鄧思敬,杜磊,謝靜莉*,魏東芝
1(華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200237)2(華東理工大學(xué) 生物工程學(xué)院食品科學(xué)與工程系,上海,200237)3(華東理工大學(xué) 魯華生物技術(shù)研究所,上海,200237)
臭豆腐是傳統(tǒng)發(fā)酵食品,具有獨(dú)特的風(fēng)味及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。臭豆腐通常分為發(fā)酵型和非發(fā)酵型,由于全國(guó)各地飲食習(xí)慣各不相同,臭豆腐的制作工藝、香氣成分也有較大區(qū)別。傳統(tǒng)的發(fā)酵型臭豆腐鹵液通常使用蔬菜及香辛料,以一定的配比自然發(fā)酵而成[1]。湖南地區(qū)鹵液配方以豆豉、純堿、青礬、香菇等為主,所泡制的豆腐表面呈黑色。而江南一帶以紹興地區(qū)為代表的鹵液配方則以莧菜梗、生姜、花椒等為主,所泡制豆腐表面呈米白色。鹵液發(fā)酵過(guò)程中,微生物扮演著十分重要的角色,尤其乳酸菌,其組成、含量對(duì)鹵液風(fēng)味的形成及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的提升起著決定性的作用[2]。然而,傳統(tǒng)臭豆腐鹵液的生產(chǎn)往往在敞口的缸或水泥池中,微生物來(lái)源于空氣等自然環(huán)境,存在食品安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此,符合食品安全要求,采用明確的菌種,確定的工藝對(duì)新鮮原料發(fā)酵的生產(chǎn)方式亟待建立[4]。
本課題以紹興地區(qū)風(fēng)味特征的臭豆腐鹵液為對(duì)象,運(yùn)用分離自自然發(fā)酵的臭豆腐鹵液中的乳酸菌,通過(guò)分析菌種的發(fā)酵能力、抑菌特性、蛋白水解能力,篩選出適用于鹵液生產(chǎn)的乳酸菌菌種,進(jìn)行多菌株復(fù)配發(fā)酵,獲得一種新型、安全的臭豆腐發(fā)酵鹵液。采用固相微萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的方法對(duì)鹵液中的香氣成分進(jìn)行分析,為臭豆腐鹵液的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
莧菜梗、生姜、花椒、豆腐坯,上海清美綠色食品集團(tuán);MRS培養(yǎng)基,北京AOBOX生物技術(shù);茚三酮,阿拉丁生化科技股份公司;其余試劑均為分析純,國(guó)藥試劑有限責(zé)任公司。
恒溫培養(yǎng)箱(BS-1E),常州市凱航儀器有限公司;酶標(biāo)儀(DNM-9602A),美國(guó)BIOTEK儀器有限公司;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(7890A),美國(guó)Agilent公司;PDMS萃取頭(85 μm),美國(guó)Supelco公司;pH計(jì)(UB-7),Denver Instrument;色譜柱(DB-Wax,60 m × 0.25 mm,0.25 μm),日本島津?qū)嶒?yàn)器材有限公司。
1.3.1 乳酸菌的活化及培養(yǎng)
乳酸菌保藏于-80 ℃甘油管中,16S rDNA測(cè)序結(jié)果經(jīng)GenBank核酸序列比對(duì),確定菌株物種歸屬如表1所示。以體積分?jǐn)?shù)2%接種量接種于MRS液體培養(yǎng)基,37 ℃培養(yǎng)18 h,室溫下以4 000 r/min離心15 min,最后用生理鹽水懸浮至菌體濃度為107CFU/mL,用于后續(xù)發(fā)酵。

