全麦粉是由全粒小麦经磨粉、筛分等步骤制成,保有与原来整粒小麦相同比例的胚乳、麸皮和胚芽等成分[1]。与精制小麦粉相比,全麦粉含有更高水平的维生素、矿物质、膳食纤维、抗氧化物及类胡萝卜素、类黄酮和酚酸等植物化学物[2],营养素密度更高。增加全麦粉的消费有利于改善国民膳食纤维、微量营养素摄入不足的现状,减少心脑血管疾病、Ⅱ型糖尿病等慢性病的发生和发展;有助于规范和引导小麦加工企业适度加工,实现加工环节的节粮减损。

全麦面包作为我国烘焙食品产业发展的重要趋势和新的经济增长点,是推广全麦粉的良好载体。但与白面包相比,制作高质量的全麦面包更具挑战性。因为全麦粉成分复杂,存在影响面筋形成和面团流变性的麸皮和胚芽,在面团形成、醒发、焙烤和成品贮藏等阶段影响全麦面包的加工和食用品质,导致产品出现质地硬、口感差、体积小、颜色深及货架期短等不理想的品质属性[3-4]。

酸面团是谷物、水和活性微生物发酵的产物,与我国传统发酵剂类似。大量研究表明,酸面团的长时间发酵可改善面包的营养特性、提高感官品质及延长货架期等[5-8]。至今,从酸面团中分离出的乳酸菌有70多种[9],根据发酵葡萄糖代谢途径及产物组成不同,可分为3类:专性同型发酵(obligately homofermentative,OHo)、专性异型发酵(obligately heterofermentative,OHe)和兼性异型发酵(facultatively heterofermentative,FHe),其中绝大多数乳酸菌属于专性异型发酵[10-11]。以小麦或黑麦粉为发酵基质,使用单一乳酸菌或多种乳酸菌混合发酵的现代酸面团发酵技术[12],在欧美许多国家已广泛用于面包的工业化生产。然而,不同发酵基质的酸面团中优势乳酸菌并不相同,有关不同发酵类型乳酸菌对全麦酸面团及全麦面包品质影响的研究仍较少。

本研究以全麦粉为发酵基质,利用7株乳酸菌发酵制备全麦面包,探究不同发酵类型乳酸菌对全麦面包焙烤品质、老化特性和营养价值的影响,以期筛选出改善全麦面包品质的全麦酸面团发酵菌剂,为全麦面包的品质调控提供理论与技术参考,推动全麦发酵食品主食化发展。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

全麦粉和高筋面粉,市售;乳酸菌均来自实验室保藏菌种,属于3种不同发酵类型,OHo型:乳酸乳球菌(Lactococcus lactis);OHe型:短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum);FHe型:干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、类干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)。耐高糖酵母,安琪酵母股份有限公司;安佳黄油,恒天然集团;MRS肉汤培养基,北京奥博星生物技术有限公司;其他试剂均来源于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器和设备

SPARK酶标仪,瑞士Tecan公司;恒温培养箱,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;SHZ-B水浴恒温振荡器,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司;高性能无菌试验台,哈尔滨市东联电子技术开发有限公司;LGJ-10C真空冷冻干燥机,北京四环科学仪器厂有限公司;SD-103自动制面包机,松下电器(中国)有限公司;JCXZ面团成型机、JXFD 7醒发箱,北京东孚久恒仪器技术有限公司;长帝电烤箱,佛山市伟仕达电器实业有限公司;TA-XTPLUS物性仪,Stable Micro Systems Ltd。

1.3 实验方法

1.3.1 乳酸菌粉的制备

将乳酸菌在MRS肉汤培养基中活化2代,离心弃上清液得到菌体;用无菌生理盐水清洗2次后,将菌体悬浮于0.1 g/mL的脱脂乳粉中冻干,制得菌粉,并使用MRS琼脂培养基平板计数单位质量菌落数(CFU/g)[13]。

1.3.2 全麦酸面团的制备

参照文献[14],制备全麦酸面团,面团得率(dough yield,DY)值为225,乳酸菌初始接种量为107 CFU/g。制备过程:按比例称量全麦粉、无菌蒸馏水和经活化至对数稳定期的冻干乳酸菌菌粉,将上述材料充分混匀后于28 ℃培养16 h后即为乳酸菌全麦酸面团225,以不添加乳酸菌菌粉的自然发酵全麦酸面团作为对照。将制备好的全麦酸面团进行真空冷冻干燥得到乳酸菌全麦酸面团发酵菌剂,磨粉待用。

