嗜热链球菌在脱脂乳中发酵特性的研究

刘清霞,林伟锋,陈 中

(华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510641)

嗜热链球菌在脱脂乳中发酵特性的研究

刘清霞,林伟锋,陈 中*

(华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510641)

本文主要探讨了5株不同嗜热链球菌菌株(ST、ST1、ST5、ST7、ST9)在脱脂乳中发酵8 h和24 h的产酸和产粘情况的对比,并从中选出两株相差较大的菌株ST5和ST9,研究其在发酵过程中的pH、滴定酸度、氨基酸态氮和粘度的变化规律。5株嗜热链球菌中,产酸能力大小顺序为:ST5>ST，ST7>ST1>ST9,产粘能力大小顺序为:ST5>ST7>ST>ST1>ST9。其中,ST5发酵乳的酸度和粘度最大,ST9则相反。对两种菌株进一步研究中发现,在不同的发酵时间,ST5的产酸能力和产粘能力均较强,其对应的发酵乳还原糖和总糖含量较低,且二者发酵乳的粘度变化均呈抛物线型,但是ST9菌株对蛋白质的降解能力大于ST5。研究发现,不同嗜热链球菌菌株在脱脂乳中的发酵特性具有差异性,且随发酵时间的增加而变化。

嗜热链球菌,发酵,脱脂乳,粘度

酸奶中常用的发酵剂是嗜热链球菌常和保加利亚乳杆菌的混合物,其中嗜热链球菌属于链球菌属,可以利用乳糖同型发酵生成乳酸的兼性厌氧的革兰氏阳性菌。近些年,对酸奶发酵剂的研究发现,在发酵初期,主要是嗜热链球菌产酸,缩短产品的发酵周期,同时可在乳制品中产生荚膜和黏性物质,增加发酵制品的黏度,改善质地[1]。嗜热链球菌对发酵制品黏度的影响主要体现在部分菌株可以产生胞外多糖(EPS)增加发酵乳的粘稠度[2]。胞外多糖多聚物作为增稠剂、胶凝剂不仅改善了酸奶的品质[3],还具有改善肠道微环境、抗癌、增强人体免疫力等生理作用,提高了产品的营养保健功能[4]。此外,嗜热链球菌是主要的风味物质产生菌,对酸奶的风味影响较大[5]。

嗜热链球菌不同菌株之间的发酵特性相差很大。本文主要考察了5株嗜热链球菌在产酸能力和对发酵乳制品质地方面的对比,并研究其在脱脂乳发酵过程中pH、滴定酸度和氨基酸态氮等的变化情况,为更好地利用和开发嗜热链球菌在发酵工业中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

雀巢高热脱脂乳粉(蛋白质含量为32.0%,产品标签);嗜热链球菌STP-134、ST1P-134、ST5P-134、ST7P-134、ST9P-134(华南理工大学食品科学与工程学院实验室培养,下文简称ST、ST1、ST5、ST7、ST9),其他试剂均为分析纯。

SW-CJ-2G双人单面净化工作台 苏州净化设备有限公司;PYX-DHS·400-BS 恒温培养箱 北京市医疗设备厂;pHS-25 指针型pH计 上海雷磁仪器有限公司;NDJ-1型旋转式粘度计 上海恒平科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 发酵乳的制备 10%脱脂乳粉复溶液,50～60 ℃下搅拌水化20 min,90～95 ℃灭菌10 min,立即冷却至室温,无菌条件下接种(接种量5×106CFU·mL-1,CFU:菌落数),37 ℃下恒温培养发酵[6]。

1.2.2 pH的测定 用pHS-25型酸度计测定样品的pH,每个样品平行3次,取平均值。

1.2.3 酸度的测定 取5.0 g左右发酵乳,添加50 mL蒸馏水,混合均匀。采用电位滴定法[7],用标定后的0.04 mol/L NaOH溶液滴定至pH为8.2。用°T表示发酵乳的酸度,指滴定100 g发酵乳样品消耗0.1 mol/L NaOH溶液的体积。每次实验平行3次,取平均值。

1.2.4 粘度的测定 将发酵乳样品在冰箱中静置2 h,15 ℃下用NDJ-1型旋转式粘度计测定粘度,测定条件为:3号转子,转速12 r/min,选取第30 s的数据为测量值,每个样品平行3次,取平均值。

