馒头在我国具有上千年的历史,是我国传统发酵主食之一。目前我国制作馒头的发酵剂主要是市售高活性酵母和传统老面发酵剂,老面是以小麦粉等谷物和水为原料,通过自然发酵、连续传代、富集,优化该生态系统的有益微生物并扩大培养形成的天然发酵剂,所以老面中的微生物菌群组成多样且复杂,使得其制作的老面馒头在风味和口感上比市售酵母制作的馒头更为丰富和特殊。

因此,河北农业大学食品科技学院的乞萌、魏冠棉、桑亚新*等对前期从河北地区(邢台和衡水)老面中分离得到的3 株酵母,包括两株酿酒酵母(S.cerevisiae)和一株杰丁塞伯林德纳氏酵母(Cyberlindnera jadinii),从发酵性能、产香性能以及其发酵馒头的感官特性和挥发性风味物质几个方面进行分析,并与生产用菌株进行比较;以期为多菌复配发酵剂的开发以及生产出品质优良和风味独特的馒头提供理论基础,也为河北地区老面中酵母的开发和利用提供参考。


1 酵母面团发酵过程中pH值以及TTA值变化

pH值对面团中酶的活性以及食品品质有很大影响,可以反映酵母在面团中的生长代谢状况,而TTA值可直接反映面团中可滴定酸的变化。如图1所示,所有面团在发酵过程中的pH值均随着时间的延长而呈下降趋势,TTA值整体呈现上升趋势。所有组别的pH值和TTA值变化程度都较大,且发酵12 h后,所有面团pH值和TTA值变化幅度都减缓,一方面是因为酵母在发酵期间可以通过糖酵解、三羧酸循环等代谢途径产生有机酸,其减缓了其代谢能力;另一方面是发酵后期面团中的营养物质被大量消耗,导致酵母的代谢速度减慢。


2 酵母面团发酵过程中酵母数量变化

如图2所示,不同发酵面团中所有的酵母总数都呈现出先降低再快速增长至稳定的现象,这可能是因为在发酵初期,加入面团的酵母没有适应发酵环境的改变所致,但随着发酵时间的推移,所有酵母的数量均快速上升。在相同的发酵条件以及相同的接种量下,老面酵母XTC-y11和XTC-m13生长速度最快,其中XTC-m13的菌落总数最多,24 h时达到108.49CFU/g。而HSO-y3在20 h才达到108 CFU/g。说明不同酵母在面团中有着不同的生长状况,但最后的生长速率都变得平缓,这是发酵末期面团的酸性过大导致,并且酵母也可能发生自溶现象。


3 酵母面团发酵过程中还原糖含量变化

如图3所示,发酵初期所有组别面团中还原糖含量都增加,这是由于在35 ℃的发酵温度下,面团中的淀粉酶活性较高,其能将面团中的淀粉分解为麦芽糖和葡萄糖,而发酵初期面团中的酵母数量较低,使得酵母对于还原糖的消耗能力小于淀粉酶酶解淀粉产生还原糖的能力。发酵中期,XTC-y11、XTC-m13和生产用菌株对于还原糖的利用能力显著提升,这是酵母大量繁殖、代谢水平增加的结果;而非酿酒酵母HSO-y3的还原糖含量持续增加,这也与黄桃酒中非酿酒酵母的发酵代谢行为的研究结果一致。发酵末期,XTC-y11、XTC-m13和生产用菌株发酵面团的还原糖含量很低且趋于稳定,这说明酵母对于还原糖的消耗能力与淀粉酶酶解淀粉产生还原糖的能力达到平衡。


