谷物发酵食品中的天然酵母应用研究进展

顾 尧， 李 言， 钱海峰， 张 晖， 齐希光， 王 立

(江南大学食品学院，无锡 214122)

天然酵母是指利用谷物、水果等天然基质表面附着的野生酵母和乳酸菌等菌株进行发酵的发酵剂[1]，其来源包括谷物、水果和花卉等。传统天然酵母中含有酵母菌和乳酸菌两类微生物，通常在稳定的天然酵母体系中乳酸菌的数量大约是酵母菌的100倍，与常规酵母相比，天然酵母具有改善谷物面团质构、延长保质期和改良风味的作用[2]。本文主要就面团基谷物发酵食品食品进行阐述，其他类型将简要概括。近年来的研究热点主要是天然酵母发酵相对于其他发酵剂所提供的功能特性和营养优势[3]。本文从谷物发酵食品、天然酵母菌群分离纯化鉴定和活性发酵剂制备方法等方面综述分析研究现状及存在的问题，并对未来研究趋势进行展望，以期为天然酵母发酵产品的开发提供借鉴。

1 天然酵母谷物制品

1.1 天然酵母面包

吴君艳等[4]利用葡萄干制备天然酵母液，并以此制备天然酵母面包，当葡萄干天然酵母液用量为12%、白砂糖18%、黄油9%、改良剂0.3%时，面包接受程度较高(感官评分为86)。Garzon等[5]研究了添加小球藻的酸面团品质，发现其具有较好的抗氧化活性，同时也发现酸面团与常规普通面团相比，能更好地保持其抗氧化活性。Jolita等[6]研究发现藜麦天然酵母发酵面包与常规藜麦面包相比，面包硬度降低了5.6%、老化率降低了54%。这些研究表明天然酵母发酵在改善面包品质、延长保质期等方面有较好的前景。

天然酵母能够改善面包的质构、比容和色泽等品质。Chen等[7]研究发现天然酵母发酵过程中产生的胞外多糖(主要是葡聚糖)，能改善面团的蛋白质网络。同时，天然酵母对面团的流变学也有显著影响，Moore等[8]研究发现植物乳杆菌发酵产生的酸性物质会提高谷蛋白的分解程度，赋予面包更好的弹性；Nami等[9]发现短乳杆菌发酵通过改变面团网络结构来降低面包的硬度；Cizeikiene等[10]发现嗜热乳酸菌发酵剂可以增加面包的比容和弹性。天然酵母中含有的乳杆菌可以在发酵时改善面筋蛋白的网络结构，进而通过影响面团的黏弹性和持气能力来增大面包比容和降低面包硬度，但现阶段缺少针对通过不同途径生效的面筋网络改善能力的对比研究，且对于改良物质的上下有效限量等影响规律没有深入研究。

围绕天然酵母面包感官特性的研究发现，天然酵母发酵过程会使风味物质含量提高。陈友磊等[11]制备天然酵母面包时发现天然酵母发酵液添加量超过25%，会由于发酵产生的酸性物质过多而使得面包的口味偏酸。Brandt等[12]比较了不同天然酵母发酵剂制备酸面团的基本性质，发现干燥过程会将除乙酸外的风味物质富集起来，使得干制发酵剂比新鲜发酵剂发酵的面团更有麦芽味。Liu等[13]利用RNA测序技术研究中国传统天然酵母，发现醛类风味物质除了由脂质氧化产生，有部分还可以由特定乳酸菌发酵产生，同时醛类在天然酵母发酵过程中也可以作为电子受体而被还原。Zhao等[14]研究肽对酸面包风味的影响，发现罗伊氏乳杆菌发酵会将游离氨基酸转化为γ-谷氨酰二肽以提高风味强度。面包的挥发性物质主要来自发酵过程、美拉德反应和氧化过程[15]，天然酵母的发酵过程对面包风味形成有直接影响的同时还会在美拉德反应过程和氧化过程中通过底物间接影响风味。在中长期发酵过程中(12～24 h)挥发性物质的产生规律已有相关研究[16]，但其中部分风味物质相互转化的机理还未明确。

