天然酵母对多孔挂面品质及营养特性的影响

陈怡萱,陈 洁,汪 磊,许 飞

河南工业大学 粮油食品学院,河南省面制主食工程技术研究中心, 河南 郑州 450001

挂面是中国的传统面食,历史久远。随着人们生活水平的提高,普通面条的营养性能和风味已不能满足消费者的需求。传统空心挂面最早可追溯到战国时期,因其独特的口感和风味而声名远播[1]。近年来,市面上出现了以活性干酵母为发酵剂的发酵空心挂面产品[2],传统手工空心挂面逐步走向了商业化道路,但是市面上售卖的商业活性干酵母主要适用于面包和馒头等面制品,而且商业酵母的菌种单一,不能完整地将发酵面食应有的口感丰富度和香气呈现给消费者[3]。

在面制品的生产过程中,发酵环节有着不可替代的作用。天然酵母发酵是一种古老的发酵技术,因其具有天然健康、能够改善口感、提高营养价值、赋予独特风味、延长货架期等优点越来越受到关注[4-7]。乳酸菌和酵母菌构成了天然酵母的菌群[3]。天然酵母作为提高感官品质和营养价值的发酵剂已经应用在面包的生产中[8]。例如,用水果制作天然酵母能够赋予产品天然的水果香气和更高的营养价值,越来越受到消费者的青睐。Ripari等[9]通过研究不同来源的接种剂对面团微生物生长的影响,发现与谷物相比浆果更适合作为酸面团微生物菌群的来源。Yu等[10]使用梨和脐橙培养酵母用于面包制作,发现天然酵母增强了面团的持气能力,明显改善了面包的质地、口感和营养特性。Aplevicz等[11]使用甘蔗、苹果和葡萄培养酵母用于面包制作并比较发酵活性,发现以葡萄为基质的酸面团产气量最大,面包的感官评分最高。但是,现阶段很少有关于水果天然酵母应用于发酵面条的相关报道。

选择用作发酵基质的水果遵循以下几个原则:来源广泛、易于储存;含糖量较高适于微生物的生长;季节性不强。红提葡萄和梨在我国被大量种植,味甜汁多,含有多种果酸、多酚类物质、维生素和矿物质,有较高的食用价值和药用价值,故本研究选择这两种水果作为发酵基质。基于此,作者分析红提葡萄和梨培养的两种水果天然酵母对面团酸化、蛋白质结构、多孔挂面的品质和营养特性的影响,旨在为水果天然酵母应用于面条制品中提供理论依据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

金苑高筋粉:河南金苑粮油有限公司;白砂糖:耿马南华糖业有限公司;新鲜的皇冠梨、国产红提:郑州市永辉超市;十二烷基硫酸钠、三羟甲基氨基甲烷、没食子酸、香草醛、碳酸钠:天津市科密欧化学试剂有限公司;氢氧化钠、盐酸胍:上海麦克林生化科技有限公司;脲:洛阳试剂厂;盐酸、甘氨酸、乙酸钠:洛阳昊华化学试剂有限公司;5,5-二硫代-2-2硝基苯甲酸:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;无水乙醇:天津市天力化学试剂有限公司;溴化钾(光谱纯):美国PIKE公司;儿茶素:北京索莱宝科技有限公司。试剂除注明外均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FD-1A-50冷冻干燥机:北京博医康实验仪器有限公司;TA. XT. plus物性测试仪:英国Stable Micro System公司;HWS-250恒温恒湿培养箱:上海精宏实验设备有限公司;Quanta 250 FEG扫描电镜:美国FEI公司;H-1850台式高速离心机:湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;TEMI 880 面制品程控实验干燥箱:郑州伟鼎科技有限公司;IRAffinity-1S傅里叶变换红外光谱仪:日本岛津制作所;RE-52AA旋转蒸发仪:上海亚荣生化仪器厂;L-8900型氨基酸分析仪:株式会社日立制作所。

