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(河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院,河南鄭州 450001)

利用酸面團(tuán)進(jìn)行發(fā)酵是谷物食品生產(chǎn)中應(yīng)用最古老的生物技術(shù)之一。酸面團(tuán)是由面粉和水混合、再加入乳酸菌發(fā)酵制成的。采用的乳酸菌主要為異型發(fā)酵菌株,能夠合成乳酸和醋酸從而使得最終產(chǎn)品帶有怡人的酸味。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,酸面團(tuán)可以分為三類。類型I是傳統(tǒng)酸面團(tuán),把一部分已經(jīng)發(fā)酵好的面團(tuán)當(dāng)作發(fā)酵劑發(fā)酵形成新面團(tuán);類型Ⅱ是工業(yè)化的酸面團(tuán),用合適的菌種進(jìn)行發(fā)酵,這種酸面團(tuán)可以是液態(tài)的,故工業(yè)化的烘焙車間可用泵來(lái)輸送這種面團(tuán);類型Ⅲ可被干燥,其在工業(yè)化的烘焙車間經(jīng)常使用,因?yàn)樗焚|(zhì)穩(wěn)定,不存在由現(xiàn)制酸面團(tuán)所帶來(lái)的最終產(chǎn)品的品質(zhì)差異。利用Ⅲ型酸面團(tuán)發(fā)酵,是把正宗面包風(fēng)味引入現(xiàn)代高科技烘焙工業(yè)最便利的途徑,現(xiàn)已有多種Ⅲ型酸面團(tuán)在工業(yè)上大規(guī)模使用[1]。Ⅲ型酸面團(tuán)的生產(chǎn)中,運(yùn)用了多種干燥技術(shù)(最常用的是噴霧干燥和滾筒干燥)和液體巴氏消毒以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的微生物穩(wěn)定性。

1 酸面團(tuán)中的微生物群落

酸面團(tuán)是一個(gè)非常復(fù)雜的生物生態(tài)系統(tǒng),其中微生物種類很多,并且面包制作各階段工藝之間和面包不同成分之間存在交互作用[2]。谷物發(fā)酵物,也叫酸面團(tuán),由專門培養(yǎng)的乳酸菌(>108CFU/g)占主導(dǎo),可能還存在數(shù)量級(jí)較低的與乳酸菌共存或共生的(可能性很小)特定酵母菌[2 - 3]。從酸面團(tuán)中分離出的或用于酸面團(tuán)發(fā)酵劑的主要菌種分別為:乳酸菌屬、片球菌屬、明串珠菌屬、魏斯氏菌屬。四個(gè)屬中,菌種數(shù)最多的是乳酸菌屬(23種)。按照發(fā)酵類型,乳酸桿菌分為三種類型——專性同型發(fā)酵、兼性異型發(fā)酵和專性異型發(fā)酵(表1),這三種發(fā)酵類型在酸面團(tuán)發(fā)酵中地位相同。

酸面團(tuán)中酵母通常伴隨著乳酸菌存在,酵母菌/乳酸菌的比例是1∶ 100[4 - 5]。研究發(fā)現(xiàn)酸面團(tuán)中的酵母菌種類超過(guò)20種,與乳酸菌共存的典型酵母包括:少孢酵母、C.humilis(正式的名稱是梅林假絲酵母)和東方伊薩酵母(克柔假絲酵母)[6],其他酵母品種包括:異常畢赤酵母(漢遜酵母)、Saturnisporasaitoi(齋藤氏畢赤酵母)、德?tīng)柌加墟邎A酵母、漢遜德巴利酵母、膜醭畢赤酵母[4,6]。這些酵母菌大多數(shù)屬于以下四種——梅林假絲酵母、霍氏假絲酵母、S.exiguous和釀酒酵母。面團(tuán)中酵母種類和數(shù)量的變化受到多種因素影響,如:面團(tuán)含水率、使用谷物的等級(jí)和類型、發(fā)酵溫度、酸面團(tuán)維持溫度[4]。

表1 與酸面團(tuán)發(fā)酵有關(guān)的或存在于發(fā)酵好的酸面團(tuán)中的各種乳酸菌Table 1 Lactobacillus species associated with sourdough fermentation or found in fermented sourdough