微生物污染和老化是影响面包保质期的主要原因。在对发酵过程的研究中发现菌种竞争性抑制和发酵代谢物抑制是天然酵母发酵抑制腐败菌生长的主要原因[17]。王志军等[18]研究发现乳酸菌发酵对减缓水分损失和抑制淀粉回生焓值的增长有积极影响，其中含有短乳杆菌的单菌种天然酵母发酵使面包的老化焓值降低了29%。Scamato等[19]研究发现天然酵母和谷氨酰胺转氨酶酶能协同催化蛋白质交联形成网状结构，进而改善面包的流变学性质和持水能力。这些研究表明天然酵母在发酵过程中生成的酸性产物和酶共同作用下使得蛋白质网络发生改善，进而提高了面团持水性和黏弹性来减慢面包老化，降低面包老化焓值。

1.2 天然酵母馒头

馒头与面包相比可以避免烘烤时的美拉德反应而保留更多的氨基酸，因此更具有营养优势。Sun等[20]利用米酒酵母来制备天然酵母馒头，发现当米酒酵母的质量分数为60%时，馒头的比容、硬度、白度和感官评分都为最佳。王雪婷等[21]比较了不同地区传统天然酵母制备苦荞麸皮馒头的品质，发现运城和周口地区的天然酵母发酵力最强，且运城天然酵母制备的馒头具有较高的抗性淀粉质量分数(5.2%)和较低的淀粉水解率(42%)。Wu等[22]研究发现旧金山乳杆菌和保加利亚乳杆菌发酵产生的酸性物质可以使馒头更加柔软。目前对于改善馒头质构和风味品质的研究较多，但缺少对于天然酵母馒头营养品质与健康相关的研究。

近年来的研究热点包括发酵风味物质的来源和乳酸菌产出的胞外多糖对馒头的作用。Yan等[23]利用非靶向组学研究传统酸面团馒头的香气特征，发现酯类风味物质主要由天然酵母发酵过程中产生的有机酸和酒精经过蒸煮反应生成。国内对利用天然酵母实现馒头风味改良的研究较少，可能与酸味不符合我国大部分人群的味觉习惯有关。胞外多糖主要是由天然酵母含有的乳酸菌发酵产生的[24]。Tang等[25]研究了胞外多糖对馒头的品质影响，发现高含量的胞外多糖在弱酸性条件下可使谷蛋白颗粒团聚，进而改善馒头的网络结构，使馒头比容增加、硬度降低。Xu等[26]研究发现胞外多糖改善馒头品质的程度优于其对面包的作用。天然酵母发酵产生的胞外多糖对于馒头的网络结构有较好的改善作用，因此在对其作用规律进行深入研究后有可能应用于天然改良剂开发。

1.3 米粉

发酵米粉在加工过程中一般需要浸泡3～7 d让其表面上附着的天然酵母菌群充分发酵，有研究表明发酵后的米粉品质结构和感官特性要优于非发酵米粉[27]。天然酵母发酵过程对米粉的品质改良主要体现在质构上。肖勇生等[28]研究籼米为原料的发酵米粉工艺，发现当接种比例(乳酸菌与酵母菌质量比)为3∶1、接种量2%、发酵温度25℃和发酵时间5.5 d时生产的发酵米粉形态风味俱佳。Xu等[29]利用糙米开发米粉类产品，发现糙米在天然酵母发酵过程中粗蛋白含量增多，含水量略有下降，同时在成品煮制过程中水相浊度变化不大。Zhan等[30]研究发现发酵后的米粉淀粉颗粒比未发酵的米粉淀粉颗粒在糊化时膨胀更大且不易破碎，同时糊化温度降低，进而使成品煮制后更有弹性。马霞等[31]研究发现天然酵母发酵过程降低了米粉的脂肪含量，这有利于淀粉膨润和淀粉凝胶的形成。发酵米粉制作中随着发酵时酸度的增加，酵母菌被抑制(约为乳酸菌的1/100)，主要依靠乳酸菌发酵过程产物对米粉的淀粉颗粒进行了改性进而影响米粉品质，但发酵过程使淀粉无定形区轻微水解的作用机制还不清晰。