1.3 试验方法

1.3.1 天然酵母的制备

将梨和红提清洗并控干,切成大小均匀的块状。将块状梨和红提分别放入灭菌后的5 L密封罐,均加入纯净水和适量白砂糖,密封,22～28 ℃培养3～7 d。将培养后的混合物经三层无菌纱布过滤,过滤后的液体为水果发酵液;水果发酵液与面粉按一定比例混合均匀,盖上保鲜膜,在22～28 ℃、相对湿度70%条件下放置18～24 h,然后保存于-4 ℃冰箱备用。

1.3.2 多孔挂面的制备

未发酵组:高筋粉200 g,盐1 g,纯净水76 g;制作方法参照文献[12],将原料按照一定比例搅拌均匀,复合压延两次后醒发1～1.5 h,之后压成厚1.0～1.1 mm的面带,切成宽3 mm、厚1.0～1.1 mm的面条,最后放进挂面干燥机中干燥4 h。

红提天然酵母组和梨天然酵母组:高筋粉124 g,天然酵母76 g,盐1 g;利用1.3.1中制备的梨组天然酵母、红提组天然酵母,分别与高筋粉、食盐按照一定比例搅拌均匀,复合压延2次后醒发1～1.5 h,之后压成厚1.0～1.1 mm的面带,切成宽3 mm、厚1.0～1.1 mm的面条,在温度38 ℃、相对湿度90%的环境下发酵90～120 min,最后放进挂面干燥机中干燥4 h。

1.3.3 pH值和 TTA的测定

参照文献[13]进行测定。

1.3.4 游离巯基的测定

参照文献[14]进行测定。

1.3.5 蛋白质二级结构测定

面团中麦谷蛋白大聚体(GMP)的提取参照文献[1]。取磨碎后样品粉末与溴化钾按1∶100质量比混合均匀压片,以溴化钾为空白,然后做400～4 000 cm-1全波段扫描,分辨率4 cm-1,累计扫描64次,每组样品重复分析5次。

1.3.6 膨胀指数测定

用软尺测量150根未发酵挂面周长的平均值Le和150根发酵多孔挂面的周长Ld,膨胀指数=(Ld/Le)2,每组样品重复分析3次。

1.3.7 微观结构测定

参照文献[15]进行测定。

1.3.8 蒸煮特性测定

参照LS/T 3212—2021测定挂面的最佳蒸煮时间、吸水率、熟断条率。

1.3.9 质构特性测定

参照文献[16]进行测定。

1.3.10 总酚含量测定

参考Adom等[17]方法制备多酚提取液。采用Folin-Ciocalteu法[18]测定总酚含量,并稍做修改。取多酚提取液0.2 mL用蒸馏水稀释一定倍数,加入1.0 mL福林酚试剂和3.0 mL 1 g/mL的Na2CO3溶液,充分摇匀,室温条件下避光反应60 min,然后在765 nm处测定吸光度,每组样品重复测定3次。

1.3.11 植酸和单宁含量的测定

植酸的测定参考时侠清等[19]的方法。单宁的测定参考Coda等[20]的方法,并稍做修改。准确称取0.5 g样品,用20 mL甲醇室温下避光振荡提取3 h,之后4 000 r/min离心20 min,取上清液为待测液。取1 mL 待测液于试管中,加入2.5 mL 1%香草醛溶液与2.5 mL 15%硫酸甲醇溶液,混匀,室温下避光反应30 min,在500 nm下测吸光度,每组样品重复测定3次。

1.3.12 游离氨基酸含量的测定

参照GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》进行测定。

1.4 数据处理

选用SPSS 16.0对数据进行显著性分析(P<0.05),使用Origin 2021和Excel绘制图表。

2 结果与分析

2.1 天然酵母发酵对面团pH值和TTA的影响

由表1可知,红提天然酵母组面团和梨天然酵母组面团在T1和T2阶段的pH值和TTA出现显著差异。原因在于所选用的原料的不同,梨含有的酸类物质的含量更高,并且发酵液中存在的菌群尤其是乳酸菌的类型、活性以及数量各不相同。TTA代表所有可滴定酸的总量,变化趋势与pH值相反[21]。从T1到T2,红提天然酵母组面团在发酵后pH值降低了6.89%,TTA由3.40 mL增加到5.48 mL。梨天然酵母组面团在发酵后pH值降低了15.07%,TTA由4.82 mL增加到8.60 mL。在天然酵母发酵的过程中,体系中大量存在的乳酸菌进行代谢反应产生的醋酸、乳酸等多种酸类增加了面团的酸度[22],同时也将对面团的性质产生一定影响。