表1 16S rDNA測(cè)序結(jié)果比對(duì)表Table 1 The results of 16S rDNA sequence
1.3.2 鹵液的配制與接種發(fā)酵
配制體積分?jǐn)?shù)為2%的無(wú)菌鹽水,以莧菜梗123 g/L、生姜12.55 g/L、花椒6.3 g/L來(lái)配制基礎(chǔ)培養(yǎng)基用于鹵液的發(fā)酵。篩選所得乳酸菌遵循1.3.1方法培養(yǎng)稀釋后同比例接種于發(fā)酵前培養(yǎng)基中,單菌株發(fā)酵或復(fù)配乳酸菌發(fā)酵液的初始總菌濃均保持為104CFU/mL,并于發(fā)酵8 h 時(shí)加入體積分?jǐn)?shù)2%的大豆蛋白。
1.3.3 發(fā)酵液中總菌濃及總酸度、pH的測(cè)定
(1) 菌濃的測(cè)定:每隔2 h取發(fā)酵液100 μL以無(wú)菌生理鹽水梯度稀釋后于MRS固體培養(yǎng)基(20 g/L瓊脂)上涂布培養(yǎng),每組3個(gè)平行,37 ℃恒溫倒置培養(yǎng)30 h,讀取并確定菌濃。
(2) 酸度的測(cè)定:發(fā)酵液3 000 r/min,室溫離心10 min取上清液,以0.1 moL/L的NaOH溶液滴定。總酸度以100 mL發(fā)酵液消耗的NaOH體積表示,1 mL 0.1 moL/L NaOH為1°T。
(3) pH的測(cè)定:數(shù)字pH計(jì)測(cè)定。
1.3.4 抑菌作用的測(cè)定
活化的菌液用于單菌株鹵液發(fā)酵,并進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn)。將大腸桿菌、金黃色葡萄球菌菌濃為107CFU/mL的活化菌液以20 μL∶30 mL的比例加入融化的LB固體培養(yǎng)基(20 g/L瓊脂)中,凝固后牛津杯中分別注入150 mL 待測(cè)發(fā)酵液,以未經(jīng)發(fā)酵的鹵液基底作為對(duì)照,37 ℃恒溫過(guò)夜培養(yǎng)后測(cè)量記錄抑菌圈。
1.3.5 蛋白水解能力的測(cè)定
采用茚三酮比色法進(jìn)行氨基酸含量的測(cè)定。
(1) 茚三酮顯色劑的配制:取0.5 g水合茚三酮果糖0.300 g,Na2HPO411.00 g,NaH2PO46.00 g,去離子水溶解并定容至100 mL。
(2) 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:甘氨酸以去離子水溶解配制濃度為2~20 mg/L的甘氨酸標(biāo)準(zhǔn)液,取2 mL標(biāo)準(zhǔn)液與3 mL茚三酮顯色劑、2 mL PBS緩沖液(pH 5.5)混勻,沸水浴加熱30 min后迅速冷卻,于570 nm處測(cè)定吸光值,所得標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.039 1x+0.039 3(R2=0.999 1)。
(3) 蛋白水解液中氨基酸含量的測(cè)定:在未經(jīng)發(fā)酵的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加碾碎的豆腐坯(40 g/L)作為氮源,分別經(jīng)乳酸菌水解0、8、24 h后取樣,5 000 r/min室溫離心10 min,上清液用于蛋白水解度的測(cè)定,反應(yīng)體系同1.3.5(2)所述。
水解度以DH表示,按公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:h,水解后每克蛋白質(zhì)被裂解的肽鍵量,mmol/g;htot,水解度常數(shù),mmol/g。
1.3.6 發(fā)酵液香氣成分的萃取與分析
取發(fā)酵所得臭豆腐鹵液產(chǎn)品30 mL、NaCl 5 g、5 μL 0.02 g/L的乙酸苯乙酯于頂空萃取瓶中,磁力攪拌器于50 ℃下80 r/min萃取90 min。PDMS萃取頭(85 μm)在進(jìn)樣口250 ℃解吸5 min,每組3個(gè)平行。
氣相色譜檢測(cè)條件:采用DB-WAX色譜柱進(jìn)行氣相色譜分析,進(jìn)樣模式為不分流,載氣(He)流量1.0 mL/min,升溫程序:初始溫度40 ℃,保持4 min;以 5 ℃/min升至100 ℃,再以10 ℃/min升至220 ℃,在220 ℃保持8 min。
質(zhì)譜檢測(cè)條件:離子源溫度200 ℃;EI電離源;電子能量為70 eV;檢測(cè)器為350 V;掃描范圍m/z為33~450 amu。
1.3.7 數(shù)據(jù)分析
結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示,數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0進(jìn)行分析。
13株實(shí)驗(yàn)室乳酸菌菌株經(jīng)單一菌種發(fā)酵所得的臭豆腐鹵液,以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為對(duì)象進(jìn)行抑菌試驗(yàn)。由表2可知,6株菌株發(fā)酵所得鹵液在平板上可以觀察到明顯的抑菌圈,對(duì)大腸桿菌或(和)金黃色葡萄球菌具有良好的抑菌特性。戊糖片球菌2-2、植物乳桿菌1-3、1-1對(duì)2種致病菌均有抑制特性,通過(guò)對(duì)比抑菌圈直徑可知1-1菌株抑菌特性最佳;戊糖片球菌2-4、乳酸乳球菌3-1只可單一地抑制大腸桿菌生長(zhǎng),植物乳桿菌3-3只可單一地抑制金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。這證明部分菌株的發(fā)酵液對(duì)食品中2種較為常見(jiàn)的致病菌具有抑菌性,將其用作臭豆腐鹵液發(fā)酵菌株可有效解決發(fā)酵過(guò)程中有害微生物污染的食品安全隱患。

