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        不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質的差異性分析

        2021-10-19 08:13:54韓金志潘雯麗汪少蕓
        中國食品學報 2021年9期

        韓金志,潘雯麗,沈 昊,汪少蕓

        (福州大學生物科學與工程學院 福州350108)

        乳酸菌是一類GRAS(Generally Regarded As Safety)級食品微生物,已廣泛應用于發(fā)酵食品,可發(fā)揮抗菌、防腐,賦予食品特殊風味以及提高營養(yǎng)品質等功能[1]。目前,用于生產發(fā)酵食品的乳酸菌大概有20 余種,如:保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌用于生產酸奶,德式乳桿菌用于發(fā)酵畜產品,干酪乳桿菌、副干酪乳桿菌用于生產乳酪等[2-4],植物乳桿菌是酸菜發(fā)酵生產中的優(yōu)勢菌株[5]。以上這些傳統(tǒng)的乳酸菌發(fā)酵食品各自具有獨特的風味,深受消費者青睞。

        豆?jié){是一類通常以大豆為原材料制成的傳統(tǒng)植物蛋白飲料,在豆?jié){的基礎上經(jīng)乳酸菌等菌株發(fā)酵可制成發(fā)酵豆?jié){。與傳統(tǒng)豆?jié){相比,發(fā)酵豆?jié){中的大豆蛋白能被分解為氨基酸和寡肽,更易于人體的吸收,同時破壞豆?jié){中的凝血素、胰蛋白酶抑制劑、脹氣因子等抗營養(yǎng)因子[6]。此外,經(jīng)乳酸菌發(fā)酵,發(fā)酵豆?jié){被重新賦予新的風味。其中,揮發(fā)性香氣成分的增加或生成是發(fā)酵豆?jié){提升感官品質的重要因素。固相微萃取技術(SPME)是一種無溶劑樣品前處理技術,具有高效、便捷、操作簡單等特點,與GC-MS 技術相結合被廣泛應用于發(fā)酵食品中揮發(fā)性氣味物質的定性、定量分析[7]。相關研究已有大量報道。樊艷等[8]采用基于電子舌與SPME-GC-MS 技術檢測分析了腐乳中的風味物質;王丹等[9]采用SPME-GC-MS 技術分析嗜熱鏈球菌IMAU10638 發(fā)酵乳貯藏期間的揮發(fā)性風味物質變化;馬艷麗等[10]基于SPME-GC-MS 技術比較4 種傳統(tǒng)中式酸凝奶酪與西方切達奶酪中揮發(fā)性風味組分的差別。基于SPME-GC-MS 技術分析發(fā)酵食品中特征性風味物質的組成及產生規(guī)律,對傳統(tǒng)發(fā)酵食品的品質調控和改善具有重要意義。

        目前,針對乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質組成和特征香氣物質分析的研究較少。本研究選擇在發(fā)酵食品中應用廣泛的5 種乳酸菌:植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)、德式乳桿菌(Lactobacillus germani)、發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillus fermentum)和嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)生產發(fā)酵豆?jié){,并對不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質的組成與差異性進行分析,旨在為乳酸菌發(fā)酵豆?jié){飲料的開發(fā)與生產提供理論參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        豆?jié){粉購于永和食品(中國)股份有限公司;純凈水,華潤怡寶飲料(中國)有限公司;2-辛醇(分析純),美國Sigma-Aldrich 公司;植物乳桿菌FZU122、干酪乳桿菌FJAT-7928、德式乳桿菌FJAT-46740、發(fā)酵乳桿菌FJAT-46744、嗜熱鏈球菌FJAT-46738,福州大學生物科學與工程學院保藏。

        1.2 培養(yǎng)基的配制

        MRS 培養(yǎng)基:分別稱取牛肉膏10 g、葡萄糖20 g、酵母提取物5 g、蛋白胨10 g、磷酸氫鉀2 g、無水乙酸鈉5 g、硫酸錳0.25 g、檸檬酸氫二銨2 g、吐溫-80 1 mL、硫酸鎂0.5 g 溶解于1 000 mL蒸餾水中,調pH 值至6.2,121 ℃高壓滅菌20 min。