表1 天然酵母发酵对面团pH值和TTA的影响Table 1 Effect of sourdough fermentation on the pH value and total titratable acidity of dough

2.2 天然酵母发酵对面团中游离巯基含量的影响

由图1可知,与未发酵组面团相比,红提天然酵母组面团和梨天然酵母组面团的游离巯基含量显著增加,分别从1.26 μmol/g增加到2.48 μmol/g和2.77 μmol/g,可能是因为发酵过程中乳酸菌产酸营造的酸性环境激活了内源性蛋白酶,在一定程度上导致了大分子蛋白质的降解。面团中游离巯基含量能够表征面筋蛋白的交联程度[23]。发酵过程中面筋蛋白网络结构由紧密向松散转变,在酸性条件下二硫键的形成被抑制,使得蛋白质内部更多的游离巯基暴露[24],从而增加了面团中游离巯基的含量。

注:柱形图上不同字母的数据代表存在显著性差异(P<0.05),a为最小值。图3、图4、图6同。图1 天然酵母发酵对面团中游离巯基含量的影响Fig.1 Effect of sourdough fermentation on free sulfhydryl content of dough

2.3 天然酵母发酵对面团蛋白质二级结构的影响

采用傅里叶变换红外光谱对蛋白质二级结构进行分析。选取FTIR图谱中的酰胺I带(1 600～1 700 cm-1)对其进行表征,处理后得到去卷积图谱。傅里叶红外光谱酰胺I带各波峰二级结构谱带指认参考文献[25],根据各峰峰面积占总峰面积的比值计算含量,得到蛋白二级结构含量变化。国外有学者研究表明酰胺I带是研究蛋白质二级结构最准确的指标[26]。由图2可知,红提天然酵母组面团和梨天然酵母组面团的酰胺I带去卷积光谱图显示出与未发酵组面团非常相似的特征,表明天然酵母发酵对面团GMP二级结构变化影响有限。由图3可知,天然酵母发酵促使蛋白质二级结构中β-转角、α-螺旋的比例增加,β-折叠比例降低,无规卷曲的变化没有明显规律。发酵后面团的pH值降低,酸性环境促使多肽链之间的氢键重排,蛋白质结构中β-折叠的比例有所降低[27];当β-折叠减少而β-转角增多时,面团强度变大。梨天然酵母组中β-转角的比例较未发酵组有显著提升(P<0.05),反向平行β-折叠的比例较未发酵组显著下降(P<0.05),而其他二级结构没有明显变化。反向平行β-折叠是比平行β-折叠更稳定的构象[28],其含量的降低说明天然酵母发酵对蛋白质二级结构的稳定性有一定破坏,也意味着面筋网络结构受到了一定程度的弱化,GMP在酸性环境中的灵活性增加,并且在发酵过程中GMP更容易被降解。曹伟超[29]认为酸性环境可能有利于促成β-转角结构的形成但不利于β-折叠结构及无规卷曲结构的稳定,这可能是因为pH值的变化使肽链内部的静电斥力增强,强烈的静电斥力阻碍了肽链内氢键的形成,从而使蛋白质的二级结构发生改变。以上结论表明在天然酵母的作用下,蛋白质二级结构由β-折叠和无规卷曲向α-螺旋和β-转角转换,蛋白链柔性增强。

图2 不同面团GMP的红外光谱酰胺I区去卷积图Fig.2 Reconstituted spectra of GMP of different dough in the amide I band region after curve fitting

