天然酵母對多孔掛面品質及營養特性的影響

陳怡萱,陳 潔,汪 磊,許 飛

河南工業大學 糧油食品學院,河南省面制主食工程技術研究中心, 河南 鄭州 450001

掛面是中國的傳統面食,歷史久遠。隨著人們生活水平的提高,普通面條的營養性能和風味已不能滿足消費者的需求。傳統空心掛面最早可追溯到戰國時期,因其獨特的口感和風味而聲名遠播[1]。近年來,市面上出現了以活性干酵母為發酵劑的發酵空心掛面產品[2],傳統手工空心掛面逐步走向了商業化道路,但是市面上售賣的商業活性干酵母主要適用于面包和饅頭等面制品,而且商業酵母的菌種單一,不能完整地將發酵面食應有的口感豐富度和香氣呈現給消費者[3]。

在面制品的生產過程中,發酵環節有著不可替代的作用。天然酵母發酵是一種古老的發酵技術,因其具有天然健康、能夠改善口感、提高營養價值、賦予獨特風味、延長貨架期等優點越來越受到關注[4-7]。乳酸菌和酵母菌構成了天然酵母的菌群[3]。天然酵母作為提高感官品質和營養價值的發酵劑已經應用在面包的生產中[8]。例如,用水果制作天然酵母能夠賦予產品天然的水果香氣和更高的營養價值,越來越受到消費者的青睞。Ripari等[9]通過研究不同來源的接種劑對面團微生物生長的影響,發現與谷物相比漿果更適合作為酸面團微生物菌群的來源。Yu等[10]使用梨和臍橙培養酵母用于面包制作,發現天然酵母增強了面團的持氣能力,明顯改善了面包的質地、口感和營養特性。Aplevicz等[11]使用甘蔗、蘋果和葡萄培養酵母用于面包制作并比較發酵活性,發現以葡萄為基質的酸面團產氣量最大,面包的感官評分最高。但是,現階段很少有關于水果天然酵母應用于發酵面條的相關報道。

選擇用作發酵基質的水果遵循以下幾個原則:來源廣泛、易于儲存;含糖量較高適于微生物的生長;季節性不強。紅提葡萄和梨在我國被大量種植,味甜汁多,含有多種果酸、多酚類物質、維生素和礦物質,有較高的食用價值和藥用價值,故本研究選擇這兩種水果作為發酵基質。基于此,作者分析紅提葡萄和梨培養的兩種水果天然酵母對面團酸化、蛋白質結構、多孔掛面的品質和營養特性的影響,旨在為水果天然酵母應用于面條制品中提供理論依據和科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

金苑高筋粉:河南金苑糧油有限公司;白砂糖:耿馬南華糖業有限公司;新鮮的皇冠梨、國產紅提:鄭州市永輝超市;十二烷基硫酸鈉、三羥甲基氨基甲烷、沒食子酸、香草醛、碳酸鈉:天津市科密歐化學試劑有限公司;氫氧化鈉、鹽酸胍:上海麥克林生化科技有限公司;脲:洛陽試劑廠;鹽酸、甘氨酸、乙酸鈉:洛陽昊華化學試劑有限公司;5,5-二硫代-2-2硝基苯甲酸:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;無水乙醇:天津市天力化學試劑有限公司;溴化鉀(光譜純):美國PIKE公司;兒茶素:北京索萊寶科技有限公司。試劑除注明外均為分析純。

1.2 儀器與設備

FD-1A-50冷凍干燥機:北京博醫康實驗儀器有限公司;TA. XT. plus物性測試儀:英國Stable Micro System公司;HWS-250恒溫恒濕培養箱:上海精宏實驗設備有限公司;Quanta 250 FEG掃描電鏡:美國FEI公司;H-1850臺式高速離心機:湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;TEMI 880 面制品程控實驗干燥箱:鄭州偉鼎科技有限公司;IRAffinity-1S傅里葉變換紅外光譜儀:日本島津制作所;RE-52AA旋轉蒸發儀:上海亞榮生化儀器廠;L-8900型氨基酸分析儀:株式會社日立制作所。

