喷雾干燥具有低成本、高效快速、可连续生产等优点,是一种潜在的可替代冷冻干燥用于制备乳酸菌菌粉的干燥技术,但喷雾干燥过程中热空气对乳酸菌的致死效应导致干燥后乳酸菌的存活率较低。因此,深入开展乳酸菌在喷雾干燥过程中的损伤机制研究将有助于保护乳酸菌活性,实现喷雾干燥技术在乳酸菌菌粉制备的应用。首先,本研究建立了一种研究喷雾干燥过程中不同阶段乳酸菌损失机制的取样方法。首先设计了一种塔内取样装置,通过预置冷媒维持取样杯中的低温环境。将羰基铁粉(CIP)添加到脱脂乳中,利用CIP和取样杯底部磁铁之间的磁力作用捕获塔内特定位置的不同干燥程度的样品。取样过程中温度传感器负责记录颗粒接触温度。取样杯深度需随接触温度的上升而提高,以测定样品捕获时的水分含量。当空气温度低于79.1℃时,取样杯深度为3.5 cm;低于89.1℃时取样杯深度为5 cm。CIP与脱脂乳粉的添加比例为1:10,脱脂乳浓度不低于20%(w/w)时能够获得足够的样品量。通过在取样杯中预置无菌生理盐水可以准确地测定乳酸菌生物特性,利用该取样方法可准确可靠地获得喷雾干燥不同干燥阶段的乳酸菌样品。其次,通过建立在120/70℃条件下喷雾干燥过程中L.bulgaricus sp1.1活性、生理状态与水分之间的关系,揭示了喷雾干燥过程中乳酸菌损伤机制。结果表明90%的乳酸菌死亡发生在水分含量<23.52%(水分活度<0.82)。在喷雾干燥过程中,当水分含量<61.50%时,细胞壁是第一个受损但非致命的位点,细胞蛋白质的α-helix构象发生变化;当水分含量<23.52%时,细胞膜的通透性发生变化,导致细胞大量死亡,是干燥过程中关键性损伤位点;在干燥之后,细胞膜发生相变,细胞壁修复功能受到抑制。乳酸菌结构损伤顺序呈从外到内的特点。然后,通过研究喷雾干燥参数对乳酸菌活性的影响,发现随着出口温度的降低,乳酸菌存活率升高。但当出口温度低于65℃,乳酸菌活性不再变化,存活率稳定在28%左右。120/60℃是实现高存活率以及菌粉水分含量<7%的喷雾干燥进出口温度最优组合。比较进出口温度分别是120/70℃、120/60℃和110/60℃时喷雾干燥过程中温度、水分及乳酸菌活力分布特点,发现降低出口温度会导致颗粒通过增加在主循环区域运动距离以延长干燥时间。当出口温度为70℃时,乳酸菌同时受热及脱水损伤的影响,随着水分含量的降低,乳酸菌会持续死亡。当出口温度为60℃时,乳酸菌仅发生脱水失活,水分含量降低到一定程度时,乳酸菌不再继续死亡,降低出口温度可有效地减少致命性细胞膜损伤。提高出口温度会减少菌粉中乳酸菌活菌数,加重菌体损伤程度,最终导致菌粉产酸能力下降。提高出口温度会降低乳酸菌喷雾干燥过程中的关键水分含量,出口温度为60℃时,乳酸菌在水分含量低于27.50%左右时大量死亡;当出口温度为70℃时,乳酸菌大量死亡时的关键水分含量降至21.99%。同时,根据乳酸菌在喷雾干燥过程中损伤顺序由外到内的特点,利用碱性蛋白与乳酸菌、酸性蛋白之间的静电吸引力,以及谷氨酰转氨酶(TGase)对蛋白质分子交联作用,缩短蛋白质与菌体之间的距离以提高细胞外的保护。结果表明牛乳碱性蛋白质(MBP)和不完全TGase处理都可以提高喷雾干燥后乳酸菌的存活率。TGase处理的MBP-大豆分离蛋白质(SPI)会显著降低喷雾干燥对菌体细胞膜的损伤程度,将存活率提高至84.78%。MBP表面具有正电荷,与负电荷的SPI形成紧密的闭环复合体结构,能够吸附更多的乳酸菌。TGase处理不会改变蛋白质电荷性质,但通过加强蛋白质中的氢键,C=O和C=N键减少蛋白质乳酸菌复合体体积,同时打开蛋白质结构中的α-helix,暴露更多的疏水基团以加强对菌体的吸附能力。最后,根据细胞膜是关键损伤位点的特点,通过电穿孔技术将海藻糖负载到细胞内以加强对细胞膜的保护。结果显示当胞内海藻糖含量>3.47μg/10~7 CFU时开始起到保护作用;当胞内海藻糖时含量达到10.09μg/10~7 CFU时喷雾干燥后乳酸菌存活率可达到99.59%。电穿孔会对细胞膜造成损伤,由于胞内海藻糖可以在电穿孔及喷雾干燥过程中保护乳酸菌的细胞膜,适度电穿孔处理不会降低喷雾干燥后乳酸菌总的存活率。采用2.5 kV/cm,2次脉冲负载海藻糖后的乳酸菌,经电穿孔及喷雾干燥后的存活率为61.30%。将海藻糖负载及酶处理酸碱性蛋白两种处理方法联用后,乳酸菌喷雾干燥存活率提高至93.5%。本研究实现了喷雾干燥过程中取样,揭示了乳酸菌喷雾干燥过程中损失机制,证实了TG酶处理酸碱性蛋白质以及电穿孔负载海藻糖技术可以提高喷雾干燥后乳酸菌的存活率。