符 恒,袁 爽,陳 杰,趙 寧,劉永峰
(陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院,陜西西安710062)
近年來(lái),隨著人民生活水平的提高,越來(lái)越多的乳制品進(jìn)入人民的生活,其中由新鮮牛奶發(fā)酵成的酸奶由于其豐富的營(yíng)養(yǎng)、特殊的風(fēng)味和口感以及消除了部分人群由于原奶中乳糖引起的“乳糖不耐癥”等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受人們的青睞。酸奶發(fā)酵劑是為制作酸奶和乳酸菌飲料而調(diào)制的特定微生物的培養(yǎng)物[1],主要由保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌組成,其種類和質(zhì)量對(duì)酸奶的品質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。
保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)是一種被冠以國(guó)名的細(xì)菌。該亞種最初是由保加利亞微生物學(xué)家賽德蒙·格里戈羅夫(Stamen Grigorov)在1905年確定并命名,1984年時(shí)韋斯等人又將其確認(rèn)為德式乳桿菌的亞種。
保加利亞乳桿菌個(gè)體形態(tài)為細(xì)桿狀,寬0.1~0.8μm,長(zhǎng)4~6μm,呈現(xiàn)單桿狀或成鏈,兼性厭氧,生長(zhǎng)適宜溫度為44~43℃,最低生長(zhǎng)溫度22℃,最高生長(zhǎng)溫度52.5℃[2]。能發(fā)酵葡萄糖、甘露糖、果糖、乳糖等。在牛奶上培養(yǎng),菌落為無(wú)色到淡白色,通常呈不光滑棉花狀,直徑1~3mm[3]。
作為益生菌中的一員,保加利亞乳桿菌對(duì)人體有非常重要的保健作用。主要具有促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)定殖、清腸、抗腹瀉,維持胃腸道健康[4-6],促進(jìn)消化吸收的作用[7],增加免疫[8]及抗癌、抗腫瘤[9-10]等重要的生理功能。在食品發(fā)酵、工業(yè)乳酸發(fā)酵、飼料行業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域均有比較廣泛的應(yīng)用。
保加利亞乳桿菌是酸奶發(fā)酵劑中應(yīng)用較早的菌種,近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)其抗凍性、抗氧化性和微量元素富集等方面進(jìn)行研究并取得了新的進(jìn)展。
保加利亞乳桿菌是酸奶發(fā)酵常用菌種,對(duì)低溫非常敏感。真空冷凍干燥法是制備乳酸菌菌粉的常用方法,但菌種在凍干過(guò)程中會(huì)造成細(xì)胞損傷或死亡以及酶蛋白分子鈍化,從而降低活菌數(shù)及菌活力[11]。為了提高其發(fā)酵后冷卻及冷凍保藏過(guò)程中的存活率,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者從保護(hù)劑方面和乳酸菌自身抵抗環(huán)境變化的保護(hù)機(jī)制方面進(jìn)行了研究。蒲麗麗等[12]研究比較了多種保護(hù)劑的保護(hù)作用,其中海藻糖的保護(hù)效果最好。關(guān)海濱等[13]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化4種常用凍干保護(hù)劑:乳糖、谷氨酸鈉、抗壞血酸、脫脂奶粉的添加量,為保加利亞乳桿菌的凍干工藝提供了基礎(chǔ)。余華[14]等篩選出來(lái)凍干保加利亞乳桿菌增菌培養(yǎng)基,并確定出了最適發(fā)酵收獲期,為保加利亞乳桿菌增殖培養(yǎng)提供了基礎(chǔ)。雷雨婷等[15]研究了保加利亞乳桿菌的冷適應(yīng)性和冷應(yīng)激蛋白的抗凍保護(hù)作用,研究發(fā)現(xiàn)在冷凍前進(jìn)行20℃預(yù)處理可以使保加利亞乳桿菌的存活率增加100倍,低溫預(yù)處理可以增強(qiáng)菌體抗凍能力,初步推測(cè)低溫誘導(dǎo)冷應(yīng)激蛋白的表達(dá)抵御了冷凍對(duì)保加利亞乳桿菌的傷害,為利用乳酸菌自身的抗凍機(jī)制來(lái)加以遺傳改造,提高乳酸菌凍干存活率以及工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
