李 萌,徐一涵,張建華
(上海交通大學 農(nóng)業(yè)與生物學院,上海 200240)
作為主食,淀粉類食品消費量大,因原料或工藝等方面的差異,淀粉類食品品質(zhì)存在諸多不足,如面包和饅頭的比容小、硬度大、易老化和風味不足;米粉和面條的彈性不足、咀嚼性不佳和口感不夠滑爽等。因此,通過改進加工工藝來提高淀粉類食品品質(zhì)尤為重要。盡管添加劑可以改善淀粉類食品品質(zhì),但隨著生活水平的提高和對食品安全的重視,消費者更傾向于微生物發(fā)酵等技術(shù)生產(chǎn)的天然、健康食品。乳酸菌發(fā)酵淀粉類食品不僅品質(zhì)佳,而且安全性高。
國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于乳酸菌發(fā)酵改善淀粉類食品品質(zhì)的研究報道,如增加比容[1-2]、改善質(zhì)構(gòu)[3]、提升感官品質(zhì)[4-5]、延緩老化[6]等,改善效果與采用的原料[7]、菌種[8-9]和工藝[10]等因素密切相關(guān)。本文系統(tǒng)地總結(jié)了乳酸菌發(fā)酵對饅頭、面包、米粉和面條的質(zhì)構(gòu)、感官品質(zhì)和抗老化性質(zhì)的影響,為淀粉類食品的發(fā)酵生產(chǎn)提供參考。
比容表征了饅頭和面包的松軟度,比容越大,越柔軟[11],比容增大是微生物產(chǎn)氣和面團面筋強度共同作用的結(jié)果[12]。
酵母菌發(fā)酵可增加饅頭比容,但受工藝的影響較大,如和面次數(shù)、面團大小、醒發(fā)和汽蒸時間等[13]。
乳酸菌純種發(fā)酵對小麥粉饅頭比容的改善效果優(yōu)于酵母。程曉燕[4]利用植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)ZS3-11和舊金山乳桿菌(Lactobacillussanfranciscensis)XD1-4純種發(fā)酵饅頭,比容分別為2.7 mL/g和2.8 mL/g;劉娜[5]利用植物乳桿菌Biogreen300、短乳桿菌(Lactobacillus brevis)ZL6和植物乳桿菌XL3發(fā)酵,比容分別為2.42 mL/g、2.59 mL/g和2.46 mL/g;呂瑩果等[13]利用植物乳桿菌發(fā)酵饅頭,比容為2.1 mL/g。上述乳酸菌純種發(fā)酵的饅頭的比容均大于相應的酵母菌發(fā)酵對照品。乳酸菌和酵母菌混合發(fā)酵對饅頭比容的增加效果更好。陳軍麗[14]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌和嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)分別與酵母菌混合發(fā)酵饅頭的比容高于酵母菌單獨發(fā)酵饅頭的比容,且三種菌混合發(fā)酵比容更高。
乳酸菌發(fā)酵饅頭比容增加的機理可能為:①乳酸菌和酵母菌等微生物協(xié)同生長,產(chǎn)生更多氣體[15-16]。②乳酸產(chǎn)生的較低pH值環(huán)境激活了基質(zhì)中的蛋白酶和淀粉酶,改變了蛋白質(zhì)和淀粉的結(jié)構(gòu),進而改善了面團的持氣性;另外,適度的酸化使面團面筋結(jié)構(gòu)軟化且彈性增強[1]。③乳酸菌等微生物產(chǎn)生的胞外多糖可以形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),并且與面筋網(wǎng)絡相互作用,從而提高了持氣穩(wěn)定性[17-18]。
