酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物中的應(yīng)用

王玉婷, 張 順, 徐瑞霞, 劉書亮, 劉愛平

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,雅安 625014)

乳糜瀉是由遺傳易感個(gè)體從小麥、大麥和黑麥中攝入麩質(zhì)蛋白所引起一種自身免疫介導(dǎo)的腸道疾病,會(huì)導(dǎo)致腹瀉、腹脹、便秘等多種不適癥狀。目前乳糜瀉治療的唯一方法是終身避免攝入麩質(zhì)蛋白,食用無麩質(zhì)食物[1]。無麩質(zhì)食物由不含麩質(zhì)蛋白的原料制成,在焙烤食品中,小麥麩質(zhì)蛋白對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)地特征及感官品質(zhì)十分重要,完全去除小麥麩質(zhì)意味著面筋蛋白的缺失,這對(duì)食品加工無疑是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)[2]。無麩質(zhì)產(chǎn)品價(jià)格偏高,口感和風(fēng)味較差,長(zhǎng)期攝入可能會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)缺乏癥,因此,乳糜瀉患者迫切需要能夠改善健康和提高生活質(zhì)量的替代療法[3]。

酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)是利用具有酸化和發(fā)酵能力的乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)和酵母共同發(fā)酵面粉和水而形成酸面團(tuán),并將其作為發(fā)酵劑應(yīng)用于發(fā)酵食物中。大量研究表明,酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)能改善無麩質(zhì)食物的品質(zhì)如改善風(fēng)味、質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)特性,延緩淀粉老化,延長(zhǎng)制品保質(zhì)期等[4,5]。本研究主要就無麩質(zhì)食物及酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討。

1 無麩質(zhì)食物及其研究現(xiàn)狀

1.1 無麩質(zhì)食物

無麩質(zhì)食物是由玉米、大米、蕎麥等無麩質(zhì)原料制成,無麩質(zhì)蛋白,適合乳糜瀉人群食用。市面上常見的無麩質(zhì)食物主要包括面包、餅干、面條、啤酒等,其中以面包最為常見。普通的面包常用小麥粉制備,小麥粉中麩質(zhì)含量豐富,賦予面包面團(tuán)良好的延展性和拉伸性。麩質(zhì)也稱面筋,主要成分是麥谷蛋白和麥醇溶谷蛋白,麩質(zhì)蛋白占總谷物蛋白質(zhì)質(zhì)量的70%～80%。麩質(zhì)蛋白通過二硫鍵、非共價(jià)鍵、氫鍵等化學(xué)鍵的共同作用,在面團(tuán)中形成有序的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在面團(tuán)發(fā)酵過程能較好的保留氣體,使制品蓬松柔軟[6]。但麩質(zhì)的存在易引起乳糜瀉人群的過敏反應(yīng),為滿足乳糜瀉人群的飲食需要,無麩質(zhì)食物應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 無麩質(zhì)食物研究現(xiàn)狀

目前,無麩質(zhì)食物仍存在較多的問題：在質(zhì)地方面,面團(tuán)的拉伸性、持氣性差,故制品質(zhì)地硬、表皮易開裂;在營(yíng)養(yǎng)方面,制品缺乏礦物質(zhì)和維生素、碳水化合物含量高、蛋白質(zhì)含量低;在生產(chǎn)方面,無麩質(zhì)面包加工難度高、老化速度快、貨架期短、生產(chǎn)成本高[7]。因此,人們常使用乳化劑[8]、酶[9]、親水膠體[10]等食品添加劑改善無麩質(zhì)制品的品質(zhì)特性。乳化劑的添加能夠改善無麩質(zhì)面團(tuán)體系中各組分間的表面張力,使之形成均勻分散的乳化體。酶的使用能夠改善無麩質(zhì)面團(tuán)的特性、制品品質(zhì)及延長(zhǎng)貨架期[11]。親水膠體常作增稠劑運(yùn)用于無麩質(zhì)食物中,親水膠體與面團(tuán)中的水結(jié)合以增強(qiáng)面團(tuán)的內(nèi)聚力和黏彈性,且親水膠體的加入會(huì)提高氣孔的穩(wěn)定性,從而使無麩質(zhì)面團(tuán)的持氣能力得到提高[12]。但乳化劑、親水膠體等食品添加劑添加到無麩質(zhì)食物中也存在缺點(diǎn)：消費(fèi)者對(duì)食品添加劑的接受度不高,更傾向于選擇天然健康的食品;部分添加劑會(huì)為最終產(chǎn)品帶來不良風(fēng)味[5];添加劑大多成本較高,市場(chǎng)上的無麩質(zhì)面包的平均價(jià)格明顯高于傳統(tǒng)面包[13]。

