岳清華,劉翀,李利民,鄭學(xué)玲
(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院,河南 鄭州, 450001)
發(fā)酵是饅頭、面包等發(fā)酵面制品加工過程中的重要環(huán)節(jié)[1]。活性干酵母是最常用的發(fā)酵劑之一。面團(tuán)發(fā)酵主要取決于CO2的產(chǎn)生,并將其包裹在面團(tuán)基質(zhì)中。然而,酵母的作用不僅限于產(chǎn)氣,酵母可產(chǎn)生影響終產(chǎn)品香味和風(fēng)味的代謝物[2-3]。有研究表明,酵母發(fā)酵對面團(tuán)的流變性質(zhì)也有影響,如面團(tuán)的延展性降低[4-5]。這些性能對發(fā)酵面制品是非常關(guān)鍵的,因為它們決定了面團(tuán)的行為,從而影響加工性能和終產(chǎn)品的質(zhì)量。例如,有學(xué)者研究了添加有機酸如乙酸和乳酸對面團(tuán)行為的影響,面團(tuán)酸化引起蛋白質(zhì)凈電荷增加,導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度增加并促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊。這導(dǎo)致面團(tuán)穩(wěn)定性降低[6]。
發(fā)酵強度取決于酵母的形式和面粉中可發(fā)酵糖的含量。小麥粉中存在少量的游離糖(0.3%~0.5%,主要是葡萄糖、果糖、蔗糖和麥芽糖),在面團(tuán)發(fā)酵過程中作為酵母的碳源[7]。其中蔗糖含量是最豐富的,占總可溶性糖的50%以上[7-8]。由淀粉酶對損傷淀粉的作用形成的麥芽糖是源自面粉本身的主要可發(fā)酵糖[9]。HENRY等[10]認(rèn)為影響產(chǎn)品體積的面粉中最重要的碳水化合物是葡萄糖、果糖和蔗糖。這些被不同的酵母發(fā)酵的碳水化合物的順序不是隨機的,而是基于特定的順序,葡萄糖是優(yōu)先被分解的糖。葡萄糖似乎減慢了果糖的消耗,因為兩種糖都是由相同的載體運輸?shù)?,這些載體對葡萄糖的親和力比果糖更高[11]。蔗糖很容易被酵母代謝,首先被細(xì)胞外酵母轉(zhuǎn)化酶水解,然后將所得的葡萄糖和果糖等單糖吸收并代謝。乙醇和CO2是這種酵母代謝的主要終產(chǎn)物[12]。但是,其他幾種代謝產(chǎn)物如甘油和有機酸也都大量產(chǎn)生。這些所謂的次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生被認(rèn)為對維持面團(tuán)內(nèi)部氧化還原平衡和抵抗高滲透壓是必不可少的。存在于面粉和酵母制劑中的污染微生物,主要是乳酸菌也可能在面團(tuán)發(fā)酵中起作用,因為它們可能產(chǎn)生有機酸如乳酸[13]。
雖然已經(jīng)使用酶法和各種HPLC方法[14]在面團(tuán)系統(tǒng)中定量了糖,乙醇和某些有機酸等[15-16]。然而一次發(fā)酵面團(tuán)制作及不同發(fā)酵方式面團(tuán)中有關(guān)糖利用率和不同代謝物產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相當(dāng)零碎且不完整。此外,大多數(shù)研究僅測定一種或幾種代謝物,這使得很難對代謝產(chǎn)物獲得全面了解。在此,基于特定色譜柱和高效液相色譜的方法了解酵母營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物濃度的變化,可為研究這些代謝物對面團(tuán)的影響提供依據(jù)。
1.1.1 實驗材料