表2 菌株抑菌圈的測(cè)定Table 2 Inhibition zones of strain
臭豆腐發(fā)酵鹵液中氨基酸含量可用于表征大分子蛋白質(zhì)被微生物酶系水解程度,水解度越高則豆腐口感越細(xì)膩軟糯,鮮味成分越多。由圖1可知,分離得到的13株乳酸菌均具有不同程度的蛋白水解能力,設(shè)置發(fā)酵總時(shí)長(zhǎng)為24 h。在發(fā)酵初期蛋白水解度普遍較低,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),植物乳桿菌3-3、乳酸乳球菌3-1和戊糖片球菌2-2的蛋白水解度與發(fā)酵時(shí)間呈正相關(guān),3-1在24 h時(shí)達(dá)到12.6%,這是由于乳酸菌在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生蛋白酶及肽酶對(duì)大豆蛋白有降解作用[5]。而植物乳桿菌2-1、1-4、1-1、1-2、1-3、戊糖片球菌3-4及發(fā)酵乳桿菌2-3的DH值在12 h左右到達(dá)頂點(diǎn);發(fā)酵后期(12~24 h)逐漸下降,可能是由于發(fā)酵底物被大量消耗,而發(fā)酵菌株的代謝產(chǎn)物與其蛋白酶形成復(fù)合物,蛋白酶活力被抑制,水解產(chǎn)物可能被細(xì)胞再次用于合成自身的蛋白質(zhì)[9]。


圖1 不同菌株發(fā)酵液中的蛋白水解度Fig.1 Degree of hydrolysis of protein in single strain fermented stinky Tofu brine
以菌株為單一變量進(jìn)行單菌株鹵液發(fā)酵。由圖2可知,植物乳桿菌1-1、1-2、1-3、3-3發(fā)酵能力較好,在發(fā)酵前期(0~12 h)呈指數(shù)增長(zhǎng)并在12~18 h左右生長(zhǎng)放緩進(jìn)入穩(wěn)定期。植物乳桿菌1-4、2-1及發(fā)酵乳桿菌2-3發(fā)酵能力差,甚至在發(fā)酵后期(18~24 h)菌濃突降,鹵液發(fā)酵終點(diǎn)菌濃較低。戊糖片球菌4-1、2-2、3-4及乳酸乳球菌3-1發(fā)酵能力較好,在發(fā)酵前期(0~18 h)呈指數(shù)增長(zhǎng),在18 h左右生長(zhǎng)放緩進(jìn)入穩(wěn)定期。彎曲乳桿菌3-2及戊糖片球菌2-4發(fā)酵能力差,鹵液發(fā)酵終點(diǎn)菌濃較低。