1.2.5 氨基酸态氮的测定 采用甲醛滴定法测氨基酸态氮的含量[8]。取5.0 g左右发酵乳置于250 mL锥形瓶中,添加50 mL蒸馏水,混合均匀。用标定后的0.04 mol/L NaOH溶液滴定至pH为8.2后,加入10.0 mL中性甲醛溶液,混匀,再用上述氢氧化钠标准溶液继续滴定至pH为9.2,记录加入甲醛后消耗氢氧化钠溶液的体积。每次实验平行3次,取平均值。

1.2.6 还原糖和总糖的测定[8]参照GB/T5009.7-2008,采用直接滴定法测定。取5～8 g发酵乳样品加入乙酸锌和亚铁氰化钾溶液除去蛋白质,过滤后滴定已标定的碱性酒石酸铜溶液测定还原糖的含量。取50 mL滤液加入6 mol/L的盐酸溶液,在加热条件下使多糖水解为还原性单糖,然后以直接滴定法测定水解后样品中的还原糖总量,即总糖的含量。每次实验平行3次,取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同嗜热链球菌菌株发酵乳样品的pH和滴定酸度对比

嗜热链球菌作为生产发酵乳常用的一种乳酸菌,可以利用脱脂乳中的乳糖进行同型发酵产生乳酸,随着乳酸量的增加,脱脂乳的pH开始降低。图1和图2分别为嗜热链球菌ST、ST1、ST5、ST7、ST9菌株接种后8 h和24 h发酵乳的pH和滴定酸度对比情况。由图1可知,不同菌株经过8 h和24 h发酵后的样品pH具有较大的差异性。其中ST5发酵乳的pH最小,分别为4.20和3.85;ST和ST7发酵乳pH相差不大,8 h发酵乳的pH分别为4.25和4.24,24 h发酵乳的pH均为4.02;而ST9发酵乳的pH最大,分别为4.50和4.20。由于发酵乳样品的pH大小不仅取决于酸类物质的种类与数量,还受到样品中缓冲物质的影响,因此不同菌株产酸能力的大小与发酵乳的滴定酸度也有关。从图2中可以看出,发酵乳的滴定酸度对比情况与pH相反。ST5发酵乳的滴定酸度分别为96.22 °T和128.36 °T,远远大于其它菌株发酵乳;同样条件下,ST9发酵乳的酸度值相对最小,分别为66.37 °T和95.47 °T;ST、ST1和ST7菌株发酵乳酸度相差不大。综上所述,不同嗜酸乳杆菌菌株产酸能力大小顺序为:ST5>ST，ST7>ST1>ST9。

图1 不同嗜热链球菌菌株发酵乳样品的pH对比Fig.1 The pH of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

图2 不同嗜热链球菌菌株发酵乳样品的滴定酸度对比Fig.2 The acidity of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

2.2 不同嗜热链球菌菌株发酵乳样品的粘度对比

在发酵过程中,嗜热链球菌在可以利用脱脂乳中的糖类物质在酶系统的作用下生成一种活性高分子化合物胞外多糖(EPS)。胞外多糖不仅可以改善食品的质构,作为发酵乳等制品天然的增稠剂和稳定剂,且发酵乳的粘度与EPS的产量呈正相关[9-10]。图3为嗜热链球菌ST、ST1、ST5、ST7、ST9菌株接种后8 h和24 h发酵乳的粘度对比情况。从图3可以看出,不同嗜热链球菌菌株经过8 h和24 h发酵后样品的粘度相差很大,且24 h发酵乳的粘度大于8 h发酵乳。其中ST1和ST9制备的发酵乳样品粘度较低,均在3000 mPa·s以下;ST、ST5和ST7发酵乳的粘度较高,均大于4500 mPa·s。三者中,ST5发酵乳的粘度最大,在24 h时达到6305 mPa·s;ST组样品在发酵8 h时,其粘度大于ST7,但随时间的增加,其粘度变化不大,并且在24 h时,发酵乳粘度小于ST7,说明ST7菌株产粘的速度小于ST,但其产粘能力大于ST。综上所述,不同嗜酸乳杆菌菌株发酵乳粘度大小顺序为:ST5>ST7>ST>ST1>ST9,即ST5菌株可能具有较大的产EPS的能力。

图3 不同嗜热链球菌菌株发酵乳样品的粘度对比Fig.3 The viscosity of fermented milk cultivated by different Streptococcus thermophilus

综上所述,ST5菌株具有较强的产酸能力和产粘能力,而ST9菌株发酵乳在相同条件下酸度和粘度均较低。因此,本文将进一步深入探究两种性质差别较大的菌株在脱脂乳中的发酵特性,从而为研究嗜热链球菌的发酵特性在烘焙等行业中的应用提供依据。

