面包酵母耐冷凍性影響因子分析

何 青

（安琪酵母（濱州）有限公司，山東 濱州 251800）

引言

制作面包所必須的一項原材料的就是面包酵母，在發酵過程中它能使面包膨脹，賦予其蓬松柔軟的口感和獨特的風味，但冷凍面團的低溫對面包酵母卻會造成傷害，因此，需要深入研究面包酵母的耐冷凍機理，總結出使冷凍面包面團中的酵母具有更好的耐冷凍性能的方法，以優化面包生產水平。在此背景下，考慮海藻糖與氨基酸等物質都會對面包酵母的耐冷凍性產生影響，因此需要對此進行更多研究。

1 面包酵母的耐冷凍機理

1.1 面包酵母的分類

通常使用于面包烘焙的酵母有三種，分別是即發干酵母、干性酵母和鮮酵母三種，酵母能夠使面包面團體積漲大，為面團注入二氧化碳氣體，使面筋擴展，并為面包賦予獨特的風味。不同酵母的存儲環境與使用方法也不同，其酵母本身的水分含量也不同，在使用中應當根據面包制作的需要進行選擇。

1.2 海藻糖的作用

耐冷凍面包酵母最早是從自然界自然分離出來的，經過人工篩選并長期培育試驗終于得到了耐冷凍性極強的面包酵母菌株，FRI413。通常來講普通的冷凍面團在低溫環境中酵母受到嚴重破壞，導致面團在解凍后發酵能力明顯降低，面團的蓬松口感與鮮美風味都比不上新鮮發酵的面團，但使用FRI413 菌株則可以在長時間發酵后再將面團送入低溫環境冷凍，取出解凍后發酵能力仍然非常可觀[1]。對比FRI413 與普通面包酵母，發現最主要的差異體現在海藻糖的含量上，通過對FRI413 和其他普通面包酵母海藻糖含量變化進行檢測，發現FRI413 菌株中的海藻糖含量大約是普通面包酵母的兩倍甚至更多。這就說明海藻糖在面包酵母中的積累量確實與面包酵母的耐冷凍性能有著非常密切的關系，甚至可以說是面包酵母耐冷凍性的決定因素之一。海藻糖對面包酵母菌的保護機理主要有兩種說法，一種是“水替代”，另一種是“玻璃態”（或稱“糖漿態”），這兩種是學界較為認可的。

1.3 氨基酸庫的作用

在不斷培育酵母菌株的過程中，面包酵母中氨基酸庫對耐冷凍性產生的作用。具體來講，在培育變異酵母菌株的過程中，研究人員發現，一種類似脯氨酸構造的物質與谷氨酸、精氨酸等氨基酸物質的積累量不斷提升，也能夠對應地提升面包酵母的耐冷凍性。在后續研究中發現，面包酵母的菌株如果缺少精氨酸酶遺傳因子，那么酵母中的精氨酸和谷氨酸等帶電荷的氨基酸也同樣能夠提高酵母菌的耐冷凍性，那么在酵母菌株耐冷凍性提高的研究實驗中，就得出了氨基酸也能夠決定酵母菌耐冷凍性的結論。

2 面包酵母耐冷凍性影響因子分析

2.1 海藻糖對面包酵母耐冷凍性的影響

2.1.1 預發酵過程中海藻糖的降解

通常來講，面團在進入低溫冷凍之前，面團中的酵母不可避免地存在一個預發酵的過程，在這一過程中，細胞內的海藻糖會開始自動分解，可以說，面包在發酵的過程中，海藻糖就不停地在分解海藻糖的含量將會迅速下降，進而導致酵母細胞失去了海藻糖的保護，導致酵母細胞在低溫冷凍環境下受到嚴重的損害，這是一種海藻糖自動分解系統，這也是海藻糖含量下降對面包酵母造成傷害的主要原因[2]。

2.1.2 外源添加海藻糖與酵母耐冷凍性的關系

在不添加外源海藻糖的前提下，部分酵母菌株經過長時間的冷凍自然處于敏感狀態，通過在酵母菌株中添加能夠增加海藻糖的物質則可以對應地降低酵母的冷凍敏感性，使酵母菌株的存活率上升約5%左右。但外源添加海藻糖的含量達到5%以上之后，對于原本就有較高海藻糖含量的酵母菌株的冷凍性是沒有明顯影響的，這就說明海藻糖對酵母菌株耐冷凍性的影響是有限的，其主要是與原本酵母菌株中的海藻糖含量有直接關系，原本酵母菌中的海藻糖含量如果比較低，那么通過外源添加海藻糖則能夠使酵母菌株的耐冷凍性得到對應的提高，但酵母菌株中的海藻糖含量達到一定數量后，再繼續添加海藻糖，卻并不能使酵母菌株的耐冷凍性繼續提高。

