酸面团是谷物、水和微生物发酵的产物,作为一种天然的生物改良剂,在改善发酵面制品的质构、增强风味、延长货架期及提高营养价值等方面有着广阔的应用前景[1-2]。酸面团常见的产品形态包括液态、半固态和固态,其中以固态粉末状的酸面团发酵剂最便于使用和贮藏。不同的干燥工艺对酸面团的活性和风味影响差异较大。传统的喷雾干燥工艺会导致酸面团活性成分和风味物质等产生较大损失[3],而真空冷冻干燥技术可有效延长酸面团的保质期[4]、降低酶活损失[5]等优点。因此,真空冷冻干燥技术有利于实现酸面团的商业化应用。真空冷冻干燥过程中,超低温和超干燥的极端环境会造成部分细胞细胞膜损伤、关键酶失活等,导致酸面团发酵性能降低甚至功能失效[6-7]。研究发现,可通过提高菌株的抗冷冻干燥活性、添加冷冻干燥保护剂及优化冷冻干燥工艺条件等方式提高乳酸菌的活力[8-9]。目前根据菌株的特点选择适宜的冻干保护剂成为冷冻干燥酸面团的研究热点之一。

海藻糖作为生物体内的一种典型应激代谢产物,能够在细胞表面形成保护膜,保护细胞内生物膜、蛋白质和活性肽在高温、高寒、高渗透压及干燥失水等恶劣环境条件下的稳定性和完整性,维持生命体的生命过程和生物特征[10-11]。海藻糖能够对乳酸菌在脱水胁迫、高温胁迫、冷冻胁迫及氧化胁迫等恶劣环境下起到一定的保护作用[12]。此外,海藻糖还具有非还原性、抗冻结性和耐干燥性、优质甜味、能量来源等优点,广泛地用作面点、冰激凌、水产品等食品的冷冻保护剂。

本文以海藻糖作为植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)全麦酸面团的冷冻干燥保护剂,研究海藻糖的添加量对冷冻干燥酸面团生物活性和产酸性能的影响;此外,探究基于海藻糖保护的冻干植物乳杆菌全麦酸面团对全麦面包品质改善,以期为高生物活性冷冻干燥酸面团的研发及其规模化应用提供实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

全麦高筋面粉购买于鲍勃红磨坊(Bob’s Red Mill);植物乳杆菌源于实验室保藏菌种。MRS肉汤培养基,北京索莱宝科技有限公司;植酸,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;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

VS-840K-U无菌操作台,苏州安泰空气技术有限公司;PYL-125恒温培养箱,天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司;Synergy H1多功能读板仪(酶标仪),美国伯腾仪器有限责任公司;13000XL专业影像扫描仪,爱普生(中国)有限公司;ALPHA 1-4 LD plus真空冷冻干燥机,Martin Christ冷冻干燥设备有限公司;ColorFlex EZ色差仪,亨特立(HunterLab)颜色管理有限责任公司;SD-P1000面包机,松下电器(中国)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 植物乳杆菌菌粉的制备

植物乳杆菌在MRS肉汤培养基中活化2代,离心弃上清液得到菌体,无菌生理盐水将其清洗2次后悬浮于100 g/mL脱脂乳中冻干。使用MRS琼脂培养基,平板计数法计数冻干菌粉中菌落总数(CFU/g)。

1.3.2 冻干植物乳杆菌全麦酸面团的制备

按公式(1)的比例称量全麦粉、无菌蒸馏水和植物乳杆菌粉(接种量为107 CFU/g),充分混匀后于28 ℃培养16 h即为植物乳杆菌全麦酸面团225[13]。随后分别添加质量分数0%、10%、15%、20%的海藻糖,混合均匀后,移至冻干皿中,厚度1.0 cm,-70 ℃预冻2 h后冻干。将冻干的酸面团粉碎,密封包装,4 ℃贮藏备用。

酸面团

(1)

1.3.3 酸面团发酵性能的测定

1.3.3.1 植物乳杆菌存活率

分别取新鲜和冻干后第0、15、30、45、60和90天的植物乳杆菌全麦酸面团发酵剂适量,用无菌生理盐水按10倍梯度稀释至合适的稀释度,吸取100 μL涂布于MRS固体培养基,37 ℃培养72 h后取出分别测定菌落总数,按公式(2)计算植物乳杆菌的存活率。

存活率

(2)

1.3.3.2 产酸能力

在酸面团冻干后第0、30、60和90天分别取1.00 g样品于100 mL MRS液体培养基(初始pH值为6.2)中,培养温度为37 ℃,测定0～48 h内4个MRS液体培养基pH值的变化。

1.3.4 全麦面包的制备

准确称量表1中的配料加入面包机中,其中酸面团的添加量分别为5%、10%、20%、40%和50%,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。使用面包机全麦面包烘焙程序制备全麦面包。完成后在室温下充分冷却,自封袋包装密封,用于后续的分析。