2.3 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中的pH和滴定酸度变化

图4为样品在ST5和ST9菌株发酵过程中的pH和滴定酸度变化情况。由图4可知,发酵乳的pH和滴定酸度随着发酵时间的变化呈相反的变化趋势,且在不同的发酵时间,ST5发酵乳的pH均小于ST9发酵乳,滴定酸度均大于ST9发酵乳。嗜热链球菌的产酸性能主要表现在发酵初期[5],脱脂乳复溶液的初始pH为6.34,有益于该菌株的生长,同时利用乳糖生成乳酸使发酵乳的酸度迅速积累。在0～8 h,发酵乳的pH分别迅速降到4.20和4.51左右,同时滴定酸度也迅速上升至96.22 °T和66.37 °T,且ST5菌株对脱脂乳中的乳糖利用速度较快。随着发酵乳pH的不断下降,嗜热链球菌的产酸能力逐渐降低。在8～28 h之间,发酵乳的pH变化趋势均减缓,相应的滴定酸度也缓慢增加,可能由于此阶段菌株活性和增长速度较快,大量利用脱脂乳中的乳糖产生乳酸。随着发酵过程的进行,乳糖浓度逐渐降低,所以在28 h以后,发酵乳的pH趋于稳定,分别保持在3.70和4.10左右,但由于乳酸的积累,滴定酸度仍然缓慢上升至163.93 °T和109.38 °T。

图4 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中的pH和滴定酸度变化Fig.4 Changes of pH and acidity during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

图5 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中的粘度变化Fig.5 Changes of viscosity during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

2.4 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中的粘度变化

嗜热链球菌产生的粘性物质对发酵乳的风味和流变性质起着重要的作用[11]。图5为样品在ST5和ST9菌株发酵过程中的粘度变化情况。由图5可知,发酵乳粘度随着发酵时间的增加先上升后下降,且ST5发酵乳的粘度明显高于ST9发酵乳。发酵0～6 h期间,由于pH变化较小,发酵乳呈液体状,粘度极小,所以图中未列出。当发酵8 h以后,发酵乳的pH均迅速降到酪蛋白的等电点4.60以下,酪蛋白发生变性,开始生成大分子的凝聚物,酪蛋白分子团直径变大[12],粘度上升。随着发酵时间的延长,乳酸积累量随之增加,ST9发酵乳的粘度逐渐上升,且在36 h左右达到最大值2905 mPa·s,酪蛋白的凝聚已经基本完成。但发酵36 h以后,其粘度稍有下降趋势,可能是发酵乳的继续酸化使以磷酸三钙形式结合在酪蛋白上的钙和磷游离出来,使酪蛋白胶束的物理性质发生改变而影响凝乳的性质,从而反映在发酵乳的粘度上[13]。ST5发酵乳粘度变化趋势整体上与ST9发酵乳相似,但8 h发酵乳的粘度已经达到了5000 mPa·s以上,远远高于ST9发酵乳粘度的最大值。胞外多糖的存在使酪蛋白分子之间更易相互缠结形成大分子,分子直径增大,粘度增加。当发酵28 h后,ST5发酵乳粘度达到最大值6375 mPa·s,但随后粘度值迅速下降4355 mPa·s。可能由于pH小于3.70,造成多糖间及多糖与酪蛋白分子间氢键的断裂,多糖蛋白聚集体解聚,致使粘度降低[14]。

2.5 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中氨基酸态氮的变化

嗜热链球菌在生长过程中若要获得维持自身生长所需的氮源,需要利用酶系统将环境中的蛋白质降解,即脱脂乳中的蛋白质被嗜热链球菌中的蛋白酶水解成多肽,进一步被肽酶分解成氨基酸,因此发酵过程氨基酸态氮的变化情况与嗜热链球菌的代谢活性有密切关系[15]。图6为样品在ST5和ST9菌株发酵过程中氨基酸态氮的变化情况。由图6可知,ST9样品的氨基酸态氮值大于ST5发酵乳,说明ST9菌株降解蛋白质生产氨基酸的能力大于ST5。发酵初期,可能由于菌株中蛋白水解酶的活性较强,大量分解环境中的蛋白质[13],所以两种发酵乳样品的氨基酸态氮值均在8 h前直线上升。8 h以后,氨基酸态氮值趋于稳定,说明体系中游离氨基酸处于一种不断分解与利用的动态平衡。随着发酵的进行,乳酸增加,菌种中的蛋白酶活性受到一定程度的抑制,同时酪蛋白的聚集也使体系中可利用的蛋白质变少,所以发酵48 h以后,氨基酸态氮值开始小幅下降。

