不同發酵類型乳酸菌對全麥面包品質影響研究

王博,張維清,李鵬,楊洋,李艷民

1(甘肅工業職業技術學院,甘肅 天水,741025)2(國家糧食和物資儲備局科學研究院,北京,100037)3(北京農業職業學院,北京,102442)4(甘肅豐收農業科技有限公司,甘肅 天水,741020)

全麥粉是由全粒小麥經磨粉、篩分等步驟制成,保有與原來整粒小麥相同比例的胚乳、麩皮和胚芽等成分[1]。與精制小麥粉相比,全麥粉含有更高水平的維生素、礦物質、膳食纖維、抗氧化物及類胡蘿卜素、類黃酮和酚酸等植物化學物[2],營養素密度更高。增加全麥粉的消費有利于改善國民膳食纖維、微量營養素攝入不足的現狀,減少心腦血管疾病、Ⅱ型糖尿病等慢性病的發生和發展;有助于規范和引導小麥加工企業適度加工,實現加工環節的節糧減損。

全麥面包作為我國烘焙食品產業發展的重要趨勢和新的經濟增長點,是推廣全麥粉的良好載體。但與白面包相比,制作高質量的全麥面包更具挑戰性。因為全麥粉成分復雜,存在影響面筋形成和面團流變性的麩皮和胚芽,在面團形成、醒發、焙烤和成品貯藏等階段影響全麥面包的加工和食用品質,導致產品出現質地硬、口感差、體積小、顏色深及貨架期短等不理想的品質屬性[3-4]。

酸面團是谷物、水和活性微生物發酵的產物,與我國傳統發酵劑類似。大量研究表明,酸面團的長時間發酵可改善面包的營養特性、提高感官品質及延長貨架期等[5-8]。至今,從酸面團中分離出的乳酸菌有70多種[9],根據發酵葡萄糖代謝途徑及產物組成不同,可分為3類:專性同型發酵(obligately homofermentative,OHo)、專性異型發酵(obligately heterofermentative,OHe)和兼性異型發酵(facultatively heterofermentative,FHe),其中絕大多數乳酸菌屬于專性異型發酵[10-11]。以小麥或黑麥粉為發酵基質,使用單一乳酸菌或多種乳酸菌混合發酵的現代酸面團發酵技術[12],在歐美許多國家已廣泛用于面包的工業化生產。然而,不同發酵基質的酸面團中優勢乳酸菌并不相同,有關不同發酵類型乳酸菌對全麥酸面團及全麥面包品質影響的研究仍較少。

本研究以全麥粉為發酵基質,利用7株乳酸菌發酵制備全麥面包,探究不同發酵類型乳酸菌對全麥面包焙烤品質、老化特性和營養價值的影響,以期篩選出改善全麥面包品質的全麥酸面團發酵菌劑,為全麥面包的品質調控提供理論與技術參考,推動全麥發酵食品主食化發展。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

全麥粉和高筋面粉,市售;乳酸菌均來自實驗室保藏菌種,屬于3種不同發酵類型,OHo型:乳酸乳球菌(Lactococcuslactis);OHe型:短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)、發酵乳桿菌(Lactobacillusfermentum);FHe型:干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)、類干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)、戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)。耐高糖酵母,安琪酵母股份有限公司;安佳黃油,恒天然集團;MRS肉湯培養基,北京奧博星生物技術有限公司;其他試劑均來源于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器和設備

SPARK酶標儀,瑞士Tecan公司;恒溫培養箱,上海博訊實業有限公司醫療設備廠;SHZ-B水浴恒溫振蕩器,上海博訊醫療生物儀器股份有限公司;高性能無菌試驗臺,哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司;LGJ-10C真空冷凍干燥機,北京四環科學儀器廠有限公司;SD-103自動制面包機,松下電器(中國)有限公司;JCXZ面團成型機、JXFD 7醒發箱,北京東孚久恒儀器技術有限公司;長帝電烤箱,佛山市偉仕達電器實業有限公司;TA-XTPLUS物性儀,Stable Micro Systems Ltd。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳酸菌粉的制備

