嗜热链球菌发酵特性比较与分析

陆嘉诚，关成冉，张臣臣，陈大卫，李启明，王震，顾瑞霞，迟涛

(1.扬州大学食品科学与工程学院江苏省乳品生物技术与安全控制重点实验室，江苏扬州225127；2.新希望乳业股份有限公司，成都610023；3.黑龙江省绿色食品科学研究院，哈尔滨150030）

0 引 言

嗜热链球菌作为生产发酵乳的重要菌种[1]，被欧洲食品安全局认定具有安全资格[2-3]，其重要性仅次于第一位的乳酸乳球菌[2]。现代乳制品产业多采用的固定菌株，酸奶发酵剂的单一化，导致产品种类不足。由于国内乳制品企业使用的发酵剂菌株主要依赖于进口，相关的研究技术、知识产权等几乎完全被国外的厂家垄断。因此，筛选具有完全自主知识产权的优良菌种作为发酵剂成为亟待解决的问题[4]。

本研究以实验室分离保藏的11株嗜热链球菌为研究对象，考察其产酸能力以及发酵乳的活菌数、粘度、持水力、质构和风味等指标，并采用主成分分析法对菌株进行评分，以期选出一株具有良好发酵性能的嗜热链球菌。

1 实 验

1.1 材料与设备

脱脂乳粉，全脂乳粉。嗜热链球菌菌株来源：扬州大学江苏省乳品生物技术与安全控制重点实验室冻藏保存。

SPX-250B型生化培养箱，Trace DSQ气相色谱-质谱联用仪，GYB60-08高压均质机，Legend mach1.6R高速冷冻离心机，FE20型p H计，RVD-Ⅶ黏度测定仪。

1.2 方法

（1）乳酸菌活化。将乳酸菌接种于新配置灭菌后的12%脱脂乳培养基中，混匀后42℃培养至凝乳，活化三代。

（2）发酵乳制备。全脂牛乳（质量分数12%）→加入蔗糖→均质（20 M Pa，60℃）→90-95℃热处理5 min→冷却至42℃→接菌→42℃发酵→4℃冷藏。

（3）酸度测定。以质量分数为0.5%酚酞作为指示剂，用浓度为0.1 m ol/L的N aOH标准溶液滴定。样品取3个平行，取其平均值。

（4）p H值测定。用p H计测定发酵乳的p H值。

（5）持水力测定。取发酵乳样品10 g至离心管中，室温下离心，转速3 500 r/min，离心15 min。倾去离心管中上清液，将离心管倒置10 min后立即称重，并按以下公式计算：

（6）活菌数测定。吸取1 m L发酵液至9 m L质量分数为0.9%生理盐水中。振荡混匀后采用10倍稀释，吸取1 m L稀释液进行平皿倾注，42℃恒温培养72 h，测定发酵乳中嗜热链球菌的活菌数。

（7）黏度测定。将发酵乳用玻璃棒正反方向各搅拌5次调整温度至4℃，采用RVD-Ⅶ黏度仪测定发酵乳样品的黏度，每个样品平行测定3次，取平均值。

（8）质构测定。利用TM S-PRO质构仪，具体参数：12.7 mm圆柱探头，触发力0.05 N，测试速度60 mm/min，形变量20%，利用软件测定算得到样品的硬度、内聚性等指标。每个样品做3次平行实验。

（9）乙醛和双乙酰质量浓度测定。样品中双乙酰质量浓度测定参考文献[5]中的研究方法。样品中乙醛质量浓度测定参考文献[6]中的研究方法。

1.3 数据分析

使用O rigin Pro8.5和SPSS21.0软件进行作图和数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同嗜热链球菌产酸能力比较

