸菌作为一种蔬菜腌制剂,和与多种食品质相关的重要微生物已有较多文献报道。研究优良乳酸菌菌种的高效培养技术以及其保藏方法对发乳酸菌作为蔬菜发酵剂具有重要的现实意义26。42乳酸菌冻干保护剂研究的进展随着乳酸菌对人体健康有益作用机理的深入研究和揭示。乳酸菌产品逐渐受到人们的重视。乳酸菌菌粉是生产这些产品的重要原料
13、,而常用于制备乳酸菌菌粉的方法是真空冷冻干燥法简称冻干9。而为了提高冻干后的存活率,则需要研究乳酸菌的冻干保护剂。在研究过程中,保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌可以从扫描电镜观察样品的结够与形态10。参考文献1王建,隋欣,姜铁民等直投式酸奶发酵剂菌体浓缩的研究J食品工业科技,2007,1173752李华,骆艳娥,刘延琳真空冷冻干燥微生物的进展J微生物通报,2002,378813CARVALHOAS,SILVA7,HOP,ETALEFFECTOFVARIOUSGROWTHMEDIAUPONSURVIVALDURINGSTORAGEOFFREEZEDRIEDERTEROCOCCUSFAECALISAND
14、ENLERACOCCUSDURANSJAPPLIEDMICROBIOLOGY,2003,949479524靳志强,李平兰培养基、保护剂和饥饿处理对冻干乳酸菌存活性的影响J食品科学,2007,72962995朱敖兰,杨洁生物制品冻干保护剂及其保护机理的研究进展J喀什师范学院学报,2007,646506BUMSOOHANANDJOHNCBISCHOFDIRECTCEL1INJURYASSOCIATEDWITHEUTECTICCRYSTLLIZATIONDURINGFREEZINGCRYOBIOLOGY,2004,488217李春,张兰威乳酸菌细胞膜冻干损伤研究进展J中国乳品工业,2004,3242
15、8298蒲丽丽,刘宁,张英华等乳酸菌冻干保护剂及保护机理的研究进展J中国乳业,2005650529蒲丽丽,刘宁,霍贵成嗜热链球菌冻干保护剂保护作用的研究J食品科技,2007,7323410蒲丽丽,刘宁保加利亚乳杆菌冻干保护剂保护作用的研究J中国酿造,2010,5464811SAMUELBLESLIEETA1TREHALOSEANDSUCROSEPROTECTBOTHMEMBRANESANDPROTEINSININTACTBACTERIADURINGDRYINGJAPPLIEDANDENVIRONMENTALMICROBIOLOGY1995,61103592359712钟芳食品的冷冻玻璃化保藏J
16、食品与机械,2000,795913杨基础等海藻糖对固定化酶的保护作用J化工学报,2000,5L2L9319714蒲丽丽,刘宁,张英华等乳酸菌冻干损伤与保护的研究进展J食品工业,2005718215吴玲,潘道东,刘海燕瑞士乳杆菌冻干保护剂的选择J2010,115715916满丽莉,向殿军冻干乳酸菌的研究进展J农产品加工,2010,3171917张英华,霍贵成,郭钨乳酸菌冷冻干燥技术研究进展J东北农业大学学报,2005,36679918林云双岐杆菌冻干保护剂条件的研究J饲料研究,2002,64719董英,林泽营,周国磊等泡菜乳酸菌冻干保护剂的研究J食品工业,2007,1101220邢蕾,吴晖,刘冬
17、梅等干酪乳杆菌鼠李糖亚种冻干保护剂的研究J中国乳品工业,2009,11151721古元懿,欧军,粱金钟保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌冻干工艺条件的研究J酿酒,2008,4475122吕燕妮,靳志强,李平兰等酸奶生产用直投式乳酸茵发酵剂研究J乳品加工,2005,11475023纪振杰,郭德军利用响应面法优化双歧杆菌冻干保护剂的配比J中国生物制品学杂志,2008,981381624张英华,霍贵成,郭鸽乳酸菌冷冻干燥保护剂的筛选J食品科技,2006,11727525邓鹏超乳酸菌的高密度培养及酸奶冻干发酵剂的研究D华中农业大学微生物学,200826吴祖芳,翁佩芳,楼佳瑜乳酸菌的高密度培养及发酵剂保藏技术的初步研究J食品与发酵工业,2009,559