图3 不同面团的GMP二级结构含量Fig.3 Content of secondary structure of GMP in different dough

2.4 天然酵母发酵对多孔挂面膨胀指数及微观结构的影响

由图4可知,红提天然酵母组多孔挂面和梨天然酵母组多孔挂面的膨胀指数显著大于未发酵组挂面(P<0.05),多孔挂面的膨胀指数表示多孔挂面较普通挂面的厚度增加量,经过压延3种面条的初始厚度均一致,但是添加天然酵母的面条由于发酵过程中酵母菌产气,使得面条内部形成孔洞,厚度增加。根据图5对比不同挂面的微观结构,可以看出未发酵组挂面的截面面积明显小于多孔挂面;天然酵母发酵的多孔挂面截面孔洞大小不均匀,内部较为疏松,这主要与发酵过程中酵母菌的代谢活动有关,发酵过程中酵母菌产气撑起面筋网络,面条内部形成或大或小的孔洞[15]。

图4 天然酵母发酵对多孔挂面膨胀指数的影响Fig.4 Effect of sourdough fermentation on expansion index of porous dried noodles

注:A为未发酵组,B为红提天然酵母组,C为梨天然酵母组。左侧的扫描电镜图放大倍数为220倍。图5 天然酵母发酵对多孔挂面微观结构的影响Fig.5 Effect of sourdough fermentation on microstructures of porous dried noodles

2.5 天然酵母发酵对多孔挂面蒸煮品质的影响

煮制时间过长的面条太软、太黏,食味不佳;相比之下,未煮熟的面条在咬食过程中会有生面粉的味道和坚硬的质地,因此烹饪时间是评估面条质量的关键指标[30]。由表2可知,两种天然酵母发酵多孔挂面的最佳蒸煮时间相较于未发酵挂面分别减少了41 s和65 s,可以归结于发酵使得面条内部结构变得松散,因此煮面时水分更易进入到挂面内部,促进了淀粉颗粒和水的结合,使得面条熟得更快。3种样品的吸水率和熟断条率没有显著性差异(P>0.05),可能是因为多孔面条内部孔洞的存在使面条与水分接触的面积增大,但是最佳蒸煮时间的缩短同时限制了挂面的吸水能力,导致吸水率没有明显变化。

表2 天然酵母发酵对多孔挂面蒸煮品质的影响Table 2 Effect of sourdough fermentation on the cooking quality of porous dried noodles

2.6 天然酵母发酵对多孔挂面质构特性的影响

从图6(a)可以看出,梨天然酵母组多孔挂面的抗断裂强度最大,且经过发酵后的挂面抗断裂强度显著大于未发酵挂面(P<0.05),原因可能有两种:一种是由于面团经过发酵后黏度上升,挂面内部由淀粉凝胶和蛋白质等网络结构所组成的空间结构越来越紧密,挂面的韧性增强[31];另一种是多孔挂面由于厚度的增加,使得弯曲所需要的力也随之增大[15]。此结果说明天然酵母发酵可以增强挂面的抗断裂性,为运输提供便利条件。

图6 天然酵母发酵对多孔挂面抗断裂强度和硬度的影响Fig.6 Effect of sourdough fermentation on the breaking strength and hardness of porous dried noodles

从图6(b)可以看出,两种发酵挂面的硬度显著小于未发酵挂面(P<0.05),这是因为发酵时乳酸菌产酸改变面筋蛋白的二级空间结构,进而抑制煮制过程中面筋蛋白的交联,另外,面条内部的多孔结构导致其在蒸煮过程中吸收更多的水分,使面条的质构特性下降,挂面咀嚼时的口感偏向软滑。

2.7 天然酵母发酵对多孔挂面总酚和抗营养因子含量的影响

由表3可知,与未发酵组相比,红提天然酵母组和梨天然酵母组的总酚含量显著增加(P<0.05),尤其是梨天然酵母的添加使总酚含量由1.93 mg/g 增加到4.18 mg/g。由于红提和梨这两种水果本身就含有丰富的生物活性成分,而且在发酵过程中酵母菌和乳酸菌分泌酶破坏细胞壁的通透性,使其中的酚类物质从结合态转变为游离态,更容易被萃取[32]。红提天然酵母组和梨天然酵母组的总酚含量存在显著性差异的原因主要与水果以及发酵菌种不同有关。酚类物质具有抗氧化能力,能够通过清除自由基、络合金属离子等方式达到抗氧化效果[33],总酚含量的增加提高了多孔挂面的生物活性及营养价值。