4 不同酵母对于面团的发酵能力分析

酵母在面团中利用其中的碳水化合物进行自身代谢活动,通过呼吸作用将糖类物质转化为二氧化碳使面团膨胀,所以良好的发酵力能使馒头具有可观的外形以及内部组织。

如图4A所示,不同的酵母在发酵过程中产气能力不同,其中老面酵母XTC-y11的产气量最大,发酵24 h时达到了1004 mL/100 g,其次是XTC-m13,达到900 mL/100 g,说明其对于面粉中糖类的利用能力更强,产气更多;HSO-y3的产气能力最差,这可能是因为非酿酒酵母对于糖的种类利用范围较小,这也与HSO-y3的还原糖结果一致。由图4B可以看出,添加XTC-m13的面团膨胀速度最快,且在6.5 h左右到达最大体积(211 mL/100 g),而添加HSO-y3的面团膨胀速度始终缓慢,在发酵11 h时才达到最大体积(177 mL/100 g),还未达到发酵初始体积的2 倍;在发酵后期,所有面团体积都略有降低,开始漏气从晚到早的顺序依次为:HSO-y3、XTC-y11(≈生产用酵母)、XTC-m13;其中,HSO-y3的产气量少,使得开始漏气时间最晚,持气能力较强;XTC-y11产气量最大,漏气时间比XTC-m13酵母晚,所以持气能力最强。面团漏气一方面是由于酵母产生的气体过多,面团内部结构无法承受,从而导致面团气室的破裂,大量气体逸出;另一方面是酵母代谢会产生部分有机酸,使面筋蛋白发生变性,从而导致面团延展性降低。综合上述结果,与生产用酵母相比,老面酵母XTC-y11发酵的面团具有较强的发酵力和持气能力。


5 酵母发酵液总酯以及酯化酶活性分析

酯类化合物具有比较特殊的芳香气味,通常能为食品贡献花果香味和甜味。总酯含量可以在一定程度上反映酵母香气物质的产生情况。如图5A所示,4 株酵母发酵液总酯含量表现出显著性差异,质量浓度最高的是HSO-y3,为1.672 g/100 mL,非酿酒酵母已被发现能够提高发酵食品香气的多样性,添加非酿酒酵母可以更好地模拟发酵食品中原生的微生物群落,以提高产品的质量。

在酵母发酵过程中,形成酯类物质的重要途径之一就是酯化酶催化醇和酸进行酯化反应,如图5B所示,各发酵液其酯化酶活性由高到低依次是:生产用酵母、HSO-y3、XTC-y11、XTC-m13。


6 酵母发酵馒头品质特性及感官评价分析

6.1 不同酵母制作馒头对比容、白度和质构特性的影响

如表2所示,所有组别的馒头径高比都表现出显著性差异,其中XTC-y11和生产用酵母的径高比较高,说明其面筋持气性与稳定性较好,对馒头的支撑作用较强。质构指标是量化馒头品质的一种有效方法。HSO-y3发酵馒头与其余组的比容和硬度都有显著性差异,这表明酿酒酵母对于糖的利用能力较强,在发酵时产生更多气体使面团膨胀,使得其比容较大,所以添加生产用酵母、XTC-y11、XTC-m13的馒头的硬度比HSO-y3组低,咀嚼性也较低,口感更为适宜。

如表2、图6所示,HSO-y3组的白度与其他3 组都有显著性差异,这是由于其他3 组中酵母对于碳水化合物的利用能力较强,产气量大,使得馒头内部面筋结构得到合适的膨胀,而馒头白度与内部组织结构有关,当馒头内部的孔洞太小或太大时馒头白度都会降低。


6.2 不同酵母制作馒头的感官评价

对4 组发酵的馒头分别从外观、结构、弹性、风味(气味和滋味)和咀嚼性几个方面进行感官评价,结果如图7所示,4 组馒头整体评分结果为:XTC-y11=XTC-m13>生产用菌株>HSO-y3。XTC-m13发酵的馒头在气味、咀嚼性、弹性的得分高于其他组,而XTC-y11组织结构、形状和气味方面的得分较高。



7 不同酵母发酵馒头的香气化合物GC-IMS定性分析

采用GC-IMS内置的IMS数据库和NIST数据库,根据保留指数、保留时间和迁移时间对不同酵母发酵的馒头中挥发性风味物质进行定性分析。如表3所示,鉴定出挥发性成分共37 种,馒头挥发性成分主要是为醇、醛、酸、酯、酮、烯萜和呋喃类化合物,其中醇类5 种、醛类6 种、酸类3 种、酯类9 种、酮类2 种、烯萜类3 种、呋喃类2 种以及其他化合物7 种。在定性的挥发性风味物质中,异戊醛、2-甲基丁醛、(E)-2-庚烯醛、乙酸乙酯、2-戊基呋喃等已经被发现对馒头的香气有较大贡献。



