超高壓均質(zhì)參數(shù)對酵母破壁率的影響

1、超高壓均質(zhì)參數(shù)對酵母破壁率的影響戴寧1 ，張裕中1 ，周東21( 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫，214122) 2( 重慶江增機械有限公司，重慶，402263)摘 要 利用超高壓均質(zhì)設備進行酵母破壁實驗研究，考察酵母溶液濃度、均質(zhì)壓力和均質(zhì)時間 3 個因素對酵母破壁率的影響。通過研究可知: 酵母的破壁率隨著溶液濃度的增加先增大后減小，濃度在 10% 左右達到最 佳; 破壁率隨著均質(zhì)壓力的升高而增大，但上升梯度逐漸減小; 破壁率隨著均質(zhì)時間的延長而增大并逐漸趨于水 平，在超高壓操作工況下，短時破壁即可達到較理想的效果。在實驗范圍內(nèi)，酵母濃度 10% 、均質(zhì)壓力 172 MPa 和均質(zhì)時間 1

2、7 min 為最佳工藝條件。實驗研究為廢酵母的加工和利用提供了參考依據(jù)。關鍵詞 超高壓均質(zhì)，酵母，細胞破壁近年來，我國啤酒工業(yè)發(fā)展迅速，2009 年我國啤酒產(chǎn)量達到了 4236. 38 萬 t，連續(xù) 8 年位居世界首位。該行業(yè)的迅速發(fā)展帶來廢棄酵母量的增加。在啤酒生產(chǎn)中，每生產(chǎn) 100t 啤酒可得到含水分 75% 80%的廢棄酵母 1. 5 t，可制成含水 8. 5% 9. 0% 的干酵母約 0. 35 t1。依此計算，2009 年全國可由廢棄酵 母回收制得干酵母 14. 83 萬 t。目前許多啤酒生產(chǎn)工 廠把廢酵母干燥后制成飼料，酵母的附加值比較低。 啤酒廢酵母中含有 50% 的蛋白質(zhì)，4%

3、 8% 的 核糖核酸( RNA) ，2% 的 B 族維生素，1% 的谷胱甘肽 及輔酶 A，此外還有豐富的氨基酸2 3。酵母細胞內(nèi) 含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、RNA 等，充分利用 這些營養(yǎng)物質(zhì)需要對酵母細胞進行破壁，因而破壁技術就顯得尤為重要。酵母細胞壁較厚( 酵母細胞壁結(jié)構見圖 1) ，很難 破除，必須利用外力使之破壞或分解。目前破壁的方 法很多，按照作用于酵母細胞壁的部位不同進行分 類，如圖 2 所示?；瘜W破壁法使用較多，但會造成一 些營養(yǎng)成分的破壞，而且為有效成分的提取增加了困 難。酶法破壁是最近幾年才開始研究，破壁效果明顯 好于化學法4。高壓均質(zhì)屬于物理破壁方法，方法 簡單，成本低，

4、處理量大，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，能較好 地保存營養(yǎng)成分4 9。本文利用超高壓均質(zhì)設備進行酵母破壁實驗， 考察酵母溶液濃度、均質(zhì)壓力和均質(zhì)時間 3 個因素對 酵母破壁率的影響，在超高壓操作下，考察指標與各 因素的變化趨勢。圖 1 酵母細胞壁結(jié)構示意圖圖 2 酵母細胞破壁方法1材料與方法材料與儀器安琪高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司生1. 1產(chǎn)。超高壓均質(zhì)機，Emulsiflex C3; 空氣壓縮機，Puma直接傳動式; 生物光學顯微鏡，Galen ; 攪拌分散 器，西貝樂 SQ2119C; 激光粒度儀，Master Sizer 2000; 電子天平，上皿電子天平 JY2002; 血球計數(shù)板，XB-

5、 K-25 血細胞計數(shù)板。第一作者: 碩士研究生。收稿日期: 2011 05 26; 2011 07 091. 2酵母破壁率統(tǒng)計方法將酵母按照各種比例濃度配制溶液，取樣稀釋后2011 年第 37 卷第 9 期(總第 285 期)109在生物光學顯微鏡下觀察血球計數(shù)板上所有酵母個數(shù)。利用超高壓均質(zhì)設備破壁，然后取樣稀釋后在生 物光學顯微鏡下觀察血球計數(shù)板上未破壁的酵母個 數(shù)8。采用 XB-K-25 血球計數(shù)板，計數(shù)室面積是 1 mm2 ，計數(shù)板共有 400 ( 25 × 16 ) 個小格，每小格面積 是 1 /400 mm2 。每次樣品重復計數(shù) 2 3 次，每次數(shù) 值不應相差過大，否則