2 酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)

2.1 乳酸菌及酵母菌的作用

在成熟的酸面團(tuán)中,已報(bào)道的乳酸菌種類超過50種,酵母超過25種,其中乳酸菌屬主要是Lactiplantibacillus、Leuconostoc、Pediococcus和Weissella[14],而酵母屬主要是Saccharomyces和Candida[15]。乳酸菌發(fā)酵能產(chǎn)生乳酸、醋酸等有機(jī)酸,降低面團(tuán)的pH值,抑制腐敗微生物的生長(zhǎng);并能激活小麥粉內(nèi)源蛋白酶,促進(jìn)面筋蛋白的降解并增加水與蛋白質(zhì)和淀粉顆粒的結(jié)合,提高面團(tuán)的延展性;同時(shí)還能激活或產(chǎn)生植酸酶等抗?fàn)I養(yǎng)因子降解酶,提高發(fā)酵原料中礦物質(zhì)的生物利用率[16]。乳酸菌產(chǎn)生的胞外多糖(EPS)不僅能改善面團(tuán)的流變特性、延緩制品老化,還具有降低膽固醇、調(diào)節(jié)人體免疫等益生元功能[17]。酵母菌在發(fā)酵過程中,利用面團(tuán)中的可發(fā)酵性糖,經(jīng)糖酵解,產(chǎn)生CO2和乙醇。CO2使面團(tuán)膨脹,從而使產(chǎn)品疏松多孔,改善產(chǎn)品質(zhì)構(gòu);同時(shí),在酵母代謝過程中,產(chǎn)生的醇、醛、酮、酯等揮發(fā)性物質(zhì),賦予產(chǎn)品良好的風(fēng)味[18]。

2.2 無麩質(zhì)酸面團(tuán)

無麩質(zhì)酸面團(tuán)是指用乳酸菌或乳酸菌與酵母菌發(fā)酵無麩質(zhì)原料,制成微生物數(shù)量豐富、酶活力高的發(fā)酵劑,然后將酸面團(tuán)發(fā)酵劑與無麩質(zhì)原料混合發(fā)酵制備無麩質(zhì)食物。無麩質(zhì)酸面團(tuán)和含麩質(zhì)酸面團(tuán)的主要差別在于原料的不同,兩者所使用的發(fā)酵菌株及菌株的作用大同小異。正因其微生物作用相似,結(jié)合無麩質(zhì)原料不含麩質(zhì)蛋白的特性,使得無麩質(zhì)酸面團(tuán)能對(duì)無麩質(zhì)食物的品質(zhì)改善起到極大的促進(jìn)作用。其中,酸面團(tuán)發(fā)酵過程中產(chǎn)生的EPS可以替代乳化劑和親水膠體改善無麩質(zhì)食物的品質(zhì);酶、有機(jī)酸等多種代謝產(chǎn)物有助于改善無麩質(zhì)食物風(fēng)味及質(zhì)地。同時(shí),無麩質(zhì)酸面團(tuán)與乳化劑、酶和親水膠體等食品添加劑相比,具有制作簡(jiǎn)單、使用方便、綠色天然、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前已有較多關(guān)于無麩質(zhì)酸面團(tuán)的應(yīng)用研究,如使用蕎麥、燕麥、高粱等原料結(jié)合植物乳植桿菌、舊金山乳桿菌、短乳桿菌、釀酒酵母等來制備面包、餅干、松餅等各種食品(表1)。

表1 無麩質(zhì)酸面團(tuán)發(fā)酵菌種

通過利用不同無麩質(zhì)原料的營(yíng)養(yǎng)特性,結(jié)合乳酸菌及酵母菌的發(fā)酵特性,可提高無麩質(zhì)制品的營(yíng)養(yǎng)及感官特征,滿足乳糜瀉患者對(duì)無麩質(zhì)食物的飲食需求。

3 酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物的生產(chǎn)中有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì),如降解麩質(zhì)蛋白、產(chǎn)胞外多糖、改善制品風(fēng)味等(表2),可極大提升無麩質(zhì)食物的品質(zhì)。