乳酸菌發(fā)酵和酸處理均會使面包比容增加,但發(fā)酵效果更好[4]。ADEDIWURA T F等[3]利用乳酸、玉米粉和水制成的pH為3.4的酸面團制作玉米面包,比容為1.9 mL/g,小于植物乳桿菌發(fā)酵玉米面包的2.3 mL/g。DAL BELLO F等[19]向面團中加入0.433%的乳酸/乙酸混合液(4∶1,V/V),制成酸處理小麥粉面包,測得比容為3.04 mL/g,顯著小于植物乳桿菌FST1.7和舊金山乳桿菌LTH2581發(fā)酵面包的4.02 mL/g和3.54 mL/g(P<0.05)。
面包的比容還與乳酸菌的種類和添加量有關(guān)。MARKLINDER I等[8]分別利用植物乳桿菌、短乳桿菌和舊金山乳桿菌發(fā)酵大麥粉面包,測得比容大小各異。方靖[10]將保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)、嗜熱鏈球菌、干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)接種到10%奶粉溶液中制成發(fā)酵劑,將其添加到面包中,在0~40%的范圍內(nèi),比容隨添加量的增加而增大。但如果乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生過多的酸,則會水解面筋蛋白,導致面團面筋網(wǎng)絡變?nèi)?,使面包比容變小,因此,植物乳桿菌發(fā)酵蕎麥面包的比容可能比酵母發(fā)酵的反而小[20-21]。
乳酸菌發(fā)酵面包的比容還與原料和制作工藝相關(guān)。RIEDER A等[7]利用植物乳桿菌發(fā)酵的高直鏈淀粉大麥粉、全麥高直鏈淀粉大麥粉、普通大麥粉、全麥普通大麥粉和燕麥麩制作面包,比容大小各異。PONTONIO E等[22]分別以5種伊朗小麥酸面團制作面包,其比容大小差異明顯。FISHER A等[23]利用馬克斯克魯維酵母(Kluyveromyces marxianus)、保加利亞乳桿菌和瑞士乳桿菌(Lactobacillushelveticus)混合發(fā)酵制作小麥粉面包,當前兩者比例為1∶4、發(fā)酵溫度為30 ℃和酸面團添加量為小麥粉質(zhì)量30%時,面包的比容最大。SALOVAARA H等[24]研究發(fā)現(xiàn),當使用酸面包發(fā)酵劑A和白麥面粉制作面包時,25 ℃發(fā)酵的比容最大。
將麩糠添加到面包中可增加膳食纖維,但因其不含面筋蛋白,弱化了面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),使面包比容減小。研究發(fā)現(xiàn),自然發(fā)酵對增加麩糠面包的比容作用不大,而酵母菌發(fā)酵盡管改善效果明顯,但酵母菌不產(chǎn)酸、風味物質(zhì)產(chǎn)生較少、產(chǎn)品保質(zhì)期也較短。而添加乳酸菌與酵母協(xié)同發(fā)酵16 h的麩糠面包的比容增大了14%左右[25],說明兩種菌株協(xié)同作用,對面包的品質(zhì)提升更有利。
乳酸菌發(fā)酵可以改善饅頭、面包、面條、米粉等淀粉類食品的質(zhì)構(gòu)。如使饅頭更柔軟、不粘牙、更有彈性和勁道;使面包更柔軟、更有彈性、組織更細膩;使面條咀嚼性更好、彈性更佳、口感更滑爽;使米粉更有勁道、更耐咀嚼、更有彈性、口感更佳等。
饅頭品質(zhì)與質(zhì)地性狀呈負相關(guān),與壓縮張馳性呈正相關(guān)。其中,質(zhì)地性狀用硬度、膠粘性和咀嚼性的乘積表示;壓縮張馳性用彈性、內(nèi)聚性和回復性的乘積表示[26]。
乳酸菌發(fā)酵饅頭的品質(zhì)與原料有關(guān)。李晨[27]使用類食品乳桿菌(Lactobacillus paralimentarius)和安琪酵母混合發(fā)酵面粉筋力由大到小的大磨房特級一等粉、黑馬面粉和黑馬全麥面粉,制作的饅頭彈性也是由大到小,且前者內(nèi)部蜂孔更細密。劉娜[5]研究發(fā)現(xiàn),添加蕎麥會使乳酸菌發(fā)酵小麥粉饅頭的質(zhì)地性狀值更大,壓縮張馳性值更小。在一定的范圍內(nèi),面筋含量越高,饅頭的面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越好,持氣能力越強,其質(zhì)構(gòu)越佳[28]。
