劉清霞,林偉鋒,陳 中

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510641)

嗜熱鏈球菌在脫脂乳中發(fā)酵特性的研究

劉清霞,林偉鋒,陳 中*

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510641)

本文主要探討了5株不同嗜熱鏈球菌菌株(ST、ST1、ST5、ST7、ST9)在脫脂乳中發(fā)酵8 h和24 h的產(chǎn)酸和產(chǎn)粘情況的對比,并從中選出兩株相差較大的菌株ST5和ST9,研究其在發(fā)酵過程中的pH、滴定酸度、氨基酸態(tài)氮和粘度的變化規(guī)律。5株嗜熱鏈球菌中,產(chǎn)酸能力大小順序為:ST5>ST，ST7>ST1>ST9,產(chǎn)粘能力大小順序為:ST5>ST7>ST>ST1>ST9。其中,ST5發(fā)酵乳的酸度和粘度最大,ST9則相反。對兩種菌株進一步研究中發(fā)現(xiàn),在不同的發(fā)酵時間,ST5的產(chǎn)酸能力和產(chǎn)粘能力均較強,其對應的發(fā)酵乳還原糖和總糖含量較低,且二者發(fā)酵乳的粘度變化均呈拋物線型,但是ST9菌株對蛋白質(zhì)的降解能力大于ST5。研究發(fā)現(xiàn),不同嗜熱鏈球菌菌株在脫脂乳中的發(fā)酵特性具有差異性,且隨發(fā)酵時間的增加而變化。

嗜熱鏈球菌,發(fā)酵,脫脂乳,粘度

酸奶中常用的發(fā)酵劑是嗜熱鏈球菌常和保加利亞乳桿菌的混合物,其中嗜熱鏈球菌屬于鏈球菌屬,可以利用乳糖同型發(fā)酵生成乳酸的兼性厭氧的革蘭氏陽性菌。近些年,對酸奶發(fā)酵劑的研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)酵初期,主要是嗜熱鏈球菌產(chǎn)酸,縮短產(chǎn)品的發(fā)酵周期,同時可在乳制品中產(chǎn)生莢膜和黏性物質(zhì),增加發(fā)酵制品的黏度,改善質(zhì)地[1]。嗜熱鏈球菌對發(fā)酵制品黏度的影響主要體現(xiàn)在部分菌株可以產(chǎn)生胞外多糖(EPS)增加發(fā)酵乳的粘稠度[2]。胞外多糖多聚物作為增稠劑、膠凝劑不僅改善了酸奶的品質(zhì)[3],還具有改善腸道微環(huán)境、抗癌、增強人體免疫力等生理作用,提高了產(chǎn)品的營養(yǎng)保健功能[4]。此外,嗜熱鏈球菌是主要的風味物質(zhì)產(chǎn)生菌,對酸奶的風味影響較大[5]。

嗜熱鏈球菌不同菌株之間的發(fā)酵特性相差很大。本文主要考察了5株嗜熱鏈球菌在產(chǎn)酸能力和對發(fā)酵乳制品質(zhì)地方面的對比,并研究其在脫脂乳發(fā)酵過程中pH、滴定酸度和氨基酸態(tài)氮等的變化情況,為更好地利用和開發(fā)嗜熱鏈球菌在發(fā)酵工業(yè)中的應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

雀巢高熱脫脂乳粉(蛋白質(zhì)含量為32.0%,產(chǎn)品標簽);嗜熱鏈球菌STP-134、ST1P-134、ST5P-134、ST7P-134、ST9P-134(華南理工大學食品科學與工程學院實驗室培養(yǎng),下文簡稱ST、ST1、ST5、ST7、ST9),其他試劑均為分析純。

SW-CJ-2G雙人單面凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司;PYX-DHS·400-BS 恒溫培養(yǎng)箱 北京市醫(yī)療設備廠;pHS-25 指針型pH計 上海雷磁儀器有限公司;NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計 上海恒平科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發(fā)酵乳的制備 10%脫脂乳粉復溶液,50～60 ℃下攪拌水化20 min,90～95 ℃滅菌10 min,立即冷卻至室溫,無菌條件下接種(接種量5×106CFU·mL-1,CFU:菌落數(shù)),37 ℃下恒溫培養(yǎng)發(fā)酵[6]。