2 乳酸菌的代謝途徑

小麥面粉中微生物可以利用的碳水化合物首先是麥芽糖,其次是蔗糖、葡萄糖和果糖,連同一些三糖,如麥芽三糖、棉子糖。發(fā)酵過(guò)程中,葡萄糖含量上升,蔗糖含量下降(酵母菌分泌的蔗糖酶的酶解作用)。雖然酵母菌不能利用面粉中的麥芽糖,但其可利用某些乳酸菌(特別是舊金山乳桿菌)代謝釋放出的葡萄糖,而在酸面團(tuán)中生長(zhǎng)繁殖。從葡萄糖出發(fā),同型發(fā)酵乳酸菌主要通過(guò)糖酵解途徑生產(chǎn)乳酸(同型乳酸發(fā)酵);異型發(fā)酵的乳酸菌通過(guò)6 - 磷酸葡萄糖酸/磷酸乙酮醇酶(6 - PG/PK途徑(異型乳酸發(fā)酵)產(chǎn)生乳酸,同時(shí)還產(chǎn)生二氧化碳、醋酸和/或乙醇[7]。除葡萄糖外,其他己糖在異構(gòu)化和/或磷酸化之后,在葡糖糖 - 6 - 磷酸或果糖 - 6 - 磷酸階段進(jìn)入這兩種主要代謝途徑[8]。二糖被特定的水解酶和/或磷酸水解酶分解為單糖后進(jìn)入這兩種代謝途徑。戊糖被磷酸化,并被差向異構(gòu)酶或異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化成核糖 - 5 -磷酸或木酮糖 - 5 - 磷酸,接著進(jìn)入6 - PG/PK途徑的后半段進(jìn)行新陳代謝[8]。并非只有本身含磷酸轉(zhuǎn)酮酶(6 - PG/PK途徑的關(guān)鍵酶)的專性異型發(fā)酵乳酸菌才可以利用戊糖,兼性異型發(fā)酵乳酸菌也可以利用戊糖,其磷酸轉(zhuǎn)酮酶由可利用的戊糖誘導(dǎo)產(chǎn)生[9],專性同型發(fā)酵乳酸菌不發(fā)酵戊糖[8]。兼性異型發(fā)酵乳酸菌還可通過(guò)糖酵解途徑發(fā)酵己糖,因?yàn)檫@類乳酸菌本身含有果糖 - 1,6 - 二磷酸醛縮酶(糖酵解途徑的關(guān)鍵酶)。迄今為止,已有一些研究嘗試對(duì)乳酸桿菌的完整基因組進(jìn)行測(cè)序;涉及的乳酸桿菌包括:同樣在酸面團(tuán)中存在的短乳桿菌[10]、植物乳桿菌[11]和羅氏乳酸菌。

在還原型輔助因子、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸或煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的再生需求上,同型和異型發(fā)酵的新陳代謝有著本質(zhì)的不同。專性異型發(fā)酵乳酸桿菌利用氧氣或果糖等輔底物作為電子受體,導(dǎo)致面團(tuán)中產(chǎn)生更多的醋酸。由于輔因子再生的新陳代謝條件不同,同型發(fā)酵乳酸桿菌和異型發(fā)酵乳酸桿菌對(duì)面團(tuán)中氧化還原反應(yīng)的影響也不同。