        生理鹽水:稱取8~9 g NaCl 固體,溶解于1 000 mL 去離子水中,121 ℃高壓滅菌20 min。

        1.3 儀器與設備

        紫外-可見分光光度計(UV-1100 型),上海美普達儀器有限公司;數(shù)顯pH 計(MP511),上海三信儀表廠;氣相色譜質譜聯(lián)用儀(5977A),美國安捷倫科技有限公司;固相微萃取萃取頭,PDMS 30 μm,美國Supelco 公司;SPME 手動進樣柄(57330-U),美國Supelco 公司;恒溫生化培養(yǎng)箱(SPX-150BIII),黃驊菲斯福實驗儀器有限公司;立式高壓滅菌鍋(LDZF-50L-III),上海申安醫(yī)療器械廠;理化分析型超純水機(WP-UP-LH-20),四川沃特爾水處理設備有限公司;分析電子天平(HZK-FA2105),美國康州HZ 電子科技有限公司;高速冷凍離心機(Fresco 17),賽默飛世爾科技(中國)有限公司;電磁攪拌器(OMS-181E),上海歐河機械設備有限公司。

        1.4 試驗方法

        1.4.1 豆?jié){的制備 稱取一定量豆?jié){粉,以10%的比例(質量比)溶解于純凈水,充分攪拌均勻,分裝至200 mL 絲口瓶,121 ℃高壓滅菌20 min,待用。

        1.4.2 菌株活化與接種 5 種乳酸菌包括:植物乳桿菌FZU122、干酪乳桿菌FJAT-7928、德式乳桿菌FJAT-46740、發(fā)酵乳桿菌FJAT-46744、嗜熱鏈球菌FJAT-46738,由甘油管分別接種至MRS液體培養(yǎng)基37 ℃靜置培養(yǎng),經(jīng)活化、轉接培養(yǎng)后,取一定量菌液離心,去除上清液,用生理鹽水洗滌3 次。以生理鹽水作參比溶液,將菌液吸光度(OD600nm)調至0.5~0.6。分別以1%的接菌量接種至100 mL 無菌豆?jié){,每個試驗組設立3 個平行樣,同時設立未發(fā)酵豆?jié){對照組,置恒溫生化培養(yǎng)箱37 ℃條件下靜置發(fā)酵60 h。

        1.4.3 pH 值的測定 MRS 液體培養(yǎng)基和豆?jié){經(jīng)不同乳酸菌發(fā)酵后,取樣,用pH 計測定不同乳酸菌發(fā)酵樣品的pH 值,每個試驗組設3 個平行樣。

        1.4.4 頂空固相微萃取 取5 mL 樣品置12 mL頂空萃取瓶中,加入1 g NaCl、磁力轉子和10 μL 2-辛醇(10 mg/L,內標物),用密封墊迅速密封樣品瓶,置磁力攪拌器加熱臺上,攪拌速度600 r/min,40 ℃水浴溫育20 min 后插入固相微萃取針,壓出萃取纖維,使其固定在距離液面0.5~1.0 cm處,吸附萃取30 min 后收回萃取纖維,拔出萃取針,插入氣相色譜-質譜聯(lián)用儀中進樣分析。

        1.4.5 氣相色譜-質譜聯(lián)用分析 氣相色譜質譜聯(lián)用分析條件[11]:采用DB-WAX 色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),進樣口溫度250 ℃;柱溫箱起始溫度40 ℃,保留8 min,然后以4 ℃/min 升溫至150 ℃,再以20 ℃/min 升溫至250 ℃,保留5 min;不分流進樣,載氣為99.999%高純度氦氣,載氣流速1 mL/min。質譜條件:離子源溫度230 ℃,電離方式為EI,電離能量70 eV,接口溫度250 ℃,四級桿溫度150 ℃,選擇SCAN 模式為掃描方式,定性分析,離子碎片的掃描范圍為30~500m/z,溶劑延遲時間2.5 min。

        1.4.6 揮發(fā)性成分的定量分析[12]選擇匹配度≥70,采用內標法定量分析。將10 μL 質量濃度為10 mg/mL 的2-辛醇和5 mL 待測樣品混合均勻,對含有內標物的樣品通過GC-MS 進行分析。根據(jù)待測樣品和內標物的峰面積,計算待測組分在樣品中的含量。