1.2.2 pH的測定 用pHS-25型酸度計測定樣品的pH,每個樣品平行3次,取平均值。

1.2.3 酸度的測定 取5.0 g左右發(fā)酵乳,添加50 mL蒸餾水,混合均勻。采用電位滴定法[7],用標定后的0.04 mol/L NaOH溶液滴定至pH為8.2。用°T表示發(fā)酵乳的酸度,指滴定100 g發(fā)酵乳樣品消耗0.1 mol/L NaOH溶液的體積。每次實驗平行3次,取平均值。

1.2.4 粘度的測定 將發(fā)酵乳樣品在冰箱中靜置2 h,15 ℃下用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計測定粘度,測定條件為:3號轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速12 r/min,選取第30 s的數(shù)據(jù)為測量值,每個樣品平行3次,取平均值。

1.2.5 氨基酸態(tài)氮的測定 采用甲醛滴定法測氨基酸態(tài)氮的含量[8]。取5.0 g左右發(fā)酵乳置于250 mL錐形瓶中,添加50 mL蒸餾水,混合均勻。用標定后的0.04 mol/L NaOH溶液滴定至pH為8.2后,加入10.0 mL中性甲醛溶液,混勻,再用上述氫氧化鈉標準溶液繼續(xù)滴定至pH為9.2,記錄加入甲醛后消耗氫氧化鈉溶液的體積。每次實驗平行3次,取平均值。

1.2.6 還原糖和總糖的測定[8]參照GB/T5009.7-2008,采用直接滴定法測定。取5～8 g發(fā)酵乳樣品加入乙酸鋅和亞鐵氰化鉀溶液除去蛋白質(zhì),過濾后滴定已標定的堿性酒石酸銅溶液測定還原糖的含量。取50 mL濾液加入6 mol/L的鹽酸溶液,在加熱條件下使多糖水解為還原性單糖,然后以直接滴定法測定水解后樣品中的還原糖總量,即總糖的含量。每次實驗平行3次,取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同嗜熱鏈球菌菌株發(fā)酵乳樣品的pH和滴定酸度對比

嗜熱鏈球菌作為生產(chǎn)發(fā)酵乳常用的一種乳酸菌,可以利用脫脂乳中的乳糖進行同型發(fā)酵產(chǎn)生乳酸,隨著乳酸量的增加,脫脂乳的pH開始降低。圖1和圖2分別為嗜熱鏈球菌ST、ST1、ST5、ST7、ST9菌株接種后8 h和24 h發(fā)酵乳的pH和滴定酸度對比情況。由圖1可知,不同菌株經(jīng)過8 h和24 h發(fā)酵后的樣品pH具有較大的差異性。其中ST5發(fā)酵乳的pH最小,分別為4.20和3.85;ST和ST7發(fā)酵乳pH相差不大,8 h發(fā)酵乳的pH分別為4.25和4.24,24 h發(fā)酵乳的pH均為4.02;而ST9發(fā)酵乳的pH最大,分別為4.50和4.20。由于發(fā)酵乳樣品的pH大小不僅取決于酸類物質(zhì)的種類與數(shù)量,還受到樣品中緩沖物質(zhì)的影響,因此不同菌株產(chǎn)酸能力的大小與發(fā)酵乳的滴定酸度也有關。從圖2中可以看出,發(fā)酵乳的滴定酸度對比情況與pH相反。ST5發(fā)酵乳的滴定酸度分別為96.22 °T和128.36 °T,遠遠大于其它菌株發(fā)酵乳;同樣條件下,ST9發(fā)酵乳的酸度值相對最小,分別為66.37 °T和95.47 °T;ST、ST1和ST7菌株發(fā)酵乳酸度相差不大。綜上所述,不同嗜酸乳桿菌菌株產(chǎn)酸能力大小順序為:ST5>ST，ST7>ST1>ST9。

圖1 不同嗜熱鏈球菌菌株發(fā)酵乳樣品的pH對比Fig.1 The pH of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

圖2 不同嗜熱鏈球菌菌株發(fā)酵乳樣品的滴定酸度對比Fig.2 The acidity of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

