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(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院),山東省科學院生物研究所,山東濟南 250103; 2.好當家集團食品檢測中心,山東榮成 264305; 3.建國大學(韓國),分子生命工學學科,韓國首爾 143701)
發(fā)酵豆制品在全世界有著悠久的歷史,大豆中含有的抗營養(yǎng)因子經(jīng)過浸泡、蒸制被破壞;在發(fā)酵過程中,大分子物質(zhì)被微生物酶解,變得更容易吸收,并且發(fā)酵后大豆的風味也得到了改善。發(fā)酵的過程中,蛋白質(zhì)和多糖類物質(zhì)在發(fā)酵菌株的作用下,生成各種氨基酸和可溶性寡糖類物質(zhì),從而產(chǎn)生特有的風味。韓國代表性的大豆發(fā)酵制品有大醬、清麴醬、干醬等,于此相類似的發(fā)酵豆制品在中國、日本等亞洲地區(qū)有著悠久的歷史[1]。
傳統(tǒng)的大豆發(fā)酵類產(chǎn)品在制作過程中應用了多種微生物,主要以Aspergillus屬、Penicillium屬為常見菌株,根據(jù)地域不同,其他類型的豆豉中也發(fā)現(xiàn)了Mucor屬,、Rhizopus屬、Absidia屬等[2]。中國的細菌型豆豉多以Bacillussp.為主要發(fā)酵菌株,其中B.megaterium和B.subtilis較多。迄今為止,世界各地的發(fā)酵大豆產(chǎn)品中分離了多種菌株,經(jīng)鑒定,絲狀菌多為Aspergillus屬、Rhizopus屬、Absidia屬、Mucor屬菌株,細菌類多為B.subtilis、B.pumilus菌株,酵母類以Saccharomyces較為常見[3]。A.oryzae是大豆發(fā)酵工藝中常見的曲霉菌株之一,能產(chǎn)生優(yōu)良的蛋白酶和淀粉酶,使豆類或谷物類在發(fā)酵期間產(chǎn)生獨特的醬香味[4]。張建華[5]在曲霉型豆豉發(fā)酵機理研究中,通過優(yōu)化發(fā)酵工藝改良了豆豉的風味。黃占旺[6]在納豆混菌發(fā)酵技術(shù)研究中,利用A.oryzae和B.natto菌協(xié)同發(fā)酵技術(shù),提高了大豆制品中nattokinase酶活性和氨基酸含量,并且改善了其風味口感。劉錦繡等[7]的研究結(jié)果顯示,利用不同株枯草芽孢桿菌發(fā)酵的大豆,比單一菌株發(fā)酵大豆的中游離態(tài)異黃酮含量更高,且抗氧化能力更強。同時,毛霉屬也是在發(fā)酵食品中廣泛應用的菌株之一,在永川豆豉發(fā)酵中以M.racemosus為主。夏巖石等[8]在利用毛霉菌優(yōu)化豆豉前發(fā)酵的研究中發(fā)現(xiàn),發(fā)酵過程中蛋白酶活性的提高,使大豆蛋白得到更充分的水解,氨基態(tài)氮含量升高的同時,發(fā)酵大豆的硬度下降,改善了毛霉豆豉的品質(zhì)。
目前,大豆發(fā)酵方向的研究工藝很多,但利用細菌和霉菌進行混合發(fā)酵的工藝并不常見。本研究不僅利用三種單一菌株發(fā)酵大豆,并且利用混菌發(fā)酵工藝對大豆發(fā)酵食品的品質(zhì)特性進行了改善,對總計7種樣品進行品質(zhì)特性分析,以期為發(fā)酵大豆制品的工藝改進提供理論依據(jù)。
Aspergillusoryzae(KACC 40247)、Mucorracemosus(KACC 40270) 購自韓國農(nóng)業(yè)微生物保存中心(Korean Agricultural Culture Collection);B.subtilis菌株 分離于韓國市售清麴醬(cheonggukjang);營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基、脫脂乳粉、馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基、營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基 美國Becton Dickinson and Company公司;食鹽 山東肥城精制鹽廠;大豆 韓國首爾地區(qū);其他試劑 均為化學純,韓國Samchun Pure Chemical公司。
