在生物制造领域,酶制剂作为一种高效的生物催化剂,正凭借其独特优势深刻改变着多个行业的生产模式。简单来说,酶制剂是通过物理或化学方法从生物体细胞或组织中提取酶,并经提纯、加工后制成的仍具有催化活性的生物制品,其核心特点在于催化效率高、专一性强,能在温和的pH值和温度条件下推动特定化学反应,同时还具备降低能耗、减少化学污染的优势,因此被广泛认为是安全、环保的工业原料,可按生产需要适量使用。
从应用场景来看,酶制剂的身影遍布多个关键行业。在食品工业中,它是提升食品品质的“隐形帮手”,比如淀粉酶可用于面包生产中的面团改良和啤酒制造的糖化过程,果胶酶能提高果汁出汁率并改善澄清度,乳糖酶则可解决乳糖不耐受人群的饮用难题;饲料工业中,植酸酶、纤维素酶等酶制剂能提高饲料养分消化率,减少动物粪便中氮、磷等污染物排放,是绿色饲料添加剂的核心成分;纺织工业里,淀粉酶、纤维素酶可用于织物退浆、牛仔布整理等工艺,替代传统化学试剂,降低对环境的污染并提升织物品质。此外,酶制剂还在医药、造纸、洗涤剂、皮革等行业发挥着不可替代的作用,市场规模正以年均11%的速度增长,发展前景广阔。
在酶制剂的工业化生产中,干燥是关键环节之一,直接影响产品的活性、稳定性和储存性能。喷雾干燥技术因具有干燥速度快、产品质量好、易于实现自动化生产等优势,成为酶制剂制备的主流技术之一。该技术通过将酶液雾化成微小液滴,使其与热空气充分接触,在瞬间完成水分蒸发,能有效缩短酶制剂的受热时间,降低活性损失,同时制成的颗粒具有粒度均匀、流动性好的特点,便于后续储存和应用。下面结合三个典型案例,详细说明那艾仪器喷雾干燥机在酶制剂制备中的具体应用。
第一个案例是喷雾干燥法制备乳糖酶粉剂,核心创新在于将细胞破碎与干燥过程一体化,实现了乳糖酶的绿色高效生产。乳糖酶是解决乳糖不耐受问题的关键酶制剂,传统生产方法需多步分离纯化,操作复杂且易引入化学污染。该案例采用产乳糖酶的乳酸菌发酵液为原料,直接向发酵液中添加保护剂——要么是10%~20%(g/100mL)的糊精,要么是15%~20%(g/100mL)的脱脂奶粉与糊精混合物(两者比例3~7:1),保护剂的作用是在干燥过程中维持酶的活性。随后将混合液送入喷雾干燥机,通过精准调控工艺参数实现细胞壁破碎与干燥同步完成,其中进风温度控制在125℃~135℃,物料流速为400-800mL/h。该工艺无需使用氯仿等化学试剂,避免了产品污染,同时简化了生产流程,最终制得的乳糖酶粉剂酶活回收率超过80%,为低乳糖乳制品的工业化生产提供了高活力、廉价的酶制剂原料。
第二个案例是饲用植酸酶的喷雾干燥制备,植酸酶作为饲料行业用量较大的酶制剂,其核心需求是在干燥后保持高活性,以确保能有效分解饲料中的植酸,释放磷等营养元素。该案例以重组毕赤酵母工程菌高密度发酵得到的粗酶液为原料,首先通过添加复合保护剂提升酶的热耐受能力,确定的最佳保护剂配方为5g/L MgSO₄·7H₂O、2g/L ZnSO₄·7H₂O和10g/L海藻糖,其中金属离子和海藻糖能形成保护膜,减少干燥过程中酶活性中心的破坏。在喷雾干燥工艺参数优化方面,通过考察进风温度、出风温度对酶活回收率的影响,最终确定进风温度160℃、出风温度70~75℃为最佳条件。在此参数下,植酸酶的酶活回收率达到80%,制成的植酸酶粉剂稳定性强,能适应饲料加工过程中的复杂环境,有效提高饲料利用率并降低养殖污染物排放。
第三个案例是基于设备改进的高酶活收率喷雾干燥制备技术,适用于蛋白酶、纤维素酶等多种热敏性酶制剂,解决了传统喷雾干燥酶活损失大、生产效率低的痛点。传统喷雾干燥工艺中,干物料与湿热风长时间接触会导致酶活大幅下降,该案例通过在旋风分离器和物料收集器的中轴线上设置挡风圆盘,使分离后的湿热风被直接导出,避免与干物料接触,同时在物料收集器罐体设置冷却装置,将内部温度控制在35~55℃,大幅缩短了干酶粉的受热时间。在工艺参数上,采用高进风温度设计,通过蒸汽换热器将进风加热至130~140℃后,再经自控电加热组升至170~180℃,并将雾化器离心转速调至8000~20000r/min,使雾珠直径小于100μm,提升干燥效率;通过调节物料流速将排风温度控制在75~95℃。该技术应用于蛋白酶发酵液干燥时,酶活收率达到72.1%~79.6%,固形物收率超过91%;应用于纤维素酶、糖化酶干燥时,酶活收率也均超过66%,同时生产效率提高20%以上,尤其适用于低成本饲用酶制剂的大规模工业化生产。
喷雾干燥技术凭借其高效、灵活的特点,已成为酶制剂工业化制备的核心技术之一,通过合理选择保护剂、优化工艺参数及改进设备结构,可有效解决酶制剂热敏性导致的活性损失问题。随着酶制剂应用领域的不断拓展,喷雾干燥技术也将朝着智能化、高效化、绿色化方向发展,进一步提升酶制剂产品质量,降低生产成本,为生物制造产业的升级提供有力支撑。对于从事酶制剂生产或相关应用行业的从业者而言,掌握不同酶制剂的喷雾干燥工艺要点,将有助于提升生产效率和产品竞争力。