将活化好的11株嗜热链球菌按3%接入灭菌脱脂乳（质量分数12%）中，42℃发酵，发酵6 h过程中pH值和酸度变化如图1所示。发酵初期1.5 h内，11株菌的p H值和酸度变化趋势平缓，尤其是R 704-2和RM 34-2。1.5～3 h间样品的p H值下降迅速，介于0.6～1.15之间，滴定酸度急剧增加，平均酸度增长量达到28.49°T。3～4.5 h期间，pH值下降幅度开始变小，介于0.26～0.66之间，平均酸度增长量达到18.32°T。由图(1)b可以看出，393-2，937，grx02，394-1，克菲尔-8，XPL-1-4，RM 34-2这7株菌在6 h达到发酵终点，平均产酸速率都达到11°T/h，其余4株菌的平均产酸速率低于10°T/h，其中393-2的产酸速率最高，为12.83°T/h；grx90的产酸速率最低，为6.85°T/h。

2.2 不同嗜热链球菌发酵乳黏度比较

图1 不同嗜热链球菌在发酵过程中的变化

黏度是反映发酵乳品质优劣的重要指标之一，有研究表明，发酵乳黏度主要是因为嗜热链球菌在发酵过程产生胞外多糖，胞外多糖多聚物作为增稠剂、胶凝剂增加了发酵乳的黏度且有助于改善发酵乳的组织状态[7]。对11株嗜热链球菌发酵乳黏度进行测定，由图2可以看出，不同嗜热链球菌发酵乳的黏度差异较大。grx02，XPL-1-4，394-1，克菲尔-8和YF-miX发酵乳的黏度介于3 000～5 000 M Pa·s；RM 34-2，822-1和grx90发酵乳的黏度介于5000～10 000 M Pa·s；393-2和R 704-2发酵乳的黏度介于15 000～20 000 M Pa·s；937发酵乳的黏度最高为23 982 M Pa·s。

图2 11株嗜热链球菌发酵乳黏度

图2中，标注不同字母表示数据存在差异（P＜0.05），下同。

2.3 不同嗜热链球菌发酵乳持水力比较

持水力也是发酵乳品质的一个重要评价指标，持水力是衡量发酵乳经离心处理后所能保留的水分的能力，大部分是与凝胶分子结合较牢的水分，可以较大程度的影响发酵乳的风味和组织形态。卫晓英等[8]研究表明，持水力过低会导致乳清析出，从而直接影响发酵乳的组织状态与口感。由图3可以看出，grx90，394-1，grx02，393-2和YF-miX发酵乳的持水力低于60%，而其他6株菌发酵乳的持水力超过60%，其中R 704-2发酵乳的持水力最高，达到66.93%。除394-1发酵乳外，其余10个发酵乳样品持水力均在50%以上，优于高微娟[9]、张睿[10]的报道，说明持水力较好，可用于发酵乳制品生产。

图3 11株嗜热链球菌发酵乳持水力

2.4 不同嗜热链球菌发酵乳活菌数比较

乳酸菌活菌数是评价发酵乳功效的主要指标之一[11]，Kum ar和Shah等人[12-13]认为酸奶中发酵剂的活菌数应该达到1×109m L-1，国标对发酵乳最低活菌数的规定是1×106m L-1。对11株嗜热链球菌发酵乳活菌数进行测定。由图4可知，不同菌株发酵的样品活菌数差异较大，grx90发酵乳中活菌数最低，为7.76×107m L-1；grx02、YF-miX达到1×108m L-1；其他8株菌活菌数均达到1×109m L-1，说明这8株菌具有良好的活力，可作为潜在的发酵剂菌株用于发酵乳的生产。

图4 11株嗜热链球菌发酵乳活菌数

2.5 不同嗜热链球菌发酵乳质构比较

质构特性是发酵乳的一项重要品质指标，不仅可以表示产品的组织状态、口感等，还能进一步反映产品的质量稳定性[14-15]，对11株嗜热链球菌发酵乳质构进行测定。由表1可知，11个发酵乳样品的硬度差异显著，硬度是衡量凝胶强度的主要参数，硬度越大表明凝胶的网络结构越紧密，抗形变能力强，937，XPL-1-4，RM 34-2和克菲尔-8发酵乳的硬度都达到了0.2 N，说明发酵乳内部结构较其他样品更紧密。比较样品的内聚性可以看出：11个样品的内聚性差异显著，其中394-1和grx90发酵乳的内聚性达到0.6R atio，说明发酵乳的凝胶网络结构更好。