圖2 單菌株發(fā)酵期間鹵液菌濃變化圖Fig.2 Variation of bacterial concentration in single strain fermented stinky Tofu brine
13株實(shí)驗(yàn)室乳酸菌分別進(jìn)行單一菌種發(fā)酵,所得的臭豆腐發(fā)酵鹵液以SPME萃取其揮發(fā)性香氣成分后借助GC-MS檢測(cè)分析。由表3結(jié)果可知,經(jīng)乳酸菌單菌株發(fā)酵后可檢測(cè)到主要香氣成分16種。值得注意的是,部分醇類、酯類、醛類、酮類、酚類以及臭豆腐臭味氣息的主要來(lái)源吲哚及部分硫醚類物質(zhì)均在菌株發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生。其中植物乳桿菌1-1、植物乳桿菌1-3和乳酸乳球菌3-1發(fā)酵產(chǎn)品中醇、酯類揮發(fā)性物質(zhì)豐度較高,可為鹵液貢獻(xiàn)濃厚、醇香的氣味,而戊糖片球菌4-1及戊糖片球菌2-2發(fā)酵產(chǎn)品中吲哚及硫醚類物質(zhì)豐度較高,此類物質(zhì)為臭豆腐臭味氣息的主要來(lái)源,將會(huì)對(duì)香氣特征形成產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)。

表3 單菌株發(fā)酵臭豆腐發(fā)酵鹵液中特征香氣成分及其相對(duì)含量Table 3 The relative content of volatile compounds of fermented stinky Tofu brine fermented by single strain

綜合上述分離所得菌株的蛋白水解能力、抑菌能力、發(fā)酵能力及單菌株發(fā)酵臭豆腐發(fā)酵鹵液香氣成分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)級(jí)結(jié)果如表4所示,篩選出戊糖片球菌2-2、植物乳桿菌1-1、植物乳桿菌1-3、植物乳桿菌3-3、乳酸乳球菌3-1、戊糖片球菌4-1、植物乳桿菌1-2、戊糖片球菌3-4進(jìn)行混合發(fā)酵,分別在0、6、12、18、24 h測(cè)定其生長(zhǎng)曲線、發(fā)酵液酸度、pH值及顏色變化。由圖3可知,上述8株菌經(jīng)混合發(fā)酵后發(fā)酵能力有所提升,且發(fā)酵終點(diǎn)菌濃明顯高于單株乳酸菌發(fā)酵菌濃,發(fā)酵約18 h菌濃達(dá)到1013~1014CFU/mL。分析酸度變化后發(fā)現(xiàn),乳酸菌在發(fā)酵前期產(chǎn)酸能力較強(qiáng),pH逐漸下降;發(fā)酵后期產(chǎn)酸能力下降,pH上升,發(fā)酵終點(diǎn)pH為6.75,每10 mL滴定酸度恢復(fù)至8.3°T。酸度過(guò)高會(huì)引起豆制品變質(zhì),并帶來(lái)令人不愉快的酸澀感,因此豆腐的浸泡應(yīng)避開(kāi)酸度較高的6~12 h,選擇在24~30 h時(shí)投放,由此可減少生產(chǎn)過(guò)程中食物變質(zhì)等不安全因素,便于進(jìn)行質(zhì)量控制。與此同時(shí)觀察到發(fā)酵過(guò)程中鹵液顏色,由初始透明度高的青綠色轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞫鹊偷淖厣?/p>

表4 篩選條件綜合評(píng)價(jià)Table 4 Comprehensive evaluation of screening conditions

a-復(fù)配發(fā)酵液菌濃-時(shí)間變化; b-復(fù)配發(fā)酵液pH/酸度-時(shí)間變化圖3 乳酸菌復(fù)配發(fā)酵期間鹵液菌濃及pH/酸度Fig.3 Variation of bacterial concentration and pH/TA in compound strains fermented stinky Tofu brine
采用SPME對(duì)發(fā)酵前原料液、經(jīng)8株乳酸菌發(fā)酵所得及未添加外源菌種自然發(fā)酵所得的臭豆腐發(fā)酵鹵液中的揮發(fā)性成分進(jìn)行萃取,其GC-MS分析的總離子流圖如圖4~圖6所示,共鑒定出揮發(fā)性香氣成分61種,如表5所示。