2. 1 碳水化合物的代謝

酸面團(tuán)中的兼性(比如植物乳桿菌和食品乳桿菌)和專性(如舊金山乳桿菌)異型發(fā)酵乳酸菌常見(jiàn)的發(fā)酵六碳糖的方式分別是糖酵解和磷酸葡萄糖酸途徑。除了這些能量代謝途徑,在營(yíng)養(yǎng)水平低下且多變的環(huán)境中,乳酸菌會(huì)產(chǎn)生表型反應(yīng)。該反應(yīng)包括對(duì)外部電子受體的使用和/或?qū)Ω鞣N能量來(lái)源的同時(shí)使用。這些能量來(lái)源通常與誘導(dǎo)性吸收系統(tǒng)有關(guān),和/或與內(nèi)源性和外源性酶作用有關(guān)[12]。磷酸葡萄糖途徑可能由于乙酸激酶的作用產(chǎn)生額外的能量(乙酸激酶在存在電子受體的情況下,可以在不形成乙醇的情況下回收NAD+)。共發(fā)酵是另一條能量代謝途徑,它可以使酸面團(tuán)乳酸菌使用不可發(fā)酵的底物從而增加乳酸菌的適應(yīng)性。舊金山乳桿菌中已發(fā)現(xiàn)存在檸檬酸和麥芽糖或葡萄糖的共代謝[13]。在共發(fā)酵中,戊糖被優(yōu)先利用而非麥芽糖[2]。對(duì)一些非常規(guī)底物(如氨基酸)的強(qiáng)制性利用也可能產(chǎn)生丙酮酸和乳酸。絲氨酸脫去氨基產(chǎn)生谷氨酸氨和丙酮酸,丙酮酸又被降解為乳酸。丙酮酸還可通過(guò)轉(zhuǎn)氨基作用,由丙氨酸直接形成或由天冬氨酸間接形成。酸面團(tuán)發(fā)酵過(guò)程中乳糖的降解產(chǎn)生醋酸和CO2,而這可能影響酸面團(tuán)的風(fēng)味和質(zhì)地[14]。

2. 2 含氮化合物的代謝

現(xiàn)已證明,幾乎所有的乳酸菌都有多種氨基酸營(yíng)養(yǎng)缺陷(4 ～ 14種氨基酸)[15]。因此,乳酸菌依靠蛋白水解系統(tǒng)降解蛋白質(zhì)。乳酸菌的蛋白水解系統(tǒng)由眾多位于細(xì)胞內(nèi)的肽酶,和一個(gè)位于細(xì)胞外的絲氨酸蛋白酶輸送系統(tǒng)(專門針對(duì)二肽/三肽和寡肽(多于三個(gè)氨基酸殘基))構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō),水解蛋白質(zhì)的酶(蛋白酶)分為蛋白酶和肽酶。蛋白酶催化蛋白質(zhì)降解成較小的肽段;肽酶水解特定肽鍵或?qū)㈦念愅耆纸鉃榘被?。小麥粉和黑麥粉的蛋白酶活性主要源于天冬氨酸蛋白酶和羧肽?這兩種酶類在酸性條件下都具有活性。

小麥蛋白和黑麥蛋白的降解對(duì)面包的風(fēng)味、體積和質(zhì)地有著重要的影響。面筋蛋白,即麥谷蛋白和麥醇溶蛋白,是小麥籽粒中主要的貯存蛋白質(zhì)。麥醇溶蛋白是小麥籽粒中溶于乙醇的蛋白質(zhì),麥谷蛋白則溶于稀酸。麥谷蛋白是高度聚合的蛋白質(zhì),并分為高分子量(HMW)組分和低分子量(LMW)組分[16]。麥醇溶蛋白是單體蛋白質(zhì),因?yàn)檫@類蛋白只含有分子內(nèi)二硫鍵。根據(jù)氨基酸組成的不同,麥醇溶蛋白分為α、γ、ω三類,α和γ麥醇溶蛋白含有半胱氨酸殘基,但是ω麥醇溶蛋白不含有[17]。黑麥的主要貯存蛋白質(zhì)是黑麥醇溶蛋白,黑麥醇溶蛋白分為γ、ω和HMW三類。在所有種類的酸面團(tuán)發(fā)酵中均普遍發(fā)現(xiàn):有限的蛋白質(zhì)水解可以提高面包的風(fēng)味,并且不會(huì)對(duì)面包的質(zhì)地和體積產(chǎn)生不利影響[18]。氨基酸和肽不僅影響著發(fā)酵食品的味道,更是揮發(fā)性風(fēng)味組分的重要前體。氨基酸可以作為底物被微生物轉(zhuǎn)化,或者在烘焙中被轉(zhuǎn)化成風(fēng)味物質(zhì);因此,發(fā)酵過(guò)程中有限的蛋白質(zhì)水解能夠改善面包的風(fēng)味[18]。面包屑的氣味主要取決于微生物發(fā)酵的產(chǎn)物,而面包皮的味道和香味主要取決于熱反應(yīng)生成的物質(zhì)[19]。