1.3 試驗方法

1.3.1 天然酵母的制備

將梨和紅提清洗并控干,切成大小均勻的塊狀。將塊狀梨和紅提分別放入滅菌后的5 L密封罐,均加入純凈水和適量白砂糖,密封,22～28 ℃培養3～7 d。將培養后的混合物經三層無菌紗布過濾,過濾后的液體為水果發酵液;水果發酵液與面粉按一定比例混合均勻,蓋上保鮮膜,在22～28 ℃、相對濕度70%條件下放置18～24 h,然后保存于-4 ℃冰箱備用。

1.3.2 多孔掛面的制備

未發酵組:高筋粉200 g,鹽1 g,純凈水76 g;制作方法參照文獻[12],將原料按照一定比例攪拌均勻,復合壓延兩次后醒發1～1.5 h,之后壓成厚1.0～1.1 mm的面帶,切成寬3 mm、厚1.0～1.1 mm的面條,最后放進掛面干燥機中干燥4 h。

紅提天然酵母組和梨天然酵母組:高筋粉124 g,天然酵母76 g,鹽1 g;利用1.3.1中制備的梨組天然酵母、紅提組天然酵母,分別與高筋粉、食鹽按照一定比例攪拌均勻,復合壓延2次后醒發1～1.5 h,之后壓成厚1.0～1.1 mm的面帶,切成寬3 mm、厚1.0～1.1 mm的面條,在溫度38 ℃、相對濕度90%的環境下發酵90～120 min,最后放進掛面干燥機中干燥4 h。

1.3.3 pH值和 TTA的測定

參照文獻[13]進行測定。

1.3.4 游離巰基的測定

參照文獻[14]進行測定。

1.3.5 蛋白質二級結構測定

面團中麥谷蛋白大聚體(GMP)的提取參照文獻[1]。取磨碎后樣品粉末與溴化鉀按1∶100質量比混合均勻壓片,以溴化鉀為空白,然后做400～4 000 cm-1全波段掃描,分辨率4 cm-1,累計掃描64次,每組樣品重復分析5次。

1.3.6 膨脹指數測定

用軟尺測量150根未發酵掛面周長的平均值Le和150根發酵多孔掛面的周長Ld,膨脹指數=(Ld/Le)2,每組樣品重復分析3次。

1.3.7 微觀結構測定

參照文獻[15]進行測定。

1.3.8 蒸煮特性測定

參照LS/T 3212—2021測定掛面的最佳蒸煮時間、吸水率、熟斷條率。

1.3.9 質構特性測定

參照文獻[16]進行測定。

1.3.10 總酚含量測定

參考Adom等[17]方法制備多酚提取液。采用Folin-Ciocalteu法[18]測定總酚含量,并稍做修改。取多酚提取液0.2 mL用蒸餾水稀釋一定倍數,加入1.0 mL福林酚試劑和3.0 mL 1 g/mL的Na2CO3溶液,充分搖勻,室溫條件下避光反應60 min,然后在765 nm處測定吸光度,每組樣品重復測定3次。

1.3.11 植酸和單寧含量的測定

植酸的測定參考時俠清等[19]的方法。單寧的測定參考Coda等[20]的方法,并稍做修改。準確稱取0.5 g樣品,用20 mL甲醇室溫下避光振蕩提取3 h,之后4 000 r/min離心20 min,取上清液為待測液。取1 mL 待測液于試管中,加入2.5 mL 1%香草醛溶液與2.5 mL 15%硫酸甲醇溶液,混勻,室溫下避光反應30 min,在500 nm下測吸光度,每組樣品重復測定3次。

1.3.12 游離氨基酸含量的測定

參照GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的測定》進行測定。

1.4 數據處理

選用SPSS 16.0對數據進行顯著性分析(P<0.05),使用Origin 2021和Excel繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 天然酵母發酵對面團pH值和TTA的影響

由表1可知,紅提天然酵母組面團和梨天然酵母組面團在T1和T2階段的pH值和TTA出現顯著差異。原因在于所選用的原料的不同,梨含有的酸類物質的含量更高,并且發酵液中存在的菌群尤其是乳酸菌的類型、活性以及數量各不相同。TTA代表所有可滴定酸的總量,變化趨勢與pH值相反[21]。從T1到T2,紅提天然酵母組面團在發酵后pH值降低了6.89%,TTA由3.40 mL增加到5.48 mL。梨天然酵母組面團在發酵后pH值降低了15.07%,TTA由4.82 mL增加到8.60 mL。在天然酵母發酵的過程中,體系中大量存在的乳酸菌進行代謝反應產生的醋酸、乳酸等多種酸類增加了面團的酸度[22],同時也將對面團的性質產生一定影響。