pH計 美國Woonsocket;CR-400色度計 日本Konica Minolta Inc.。
1.2.1 菌株的分離B.subtilis菌株的培養(yǎng):取清麴醬1 g于9 mL滅菌蒸餾水中,振蕩30 min后,經(jīng)稀釋10-5~10-7后,在含有2%脫脂乳粉的營養(yǎng)瓊脂平板培養(yǎng)基上涂布分離,并在37 ℃培養(yǎng)24 h。接種前取1個菌落,于營養(yǎng)液體培養(yǎng)基中,在37 ℃搖床中120 r/min轉(zhuǎn)速下,培養(yǎng)48 h。
A.oryzae及M.racemosus霉菌的培養(yǎng):干燥菌體用2 mL滅菌水制成懸濁液后,經(jīng)稀釋至10-7后,在馬鈴薯葡萄糖瓊脂平板培養(yǎng)基上涂布分離,并在28 ℃下培養(yǎng)96 h。接種前取少量孢子,置于馬鈴薯葡萄糖液體培養(yǎng)基中,培養(yǎng)3~4 d,待孢子長出為止。
1.2.2 大豆發(fā)酵工藝流程
1.2.2.1 細菌型發(fā)酵 精選大豆1 kg洗凈,置于純凈水中浸泡20 h,在120 ℃下蒸煮2 h至大豆完全熟軟。待冷卻后,將準備的B.subtilis種子液10 mL(2%)均勻接種于大豆表面,37 ℃下發(fā)酵 48 h。隨后接種3%食鹽,并攪拌均勻,于20 ℃下進入后熟(后酵)階段。該樣品命名為B。
1.2.2.2 霉菌型發(fā)酵 霉菌型發(fā)酵工藝在孫成行[9]的基礎(chǔ)上進行修改。大豆浸泡蒸煮后,接種霉菌懸液5 mL(1%),置于28 ℃下發(fā)酵96 h至孢子長出。添加3%食鹽均勻攪拌后,放入35~38 ℃進入后熟階段。接種A.oryzae菌株的樣品命名為A,接種M.racemosus的樣品命名為M。
1.2.2.3 混菌型發(fā)酵 在蒸煮好的大豆表面先接種2%的B.subtilis菌株,于37 ℃下發(fā)酵48 h,再接種1%的A.oryzae菌株,在28 ℃下二次發(fā)酵96 h。加入3%的食鹽攪拌后35 ℃下進行后熟,并命名該樣品為BA。
在蒸煮好的大豆表面先接種1%的A.oryzae菌株,置于28 ℃下發(fā)酵96 h,再接種2%的B.subtilis,于37 ℃下發(fā)酵48 h。加入3%的食鹽攪拌后在25 ℃下后熟。并命名該樣品為AB。
樣品BM依照BA的制作工藝,樣品MB遵從AB的制作工藝。各個樣品在后熟階段中的0、1、3、5、7、9 d進行取樣保存,待用。
1.2.3 指標的測定
1.2.3.1 粗酶液的制備 各取10 g發(fā)酵大豆,加入100 mL蒸餾水,室溫下振蕩30 min后,10000 r/min離心20 min,取上清液為待測粗酶液。
1.2.3.2 粗蛋白酶活性測定 蛋白酶活性測定方法依照Anson[10]方法實施。樣品每1 g作用生成酪氨酸1 μg作為1 U。
1.2.3.3 粗淀粉酶活性測定 粗淀粉酶活性的測定按照DNS方法[11],測定一定時間內(nèi)粗酶液水解淀粉后得到葡萄糖的量進行換算。酶活性定義為1 min 1 μg葡萄糖的生成量為1 U活性。
1.2.3.4 還原糖含量測定 還原糖含量測定同樣依照DNS方法[11],取1 mL樣品粗酶液,加入3 mL DNS試劑,后續(xù)操作同粗淀粉酶活性測定。還原糖計算公式為:
式(1)
式中:A-樣品的還原糖含量(mg);D-稀釋倍數(shù);S-樣品的質(zhì)量(g)。
1.2.3.5 氨基態(tài)氮含量測定 福爾馬林溶液加2~3滴酚酞指示劑,用0.1 mol/L NaOH中和至紅色。取10 g發(fā)酵大豆樣品,加入100 mL蒸餾水中,微沸后定容至250 mL,過濾取上清液25 mL至20 mL中性福爾馬林溶液,并加入20 mL蒸餾水。對照組在樣品濾液中加入40 mL蒸餾水。用4 g/L NaOH分別滴定至微紅色,通過消耗的NaOH量計算氨基態(tài)氮含量[12]。