高筋小麥鄭麥366(ZM366)、中筋小麥矮抗58(AK58)、低筋小麥鄭麥103(ZM103),其小麥粉粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面筋指數(shù)分別為(13.33±0.04)%和(94.28±0.20)%、(12.24±0.05)%和(69.53±1.83)%、(11.59±0.08)%和(48.56±2.70)%,河南省農(nóng)科院;高活性干酵母,安琪酵母股份有限公司。
蔗糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖、乳酸、甘油、乙酸和乙醇標(biāo)品,阿拉丁試劑上海有限公司。
1.1.2 儀器與設(shè)備
SZM-10攪拌機,廣州旭眾食品機械有限公司;SP-18S醒發(fā)箱,江蘇三麥?zhǔn)称窓C械有限公司;JMTD-168/140實驗壓片機,北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司;Avanti J-E離心機,美國貝克曼庫爾特有限公司;料理機,九陽股份有限公司;Aglient 1260高效液相色譜儀,安捷倫科技有限公司。
1.2.1 面團(tuán)制備
(1)直接發(fā)酵面團(tuán):面粉,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的酵母,按照面粉的吸水率加水適量,和面5 min,壓面8道。
(2)中種發(fā)酵面團(tuán):將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%面粉、0.5%酵母以及和面所需的全部水加入和面缽中和面5 min。此狀態(tài)的面糊于35 ℃、濕度85%的醒發(fā)箱中發(fā)酵3 h后加入剩余面粉,和面5 min。壓面8道。
(3)老面發(fā)酵面團(tuán):面粉,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的酵母,加水50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),于35 ℃、濕度85醒發(fā)箱中發(fā)酵12 h,制成老面團(tuán)。隨后加入面粉,老面團(tuán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%,加水適量,和面5 min,壓面8道。將面團(tuán)分割成若干適量的小面團(tuán),最后手工揉制成型。
1.2.2 pH和總酸度(total acidity,TTA)的測定
參照王大一[17]中pH和TTA測定方法。
1.2.3 面團(tuán)中可溶性糖、有機酸及醇類物質(zhì)測定分析
1.2.3.1 色譜條件
色譜柱,REZEX ROA-Organic Acid H+,300 mm×7.8 mm,8 μm;溫度60 ℃;流動相,2.50 mmol/L H2SO4,流速為0.60 mL/min。
1.2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)品的制備
準(zhǔn)確稱取乳酸 9 mg,乙酸 3.5 mg,乙醇 110 mg,甘油4 mg,葡萄糖150 mg,果糖50 mg,麥芽糖100 mg,蔗糖1 mg,分別用純凈水溶于50 mL容量瓶中,然后稀釋至不同濃度,進(jìn)樣20 μL。以濃度為橫坐標(biāo),峰面積為縱坐標(biāo),分別做標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算回歸方程,同時制備所有樣品的混合標(biāo)樣,分別吸取各樣品3 mL溶于25 mL容量瓶中, 進(jìn)樣20 μL,作為標(biāo)準(zhǔn)圖譜。
1.2.3.3 面團(tuán)中可溶性糖、有機酸及醇類物質(zhì)含量測定