1.3.5 冻干酸面团添加量对全麦面包品质的影响

1.3.5.1 色泽

利用色差仪测定全麦面包表皮及面包芯的颜色,其中表皮颜色的测定分别在面包冠、侧面和底部取样测定,平行测定3次,取平均值记录颜色参数L*值、a*值、b*值[14]。

1.3.5.2 比容(specific volume,SV)

参照AACC(2000, 10th)油菜籽替代法测面包体积[15]。按公式(3)计算SV:

(3)

式中:V1,面包胚焙烤后的体积,mL;m1,面包胚焙烤前的质量,g。

1.3.5.3 焙烤损失(baking loss,BL)

面包胚焙烤前后的质量分别记为m0和m1(g),BL按公式(4)计算[16]。

BL/g=m0-m1

(4)

1.3.5.4 面包芯质构

参照王博等[17]方法,使用质构仪测定全麦面包芯的质构。

1.3.5.5 感官评价

根据定量描述性感官分析法并稍作修改,采用9分嗜好法进行感观评估,其中1分和9分分别代表最低和最高感官嗜好度[18]。由32位经过培训的志愿者(男女各半)对全麦面包品质进行感官评价。

1.3.5.6 植酸含量

参照ZHAO等[19]的方法,使用分光光度法测量植酸含量。

1.3.5.7 老化特性

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[20],按照公式(5)计算:

老化率

(5)

1.4 数据分析

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

2 结果与分析

2.1 海藻糖添加量对植物乳杆菌存活率的影响

冻干全麦酸面团中植物乳杆菌的存活率直接决定了酸面团的质量。全麦粉中麦麸等纤维物质的存在会阻断海藻糖和蛋白质之间形成氢键,降低海藻糖的保护效果,因此冻干过程中需添加更多的海藻糖以抵消这种破坏作用。因此,本研究选择10%、15%和20%的添加量进行研究(见图1)。

由图1可知,添加海藻糖保护剂后,植物乳杆菌的存活率达到85%以上,而对照组菌体存活率只有42.23%。随着保藏时间的延长,对照组存活率迅速下降,第90天仅有21.71%,添加10%、15%和20%海藻糖组,存活率下降较慢,第90天依然保持在71.89%、80.11%和82.12%,分别是对照组的3.31倍、3.69倍和3.78倍。明显地,添加海藻糖可以显著提高冷冻干燥后和贮藏过程中植物乳杆菌的存活率,其中15%和20%添加量的改善效果明显,但二者间差异不显著(P>0.05)。冷冻胁迫下,胞内氨基酸的匮乏与质膜僵硬化可能是影响植物乳杆菌细胞生长的主要原因[21],但植物乳杆菌在冷冻胁迫下的应答机制还有待进一步探究。

2.2 海藻糖添加量对植物乳杆菌产酸能力的影响

不同酸面团成熟时的pH值不同,前期实验结果表明植物乳杆菌全麦酸面团成熟时pH在3.5～3.6。图2显示了海藻糖添加量及保藏时间对冻干酸面团中植物乳杆菌产酸能力的影响。由图2-a可知,当添加量为20%时,植物乳杆菌的产酸能力最强,发酵8 h后其pH值迅速降低,24 h后pH值稳定到3.56,达到成熟酸面团的标准。其次为15%添加量组,发酵10 h后其pH值迅速降低,36 h后pH值稳定到3.53,但2组差异不显著(P>0.05);未添加海藻糖保护剂的对照组产酸能力显著滞后(P<0.05),在前18 h 的发酵过程中pH值下降较慢,发酵36 h后pH值稳定到3.53。MILLER[22]研究发现,海藻糖能与一些盐离子发生协同作用,在冷冻、干燥和贮存过程中增强对乳酸脱氢酶的保护作用,乳酸脱氢酶是乳酸菌胞内的一种关键酶,有助于保护乳酸菌制剂的产酸发酵能力[12]。通过对比图2-a～图2-d发现,随着培养时间的延长,与对照组相比,实验组产酸能力下降较少且贮藏前后产酸能力无显著差异(P>0.05),与2.1节的结果相一致。

综上,在酸面团冻干过程中,海藻糖对植物乳杆菌的存活率和产酸能力都起到了较好的保护作用,使其在后续的发酵过程中可以快速地恢复生物活性,缩短发酵时间。15%与20%的海藻糖添加量对酸面团的发酵性能的影响并无显著差异,从经济角度考虑,可选择15%的海藻糖添加量。