表1 发酵乳质构测定结果

2.6 不同嗜热链球菌发酵乳乙醛、双乙酰质量浓度比较

酸奶中，乙醛质量分数决定产品质量的好坏，它能赋予酸奶良好的芳香味[5]，不同菌株产乙醛量不同，由图5可以看出，有3个发酵乳样品的乙醛质量浓度达到20 m g/L，393-2产乙醛的能力最强，为26.99 m g/L。其余8个发酵乳乙醛质量浓度介于13.79～19.51 m g/L，RM 34-2产乙醛能力最弱，为12.91 m g/L。Sandine[16]等研究发现只有发酵乳中乙醛浓度超过8 m g/L，才能赋予产品良好的风味，而当发酵乳中乙醛质量浓度超过30 m g/L时会产生令人不愉快的气味。由此可知这11株菌均可赋予发酵乳良好的风味。双乙酰也是发酵乳的主要风味物质，能够赋予发酵乳奶油香味。由图6可以看出，11个发酵乳双乙酰的质量浓度介于4.54～8.06 m g/L，grx90产生的双乙酰浓度最低，XPL-1-4产生的双乙酰质量浓度最高。

图5 11株嗜热链球菌发酵乳乙醛、双乙酰质量浓度

3 结果与分析

嗜热链球菌发酵特性评价指标的单位不同，量程大小不一，对8个评价指标的原始数据进行标准化处理，可避免不同单位和量程不一的影响。表2为经过标准化处理后的各项数据。

主成分分析用少量的因素来描述多种指标素之间的关系[17-18]。本研究利用SPSS 21.0软件进行主成分分析，对11株嗜热链球菌产酸速率以及发酵乳的硬度、内聚性、黏度、活菌数、持水力、双乙酰质量浓度和乙醛质量浓度等8个指标进行数据转换和降维。由表3得出主成分及方差贡献率，第1、2、3主成分累计贡献率可以达到86%以上，说明用这3个主成分能较好

表2 8个评价指标的标准化数据

表3 总方差解释

地代替上述8项指标来评价嗜热链球菌。

得分系数表示各个指标对主成分的影响程度，通过得分系数可以将各个变量进行线性组合，建立第1主成分（Y 1）、第2主成分（Y 2）、第3主成分（Y 3）与硬度（X 1）、内聚性（X 2）、持水力（X 3）、黏度（X 4）、活菌数（X 5）、双乙酰质量浓度（X 6）、乙醛质量浓度（X 7）和产酸速率（X 8）这8个变量的得分系数模型：

第1主成分可提取为Y 1=0.245X 1-0.318X 2+0.248X 3-0.163X 4+0.285X 5+0.026X 6-0.188X 7+0.069X 8；

第2主成分可提取为Y2=-0.015X 1+0.020X 2-0.271X 3-0.007X 4-0.046X 5+0.268X 6+0.565X 7+0.369X 8；

第3主成分可提取为Y 3=0.017X 1+0.220X 2+0.202X 3+0.823X 4-0.145X 5+0.252X 6+0.035X 7-0.167X 8。

为了对比菌株发酵性能之间的差异，对菌株进行综合评价。由方差贡献率和主成分函数表达式，可得综合评价函数：Y=0.45Y 1+0.24Y 2+0.17Y 3。由表5可知，嗜热链球菌937的各主成分得分Y 1和Y 2均比其他

表4 主成分提取结果及成分得分系数

表5 综合因子得分

菌株的得分高，比较各菌株的综合因子得分Y可知，嗜热链球菌937的综合得分Y明显高于其他菌。

针对11株嗜热链球菌进行了产酸速率以及发酵乳的黏度、持水力、活菌数、乙醛和双乙酰浓度等指标的测定。通过主成分分析，从11株菌中选出了一株具有产酸速率快，发酵性能良好的嗜热链球菌XPL-1-4。从综合得分来看XPL-1-4的得分高于其他菌株，实验结果表明，嗜热链球菌XPL-1-4可以作为发酵乳开发的优良菌种。