乳酸菌發(fā)酵饅頭的品質(zhì)還與菌種種類、比例和添加量有關(guān)。如植物乳桿菌XL3和Biogreen300產(chǎn)酸能力較強,利用其發(fā)酵饅頭時,過量的酸會破壞面筋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),使質(zhì)構(gòu)變差[5];明登乳桿菌(Lactobacillus mindii)Z4、植物乳桿菌S1和戊糖片球菌(Pediococcus pentosaceus)S2中任一種與酵母菌按10∶1接種發(fā)酵的饅頭,與其他接種比例相比,彈性較大且硬度較小[29];乳酸菌、根霉和雙歧桿菌(Bifidobacterium)復合發(fā)酵劑的添加量占面粉量為50%時,饅頭的質(zhì)構(gòu)最好[30]。
乳酸菌發(fā)酵饅頭的品質(zhì)還與發(fā)酵時間、溫度等發(fā)酵條件有關(guān)。呂瑩果等[13]研究表明,利用0.7%的高活性干酵母和0.3%的植物乳桿菌發(fā)酵饅頭的最佳發(fā)酵時間為25 min;郭吳瓊等[30]研究表明,當乳酸菌和根霉菌發(fā)酵溫度為38 ℃、發(fā)酵時間為50 min時,饅頭的質(zhì)構(gòu)最佳。
面包品質(zhì)與硬度、膠粘性和咀嚼性呈負相關(guān)[31],與彈性呈正相關(guān)[32]。乳酸菌發(fā)酵工藝對面包質(zhì)構(gòu)的影響明顯。方靖[10]在利用保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌和干酪乳桿菌混合發(fā)酵面包時發(fā)現(xiàn),只要發(fā)酵劑添加適量,無論是快速發(fā)酵法、中種發(fā)酵法,還是冷藏發(fā)酵法,均能降低面包硬度和咀嚼性值,增加其彈性值。RIZZELLO C G等[33]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌T6B10和紅乳桿菌(Lactobacillus rossiae)T0A16混合發(fā)酵藜麥面包的硬度為7 700 g,顯著小于酵母發(fā)酵的10 111 g(P<0.05)。FLANDER L等[34]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌發(fā)酵小麥粉面包質(zhì)構(gòu)最佳的生產(chǎn)工藝是酸面團添加量10%、發(fā)酵溫度40 ℃、發(fā)酵20 h。KLUPSAITE D等[35]利用戊糖片球菌發(fā)酵羽扇豆酸面團,往小麥粉中添加3%該酸面團制作面包,結(jié)果其硬度和咀嚼性值減少46%,彈性值增加5%,而更高的酸面團添加量對面包的質(zhì)構(gòu)影響不明顯。
乳酸菌發(fā)酵對面包質(zhì)構(gòu)的影響與有機酸和胞外多糖等因素有關(guān)。酸處理面粉可提高面包的質(zhì)構(gòu),但乳酸菌發(fā)酵面包比酸處理面包的疏松度更好、硬度更小、質(zhì)地更均勻細膩[19]。TORRIERI E等[36]利用產(chǎn)胞外多糖的明串珠乳桿菌(Lactobacillus oryzae)95A和彎曲乳桿菌(Lactobacillus curvatus)69B2發(fā)酵小麥粉酸面團制作面包,發(fā)現(xiàn)酸面團添加量為30%時對質(zhì)構(gòu)改善作用明顯,但20%酸面團添加量作用不明顯,且利用不產(chǎn)胞外多糖的明串珠乳桿菌68A和彎曲乳桿菌69A2發(fā)酵面包的作用也不明顯,說明一定含量的胞外多糖可以改善面包的持氣性和持水性。