表1 天然酵母發酵對面團pH值和TTA的影響Table 1 Effect of sourdough fermentation on the pH value and total titratable acidity of dough

2.2 天然酵母發酵對面團中游離巰基含量的影響

由圖1可知,與未發酵組面團相比,紅提天然酵母組面團和梨天然酵母組面團的游離巰基含量顯著增加,分別從1.26 μmol/g增加到2.48 μmol/g和2.77 μmol/g,可能是因為發酵過程中乳酸菌產酸營造的酸性環境激活了內源性蛋白酶,在一定程度上導致了大分子蛋白質的降解。面團中游離巰基含量能夠表征面筋蛋白的交聯程度[23]。發酵過程中面筋蛋白網絡結構由緊密向松散轉變,在酸性條件下二硫鍵的形成被抑制,使得蛋白質內部更多的游離巰基暴露[24],從而增加了面團中游離巰基的含量。

注:柱形圖上不同字母的數據代表存在顯著性差異(P<0.05),a為最小值。圖3、圖4、圖6同。圖1 天然酵母發酵對面團中游離巰基含量的影響Fig.1 Effect of sourdough fermentation on free sulfhydryl content of dough

2.3 天然酵母發酵對面團蛋白質二級結構的影響

采用傅里葉變換紅外光譜對蛋白質二級結構進行分析。選取FTIR圖譜中的酰胺I帶(1 600～1 700 cm-1)對其進行表征,處理后得到去卷積圖譜。傅里葉紅外光譜酰胺I帶各波峰二級結構譜帶指認參考文獻[25],根據各峰峰面積占總峰面積的比值計算含量,得到蛋白二級結構含量變化。國外有學者研究表明酰胺I帶是研究蛋白質二級結構最準確的指標[26]。由圖2可知,紅提天然酵母組面團和梨天然酵母組面團的酰胺I帶去卷積光譜圖顯示出與未發酵組面團非常相似的特征,表明天然酵母發酵對面團GMP二級結構變化影響有限。由圖3可知,天然酵母發酵促使蛋白質二級結構中β-轉角、α-螺旋的比例增加,β-折疊比例降低,無規卷曲的變化沒有明顯規律。發酵后面團的pH值降低,酸性環境促使多肽鏈之間的氫鍵重排,蛋白質結構中β-折疊的比例有所降低[27];當β-折疊減少而β-轉角增多時,面團強度變大。梨天然酵母組中β-轉角的比例較未發酵組有顯著提升(P<0.05),反向平行β-折疊的比例較未發酵組顯著下降(P<0.05),而其他二級結構沒有明顯變化。反向平行β-折疊是比平行β-折疊更穩定的構象[28],其含量的降低說明天然酵母發酵對蛋白質二級結構的穩定性有一定破壞,也意味著面筋網絡結構受到了一定程度的弱化,GMP在酸性環境中的靈活性增加,并且在發酵過程中GMP更容易被降解。曹偉超[29]認為酸性環境可能有利于促成β-轉角結構的形成但不利于β-折疊結構及無規卷曲結構的穩定,這可能是因為pH值的變化使肽鏈內部的靜電斥力增強,強烈的靜電斥力阻礙了肽鏈內氫鍵的形成,從而使蛋白質的二級結構發生改變。以上結論表明在天然酵母的作用下,蛋白質二級結構由β-折疊和無規卷曲向α-螺旋和β-轉角轉換,蛋白鏈柔性增強。

圖2 不同面團GMP的紅外光譜酰胺I區去卷積圖Fig.2 Reconstituted spectra of GMP of different dough in the amide I band region after curve fitting