6、重新操作，取其平均值10。素試驗的酵母濃度取 1% 20% ，均質(zhì)壓力取 20 160 MPa，均質(zhì)時間取 2 20 min。根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，為了得到酵母破壁率與 這 3 個因素之間的量化關系，進一步采用 3 因子 3 水 平二次正交試驗進行研究。22. 1結(jié)果與分析破壁率的計算公式: B / % = c c' × 100單因素試驗由圖 3 可知，隨著酵母濃度的增大，酵母破壁率c式中: B，破壁率( % ) ; c，均質(zhì)前的細胞數(shù)( 相同稀釋 倍數(shù)) ; c，均質(zhì)后未破壁的細胞數(shù)( 相同稀釋倍數(shù)) 。1. 3試驗方案考察酵母溶液濃度、均質(zhì)壓力和均質(zhì)時間這 3 個 影響因

7、素，指標為酵母細胞的破壁率。先進行單因素試驗，找出 3 因素的影響規(guī)律和優(yōu) 化范圍。由于實驗采用的 Emulsiflex C3 均質(zhì)機是納 米級實驗機，其最高操作壓力為 200 MPa，但由于實 驗設備存在一定限制，試驗壓力不宜超過 180 MPa， 而且當物料濃度過大會引起均質(zhì)頭的堵塞，所以單因先增后減，在濃度為 10% 時破壁率達到最大，所以優(yōu)化范圍取 5% 15% ; 均質(zhì)壓力低于 40 MPa 時破壁 率比較低，高于 40 MP 時破壁率顯著增大，但考慮到 設備能力的限制，優(yōu)化范圍取 40 160 MPa; 當均質(zhì) 時間較短時，破壁率較低，均質(zhì) 8 16 min 時破壁率 才超過 60

8、% ，超過 16 min 后破壁率增長趨勢非常平 緩，也就是再增加均質(zhì)時間對破壁率的影響很小，所 以優(yōu)化范圍取 8 16 min。圖 3 單因素試驗結(jié)果圖2. 2正交回歸試驗單因素試驗結(jié)果表明，酵母溶液濃度、均質(zhì)壓力式中: X1 、X2 、X3 分別表示酵母濃度( % ) 、均質(zhì)壓力( MPa) 和均質(zhì)時間( min) ; Y酵母破壁率( % ) 。和均質(zhì)時間均對酵母破壁效果有較大影響。采用 3因子 3 水平二次正交試驗進行組合試驗研究，如表 1所示。2. 2. 1數(shù)學模型的建立對試驗數(shù)據(jù)進行處理，建立了 3 個因素對酵母破壁率影響的二次回歸數(shù)學模型，經(jīng)過對數(shù)學模型的 F檢驗后，確認為有效。回

9、歸模型為:Y = 48. 874 8 + 7. 535 5X1 + 0. 915 7X2 0. 3792. 2. 2交互作用分析由破壁率的回歸方程方差分析的 F 值大小比較可知，在考察的 3 個因素中，均質(zhì)壓力對于酵母破壁 率指標值的影響最大。其次為酵母濃度，最后為均質(zhì) 時間。顆粒濃度作為顆粒群特性之一在許多工業(yè)應 用場合對考察指標的影響各不相同11，應根據(jù)具體 的環(huán)境分析。為觀察交互影響，固定一因素為零水 平，根據(jù)回歸方程繪制響應面圖，如圖 4 圖 6 所示。223X1 0. 001 9X2 0. 011 3X2 X31102011 Vo l. 37 No. 9 ( To ta l 285)

10、食品與發(fā)酵工業(yè)FOOD AND FERMENTATION INDUSTRIES生產(chǎn)與科研經(jīng)驗表 1酵母破壁回歸正交試驗表因 素酵母濃度 X1均質(zhì)壓力 X2均質(zhì)時間 X3序號破壁率 Y /編碼編碼編碼濃度 /壓力 /時間 /% % x1 Pa x2 min x3 123456789101112131415151515555516. 0753. 925101010101111 1 1 1 11. 215 1. 215000016016040401601604040100100172. 927. 110010011 1 111 1 1001. 215 1. 215001681681681681212