1.4 其他产品

以谷物为原料的天然酵母发酵产品还有许多，如饼类、酒类、玉米产品、意大利面等，这些产品或多或少都通过发酵过程在质构、感官、营养或保质期方面得到了提升。Li等[32]比较了不同的米品种发酵后制备酒酿的品质变化，发现天然酵母发酵黑糯米的总酚和总黄酮含量较高。Cagno等[33]研究发现利用天然酵母发酵可以大大降低谷物蛋白含量(约降至20%)，进而使天然发酵意大利面的黏度硬度稍低于正常产品，同时保持其风味。天然酵母有广阔的可运用范围，但大部分领域都停留在“添加—改良”的基础运用上，缺少对天然酵母菌种改良能力的深入研究，没有对天然酵母菌群多样性有清晰的认知。

2 发酵菌种分离纯化与鉴定

天然酵母发酵能提升产品品质，但因为天然酵母发酵力不强会导致发酵时间长。因此，探究发酵活力强、产物风味足和改良作用好的菌株及其配比显得尤为重要。

2.1 菌种分离纯化

通过对不同来源的天然酵母进行分离纯化、独立培养可以得到较纯的菌株，从而能够进一步复配研究其发酵能力和发酵特性。在提升面包整体品质方面，相雯研等[34]通过筛选天然酵母菌株进行对比实验，发现分离鉴定出的酵母菌LBBE-1与酿酒酵母YJM1478菌株有98.32%的同源性，同时利用其制备面包在组织形态、气味、口感和储藏性能分别较商业酵母提升1.8%、7.7%、7.4%和7.9%，但其醒发时间比商业面包酵母长(增加30%～50%)。虞桠芳[35]在研究天然酵母对面包品质影响时通过筛选菌种进行复配，确定S. cerevisiae LY4、L. rossiae QB7、L. brevis QB11和L. plantarum QB15的配比为3∶100∶100∶100时制备的面包有最好的质构和感官品质。因为不同来源分离出的酵母菌和乳酸菌的生存能力、发酵能力、发酵产物等都有较大区别，因此分离、筛选、复配天然酵母将是未来天然酵母发酵剂生产必需的研究方向。

2.2 天然酵母菌种鉴定

Corona等[36]通过独立菌株培养从当地天然酵母中鉴定出了4种专性异型乳酸菌菌株：WeissellacibariaPON10030和PON10032和LeuconostoccitreumPON 10079和PON10080。Xing等[37]对河南省3种不同地形下传统酵母群的微生物多样性进行研究，发现戊糖片球菌在酸面团样品中属于优势种，占相对丰度的58%，同时盆地群中的优势属(主要是片球菌属)与山地群和平原群(乳酸菌)有显著差异。Fraberger等[38]比较了传统小麦和黑麦酸面团的微生物多样性，从天然酵母含有的乳酸杆菌中鉴定出5个属33个种，其中以异型乳杆菌为主，在小麦天然酵母中还鉴定出明串珠菌属、链球菌属和片球菌属；关于酵母菌，仅鉴定出7个种类，其中63%的酵母菌属于酿酒酵母。天然酵母微生物多样性不仅体现在来源方面，环境因素也会影响。不同来源的天然酵母鉴定出的酵母菌种和乳酸菌种见表1。

表1 分离鉴定出的发酵菌种种类

续表1

3 活性发酵剂制备方法

工厂生产中主要依靠制作液体发酵剂来生产天然酵母产品，但若要达到稳定连续化生产，该方法还存在一些不足：培养过程复杂而繁琐、需要专业人员操作和准备时间长[57]。为此，研究者利用菌种保藏方法对天然酵母进行加工，制备活性发酵剂以缩短使用前的加工时间并降低制备难度。

3.1 预处理

制备高活性发酵剂的流程主要包括：菌种选育培养、高密度增殖、菌种分离和干燥收集[58]。首先菌种选择时要注重菌种的生存能力、发酵能力和其发酵产物的风味特性，可通过菌种纯化来筛选优势菌种。Mantzourani等[59]研究冷冻干燥固定化生物催化剂作为酸面包发酵剂的效果，发现将天然酵母中的副乳杆菌冻干制备成菌粉后制作面包的效果最好，能产生较柔和的酸味。吴佳静等[60]利用葡萄天然发酵液的制备冻干复合发酵剂以提高面包的烘焙品质，发现当酿酒酵母、乳酸明串珠菌和植物乳杆菌配比为1∶1.5∶1.5时面包比容和硬度均优于普通酵母面包，且该发酵剂在4 ℃储藏91 d后菌株存活率仍有81.78%。菌种选择是决定发酵剂性能的关键，找到具备强发酵能力和稳定性的菌株来缩短发酵时间是目前的研究热点之一。