乳桿菌屬的一些菌株具有抗氧化作用,如瑞士乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等,為了搞清楚保加利亞乳桿菌發(fā)酵乳清的抗氧化活性,劉晶等[16]研究發(fā)現(xiàn)保加利亞乳桿菌在pH6.0,溫度為39℃發(fā)酵乳清可以提高乳清清除羥基自由基和DPPH自由基的能力。在發(fā)酵20h時(shí)達(dá)到最大,均高于未發(fā)酵乳清和保加利亞乳桿菌菌體。該研究對(duì)綜合利用乳清、開(kāi)發(fā)新的功能性乳飲料具有重要的理論和實(shí)踐意義。
微量元素在人體內(nèi)含量少但作用巨大。微量元素的缺乏會(huì)導(dǎo)致一系列疾病,缺鐵會(huì)導(dǎo)致缺鐵性貧血,缺鉻會(huì)導(dǎo)致胰島素功能障礙,誘發(fā)高血糖、高血脂等疾病。為了解決微量元素富集的難題,劉文群等[17]研究了保加利亞乳桿菌通過(guò)生物轉(zhuǎn)化作用將無(wú)機(jī)態(tài)微量元素鉻富集轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)態(tài)微量元素鉻的影響因素。保加利亞乳桿菌的這一生物轉(zhuǎn)化過(guò)程,有利于微量元素的吸收,同時(shí)提高了營(yíng)養(yǎng)和保健作用。
傳統(tǒng)的酸奶發(fā)酵劑主要是保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的混合菌株,兩菌株雖然都可以發(fā)酵乳糖產(chǎn)生乳酸,但其在酸奶中的作用有較大區(qū)別,在不同發(fā)酵階段具有不同的影響。乳酸菌發(fā)酵生成的乳酸使乳的pH下降,當(dāng)pH下降至4.5時(shí),酪蛋白沉淀,乳凝固。酸奶也正是利用這一原理來(lái)生產(chǎn)的[18]。
保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌存在著互利共生的關(guān)系?;旌吓囵B(yǎng)后,兩菌迅速生長(zhǎng)繁殖,大大提高了產(chǎn)酸速度及產(chǎn)酸量,減弱了后酸化程度,并有利于風(fēng)味物質(zhì)(揮發(fā)性物質(zhì)和肽類)的形成[19]。1950年,Pette[20]等人首次證實(shí)保加利亞乳桿菌發(fā)酵乳中的無(wú)菌過(guò)濾物可以促進(jìn)嗜熱鏈球菌的生長(zhǎng)。進(jìn)一步的研究指出,保加利亞乳桿菌對(duì)蛋白水解力較強(qiáng),能將酪蛋白水解成氨基酸和小分子多肽供嗜熱鏈球菌利用。在無(wú)氧或氧含量很低的情況下,嗜熱鏈球菌能代謝產(chǎn)生一些促進(jìn)保加利亞乳桿菌生長(zhǎng)的化合物,如甲酸、丙酮酸等,從而提高保加利亞乳桿菌的酸化能力[21]。
然而近年來(lái)的研究表明,并非所有的嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌菌株之間都是共生關(guān)系,部分菌株存在拮抗作用,即使表現(xiàn)為共生的菌株,在某些機(jī)制上也同樣存在著競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。Vinderola和Mochivilt[22]的研究表明,當(dāng)培養(yǎng)液中含有嗜熱鏈球菌無(wú)細(xì)胞發(fā)酵液時(shí),保加利亞乳桿菌部分菌株的生長(zhǎng)受到明顯的抑制,主要由于無(wú)細(xì)胞發(fā)酵液中具有殺菌作用的蛋白類物質(zhì),能殺死與該細(xì)菌親緣關(guān)系相近的敏感細(xì)菌。Van de Guchte和Ehrlich[23]的研究表明,保加利亞乳桿菌可以產(chǎn)生除乳酸外的多種抑菌物質(zhì),包括過(guò)氧化氫和細(xì)菌素等生長(zhǎng)抑制因素,破壞了球菌和桿菌之間穩(wěn)定的平衡關(guān)系。