11、121216. 867. 141 11 11 11 100001. 215 1. 21580. 7379. 3440. 7225. 4284. 4680. 1240. 0127. 9558. 2859. 4592. 3433. 6879. 1266. 72 15 10 0 100 0 12 0 74. 64 增大操作能耗的增加，實際的均質(zhì)壓力應采用某個合適的值。圖 4 濃度和壓力對破壁率影響的響應面圖 6 壓力和時間對破壁率影響的響應面從圖 5 和圖 6 中可以看出，均質(zhì)時間對破壁率的影響力較小。濃度和時間的交互作用要比壓力和 時間的交互作用低。在較低均質(zhì)壓力下，時間對破壁 率的影響力較大;

12、在較高均質(zhì)壓力下，延長均質(zhì)時間 基本上對破壁率無影響。并且在實驗范圍點內(nèi)，破壁 率隨著均質(zhì)時間的增加而近似呈線性增加。根據(jù)響應面分析和實驗數(shù)據(jù)可以推斷出，10% 的 酵母溶液濃度在相對較低的均質(zhì)壓力下需要經(jīng)過較 長時間才能達到較好的破壁率; 而在相對較高的超高 均質(zhì)壓力下只需要經(jīng)過較短的時間( 8min) 就能達到 較好的破壁率。而在實際的應用中，在操作壓力一定 的前提條件下，均質(zhì)時間應當越少越好，因為反復均 質(zhì)破壁事實上會對已經(jīng)破碎后并被釋放出來的物質(zhì) 進行均質(zhì)，這樣會給后處理工藝帶來困難，很可能會 影響產(chǎn)物收得率8。并且均質(zhì)時間越長也會增加設 備的磨損耗損，不利于設備的維護。因此可以在超高

13、 壓均質(zhì)工況下，采用短時間進行破壁，且破壁率較高， 從圖 5 中也可以看到，對于 P = 160 MPa 的情況，均圖 5 濃度和時間對破壁率影響的響應面從圖 4 和圖 5 中可以看出，隨著酵母濃度的增大，破壁率先增大后降低，酵母的濃度存在最優(yōu)極值 點。實驗范圍內(nèi)，10% 的酵母溶液濃度在相對較低的 均質(zhì)壓力下也可達到較高的破壁率?？梢酝茢啵侠?的酵母溶液濃度可以有效地提高均質(zhì)破壁率的效率。從圖 4 和圖 6 中可以看出，實驗范圍點內(nèi)，隨著 均質(zhì)壓力的增加酵母破壁率逐漸增加，而且壓力對破 壁率的影響非常顯著，證明了酵母破壁的有效手段是 采用較高破壁壓力。但當壓力增加到一定程度后，破 壁率的上

14、升梯度開始減小，可以預測破壁率會趨于某 一水平。由于設備極限壓力的限制以及隨著壓力的2011 年第 37 卷第 9 期(總第 285 期)111質(zhì)時間的長短已影響不大。實驗所得的回歸模型得到的優(yōu)化結(jié)果為: 當 X1 = 9. 706 0，X2 = 172. 835 0，X3= 16. 860 0 時，Y 最大值為 93. 9253。根據(jù)此理論計算結(jié)果，取酵母濃度 C = 10% 、均 質(zhì)壓力 P = 172 MPa、均質(zhì)時間 T = 17 min 進行實驗， 得到酵母破壁率 B = 93. 04% 。理論計算與實驗實際 結(jié)果誤差為 0. 89% 。考察均質(zhì)壓力、酵母溶液濃度和均質(zhì)時間這 3 個

15、因素對酵母細胞破壁率的影響，對試驗數(shù)據(jù)進行處理與分 析得出以下結(jié)論:( 1) 酵母的破壁率隨著濃度的增加先增大后減 小，酵母溶液大約在 C = 10% 左右達到最佳破壁率。( 2) 酵母的破壁率隨著均質(zhì)壓力的升高而增大， 但當均質(zhì)壓力增加到一定程度后，破壁率的上升梯度 開始減小; 在一定范圍內(nèi)，均質(zhì)壓力越高對酵母破壁 越有利，但綜合設備均質(zhì)壓力的限制和操作能耗等因 素，均質(zhì)壓力并不是越高越好，應當有一個最佳值。( 3) 酵母的破壁率隨著均質(zhì)時間的延長而增大， 并逐漸趨于水平; 在超高壓操作工況下，短時破壁即 可達到較理想的效果。( 4 ) 在實驗范圍內(nèi)，酵母濃度 10% 、均質(zhì) 壓 力172M