        1.4.7 數(shù)據(jù)處理分析 運用SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件處理試驗數(shù)據(jù),采用STAMP 軟件比較組間物質差異,利用Heml 軟件繪制熱圖,應用SIMCA 14.1 軟件進行主成分分析,使用Origin 8.5 軟件和GraphPad 6 軟件繪圖。試驗數(shù)據(jù)為3 次測定的平均值。

        2 結果與分析

        2.1 不同乳酸菌在發(fā)酵豆?jié){過程中的產酸能力

        乳酸菌在食品發(fā)酵過程中,以產生乳酸、苯乳酸、乙酸等有機酸為典型特點,不同乳酸菌在不同的營養(yǎng)條件下的產酸能力亦存在差異性。通??梢罁?jù)發(fā)酵體系中pH 值的變化來判斷乳酸菌的生長狀態(tài)及發(fā)酵進程。由圖1所示,5 種乳酸菌分別接種至MRS 液態(tài)培養(yǎng)基,發(fā)酵后,5 個發(fā)酵組的pH 值與對照相比均顯著下降,而乳酸菌發(fā)酵組間無顯著性差異,表明5 種乳酸菌在MRS 液體培養(yǎng)基中均可正常生長,且代謝產酸能力相近。然而,5種乳酸菌在豆?jié){中的發(fā)酵產酸能力存在差異。其中,干酪乳桿菌(L.casei)與嗜熱鏈球菌(S.thermophilus)發(fā)酵組產酸能力較強,其次是植物乳桿菌(L.plantarum),再次是德氏乳桿菌(L.germani)和發(fā)酵乳桿菌(L.fermentum)(見圖2)。結果表明,干酪乳桿菌和嗜熱鏈球菌相比其它3 種乳酸菌在豆?jié){發(fā)酵過程中具有更強的發(fā)酵產酸能力。豆?jié){中含有少量棉子糖、水蘇糖等低聚糖以及葡萄糖、果糖、蔗糖,可為乳酸菌生長代謝及乳酸發(fā)酵提供碳源。此外,部分游離氨基酸在脫氨基作用下可產生丙酮酸、延胡索酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸等中間產物,進入三羧酸循環(huán)等代謝途徑,亦可為乳酸菌的生長繁殖和發(fā)酵產物合成過程提供碳骨架、能量和還原力。干酪乳桿菌和嗜熱鏈球菌通常用于酸奶、干酪等發(fā)酵乳制品生產,其細胞內代謝系統(tǒng)經(jīng)長期演化獲得對乳制品營養(yǎng)環(huán)境的生物學適應性,由于豆?jié){與動物乳汁營養(yǎng)素組成相近,因此在豆?jié){發(fā)酵過程中同樣表現(xiàn)出較強的發(fā)酵產酸能力。

        圖1 不同乳酸菌MRS 培養(yǎng)基發(fā)酵液pH 值Fig.1 pH of MRS midium fermented with different lactic acid bacteria

        圖2 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){的pH 值Fig.2 pH of soybean milk fermented with different lactic acid bacteria

        2.2 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性成分的定性分析結果

        乳酸菌被廣泛應用于食品發(fā)酵,經(jīng)代謝過程在食品中產生多種香氣物質,賦予發(fā)酵食品特殊的風味。采用GC-MS 分析未發(fā)酵豆?jié){和5 種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){中的揮發(fā)性氣味物質,總計檢測出47種揮發(fā)性氣味物質,其中,醛類19.15%、醇類40.43%、酮類12.77%、有機酸類6.38%、酚類6.38%、呋喃類6.38%、脂類等其它物質8.51%。在未發(fā)酵組豆?jié){中檢測到26 種揮發(fā)性氣味物質,以醛類(9 種)、醇類(5 種)、烴類(4 種)和酮類(4)為主。與前人利用頂空固相微萃取技術從豆?jié){中萃取到23 種揮發(fā)性成分:醛類10 種、醇類5 種、酮類3 種、呋喃2 種、酯類1 種、其它類2 種的結果相一致[11]。在乳酸菌發(fā)酵豆?jié){試驗組,植物乳桿菌發(fā)酵組中檢測到40 種揮發(fā)性氣味物質,干酪乳桿菌發(fā)酵組中40 種,德式乳桿菌發(fā)酵組中43 種,發(fā)酵乳桿菌發(fā)酵組中44 種,嗜熱鏈球菌發(fā)酵組中40 種。5 種乳酸菌發(fā)酵組豆?jié){與未發(fā)酵組相比較醛類物質數(shù)量減少,而酚類、酸類、烴類、醇類、酮類物質數(shù)量均增加(見圖3、表1)。