取15 g發(fā)酵面團(tuán)于50 mL去離子水(冰水)中,高速均質(zhì)30 s。取10 mL漿液于4 ℃,20 000×g離心5 min,上清液經(jīng)0.22 μm濾膜過濾。每個樣品做2次平行。
面團(tuán)pH和TTA是面團(tuán)發(fā)酵過程中的重要指標(biāo)。pH反映面團(tuán)中H+的濃度,總酸度表征面團(tuán)的酸味程度。圖1顯示發(fā)酵過程中面團(tuán)pH和TTA的變化。隨著發(fā)酵時間的延長,pH下降,總酸度升高。由圖1-a可知,在發(fā)酵12 h的過程中,3種小麥粉的pH都呈下降趨勢,在0~3 h顯著下降。這是因為乳酸菌在發(fā)酵開始階段快速產(chǎn)酸從而使pH降低以適應(yīng)酵母菌的生長,兩者都達(dá)到最佳生長狀態(tài)[18]。而ZM103在發(fā)酵9~12 h其pH下降較為顯著,這可能是面粉筋力不同從而使得酵母代謝速率不同。在整個發(fā)酵過程中,3種小麥粉面團(tuán)的TTA隨時間推移都呈上升趨勢(圖1-c),但在發(fā)酵22 min~3 h變化不顯著。3種不同發(fā)酵方式的面團(tuán)pH都隨發(fā)酵時間的增加而降低(圖1-b),在0~45 min下降最為顯著。主要是面團(tuán)在發(fā)酵剛開始時,內(nèi)部有大量的空氣供酵母菌進(jìn)行有氧呼吸。與中種和老面發(fā)酵面團(tuán)相比,一次發(fā)酵面團(tuán)pH值變化較大,這可能是一次發(fā)酵中沒有已經(jīng)發(fā)酵過一段時間的面頭,內(nèi)部所有的酵母菌都進(jìn)行旺盛的有氧呼吸。在中種發(fā)酵面團(tuán)中,由于將50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的面粉先發(fā)酵3 h,而面糊中含有一定量的酸使得此發(fā)酵方式下面團(tuán)的初始pH最低。中種發(fā)酵面團(tuán)pH變化最為平緩,3種發(fā)酵方式90 min時pH值接近。它們的TTA都呈逐漸上升趨勢(圖1-d),但是同種發(fā)酵方式在90 min的發(fā)酵過程中TTA變化并不顯著。
a-發(fā)酵時間對面團(tuán)pH的影響;b-發(fā)酵方式對面團(tuán)pH的影響;c-發(fā)酵時間對面團(tuán)TTA的影響;d-發(fā)酵方式對面團(tuán)TTA的影響圖1 發(fā)酵過程中面團(tuán)pH和TTA變化情況Fig.1 The pH and acidity of dough during fermentation
面團(tuán)發(fā)酵過程中乙酸和乳酸含量的變化如圖2所示。隨著發(fā)酵時間的延長,不同筋力小麥粉在發(fā)酵9 h內(nèi)其乙酸含量都呈上升趨勢(圖2-a),然后在9 h后出現(xiàn)下降。發(fā)酵9 h時,面團(tuán)中乙酸濃度最大,ZM366、AK58及ZM103中的乙酸含量分別為0.832、0.362和0.399 mg/g面團(tuán)。不同筋力小麥粉中其乙酸含量增長速度不盡相同,其中高筋小麥粉ZM366在6~9 h急劇增加,并在發(fā)酵9 h時的含量高于中筋和低筋小麥粉。不同發(fā)酵方式下面團(tuán)中乙酸的含量變化如圖2-b所示。乙酸含量都呈增加趨勢,但增長速度不同,其中直接發(fā)酵面團(tuán)乙酸含量變化最大,而老面發(fā)酵面團(tuán)變化最小。不同發(fā)酵方式面團(tuán)中最終乙酸含量接近。