为了进一步分析馒头中各种挥发性物质,对4 种馒头中的不同类型化合物进行分析,如图8所示,在4 种发酵馒头中,酯类、醇类物质占比较大,相对含量分别在27.06%~39.38%和15.32%~22.27%之间,并且不同样品间具有一定差异。馒头中酯类物质主要来源于酵母的代谢以及醇和酸的酯化反应,赋予馒头花果类香气。醇类物质一般由酵母菌的Ehrlich途径代谢产生或者是醛类物质氧化生成,通常具有酒香和清新气味。酮类物质检测出苯乙酮和乙偶姻两种,主要来源于酯类的分解产物以及醇类物质的氧化,其香气阈值较低,对馒头香气的贡献较大。呋喃类物质为2,5-二甲基呋喃和2-戊基呋喃,其中2-戊基呋喃是通过亚油酸氧化反应或涉及氨基酸和还原糖的美拉德反应产生的,具有豆香、果香、泥土、青香及类似蔬菜的气味。


8 不同酵母发酵馒头的香气化合物指纹图谱

如图9所示,每个化合物的红色信号越深,指示该物质含量相对越高。红框中的化合物含量较高,XTC-y11中4-戊烯酸、2-甲基丁醛、(E)-2-己烯酸、乳酸乙酯、乙酸乙酯、2-戊基呋喃的含量较高,这些化合物为馒头提供了干酪、咖啡、油脂、果香以及豆香味。在HSO-y3中发现了较高含量的乙酸乙酯、丁酸丙酯和乳酸乙酯,酯类物质具有较强的果香气息,这一结果也与总酯含量的结果相一致,非酿酒酵母已经被发现具有较强的产香能力。除此之外,在XTC-m13和CICC 31616组中检测到了高含量的吡啶,其相对含量分别为16.95%和12.74%,而吡啶具有刺激性的气味,会给馒头风味产生负面影响。这些挥发性化合物的差异是不同酵母发酵能力差异导致的。


9 不同酵母发酵馒头的香气化合物PLS-DA

PLS-DA是一种用于判别分析的多变量统计分析方法,能够对数据进行降维,实现复杂实验数据可视化及判别分析与预测。为进一步探究不同酵母发酵馒头的香气化合物之间的差异,以鉴别出的37 种香气化合物为因变量,不同酵母为自变量,进行PLS-DA。

图10A中,组内样品内都相对聚集,表明组内重复性较好;不同样品间都明显分离,且分散在4 个不同象限内,说明不同酵母发酵对馒头中挥发性成分的影响较大。如图10B所示,R2表示对变量的解释能力,Q2表示模型的预测能力。其中R2=0.9072>0.8,同时Q2=0.6099>0.5,表明判别模型具有有效的预测能力和良好的拟合效果。



变量重要性投影(VIP)可用于评估样本中单个变量对每组样品的分类和区分能力的影响程度和解释能力。一般来说,具有VIP>1的变量可以被视为区分样品之间的标志性物质。如图11所示,共筛选出VIP>1且P<0.05的18 种挥发性化合物。包括醛类4 种、醇类2 种、酯类4 种、呋喃2 种、酸类1 种、烯萜类1 种、酮类1 种以及其他物质3 种,分别为异戊醛、戊烯酸、丙烯酸丁酯、环戊烯、乳酸乙酯、2-甲基丁醛、2,5-二甲基呋喃、5-甲基-2-呋喃甲醇、乙酸戊酯、丙酸己酯、(E)-2-庚烯醛、2-乙基-5-甲基吡嗪、乙偶姻、3-辛醇、(E,E)-2,4-庚二烯醛、吡啶、1,4-二氧六环、2-戊基呋喃。这些挥发性物质导致了不同酵母发酵的馒头具有不同的风味,是区分4 种馒头样品之间的标志性物质。