        圖3 不同菌種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){的揮發(fā)性氣味物質經(jīng)GC-MS 檢測的總離子流圖Fig.3 GC-MS total ion current chromatogram of volatile odorants in soybean milk fermented with different lactic acid bacteria

        表1 各樣品中匹配度較高的揮發(fā)性物質數(shù)量Table 1 The number of volatile substances with high matching in each sample

        2.3 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質定量及差異分析

        乳酸菌發(fā)酵豆?jié){過程中糖類、氨基酸、脂肪酸、維生素、醛、酮等物質經(jīng)代謝轉化可產生大量揮發(fā)性氣味物質,從而賦予發(fā)酵豆?jié){新的風味。由圖4所示,未發(fā)酵豆?jié){與5 種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){相比,揮發(fā)性氣味物質的差異變化顯著。未發(fā)酵豆?jié){中含有正己醛、苯甲醛、戊醛、壬醛、正辛醛等9 種醛類物質。在這些醛類物質中正己醛、戊醛、壬醛等可產生豆腥味,苯甲醛、2,4-癸二烯醛、反-2-辛烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛則對豆?jié){的特有風味有香氣貢獻。5 種乳酸菌發(fā)酵組中,以上9 種醛類物質均顯著下降或部分消失,與前人通過乳酸菌發(fā)酵豆?jié){降低己醛含量,減少豆腥味的研究結果相一致[13]。同時,也解釋了發(fā)酵豆?jié){豆腥味消除,并伴隨著豆?jié){原始香氣特征減弱的原由。此外,5種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){中醇類物質與酮類物質種類及含量顯著增多,其中醇類物質中,苯乙醇具有清甜的玫瑰樣花香,正戊醇略帶果香,芳樟醇具有鈴蘭香氣,苯甲醇(定香劑,略帶香氣),正己醇具有水果芬芳香氣,正辛醇具有甜香味,1-壬醇稍有玫瑰和橙子香氣,1-辛烯-3-醇具有蘑菇、薰衣草、玫瑰和干草香氣,這些醇類賦予乳酸菌發(fā)酵豆?jié){鮮香醇厚的特征香氣。在新產生或含量增大的酮類物質中,苯乙酮有山楂的氣味,2-庚酮有類似梨的水果香味,仲辛酮呈蘋果似香氣,3-羥基-2-丁酮呈奶油和脂肪的氣味,2-壬酮呈水果、花、油脂和藥草似香氣。新產生的甲基麥芽酚具有焦奶油硬糖的特殊香氣。這些物質進一步豐富了發(fā)酵豆?jié){的香氣特征。新產生的有機酸,乙酸具有醋酸氣味,正戊酸和正己酸具有汗臭味,這些有機酸的產生使發(fā)酵豆?jié){帶有發(fā)酵酸敗的氣味(見表2)。乳酸菌發(fā)酵豆?jié){的揮發(fā)性氣味物質組成與發(fā)酵乳制品存在較大差異,發(fā)酵乳制品中揮發(fā)性的風味物質主要是有機酸、醇類、醛類、酮類、酯類、烴類以及有氧、氮、硫的雜環(huán)化合物,如呋喃及其衍生物和噻吩及其衍生物[14],其中對酸奶的風味貢獻度較大的是羧酸類化合物、酮類化合物及醛類化合物,這些風味物質構成了發(fā)酵乳的主體風味[15],如1-壬烯-3-酮[16]、3-甲基丁醛、苯甲醛、正壬醛、雙乙酰、乙偶姻和2-壬酮等[17-18]。乳酸菌在豆?jié){和動物乳汁中因參與風味物質合成相關的代謝途徑,可能是導致發(fā)酵豆?jié){和酸奶之間風味物質組成存在差異性的主要原因。

