解淀粉乳桿菌L6發(fā)酵的全谷物酸奶及其功能性研究

蘇穎晶,李 理*,余保寧,彭小霞

(1.華南理工大學 食品科學與工程學院,廣東 廣州 510640；2.廣東燕塘乳業(yè)股份有限公司,廣東 廣州 510507)

酸奶以其高營養(yǎng)和獨特風味深受消費者的喜愛。然而普通酸奶存在含糖量高、餐后升血糖指數(shù)高等缺陷,不適宜肥胖人士以及糖尿病患者食用［1］。隨著飲食結(jié)構(gòu)的變化,我國Ⅱ型糖尿病及肥胖的發(fā)病率日益增高,針對此類群體有控制血糖、控制熱量、增加攝入膳食纖維［2］的特點,開發(fā)新型全谷物保健酸奶具有必要性和應用前景廣闊［3］。

全谷物中含有天然的葡萄糖苷酶抑制劑,對Ⅱ型糖尿病有預防和輔助治療作用［4］。全谷物粉所含有的微量元素能促進酸奶菌種的生長繁殖、淀粉能改善酸奶質(zhì)構(gòu)；全谷物經(jīng)過菌種發(fā)酵后,結(jié)合態(tài)的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成游離態(tài),提高了吸收利用率,兩者相輔相成。綜合國內(nèi)外的研究進展,針對Ⅱ型糖尿病患者人群開發(fā)的功能性酸奶研究較少：包一楓等［5］把全谷物汁添加到酸奶中；BOSNEA L A等［6］利用蘋果片、干葡萄片和小麥谷物制備益生酸奶；WANGC等［7］把玉米添加到酸奶中。以上研究均得到風味較好的谷物酸奶,但存在谷物添加量過少、谷物種類單一、發(fā)酵菌種不恰當?shù)惹啡?。從黃漿水中分離得到的解淀粉乳桿菌(Lactobacillusamylolyticus)L6是一株理想的生產(chǎn)全谷物酸奶的菌種［8］。經(jīng)過基因鑒定與前期研究,證實該菌株適合在酸奶環(huán)境中生長,進行同型發(fā)酵,同時分泌的胞外普魯蘭酶可分解谷物淀粉中的1,6-糖苷鍵,配合酸奶的后熟工藝,促進全谷物酸奶中慢消化、難消化物質(zhì)的形成［9］。

本研究選擇山藥、薏米、核桃、紅豆、黑芝麻膨化粉作為原料添加到酸奶中。在增大全谷物粉的添加濃度同時創(chuàng)新性地利用從黃漿水中分離的解淀粉乳桿菌L6作為發(fā)酵劑。通過解淀粉乳桿菌L6發(fā)酵,將牛乳與擠壓膨化后超微粉碎的全谷物粉為原料,制備出一種新型保健酸奶,研究其理化性質(zhì)、流變性質(zhì)、抗氧化性質(zhì)、抗消化特性,以期為開發(fā)一類肥胖人士及糖尿病患者可食用的酸奶作初步研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳粉：新西蘭恒天然有限公司；預糊化山藥粉、薏米粉、紅豆粉、核桃粉、黑芝麻粉、火麻仁粉：廣州泰民股份有限公司；蔗糖：廣東光華科技股份有限公司；發(fā)酵菌種：解淀粉乳桿菌(Lactobacillus amylolyticus)L6(保藏號為CGMCCNO.9090)：從黃漿水中自主分離；其他試劑為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

LDZX-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器：上海申安醫(yī)療器械廠；DHG-9156A型電熱鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；AL204-IC電子天平、T25 digital ULTRA-TURRAX高速剪切均質(zhì)機：德國IKA公司；PXY-190S-A生化培養(yǎng)箱：廣東韶關科力儀器有限公司；SZX超凈工作臺：吳江凈化設備總廠；Seven S20型pH計：瑞士梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；CR22G高速冷凍離心機：日本日立公司；UV-2300紫外分光光度計：上海天美科學儀器有限公司；Mcr301流變儀：德國Haake公司。