表2 酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 產(chǎn)蛋白酶降解麩質(zhì)蛋白

在無麩質(zhì)食物的生產(chǎn)中,選擇含有能降解麩質(zhì)蛋白的乳酸菌和真菌蛋白酶的酸面團(tuán),通過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)酵,可以有效水解麩質(zhì)蛋白[35],并能達(dá)到食品法典委員會(huì)對(duì)于無麩質(zhì)產(chǎn)品的要求(麩質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過20 mg/kg)。乳酸菌具有復(fù)雜的蛋白酶系統(tǒng),產(chǎn)生的蛋白酶能夠水解各種富含脯氨酸的肽,包括33 mer肽。在乳糜瀉的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn),來自α-醇溶蛋白中的33 mer肽是麩質(zhì)蛋白中最重要的乳糜瀉免疫原性序列,由于其高脯氨酸(13個(gè)殘基)和谷氨酰胺(10個(gè)殘基)含量,這使得它對(duì)酶蛋白水解更具抵抗力[36]。酸面團(tuán)產(chǎn)生的蛋白酶能夠水解脯氨酸和其他殘基之間的肽鍵,將其水解為小分子肽段而影響麩質(zhì)蛋白的免疫識(shí)別,降低麩質(zhì)蛋白的致敏性(圖1)。

圖1 酸面團(tuán)蛋白酶對(duì)33 mer肽的降解作用

Francavilia等[37]研究關(guān)于乳酸桿菌水解免疫原(麩質(zhì)肽)的能力,根據(jù)酶的比活力選擇了10株乳酸桿菌,其所提供的多肽酶組合能夠完全降解與乳糜瀉相關(guān)的免疫原性麩質(zhì)多肽,包括麥醇溶蛋白33 mer肽、α-9-麥醇溶肽57-68及A-麥醇溶蛋白肽62-75等多肽。模擬胃腸道的消化后,即使小麥面筋蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18 000 mg/kg,經(jīng)水解,最終質(zhì)量濃度低于10 mg/kg。Fu等[38]等選取PediococcusacidilacticiXZ31和S.cerevisiaeJM1制備酸面團(tuán),研究發(fā)酵過程中面團(tuán)蛋白的變化,并對(duì)XZ31單培養(yǎng)、XZ31與酵母共培養(yǎng)的面團(tuán)進(jìn)行蛋白質(zhì)降解和抗原反應(yīng)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,發(fā)酵24 h后,蛋白和過敏原Tri a 19和Tri a 28含量顯著降低。共培養(yǎng)中,酵母的存在增強(qiáng)了XZ31的蛋白質(zhì)代謝,加速了蛋白質(zhì)的降解,并在更大程度上降低了過敏原含量。這些結(jié)果揭示了XZ31和酵母對(duì)小麥過敏原降解的協(xié)同作用,展示了多菌種混合發(fā)酵在生產(chǎn)低致敏性小麥產(chǎn)品方面的潛在用途。Di等[28]根據(jù)蛋白水解活性和酸化率篩選出L.sanfrancisensisLS40、LS41及L.plantarumCF1,將其用于無麩質(zhì)酸面團(tuán)發(fā)酵,在酸面團(tuán)的配料中加入麩質(zhì)蛋白(100～500 mg/kg),經(jīng)酶聯(lián)免疫雙抗原夾心法測(cè)定,無麩質(zhì)酸面團(tuán)面包中的麩質(zhì)蛋白被降解為10 mg/kg,而僅用釀酒酵母發(fā)酵的對(duì)照組面包中的麩質(zhì)蛋白含量與初始添加量沒有顯著差異。

3.2 產(chǎn)EPS取代麩質(zhì)蛋白,減少添加劑使用

工業(yè)生產(chǎn)中常使用親水膠體來減少由麩質(zhì)蛋白的缺失而造成的無麩質(zhì)食物的品質(zhì)缺陷,以促進(jìn)無麩質(zhì)食物的品質(zhì)改善。酸面團(tuán)在發(fā)酵期間能夠產(chǎn)生大量的有機(jī)酸、酶和EPS,其中EPS因其穩(wěn)定性和增稠性可顯著提高面團(tuán)的流變性,且它能夠促進(jìn)水和面團(tuán)其他成分的結(jié)合,有助于改善無麩質(zhì)面包質(zhì)地[39]。根據(jù)生物合成途徑的不同,EPS主要分為同多糖(HoPS)和雜多糖(HePS)兩大類[40]。Schwab等[41]證明L.reuteriLTH5448和W.cibaria10M適用于藜麥和高粱的酸面團(tuán)發(fā)酵,并且在發(fā)酵過程中能分別產(chǎn)生果聚糖和葡聚糖。與不含EPS的對(duì)照面包相比,添加W.cibaria發(fā)酵的酸面團(tuán)使無麩質(zhì)面包硬度更低。Galle等[29]以產(chǎn)HePS的L.buchneriFUA3154來制備酸面團(tuán),結(jié)果表明L.buchneri產(chǎn)生的HePS對(duì)高粱酸面團(tuán)的流變特性有積極影響。后來,Galle將產(chǎn)EPS的L.reuteriY2,L.reuteriVIP和W.cibariaMG1用于制備酸面團(tuán)面包,發(fā)現(xiàn)高粱酸面團(tuán)面包更柔軟[30]。