式(2)
式中:V1-實驗組消耗量(mL);V0-對照組消耗量(mL);F-4 g/L NaOH溶液的當量;D-稀釋倍數(shù);S-樣品取量(g);0.0014-4 g/L NaOH溶液1 mL相對應氮含量(g)。
1.2.3.6 銨態(tài)氮含量測定 取氨基態(tài)氮測定實驗相同濾液0.1 mL,加入A溶液和B溶液各2 mL,37 ℃反應20 min后,630 nm處測定其吸光度。用(NH4)2SO4做標準曲線。A溶液:苯酚 10 g和硝普鈉 0.05 g溶于1 L蒸餾水中。B溶液:Na2HPO4·12H2O 9 g,NaOH 6 g,NaOCl 10 mL溶于1 L[13]。
1.2.3.7 pH與滴定酸度測定 取粗酶液10 mL,用pH計直接測定樣品的pH;滴定酸度需要取粗酶液20 mL,用4 g/L NaOH滴定至pH8.2所消耗的量進行計算。
式(3)
式中:a-4 g/L NaOH溶液消耗量;f-4 g/L NaOH 酸堿價;0.009-4 g/L NaOH溶液 1 mL相當于中和酸的克數(shù);Sm-樣品量;Ssg-樣品比重。
1.2.3.8 色度測定 用色度計對凍干后樣品的明度L*值、紅色度a*值、黃色度b*值進行測定,反復5次取平均值。標準白色版標準為L*(87.1),a*(0.3159),b*(0.3231)。
每個實驗平行測定四次,數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0進行處理,通過ANOVA利用Duncan’s multiple range test進行顯著性差異分析(p<0.05)。
通過圖1可知,后熟初期所有樣品的粗蛋白酶活性呈上升趨勢,后隨著時間推移有下降的趨勢。樣品B和AB在后熟5 d現(xiàn)出最大活性(B:(257.32±3.04) U/g,AB:(161.91±0.81) U/g)。但樣品BA((95.07±0.44) U/g),M((201.21±2.76) U/g),MB((248.71±6.72) U/g)和BM((175.83±2.60) U/g)在第3 d達到最大活性。樣品A在第7 d活性最高((248.47±5.01) U/g)。
圖1 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的蛋白酶活性變化Fig.1 Changes of protease activity in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
樣品AB和BA比較中,A.oryzae先接種的樣品酶活性更高,同樣M.racemosus先接種的MB比BM酶活性更高。所有樣品中,在后熟后期,營養(yǎng)源和氧含量不足導致微生物生長減少,造成酶活性下降。
袁小娟[14]在利用Mucor屬和Bacillus屬菌株1∶1接種發(fā)酵的大豆制品中蛋白酶活性較高。劉錦繡[15]在兩種混菌豆豉發(fā)酵72 h期間,測得其蛋白酶活性成上升趨勢,與本研究結(jié)論相同。方雅潔等[16]研究的結(jié)論中,混合M.mucedo和B.natto菌株接種4%后發(fā)酵56 h時,風味最佳且蛋白酶活性最高,與本研究中的樣品MB比M有更高的蛋白酶活性的結(jié)論一致。
各樣品粗淀粉酶活性的測定結(jié)果如圖2所示,后熟期間M.racemosus發(fā)酵組淀粉酶活性最高,其余各組結(jié)果差異不大。M組合BM組后熟第1 d酶活性最大,之后緩慢降低,樣品B、A和MB在后熟第5 d達到最高活性。
圖2 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的淀粉酶活性變化Fig.2 Changes of amylase activity in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
