谷物發酵食品中的天然酵母應用研究進展

顧 堯， 李 言， 錢海峰， 張 暉， 齊希光， 王 立

(江南大學食品學院，無錫 214122)

天然酵母是指利用谷物、水果等天然基質表面附著的野生酵母和乳酸菌等菌株進行發酵的發酵劑[1]，其來源包括谷物、水果和花卉等。傳統天然酵母中含有酵母菌和乳酸菌兩類微生物，通常在穩定的天然酵母體系中乳酸菌的數量大約是酵母菌的100倍，與常規酵母相比，天然酵母具有改善谷物面團質構、延長保質期和改良風味的作用[2]。本文主要就面團基谷物發酵食品食品進行闡述，其他類型將簡要概括。近年來的研究熱點主要是天然酵母發酵相對于其他發酵劑所提供的功能特性和營養優勢[3]。本文從谷物發酵食品、天然酵母菌群分離純化鑒定和活性發酵劑制備方法等方面綜述分析研究現狀及存在的問題，并對未來研究趨勢進行展望，以期為天然酵母發酵產品的開發提供借鑒。

1 天然酵母谷物制品

1.1 天然酵母面包

吳君艷等[4]利用葡萄干制備天然酵母液，并以此制備天然酵母面包，當葡萄干天然酵母液用量為12%、白砂糖18%、黃油9%、改良劑0.3%時，面包接受程度較高(感官評分為86)。Garzon等[5]研究了添加小球藻的酸面團品質，發現其具有較好的抗氧化活性，同時也發現酸面團與常規普通面團相比，能更好地保持其抗氧化活性。Jolita等[6]研究發現藜麥天然酵母發酵面包與常規藜麥面包相比，面包硬度降低了5.6%、老化率降低了54%。這些研究表明天然酵母發酵在改善面包品質、延長保質期等方面有較好的前景。

天然酵母能夠改善面包的質構、比容和色澤等品質。Chen等[7]研究發現天然酵母發酵過程中產生的胞外多糖(主要是葡聚糖)，能改善面團的蛋白質網絡。同時，天然酵母對面團的流變學也有顯著影響，Moore等[8]研究發現植物乳桿菌發酵產生的酸性物質會提高谷蛋白的分解程度，賦予面包更好的彈性；Nami等[9]發現短乳桿菌發酵通過改變面團網絡結構來降低面包的硬度；Cizeikiene等[10]發現嗜熱乳酸菌發酵劑可以增加面包的比容和彈性。天然酵母中含有的乳桿菌可以在發酵時改善面筋蛋白的網絡結構，進而通過影響面團的黏彈性和持氣能力來增大面包比容和降低面包硬度，但現階段缺少針對通過不同途徑生效的面筋網絡改善能力的對比研究，且對于改良物質的上下有效限量等影響規律沒有深入研究。

圍繞天然酵母面包感官特性的研究發現，天然酵母發酵過程會使風味物質含量提高。陳友磊等[11]制備天然酵母面包時發現天然酵母發酵液添加量超過25%，會由于發酵產生的酸性物質過多而使得面包的口味偏酸。Brandt等[12]比較了不同天然酵母發酵劑制備酸面團的基本性質，發現干燥過程會將除乙酸外的風味物質富集起來，使得干制發酵劑比新鮮發酵劑發酵的面團更有麥芽味。Liu等[13]利用RNA測序技術研究中國傳統天然酵母，發現醛類風味物質除了由脂質氧化產生，有部分還可以由特定乳酸菌發酵產生，同時醛類在天然酵母發酵過程中也可以作為電子受體而被還原。Zhao等[14]研究肽對酸面包風味的影響，發現羅伊氏乳桿菌發酵會將游離氨基酸轉化為γ-谷氨酰二肽以提高風味強度。面包的揮發性物質主要來自發酵過程、美拉德反應和氧化過程[15]，天然酵母的發酵過程對面包風味形成有直接影響的同時還會在美拉德反應過程和氧化過程中通過底物間接影響風味。在中長期發酵過程中(12～24 h)揮發性物質的產生規律已有相關研究[16]，但其中部分風味物質相互轉化的機理還未明確。