研究嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌之間的協(xié)同和拮抗作用,可以為篩選適合工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)良菌株以及制備穩(wěn)定高效的酸奶發(fā)酵劑提供重要的科學(xué)依據(jù),從而保證酸奶制品的品質(zhì)。
保加利亞乳桿菌是乳酸菌中產(chǎn)酸能力最強(qiáng)的菌種,最高產(chǎn)酸量2%,能利用葡萄糖、果糖、乳糖進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵產(chǎn)生D型乳酸。秦南冰[24]等研究發(fā)現(xiàn),接種時(shí)嗜熱鏈球菌占優(yōu)勢(shì)的酸奶發(fā)酵速度整體上快于保加利亞乳桿菌占優(yōu)勢(shì)的酸奶,但當(dāng)桿菌和球菌接種體積比為1∶1時(shí),其產(chǎn)酸速度最快。產(chǎn)酸過(guò)程為β-半乳糖苷酶分解乳糖為葡萄糖和半乳糖。葡萄糖通過(guò)糖酵解途徑生成2分子丙酮酸,再經(jīng)乳酸脫氫酶催化生成乳酸。半乳糖通過(guò)各種酶催化依次生成半乳糖-1-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、葡萄糖-6-磷酸,最后進(jìn)入糖酵解途徑,也被轉(zhuǎn)換成2分子丙酮酸,然后被還原為乳酸。乳酸使奶的pH降低至酪蛋白沉淀產(chǎn)生酸奶。
酸奶在完成正常的發(fā)酵過(guò)程后,在產(chǎn)品貯藏、運(yùn)輸、銷售、食用前乳酸菌仍能繼續(xù)發(fā)酵乳糖產(chǎn)生乳酸,使酸奶的pH繼續(xù)下降,稱作酸奶后酸化過(guò)程。后酸化會(huì)導(dǎo)致酸奶過(guò)酸,感官品質(zhì)降低甚至達(dá)到消費(fèi)者難以接受的程度,嚴(yán)重影響酸奶正常的銷售情況。郭清泉[25]等研究發(fā)現(xiàn)后酸化過(guò)程中,保加利亞乳桿菌將繼續(xù)發(fā)酵乳糖產(chǎn)酸,當(dāng)酸奶的pH下降到3.5時(shí),保加利亞乳桿菌細(xì)胞壁或細(xì)胞膜喪失了調(diào)節(jié)作用,細(xì)胞內(nèi)外pH趨于一致,從而使乳糖酶活性受到抑制,所以增加發(fā)酵劑中嗜熱鏈球菌的比例,可有效減弱酸奶的后發(fā)酵。
防止后酸化的方法多種多樣,孫懿琳等[26]通過(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出了天然弱后酸化菌株,可保證乳制品口感良好,酸度適中,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。然而在乳酸菌中,控制后酸化最好的方法是控制保加利亞乳桿菌的生長(zhǎng)和能量代謝[27]。龐啟亮等[28]利用新霉素篩選保加利亞乳桿菌H+-ATPase是原有親本活性的60%,通過(guò)高密度發(fā)酵,對(duì)篩選菌株后酸化活性檢測(cè),并篩選出適宜增殖培養(yǎng)基,為保加利亞乳桿菌H+-ATPase酶缺陷型菌株延緩后酸化發(fā)酵劑的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
酸奶的典型香氣和風(fēng)味來(lái)源于乳酸和羰基化合物。乳酸賦予酸奶一定的酸度和爽滑的口感,而羰基化合物則構(gòu)成酸奶獨(dú)特的風(fēng)味。酸奶中存在的羰基化合物主要有乙醛和丁二酮。保加利亞乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵乳糖產(chǎn)生D型乳酸,有酸澀味,適口性差,研究發(fā)現(xiàn)保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌在共生條件下,嗜熱鏈球菌中與蘇氨酸生物合成途徑相關(guān)的thrB基因產(chǎn)生了超表達(dá)現(xiàn)象,這說(shuō)明很可能改變了參與酸乳中重要風(fēng)味物質(zhì)乙醛生成的蘇氨酸的合成[29],所以混合發(fā)酵提高了氨基酸以及短肽的產(chǎn)量,改善了酸奶的產(chǎn)品風(fēng)味。實(shí)際上,許多氨基酸和短肽都是酸乳中的風(fēng)味物質(zhì)或是風(fēng)味物質(zhì)的前體。