1.3 方法

1.3.1 全谷物酸奶制作基本工藝流程與操作要點

低脂乳粉＋擠壓膨化后超微粉碎的全谷物粉＋蔗糖→復合乳→高壓剪切均質(zhì)→殺菌→冷卻→接種解淀粉乳桿菌L6工作發(fā)酵劑→發(fā)酵→攪拌→分裝→冷藏

操作要點：

全谷物預處理：全谷物粉擠壓膨化后超微粉碎,備用。

發(fā)酵劑制備：配制12%的脫脂培養(yǎng)基,115℃滅菌10min,接入10%的解淀粉乳桿菌L6,42℃靜置培養(yǎng)12 h即為母發(fā)酵劑。在脫脂乳培養(yǎng)基中接種10%的母發(fā)酵劑,母發(fā)酵劑在上述培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接2～3次即可作為工作發(fā)酵劑。

調(diào)配、均質(zhì)、混勻：準確稱量全谷物粉、乳粉和蔗糖,參照表1配制4種復原乳,并于60℃水浴保溫30 min,再經(jīng)過高速剪切均質(zhì)(8 000 r/min、2 min),混合均勻。

表1 全谷物酸奶的原料配方Table 1 Experimental design of wholegrain yogurt g/100 mL

殺菌、冷卻：將均質(zhì)后的樣品于115℃滅菌10 min,冷卻至室溫后在超凈工作臺上進行接種。

接種、發(fā)酵：在4種復原乳中接種10%的解淀粉乳桿菌L6,混勻后經(jīng)42℃發(fā)酵24 h后充分攪拌。

冷藏后熟：將發(fā)酵的全谷物酸奶置于4℃冰箱中靜置24 h,即得酸奶樣品。

1.3.2 原料中淀粉含量、蔗糖、乳糖含量的測定

原料中的淀粉含量按照國標GB 5009.9—2016《食品安全國家標準食品中淀粉的測定》［10］中的方法進行測定,從而計算理論葡萄糖消耗量。蔗糖和乳糖含量的測定根據(jù)國標GB 5009.8—2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》中的方法測定。

1.3.3 理化指標分析

pH值的測定：樣品后熟完成后,從冰箱中取出恢復至室溫,使用玻璃棒攪拌均勻,使用pH計測定,每次測定3組平行樣品。

酸度值的測定：按照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準食品酸度的測定》方法測定酸度［11］,以酚酞為指示劑,0.1 mol/L的NaOH溶液為滴定液,記錄NaOH溶液的消耗體積,酸度結(jié)果用°T計。

持水力的測定：取30 g樣品,在20℃、410×g條件下離心10 min,倒出乳清后稱質(zhì)量。持水力計算公式如下：

1.3.4 流變學特性測定

按照參考文獻［12］測定剪切掃描和頻率掃描。首先,順時針攪拌樣品10次,逆時針10次。選用直徑40 mm的不銹鋼平板探頭,平板與底面的間隙為1 mm,測試溫度控制在(25.0±0.5)℃。頻率固定在1 Hz,從0～50%應變范圍進行掃描,確定樣品的恒定應變?yōu)?.5%。進行樣品測試：剪切掃描,剪切速率從0增大至500 s-1,然后從500 s-1減小至0,掃描時間為360 s；頻率掃描,應變固定在0.5%,頻率從0.1～10 Hz進行掃描。每個樣品重復測定兩次。

1.3.5 體外抗氧化能力測定

樣品在12 000 r/min的條件下離心30 min,取上清液測定還原三價鐵(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP)能力［13］、清除2,2‘-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(2,2‘-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate),ABTS)自由基離子［14］、超氧陰離子［15］、羥自由基離子［16］、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical 2,2-diphenyl-1-(2,4,6-trinitrophenyl)hydrazyl,DPPH自由基離子［17］能力。