3.3 改善制品的風(fēng)味

酸面團(tuán)可以有效改善面包風(fēng)味,使其具有獨(dú)特的酸面團(tuán)風(fēng)味。乳酸菌和酵母菌對(duì)焙烤食品的揮發(fā)性代謝物的產(chǎn)生起著重要作用,其中乳酸菌在發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生大量的風(fēng)味物質(zhì),顯著增加風(fēng)味化合物的種類和含量[42]。酸面團(tuán)發(fā)酵過程中主要產(chǎn)生兩類風(fēng)味化合物,一類是以有機(jī)酸為主的非揮發(fā)性化合物,能夠顯著降低面團(tuán)pH,改善面包的品質(zhì),賦予面包獨(dú)特的香氣[43]。酸對(duì)于面包風(fēng)味的形成十分重要,在美拉德反應(yīng)期間,乙酸作為重要的風(fēng)味增強(qiáng)劑與乳酸協(xié)同催化風(fēng)味化合物的形成[44]。另一類是以醇類、醛類、酮類、酯類為主的揮發(fā)性化合物。Nissen等[45]使用代謝組學(xué)評(píng)估酸面團(tuán)發(fā)酵對(duì)無麩質(zhì)面包中的揮發(fā)性化合物的影響。在未發(fā)酵面團(tuán)中檢測(cè)到了126種揮發(fā)性化合物,面團(tuán)發(fā)酵后的揮發(fā)性化合物顯著增加。將發(fā)酵面團(tuán)進(jìn)行焙烤后發(fā)現(xiàn)其醛、酮和有機(jī)酸的濃度是對(duì)照面包的2倍,烯烴的濃度是對(duì)照面包的3倍。Chisel等[31]發(fā)現(xiàn)松餅中添加以LactobacilusspicheriDSM 15429發(fā)酵的大米酸面團(tuán),使無麩質(zhì)松餅的揮發(fā)性化合物發(fā)生顯著變化,并發(fā)現(xiàn)其中的3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、苯乙酮和檸檬烯是影響松餅香氣和感官分析中氣味評(píng)分的主要揮發(fā)性衍生物。

3.4 產(chǎn)抗?fàn)I養(yǎng)因子降解酶,促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收

抗?fàn)I養(yǎng)因子中常見的有單寧、棉子糖、水蘇糖和植酸,其中植酸易與Fe、Zn、Ca、Mg等金屬離子結(jié)合形成植酸鹽,降低礦物質(zhì)的生物利用率。研究發(fā)現(xiàn),通過酸面團(tuán)發(fā)酵產(chǎn)生的植酸酶也可以有效降低無麩質(zhì)制品中的植酸含量[46]。Dingeo等[22]以L.plantarum、L.fermentum和S.cerevisiae發(fā)酵苔麩制備無麩質(zhì)酸面團(tuán)松餅,通過酸面團(tuán)中乳酸菌的酸化激活內(nèi)源性植酸酶使得松餅中植酸含量顯著降低。曹偉超等[32]篩選出一株具有高植酸酶活性的P.acidilacticiL-19,并將其用于黑豆酸面團(tuán)的發(fā)酵。發(fā)酵后,酸面團(tuán)中的多種抗?fàn)I養(yǎng)因子被有效降解,其中植酸降解率高達(dá)62.70%。Chi等[47]發(fā)現(xiàn)在無麩質(zhì)酸面團(tuán)松餅中各礦物質(zhì)含量隨著酸面團(tuán)發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),其含量顯著增加;酸面團(tuán)發(fā)酵24 h后,其pH值達(dá)到了4.1;酸面團(tuán)中酸度的上升,引起植酸鹽降解,增大了松餅中礦物質(zhì)利用率。

3.5 降低血糖指數(shù)

酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)可以有效降低餐后血糖反應(yīng)[48],這主要可歸因于酸面團(tuán)發(fā)酵期間產(chǎn)生的有機(jī)酸,可以延遲碳水化合物在胃中的排空時(shí)間和抑制酶的活性。同時(shí),酸面團(tuán)在發(fā)酵過程中會(huì)降低淀粉的糊化程度從而導(dǎo)致食品的淀粉消化率降低[49]。