表5 臭豆腐發(fā)酵鹵液揮發(fā)性香氣成分及其相對(duì)含量Table 5 The relative content of volatile compounds of fermented stinky Tofu brine

圖4 未發(fā)酵鹵液揮發(fā)性香氣成分的GC-MS圖譜Fig.4 GC-MS chromatogram of stinky Tofu brine before fermented by compound strains

圖5 發(fā)酵后臭豆腐鹵液揮發(fā)性香氣成分的GC-MS圖譜Fig.5 GC-MS chromatogram of stinky Tofu brine after fermented by compound strains

圖6 自然發(fā)酵所得臭豆腐鹵液揮發(fā)性香氣成分的GC-MS圖譜Fig.6 GC-MS chromatogram of stinky Tofu brine after natural fermentation
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,鑒定出的揮發(fā)性香氣成分包含烯烴類19種、醇類12種、酯類8種、酸類5種、醛類3種、酮類4種、其他(包括胺類、硫醚類、吲哚、酚類等)10種。賀靜等分析臭豆腐鹵液發(fā)酵過(guò)程中的揮發(fā)性香氣成分相對(duì)含量較高的有醇類、酮類、酯類、醛類等[6],與本實(shí)驗(yàn)一致。
2.6.1 醇、酯類
醇類物質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中豐度普遍上升,與未添加外源菌種的自然發(fā)酵產(chǎn)品相比,其豐度及種類均有所增加,且較之單菌株發(fā)酵產(chǎn)品總體豐度顯著提高。差別較為顯著的有正丁醇及芳樟醇,它們可以賦予鹵液醇厚香氣,構(gòu)成其重要的香氣特征[8]。劉玉平等[9]及鄭小芬等[7]均報(bào)道了臭豆腐的香氣中有高豐度的正丁醇。
本混合菌株發(fā)酵鹵液中酯類物質(zhì)除乙酸丁酯外均由發(fā)酵產(chǎn)生,其中對(duì)香氣生成貢獻(xiàn)明顯的有乙酸丁酯、乙酸己酯和戊酸乙酯,較之單菌株發(fā)酵產(chǎn)品種類顯著增多。自然發(fā)酵產(chǎn)品中酯類物質(zhì)僅有2種且豐度較低。酯類物質(zhì)多為果木香和甜香香氣,乳酸菌可利用有機(jī)酸和醇通過(guò)非酶催化的酯化反應(yīng)生成[10]。萬(wàn)力婷等[11]也曾報(bào)道在發(fā)酵莧菜梗過(guò)程中檢測(cè)到豐度較低的酯類物質(zhì),由于酯類化合物芳香閾值極低,低豐度情況下仍是鹵液特征香氣的重要組成[12]。
2.6.2 酸類
混合菌株發(fā)酵鹵液中酸類物質(zhì)大部分在發(fā)酵過(guò)程中豐度降低甚至消失,總豐度極低,而在自然發(fā)酵產(chǎn)品中其相對(duì)豐度較高。酸類物質(zhì)往往會(huì)呈現(xiàn)令人不愉快的酸敗氣味,對(duì)感官產(chǎn)生不良影響,篩選出的8株乳酸菌進(jìn)行規(guī)范化發(fā)酵對(duì)此現(xiàn)象有良好的抑制作用,有助于優(yōu)化產(chǎn)品風(fēng)味。
2.6.3 醛、酮類