2.2 不同嗜熱鏈球菌菌株發(fā)酵乳樣品的粘度對比

在發(fā)酵過程中,嗜熱鏈球菌在可以利用脫脂乳中的糖類物質(zhì)在酶系統(tǒng)的作用下生成一種活性高分子化合物胞外多糖(EPS)。胞外多糖不僅可以改善食品的質(zhì)構,作為發(fā)酵乳等制品天然的增稠劑和穩(wěn)定劑,且發(fā)酵乳的粘度與EPS的產(chǎn)量呈正相關[9-10]。圖3為嗜熱鏈球菌ST、ST1、ST5、ST7、ST9菌株接種后8 h和24 h發(fā)酵乳的粘度對比情況。從圖3可以看出,不同嗜熱鏈球菌菌株經(jīng)過8 h和24 h發(fā)酵后樣品的粘度相差很大,且24 h發(fā)酵乳的粘度大于8 h發(fā)酵乳。其中ST1和ST9制備的發(fā)酵乳樣品粘度較低,均在3000 mPa·s以下;ST、ST5和ST7發(fā)酵乳的粘度較高,均大于4500 mPa·s。三者中,ST5發(fā)酵乳的粘度最大,在24 h時達到6305 mPa·s;ST組樣品在發(fā)酵8 h時,其粘度大于ST7,但隨時間的增加,其粘度變化不大,并且在24 h時,發(fā)酵乳粘度小于ST7,說明ST7菌株產(chǎn)粘的速度小于ST,但其產(chǎn)粘能力大于ST。綜上所述,不同嗜酸乳桿菌菌株發(fā)酵乳粘度大小順序為:ST5>ST7>ST>ST1>ST9,即ST5菌株可能具有較大的產(chǎn)EPS的能力。

圖3 不同嗜熱鏈球菌菌株發(fā)酵乳樣品的粘度對比Fig.3 The viscosity of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

綜上所述,ST5菌株具有較強的產(chǎn)酸能力和產(chǎn)粘能力,而ST9菌株發(fā)酵乳在相同條件下酸度和粘度均較低。因此,本文將進一步深入探究兩種性質(zhì)差別較大的菌株在脫脂乳中的發(fā)酵特性,從而為研究嗜熱鏈球菌的發(fā)酵特性在烘焙等行業(yè)中的應用提供依據(jù)。

2.3 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中的pH和滴定酸度變化

圖4為樣品在ST5和ST9菌株發(fā)酵過程中的pH和滴定酸度變化情況。由圖4可知,發(fā)酵乳的pH和滴定酸度隨著發(fā)酵時間的變化呈相反的變化趨勢,且在不同的發(fā)酵時間,ST5發(fā)酵乳的pH均小于ST9發(fā)酵乳,滴定酸度均大于ST9發(fā)酵乳。嗜熱鏈球菌的產(chǎn)酸性能主要表現(xiàn)在發(fā)酵初期[5],脫脂乳復溶液的初始pH為6.34,有益于該菌株的生長,同時利用乳糖生成乳酸使發(fā)酵乳的酸度迅速積累。在0～8 h,發(fā)酵乳的pH分別迅速降到4.20和4.51左右,同時滴定酸度也迅速上升至96.22 °T和66.37 °T,且ST5菌株對脫脂乳中的乳糖利用速度較快。隨著發(fā)酵乳pH的不斷下降,嗜熱鏈球菌的產(chǎn)酸能力逐漸降低。在8～28 h之間,發(fā)酵乳的pH變化趨勢均減緩,相應的滴定酸度也緩慢增加,可能由于此階段菌株活性和增長速度較快,大量利用脫脂乳中的乳糖產(chǎn)生乳酸。隨著發(fā)酵過程的進行,乳糖濃度逐漸降低,所以在28 h以后,發(fā)酵乳的pH趨于穩(wěn)定,分別保持在3.70和4.10左右,但由于乳酸的積累,滴定酸度仍然緩慢上升至163.93 °T和109.38 °T。

圖4 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中的pH和滴定酸度變化Fig.4 Changes of pH and acidity during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

圖5 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中的粘度變化Fig.5 Changes of viscosity during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