面條口感與硬度、彈性和咀嚼性呈正相關(guān),與黏度呈負相關(guān),最大剪切力較大的面條具有更好的筋道感和彈性[37]。乳酸菌發(fā)酵可以改善面條的質(zhì)構(gòu),徐一涵等[38]利用植物乳桿菌發(fā)酵的馬鈴薯面條與未發(fā)酵面條相比,硬度和最大剪切力增大、黏度減小,說明發(fā)酵面條品質(zhì)較好。保加利亞乳桿菌、植物乳桿菌、短乳桿菌和舊金山乳桿菌發(fā)酵12 h,可增加燕麥面條的硬度,且耐咀嚼性提高,蒸煮損失率降低,其中,植物乳桿菌的改善效果最佳[39]。袁美蘭等[40]研究表明,發(fā)酵使支鏈淀粉平均鏈長增加,分支密度下降,使得其對長鏈的空間阻礙作用減弱;直鏈淀粉含量增加可促進交聯(lián)纏繞,利于形成更強的凝膠,從而提高面條品質(zhì)。
發(fā)酵時間對面條的品質(zhì)也有影響。LIAO L等[41]測定了發(fā)酵0~3 d的甘薯淀粉面條的硬度、延展性值和斷條率,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵1 d的面條硬度和延展性最大、斷條率最低,說明其質(zhì)構(gòu)最好;而隨著發(fā)酵時間延長,酸度過大,面筋蛋白被破壞,面條質(zhì)構(gòu)反而變差。
米粉品質(zhì)與硬度、咀嚼性、彈性和回復性呈正比。乳酸菌發(fā)酵可以改善米粉品質(zhì),且與菌種組成、比例和發(fā)酵時間有關(guān)。ZHU J H等[42]利用植物乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌(Lactobacilus fermentum)和羅伊氏乳桿菌(Lactobacilus reuteri)單獨和混合(1∶1∶1,V/V)發(fā)酵米粉,除了發(fā)酵乳桿菌外,其他發(fā)酵米粉的硬度、咀嚼性、彈性和回復性均顯著增加(P<0.05),單菌種發(fā)酵時,羅伊氏乳桿菌發(fā)酵變化最大;另外,發(fā)酵使米粉復水率增大、蒸煮損失率和斷條率減小。LI N等[9]研究發(fā)現(xiàn),不同比例的發(fā)酵乳桿菌與假絲酵母Candida santamariae混合發(fā)酵可提高米粉的硬度和咀嚼性值,其中5∶5和8∶2的效果最佳,檢測發(fā)現(xiàn)在該比例下淀粉顆粒結(jié)構(gòu)完整性破壞較少,使米粉淀粉顆粒膨脹穩(wěn)定性較好,從而增加了米粉的硬度,提高了其咀嚼性和口感。閔偉紅[43]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵0~12 h米粉的硬度、彈性和回復性變化明顯,由于支鏈淀粉被水解,其平均聚合度降低,使米粉硬度減小,還有直鏈淀粉含量增加,強化的凝膠網(wǎng)絡增強了保水性,使米粉彈性增加。12~84 h米粉質(zhì)構(gòu)變化不明顯,但84~96 h米粉硬度和回復性顯著增加(P<0.05)。
食品的感官品質(zhì)(如外形、色澤、滋味、氣味、均勻性等)是描述和判斷產(chǎn)品質(zhì)量最直觀的指標,可體現(xiàn)食品的享受性和可食用性的要求。
饅頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)越細膩,饅頭越白[44-45]。與普通的酵母饅頭相比,乳酸菌發(fā)酵饅頭白度更大,表皮更光滑,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更細膩[46-47]。饅頭風味物質(zhì)主要來源有:①原料本身帶有的;②微生物發(fā)酵產(chǎn)生的醇、酸、酯、醛和酮等;③饅頭蒸制過程中,醇類和有機酸反應生成的酯類芳香物質(zhì);④蛋白質(zhì)降解生成風味前體物質(zhì),如可供微生物代謝轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性風味的氨基酸[48-50]。