由圖2-c可知,發(fā)酵面團(tuán)中乳酸含量在發(fā)酵67 min內(nèi)隨著發(fā)酵時間的增加而增加,而后呈波動變化。不同筋力小麥粉發(fā)酵12 h后其乳酸含量差異顯著,ZM366、AK58及ZM103面團(tuán)中的乳酸含量分別為0.763、0.467和0.376 mg/g面團(tuán)。在發(fā)酵90 min前,中筋小麥粉AK58的乳酸含量增加速度較快。不同發(fā)酵方式面團(tuán)中乳酸的含量變化如圖2-d所示,乳酸含量在一次和中種發(fā)酵面團(tuán)中呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,老面發(fā)酵面團(tuán)中乳酸含量隨著發(fā)酵時間呈整體遞增趨勢,并在90 min時達(dá)到最高0.5 mg/g面團(tuán)。由于發(fā)酵時間的增長,面團(tuán)中的一些環(huán)境就會發(fā)生變化,其中主要包括水分活度、pH值等,菌種的產(chǎn)酸能力會因面團(tuán)環(huán)境改變而發(fā)生變化,而且生成的有機酸還可與酒精等反應(yīng)生成酯、醛、酮等風(fēng)味物質(zhì)[19]。這些因素都會對面團(tuán)中有機酸含量的變化造成影響。此外,根據(jù)有機酸度的含量可大致判斷面團(tuán)的發(fā)酵程度,并可為發(fā)酵面制品的風(fēng)味分析提供參考[20]。
a-發(fā)酵時間對面團(tuán)中乙酸含量的影響;b-發(fā)酵方式對面團(tuán)中乙酸的影響;c-發(fā)酵時間對面團(tuán)中乳酸含量的影響;d-發(fā)酵方式對面團(tuán)中乳酸含量的影響圖2 發(fā)酵過程中面團(tuán)有機酸含量變化情況Fig.2 The organic acids of dough during fermentation
發(fā)酵時間和方式對面團(tuán)中可溶性糖含量的影響如圖3所示。由圖3-a可知,隨著發(fā)酵時間的增加,葡萄糖含量在短時間(0~90 min)顯著下降,而發(fā)酵3 h后,面團(tuán)中葡萄糖的含量變化幅度較小,發(fā)酵6 h后,葡萄糖含量又略微上升。3種筋力小麥粉均在發(fā)酵6 h時,面團(tuán)中葡萄糖的含量達(dá)到最低,分別為ZM366(0.297 mg/g面團(tuán))、AK58(0.290 mg/g面團(tuán))和ZM103(0.323 mg/g面團(tuán))。其中AK58的葡萄糖含量下降最為顯著,說明AK58(中筋)在短時間的發(fā)酵過程中葡萄糖的降解速度要大于ZM366(高筋)和ZM103(低筋)。3種發(fā)酵方式下,隨著發(fā)酵時間的增加,面團(tuán)中的葡萄糖含量均呈降低趨勢(圖3-b),但下降速率不同。直接發(fā)酵面團(tuán)中葡萄糖含量變化最為顯著,老面發(fā)酵法葡萄糖含量變化最不明顯。中種發(fā)酵面團(tuán)中葡萄糖含量明顯低于另外兩種發(fā)酵方法,可能是由于中種發(fā)酵過程中葡萄糖在制作中種面團(tuán)的過程中被分解消耗較多。在發(fā)酵90 min后,直接、中種和老面發(fā)酵的面團(tuán)中葡萄糖的含量分別為1.365、0.428和3.948 mg/g面團(tuán)。
3種不同小麥粉在發(fā)酵過程中其麥芽糖含量整體上都隨發(fā)酵時間的增加而降低(圖3-c)。在前90 min發(fā)酵時間內(nèi)顯著下降。在發(fā)酵到6 h時,麥芽糖含量基本達(dá)到最低值,ZM366、AK58和ZM103中的麥芽糖含量分別為0.193、0.088和0.028 mg/g面團(tuán)。同樣中筋小麥粉AK58面團(tuán)中麥芽糖的含量消耗最快。而后發(fā)酵9 h后,麥芽糖含量又有略微上升的趨勢。ZM103小麥粉在發(fā)酵開始階段,麥芽糖含量有所增加,這可能是面團(tuán)中葡萄糖的濃度足夠高,且小麥粉本身含有大量麥芽糖,其次麥芽糖的生成速率大于其被消耗的速率??傮w來看,麥芽糖含量隨著發(fā)酵時間的延長而降低。3種發(fā)酵方式下(圖3-d),直接發(fā)酵過程中麥芽糖的含量變化較顯著,從4.021 mg/g面團(tuán)(0 min)到0.161 mg/g面團(tuán)(90 min)。而中種和老面發(fā)酵面團(tuán)中的麥芽糖含量緩慢下降。而發(fā)酵90 min后,直接和中種發(fā)酵面團(tuán)中麥芽糖含量相差較小,而老面發(fā)酵面團(tuán)中麥芽糖含量顯著高于前兩種發(fā)酵方式的面團(tuán)。隨著發(fā)酵時間的增長,麥芽糖被逐步消耗分解。