1.3.6 抗消化物質(zhì)的測定［18］

模擬體外消化：使用分析天平準確稱取樣品5 g,添加12 mL胃蛋白酶HCl-KCl(pH1.5)溶液(0.1 g/mL),37℃水浴1 h；后再向其中加18 mL胰液(pH=6.8～7.0)37℃水浴1 h,振蕩搖勻；消化后在100℃的條件下滅酶5 min。

低聚糖的測定：采用高效液相色譜(high performance liquid chromatography,HPLC)法,按照GB 5009.8—2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》［19］所述方法進行測定。

1.3.7 統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理。平均值和標準差由3個平行樣品的測量結(jié)果計算得到,采用Duncan分析方法,置信水平為95%。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗原料中淀粉含量測定結(jié)果

檢測結(jié)果表明,低脂奶粉不含淀粉,山藥、薏米、核桃、紅豆、黑芝麻的淀粉含量分別為52.53g/100g、49.19g/100g、14.86g/100g、48.31g/100g、15.61g/100g。淀粉含量用于計算全谷物低脂酸奶的理論葡萄糖值。

2.2 酸奶pH值、酸度和持水力

pH值、酸度、持水力是評價酸乳制品品質(zhì)的必備指標,其中測定pH值和酸度反映全谷物酸奶中的游離酸和總酸的含量,持水力反映全谷物酸奶的質(zhì)地結(jié)構(gòu)。全谷物酸奶的pH值、酸度、持水力的結(jié)果見表2。

表2 全谷物酸奶的pH值、酸度和持水力Table 2 pH,titratable acidity and water holding capacity of wholegrain yogurts

由表2可知,4種酸奶的酸度均超過70°T,符合國標GB 19302—2010《食品安全國家標準發(fā)酵乳》中對酸奶關于酸度的規(guī)定［20］。添加全谷物后的酸奶pH值和酸度值出現(xiàn)顯著性差異(P＜0.05)：添加全谷物粉的3種酸奶LMY+YBJ、LMY+YBR、LMY+YBS相比對照組(LMY)樣品pH顯著降低(P＜0.05),在4.16～4.32之間；酸度值有所上升,在114.0～133.72 °T之間。這可能是因為山藥［21］和薏米［22］富含淀粉,山藥和薏米能為解淀粉乳桿菌L6的發(fā)酵(P＜0.05)提供更多的碳源,故相比對照組,全谷物酸奶的pH顯著降低、酸度值提高。其中,LMY+YBS組pH值最低、酸度最高,這可能是因為黑芝麻對解淀粉乳桿菌L6的生長增殖或發(fā)酵有促進作用,與潘美霞等［23］的研究相一致,黑芝麻所富含的維生素和黑色素可促進微生物生長。相比對照組52.31%的持水力,全谷物酸奶的持水力有所增強,在68.45%～78.46%之間。這可能是因為全谷物粉中含有多糖、淀粉等能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的成分［24］。在發(fā)酵過程中,多糖以及淀粉與酪蛋白相互交聯(lián),整體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,有效提高了持水力。

2.3 酸奶的流變學特性

2.3.1 頻率掃描

流變學特性相比持水力,更詳盡地反映本研究制備的酸奶品質(zhì)情況。G‘和G"是表征酸奶粘彈性重要指標,描述酸奶凝膠的強度；G‘代表樣品的彈性模量(儲存模量),是指每個振蕩周期中能量的存儲值,反映了樣品彈性的大小。G"代表樣品的粘性模量(損耗模量),是指每個周期中以熱的形式損失的能量,反映了樣品粘性的大?。?5］。全谷物酸牛奶頻率掃描曲線的彈性模量和粘性模量結(jié)果見圖1。