圖3 不同面團的GMP二級結構含量Fig.3 Content of secondary structure of GMP in different dough

2.4 天然酵母發酵對多孔掛面膨脹指數及微觀結構的影響

由圖4可知,紅提天然酵母組多孔掛面和梨天然酵母組多孔掛面的膨脹指數顯著大于未發酵組掛面(P<0.05),多孔掛面的膨脹指數表示多孔掛面較普通掛面的厚度增加量,經過壓延3種面條的初始厚度均一致,但是添加天然酵母的面條由于發酵過程中酵母菌產氣,使得面條內部形成孔洞,厚度增加。根據圖5對比不同掛面的微觀結構,可以看出未發酵組掛面的截面面積明顯小于多孔掛面;天然酵母發酵的多孔掛面截面孔洞大小不均勻,內部較為疏松,這主要與發酵過程中酵母菌的代謝活動有關,發酵過程中酵母菌產氣撐起面筋網絡,面條內部形成或大或小的孔洞[15]。

圖4 天然酵母發酵對多孔掛面膨脹指數的影響Fig.4 Effect of sourdough fermentation on expansion index of porous dried noodles

注:A為未發酵組,B為紅提天然酵母組,C為梨天然酵母組。左側的掃描電鏡圖放大倍數為220倍。圖5 天然酵母發酵對多孔掛面微觀結構的影響Fig.5 Effect of sourdough fermentation on microstructures of porous dried noodles

2.5 天然酵母發酵對多孔掛面蒸煮品質的影響

煮制時間過長的面條太軟、太黏,食味不佳;相比之下,未煮熟的面條在咬食過程中會有生面粉的味道和堅硬的質地,因此烹飪時間是評估面條質量的關鍵指標[30]。由表2可知,兩種天然酵母發酵多孔掛面的最佳蒸煮時間相較于未發酵掛面分別減少了41 s和65 s,可以歸結于發酵使得面條內部結構變得松散,因此煮面時水分更易進入到掛面內部,促進了淀粉顆粒和水的結合,使得面條熟得更快。3種樣品的吸水率和熟斷條率沒有顯著性差異(P>0.05),可能是因為多孔面條內部孔洞的存在使面條與水分接觸的面積增大,但是最佳蒸煮時間的縮短同時限制了掛面的吸水能力,導致吸水率沒有明顯變化。

表2 天然酵母發酵對多孔掛面蒸煮品質的影響Table 2 Effect of sourdough fermentation on the cooking quality of porous dried noodles

2.6 天然酵母發酵對多孔掛面質構特性的影響

從圖6(a)可以看出,梨天然酵母組多孔掛面的抗斷裂強度最大,且經過發酵后的掛面抗斷裂強度顯著大于未發酵掛面(P<0.05),原因可能有兩種:一種是由于面團經過發酵后黏度上升,掛面內部由淀粉凝膠和蛋白質等網絡結構所組成的空間結構越來越緊密,掛面的韌性增強[31];另一種是多孔掛面由于厚度的增加,使得彎曲所需要的力也隨之增大[15]。此結果說明天然酵母發酵可以增強掛面的抗斷裂性,為運輸提供便利條件。

圖6 天然酵母發酵對多孔掛面抗斷裂強度和硬度的影響Fig.6 Effect of sourdough fermentation on the breaking strength and hardness of porous dried noodles

從圖6(b)可以看出,兩種發酵掛面的硬度顯著小于未發酵掛面(P<0.05),這是因為發酵時乳酸菌產酸改變面筋蛋白的二級空間結構,進而抑制煮制過程中面筋蛋白的交聯,另外,面條內部的多孔結構導致其在蒸煮過程中吸收更多的水分,使面條的質構特性下降,掛面咀嚼時的口感偏向軟滑。

2.7 天然酵母發酵對多孔掛面總酚和抗營養因子含量的影響

由表3可知,與未發酵組相比,紅提天然酵母組和梨天然酵母組的總酚含量顯著增加(P<0.05),尤其是梨天然酵母的添加使總酚含量由1.93 mg/g 增加到4.18 mg/g。由于紅提和梨這兩種水果本身就含有豐富的生物活性成分,而且在發酵過程中酵母菌和乳酸菌分泌酶破壞細胞壁的通透性,使其中的酚類物質從結合態轉變為游離態,更容易被萃取[32]。紅提天然酵母組和梨天然酵母組的總酚含量存在顯著性差異的原因主要與水果以及發酵菌種不同有關。酚類物質具有抗氧化能力,能夠通過清除自由基、絡合金屬離子等方式達到抗氧化效果[33],總酚含量的增加提高了多孔掛面的生物活性及營養價值。