2.1.3 外界條件與海藻糖含量

正處于對數生長期的面包酵母菌株，其細胞內的海藻糖含量往往并不高，但在逐漸生長至穩定期的過程中，其細胞內的合成酶活性不斷增強，細胞內海藻糖的含量最多可增加至50 倍之多。在大量實驗中，培養基中的碳與氮都能夠影響海藻糖的積累量，通常碳源和氮源越少，海藻糖的積累量也就越多，這之中真正控制著海藻糖降解能力的是氮源。通常情況下，在碳源更改的前提下，例如將麥芽糖與葡萄糖進行替換，也會對海藻糖的積累量產生明顯的影響。通常來講，酵母中海藻糖的積累量與其生長溫度也有關系，溫度稍稍提高能夠刺激海藻糖的積累，在面包酵母耐冷凍性實驗中，海藻糖的積累量越多，則面包的冷凍敏感性也就越低，面包在冷凍環境下存儲后品質下降也就越不明顯，那么在面團還未進入冷凍環境之前，通過對面團進行溫度控制，也能夠使面團中的海藻糖含量產生變化，進而影響面團在冷凍之后的性能表現。

2.2 胞內甘油對面包酵母耐冷凍性的影響

在細胞冷藏保存中，經常使用外源甘油作為細胞保護劑，外源甘油也經常用做酶的保護劑，通過增加胞內甘油可以對酵母的耐冷凍性達到切實的提高。這是由于在此前的諸多實驗中發現胞內甘油能夠使酵母產品在貨架上售賣的時間延長，一定程度上達到了延長酵母保存時間的目的[3]。在冷凍面團技術中，通過對胞內甘油的研究發現，利用其代謝途徑來對面包酵母的菌株進行篩選與培育，研發了許多新的耐冷凍性更強的面包酵母菌種，其中兩種比較主要的甘油合成酶為甘油-3-磷酸脫氫酶和甘油-3-磷酸醋酶。而在面包酵母中，甘油降解是通過甘油脫氫酶進行的，細胞內不斷積累甘油的過程，也是細胞耐凍性能增強的標志，面包酵母的變異株在冷凍面團中，通過積累甘油，不斷提升發酵力。諸多研究表明，在面包酵母菌中積累更多量的胞內甘油，并不會影響面包的蓬松程度，面包的風味以及面包烘烤之后的顏色，這就表明，通過胞內甘油來提升面包酵母的耐冷凍性，對面包的品質并不會產生實質上的影響。但需要注意的是，胞內甘油的積累需要在堿性環境下進行，同時需要通過亞硫酸鈉的誘導，才能使酵母甘油的積蓄量不斷增加，面團若處于酸性環境下則無法不斷積累，胞內甘油也就無法提高面包酵母的耐冷凍性。

2.3 氨基酸對面包酵母耐冷凍性的影響

氨基酸中有一些氨基酸是帶電荷的，這樣的氨基酸可以為細胞提供保護，針對面包酵母的耐冷凍性來講，精氨酸、脯氨酸和谷氨酸的添加都能夠使面包酵母在低溫冷凍環境下有更好的存活表現，在面包酵母菌株隨著面團冷凍到解凍的全過程中，精氨酸酶在酵母細胞內進行第一步的降解。通過以工業面包酵母作為母本來構建精氨酸酶突變株的構成進行實驗，發現突變株的細胞能夠不斷積累精氨酸和谷氨酸鹽物質，通過將不同的冷凍面團進行對比后發現，積累了更多精氨酸與谷氨酸鹽物質的冷凍面團，在解凍后的發酵力相對而言更強一些，這也就說明，氨基酸物質在一定程度上能夠提升冷凍面團內面包酵母菌株的耐冷凍性能。

2.4 質膜水運輸蛋白活性對面包耐冷凍性的影響

質膜水運輸蛋白是膜蛋白的一種，這其中質膜水運輸蛋白是最主要的成分，其主要作用是將水和其他中性的小分子溶質進行運輸，例如甘油就可以通過質膜水運輸蛋白進行運輸，在面包酵母耐冷凍性提升的諸多實驗當中，通過對質膜水運輸蛋白的活性進行分析，并對質膜水運輸蛋白的基因表達進行記錄則可以發現質膜水運輸蛋白的活性對酵母菌株的冷凍敏感性是有直接影響的，一旦質膜水運輸蛋白中的基因缺失，那么面包酵母菌株的冷凍敏感性也就更強[4]。所以通過質膜運輸蛋白相應基因的表達來增強面包酵母的耐冷凍性能，是能夠得到很好效果的。這也表明，要想提高面包酵母的能動性可以提高面包酵母中質膜水運輸蛋白的活性，使其能夠將甘油等物質進行更順暢地運輸，從而從多個不同方面綜合提高面包酵母菌株的冷凍耐受性。