1.3.3 全麦面包的制作

全麦面包的配方见表1。制作过程:准确称量配方中的配料并加入面包机中,选择面团制作程序;将制备好的面团等分为100 g/份;利用面团成型机将分割好的面团塑形,置于面包盒中,38 ℃, 85%湿度,醒发120 min。醒发好的面包胚于烤箱中焙烤15 min,面火190 ℃,底火210 ℃;焙烤结束后,于室温下冷却2 h;将面包胚置于塑料自封袋中保存,用于后续的分析。为保证面粉/水的恒定比例,将酸面团中的面粉等量替代配方中面粉。

文中LLWB表示乳酸乳球菌全麦酸面团面包;LFWB表示发酵乳杆菌全麦酸面团面包;PPWB表示戊糖片球菌全麦酸面团面包;LPWB表示植物乳杆菌全麦酸面团面包;LBWB表示短乳杆菌全麦酸面团面包;LCWB表示干酪乳杆菌全麦酸面团面包;LPCWB表示类干酪乳杆菌全麦酸面团面包。

1.3.4 全麦面包焙烤品质测定

1.3.4.1 焙烤损失测定

面包胚焙烤前后的质量分别记为m0和m1,焙烤损失(baking loss,BL)按公式(1)计算[15]。

BL=m0-m1

(1)

式中:m0,面包胚焙烤前质量,mg;m1,面包胚焙烤前的质量,mg。

1.3.4.2 比容量测定

面包在室温下充分冷却后,参照AACC(2000, 10th)中油菜籽替代法测定面包体积[16]。按公式(2)计算面包的比容(specific volume,SV)。

SV=V1/m1

(2)

式中:V1,面包胚焙烤后的体积,mL;m1,面包胚焙烤前的质量,mg。

1.3.4.3 面包芯质构测定

面包在室温下充分冷却后,用面包切片机将其切成厚度为1.0 cm的薄片,将中间的两片叠加,使用质构仪进行测定。参数设置:25 mm(P/25)的铝制圆柱形探头,在距离为10.00 mm的位置,以恒定的2.00 mm/s的速度,压缩面包芯至其原始厚度的40%,两次压缩中间停顿5 s,触发力20.0 g,每个样品重复测定3次。

1.3.5 全麦面包老化特性测定

1.3.5.1 老化率测定

面包芯水分含量是影响全麦面包老化的重要参数。全麦面包的老化率由7 d内面包芯硬度的增加速率来评估[17],按照公式(3)计算:

老化率

(3)

1.3.5.2 常温保藏实验

参照OLOJEDE等[18]的方法,略作修改。将不同全麦面包片分别置于塑料自封袋中,常温(25±2)℃保藏,观察菌落生长情况,直至霉菌生长目视可见,拍照记录。

1.3.6 全麦面包营养价值测定

1.3.6.1 氨基酸测定

参照ZHAO等[19]的方法,使用全自动多样本氨基酸分析仪测定乳酸菌全麦面包中氨基酸的含量(色氨酸除外)。通过比较全麦面包中必需氨基酸(essential amino acid,EAA)的含量与FAO/WHO 2007给出的成年人必需氨基酸的推荐量[20],可获得氨基酸评分(amino acid score,AAS),具体计算方法见公式(4)[21]。

(4)

式中,每种EAA的推荐量(g/100 g)分别是:赖氨酸4.5,组氨酸1.5,苏氨酸2.3,缬氨酸3.9,异亮氨酸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 总酚及抗氧化能力测定

酸面团中总酚的提取参照甲醇提取法[22],略作修改。1 g样品与5 mL预热的70%(体积分数,下同)甲醇溶液混合均匀,70 ℃恒温水浴振荡10 min,浸提后冷却至室温,5 000 r/min离心20 min,将上清液移入10 mL容量瓶中;重复上述操作,合并2次上清液后定容至10 mL,4 ℃避光保藏备用[18]。