本實驗中Aspergillus屬菌株參與發(fā)酵組中,測得最大活性為AB>A>BA順序,可得知A.oryzae先接種的實驗組比B.subtilis先接種實驗組的淀粉酶活性高,這與蛋白酶活性測定實驗中的結(jié)論一致。
孫成行[9]在混合菌發(fā)酵豆豉制作工藝的研究中表明,菌株接種方式不同將產(chǎn)生酶活性差異。混菌接種后的發(fā)酵和后熟期間,不同菌株之間存在營養(yǎng)成分競爭關(guān)系,也會存在多種代謝產(chǎn)物相互作用,導致多種酶活性的環(huán)境發(fā)生變化。劉錦繡[15]在研究中利用兩種B.subtilis同時混合接種發(fā)酵,結(jié)果顯示,β-glucosidase酶活性有所增加,與本實驗結(jié)果相似。本實驗中結(jié)果中可知,樣品AB、A和B的淀粉酶最大活性為AB>A>B,這表明,在混合接種發(fā)酵時樣品AB比單一菌株發(fā)酵的A和B樣品淀粉酶活性高。
各樣品還原糖含量變化如圖3所示。M.racemosus菌種接種的樣品中還原糖相對于其他樣品組更高。樣品M和MB在后熟其間還原糖含量與其他組的變化趨勢相似,樣品M中還原糖含量在0 d時為0.94%,1 d時上升到1.17%,并在第9 d時,下降到0.99%。樣品MB中第1 d時,含量最高為,0.43%,第9 d時減少為0.29%。樣品B、AB和BM中后熟3 d時分別為0.73%、0.81、0.32%,隨后呈下降趨勢。樣品BA和A中還原糖含量隨后熟時間一直保持下降趨勢且無明顯差異。
圖3 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的還原糖含量變化Fig.3 Changes of reducing sugar contents in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
本實驗結(jié)果與淀粉酶活性結(jié)果中,樣品M活性最高,因此在較高淀粉分解能力下,還原糖濃度也比其他組高。比較樣品AB和BA還原糖的最高含量,樣品AB在后熟第3 d達到0.81%,BA在后熟0 d時為0.71%,A.oryzae先接種的樣品比B.subtilis先接種的樣品中還原糖最高量更高。后熟期間樣品B和A的還原糖含量為0.74%、0.44%。混菌發(fā)酵的樣品AB和BA與單菌發(fā)酵樣品B還原糖含量差異不大,但比單菌發(fā)酵樣品A有所增加。
孫成行[9]在利用Aspergillus屬和Bacillus屬菌株混合發(fā)酵大豆的研究中指出,0~24 h中,還原糖含量上升到18.638 mg/g之后呈下降趨勢,這與本實驗中還原糖含量變化趨勢一致。龍菊等[17]在利用M.mucedo菌株發(fā)酵腐乳的研究中測得,還原糖最高含量為1.1 g/100 g,與本實驗中單一菌株發(fā)酵樣品M中測得的還原糖含量(1.17%)相近。張建華[18]在利用Aspergillus發(fā)酵豆豉的研究中測得,還原糖含量在后熟24 h時上升至25 mg/g,隨后在72 h內(nèi)急速下降,這與本實驗中樣品M、AB、MB中還原糖的變化趨勢相似。
從圖4可以得出,大部分樣品的氨基態(tài)氮含量在后熟0~9 d期間保持上升的趨勢,其中樣品A中氨基態(tài)氮最終含量測得為1.77%,高于其余組。樣品MB、B、AB、BA分別為1.65%、1.17%、0.63%、0.45%。粗蛋白酶活性測定結(jié)果(圖1)中酶活性為A>AB>BA,樣品MB和A的蛋白酶最高活性相近,這與本實驗中氨基態(tài)氮含量的變化一致。并且,大豆發(fā)酵期間,菌株蛋白酶生成的同時分解蛋白質(zhì),得到的氨基肽氮含量也在增加。
圖4 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的氨基態(tài)氮含量變化Fig.4 Changes of amino type nitrogen in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