由圖3-e可知,3種小麥粉在發(fā)酵過程中,ZM366、AK58中果糖含量都呈現(xiàn)逐步下降的趨勢,而低筋ZM103在短時間的發(fā)酵過程中果糖的含量呈先略微上升而后下降的趨勢。短時間發(fā)酵,低筋ZM103的果糖含量一直高于高筋ZM366和中筋A(yù)K58的果糖含量。發(fā)酵過程中果糖的含量一直下降,說明不同筋力小麥粉在發(fā)酵時果糖一直處于被分解的狀態(tài)。而ZM103中發(fā)酵初始階段果糖含量略有上升可能是由于發(fā)酵初始階段面團(tuán)中的蔗糖被轉(zhuǎn)化成部分的果糖,且速度較快,高于ZM103本身含有的果糖被分解的速度。所以導(dǎo)致果糖含量有所上升,后期發(fā)酵過程中蔗糖被分解完,不再轉(zhuǎn)化生成果糖,所以果糖的含量就開始下降。3種小麥粉均在發(fā)酵3 h后檢測不到果糖,說明果糖此時被消耗完全,其中低筋ZM103的消耗速度最快。整體上,3種發(fā)酵方式下,面團(tuán)中的果糖含量隨著發(fā)酵時間的增加呈降低趨勢(圖3-f)。但不同發(fā)酵方式下,果糖被消耗的速度不同。直接發(fā)酵面團(tuán)中果糖含量變化最顯著,從3.047 g/g面團(tuán)(0 min)降低至0.190 mg/g面團(tuán)(90 min);中種發(fā)酵面團(tuán)果糖分解速率次之,但發(fā)酵90 min時果糖含量達(dá)到最低值,果糖被完全分解;老面發(fā)酵面團(tuán)中果糖被分解的速度最為緩慢。在整個發(fā)酵過程中,中種發(fā)酵面團(tuán)中果糖含量始終低于另外兩種發(fā)酵面團(tuán),可能是由于果糖在制作中種面團(tuán)的過程中被分解消耗較多。
在用高效液相色譜法檢測不同發(fā)酵時間及方式可溶性糖含量變化的過程中幾乎檢測不到蔗糖的含量,可能是由于蔗糖很容易就被酵母代謝[21],在發(fā)酵剛開始就被迅速分解。這是由于酵母中存在非?;钴S的轉(zhuǎn)化酶,在揉捏階段將面粉中的蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖。因此,在所有的發(fā)酵面團(tuán)中,蔗糖快速地消耗,在混合樣品制備所需的時間后沒有留下蔗糖。糖類物質(zhì)的消耗與酵母的代謝緊密相關(guān),全面了解發(fā)酵過程中可發(fā)酵糖類物質(zhì)的消耗規(guī)律,有助于發(fā)酵程度的判斷。糖類物質(zhì)可改變面團(tuán)的生化特性甚至物理特性[22],測定糖的含量可為研究其對面團(tuán)性質(zhì)的影響提供基礎(chǔ)。
a-發(fā)酵時間對面團(tuán)中葡萄糖含量的影響;b-發(fā)酵方式對面團(tuán)中葡萄糖含量的影響;c-發(fā)酵時間對面團(tuán)中麥芽糖含量的影響;d-發(fā)酵方式對面團(tuán)中麥芽糖含量的影響;e-發(fā)酵時間對面團(tuán)中果糖含量的影響;f-發(fā)酵方式對面團(tuán)中果糖含量的影響圖3 發(fā)酵過程中面團(tuán)可溶性糖含量變化情況Fig.3 The soluble sugars of dough during fermentation
