趙麗娜,鞏俊明,張 娜,王妙姝,鄭瑋麗,康紅艷,田洪濤,2*
(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院 河北保定071001 2 國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 河北保定071001 3 河北新希望天香乳業(yè)有限公司 河北保定071001)
水蘇糖是存在于植物中的一種天然功能性α-低聚半乳糖,無任何毒副作用,通過可溶性膳食纖維及益生元雙重作用改善胃腸道功能,對腸道益生菌有特異性的增殖作用[1-2],并具有緩解便秘[3-4],改善腸道菌群[4-5,7-8],提高免疫功能[5],降血糖[6-7],保護肝臟[8-10],抑制腫瘤細胞活性[11]等功能,被稱之為“超強益生元”和“天然超強雙歧因子”[12-13]。每天攝入0.5~3 g 水蘇糖即可發(fā)揮益生功能[14]。與其它益生元相比,用量最低,為其它益生元產(chǎn)品的1/5~1/20[15]。水蘇糖甜味純正,甜度低,僅為蔗糖的22%,不被人體消化,性狀穩(wěn)定,高溫酸性條件下較少分解,不與其它化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),也不影響其它物質(zhì)的氣味,是一種優(yōu)良的功能性食品基料[16],徹底克服了加工障礙,解決了以往益生元產(chǎn)品雖功效誘人但在產(chǎn)品中應(yīng)用困難的問題[17]。
隨著人們對益生菌、益生元、合生元保健功能的認識以及益生機理的不斷揭示,益生菌、益生元、合生元的研究以及相關(guān)食品的開發(fā)成為目前食品領(lǐng)域研究的熱點。目前我國關(guān)于合生元功能性乳制品的生產(chǎn)中,益生元的應(yīng)用仍停留在“復(fù)配與添加”的層次上,益生菌發(fā)酵大多采用與傳統(tǒng)酸奶菌混種發(fā)酵。由于發(fā)酵過程中傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶菌(保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌)抑制益生菌的發(fā)酵作用,因此益生菌的益生功能大打折扣。
益生元對益生菌的促生長作用具有菌種特異性。關(guān)于水蘇糖促進特定益生菌的生長以及水蘇糖-益生菌-傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶菌混種發(fā)酵合生元乳制品的研究已有報道,如:舒國偉等[18]研究了水蘇糖對雙歧桿菌生長的影響,魏艷等[1]研究了水蘇糖對植物乳桿菌的增菌機制,王利紅等[19]研究了水蘇糖對保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌的混菌增菌效果,王庭欣等[20]研究了水蘇糖、木糖醇對保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌株的增殖效果,季麗媛[21]研究了添加水蘇糖的功能性酸羊乳發(fā)酵工藝,于靜等[22]研究了含水蘇糖的植物乳桿菌、嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌混菌發(fā)酵酸奶工藝。然而,迄今尚未見水蘇糖對干酪乳桿菌增菌效果的研究,也未有益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶產(chǎn)品的報道。
篩選適宜利用水蘇糖發(fā)酵的特定益生菌株,研究其純種發(fā)酵水蘇糖牛乳工藝,是研制水蘇糖-益生菌合生元酸奶的關(guān)鍵技術(shù)。本研究初篩試驗菌株發(fā)酵牛乳的能力,根據(jù)菌株利用水蘇糖的增殖效果進行復(fù)篩,篩選發(fā)酵水蘇糖功能性乳制品凝乳時間短、產(chǎn)酸能力強、感官風(fēng)味和組織狀態(tài)俱佳,并能利用水蘇糖顯著增殖的特異性益生菌菌株。在此基礎(chǔ)上,測定菌株在純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基中的生長曲線,研究益生元增殖培養(yǎng)基中水蘇糖的最適添加量,優(yōu)化水蘇糖-益生菌合生元酸奶的發(fā)酵工藝,研制出集水蘇糖益生元和益生菌保健功能于一體的功能性合生元酸奶。
1.1.1 試驗菌株
1)新型益生菌:植物乳桿菌05-19、14-196、15-197、ST-III、07-191、Fs-1、Fs-2、Fs-3、Fs-4,鼠李糖乳桿菌05-28 和05-281,干酪乳桿菌05-20、05-21、14-212、07-211,瑞士乳桿菌05-29,羅伊氏乳桿菌05-27、05-272,均由本實驗室自行分離選育。
2)商品化酸奶發(fā)酵劑菌株:保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌株、鼠李糖乳桿菌和植物乳桿菌混合菌株、鼠李糖乳桿菌和副干酪乳桿菌混合菌株、植物乳桿菌,由河北新希望天香乳業(yè)有限公司提供。