胡鵬[19]測得利用Mucor菌株發(fā)酵豆豉中氨基態(tài)氮含量在后熟初期隨著蛋白質(zhì)分解積累,在后期沒有明顯變化,這與本實驗中的結(jié)果一致。張建華[18]在Aspergillus-type豆豉的研究中得出,在蛋白酶的作用下,后熟期產(chǎn)氨基酸比發(fā)酵期間更多,單一菌株發(fā)酵后后熟15d時氨基態(tài)氮含量高達1.76%。黃占旺等[6]利用A.oryzae和B.natto混菌發(fā)酵豆豉在后熟60 h期間測得氨基態(tài)氮含量呈持續(xù)上升趨勢。
銨態(tài)氮含量變化如圖5中顯示,樣品B和其他組樣品中銨態(tài)氮含量存在較大差異。樣品B利用了單一細菌發(fā)酵大豆,形成了細菌型豆豉(韓國清麴醬)特有的風味。在蛋白酶的作用下,大分子蛋白質(zhì)不僅分解成氨基酸,氮元素也存在于銨態(tài)氮中。所以,蛋白酶活性的結(jié)果中,樣品B雖然酶活性較高,但在氨基態(tài)氮含量測定中數(shù)值偏低(圖5),蛋白質(zhì)中的氮元素轉(zhuǎn)化成了銨態(tài)氮。
圖5 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的銨態(tài)氮含量變化Fig.5 Changes of ammoniacal nitrogen in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
樣品AB和B中銨態(tài)氮含量都在后熟期間成上升趨勢,但樣品B在第9 d達(64.64±0.31) mg/mL,比樣品AB((20.68±0.02) mg/mL)含量更高。樣品BA中銨態(tài)氮含量也呈上升趨勢,但與樣品B相比含量很低。并且,樣品A、BA、M、MB、BM中的銨態(tài)氮含量較低,測得出其范圍為1.64~8.84 mg/mL。
由圖6得知,所有樣品稀釋液的pH呈下降趨勢。樣品BM的pH在后熟期間從7.94±0.01下降到7.56±0.02;樣品MB的pH從7.75±0.01下降到7.433±0.01,兩者相近。樣品B在后熟0~9d期間從6.799±0.12下降到6.122±0.11;樣品M從6.68±0.02下降到6.21±0.01;樣品A的變化范圍為6.14±0.01~5.83±0.01。樣品BA從6.03±0.01下降到5.46±0.01,與AB沒有明顯差異。
圖6 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的pH變化Fig.6 Changes of pH in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
大豆接種菌株后的發(fā)酵和后熟期間,在各種生物酶的作用下,分解大分子營養(yǎng)成分生成氨基酸或代謝生成有機酸,導致pH下降。張建華[18]在多種豆豉的研究中發(fā)現(xiàn),發(fā)酵期間和后熟0~15d期間的豆豉pH變化范圍為5~6,豆豉pH變化也與大豆的品種和浸泡時間以及發(fā)酵菌株差異有著相關(guān)性。汪立君[20]在利用Aspergillus菌株發(fā)酵豆豉的研究中發(fā)現(xiàn),接種量不同會影響后熟期間pH的變化,且其范圍為7.5~5,與本實驗結(jié)果范圍相似。胡鵬[19]毛霉型豆豉的研究中發(fā)現(xiàn),后熟期間中pH呈下降趨勢,并推斷蛋白質(zhì)和碳水化物的分解、有機酸的生成有相關(guān)關(guān)系。這些文獻中的結(jié)果與本研究中的結(jié)論一致。
由圖7中可以看出,所有樣品的滴定酸度均呈上升趨勢。樣品BA在后熟期間的酸度從0.10%上升到0.19%,樣品A從0.06%上升至0.17%。樣品M的酸度則呈緩慢上升至0.11%。其余樣品B、MB和BM的滴定酸度變化不大。Joo[21]在清麴醬的后熟11 d期間測得,總酸含量保持上升趨勢,與本實驗結(jié)果一致。胡鵬[19]在毛霉型豆豉的相關(guān)研究中測得,后熟期間總酸含量呈上升趨勢。汪立君[20]在利用Aspergillus屬菌株發(fā)酵豆豉中發(fā)現(xiàn),菌株接種量不同的豆豉中,接種量為104cfu/g時,樣品在后熟期間酸度變化范圍為2.455%~4.277%,當接種量為106cfu/g時,酸度為1.385%~2.034%,該研究中的酸度變化范圍和上升趨勢與本實驗結(jié)果接近。