参照福林-酚比色法[10],略作修改,测定酸面团中总酚含量。向1 mL总酚提取液中加入5 mL福林酚试剂,涡旋2～3 s充分混匀,随后加入4 mL、200 g/L Na2CO3溶液,室温避光反应1 h,短暂离心,测定765 nm波长处上清液的吸光值。以没食子酸为标品,以70%甲醇溶液为溶剂,配制20～120 μg/mL不同梯度的没食子酸溶液,制作标准曲线。

此外,使用索莱宝试剂盒检测全麦面包提取物的·OH、ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、·O2-清除能力以及总抗氧化能力。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SAS 9.2对数据进行统计分析,运用方差分析(ANOVA)进行显著性分析(P<0.05)。所有试验重复3次,数据表示为平均值±标准方差。

2 结果与分析

2.1 全麦面包焙烤品质分析

2.1.1 焙烤损失和比容分析

高焙烤损失对全麦面包的产率和品质都有不利的影响。由图1可知,OHo型乳酸乳球菌和FHe型戊糖片球菌发酵的全麦面包焙烤损失均大于对照组,OHe型短乳杆菌与对照组无显著差异,其余实验组全麦面包的焙烤损失均显著低于对照组(P<0.05),特别是FHe型植物乳杆菌和类干酪乳杆菌比对照组低10.1%和9.4%。

高品质的面包比容较大,放在手上有“很轻”的感觉。由图2可知,FHe型植物乳杆菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型发酵乳杆菌发酵的全麦酸面团面包的比容显著大于对照组(P<0.05),尤其是FHe型植物乳杆菌能够显著增加全麦面包的比容,较对照组高4.3%。FHe型戊糖片球菌和类干酪乳杆菌发酵的全麦面包的比容虽小于对照组,但差异不显著。

综上,FHe型植物乳杆菌作为全麦酸面团发酵菌,能够显著降低全麦面包的焙烤损失、增加全麦面包单位重量的体积。

2.1.2 质构分析

弹性、内聚性与回复性与面包品质呈正相关,而硬度、咀嚼性和黏性与面包品质呈负相关,全质构参数共同决定了全麦面包的可接受度,也是其货架期的重要影响因素[23]。

表2展示了不同乳酸菌全麦面包的质构特性。PPWB和LBWB的硬度显著大于对照组,其余各组硬度均显著低于对照组,特别是LPWB的硬度比对照组低17.2%。此外,通过硬度与比容的相关性分析发现,不同乳酸菌全麦面包的硬度与其自身的比容呈负相关(Pearson相关系数-0.675),即硬度越大,比容越小,与已报道的研究结果一致[24];咀嚼性(咀嚼时间和咀嚼次数)与硬度、内聚性、弹性等有关,一般来说其值越小越好[25],PPWB咀嚼性明显大于对照组,LPWB、LFWB和LPCWB咀嚼性显著小于对照组,其余各组与对照组无显著差异;面包样品的黏性值越高,表明面包的结构越紧凑[26],PPWB黏性显著大于对照组,LPCWB和LFWB黏性显著小于对照组,其它组黏性与对照组无显著差异。由此可知,除FHe型戊糖片球菌和OHe型短乳杆菌外,其余乳酸菌酸面团均能有效降低全麦面包的硬度,特别是FHe型植物乳杆菌。FHe型植物乳杆菌、类干酪乳杆菌和OHe型发酵乳杆菌可显著改善全麦面包的咀嚼性。

HU等[27]发现在一定范围内,面包硬度越小,越有弹性,其口感越好。LPWB、LLWB、LFWB的弹性显著大于对照组,特别是LPWB的弹性得到了显著的改善,其余各组的弹性与对照组无显著性差异;LPWB和LLWB的内聚性显著大于对照组,LFWB的内聚性大于对照组,其余组的内聚性低于对照组,内聚性大利于提升面包的口感;回复性是指全麦面包从形变中恢复的能力,LPWB、LLWB和LFWB回复性显著大于对照组,其余各组与对照组无显著差异。由此可知,FHe型植物乳杆菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型发酵乳杆菌可显著改善全麦面包弹性;FHe型植物乳杆菌和OHo型乳酸乳球菌可明显改善全麦面包的内聚性。FHe型植物乳杆菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型发酵乳杆菌发酵的全麦酸面团可有效改善全麦面包的回复性。