2.4 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中的粘度變化

嗜熱鏈球菌產(chǎn)生的粘性物質(zhì)對發(fā)酵乳的風味和流變性質(zhì)起著重要的作用[11]。圖5為樣品在ST5和ST9菌株發(fā)酵過程中的粘度變化情況。由圖5可知,發(fā)酵乳粘度隨著發(fā)酵時間的增加先上升后下降,且ST5發(fā)酵乳的粘度明顯高于ST9發(fā)酵乳。發(fā)酵0～6 h期間,由于pH變化較小,發(fā)酵乳呈液體狀,粘度極小,所以圖中未列出。當發(fā)酵8 h以后,發(fā)酵乳的pH均迅速降到酪蛋白的等電點4.60以下,酪蛋白發(fā)生變性,開始生成大分子的凝聚物,酪蛋白分子團直徑變大[12],粘度上升。隨著發(fā)酵時間的延長,乳酸積累量隨之增加,ST9發(fā)酵乳的粘度逐漸上升,且在36 h左右達到最大值2905 mPa·s,酪蛋白的凝聚已經(jīng)基本完成。但發(fā)酵36 h以后,其粘度稍有下降趨勢,可能是發(fā)酵乳的繼續(xù)酸化使以磷酸三鈣形式結合在酪蛋白上的鈣和磷游離出來,使酪蛋白膠束的物理性質(zhì)發(fā)生改變而影響凝乳的性質(zhì),從而反映在發(fā)酵乳的粘度上[13]。ST5發(fā)酵乳粘度變化趨勢整體上與ST9發(fā)酵乳相似,但8 h發(fā)酵乳的粘度已經(jīng)達到了5000 mPa·s以上,遠遠高于ST9發(fā)酵乳粘度的最大值。胞外多糖的存在使酪蛋白分子之間更易相互纏結形成大分子,分子直徑增大,粘度增加。當發(fā)酵28 h后,ST5發(fā)酵乳粘度達到最大值6375 mPa·s,但隨后粘度值迅速下降4355 mPa·s?？赡苡捎趐H小于3.70,造成多糖間及多糖與酪蛋白分子間氫鍵的斷裂,多糖蛋白聚集體解聚,致使粘度降低[14]。

2.5 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中氨基酸態(tài)氮的變化

嗜熱鏈球菌在生長過程中若要獲得維持自身生長所需的氮源,需要利用酶系統(tǒng)將環(huán)境中的蛋白質(zhì)降解,即脫脂乳中的蛋白質(zhì)被嗜熱鏈球菌中的蛋白酶水解成多肽,進一步被肽酶分解成氨基酸,因此發(fā)酵過程氨基酸態(tài)氮的變化情況與嗜熱鏈球菌的代謝活性有密切關系[15]。圖6為樣品在ST5和ST9菌株發(fā)酵過程中氨基酸態(tài)氮的變化情況。由圖6可知,ST9樣品的氨基酸態(tài)氮值大于ST5發(fā)酵乳,說明ST9菌株降解蛋白質(zhì)生產(chǎn)氨基酸的能力大于ST5。發(fā)酵初期,可能由于菌株中蛋白水解酶的活性較強,大量分解環(huán)境中的蛋白質(zhì)[13],所以兩種發(fā)酵乳樣品的氨基酸態(tài)氮值均在8 h前直線上升。8 h以后,氨基酸態(tài)氮值趨于穩(wěn)定,說明體系中游離氨基酸處于一種不斷分解與利用的動態(tài)平衡。隨著發(fā)酵的進行,乳酸增加,菌種中的蛋白酶活性受到一定程度的抑制,同時酪蛋白的聚集也使體系中可利用的蛋白質(zhì)變少,所以發(fā)酵48 h以后,氨基酸態(tài)氮值開始小幅下降。

圖6 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中氨基酸態(tài)氮的變化Fig.6 Changes of amino acid nitrogen during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