圖7 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的酸度變化Fig.7 Changes of titratable acidity in soybeans fermented by different microorganisms with aging time
用不同發(fā)酵菌株制得的樣品在后熟期間色度的變化結(jié)果(L*、a*、b*)如表1所示。所有樣品的L*值變化范圍為43.5~88.98,其中樣品MB和BM的L*值較低,比其他組樣品顏色深,并且后熟0~9 d期間,L*值有降低的趨勢。這是因為,大豆在發(fā)酵后的后熟期間發(fā)生了褐變反應,導致明度下降。本實驗中,樣品AB和BA的L*值最高,樣品A為霉菌豆豉,制作工藝與韓國大醬相仿,在后期后熟階段最終L*值為51.51。
表1 不同菌株發(fā)酵大豆在后熟期間的色度變化(n=4)Table 1 Changes of color value in dry powder of soybeans fermented by different microorganisms with aging time(n=4)
后熟期間紅色度(a*值)有明顯差異,范圍在2.8~12.99之間。樣品A在0~9 d期間,從2.8上升至9.76,有明顯的變化。同時,樣品BA在6.09~8.5,M在6.86~12.99,BM在9.46~12.97之間,紅色度呈上升趨勢。樣品B在后熟期間從7.03下降至6.89。樣品AB也有相同的變化趨勢。樣品MB變化區(qū)間為10.24~11.42之間,其余樣品a*值變化不大。
黃色度(b*值)在各樣品間的差異并不大,后熟期間整體變化范圍為30.18~37.66。這是由于使用了單一品種的大豆進行實驗所致。Minhwa[22]利用不同品種的大豆制作清麴醬,其黃色度變化范圍在7.49~15.42之間。汪立君等[23]在米曲霉豆豉的研究中發(fā)現(xiàn),后熟期間L*值持續(xù)下降,有較大差異,但a*和b*值沒有明顯變化。但本實驗中的褐變現(xiàn)象較為明顯,可能是因不同的接種方式和制作工藝產(chǎn)生了不同程度的顏色加深。大豆在發(fā)酵食品中的褐變原因主要是由于在后熟期間,原料自體含有的蛋白、多肽、糖類等多種碳源成分生成melanine類的黑色素成分。Go[24]在研究中將此類豆發(fā)酵食品中發(fā)生的褐變反應稱之為著色現(xiàn)象。
發(fā)酵微生物生成的一部分酶在氧氣接觸下也作用于食品的褐變反應。其中B.subtilis、B.niger等Bacillus屬菌株生成酪氨酸酶結(jié)合氧以及金屬離子發(fā)生發(fā)酵中的褐變效應[25]。
本研究利用B.subtilis、A.oryzae和M.racemosus3種不同的微生物,結(jié)合韓國清麴醬、大醬,中國豆豉的發(fā)酵技術(shù)制作了7種不同的發(fā)酵大豆樣品。在其后熟(后酵)期間測定了各樣品的酶活性、還原糖含量、氮含量、pH、酸度、色度的變化。通過對各項指標的分析評價得知,后熟0~9 d期間,樣品B的蛋白酶活性最高((257.32±3.04) U/g);樣品M的還原糖在后熟第1 d達到1.17%,高于其他樣品。樣品A和MB氨基態(tài)氮含量較高,樣品B中態(tài)氮含量最高。所有樣品的pH呈下降趨勢,而滴定酸度變化范圍則相反,從0.02%上升到0.19%。在后熟9 d期間各樣品色度中的L*值呈持續(xù)下降趨勢,樣品MB褐變現(xiàn)象明顯。單一菌株接種時,樣品A的品質(zhì)較好,混合菌株接種時,樣品MB的綜合評價高于其他樣品。因此,利用M.racemosus和B.subtilis混菌發(fā)酵工藝可以改進發(fā)酵大豆的品質(zhì)特性。