面團(tuán)酸化和小麥內(nèi)源性蛋白酶(最適pH3. 0 ～4. 0)對(duì)面團(tuán)中(特別是長(zhǎng)期發(fā)酵的酸面團(tuán))蛋白質(zhì)水解有重要作用,乳酸菌菌株特異性的蛋白水解活性可能會(huì)額外促進(jìn)蛋白質(zhì)水解。異型發(fā)酵乳酸桿菌的微生物酸化作用和面筋蛋白中二硫鍵的減少,可增加面筋蛋白的溶解度并使其更易被酶解。酸面團(tuán)乳酸桿菌對(duì)肽類的水解(二次水解)增加了面團(tuán)中的氨基酸含量,而酵母菌卻降低了面團(tuán)中的氨基酸含量。蛋白質(zhì)水解過(guò)程中微生物的代謝活動(dòng)如圖1所示。

圖1 乳酸菌對(duì)酸面團(tuán)中蛋白質(zhì)水解的作用Fig. 1 Contribution of lactic acid bacteria to proteolysis in sourdoughs

3 胞外多糖(EPS)的生產(chǎn)

EPS是微生物分泌到細(xì)胞外的多糖,其數(shù)量和結(jié)構(gòu)取決于微生物種類以及可供利用的碳源[20]。與谷物相關(guān)的乳酸桿菌能夠通過(guò)糖基轉(zhuǎn)移酶的作用,以蔗糖為碳源,生成結(jié)構(gòu)繁多的EPS和寡糖。這些化合物由乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生,而這一作用有望被食用膠取代。EPS和寡糖(通常被稱作膠)可作為面包生產(chǎn)中的增稠劑、保鮮劑或益生元添加劑[21]。乳酸菌產(chǎn)生的EPS可明顯分為兩類,一類是胞外合成的同多糖,一類是無(wú)規(guī)則重復(fù)單元的雜多糖(HePS)。雜多糖的重復(fù)性結(jié)構(gòu)由3 ～ 8個(gè)碳水化合物單元構(gòu)成;這些單元由糖核苷酸前體在細(xì)胞內(nèi)合成[22]。雜多糖的使用目前僅限于“粘稠的”乳制品發(fā)酵劑(目的是提高酸奶及其他發(fā)酵乳制品的質(zhì)地)[23],與谷物相關(guān)的乳酸桿菌生成EPS的過(guò)程至今還未明確。由兩種舊金山乳桿菌產(chǎn)生的果聚糖是一種益生元或雙歧因子,能夠促進(jìn)雙歧桿菌的生長(zhǎng)[24]。使用益生元可以增加糞便雙歧桿菌出現(xiàn)的頻率和數(shù)量(糞便雙歧桿菌是空腸中最主要的細(xì)菌,其益生菌特性被廣泛認(rèn)可)[25]。研究還表明某些種類的乳酸桿菌具有一定的保健作用[26],這些乳酸桿菌益生菌是從發(fā)酵型谷物食品中分離出來(lái)的,并且能夠粘附在人類腸道細(xì)胞上[27]。很顯然,由乳酸菌(一般認(rèn)為是安全的)產(chǎn)生的具有抗低pH(發(fā)酵期間不會(huì)降解)和抗高溫(烘焙之后仍有活性)的雙歧因子底物,可能成為一種可被接受的益生元組分被添加到食品中。再者,一些種類的乳酸菌,如面包乳桿菌、粘膜乳桿菌、瑞特乳酸菌、口乳桿菌、嗜酸乳桿菌[3]、紅色乳桿菌[28],不僅存在于人類和動(dòng)物的腸道及糞便中,也存在于酸面團(tuán)中,這些乳酸菌可能的益生元活性有待于進(jìn)一步探究[3]。

