冷冻干燥与喷雾干燥对蛋清理化调控及动物双歧杆菌合生元功能的比较分析

《Food Chemistry: X》：Comparative analysis of freeze-drying and spray-drying on the physicochemical modulation and symbiotic functionality of egg white for Bifidobacterium animalis

　　

本研究探讨通过靶向干燥对蛋清(EW)进行理化调控，以开发用于动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)的双重作用保护剂与益生元。研究人员采用酵母脱糖、冷冻干燥(FDEW)与喷雾干燥(SDEW)，阐明了显著的工艺诱导转化。傅里叶变换红外光谱-主成分分析(FTIR-PCA)映射了不同的蛋白质构象偏移，突出喷雾干燥过程中热诱导聚集及美拉德反应产物(MRPs)的生成。这些化学修饰策略性地改变了蛋清功能性。脱糖FDEW表现出优越的冷冻保护功效，通过在冻干过程中减轻有害MRP形成与渗透胁迫，维持63–94%的动物双歧杆菌活力，优于脱脂乳对照。反之，SDEW中热诱导蛋白质聚集与MRP合成在严重热胁迫下阻止了益生菌完全死亡。此外，这些热修饰SDEW基质展现出显著益生元潜力，显著增强动物双歧杆菌生长动力学，超越商品菊粉。最终，调节加工条件系统性改变蛋清结构组成，将一种普遍原料转化为高效能合生元递送系统。

研究背景与立项依据

固态合生元产品因便携、长保质期而受关注，其核心是将益生菌与选择性促进其生长的益生元协同递送。动物双歧杆菌(Bifidobacterium animalis)对热、渗透与干燥胁迫高度敏感，是验证保护基质的严苛模型；该菌还可代谢美拉德反应产物(MRPs)与变性蛋白，适合评估蛋清基质双重功能。传统冷冻干燥与喷雾干燥虽工业化成熟，但使益生菌面临脱水、热伤与渗透压冲击，常用脱脂乳、菊粉保护剂存在致敏、成本高与特定条件下效力受限等问题。蛋清廉价高蛋白，具乳化、凝胶与起泡特性，且蛋白-寡糖组合有望兼作保护基质与益生元，但两种干燥诱导的理化结构变化及其对B. animalis存活-促生长双重作用机制尚不清楚。研究人员因此系统比较不同干燥蛋清在B. animalis冻干/喷干保护、体外促生长及理化构象上的差异，确立工艺-结构-功能关联，论文发表于《Food Chemistry: X》。

主要关键技术方法

研究人员以泰国公共卫生部医学科学司提供动物双歧杆菌亚种animalis TISTR 2194为模型菌，原料蛋清经50℃/60 min巴氏杀菌得PEW；脱糖FDEW采用5%酵母液按1:3(v/w)室温发酵6 h后离心分离。冻干组于?80℃、?30~0 atm处理24 h；喷雾干燥采用BUCHI B-290，分条件A（进风120℃、出风70–75℃、进料3.6–4.2 mL/min）与条件B（进风150℃、出风80–85℃、进料6.6–7.2 mL/min）。理化表征依托Bradford法测蛋白、苯酚-硫酸法测总糖、WA-60A测水分活度(a_w)、FTIR-ATR结合Unscrambler X PCA分析构象；生物评价包括滴板法计数冻干/喷干后活力、厌氧37℃摇床培养评估FDEW/SDEW对B. animalis 0–8 h生长动力学，并以脱脂乳、菊粉作正负对照。

研究结果

3.1 干燥工艺对产量、a_w与理化的影响

冻干FDEW得率可达约73%、a_w低至0.2；喷干SDEW得率1.8–7.7%，条件B比条件A得率与a_w更高（如75% EW时S1A a_w 0.35、S1B 0.38）。所有粉末a_w<0.6，满足微生物抑制阈值，但工艺显著改变微粉学特性。

3.2 加工条件对蛋白、糖与光谱性质的影响

3.2.1 蛋白含量与构象：FDEW蛋白约727 mg BSA当量/g（72% w/w），SDEW150℃约63%、SDEW120℃约45%，均高于PEW(18%)与脱脂乳(2.6%)。FTIR-PCA显示喷干高温使Amide I β-sheet(1636 cm^?1)信号增强，提示热 unfold 与疏水暴露。

3.2.2 酵母脱糖效应：(?)FDEW总糖4.71% w/w，较(+)FDEW 6.56%降约28%（p<0.05）；PCA于1140–800 cm^?1区分出(?)FDEW以果糖特征峰（1006、885 cm^?1等）为主，(+)FDEW保留葡萄糖峰（1114、1037 cm^?1），证实脱糖成功且降低MRP风险。

3.2.3 FTIR-PCA整体判别：PC1(85%)分离冻干与受热样，PC2(9%)反映脂质-蛋白相互作用增强；喷干样在2161/2016 cm^?1等出现N–H倍频与组合带，证实热聚集。

3.2.4 冻干保护效力：含EW组(F4/F5/F6/F9) B. animalis活力63–94%，显著高于脱脂乳正对照33%；F9((?)FDEW 100%)最高。Pearson相关显示EW含量(r=0.818)与初始菌量(r=0.777)正相关活力，a_w负相关。脱糖减MRP、以蛋白基质裹挟细胞是核心机制。

3.2.5 喷干热保护：负对照(生理盐水)菌全死；EW组(5.80–6.54 Log₁₀ CFU)活力52.62–62.57%，与脱脂乳相当；条件B比A活力略升，a_w与活力强正相关(r=0.923)。高温使蛋白凝胶化封装菌体、高进料流速缩短受热停留是关键。

3.2.6 体外促生长：SDEW 2.5%组生长速率18.67% h^?1，1.25%组17.18% h^?1，均优于菊粉(15.51%)与负对照(14.28%)；FDEW较弱。SDEW中MRPs与变性蛋白提供可代谢碳氮源，是合生元增效主因。

讨论与结论翻译

研究人员讨论指出，干燥路径决定蛋清结构重组方向：冻干保天然构象、适合作冷冻保护剂；喷干诱发聚集与MRPs、适合作热保护剂兼益生元底物。脱糖步骤消除冻干期糖-胺副作用，是FDEW优效前提。工艺参数（温度、进料流率）通过调控a_w与基质网络间接决定益生菌加工存活，但高a_w仅反映过程封装缓冲而非长期贮藏稳定，后续需平衡即时存活与货架期。结论：靶向调节蛋清干燥条件可将其从普通配料转化为双重功能合生元载体——脱糖FDEW为B. animalis冻干优选保护剂（超脱脂乳），热修饰SDEW借MRPs实现优于菊粉的促生长，为高蛋白固态合生元设计提供量化依据。