面團(tuán)發(fā)酵過程中乙醇含量的變化如圖4所示。乙醇含量在發(fā)酵3 h內(nèi)隨著發(fā)酵時間的增加而增加(圖4-a)。3種面粉均在發(fā)酵3 h后其乙醇含量首次達(dá)到峰值,ZM366、AK58和ZM103的乙醇含量分別為4.905、6.312和8.383 mg/g面團(tuán)。隨著面團(tuán)進(jìn)一步發(fā)酵,乙醇含量呈先下降后再上升再下降的趨勢。雖然乙醇含量在長時間發(fā)酵過程中變化波動,但發(fā)酵結(jié)束后乙醇含量相對于開始發(fā)酵時顯著增加。最終3種小麥粉面團(tuán)的乙醇含量相近,約為5 mg/g面團(tuán)。在發(fā)酵后期乙醇含量波動變化主要是因為乙醇不斷和酸類發(fā)生反應(yīng),且乙醇也不斷產(chǎn)生。不同發(fā)酵方式下,面團(tuán)中乙醇含量隨著發(fā)酵時間的增加而增加(圖4-b)。直接發(fā)酵面團(tuán)中的乙醇含量變化最大,老面發(fā)酵面團(tuán)中乙醇含量變化最小。在發(fā)酵90 min后,直接、中種和老面發(fā)酵的面團(tuán)中乙醇的含量分別為4.081、6.100和4.403 mg/g面團(tuán)。
面團(tuán)發(fā)酵過程中另一醇類物質(zhì)即甘油。面團(tuán)發(fā)酵過程中甘油含量的變化如圖4-c和圖4-d所示。可以發(fā)現(xiàn)不同發(fā)酵時間及方式下分別相對應(yīng)的面團(tuán)中甘油含量和乙醇含量的變化趨勢基本一致。這可能是酵母產(chǎn)生甘油的代謝途徑與乙醇相似。發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸、醇等及它們的相互作用形成的新物質(zhì)是構(gòu)成發(fā)酵面制品風(fēng)味的重要成分,將直接影響終產(chǎn)品的風(fēng)味[23],這些相關(guān)物質(zhì)的變化規(guī)律可為發(fā)酵面制品的風(fēng)味分析提供參考;糖酵解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甘油能力等都可能影響?zhàn)z頭等發(fā)酵面制品的品質(zhì)。釀酒酵母發(fā)酵過程中產(chǎn)生的甘油等代謝產(chǎn)物可以有效地改善饅頭質(zhì)構(gòu)特性并延緩饅頭老化,研究這些代謝物質(zhì)的規(guī)律對研究減緩饅頭老化提供依據(jù)[24]。
a-硫化氫發(fā)酵時間對面團(tuán)中乙醇含量的影響;b-硫化氫發(fā)酵方式對面團(tuán)中乙醇含量的影響;c-硫化氫發(fā)酵時間對面中團(tuán)甘油含量的影響;d-發(fā)酵方式對面團(tuán)中甘油含量的影響圖4 發(fā)酵過程中面團(tuán)醇類物質(zhì)含量變化情況Fig.3 The alcohols of dough during fermentation
本研究對3種不同筋力小麥粉高筋ZM366、低筋ZM103及中筋A(yù)K58在面團(tuán)發(fā)酵過程中的可溶性糖(蔗糖、麥芽糖、葡萄糖及果糖)、有機酸(乳酸、乙酸)及醇類物質(zhì)(甘油、乙醇)等主要代謝物的含量進(jìn)行了研究。蔗糖在發(fā)酵面團(tuán)中被酵母迅速分解,在實驗過程中檢測不到蔗糖含量。麥芽糖、葡萄糖和果糖在面團(tuán)發(fā)酵過程中總體呈現(xiàn)下降趨勢,果糖在發(fā)酵3 h后被完全分解。不同筋力小麥粉中糖類物質(zhì)的消耗速度不同,中筋A(yù)K58中葡萄糖的消耗速度最快。面團(tuán)發(fā)酵過程中乳酸、乙酸、甘油和乙醇總體上呈現(xiàn)上升趨勢。前3 h發(fā)酵過程中,各種代謝物質(zhì)含量顯著變化。不同發(fā)酵方式的面團(tuán)中其代謝物的含量變化存在差異,直接發(fā)酵面團(tuán)中各物質(zhì)含量變化最大,老面發(fā)酵面團(tuán)中各物質(zhì)變化幅度較小,中種發(fā)酵面團(tuán)中可溶性糖含量最低,而甘油和乙醇含量較高。發(fā)酵過程中酸、可發(fā)酵糖及代謝產(chǎn)物的變化可為研究這些物質(zhì)對面團(tuán)的影響、發(fā)酵程度及發(fā)酵終產(chǎn)品品質(zhì)及風(fēng)味分析提供參考。