其次在菌种培养过程中，Morgan等[61]总结了常用的培养基营养成分(乳清、脱脂乳和麦芽汁)，这些培养基的特点是效率高、成本低、来源广泛。菌种增殖后为了进一步提高菌种浓度，以方便后续干燥，一般采用离心法将菌种富集起来，生产中一般依靠调节转速和时间以降低菌种死亡率。需要特别注意的是，在菌种对数生长期进行离心分离会导致菌种存活率低，因为对数生长期的细胞处于大量繁殖阶段，细胞壁膜比较薄，细胞内物质累计不足，抵抗外界条件变化能力差[62]。

3.2 干燥方法

3.2.1 冷冻干燥

天然酵母中含有的乳酸菌在冷冻干燥后可能出现延迟恢复甚至不能恢复的现象[63]，主要是因为乳酸菌在冷刺激下会发生一系列改变，例如细胞膜的变化，进而由DNA的变化对转录、翻译产生影响等[64]。由于碳水化合物可以在干燥时替代细胞膜中水的位置，一般认为以海藻糖为代表的小分子糖类保护剂对乳酸菌冷冻干燥过程有保护作用。Stefanello等[65]比较发现5%海藻糖对酵母菌的保护效果好，对乳酸菌效果不好，而10%蔗糖对乳酸菌的保护效果较好。李周勇等[66]优化得到冻干菌粉的冻干保护剂配方为：5%蔗糖、2%甘油、0.8%谷氨酸钠、1%抗坏血酸、5%海藻糖，此时冻干嗜热链球菌MN002的菌体存活率可达84.8%。Gul等[67]研究保护剂对乳酸菌储藏稳定性的影响，发现当保护剂脱脂乳为20 g/100 mL、乳糖为3.57 g/100 mL、蔗糖为10 g/100 mL时冻干弯曲乳杆菌后的细胞存活率达98%。添加保护剂可以保护菌体免受冷冻伤害，不同保护剂对不同菌种的保护效果不同，针对天然酵母多菌种的状态需要利用不同保护剂复配来达到远胜于单一保护剂的保护效果。

其他影响因素主要与温度条件有关，任香芸等[68]研究直投式发酵剂制备方法，发现植物乳杆菌R23采用梯度预冻(-20、-40、-80 ℃各1、2、3 h)可使预处理菌液达到较好的冻结效果且发酵剂物料冻干至水质量分数为1.2%时最有利于储藏。降温速度要选取适中值，过快则冰晶在细胞内形成伤害细胞；过慢则水分流出细胞太久，导致细胞失活。

3.2.2 喷雾干燥

影响喷雾干燥菌种存活率的主要因素是温度条件和保护剂(表2)，可以看出喷雾干燥的温度条件相对于常规食品较低。Martin等[69]总结了微囊化技术对益生菌的影响，发现与入口温度相比，乳酸菌的生存更依赖出口温度，在相同的进口温度条件下，进料速率越高，出口温度越低，相应的菌种成活率越高。虽然在较低的干燥温度下细菌存活率较高，但喷雾干燥微胶囊粉末的残余水分含量也会增加。这种情况会导致剩余水分含量增大，粉末黏在管壁上影响收集效率。在流化床干燥时，即使在最佳操作参数下生产活性天然酵母粉，最高细胞存活率也仅为75%[70]，这表明天然酵母在现有的工业化菌种干燥设备中存活率还不高，还需要对干燥工艺和生产设备进行研究和改进以适应多菌种干燥的复杂情况。

表2 喷雾干燥法对不同菌种的处理效果

4 总结与展望

天然酵母发酵中多种微生物共同发酵产生的有机酸和乳酸能改善面团的风味并延长其保质期，发酵过程及其产物也会改良面团的蛋白质网络结构。但现阶段天然酵母还存在发酵时间长、发酵剂品质难以稳定控制等不足，建议后续研究可以从3个方面开展：新型DNA测序技术将有助于从基因层面理解发酵过程中发酵食品风味和质构的改变过程，从而达到预测发酵效果的目标；天然酵母发酵过程中风味物质、发酵中间产物与产品品质之间的相互作用关系有待进一步研究；复配干酵母制备的产品的风味质构与液状天然酵母发酵剂还有差距，有待进一步改进。