圖1 全谷物酸奶頻率掃描曲線Fig.1 Frequency sweep of wholegrain yogurts

由圖1可知,在0.1～10 Hz的頻率范圍內(nèi),隨著掃描頻率的增大,四款酸奶的G‘及G"值都呈增加趨勢,且G‘值均高于G",表明樣品中彈性成分占優(yōu)勢,4種酸奶均呈現(xiàn)出類固體的特征。G‘及G"值反映樣品的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。SINGH M等［25］研究指出G‘值越高,酸奶的凝膠結(jié)構(gòu)越致密。在統(tǒng)一掃描頻率下,相同發(fā)酵條件下(42℃發(fā)酵24h)的酸奶G‘大小關系順序為：LMY＞LMY+YBR＞LMY+YBS＞LMY+YBJ,說明低脂酸奶LMY凝膠結(jié)構(gòu)更為致密,添加全谷物粉后酸奶更加疏松柔軟。

2.3.2 剪切掃描

運用Hershel-Bulkley模型分析全谷物酸奶下行線的流變相關參數(shù),結(jié)果見表3。由表3可知,τ0表示樣品開始流動所需的剪切力,τ0越大樣品抵抗剪切力的作用越強,人在食用時需要的力量就越大。η50表示剪切速率在50 s-1條件下的表觀黏度。滯后回路面積HL表示樣品遇到外力,重新恢復網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的能量。

由表3可知,由于相關系數(shù)R值均在0.99以上,說明本次測定使用的Hershel-Bulkley模型適合于分析全谷物酸奶的流變學性質(zhì)。在相同的發(fā)酵條件下,添加全谷物粉的三個組別相比對照組具有顯著性差異(P＜0.05)：屈服應力τ0增高、稠度系數(shù)κ增大、流動行為指數(shù)n減少、滯后回路面積HL增大。表明全谷物酸奶樣品較“韌”,表示添加全谷物粉后,酸奶的柔韌性和黏稠度顯著提升,結(jié)構(gòu)剛性降低,測試結(jié)果與持水力測試結(jié)果相一致。添加全谷物粉后酸奶的柔韌度和黏稠度上升,這可能是因為解淀粉乳桿菌L6發(fā)酵全谷物中的支鏈淀粉,支鏈淀粉被斷裂成短鏈淀粉、糊精等物質(zhì),這些物質(zhì)與酪蛋白更好地交聯(lián),形成更穩(wěn)定的蛋白質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而提高了酸奶的黏稠度。FEIY等［26-27］的研究也表明,解淀粉乳桿菌L6能分泌胞外普魯蘭酶,斷裂全谷物淀粉中的1,6-糖苷鍵。

表3 全谷物酸奶的流變參數(shù)Table 3 Rheological parameters of wholegrain yogurts

2.4 全谷物酸牛奶的抗氧化特性

本研究使用清除ABTS自由基能力、還原三價鐵能力(FRAP值)、清除DPPH自由基能力、清除羥自由基離子能力、清除超氧陰離子能力這5項指標對全谷物酸奶的體外抗氧化能力進行評定。全谷物酸牛奶抗氧化能力的結(jié)果見表4。

表4 全谷物酸牛奶的抗氧化能力Table 4 Antioxidant capacity of wholegrain yogurts

由表4可知,相比對照組,全谷物酸奶的抗氧化能力得到改善。山藥薏米紅豆低脂酸奶(LMY+YBR)和山藥薏米黑芝麻低脂酸奶(LMY+YBS)在5項抗氧化指標測定中均顯著高于對照組(P＜0.05),清除ABTS自由基離子能力提高12.22%和16.67%、清除DPPH離子能力提高199.70%和179.33%、清除羥自由基離子能力提高15.53%和11.86%、清除超氧陰離子能力提高24.19%和48.00%、還原三價鐵能力提高43.92%和62.75%。山藥薏米核桃低脂酸奶(LMY+YBJ)在清除DPPH自由基離子和超氧陰離子的指標上較對照組高提高125.64%和13.33%。