Novotni等[50]研究了酸面團(tuán)添加量對(duì)面包血糖指數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)未添加酸面團(tuán)的面包,平均血糖指數(shù)最高;酸面團(tuán)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～22.5%能有效地降低面包的GI值,且顯著改善了面包體積和質(zhì)地。Caponio等[33]發(fā)現(xiàn)以發(fā)酵12 h的酸面團(tuán)制備的面包與未添加酸面團(tuán)的面包相比,其水解指數(shù)和預(yù)測(cè)血糖指數(shù)顯著降低。同時(shí),無麩質(zhì)原料本身也因富含膳食纖維、多酚及其他活性物質(zhì)而具有一定的降血糖效果。含有燕麥β-葡聚糖的燕麥可以在胃腸道中形成高黏度環(huán)境及物理屏障,阻礙消化酶與食物的接觸,并降低小腸的收縮能力,抑制消化酶活性,降低餐后血糖反應(yīng)[51]。藜麥淀粉含量相對(duì)較低且礦物質(zhì)含量豐富,有助于改善糖代謝及調(diào)節(jié)腸道微生物菌群,降低血糖反應(yīng)[52]。總而言之,無論是無麩質(zhì)原料還是通過酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)制備的無麩質(zhì)食物,它們都能較好的改善人體的血糖水平。

3.6 作為生物防腐劑,延長(zhǎng)制品貨架期

在焙烤工業(yè)中,陳化和微生物腐敗是影響面包貨架期的主要因素[49]。酸面團(tuán)可以有效抑制腐敗微生物的生長(zhǎng),從而延長(zhǎng)面包制品的貨架期,這與LAB產(chǎn)生的有機(jī)酸和抗真菌代謝物之間的協(xié)同作用密不可分。LAB產(chǎn)生的抗真菌代謝物可能包括羅伊氏菌素,羥基脂肪酸,環(huán)肽,3-苯乳酸和過氧化氫等[53]。同時(shí),酸面團(tuán)LAB產(chǎn)生的有機(jī)酸為內(nèi)源性酶(淀粉酶和蛋白酶)提供了最佳pH條件,可以達(dá)到改善面包體積,延緩淀粉老化和防止面包變硬的作用。

Moore等[34]發(fā)現(xiàn)以L.plantarumFST 1.7制備的無麩質(zhì)酸面團(tuán)面包能夠高效抑制面包片上Fusariumculmorum的生長(zhǎng),延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期,且制備的無麩質(zhì)面包更柔軟。同樣,Axel等[54]將LactobacillusamylovorusDSM19280作為無麩質(zhì)藜麥酸面團(tuán)發(fā)酵菌株。與未發(fā)酵面團(tuán)面包相比,抗真菌菌株DSM19280發(fā)酵的藜麥酸面團(tuán)的應(yīng)用將面包保質(zhì)期延長(zhǎng)了4 d;以HPLC-UV/DAD來量化抗真菌化合物,與非抗真菌菌株相比,DSM19280發(fā)酵的藜麥酸面團(tuán)中對(duì)羥基苯乙酸、對(duì)羥基苯丙酸、3-苯乳酸和二氫阿魏酸的濃度顯著升高。Franco等[55]發(fā)現(xiàn),未添加酸面團(tuán)的對(duì)照組面包在第3天就有霉菌生長(zhǎng),而酸面團(tuán)面包可延長(zhǎng)保質(zhì)期至第6天。由此可見,酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期的同時(shí),也為生產(chǎn)少添加劑、低成本、高品質(zhì)面包提供了可能性。

4 結(jié)論與展望

酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)能改善無麩質(zhì)食物的整體品質(zhì),如降解麩質(zhì)蛋白、提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、減少添加劑的使用、改善感官品質(zhì)、延長(zhǎng)貨架期等,使生產(chǎn)高質(zhì)量無麩質(zhì)食物成為了可能。但酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在無麩質(zhì)食物中的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究： 1)雖然酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)能降解面包面團(tuán)中的麩質(zhì)蛋白,但還需要進(jìn)一步評(píng)估酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)對(duì)麩質(zhì)蛋白降解的臨床安全性,確保麩質(zhì)蛋白能夠充分降解,消除對(duì)乳糜瀉患者存在的潛在危害;2)進(jìn)行多功能菌株的篩選,如篩選同時(shí)具有產(chǎn)高活力麩質(zhì)蛋白降解酶、EPS、抗真菌效果好等具有多種功能特性的菌株,并將其運(yùn)用于無麩質(zhì)食物的生產(chǎn)。隨著研究的不斷深入,基于酸面團(tuán)的發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用,在不久的將來能更大幅度地提高乳糜瀉患者的生活質(zhì)量。