综上,FHe型植物乳杆菌在降低全麦面包的硬度、咀嚼型,增加弹性、内聚性和回复性参数方面起到了积极作用,其次是OHe型发酵乳杆菌。

2.2 全麦面包老化特性分析

2.2.1 老化率比较分析

全麦面包在冷却和贮藏过程中常伴随着老化现象的发生,表现为表皮皱缩、柔软度降低、风味劣变和不易消化吸收等[28]。因此,控制老化率对改善全麦面包品质具有重要意义。由图3可知,发酵乳杆菌全麦酸面团面包、植物乳杆菌全麦酸面团面包和乳酸乳球菌全麦酸面团面包的老化速率显著低于对照组(P<0.05),分别降低了53.71%、44.11%和40.87%。可能是由于在酸面团发酵过程中,OHe型发酵乳杆菌、FHe型植物乳杆菌和OHo型乳酸乳球菌代谢产生了大量具有类似亲水胶体作用的胞外多糖[29],而胞外多糖可通过减少的支链淀粉微晶的重新形成,抑制面包老化[14]。此外,还有可能是由于发酵乳杆菌全麦酸面团面包、植物乳杆菌全麦酸面团面包和乳酸乳球菌全麦酸面团面包的比容较大、较松软,所以硬化慢,老化速率较低。但老化率降低的具体原因有待进一步研究论证。

2.2.2 常温保藏结果分析

微生物污染是导致食品腐败变质的主要原因,菌落总数可作为微生物污染的指标,用来预测食品的货架期。基于此,在前期描述性分析的基础上,对全麦面包进行了常温保藏实验。在常温保藏21 d后,所有面包片均出现一定数量、大小不一的菌落,但实验组菌落的数量均少于对照组(图4)。酸面团中的乳酸菌在生长代谢过程中产生了有机酸、H2O2、抗菌肽等具有抗菌活性的物质[30],抑制面包中霉菌和细菌的生长,特别是OHe型短乳杆菌和FHe型植物乳杆菌。OHe型短乳杆菌发酵的全麦面包未发现明显菌落,抑菌效果显著,可能是因为OHe型乳酸菌不仅能通过磷酸戊糖途径将乳糖分解产生乳酸,还可利用乙醇、乙酸盐和CO2产生乳酸[31],酸类物质除赋予全麦面包丰富的风味,还可作为抑菌剂,在全麦面包常温保藏中有效延长货架期,达到生物防腐和清洁标签的目的。

2.3 全麦面包营养价值分析

2.3.1 氨基酸含量比较分析

氨基酸是形成挥发性风味化合物的重要底物,也是评价面包营养价值的关键指标,其含量的多少与面团中蛋白质的水解及乳酸菌的生长代谢有关。由表3可知,LPWB、LLWB、LCWB和PPWB总氨基酸含量显著高于对照组,其中LPWB的含量最高,较对照组高5.51%。前期的实验结果表明,在7株乳酸菌发酵的全麦酸面团中,FHe型植物乳杆菌体系的可滴定酸度最高[13],酸性环境可以促进蛋白质的水解,增加游离氨基酸的产生。而LBWB总氨基酸含量与对照组差异不显著,LFWB和LPCWB则显著低于对照组。

谷氨酸是小麦粉中含量最高的氨基酸,全麦面包中的谷氨酸的含量也较为丰富,均在4.3 g/100 g左右,其中LLWB、LPWB和PPWB中谷氨酸含量显著高于对照组,谷氨酸的积累不仅可以增加全麦面包的咸味,还可提高其鲜味。此外,LPWB中的鲜味氨基酸,丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸含量也略有提高。

氨基酸评分/蛋白质化学评分是评价蛋白质营养价值的重要方法[21]。在本研究中,实验组的化学评分与对照组存在显著差异,其中FHe型植物乳杆菌和戊糖片球菌发酵的全麦面包蛋白质化学评分显著高于其余各组。

综上,FHe型植物乳杆菌发酵的全麦面包,其氨基酸的含量更丰富,蛋白质营养价值更高。

2.3.2 总酚及抗氧化性比较分析

如图5所示,实验组总酚含量均高于对照组。由此可知,酸面团发酵可提高全麦面包中的酚类化合物的含量,与已有文献报道一致[32],但不同乳酸菌发酵释放总酚能力的差异较大。在本实验中,FHe型的植物乳杆菌发酵的全麦面包中总酚含量最高,显著高于其他各组(P<0.05),相较于对照组提高了44.79%,其次为OHe型发酵乳杆菌。