醛類物質(zhì)在發(fā)酵前原料液中未檢測(cè)到,其均為混合菌株發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生。而自然發(fā)酵產(chǎn)品中醛類物質(zhì)僅有檸檬醛一種且豐度極低,且較之單菌株發(fā)酵產(chǎn)品其豐度顯著提升。有研究表明,莧菜梗只有在發(fā)酵過(guò)程中才會(huì)檢測(cè)到醛類物質(zhì)[12],與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。混合菌株發(fā)酵鹵液中鑒定所得酮類物質(zhì)共3種,較自然發(fā)酵和單菌株發(fā)酵鹵液其豐度、種類均有明顯提升,3-辛酮具果實(shí)香氣,對(duì)鹵液香氣特征有重要影響。
2.6.4 其他
混合發(fā)酵液中可被鑒別的其他類別的物質(zhì)大部分在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生。其中丙胺具有氨氣味,硫醚類物質(zhì)由乳酸菌降解含硫氨基酸得到,含硫化合物對(duì)于食物香氣特征有著本質(zhì)貢獻(xiàn)。吲哚經(jīng)微生物降解氨基酸產(chǎn)生,在發(fā)酵鹵液中豐度很高,有強(qiáng)烈的糞臭味氣息,其芳香閾值很低, 為鹵液重要的特征香氣成分。混合發(fā)酵鹵液中吲哚相對(duì)豐度(27.91%)較單菌株發(fā)酵鹵液有明顯增加,鹵液香氣特征更為鮮明。賀靜等報(bào)道鹵液發(fā)酵原料中未檢測(cè)到吲哚,而發(fā)酵過(guò)程中吲哚始終存在[13],為臭豆腐發(fā)酵鹵液特有成分;劉玉平等[14]、孫潔雯等[15]及鄭小芬等[7]也檢測(cè)到較高豐度吲哚的存在。
綜上所述,臭豆腐鹵液香氣特征的形成與乳酸菌發(fā)酵過(guò)程密切相關(guān),發(fā)酵原料在微生物的代謝過(guò)程中生成香氣成分或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化。經(jīng)分析可初步判斷,本實(shí)驗(yàn)中臭豆腐發(fā)酵鹵液的主體香氣成分為2-蒈烯、γ-松油烯、正丁醇、桉樹(shù)醇、芳樟醇、乙酸丁酯、乙酸己酯、戊酸乙酯、檸檬醛、橙花醛、3-辛酮、2-十三烷酮。臭豆腐發(fā)酵鹵液的典型香氣成分為二甲基二流醚、二甲基三硫醚、二甲基四硫醚和吲哚。
本課題以實(shí)驗(yàn)室前期從自然發(fā)酵的臭豆腐鹵液中分離得到13株乳酸菌為研究對(duì)象,通過(guò)評(píng)價(jià)其發(fā)酵能力、抑菌活性、蛋白水解能力以及對(duì)發(fā)酵臭豆腐鹵液香氣形成的貢獻(xiàn)作用,優(yōu)選其中8株復(fù)配并進(jìn)行臭豆腐鹵液的發(fā)酵。該發(fā)酵菌種配方具有菌種來(lái)源明確、發(fā)酵周期短、蛋白水解能力強(qiáng)、具有抑菌活性等顯著優(yōu)點(diǎn),既可以有效預(yù)防傳統(tǒng)發(fā)酵食品生產(chǎn)過(guò)程中存在的食品安全隱患,同時(shí)可以獲得營(yíng)養(yǎng)豐富,品質(zhì)穩(wěn)定的發(fā)酵產(chǎn)品。采用GC-MS分析發(fā)酵鹵液中的揮發(fā)性香氣成分,共鑒定得到61種。通過(guò)歸類分析可知本實(shí)驗(yàn)中臭豆腐發(fā)酵鹵液的典型香氣成分為二甲基二硫醚、二甲基三硫醚、二甲基四硫醚和吲哚。對(duì)比文獻(xiàn)可知,乳酸菌發(fā)酵的臭豆腐發(fā)酵鹵液產(chǎn)品香氣特征與傳統(tǒng)發(fā)酵臭豆腐鹵液相仿,可以替代傳統(tǒng)發(fā)酵方式,為傳統(tǒng)食品的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

續(xù)表5