16、Pa 和均質(zhì)時間 17min 為最佳工藝條件。2. 3酵母粒度檢測根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，利用激光粒度儀對破壁前后酵母進行顆粒群粒度分布的測試。破壁前的酵母溶液粒度分布情況如圖 7 所示，其中 d0. 1 = 3. 317m，d0. 5 =4. 635m，d0. 9 = 6. 455m。該類酵母的粒徑較小且 分布較窄。參 考 文 獻1楊翠竹，李艷，阮南，等 酵母細胞破壁技術研究與應用進展J 食品科技，2006( 7) : 138 142徐棟，王春維 高壓均質(zhì)與酶法破碎酵母細胞壁的工 藝條件研究J 飼料工業(yè)，2009，30( 12) : 44 47 吳潤嬌，劉振揚 啤酒廢酵母綜合破壁法提取酵母味 素技術J

17、 釀酒科技，2007( 11) : 95 96 賈艷萍，魏群，趙軍 對酵母細胞酶法破壁的研究J 中國釀造，2005( 9) : 11 13Shynkaryk M V，Lebovka N I，LanoiselléJ L，et al Electri- cally-assisted extraction of bio-products using high pressure disruption of yeast cells ( Saccharomyces cerevisiae) J Journal of Food Engineering，2009，92( 2) : 189 195Bury

18、 D，Jelen P，Kaláb M Disruption of Lactobacillus del- brueckii ssp bulgaricus 11842 cells for lactose hydrolysis in dairy products: a comparison of sonication，high-pres- sure homogenization and bead millingJ Innovative Food Science Emerging Technologies，2001，2( 1) : 23 29 晏志云，蔡奕文 提高酵母抽提物得率及氨基氮含量

19、的研究J 中國調(diào)味品，2001 ( 8) : 19 22，27 孫海翔，尹卓容 高壓均質(zhì)破碎啤酒酵母細胞壁的研 究J 食品工業(yè)科技，2002，23( 2) : 66 67 黃淑霞，史紅梅 機械破壁和鹽法結(jié)合從啤酒酵母中 提取 RNAJ 釀酒，2004，31( 1) : 81 82錢存柔，黃儀秀 微生物學實驗教程M 北京: 北 京大學出版社，1999: 97 99伍沅 撞擊流原理·性質(zhì)·應用M 北京: 化 學工業(yè)出版社，2006: 44 4923圖 7 破壁前酵母溶液粒度分布酵母濃度 C = 10% 、均質(zhì)壓力 P = 172 MPa、均質(zhì)時間 T = 17 min 進行破壁

20、實驗后的酵母溶液粒度分4布情況 如 圖 8 所 示，其 中 d0. 1m，d0. 55= 0. 951=1. 955 m，d0. 9 = 3. 551m。破壁后酵母溶液中顆粒分布變寬。與破壁前相比較，d0. 5 更小，且小顆粒的體 積濃度也增加，說明大多數(shù)酵母細胞已破壁成為空腔 和碎片，達到比較好的破壁效果。6789圖 8 破壁后酵母溶液粒度分布( C = 100% ，P = 172MPa，T = 17min)1011結(jié)論采用超高壓均質(zhì)設備對酵母進行破壁實驗，通過31122011 Vo l. 37 No. 9 ( To ta l 285)食品與發(fā)酵工業(yè)FOOD AND FERMENTATION

21、 INDUSTRIES生產(chǎn)與科研經(jīng)驗Effects of Ultra-high-pressure Homogenization Parameterson Yeast Cell DisruptionDai Ning1 ，Zhang Yu-zhong1 ，Zhou Dong21( School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)2( Chongqing Jiangzeng Turbo Charger Machinery Company Limited，Chongqing 402263，China)ABST

22、RACT Yeast cell disruption experiments have been conducted by ultra-high-pressure homogenizer Simulatedthe relationship of disruption against operation parameters covering yeast concentration，homogenization pressure and operation time. Yeast cell disruption first increased as the concentration incre

23、asing and then decreased，achieved the best with the concentration about 10% . Yeast cell disruption increased with the increasing homogenization pressure， but then gradually disrupted rate reduced. Disruption increased with the homogenization time and then also gradually tended to the constant. Under ultra-high pressure conditions，a short-time operation can achieve better results. In the experimental range，10% of yeast concentration，172MPa of homogenization pressure and 17min of homogenization time are the optimum conditions. The research is an important t