將乳酸菌在MRS肉湯培養基中活化2代,離心棄上清液得到菌體;用無菌生理鹽水清洗2次后,將菌體懸浮于0.1 g/mL的脫脂乳粉中凍干,制得菌粉,并使用MRS瓊脂培養基平板計數單位質量菌落數(CFU/g)[13]。

1.3.2 全麥酸面團的制備

參照文獻[14],制備全麥酸面團,面團得率(dough yield,DY)值為225,乳酸菌初始接種量為107CFU/g。制備過程:按比例稱量全麥粉、無菌蒸餾水和經活化至對數穩定期的凍干乳酸菌菌粉,將上述材料充分混勻后于28 ℃培養16 h后即為乳酸菌全麥酸面團225,以不添加乳酸菌菌粉的自然發酵全麥酸面團作為對照。將制備好的全麥酸面團進行真空冷凍干燥得到乳酸菌全麥酸面團發酵菌劑,磨粉待用。

1.3.3 全麥面包的制作

全麥面包的配方見表1。制作過程:準確稱量配方中的配料并加入面包機中,選擇面團制作程序;將制備好的面團等分為100 g/份;利用面團成型機將分割好的面團塑形,置于面包盒中,38 ℃, 85%濕度,醒發120 min。醒發好的面包胚于烤箱中焙烤15 min,面火190 ℃,底火210 ℃;焙烤結束后,于室溫下冷卻2 h;將面包胚置于塑料自封袋中保存,用于后續的分析。為保證面粉/水的恒定比例,將酸面團中的面粉等量替代配方中面粉。

表1 全麥面包配方 單位:%Table 1 Formulation of whole wheat bread

文中LLWB表示乳酸乳球菌全麥酸面團面包;LFWB表示發酵乳桿菌全麥酸面團面包;PPWB表示戊糖片球菌全麥酸面團面包;LPWB表示植物乳桿菌全麥酸面團面包;LBWB表示短乳桿菌全麥酸面團面包;LCWB表示干酪乳桿菌全麥酸面團面包;LPCWB表示類干酪乳桿菌全麥酸面團面包。

1.3.4 全麥面包焙烤品質測定

1.3.4.1 焙烤損失測定

面包胚焙烤前后的質量分別記為m0和m1,焙烤損失(baking loss,BL)按公式(1)計算[15]。

BL=m0-m1

(1)

式中:m0,面包胚焙烤前質量,mg;m1,面包胚焙烤前的質量,mg。

1.3.4.2 比容量測定

面包在室溫下充分冷卻后,參照AACC(2000, 10th)中油菜籽替代法測定面包體積[16]。按公式(2)計算面包的比容(specific volume,SV)。

SV=V1/m1

(2)

式中:V1,面包胚焙烤后的體積,mL;m1,面包胚焙烤前的質量,mg。

1.3.4.3 面包芯質構測定

面包在室溫下充分冷卻后,用面包切片機將其切成厚度為1.0 cm的薄片,將中間的兩片疊加,使用質構儀進行測定。參數設置:25 mm(P/25)的鋁制圓柱形探頭,在距離為10.00 mm的位置,以恒定的2.00 mm/s的速度,壓縮面包芯至其原始厚度的40%,兩次壓縮中間停頓5 s,觸發力20.0 g,每個樣品重復測定3次。

1.3.5 全麥面包老化特性測定

1.3.5.1 老化率測定

面包芯水分含量是影響全麥面包老化的重要參數。全麥面包的老化率由7 d內面包芯硬度的增加速率來評估[17],按照公式(3)計算:

(3)

1.3.5.2 常溫保藏實驗

參照OLOJEDE等[18]的方法,略作修改。將不同全麥面包片分別置于塑料自封袋中,常溫(25±2)℃保藏,觀察菌落生長情況,直至霉菌生長目視可見,拍照記錄。

1.3.6 全麥面包營養價值測定

1.3.6.1 氨基酸測定

參照ZHAO等[19]的方法,使用全自動多樣本氨基酸分析儀測定乳酸菌全麥面包中氨基酸的含量(色氨酸除外)。通過比較全麥面包中必需氨基酸(essential amino acid,EAA)的含量與FAO/WHO 2007給出的成年人必需氨基酸的推薦量[20],可獲得氨基酸評分(amino acid score,AAS),具體計算方法見公式(4)[21]。

