基于喷雾干燥过程中胁迫控制的乳酸菌保护载体机理研究及配方设计

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近年来,通过喷雾干燥制备活性乳酸菌粉因具备成本低、产能高等优点引起越来越广泛的关注。大量文献报道了应用不同的乳酸菌保护策略以制备高活性菌粉。然而,在喷干过程中热胁迫和渗透压胁迫等多种不利因素对菌体活性的作用机理以及对应不同胁迫的针对性保护策略目前仍少有报道。本课题针对喷雾干燥过程中热胁迫和渗透压胁迫对乳酸菌存活率的影响展开研究。通过改变乳酸菌细胞培养条件、采用保护性组分对菌细胞进行预处理以及设计新型配方载体三个方面,系统地研究了这些保护措施对喷雾干燥后菌细胞的存活率、菌体损伤、粉体理化性质以及储存稳定性的作用。首先,以鼠李糖乳杆菌LGG为模型菌株,通过提高菌体培养温度及培养基浓度来调节菌细胞自身的抗逆性。培养基浓度及培养温度的同时提高使LGG在热处理实验中表现出较高的存活率,62℃热处理120 s后菌体存活率提高了67.5%。但不同培养温度的LGG在喷雾干燥后的存活率较为接近(29.11%和32.44%)。在制成喷雾干燥料液后的静置实验中,改变双重培养条件的LGG出现活性降低,表明菌体稳定性有所下降,不宜用于喷雾干燥实验,猜测与细胞的应答反应有关。进而,在将培养好的LGG细胞与载体溶液混合之前,对菌细胞进行乳清蛋白(WPI)或甘油的预处理,以调控喷干过程中菌细胞内的渗透压变化,探究细胞表面缓冲层和细胞内外渗透压对LGG活性和稳定性的影响。WPI处理后的细胞与保护载体海藻糖溶液混合,再进行热处理后细胞的存活率提高了 1.64个数量级。但以10%海藻糖和30%脱脂奶为载体的喷干粉中,WPI吸附后的细胞存活率分别下降了 37.15%和19.48%。进一步对LGG和乳清蛋白间的相互作用进行探究,发现WPI处理使细胞的新陈代谢活性和表面电荷稳定性都有所降低。电镜图中观察到WPI处理后的细胞相较新鲜培养的细胞表面粗糙度略有提高,说明可能有少量WPI附着在细胞表面。实验结果表明,LGG细胞对WPI及其他载体表现出应答反应,可能造成其菌体热耐受性的提高以及菌粉中细胞存活率的下降。然而,对实验室分离提纯的一株乳酸菌进行相同的WPI预处理实验,其喷雾干燥后的存活率并未下降,表明菌株与保护载体间的相互作用存在菌株特异性。而经甘油预处理后的LGG细胞,其细胞大小以及喷干后的菌体存活率和存储稳定性,均与新鲜培养的LGG细胞类似。接下来,结合保护机理不同的多种材料设计了配方载体,以提升菌细胞对喷干过程中热胁迫和渗透压胁迫的耐受性。将两种配方载体分别与标准条件下培养的LGG细胞混合进行喷雾干燥实验,对菌粉中LGG的存活率、细胞新陈代谢活性及存储稳定性进行了研究。实验结果表明,在海藻糖、乳清蛋白复配的喷干粉中,LGG在存储过程中具有优异的稳定性,4℃下存储11周,粉体中的细胞活性仅下降了 0.21个数量级。本文从三种角度尝试降低喷雾干燥过程中乳酸菌细胞经受的胁迫作用,探究热胁迫和渗透压胁迫对粉体中乳酸菌活性的影响及其作用机理,并设计了配方载体以降低这些胁迫对菌体活性和存储稳定性的影响,对之后进一步研究喷雾干燥制备高活性乳酸菌粉体具有一定的参考意义。
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