1.1.2 原料 全脂牛奶,購自北京伊利乳業(yè)有限公司;水蘇糖,購自西安大鵬生物科技有限公司;蔗糖,市售白砂糖。
1.1.3 培養(yǎng)基
1)MRS 培養(yǎng)基:液體用于菌種的活化,固體用于活菌計數(shù)。
2)牛乳發(fā)酵培養(yǎng)基:全脂牛奶中添加質(zhì)量濃度為40 g/L 的蔗糖,加熱混合均勻后,100 ℃、10 min 滅菌,冷卻至37 ℃?zhèn)溆?,用于備選菌株發(fā)酵牛乳能力的測定。
3)純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基:全脂牛奶100 ℃,10 min 滅菌,冷卻至37 ℃?zhèn)溆?,用于菌株?fù)篩和生長曲線的測定。
4)益生元增殖培養(yǎng)基:全脂牛奶中添加一定量水蘇糖,混合均勻后,100 ℃,10 min 滅菌,冷卻至37 ℃?zhèn)溆茫糜诰陱?fù)篩和增殖培養(yǎng)基中水蘇糖最適添加量的分析。
1.1.4 主要儀器、設(shè)備 CJ-INDII 超凈臺,北京東聯(lián)哈爾儀器公司;ZXDP-A2080 生化培養(yǎng)箱,上海智城儀器分析公司;YXQ-LS-18SI/22L 手提式濕熱滅菌鍋,上海東亞壓力容器公司;OHAUS Starter 2100 pH 計,奧豪斯公司;JA5002 電子天平(精確至0.01)、FA1004A 電子天平(精確至0.0001),上海精天電子儀器有限公司。
1.2.1 菌株活化 將1.1.1 節(jié)的備選菌株21 株和酸奶發(fā)酵劑菌株1 株經(jīng)液體MRS 活化,活菌數(shù)達到109CFU/mL 以上,備用。
1.2.2 根據(jù)發(fā)酵牛乳能力進行備選菌株的初篩將活化好的菌株以體積分數(shù)為3%的接種量接入1.1.3 節(jié)所述牛乳發(fā)酵培養(yǎng)基中,37 ℃恒溫培養(yǎng),至凝乳 (發(fā)酵12 h 未凝乳的取出),記錄凝乳時間,4 ℃后熟12 h,測量pH 值、滴定酸度,進行感官品評。
1.2.3 根據(jù)水蘇糖增殖效果進行初篩菌株的復(fù)篩將初篩菌株以體積分數(shù)為1%的接種量分別接入1.1.3 節(jié)所述純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基和水蘇糖添加量為0.8%的益生元增殖培養(yǎng)基中,37 ℃恒溫培養(yǎng)12 h,檢測活菌數(shù)。
1.2.4 復(fù)篩益生菌在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中生長曲線的測定 將復(fù)篩菌株以體積分數(shù)為1%的接種量接入1.1.3 節(jié)所述純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,37 ℃恒溫培養(yǎng)24 h,每隔2 h 定時取樣,檢測活菌數(shù)。以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo),以對應(yīng)活菌數(shù)的對數(shù)為縱坐標(biāo),繪制生長曲線,確定菌體生長進入對數(shù)末期或穩(wěn)定初期的取樣時間。
1.2.5 復(fù)篩益生菌在增殖培養(yǎng)基中水蘇糖最適添加量的分析 將復(fù)篩菌株以體積分數(shù)為1%的接種量分別接入水蘇糖添加量為0%,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%的1.1.3 節(jié)所述益生元增殖培養(yǎng)基中,37 ℃恒溫培養(yǎng),在對數(shù)末期及對數(shù)末期前后2 h 時取樣品檢測活菌數(shù)。
1.2.6 復(fù)篩益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝流程 純牛乳→添加最適添加量的水蘇糖、蔗糖→加熱、混勻→100 ℃,10 min 滅菌→冷卻至室溫→接種→恒溫發(fā)酵至凝乳→4 ℃后熟12 h→產(chǎn)品。
1.2.7 復(fù)篩益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝條件優(yōu)化 復(fù)篩純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝條件優(yōu)化,采用正交試驗,各因素水平見表1。