(4)

式中,每種EAA的推薦量(g/100 g)分別是:賴氨酸4.5,組氨酸1.5,蘇氨酸2.3,纈氨酸3.9,異亮氨酸3.0,亮氨酸5.9,蛋氨酸1.6,苯丙氨酸+酪氨酸3.0。

1.3.6.2 總酚及抗氧化能力測定

酸面團中總酚的提取參照甲醇提取法[22],略作修改。1 g樣品與5 mL預熱的70%(體積分數,下同)甲醇溶液混合均勻,70 ℃恒溫水浴振蕩10 min,浸提后冷卻至室溫,5 000 r/min離心20 min,將上清液移入10 mL容量瓶中;重復上述操作,合并2次上清液后定容至10 mL,4 ℃避光保藏備用[18]。

參照福林-酚比色法[10],略作修改,測定酸面團中總酚含量。向1 mL總酚提取液中加入5 mL福林酚試劑,渦旋2～3 s充分混勻,隨后加入4 mL、200 g/L Na2CO3溶液,室溫避光反應1 h,短暫離心,測定765 nm波長處上清液的吸光值。以沒食子酸為標品,以70%甲醇溶液為溶劑,配制20～120 μg/mL不同梯度的沒食子酸溶液,制作標準曲線。

此外,使用索萊寶試劑盒檢測全麥面包提取物的·OH、ABTS陽離子自由基、DPPH自由基、·O2-清除能力以及總抗氧化能力。

1.4 數據分析

采用Excel 2016和SAS 9.2對數據進行統計分析,運用方差分析(ANOVA)進行顯著性分析(P<0.05)。所有試驗重復3次,數據表示為平均值±標準方差。

2 結果與分析

2.1 全麥面包焙烤品質分析

2.1.1 焙烤損失和比容分析

高焙烤損失對全麥面包的產率和品質都有不利的影響。由圖1可知,OHo型乳酸乳球菌和FHe型戊糖片球菌發酵的全麥面包焙烤損失均大于對照組,OHe型短乳桿菌與對照組無顯著差異,其余實驗組全麥面包的焙烤損失均顯著低于對照組(P<0.05),特別是FHe型植物乳桿菌和類干酪乳桿菌比對照組低10.1%和9.4%。

圖1 不同乳酸菌全麥酸面團面包焙烤損失Fig.1 Baking loss of whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

高品質的面包比容較大,放在手上有“很輕”的感覺。由圖2可知,FHe型植物乳桿菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型發酵乳桿菌發酵的全麥酸面團面包的比容顯著大于對照組(P<0.05),尤其是FHe型植物乳桿菌能夠顯著增加全麥面包的比容,較對照組高4.3%。FHe型戊糖片球菌和類干酪乳桿菌發酵的全麥面包的比容雖小于對照組,但差異不顯著。

圖2 不同乳酸菌全麥酸面團面包比容量Fig.2 Specific volume of whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