表3 天然酵母發酵對多孔掛面的總酚和抗營養因子含量的影響Table 3 Effect of sourdough fermentation on the total phenolics and anti-nutritional factors content of porous dried noodles

另外,植酸和單寧這兩種抗營養因子的含量也顯示出不同幅度的下降。植酸能夠吸收人體必需的礦物質,導致礦物質的生物利用率降低[34];單寧可通過抑制消化酶的活性降低人體對大多數營養物質的消化率[35]。相比于未發酵組,采用紅提天然酵母和梨天然酵母發酵的多孔掛面其植酸含量分別降低了35.97%和60.40%,單寧含量分別降低了84.77%和39.45%。一種被廣泛認同的觀點是:發酵過程中天然酵母中大量存在的微生物對環境的酸化作用會激活谷物中的內源酶,如植酸酶、單寧酰基水解酶等[35],同時菌株生長代謝過程中合成的微生物酶也能夠降低抗營養因子含量,從而降低了抗營養因子對營養消化吸收的不良影響[36-37]。盡管不同基質的天然酵母對總酚和抗營養因子的影響有一定差異,但總體上對多孔掛面的營養品質起到積極的作用,也證明了天然酵母發酵是降低谷物中抗營養因子的有效手段。

2.8 天然酵母發酵對多孔掛面游離氨基酸含量的影響

游離氨基酸作為在發酵過程中細菌繁殖活動的主要代謝產物,對最終產品的口味、營養和感官質量都產生了很大影響。從表4可以看出,兩種水果天然酵母發酵使游離氨基酸總含量均有不同程度的增加,其中紅提天然酵母增加得最多。天然酵母對掛面游離氨基酸的影響主要在于酸性環境激活了面粉中內源性蛋白酶,再加上天然酵母中乳酸菌對蛋白質的水解作用,促進蛋白質被分解為氨基酸;另外乳酸菌可利用蛋白水解后的多肽作為營養因子促進自身生長,并將其分解為氨基酸[36-37],這也引起了游離氨基酸的聚集。從賴氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、蛋氨酸這7種必需氨基酸來看,水果天然酵母發酵顯著提高了必需氨基酸的含量,賴氨酸因在谷物食品中的含量很低且在加工過程中易被破壞,所以被稱為第一限制性氨基酸,天然酵母的添加使賴氨酸的含量有一定提高。游離氨基酸還可以提高酵母菌和乳酸菌的發酵能力并增強酵母菌對乙醇的耐受能力[38]。就必需氨基酸含量和游離氨基酸總量而言,紅提天然酵母組多孔掛面優于梨天然酵母組多孔掛面。此結果說明天然酵母發酵不僅能夠有效富集游離氨基酸,還優化了多孔掛面中的氨基酸組成模式,使多孔掛面的營養更加豐富。另外,谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸等氨基酸作為風味物質前體,其含量的增加會豐富多孔掛面的風味[39]。

表4 天然酵母發酵對多孔掛面游離氨基酸含量的影響Table 4 Effect of sourdough fermentation on the free amino acid content of porous dried noodles

3 結論

天然酵母發酵是一種有效改善多孔掛面品質和營養特性的手段。兩種天然酵母發酵均能提高多孔掛面的膨脹指數、吸水率、抗斷裂強度,一定程度減少了最佳蒸煮時間,改善了蒸煮品質;蛋白質二級結構由β-折疊和無規卷曲向α-螺旋和β-轉角轉換。在天然酵母的作用下,多孔掛面中總酚含量增加,游離氨基酸總量提高并且氨基酸組成模式得到優化,植酸、單寧這兩種抗營養因子含量大幅下降。可選作天然酵母來源的原料繁多,本研究選擇了兩種水果作為天然酵母的初始來源,有助于了解兩種水果天然酵母發酵對面團及多孔掛面帶來的諸多變化,豐富了水果天然酵母的相關信息,對天然酵母在發酵掛面上的應用具有參考價值。后續研究可以對天然酵母中菌群組成進行分析,將功能性菌株分離出來并應用到發酵面條中。