2.6 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中還原糖和總糖含量的變化

圖7為樣品在ST5和ST9菌株發(fā)酵過程中的還原糖和總糖含量的變化情況。由圖7可知,發(fā)酵乳還原糖和總糖含量均隨著發(fā)酵時間的增加逐漸下降,且ST5發(fā)酵乳的還原糖含量和總糖含量均低于ST9發(fā)酵乳。脫脂乳復溶液的還原糖和總糖含量分別為4.70%和5.0%,發(fā)酵過程中,乳糖通過透膜酶的作用進入細胞內(nèi),經(jīng)β-半乳糖苷酶的作用分解為葡萄糖和半乳糖,其中嗜熱鏈球菌優(yōu)先代謝葡萄糖生成乳酸[16]。所以,隨著發(fā)酵時間的進行,發(fā)酵乳中還原糖含量逐漸下降。雖然ST5菌株在發(fā)酵過程中一部分糖用來合成胞外多糖,但胞外多糖的含量一般在400 mg/L以下[17],所需要的糖很少,并且從圖4可知,ST5菌株產(chǎn)酸能力遠遠大于ST9,即消耗乳糖產(chǎn)生乳酸的能力較大,所以發(fā)酵乳中總糖含量也逐漸下降。同時與pH變化相似,ST5發(fā)酵乳的還原糖和總糖下降速率較快,發(fā)酵60 h后分別下降至2.70%和2.84%,而ST9發(fā)酵乳發(fā)酵結束后的還原糖和總糖含量分別為3.10%和3.51%。同時,在發(fā)酵進行28 h以后,還原糖和總糖的下降趨勢均開始變緩,與此階段pH和滴定酸的緩慢降低和增加有關。

圖7 嗜熱鏈球菌ST5、ST9菌株發(fā)酵過程中還原糖和總糖含量的變化Fig.7 Changes of reducing sugar and total sugar during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

3 結論

本文主要探討了5株嗜熱鏈球菌在脫脂乳中發(fā)酵時產(chǎn)酸和產(chǎn)粘情況的對比。發(fā)酵8 h和24 h后,pH、滴定酸度和粘度相差很大。其中ST5發(fā)酵乳的pH最小,ST和ST7發(fā)酵乳pH相差不大,而ST9發(fā)酵乳的pH最大;發(fā)酵乳的滴定酸度對比情況與pH相反;ST1和ST9制備的發(fā)酵乳樣品粘度較低,均在3000 mPa·s以下,ST、ST5和ST7發(fā)酵乳的粘度較高,均大于4500 mPa·s。

綜合對比后得出,ST5菌株具有較強的產(chǎn)酸能力和產(chǎn)粘能力,而ST9菌株發(fā)酵乳在相同條件下酸度和粘度均較低,因此,進一步深入研究二者在不同發(fā)酵時間的pH、滴定酸度、氨基酸態(tài)氮和粘度的變化規(guī)律。經(jīng)過60 h發(fā)酵過程的對比發(fā)現(xiàn),二者pH由脫脂乳復溶液的6.34下降至3.70和4.10左右,滴定酸度分別增加到163.93 °T和109.38 °T;發(fā)酵乳粘度均隨著發(fā)酵時間的增加呈先上升后下降的趨勢,且ST5發(fā)酵乳的粘度均在4000 mPa·s以上,遠遠高于ST9發(fā)酵乳(3200 mPa·s以下);ST9菌株降解蛋白質(zhì)生產(chǎn)氨基酸的能力大于ST5;發(fā)酵乳的還原糖和總糖含量均逐漸下降,且ST5發(fā)酵乳的糖含量較低。

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Study on fermentation ofStreptococcusthermophilusin skimmed milk

LIU Qing-xia,LIN Wei-feng,CHEN Zhong*

(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

The ability of acidification and viscosity production about 5 strains ofStreptococcusthermophilusafter fermented 8 h and 24 h in skimmed milk have been compared in this paper. Two strains(ST5 and ST9)were chosen to study the changes in pH,acidity,viscosity and amino nitrogen. It was showed the order of ability to produce acid was ST5>ST,ST7>ST>ST9 and to produce viscosity was ST5>ST7>ST>ST1>ST9. So it could be seen that the ST5 fermented milk obtained the highest acidity and viscosity and ST9 was in the opposite. In further study,ST5 also presented a higher ability than ST9 at different fermentation time,while the content of reducing sugar and total sugar was lower and capacity to degrade proteins was weaker. In conclusion,the fermentation characteristics in skim milk were different form the strains ofStreptococcusthermophilusand changed as fermented time went on.

Streptococcusthermophilus;fermented;skimmed milk;viscosity

2016-08-26

劉清霞(1991-)，女，碩士，研究方向：食品科學與工程，E-mail：feliuqingxia@mail.scut.edu.cn。

*通訊作者:陳中(1968-)，男，博士，副教授，研究方向：食品科學與工程，E-mail：chzhong@scut.edu.cn。

TS252.54

A

:1002-0306(2017)03-0122-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.015