表3 天然酵母发酵对多孔挂面的总酚和抗营养因子含量的影响Table 3 Effect of sourdough fermentation on the total phenolics and anti-nutritional factors content of porous dried noodles

另外,植酸和单宁这两种抗营养因子的含量也显示出不同幅度的下降。植酸能够吸收人体必需的矿物质,导致矿物质的生物利用率降低[34];单宁可通过抑制消化酶的活性降低人体对大多数营养物质的消化率[35]。相比于未发酵组,采用红提天然酵母和梨天然酵母发酵的多孔挂面其植酸含量分别降低了35.97%和60.40%,单宁含量分别降低了84.77%和39.45%。一种被广泛认同的观点是:发酵过程中天然酵母中大量存在的微生物对环境的酸化作用会激活谷物中的内源酶,如植酸酶、单宁酰基水解酶等[35],同时菌株生长代谢过程中合成的微生物酶也能够降低抗营养因子含量,从而降低了抗营养因子对营养消化吸收的不良影响[36-37]。尽管不同基质的天然酵母对总酚和抗营养因子的影响有一定差异,但总体上对多孔挂面的营养品质起到积极的作用,也证明了天然酵母发酵是降低谷物中抗营养因子的有效手段。

2.8 天然酵母发酵对多孔挂面游离氨基酸含量的影响

游离氨基酸作为在发酵过程中细菌繁殖活动的主要代谢产物,对最终产品的口味、营养和感官质量都产生了很大影响。从表4可以看出,两种水果天然酵母发酵使游离氨基酸总含量均有不同程度的增加,其中红提天然酵母增加得最多。天然酵母对挂面游离氨基酸的影响主要在于酸性环境激活了面粉中内源性蛋白酶,再加上天然酵母中乳酸菌对蛋白质的水解作用,促进蛋白质被分解为氨基酸;另外乳酸菌可利用蛋白水解后的多肽作为营养因子促进自身生长,并将其分解为氨基酸[36-37],这也引起了游离氨基酸的聚集。从赖氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸这7种必需氨基酸来看,水果天然酵母发酵显著提高了必需氨基酸的含量,赖氨酸因在谷物食品中的含量很低且在加工过程中易被破坏,所以被称为第一限制性氨基酸,天然酵母的添加使赖氨酸的含量有一定提高。游离氨基酸还可以提高酵母菌和乳酸菌的发酵能力并增强酵母菌对乙醇的耐受能力[38]。就必需氨基酸含量和游离氨基酸总量而言,红提天然酵母组多孔挂面优于梨天然酵母组多孔挂面。此结果说明天然酵母发酵不仅能够有效富集游离氨基酸,还优化了多孔挂面中的氨基酸组成模式,使多孔挂面的营养更加丰富。另外,谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸等氨基酸作为风味物质前体,其含量的增加会丰富多孔挂面的风味[39]。

表4 天然酵母发酵对多孔挂面游离氨基酸含量的影响Table 4 Effect of sourdough fermentation on the free amino acid content of porous dried noodles

3 结论

天然酵母发酵是一种有效改善多孔挂面品质和营养特性的手段。两种天然酵母发酵均能提高多孔挂面的膨胀指数、吸水率、抗断裂强度,一定程度减少了最佳蒸煮时间,改善了蒸煮品质;蛋白质二级结构由β-折叠和无规卷曲向α-螺旋和β-转角转换。在天然酵母的作用下,多孔挂面中总酚含量增加,游离氨基酸总量提高并且氨基酸组成模式得到优化,植酸、单宁这两种抗营养因子含量大幅下降。可选作天然酵母来源的原料繁多,本研究选择了两种水果作为天然酵母的初始来源,有助于了解两种水果天然酵母发酵对面团及多孔挂面带来的诸多变化,丰富了水果天然酵母的相关信息,对天然酵母在发酵挂面上的应用具有参考价值。后续研究可以对天然酵母中菌群组成进行分析,将功能性菌株分离出来并应用到发酵面条中。