1.2.8 復(fù)篩益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶的質(zhì)量檢測 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別對0 d 和4 ℃貯藏21 d 的復(fù)篩益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶進行質(zhì)量檢測。包括根據(jù)國標(biāo)GB 19302-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)酵乳》進行感官、理化指標(biāo)、污染物限量、真菌毒素限量、微生物限量、乳酸菌數(shù)檢測;根據(jù)中國醫(yī)藥保健品進出口商會團體標(biāo)準(zhǔn)T/CCCMHPIE 1.39-2018《植物提取物 水蘇糖》對水蘇糖含量進行測定。
表1 正交試驗各因素水平表Table 1 Level table of each factor in orthogonal experiment
試驗數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 17.0 進行方差分析及多重比較。
根據(jù)1.2.1 節(jié)和1.2.2 節(jié)試驗方法,進行備選菌株發(fā)酵牛乳能力試驗,結(jié)果見表2。
表2 備選菌株在牛乳培養(yǎng)基中發(fā)酵能力測定Table 2 Determination of fermentation ability of candidate strains in milk medium
(續(xù)表2)
由表2可見:只有保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌、干酪乳桿菌07-211、瑞士乳桿菌05-29 發(fā)酵的牛乳產(chǎn)品分別在4.0,4.5,10 h 凝乳,其它菌株發(fā)酵牛乳12 h 凝乳較差或未凝乳;保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌、干酪乳桿菌07-211、植物乳桿菌Fs-1、干酪乳桿菌05-20 發(fā)酵的牛乳產(chǎn)品產(chǎn)酸能力較強,pH 值在4.39~4.95 之間,滴定酸度在54.02~85.58°T 之間,與其它菌株發(fā)酵的牛乳產(chǎn)品呈顯著性差異(P<0.05);感官評分項保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌、干酪乳桿菌07-211、瑞士乳桿菌05-29、植物乳桿菌Fs-1、植物乳桿菌14-196、鼠李糖乳桿菌和副干酪乳桿菌混合菌種發(fā)酵的牛乳產(chǎn)品感官評分及格,分別為8.5 分、8.3 分、6.9 分、6.2 分、6.2 分、6.2 分,其它菌株發(fā)酵的牛乳產(chǎn)品均在4.3 分以下,呈顯著性差異(P<0.05)。因此綜合分析菌株發(fā)酵牛乳的能力,選擇干酪乳桿菌07-211、瑞士乳桿菌05-29、植物乳桿菌Fs-1、植物乳桿菌14-196、鼠李糖乳桿菌和副干酪乳桿菌混合菌種作為初篩菌株進行下一步研究。
根據(jù)1.2.3 節(jié)試驗方法進行初篩菌株在純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基和水蘇糖益生元增殖培養(yǎng)基中的生長比較試驗,結(jié)果見圖1。
圖1 菌株在基礎(chǔ)培養(yǎng)基和增殖培養(yǎng)基中發(fā)酵12 h 活菌數(shù)Fig.1 Viable counts of strains in basal medium and proliferation medium for 12 h
圖1表明:在添加8%水蘇糖牛乳增殖培養(yǎng)基中瑞士乳桿菌05-29 的活菌數(shù)顯著下降 (P<0.05),其它5 株菌的活菌數(shù)顯著上升(P<0.05),其中干酪乳桿菌07-211 的活菌數(shù)在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中為3.19×108CFU/mL 在增菌培養(yǎng)基中增長至2.05×109CFU/mL,差異極顯著(P<0.01),增菌6.43倍,增殖最多。
干酪乳桿菌07-211 發(fā)酵性能好且能利用水蘇糖進行極顯著增殖,屬于能在人體腸道定殖的典型益生菌,而傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶菌(保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌)于人體腸道的“過路菌”,不能在人體腸道定植,其益生功能大打折扣。因此,確定干酪乳桿菌07-211 作為開發(fā)水蘇糖-益生菌合生元酸奶產(chǎn)品最終復(fù)篩益生菌菌株。
根據(jù)1.2.4 節(jié)試驗方法進行復(fù)篩菌株干酪乳桿菌07-211 在純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基中生長曲線的測定,結(jié)果見圖2。