        圖4 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質差異分析熱圖Fig.4 Heat map of the volatile profiles of soybean milks fermented by different LABs

        表2 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質含量Table 2 Volatile odorants of soybean milk fermented with different lactic acid bacteria

        (續(xù)表2)

        2.4 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){復發(fā)性氣味物質聚類分析

        使用多元數(shù)據(jù)分析法能清晰地闡明各發(fā)酵豆?jié){樣本間的差異。將不同菌種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){樣品中的所有揮發(fā)性氣味物質進行多元數(shù)據(jù)分析,樣本聚類樹分析見圖5。由樣本聚類分析樹狀圖(圖5a)可見,干酪乳桿菌、植物乳桿菌、德氏乳桿菌和發(fā)酵乳桿菌4 種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質組成相近,與未發(fā)酵豆?jié){、嗜熱鏈球菌發(fā)酵豆?jié){間均存在差異。

        圖5 不同乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質聚類分析Fig.5 Cluster analysis of volatile odorants in fermented soybean milk with different lactic acid bacteria

        圖5b所示,未發(fā)酵豆?jié){的特征化合物是壬醛、正辛醛、戊醛、正己醛、正戊烷、反-2-辛烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛;植物乳桿菌、干酪乳桿菌、和德氏乳桿菌發(fā)酵豆?jié){的特征化合物是葉醇、仲辛酮、反-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、3-乙基-2-甲基-1,3-己二烯、3-辛烯-2-酮、(2Z)-2-辛基-1-醇、反式-2-辛烯-1-醇;發(fā)酵乳桿菌發(fā)酵豆?jié){的特征化合物是氯甲酸正辛酯、正庚醇、(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇、3-羥基-2-丁酮、愈創(chuàng)木酚、苯酚;嗜熱鏈球菌兩組發(fā)酵豆?jié){中的特征揮發(fā)性氣味物質是苯酚、芳樟醇、愈創(chuàng)木酚、甲基麥芽酚、2-乙?;邕?、2-乙基己醇、異戊醇、正辛醇、苯乙醇、環(huán)庚醇、2-壬酮。與文獻[19]報道的發(fā)酵酸豆奶中的風味物質——丙酮酸、乙酸、苯甲酸等酸類物質含量較高略有差異。

        3 結論

        本研究結果表明:干酪乳桿菌和嗜熱鏈球菌在豆?jié){發(fā)酵過程中的產酸能力較強。5 種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){均顯著增加了揮發(fā)性氣味物質的含量與組成,其中干酪乳桿菌、植物乳桿菌、德氏乳桿菌和發(fā)酵乳桿菌4 種乳酸菌發(fā)酵豆?jié){揮發(fā)性氣味物質組成相近,與未發(fā)酵豆?jié){、嗜熱鏈球菌發(fā)酵豆?jié){間存在差異。未發(fā)酵豆?jié){的特征揮發(fā)性氣味物質是壬醛、正辛醛、戊醛、正己醛、正戊烷、反-2-辛烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛。植物乳桿菌、干酪乳桿菌和德式乳桿菌發(fā)酵豆?jié){的特征化合物是葉醇、仲辛酮、反-2-辛烯醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛、3-乙基-2-甲基-1,3-己二烯、3-辛烯-2-酮、(2Z)-2-辛基-1-醇、反式-2-辛烯-1-醇。發(fā)酵乳桿菌發(fā)酵豆?jié){的特征化合物是氯甲酸正辛酯、正庚醇、(2R,3R)-(-)-2,3-丁二醇、3-羥基-2-丁酮、愈創(chuàng)木酚、苯酚。嗜熱鏈球菌發(fā)酵豆?jié){的特征化合物質是苯酚、芳樟醇、愈創(chuàng)木酚、甲基麥芽酚、2-乙?;邕颉?-乙基己醇、異戊醇、正辛醇、苯乙醇、環(huán)庚醇、2-壬酮。

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