2.5 全谷物酸牛奶的抗消化特性

抗消化特性能側(cè)面反映全谷物酸牛乳的升血糖水平和益生元作用。根據(jù)配方中全谷物粉的淀粉含量、發(fā)酵后的蔗糖含量、消化后乳糖的降低量可計算模擬體外消化后的理論葡萄糖值。模擬體外消化后生成的葡萄糖值較理論值越低,生成的物質(zhì)抗消化能力越強,意味著越能穩(wěn)定餐后血糖,越具備益生元作用［28］。發(fā)酵前、發(fā)酵后以及消化后的酸奶樣品測定結(jié)果見表5。

表5 發(fā)酵前、發(fā)酵后以及消化后的酸奶樣品糖含量測定結(jié)果Table 5 Determination results of saccharides contents of yogurt before fermentation,after fermentation,and after digestion g/100 g

由表5可知,發(fā)酵前各組酸奶的蔗糖含量無差異,對照組LMY的乳糖含量為8.37 g/100 g,顯著高于全谷物酸奶組(P＜0.05),這是因為總固形物一致時低脂酸奶LMY含有更多的乳粉。發(fā)酵后各組酸奶的乳糖和蔗糖含量均下降。消化后低脂酸奶LMY的乳糖含量顯著高于其他酸奶(P＜0.05),為5.98g/100g,果糖和葡萄糖含量為1.01g/100g和1.02/100g。這是因為低脂酸奶LMY原本的乳糖含量高,低脂酸奶LMY中不含淀粉,消化后產(chǎn)生的果糖和葡萄糖主要源自蔗糖的分解。消化后各組全谷物酸奶LMY+YBJ、LMY+YBR、LMY+YBS的乳糖［29］、果糖、葡萄糖含量有差異：山藥薏米黑芝麻低脂酸奶LMY+YBS的乳糖含量最、低果糖含量最高,分別為3.9g/100g和1.48 g/100 g；山藥薏米核桃LMY+YBJ的葡萄糖含量最低,為1.39 g/100 g,其余三組全谷物酸奶的葡萄糖含量相近。但三組全谷物酸奶的實際葡萄糖值均明顯低于理論葡萄糖值,其中LMY+YBR實際生成的葡萄糖量比理論葡萄糖值降低較多。這是因為在模擬體外消化中,蔗糖被完全分解成果糖和葡萄糖,同時全谷物酸奶中的部分淀粉分解出葡萄糖。結(jié)合解淀粉乳桿菌L6產(chǎn)胞外普魯蘭酶的特性,在發(fā)酵過程中全谷物粉里的支鏈淀粉被分解成短鏈淀粉或糊精,初步推測短鏈淀粉與糊精在酸奶的后熟過程中聚合生成抗消化物質(zhì)［30］,最終導致模擬體外消化后,全谷物酸奶樣品的實際釋放葡萄糖量顯著少于理論葡萄糖量(P＜0.05)。

3 結(jié)論

本研究利用可產(chǎn)生胞外普魯蘭酶的解淀粉乳桿菌L6作為發(fā)酵劑,以山藥、薏米、核桃、紅豆、黑芝麻為原料制備的全谷物酸奶的品質(zhì)優(yōu)良,相比對照組,全谷物酸奶的pH顯著降低、酸度值和持水力明顯上升、柔軟度和黏稠度上升。全谷物酸奶的抗氧化性能發(fā)生改善,山藥薏米紅豆低脂酸奶和山藥薏米黑芝麻低脂酸奶在清除ABTS自由基離子、DPPH自由基離子、羥自由基離子、超氧陰離子、還原三價鐵能力這五項抗氧化能力測定中表現(xiàn)尤為突出。在模擬體外消化中全谷物酸奶實際生成葡萄糖值顯著低于理論葡萄糖值,具有抗消化特性,初步推測生成抗消化物質(zhì)。

與普通酸奶相比,全谷物粉酸奶理化性質(zhì)良好、富含抗氧化物質(zhì)、具有抗消化特性,適宜肥胖人士以及Ⅱ型糖尿病患者食用,是未來功能性酸奶開發(fā)的一個方向。

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