乳酸菌發(fā)酵饅頭的揮發(fā)性風味物質(zhì)含量是普通饅頭的1.60~1.85倍,且種類也顯著增多,其中包括一些獨特的揮發(fā)性物質(zhì),如2-乙基己醇、棕櫚酸、乙酸己酯、4-庚烯醛等[4]。劉娜[5]研究發(fā)現(xiàn),乳桿菌發(fā)酵不但使小麥粉饅頭和蕎麥饅頭的風味物質(zhì)總量分別提高了53.11%~61.06%和24.16%~36.29%,還促進了饅頭中內(nèi)酯化合物5-苯基-2(3H)呋喃酮、5-丁基-2(3H)呋喃酮、壬酮和2-壬烯醛等的生成。KIM Y等[51]也得出相似的結(jié)果。乳酸菌與酵母協(xié)同發(fā)酵的饅頭風味物質(zhì)含量和感官評分均比酵母菌單獨發(fā)酵的高。蔣慧等[52]研究發(fā)現(xiàn),融合魏斯氏菌(Weissella confusa)和異常威克漢姆酵母(Wickerhamomyces anomalus)混合發(fā)酵饅頭的風味強度明顯高于酵母菌單獨發(fā)酵,且使饅頭酒香和果香更濃郁。王雪婷等[53]利用釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)與面包乳桿菌(Lactobacilus panis)混合(2∶1)發(fā)酵苦蕎麩皮饅頭的感官評分也比酵母菌單獨發(fā)酵的高。
不同發(fā)酵類型的乳酸菌對饅頭風味的影響不同。何曉赟等[54]研究發(fā)現(xiàn),異型發(fā)酵的短乳桿菌、羅伊氏乳桿菌、干酪乳桿菌和鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)等比同型發(fā)酵的格氏乳桿菌(Lactobacillus gasseri)、戊糖片球菌和乳糖乳球菌(Lactococcus lactose)更有助于饅頭風味的改善,前者有更強的麥芽味、水果氣味、酒味和乳酸味,主要風味物質(zhì)是乙醇、乙酸和酯類,而后者主要是壬醛和2,3-丁二酮等醛類和酮類[55]。
乳酸菌發(fā)酵可改善面包的色、香、味。CORONA O等[56]研究發(fā)現(xiàn),食竇魏斯氏菌(Weissella cibaria)和腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)發(fā)酵面包比傳統(tǒng)酸面團面包的甜度大、酸味小。RIZZELLO C G等[33]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌和紅乳桿菌混合發(fā)酵藜麥面包的色澤、咸味等感官特性有所提升。植物乳桿菌發(fā)酵的大豆面包可消除其豆腥味,其外觀、色澤、風味和口感均比酵母發(fā)酵的感官評分高[57]。植物乳桿菌發(fā)酵的紫薯粉面包色澤由淺紫色變?yōu)闇\紅色,其顏色評分比未發(fā)酵的紫薯粉面包的高[58]。PLESSAS S等[59]研究發(fā)現(xiàn),嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus)和米酒乳酸菌(Lactobacillus sakei)混合發(fā)酵的面包比單株乳酸菌發(fā)酵或酵母發(fā)酵的酸度高、揮發(fā)性風味物質(zhì)多。EDEMA M O A[60]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌、短乳桿菌和腸膜明串珠菌發(fā)酵玉米面包的表觀、質(zhì)構(gòu)、口感和總體可接受性評分比單一菌發(fā)酵高。