2.5 冰晶核基因的表達對面包酵母耐冷凍性的影響

通過對釀酒酵母進行分解與轉化，從中分離出的冰晶成核基因對酵母菌株的冷凍性能提升也有一定的影響。具體來講，在細菌中分離出來的約3.6kb 大小的冰晶成核基因在半乳糖啟動子的作用下進行表達，同時選用一些野生型的酵母菌株和普通酵母菌株進行同樣的實驗表達，可以發現轉化后的冰晶核形成能力明顯增加，其中包含細胞的低溫冷凍溫度從-13 ℃上升到了-6 ℃。這是一種在面包酵母菌株耐冷凍性能提升研究過程中的探索，但是由于冰晶成核基因的分離與轉化操作流程極為復雜，且這種菌株的生長溫度要求十分嚴格，并不能適用于普通酵母和工業化大規模生產。而且這種菌株的最大冰晶成核活性表達對環境溫度也有十分嚴格的要求。這就意味著，盡管通過這種辦法能夠研發出耐冷凍性更強的面包酵母菌株，但其耐冷凍性提高的作用，需要通過嚴格的低溫誘導，才能達到理想的預期效果，總的來說，冰晶核基因的表達，對面包酵母耐冷凍性雖然會產生顯著影響，但并不適用于冷凍面團技術的大規模推廣。但這為面包酵母菌耐冷凍性的研究提供了新的方向和思路，在未來的研究中想必能夠成為可參考的實驗結果之一。

2.6 胞內固醇磷脂比例對面包酵母耐冷凍性的影響

在諸多研究實驗中發現，生物膜所帶有的不飽和脂肪酸數量越多，那么它的相變溫度也就越低，這表明生物細胞膜的相變溫度與構成細胞膜的脂肪酸飽和程度之間存在直接的聯系，面包酵母與啤酒酵母一定程度上存在相似，構成這種酵母細胞膜的不飽和脂肪酸主要來自于棕櫚酸和油酸，其中極少發現兩個以上雙鍵的不飽和脂肪酸，例如亞油酸。通過改變面包酵母細胞膜中不飽和脂肪酸的比例，實驗可以發現，胞內固醇磷脂的比例對于面包酵母的耐冷凍性將會產生直接的影響，具體來講，面包酵母中性脂肪固醇和磷脂游離脂肪酸等物質的含量比例、卵磷脂、磷脂酞絲氨酸的含量，對于酵母菌株的冷凍敏感性和抗凍性其實并不直接產生影響，也就是說，磷脂的成分比例如何對酵母菌株的耐冷凍性提高沒有直接的作用，但固醇磷脂的比例將會直接影響到酵母菌株的冷凍敏感性，主要是由于固醇磷脂的比例能夠影響酵母細胞質膜的流動性，這也就導致面包酵母的內冷凍性在固醇磷脂比例變化的作用下產生了差異。

3 γ-聚谷氨酸改善酵母耐冷凍性的研究

日本傳統食品納豆的制作中存在一種成分，叫做γ-聚谷氨酸，這種成分是通過γ-酰胺酸連接谷氨酸的陰離子型多肽，其特性為沒有氣味，可以食用生物降解性能好，是一種新型高分子材料。同時，它還具有高吸水性和金屬吸附性，一直以來，醫藥化妝品，和食品業中都有廣泛的應用與推廣[5]。γ-聚谷氨酸同時還具有非常優秀的抗凍性，在提高面包酵母菌株耐冷凍性的研究中，研究人員發現了γ-聚谷氨酸對面包酵母耐冷凍性的提升研究結果，證明γ-聚谷氨酸確實對市面上大多數商業使用的面包酵母菌株的耐冷凍性提升有明確的效果，具體來講，對面包酵母添加1%含量的γ-聚谷氨酸，可以使普通酵母細胞在-30 ℃環境中冷藏三天以上，且酵母菌存活率能夠提高約10%，γ-聚谷氨酸的不同分子量都能對酵母細胞表現出明顯的抗冷凍性能提升，在啤酒酵母和其他米酒酵母的研究中，也有類似結果。那么這就證明，在冷凍面團技術中，通過對面團添加γ-聚谷氨酸約1%的含量，則能夠使面團在解凍之后，表現出更高的抗冷凍性能，酵母存活率的提高意味著，解凍后的面團具有更強的產氣能力，面團的蓬松狀態和柔軟口感都將得到顯著的改善。究其原因，γ-聚谷氨酸在面團中能夠發生反應，消耗面團中不斷積累的面包酵母代謝產物，阻止代謝產物抑制酵母產氣，也提高了酵母的存活率，目前，在面團中添加γ-聚谷氨酸，可以稱之為是最簡單快捷的提高面包酵母，耐冷凍性能的辦法之一，在面包烘焙生產業和冷凍面團技術中，已經得到了廣泛的應用。

4 結語

冷凍面團技術的優勢在于操作方便、工作效率高、有利于擴大生產規模、面包新鮮且風味十足，但面包酵母在冷凍后往往品質受到嚴重破壞。通過研究海藻糖、氨基酸、聚谷氨酸等物質對面包酵母耐冷凍性的影響有助于培育出更優質耐冷凍性更強的酵母菌株，有助于提高我國面包冷凍面團技術，使冷凍面團的成本壓下來，使面包的品質得到提升。