2.3 冻干酸面团的添加量对全麦面包品质的影响

2.3.1 色泽

食品色泽可以增强消费者的味觉和心理生理反应,影响消费者的购买决策。由表2可知,随着酸面团添加量的增加,全麦面包表皮的色泽逐渐变亮,添加量达到10%后,L*值达到最大,之后随添加量增加,全麦面包外表的色泽逐渐变暗。这可能因为当添加量在5%～10%时,乳酸菌在面包面团发酵过程中消耗了大量的氨基酸和糖类,导致美拉德反应、焦糖化反应减弱;当添加量超过10%时,乳酸菌水解蛋白质,释放出了更多的游离糖类和氨基酸类等物质,在焙烤阶段加剧了美拉德反应和焦糖化反应,使得面包外表亮度降低、红度和黄度增加,面包整体色泽变深变暗。与外表色泽相似,相较于对照组,全麦面包芯色泽随酸面团添加量增加而变亮,当添加量超过10%,全麦面包芯的色泽又逐渐变暗。

综上,当冻干植物乳杆菌全麦酸面团的添加量为10%时,全麦面包的表皮和面包芯色泽最佳。

2.3.2 BL和SV

相同质量的全麦面包,SV越大,其内部结构越松软。在酸面团发酵过程中,乳酸菌产生的多糖可充当胶体,改善面团的流变特性,弥补面筋体系的不足[23]。对于高膳食纤维的全麦面包体系,面筋被麸皮稀释,面筋结构变弱,面团的强度和对机械搅拌的耐受力降低。因此,添加一定量的酸面团能够缓解麸皮对面筋蛋白的破坏。乳酸菌发酵过程中可将棉子糖和水苏糖水解为酵母菌可利用的葡萄糖和果糖,从而提高酵母发酵产气能力,增加面包SV[24]。如图3所示,当酸面团添加量为10%时,全麦面包的SV最大,较对照组提高了10.16%,焙烤损失最小,较对照组降低了6.85%。

但添加过量酸面团也可能给面包的SV带来负面影响。当酸面团添加过量,体系酸度过高,面团过度发酵,全麦粉中的内源性蛋白酶和淀粉酶活性被大量激活,导致面团中的面筋蛋白和淀粉等与面包结构相关的物质被过度水解,面包结构弱化。此外,较低的pH会抑制酵母菌的生长以及发酵产气,导致面包的SV降低,体积变小,硬度变大。由图3可知,当酸面团添加量超过20%时,全麦面包的结构弱化,表现出SV小于对照组、BL大于对照组的不良发展趋势。

2.3.3 质构特性

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,也是影响其货架期的重要因素[25]。

由表3可知,添加酸面团的全麦面包的硬度均显著低于对照组,当添加量为10%时,较对照组下降了35.31%;全麦酸面团面包的硬度与其自身比容呈负相关(Pearson相关系数-0.465 2),表明比容越小,硬度越大,与以往的报道相一致[17, 26]。当酸面团的添加量为10%时,相较对照组,全麦面包质构特性得到显著改善,内聚性、回复性和弹性分别提高18.03%、20%和27.27%。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。值得注意的是,当酸面团的添加量为50%时,全麦面包的弹性显著低于其他各组,说明酸面团的添加量过大时,会导致全麦面包弹性降低,对面包口感造成负面影响。

对于面包而言,一般来说咀嚼性值越小越好[28];而黏性值越高,表明结构越紧凑[29]。随着酸面团添加量的增加,全麦面包的咀嚼性指数先降低后上升。由表3可知,当酸面团的添加量为10%和20%时,咀嚼性指数明显低于对照组,较对照组分别降低12.49%和14.81%;当酸面团的添加量超过20%时,全麦面包的咀嚼性指数超过了对照组,对全麦面包的口感造成了负面影响。实验组的黏性均显著低于对照组。

2.3.4 感官评价

由图4雷达图可知,随着酸面团添加量的逐渐增加,全麦面包感官得分先升高,添加量超过20%时,感官得分降低,低于对照组;添加量为10%时,全麦面包的整体接受度最高,为8.2分。

冻干酸面团的添加量超过20%会对全麦面包的品质造成负面影响,各项感官评价指标均低于对照组,特别是50%添加量,这与2.3.2节和2.3.3节的结果一致。当酸面团的添加量超过20%时,由于酸面团过量,导致全麦面包过度酸化,质构、色泽和比容等特性劣变,影响了全麦面包的风味和口感,致使全麦面包的整体接受度低于对照组。

2.3.5 植酸含量

植酸是一种典型的抗营养因子,可通过螯合钙、镁、铁、锌和磷等多种离子,形成不溶性络合物,难以被人体吸收利用,从而引起人体微量元素缺乏等营养疾病的发生[30]。PARK等[31]发现高负电性的植酸还会干扰麦谷蛋白交联,影响全麦面包的质构。在酸面团发酵过程中,乳酸菌和酵母菌对植酸的高度降解以及低pH环境对植酸盐复合物的增溶有利于提高全麦面包的烘焙品质及矿物元素的生物利用率[32]。