綜上,FHe型植物乳桿菌作為全麥酸面團發酵菌,能夠顯著降低全麥面包的焙烤損失、增加全麥面包單位重量的體積。

2.1.2 質構分析

彈性、內聚性與回復性與面包品質呈正相關,而硬度、咀嚼性和黏性與面包品質呈負相關,全質構參數共同決定了全麥面包的可接受度,也是其貨架期的重要影響因素[23]。

表2展示了不同乳酸菌全麥面包的質構特性。PPWB和LBWB的硬度顯著大于對照組,其余各組硬度均顯著低于對照組,特別是LPWB的硬度比對照組低17.2%。此外,通過硬度與比容的相關性分析發現,不同乳酸菌全麥面包的硬度與其自身的比容呈負相關(Pearson相關系數-0.675),即硬度越大,比容越小,與已報道的研究結果一致[24];咀嚼性(咀嚼時間和咀嚼次數)與硬度、內聚性、彈性等有關,一般來說其值越小越好[25],PPWB咀嚼性明顯大于對照組,LPWB、LFWB和LPCWB咀嚼性顯著小于對照組,其余各組與對照組無顯著差異;面包樣品的黏性值越高,表明面包的結構越緊湊[26],PPWB黏性顯著大于對照組,LPCWB和LFWB黏性顯著小于對照組,其它組黏性與對照組無顯著差異。由此可知,除FHe型戊糖片球菌和OHe型短乳桿菌外,其余乳酸菌酸面團均能有效降低全麥面包的硬度,特別是FHe型植物乳桿菌。FHe型植物乳桿菌、類干酪乳桿菌和OHe型發酵乳桿菌可顯著改善全麥面包的咀嚼性。

表2 不同乳酸菌全麥酸面團面包的質構特性Table 2 Texture characteristics of whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

HU等[27]發現在一定范圍內,面包硬度越小,越有彈性,其口感越好。LPWB、LLWB、LFWB的彈性顯著大于對照組,特別是LPWB的彈性得到了顯著的改善,其余各組的彈性與對照組無顯著性差異;LPWB和LLWB的內聚性顯著大于對照組,LFWB的內聚性大于對照組,其余組的內聚性低于對照組,內聚性大利于提升面包的口感;回復性是指全麥面包從形變中恢復的能力,LPWB、LLWB和LFWB回復性顯著大于對照組,其余各組與對照組無顯著差異。由此可知,FHe型植物乳桿菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型發酵乳桿菌可顯著改善全麥面包彈性;FHe型植物乳桿菌和OHo型乳酸乳球菌可明顯改善全麥面包的內聚性。FHe型植物乳桿菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型發酵乳桿菌發酵的全麥酸面團可有效改善全麥面包的回復性。

綜上,FHe型植物乳桿菌在降低全麥面包的硬度、咀嚼型,增加彈性、內聚性和回復性參數方面起到了積極作用,其次是OHe型發酵乳桿菌。

2.2 全麥面包老化特性分析

2.2.1 老化率比較分析

全麥面包在冷卻和貯藏過程中常伴隨著老化現象的發生,表現為表皮皺縮、柔軟度降低、風味劣變和不易消化吸收等[28]。因此,控制老化率對改善全麥面包品質具有重要意義。由圖3可知,發酵乳桿菌全麥酸面團面包、植物乳桿菌全麥酸面團面包和乳酸乳球菌全麥酸面團面包的老化速率顯著低于對照組(P<0.05),分別降低了53.71%、44.11%和40.87%。可能是由于在酸面團發酵過程中,OHe型發酵乳桿菌、FHe型植物乳桿菌和OHo型乳酸乳球菌代謝產生了大量具有類似親水膠體作用的胞外多糖[29],而胞外多糖可通過減少的支鏈淀粉微晶的重新形成,抑制面包老化[14]。此外,還有可能是由于發酵乳桿菌全麥酸面團面包、植物乳桿菌全麥酸面團面包和乳酸乳球菌全麥酸面團面包的比容較大、較松軟,所以硬化慢,老化速率較低。但老化率降低的具體原因有待進一步研究論證。

圖3 不同乳酸菌全麥酸面團面包的老化率Fig.3 Staling rate of whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

2.2.2 常溫保藏結果分析

微生物污染是導致食品腐敗變質的主要原因,菌落總數可作為微生物污染的指標,用來預測食品的貨架期。基于此,在前期描述性分析的基礎上,對全麥面包進行了常溫保藏實驗。在常溫保藏21 d后,所有面包片均出現一定數量、大小不一的菌落,但實驗組菌落的數量均少于對照組(圖4)。酸面團中的乳酸菌在生長代謝過程中產生了有機酸、H2O2、抗菌肽等具有抗菌活性的物質[30],抑制面包中霉菌和細菌的生長,特別是OHe型短乳桿菌和FHe型植物乳桿菌。OHe型短乳桿菌發酵的全麥面包未發現明顯菌落,抑菌效果顯著,可能是因為OHe型乳酸菌不僅能通過磷酸戊糖途徑將乳糖分解產生乳酸,還可利用乙醇、乙酸鹽和CO2產生乳酸[31],酸類物質除賦予全麥面包豐富的風味,還可作為抑菌劑,在全麥面包常溫保藏中有效延長貨架期,達到生物防腐和清潔標簽的目的。