選購(gòu)酸奶時(shí),人們一般都偏愛(ài)黏稠質(zhì)地、口感柔和的酸奶,所以企業(yè)中普遍添加了穩(wěn)定劑,但人為添加穩(wěn)定劑可能會(huì)對(duì)酸奶的風(fēng)味和品質(zhì)造成不利影響,進(jìn)而降低了酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。牛乳發(fā)酵后黏度增加有兩個(gè)原因:一是蛋白增加了發(fā)酵乳的黏稠度;二是保加利亞乳桿菌產(chǎn)生的胞外多糖多聚物作為增稠劑、膠凝劑增加了發(fā)酵乳的黏稠度[30]。胞外多糖(EPS)是酸奶發(fā)酵過(guò)程中天然產(chǎn)生的黏性物質(zhì),將有助于改善酸乳的組織狀態(tài)和黏度,特別是對(duì)固形物含量低的酸乳尤為重要。一般來(lái)說(shuō),乳桿菌產(chǎn)胞外多糖量不高,而嗜熱鏈球菌可以大量的產(chǎn)生胞外多糖(EPS)。同時(shí)胞外多糖也是一種物理穩(wěn)定劑,能夠結(jié)合水并限制物料脫水收縮[31],賦予產(chǎn)品吸引人的外觀和令人滿意的口感。
酸奶是以鮮牛奶為原料,由保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌共同發(fā)酵的產(chǎn)品。保加利亞乳桿菌是發(fā)酵酸乳必須菌株。2005年,內(nèi)蒙古蒙牛集團(tuán)股份有限公司與益生菌研究機(jī)構(gòu)丹麥科漢森公司攜手合作,研制最適合中國(guó)人的、高品質(zhì)的LABS益生菌群,其中L指保加利亞乳桿菌,A指嗜酸乳桿菌,B指雙歧桿菌,S指嗜熱鏈球菌,四種菌共同作用,發(fā)揮更優(yōu)越的營(yíng)養(yǎng)保健功能。在蒙牛酸奶、酸酸乳等一系列低溫產(chǎn)品中均有添加。蒙牛不僅帶給消費(fèi)者優(yōu)質(zhì)的酸奶,更把益生菌的知識(shí)傳遞給了消費(fèi)者。目前市面上的乳品品牌如蒙牛、伊利、光明等的酸奶制品都是由保加利亞乳桿菌混合其他乳酸菌發(fā)酵制成的。由此可見(jiàn),作為酸奶發(fā)酵劑中的重要組成部分,保加利亞乳桿菌在酸奶制品中應(yīng)用廣泛。
選育出發(fā)酵性能優(yōu)良,抗冷凍干燥性強(qiáng),后酸化弱的保加利亞乳桿菌是乳品廠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)酸奶制品的前提,也是發(fā)展制備高效濃縮型酸奶發(fā)酵劑的基礎(chǔ)。楊瑩[32]等通過(guò)從國(guó)內(nèi)知名酸奶產(chǎn)品及國(guó)外直投式發(fā)酵劑中分離選育出發(fā)酵性能優(yōu)良、抗冷凍干燥性強(qiáng)、后酸化力弱的5株桿菌(ADR、S-1、SY、TX-B、MS2),并將其與優(yōu)良的球菌進(jìn)行優(yōu)化搭配,組成發(fā)酵劑,通過(guò)鮮奶發(fā)酵實(shí)驗(yàn),選育出可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)酸奶的乳酸菌種(株),制得的產(chǎn)品香氣濃郁,酸甜適宜。程艷宇[33]通過(guò)牛奶發(fā)酵實(shí)驗(yàn)篩選出具有優(yōu)良發(fā)酵特性的3株保加利亞乳桿菌L3、LB、M28。此3株菌在對(duì)發(fā)酵的牛乳產(chǎn)酸、產(chǎn)粘及發(fā)酵乳組織狀態(tài)、風(fēng)味口感和后酸化方面各有優(yōu)勢(shì),都具有較強(qiáng)蛋白分解能力,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可根據(jù)需求選擇單獨(dú)或搭配使用。
保加利亞乳桿菌在食品發(fā)酵領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛,并且乳酸菌的生理保健功能也日益被大家接受。隨著科技的進(jìn)步,在分子生物和基因工程領(lǐng)域,保加利亞乳桿菌的應(yīng)用還將更加廣泛,前景更加美好。
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