微生物污染和老化是影響面包保質期的主要原因。在對發酵過程的研究中發現菌種競爭性抑制和發酵代謝物抑制是天然酵母發酵抑制腐敗菌生長的主要原因[17]。王志軍等[18]研究發現乳酸菌發酵對減緩水分損失和抑制淀粉回生焓值的增長有積極影響，其中含有短乳桿菌的單菌種天然酵母發酵使面包的老化焓值降低了29%。Scamato等[19]研究發現天然酵母和谷氨酰胺轉氨酶酶能協同催化蛋白質交聯形成網狀結構，進而改善面包的流變學性質和持水能力。這些研究表明天然酵母在發酵過程中生成的酸性產物和酶共同作用下使得蛋白質網絡發生改善，進而提高了面團持水性和黏彈性來減慢面包老化，降低面包老化焓值。

1.2 天然酵母饅頭

饅頭與面包相比可以避免烘烤時的美拉德反應而保留更多的氨基酸，因此更具有營養優勢。Sun等[20]利用米酒酵母來制備天然酵母饅頭，發現當米酒酵母的質量分數為60%時，饅頭的比容、硬度、白度和感官評分都為最佳。王雪婷等[21]比較了不同地區傳統天然酵母制備苦蕎麩皮饅頭的品質，發現運城和周口地區的天然酵母發酵力最強，且運城天然酵母制備的饅頭具有較高的抗性淀粉質量分數(5.2%)和較低的淀粉水解率(42%)。Wu等[22]研究發現舊金山乳桿菌和保加利亞乳桿菌發酵產生的酸性物質可以使饅頭更加柔軟。目前對于改善饅頭質構和風味品質的研究較多，但缺少對于天然酵母饅頭營養品質與健康相關的研究。

近年來的研究熱點包括發酵風味物質的來源和乳酸菌產出的胞外多糖對饅頭的作用。Yan等[23]利用非靶向組學研究傳統酸面團饅頭的香氣特征，發現酯類風味物質主要由天然酵母發酵過程中產生的有機酸和酒精經過蒸煮反應生成。國內對利用天然酵母實現饅頭風味改良的研究較少，可能與酸味不符合我國大部分人群的味覺習慣有關。胞外多糖主要是由天然酵母含有的乳酸菌發酵產生的[24]。Tang等[25]研究了胞外多糖對饅頭的品質影響，發現高含量的胞外多糖在弱酸性條件下可使谷蛋白顆粒團聚，進而改善饅頭的網絡結構，使饅頭比容增加、硬度降低。Xu等[26]研究發現胞外多糖改善饅頭品質的程度優于其對面包的作用。天然酵母發酵產生的胞外多糖對于饅頭的網絡結構有較好的改善作用，因此在對其作用規律進行深入研究后有可能應用于天然改良劑開發。

1.3 米粉

發酵米粉在加工過程中一般需要浸泡3～7 d讓其表面上附著的天然酵母菌群充分發酵，有研究表明發酵后的米粉品質結構和感官特性要優于非發酵米粉[27]。天然酵母發酵過程對米粉的品質改良主要體現在質構上。肖勇生等[28]研究秈米為原料的發酵米粉工藝，發現當接種比例(乳酸菌與酵母菌質量比)為3∶1、接種量2%、發酵溫度25℃和發酵時間5.5 d時生產的發酵米粉形態風味俱佳。Xu等[29]利用糙米開發米粉類產品，發現糙米在天然酵母發酵過程中粗蛋白含量增多，含水量略有下降，同時在成品煮制過程中水相濁度變化不大。Zhan等[30]研究發現發酵后的米粉淀粉顆粒比未發酵的米粉淀粉顆粒在糊化時膨脹更大且不易破碎，同時糊化溫度降低，進而使成品煮制后更有彈性。馬霞等[31]研究發現天然酵母發酵過程降低了米粉的脂肪含量，這有利于淀粉膨潤和淀粉凝膠的形成。發酵米粉制作中隨著發酵時酸度的增加，酵母菌被抑制(約為乳酸菌的1/100)，主要依靠乳酸菌發酵過程產物對米粉的淀粉顆粒進行了改性進而影響米粉品質，但發酵過程使淀粉無定形區輕微水解的作用機制還不清晰。