圖4 不同乳酸菌全麥酸面團面包儲藏期內霉菌產生情況Fig.4 Mold growth during the storage of whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

2.3 全麥面包營養價值分析

2.3.1 氨基酸含量比較分析

氨基酸是形成揮發性風味化合物的重要底物,也是評價面包營養價值的關鍵指標,其含量的多少與面團中蛋白質的水解及乳酸菌的生長代謝有關。由表3可知,LPWB、LLWB、LCWB和PPWB總氨基酸含量顯著高于對照組,其中LPWB的含量最高,較對照組高5.51%。前期的實驗結果表明,在7株乳酸菌發酵的全麥酸面團中,FHe型植物乳桿菌體系的可滴定酸度最高[13],酸性環境可以促進蛋白質的水解,增加游離氨基酸的產生。而LBWB總氨基酸含量與對照組差異不顯著,LFWB和LPCWB則顯著低于對照組。

谷氨酸是小麥粉中含量最高的氨基酸,全麥面包中的谷氨酸的含量也較為豐富,均在4.3 g/100 g左右,其中LLWB、LPWB和PPWB中谷氨酸含量顯著高于對照組,谷氨酸的積累不僅可以增加全麥面包的咸味,還可提高其鮮味。此外,LPWB中的鮮味氨基酸,丙氨酸、甘氨酸和絲氨酸含量也略有提高。

氨基酸評分/蛋白質化學評分是評價蛋白質營養價值的重要方法[21]。在本研究中,實驗組的化學評分與對照組存在顯著差異,其中FHe型植物乳桿菌和戊糖片球菌發酵的全麥面包蛋白質化學評分顯著高于其余各組。

綜上,FHe型植物乳桿菌發酵的全麥面包,其氨基酸的含量更豐富,蛋白質營養價值更高。

2.3.2 總酚及抗氧化性比較分析

如圖5所示,實驗組總酚含量均高于對照組。由此可知,酸面團發酵可提高全麥面包中的酚類化合物的含量,與已有文獻報道一致[32],但不同乳酸菌發酵釋放總酚能力的差異較大。在本實驗中,FHe型的植物乳桿菌發酵的全麥面包中總酚含量最高,顯著高于其他各組(P<0.05),相較于對照組提高了44.79%,其次為OHe型發酵乳桿菌。

表4 不同乳酸菌全麥酸面團面包提取物抗氧化能力Table 4 Antioxidant capacity of extracts from whole wheat sourdough bread fermented by different lactic acid bacteria

3 結論與討論

3種不同發酵類型的7株乳酸菌對全麥面包烘焙品質、老化特性和營養價值的影響各不相同。FHe型植物乳桿菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型發酵乳桿菌能夠顯著提高全麥面包的單位重量的體積;FHe型植物乳桿菌和OHe型發酵乳桿菌對全麥面包質構的改善效果較為明顯。FHe型植物乳桿菌和OHe型短乳桿菌能夠有效地延長全麥面包的貨架期。經乳酸菌酸面團發酵,全麥面包中水溶性膳食纖維的含量增加,不溶性膳食纖維的含量下降,FHe型植物乳桿菌在改善全麥面包膳食纖維的構成方面表現最為突出。此外,FHe型植物乳桿菌發酵的全麥面包,其氨基酸的含量也更為豐富,蛋白質化學評分最高。FHe型的植物乳桿菌和OHe型發酵乳桿菌發酵的全麥面包中總酚含量較高,相應地其抗氧化能力也較強。但現階段不同發酵類型乳酸菌自身酶系和主要代謝產物對全麥面包品質影響的機理還有待深入研究。