4 酸面團(tuán)中的揮發(fā)性代謝物

味道、香味和風(fēng)味是決定面包及烘焙谷物品質(zhì)最重要的因素,酸面團(tuán)發(fā)酵可以改善黑麥面包和小麥面包的風(fēng)味和結(jié)構(gòu)[29]。理論上,酸面團(tuán)發(fā)酵可以對(duì)全谷物或谷物的部分進(jìn)行改良,從而提高谷物食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和健康性。全麥粉富含纖維素、礦物質(zhì)、微生物和多種植物素(如酚類化合物、甾醇類、生育酚、生育三烯酚、木脂素、植酸)。酸面團(tuán)發(fā)酵處理可以提高全麥面包(不去除任何重要的營(yíng)養(yǎng)組分)的口感和適口性[30]。例如,與用乳酸和醋酸進(jìn)行化學(xué)酸化的面包相比,酸面團(tuán)發(fā)酵面包的揮發(fā)物質(zhì)含量更高并且感官評(píng)分也更高[31]。研究表明:面包中一些化合物的含量與相應(yīng)酸面團(tuán)中這些化合物的含量相關(guān)。比如,三種發(fā)酵烘焙品中甲基丙醇(異丁醇)、2 - 和3 - 甲基丁醇(異戊醇)、乙酸乙酯、乳酸乙酯的含量,與相應(yīng)酸面團(tuán)中這些化合物的含量明顯相關(guān)[32]。

酸面團(tuán)發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)分為兩類。一類是非揮發(fā)性化合物(包括有機(jī)酸),由同型和異型發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)生,具有酸化作用、降低體系pH并增加面包面團(tuán)的香味[33],另一類是揮發(fā)性化合物,包括醇類、醛類、酮類、酯類和硫化物。這兩類化合物均由發(fā)酵過(guò)程中生物和生化作用產(chǎn)生[34]。發(fā)酵期間產(chǎn)生足量的揮發(fā)性化合物需長(zhǎng)達(dá)12 ～ 24h的多步過(guò)程,但是用面包酵母單獨(dú)發(fā)酵則幾小時(shí)內(nèi)即可完成。乳酸菌和酸面團(tuán)酵母菌活性顯然會(huì)影響酸面團(tuán)中揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生,影響這些微生物活性的因素(如溫度、水分含量)自然會(huì)影響到其代謝物的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō),面團(tuán)的酸化主要由乳酸菌造成的。面團(tuán)發(fā)酵期間氨基酸降解的關(guān)鍵反應(yīng)是經(jīng)Ehrlich途徑分別生成醛或相應(yīng)的醇[35]。相反,在烘焙期間,由α - 二羰基化合物(如丙酮醛(2 - 異丙醇))引發(fā)的Strecker反應(yīng)也能生成相應(yīng)的醛和酸[36]。由于Ehrlich途徑和Strecker反應(yīng)生成的醛類化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)相同,因此很難區(qū)分兩種途徑各自產(chǎn)生了多少醛類物質(zhì)(表2)。研究表明:面團(tuán)發(fā)酵期間,苯丙酸類(如阿魏酸)的含量顯著上升[37]。

表2 仿制和接種的小麥酸面團(tuán)中鑒別的揮發(fā)性化合物Table 2 Volatile compounds identified in imitated and inoculated wheat sourdoughs

注：a仿制酸面團(tuán)是按酸面團(tuán)中乳酸和醋酸的含量向面團(tuán)中等量加入并在相同條件下存放[31]。

5 結(jié)語(yǔ)

酸面團(tuán)技術(shù)作為一項(xiàng)傳統(tǒng)生物技術(shù),與現(xiàn)代加工技術(shù)相結(jié)合能為消費(fèi)者生產(chǎn)風(fēng)味濃郁、不含防腐劑和更有利于腸道健康的面制品。酸面團(tuán)中微生物群落以乳酸菌為主,乳酸菌代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸使原料快速酸化,影響各種酶的活性和促進(jìn)風(fēng)味物質(zhì)釋放,各種代謝產(chǎn)物亦能影響面制品的風(fēng)味、口感、感官、質(zhì)地和老化等問(wèn)題。篩選優(yōu)異、合適的乳酸菌株,并研究其發(fā)酵和代謝特性,構(gòu)建穩(wěn)定的酸面團(tuán)體系等是酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

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