由图5可知,相较于对照组,冻干酸面团能够显著降低全麦面包的植酸含量。冻干酸面团的添加量小于20%时,随着酸面团添加量的增加,各组的植酸降解率显著上升(P<0.05),分别达到47.96%、61.86%、71.02%;但添加量超过20%时,相邻组的植酸降解率无显著差异(P>0.05),可能是由于过量的酸面团和海藻糖抑制了酵母菌的发酵,从而导致体系降解植酸的能力下降[33]。

2.3.6 老化特性

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[34]。因此,延缓全麦面包的老化速率对于提升全麦面包的货架期及品质具有重要意义。由图6可知,随着酸面团添加量的增加,全麦面包的老化速率先下降后上升,当酸面团添加量为10%时,老化速率最低,较对照组降低了29.06%。研究发现,乳酸菌发酵能够产生大量具有类似亲水胶体作用的胞外多糖[35],而胞外多糖可通过减少支链淀粉微晶的重新形成,抑制面包老化[13]。当添加量超过10%时,老化速率又增加可能是由于过度发酵破坏了面团的内部结构,淀粉结晶速率加快从而老化速率加快。

3 结论

在植物乳杆菌全麦酸面团冷冻干燥和贮藏过程中,添加15%～20%的海藻糖作为冷冻保护剂可显著提高植物乳杆菌的存活率、产酸能力和产酸稳定性,使其在后续的发酵过程中可快速地恢复生物活性,缩短发酵时间。为实现节本增效,15%的海藻糖添加量为最佳。在面包面团中添加10%的上述冻干酸面团,全麦面包的品质得到了较好的改善。此时,全麦面包的SV最大、BL最低,内聚性、回复性和弹性提高,而硬度和咀嚼性则分别下降,感观评价得出同样的结论。此外,冻干酸面团的添加可显著提高全麦面包中植酸的降解率,其添加量与植酸降解率呈正比,但添加量超过10%时,会对全麦面包的其他品质造成负面影响。全麦面包的老化速率随冻干酸面团添加量的增加表现出先下降后上升的趋势,添加量为10%时,面包的老化速率最小。

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Preparation of freeze-dried whole-wheat sourdough fermented by Lactobacillus plantarum and its effect on the quality of whole-wheat bread

ZHANG Weiqing1, WANG Bo2, LIU Yuchun1, GUO Chao1, WANG Chao1*

1(Academy of National Food and Strategic Reserves Administration, Beijing 100037, China) 2(Gansu Industry Polytechnic College, Tianshui 741025, China)

ABSTRACT To enhance the application effect of vacuum freeze-drying whole-wheat sourdough in whole-wheat bread, it has been carried out to explore the bioactivity of Lactobacillus plantarum in freeze-dried sourdough protected by trehalose, taking the survival rate, acid-producing capacity and acid-producing stability as evaluation indicators, and optimize the amount of this freeze-dried sourdough added to whole-wheat bread.The results showed that trehalose could significantly improve the bioactivity of Lactobacillus plantarum.When the amount of trehalose added was 15%, the survival rate of Lactobacillus plantarum remained above 80% after freeze-drying and storage for 90 days, 3.69 times higher than control group, and there was no significant decrease in acid-producing capacity.Adding 10% of this freeze-dried sourdough, the whole-wheat bread has achieved the most pleasant color on the outer skin and crumb, with the specific volume increased by 10.16% and the baking loss decreased by 6.85% compared to the control group.Meanwhile, the cohesiveness, resilience and springiness increased by 18.03%, 20%, and 27.27%, respectively;while the hardness and chewiness were decreased by 35.31% and 12.49%, respectively.The aging rate of whole-wheat bread was 29.06% lower than that of the control group.Moreover, the degradation rate of phytic acid was twice that of the control group.The freeze-dried whole-wheat sourdough fermented by Lactobacillus plantarum protected by trehalose has achieved positive results in improving the quality of whole-wheat bread, providing practical references for the large-scale application of freeze-dried sourdough.

Key words vacuum freeze-drying; sourdough;whole-wheat bread;trehalose; Lactobacillus plantarum

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037457

引用格式：张维清,王博,刘玉春,等.冷冻干燥植物乳杆菌全麦酸面团的制备及其对全麦面包品质影响研究[J].食品与发酵工业,2024,50(23):106-113.ZHANG Weiqing, WANG Bo, LIU Yuchun, et al.Preparation of freeze-dried whole-wheat sourdough fermented by Lactobacillus plantarum and its effect on the quality of whole-wheat bread[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(23):106-113.

第一作者：博士,助理研究员(王超副研究员为通信作者,E-mail:wc@ags.ac.cn)

基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(ZX2226)

收稿日期：2023-09-22,改回日期：2023-10-12