1.4 其他產品

以谷物為原料的天然酵母發酵產品還有許多，如餅類、酒類、玉米產品、意大利面等，這些產品或多或少都通過發酵過程在質構、感官、營養或保質期方面得到了提升。Li等[32]比較了不同的米品種發酵后制備酒釀的品質變化，發現天然酵母發酵黑糯米的總酚和總黃酮含量較高。Cagno等[33]研究發現利用天然酵母發酵可以大大降低谷物蛋白含量(約降至20%)，進而使天然發酵意大利面的黏度硬度稍低于正常產品，同時保持其風味。天然酵母有廣闊的可運用范圍，但大部分領域都停留在“添加—改良”的基礎運用上，缺少對天然酵母菌種改良能力的深入研究，沒有對天然酵母菌群多樣性有清晰的認知。

2 發酵菌種分離純化與鑒定

天然酵母發酵能提升產品品質，但因為天然酵母發酵力不強會導致發酵時間長。因此，探究發酵活力強、產物風味足和改良作用好的菌株及其配比顯得尤為重要。

2.1 菌種分離純化

通過對不同來源的天然酵母進行分離純化、獨立培養可以得到較純的菌株，從而能夠進一步復配研究其發酵能力和發酵特性。在提升面包整體品質方面，相雯研等[34]通過篩選天然酵母菌株進行對比實驗，發現分離鑒定出的酵母菌LBBE-1與釀酒酵母YJM1478菌株有98.32%的同源性，同時利用其制備面包在組織形態、氣味、口感和儲藏性能分別較商業酵母提升1.8%、7.7%、7.4%和7.9%，但其醒發時間比商業面包酵母長(增加30%～50%)。虞椏芳[35]在研究天然酵母對面包品質影響時通過篩選菌種進行復配，確定S. cerevisiae LY4、L. rossiae QB7、L. brevis QB11和L. plantarum QB15的配比為3∶100∶100∶100時制備的面包有最好的質構和感官品質。因為不同來源分離出的酵母菌和乳酸菌的生存能力、發酵能力、發酵產物等都有較大區別，因此分離、篩選、復配天然酵母將是未來天然酵母發酵劑生產必需的研究方向。

2.2 天然酵母菌種鑒定

Corona等[36]通過獨立菌株培養從當地天然酵母中鑒定出了4種專性異型乳酸菌菌株：WeissellacibariaPON10030和PON10032和LeuconostoccitreumPON 10079和PON10080。Xing等[37]對河南省3種不同地形下傳統酵母群的微生物多樣性進行研究，發現戊糖片球菌在酸面團樣品中屬于優勢種，占相對豐度的58%，同時盆地群中的優勢屬(主要是片球菌屬)與山地群和平原群(乳酸菌)有顯著差異。Fraberger等[38]比較了傳統小麥和黑麥酸面團的微生物多樣性，從天然酵母含有的乳酸桿菌中鑒定出5個屬33個種，其中以異型乳桿菌為主，在小麥天然酵母中還鑒定出明串珠菌屬、鏈球菌屬和片球菌屬；關于酵母菌，僅鑒定出7個種類，其中63%的酵母菌屬于釀酒酵母。天然酵母微生物多樣性不僅體現在來源方面，環境因素也會影響。不同來源的天然酵母鑒定出的酵母菌種和乳酸菌種見表1。

表1 分離鑒定出的發酵菌種種類

續表1

3 活性發酵劑制備方法

工廠生產中主要依靠制作液體發酵劑來生產天然酵母產品，但若要達到穩定連續化生產，該方法還存在一些不足：培養過程復雜而繁瑣、需要專業人員操作和準備時間長[57]。為此，研究者利用菌種保藏方法對天然酵母進行加工，制備活性發酵劑以縮短使用前的加工時間并降低制備難度。

3.1 預處理

制備高活性發酵劑的流程主要包括：菌種選育培養、高密度增殖、菌種分離和干燥收集[58]。首先菌種選擇時要注重菌種的生存能力、發酵能力和其發酵產物的風味特性，可通過菌種純化來篩選優勢菌種。Mantzourani等[59]研究冷凍干燥固定化生物催化劑作為酸面包發酵劑的效果，發現將天然酵母中的副乳桿菌凍干制備成菌粉后制作面包的效果最好，能產生較柔和的酸味。吳佳靜等[60]利用葡萄天然發酵液的制備凍干復合發酵劑以提高面包的烘焙品質，發現當釀酒酵母、乳酸明串珠菌和植物乳桿菌配比為1∶1.5∶1.5時面包比容和硬度均優于普通酵母面包，且該發酵劑在4 ℃儲藏91 d后菌株存活率仍有81.78%。菌種選擇是決定發酵劑性能的關鍵，找到具備強發酵能力和穩定性的菌株來縮短發酵時間是目前的研究熱點之一。