总酚含量在一定程度上与抗氧化性呈正相关。由表4可知,实验组总抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)均显著高于对照组,特别是LPWB和LFWB,其T-AOC较对照组分别增加了70.69%和56.83%。此外,实验组组间抗氧化能力差异显著,其中FHe型植物乳杆菌和OHe型发酵乳杆菌的总抗氧化能力较强,与总酚含量的测定结果一致。实验组在和·OH清除能力上表现出不同的优势。FHe型植物乳杆菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型发酵乳杆菌发酵全麦面包在ABTS阳离子自由基清除能力上表现较好,分别为25.53%、23.75%和23.73%,显著高于对照组;FHe型的植物乳杆菌、类干酪乳杆菌全麦面包的DPPH自由基清除能力较强;FHe型的植物乳杆菌和干酪乳杆菌全麦面包的清除能力较强;但各组在·OH清除能力上无显著差异。

3 结论与讨论

3种不同发酵类型的7株乳酸菌对全麦面包烘焙品质、老化特性和营养价值的影响各不相同。FHe型植物乳杆菌、OHo型乳酸乳球菌和OHe型发酵乳杆菌能够显著提高全麦面包的单位重量的体积;FHe型植物乳杆菌和OHe型发酵乳杆菌对全麦面包质构的改善效果较为明显。FHe型植物乳杆菌和OHe型短乳杆菌能够有效地延长全麦面包的货架期。经乳酸菌酸面团发酵,全麦面包中水溶性膳食纤维的含量增加,不溶性膳食纤维的含量下降,FHe型植物乳杆菌在改善全麦面包膳食纤维的构成方面表现最为突出。此外,FHe型植物乳杆菌发酵的全麦面包,其氨基酸的含量也更为丰富,蛋白质化学评分最高。FHe型的植物乳杆菌和OHe型发酵乳杆菌发酵的全麦面包中总酚含量较高,相应地其抗氧化能力也较强。但现阶段不同发酵类型乳酸菌自身酶系和主要代谢产物对全麦面包品质影响的机理还有待深入研究。

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Effects of different fermentation types of lactic acid bacteria on the quality of whole wheat bread

WANG Bo1, ZHANG Weiqing2*, LI Peng1, YANG Yang3, LI Yanmin4

1(Gansu Industry Polytechnic College, Tianshui 741025, China)2(Academy of National Food and Strategic Reserves Administration, Beijing 100037, China)3(Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442, China)4(Gansu Fengshou Agricultural Technology Co.Ltd., Tianshui 741020, China)

ABSTRACT To improve the processing and edible quality, whole wheat bread was prepared with whole wheat sourdough which was fermented by seven strains of lactic acid bacteria. The effects of different fermentation types of lactic acid bacteria on the baking quality, aging characteristics, and nutritional value of whole wheat bread were investigated. The results showed that compared with naturally fermented sourdough, the specific volume of whole wheat bread prepared with sourdough fermented with facultatively heterofermentative (FHe-type) Lactobacillus plantarum increased by 4.3%, while the baking loss, hardness, and aging rate decreased by 10.1%, 17.2% and 44.11%, respectively. At the same time, it also has positive effects on bacteriostasis and shelf-life extension. The total amino acid content increased by 5.51%, and protein chemical score was the highest. The antioxidant capacity was strong, increased by 70.69% compared to the control group. Therefore, the whole wheat sourdough which can be used as starter culture agent, fermented by FHe-type L. plantarum, can significantly improve the quality of whole wheat bread, and provide theoretical basis and production guidance for the subsequent industrial production of whole wheat bread.

Key words whole wheat bread; lactic acid bacteria; whole wheat sourdough; fermentation type; baking quality; nutritional value

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036055

引用格式：王博,张维清,李鹏,等.不同发酵类型乳酸菌对全麦面包品质影响研究[J].食品与发酵工业,2023,49(17):180-186.WANG Bo, ZHANG Weiqing, LI Peng, et al.Effects of different fermentation types of lactic acid bacteria on the quality of whole wheat bread[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(17):180-186.

第一作者:硕士,讲师(张维清助理研究员为通信作者,E-mail:zwqing119@126.com)

基金项目:甘肃省高等学校创新基金项目(2022A-241);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(ZX2226);甘肃省自然科学基金青年科技基金(23JRRE0735)

收稿日期:2023-05-07,改回日期:2023-05-20