圖2顯示:復(fù)篩菌株干酪乳桿菌07-211 在純牛乳基礎(chǔ)培養(yǎng)基中接種后經(jīng)過短暫的調(diào)整期,快速進入對數(shù)生長期,活菌數(shù)呈極顯著增長的趨勢(P<0.01),10 h 后活菌數(shù)變化不顯著(P>0.05),達到對數(shù)末期或穩(wěn)定初期。因此,選取8,10,12 h 作為后續(xù)研究干酪乳桿菌07-211 在增殖培養(yǎng)基中確定水蘇糖最適添加量的活菌數(shù)取樣時間點。
根據(jù)1.2.5 節(jié)試驗方法進行復(fù)篩菌株干酪乳桿菌07-211 在水蘇糖益生元不同添加量增殖培養(yǎng)基中生長分析,結(jié)果見圖3。
由圖3看出:水蘇糖的添加量為0.2%時,可能由于益生元的添加量少,導(dǎo)致水蘇糖促菌體生長效果不顯著(P>0.05);水蘇糖添加量為0.4%~0.8%時,隨益生元添加量遞增,活菌數(shù)顯著遞增(P<0.05);水蘇糖含量達到1.0%時,活菌數(shù)增加不顯著(P>0.05),其原因可能是水蘇糖含量的增加導(dǎo)致培養(yǎng)基水分活度下降,活菌增長速度減慢。綜合考慮益生元促生長效果和生產(chǎn)成本,選擇在增殖培養(yǎng)基中水蘇糖的最適添加量為0.8%。
圖2 干酪乳桿菌07-211 的生長曲線Fig.2 The growth curve of Lactobacillus casei 07-211
圖3 干酪乳桿菌07-211 在不同水蘇糖添加量增殖培養(yǎng)基中的生長情況Fig.3 The growth situation of Lactobacillus casei 07-211 cultured in the proliferation medium with different amounts of stachyose
2.5.1 正交試驗 根據(jù)1.2.7 節(jié)試驗方法進行復(fù)篩益生菌干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝條件優(yōu)化的正交試驗,結(jié)果見表3。
表3 正交試驗結(jié)果Table 3 Orthogonal test results
(續(xù)表3)
由表3顯示,3 個因素對干酪乳桿菌07-211純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶感官評分指標(biāo)的影響順序為:蔗糖添加量(B)>接菌量(A)=發(fā)酵溫度(C),通過對感官評分極差分析得到的各因素最佳水平分別為:接種量3%(A2)、蔗糖添加量4%(B2)、發(fā)酵溫度為42 ℃(C3);3 個因素對產(chǎn)品活菌數(shù)指標(biāo)的影響順序為:發(fā)酵溫度(C)>接菌量(A)>蔗糖添加量(B),通過對活菌數(shù)極差分析得到的各因素最佳水平分別為接種量3%(A2)、蔗糖添加量4%(B2)、發(fā)酵溫度為39 ℃或42 ℃(C2或C3)。綜合正交試驗3 因素對感官品評和活菌數(shù)的影響,確定干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝條件的最佳因素水平分別為:接種量3%(A2)、蔗糖添加量4%(B2)、發(fā)酵溫度42 ℃(C3)。
2.5.2 驗證試驗 對復(fù)篩益生菌干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶工藝條件正交試驗結(jié)果進行驗證試驗,結(jié)果見表4。
表4 驗證試驗結(jié)果Table 4 The results of confirmatory test
由表4可見:干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶的凝乳時間為4.15 h,pH 值為4.65,滴定酸度為71.27 °T,活菌數(shù)為3.96×109CFU/mL,感官品評得分為8.78 分,色澤均勻一致,呈乳白色,凝乳良好,組織細膩、均勻,無乳清析出和分層現(xiàn)象,有奶香味和發(fā)酵香氣,酸甜適口。
2.5.3 復(fù)篩益生菌干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶的質(zhì)量檢測 根據(jù)1.2.8 節(jié)試驗方法進行復(fù)篩益生菌干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶的質(zhì)量檢測,結(jié)果見表5。
由表5可得,復(fù)篩益生菌干酪乳桿菌07-211純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶在0 d 和4 ℃貯藏21 d 時的質(zhì)量均能達到發(fā)酵乳的國標(biāo);干酪乳桿菌07-211 的活菌數(shù)還極顯著高于國標(biāo)(P<0.01),含有0.43 g/100 g 的水蘇糖起到了促進干酪乳桿菌07-211 生長的益生元作用。