發(fā)酵工藝對面包的感官品質(zhì)也有影響。孫國娟等[61]采用二次發(fā)酵工藝生產(chǎn)面包,確定最佳的工藝條件為白砂糖15%、即發(fā)活性干酵母2%、發(fā)酵乳桿菌JS 2%、發(fā)酵4 h。林欣梅等[62]利用保加利亞乳桿菌/嗜熱鏈球菌(1∶1)混合菌與酵母菌共同發(fā)酵制作面包,發(fā)現(xiàn)最佳工藝為酵母與乳酸混合菌比例1∶7,白砂糖、黃油和雞蛋添加量均為面粉量的20%,奶粉添加量與水的比例為1∶6。該條件下制作的面包風味、外觀和質(zhì)地等感官品質(zhì)均較優(yōu)。
乳酸菌發(fā)酵可以提高面條和米粉的感官評分。植物乳桿菌發(fā)酵馬鈴薯面條的色澤、外觀、適口性、韌性、黏性和光滑性的得分均比未發(fā)酵的得分高[38]。SAWATARI Y等[63]研究發(fā)現(xiàn),與其他幾種戊糖乳桿菌(Lactobacillus pentosus)和植物乳桿菌相比,植物乳桿菌NRIC 0380發(fā)酵速率最高并對面條有良好的改善效果;與未發(fā)酵的對照品相比,其發(fā)酵面條的硬度和彈性增加,酸味減輕。LIAO L等[41]研究發(fā)現(xiàn),當發(fā)酵乳桿菌∶假絲酵母為5∶5和8∶2時,發(fā)酵的米粉感官評分比0∶10、2∶8、10∶0、未發(fā)酵和自然發(fā)酵的高。YI C P等[64]研究發(fā)現(xiàn),植物乳桿菌YI-Y2013發(fā)酵米粉的風味物質(zhì)主要有壬醛、辛醛、2,4-戊二烯醛等醛類和己醇、1-正壬醇等醇類,其感官評分比未發(fā)酵的和另外5種混合發(fā)酵劑發(fā)酵的高。
淀粉老化是淀粉溶液在較低溫條件下放置時,溶液中有固體析出,渾濁度增加的過程,是糊化的逆過程[65]。淀粉的老化主要是因為直鏈淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)快速形成和支鏈淀粉側(cè)鏈的緩慢結(jié)晶。饅頭老化的主要表現(xiàn)有硬度、老化焓值增加和水分遷移等。
乳酸菌發(fā)酵可以延緩饅頭的老化速度。隨著儲藏時間的延長,所有饅頭老化焓值均增大,但是乳酸菌發(fā)酵饅頭焓值變化速率較慢[6];乳酸菌發(fā)酵對饅頭水分的遷移影響不明顯,但硬化速率明顯降低[5,47]。
乳酸菌發(fā)酵延緩饅頭老化的原因有:①乳酸菌代謝的酸類物質(zhì)把支鏈淀粉水解成低分子量糊精,從而抑制支鏈淀粉回生[66]。②饅頭基質(zhì)中淀粉酶和蛋白酶活性被較低pH值環(huán)境激活,與乳酸菌產(chǎn)生的酶共同降解淀粉和蛋白質(zhì),使其交聯(lián)作用減弱[67]。③乳酸菌分泌的胞外多糖可以作為增稠劑,減少水分的遷移[68]。
乳酸菌發(fā)酵可以有效地減緩面包的老化進程。乳酸菌添加量分別為0、10%、20%、30%和40%的面包,儲存7 d后的硬度值依次減小[10]。萬晶晶[6]研究發(fā)現(xiàn),面包在儲藏過程中硬度值均變大,但乳酸菌發(fā)酵面包硬度變化速率較小、老化焓值較低,水分遷移的速率也明顯低于酸化的和酵母發(fā)酵的面包。TORRIERI E等[36]研究發(fā)現(xiàn),當產(chǎn)胞外多糖乳酸菌發(fā)酵酸面團的添加量為30%時,可以減緩面包老化焓值增加和水分遷移的速率。
乳酸菌發(fā)酵可以顯著增加饅頭和面包的比容、延緩其老化速率,還能改善饅頭、面包、面條和米粉的質(zhì)構(gòu),增加其風味物質(zhì)的種類和總量,提高感官品質(zhì)。但乳酸菌發(fā)酵對上述性質(zhì)的改善機制,有些仍待進一步研究。前期研究中,單一菌種研究的比較多,但是混合菌種的效果更好,因此,對混合菌株在發(fā)酵過程中的生態(tài)變化及其對淀粉質(zhì)食品品質(zhì)的貢獻,仍需要更多的探索。另外,對一些具有特色的自然發(fā)酵產(chǎn)品中微生物對風味、質(zhì)構(gòu)等方面的貢獻及關(guān)鍵微生物在發(fā)酵過程中生態(tài)規(guī)律的研究,將有助于認識新的微生物資源,及實現(xiàn)特色傳統(tǒng)產(chǎn)品的工業(yè)化。