其次在菌種培養過程中，Morgan等[61]總結了常用的培養基營養成分(乳清、脫脂乳和麥芽汁)，這些培養基的特點是效率高、成本低、來源廣泛。菌種增殖后為了進一步提高菌種濃度，以方便后續干燥，一般采用離心法將菌種富集起來，生產中一般依靠調節轉速和時間以降低菌種死亡率。需要特別注意的是，在菌種對數生長期進行離心分離會導致菌種存活率低，因為對數生長期的細胞處于大量繁殖階段，細胞壁膜比較薄，細胞內物質累計不足，抵抗外界條件變化能力差[62]。

3.2 干燥方法

3.2.1 冷凍干燥

天然酵母中含有的乳酸菌在冷凍干燥后可能出現延遲恢復甚至不能恢復的現象[63]，主要是因為乳酸菌在冷刺激下會發生一系列改變，例如細胞膜的變化，進而由DNA的變化對轉錄、翻譯產生影響等[64]。由于碳水化合物可以在干燥時替代細胞膜中水的位置，一般認為以海藻糖為代表的小分子糖類保護劑對乳酸菌冷凍干燥過程有保護作用。Stefanello等[65]比較發現5%海藻糖對酵母菌的保護效果好，對乳酸菌效果不好，而10%蔗糖對乳酸菌的保護效果較好。李周勇等[66]優化得到凍干菌粉的凍干保護劑配方為：5%蔗糖、2%甘油、0.8%谷氨酸鈉、1%抗壞血酸、5%海藻糖，此時凍干嗜熱鏈球菌MN002的菌體存活率可達84.8%。Gul等[67]研究保護劑對乳酸菌儲藏穩定性的影響，發現當保護劑脫脂乳為20 g/100 mL、乳糖為3.57 g/100 mL、蔗糖為10 g/100 mL時凍干彎曲乳桿菌后的細胞存活率達98%。添加保護劑可以保護菌體免受冷凍傷害，不同保護劑對不同菌種的保護效果不同，針對天然酵母多菌種的狀態需要利用不同保護劑復配來達到遠勝于單一保護劑的保護效果。

其他影響因素主要與溫度條件有關，任香蕓等[68]研究直投式發酵劑制備方法，發現植物乳桿菌R23采用梯度預凍(-20、-40、-80 ℃各1、2、3 h)可使預處理菌液達到較好的凍結效果且發酵劑物料凍干至水質量分數為1.2%時最有利于儲藏。降溫速度要選取適中值，過快則冰晶在細胞內形成傷害細胞；過慢則水分流出細胞太久，導致細胞失活。

3.2.2 噴霧干燥

影響噴霧干燥菌種存活率的主要因素是溫度條件和保護劑(表2)，可以看出噴霧干燥的溫度條件相對于常規食品較低。Martin等[69]總結了微囊化技術對益生菌的影響，發現與入口溫度相比，乳酸菌的生存更依賴出口溫度，在相同的進口溫度條件下，進料速率越高，出口溫度越低，相應的菌種成活率越高。雖然在較低的干燥溫度下細菌存活率較高，但噴霧干燥微膠囊粉末的殘余水分含量也會增加。這種情況會導致剩余水分含量增大，粉末黏在管壁上影響收集效率。在流化床干燥時，即使在最佳操作參數下生產活性天然酵母粉，最高細胞存活率也僅為75%[70]，這表明天然酵母在現有的工業化菌種干燥設備中存活率還不高，還需要對干燥工藝和生產設備進行研究和改進以適應多菌種干燥的復雜情況。

表2 噴霧干燥法對不同菌種的處理效果

4 總結與展望

天然酵母發酵中多種微生物共同發酵產生的有機酸和乳酸能改善面團的風味并延長其保質期，發酵過程及其產物也會改良面團的蛋白質網絡結構。但現階段天然酵母還存在發酵時間長、發酵劑品質難以穩定控制等不足，建議后續研究可以從3個方面開展：新型DNA測序技術將有助于從基因層面理解發酵過程中發酵食品風味和質構的改變過程，從而達到預測發酵效果的目標；天然酵母發酵過程中風味物質、發酵中間產物與產品品質之間的相互作用關系有待進一步研究；復配干酵母制備的產品的風味質構與液狀天然酵母發酵劑還有差距，有待進一步改進。