水蘇糖不僅可以作為可溶性膳食纖維改善胃腸道功能,而且還是一種兼具低用量、低甜度、高效能、高穩(wěn)定性、多功效等多種優(yōu)點于一身的優(yōu)良益生元。將水蘇糖與能夠利用其顯著增殖的特定益生菌結(jié)合起來開發(fā)功能性合生元必將發(fā)揮出巨大的保健功效。關(guān)于益生元對益生菌的促生長作用具有菌種特異性的研究目前較少;而關(guān)于新型益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶產(chǎn)品的研發(fā)尚未見報道。因此,積極篩選具有自主知識產(chǎn)權(quán)的適宜發(fā)酵水蘇糖益生元的特定益生菌與研發(fā)具有自主創(chuàng)新的新型益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元功能性乳制品乃大勢所趨,勢在必行。
表5 合生元酸奶質(zhì)量檢測結(jié)果Table 5 The results of quality detection of synbiotic yoghurt
目前,關(guān)于水蘇糖促進益生菌生長的研究已有相關(guān)報道:舒國偉等[18]研究得出0.8%及1.0%的水蘇糖添加量對兩歧雙歧桿菌有很好的促生長作用;魏艷等[1]的研究結(jié)果是水蘇糖質(zhì)量分數(shù)為0.6%時,對植物乳桿菌的增殖效果最佳;王利紅等[19]、王庭欣等[20]也分別報道了水蘇糖的添加量為0.7%~0.8%或者0.8%時,對保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌的各混菌組合增菌最多。但尚未見有關(guān)水蘇糖對干酪乳桿菌促生長的研究報道。本研究結(jié)果得出水蘇糖對干酪乳桿菌07-211 增殖的最佳添加量為0.8%,活菌數(shù)由3.19×108CFU/mL 增至2.05×109CFU/mL,增菌6.43 倍。
本課題組在此之前進行了干酪乳桿菌07-211 的功能性和安全性研究,顯示干酪乳桿菌07-211 具有較強胃腸道耐受性,能夠在腸道內(nèi)定殖,具有抗氧化、降膽固醇及調(diào)節(jié)腸道菌群能力;無質(zhì)粒,不攜帶可以轉(zhuǎn)移的抗生素基因,對常見抗生素沒有耐藥性,不產(chǎn)生生物胺等有害代謝產(chǎn)物,無溶血現(xiàn)象,不引起急性毒性,無細菌易位現(xiàn)象。因此,干酪乳桿菌07-211 可以作為發(fā)酵乳制品的益生菌菌株使用。
目前,有關(guān)水蘇糖-益生菌-傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶菌混種發(fā)酵合生元乳制品的研究已見報道:季麗媛[21]研究了添加水蘇糖的功能性酸羊乳發(fā)酵工藝,酸羊乳中總菌數(shù)和益生菌數(shù)均在108CFU/mL 左右;于靜等[22]研究了含水蘇糖的植物乳桿菌、嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌混菌發(fā)酵酸奶工藝,發(fā)酵的酸奶活菌數(shù)達3.95×108CFU/mL。迄今尚未見到有關(guān)新型益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶的研究報道。由于益生菌與傳統(tǒng)發(fā)酵酸奶菌在混種發(fā)酵酸奶過程中,酸奶菌抑制益生菌的生長,因此益生菌的功能大打折扣。本研究通過層層篩選,獲得并運用干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶,最終活菌數(shù)高達3.96×109CFU/mL。
干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶21 d 儲藏期內(nèi)各項指標(biāo)優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),因此,該項研究為進一步開發(fā)干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶商業(yè)化產(chǎn)品以及制定相關(guān)合生元酸奶標(biāo)準(zhǔn)提供了數(shù)據(jù)支撐。
綜上所述,本研究篩選出能利用水蘇糖進行顯著增殖的新型益生菌干酪乳桿菌07-211,研制出干酪乳桿菌07-211 純種發(fā)酵活菌含量高、保健功能強、感官風(fēng)味和組織狀態(tài)俱佳的水蘇糖合生元酸奶,解決了新型益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元乳制品的關(guān)鍵技術(shù)難題,為進一步工業(yè)化生產(chǎn)新型益生菌純種發(fā)酵水蘇糖合生元酸奶產(chǎn)品提供了理論依據(jù)與技術(shù)參考,也為其它功能性合生元乳制品研發(fā)提供了思路和方法。