结论

本研究比较了自河北邢台和衡水地区传统老面中分离的酵母(XTC-y11、XTC-m13和HSO-y3)和生产用酵母(CICC 31616)的发酵性能、产香能力及其发酵馒头的品质和挥发性风味物质。4 株酵母在面团中发酵前后的酸度变化都较大。酵母XTC-y11和XTC-m13在面团中具有明显的生长繁殖优势,使得它们对于面团中糖的利用能力也更强,具有更好的产气能力和发酵力,所以XTC-y11和XTC-m13制得的馒头具有更饱满外观和蓬松的内部结构。HSO-y3的总酯含量和酯化酶活性显著高于其他酵母。XTC-m13和XTC-y11发酵的馒头白度和比容最大,硬度最低,通过感官评价,XTC-y11、XTC-m13的得分更高。利用GC-IMS技术在4 种馒头中鉴定出37 种挥发性化合物,其中醇类和酯类物质相对含量较高,XTC-y11中4-戊烯酸、2-甲基丁醛、(E)-2-己烯酸、乳酸乙酯、乙酸乙酯、2-戊基呋喃含量较高;而HSO-y3酯类物质含量较高。通过PLS-DA,4 组馒头明显分离,筛选出VIP>1且P<0.05的挥发性风味物质18 种。本研究可为复配馒头发酵剂的开发应用提供参考。

作者简介

通信作者:


桑亚新 教授

河北农业大学 副校长

桑亚新, 河北农业大学食品科技学院教授/博士生导师,日本筑波大学访问学者。教育部食品科学与工程专业教指委委员,中国食品科技学会第二届青年委员,河北省食品学会秘书长,河北省海洋学会常务理事,国家食品安全管理体系(HACCP)审核专家,国家注册有机食品审核员。

已从事食品科研、教学和生产一线工作20余年,主要研究方向为:农副产品综合加工利用、益生菌与益生元和食品微生物等领域。获得省级科技进步一等奖3 项,省级二等奖和三等奖各1 项,国家教学成果二等奖和河北省教学成果一等奖各1 项,市厅级奖励30余项;主持国家“十四五”重点研发计划“乡村产业共性关键技术研发与集成应用”专项——特色干果产业关键技术研究与应用示范(项目编号2022YFD1600400),主研“十三五”重点研发计划“食品安全关键技术研发”专项——“重要食品真实性多维鉴别检测关键技术研究”子课题“食品产地精准溯源技术研究”和“食品内源性身份特征甄别技术研究”;主持国家“十二五”公益性行业科研专项——贝类副产物加工利用共性关键技术研究(NO.200805046-4)和扇贝对虾副产物综合利用关键技术研究与中试(NO.201205031-0105),其他省部级科研项目20余项,主编“食品微生物学”等教材专著10余部,发表高水平论文70余篇,申请国家发明专利20余项,获得国家发明专利8 项,转化2 项。

第一作者:


乞萌 硕士研究生

河北农业大学 食品科技学院

乞萌,研究方向为食品工程。本科毕业于河北农业大学食品质量与安全专业,硕士就读于河北农业大学食品工程专业。


魏冠棉 讲师

河北农业大学 食品科技学院

魏冠棉,河北农业大学硕士研究生导师。研究方向为传统发酵食品风味研究、微生物资源开发与应用。主持国家自然科学基金青年科学基金项目“油腐乳特征香气物质的代谢网络构建及其功能微生物互作研究”、主持河北省自然科学基金青年科学基金项目“基于多组学技术的河北老面酵头微生物菌群结构解析及老面馒头特征风味形成机制研究”、主持河北农业大学引进人才项目“不同汤汁腐乳发酵过程中微生物菌群结构与风味物质的相关性研究”等。发明专利6 项,高水平论文8 篇。

本文《不同酵母发酵面团特性分析及其对馒头品质的影响》来源于《食品科学》2024年45卷第12期59-67页,作者:乞萌、魏冠棉、李丽娜、许超、王向红、桑亚新。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230624-175。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑:王雨婷;责任编辑:张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。

图片来源于文章原文及摄图网。


为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战,促进产学研用各界的交流合作,由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办,西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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