图6 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中氨基酸态氮的变化Fig.6 Changes of amino acid nitrogen during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

2.6 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中还原糖和总糖含量的变化

图7为样品在ST5和ST9菌株发酵过程中的还原糖和总糖含量的变化情况。由图7可知,发酵乳还原糖和总糖含量均随着发酵时间的增加逐渐下降,且ST5发酵乳的还原糖含量和总糖含量均低于ST9发酵乳。脱脂乳复溶液的还原糖和总糖含量分别为4.70%和5.0%,发酵过程中,乳糖通过透膜酶的作用进入细胞内,经β-半乳糖苷酶的作用分解为葡萄糖和半乳糖,其中嗜热链球菌优先代谢葡萄糖生成乳酸[16]。所以,随着发酵时间的进行,发酵乳中还原糖含量逐渐下降。虽然ST5菌株在发酵过程中一部分糖用来合成胞外多糖,但胞外多糖的含量一般在400 mg/L以下[17],所需要的糖很少,并且从图4可知,ST5菌株产酸能力远远大于ST9,即消耗乳糖产生乳酸的能力较大,所以发酵乳中总糖含量也逐渐下降。同时与pH变化相似,ST5发酵乳的还原糖和总糖下降速率较快,发酵60 h后分别下降至2.70%和2.84%,而ST9发酵乳发酵结束后的还原糖和总糖含量分别为3.10%和3.51%。同时,在发酵进行28 h以后,还原糖和总糖的下降趋势均开始变缓,与此阶段pH和滴定酸的缓慢降低和增加有关。

图7 嗜热链球菌ST5、ST9菌株发酵过程中还原糖和总糖含量的变化Fig.7 Changes of reducing sugar and total sugar during fermentation with Streptococcus thermophilus(ST5 and ST9)

3 结论

本文主要探讨了5株嗜热链球菌在脱脂乳中发酵时产酸和产粘情况的对比。发酵8 h和24 h后,pH、滴定酸度和粘度相差很大。其中ST5发酵乳的pH最小,ST和ST7发酵乳pH相差不大,而ST9发酵乳的pH最大;发酵乳的滴定酸度对比情况与pH相反;ST1和ST9制备的发酵乳样品粘度较低,均在3000 mPa·s以下,ST、ST5和ST7发酵乳的粘度较高,均大于4500 mPa·s。

综合对比后得出,ST5菌株具有较强的产酸能力和产粘能力,而ST9菌株发酵乳在相同条件下酸度和粘度均较低,因此,进一步深入研究二者在不同发酵时间的pH、滴定酸度、氨基酸态氮和粘度的变化规律。经过60 h发酵过程的对比发现,二者pH由脱脂乳复溶液的6.34下降至3.70和4.10左右,滴定酸度分别增加到163.93 °T和109.38 °T;发酵乳粘度均随着发酵时间的增加呈先上升后下降的趋势,且ST5发酵乳的粘度均在4000 mPa·s以上,远远高于ST9发酵乳(3200 mPa·s以下);ST9菌株降解蛋白质生产氨基酸的能力大于ST5;发酵乳的还原糖和总糖含量均逐渐下降,且ST5发酵乳的糖含量较低。

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Study on fermentation ofStreptococcusthermophilusin skimmed milk

LIU Qing-xia,LIN Wei-feng,CHEN Zhong*

(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

The ability of acidification and viscosity production about 5 strains ofStreptococcusthermophilusafter fermented 8 h and 24 h in skimmed milk have been compared in this paper. Two strains(ST5 and ST9)were chosen to study the changes in pH,acidity,viscosity and amino nitrogen. It was showed the order of ability to produce acid was ST5>ST,ST7>ST>ST9 and to produce viscosity was ST5>ST7>ST>ST1>ST9. So it could be seen that the ST5 fermented milk obtained the highest acidity and viscosity and ST9 was in the opposite. In further study,ST5 also presented a higher ability than ST9 at different fermentation time,while the content of reducing sugar and total sugar was lower and capacity to degrade proteins was weaker. In conclusion,the fermentation characteristics in skim milk were different form the strains ofStreptococcusthermophilusand changed as fermented time went on.

Streptococcusthermophilus;fermented;skimmed milk;viscosity

2016-08-26

刘清霞(1991-)，女，硕士，研究方向：食品科学与工程，E-mail：feliuqingxia@mail.scut.edu.cn。

*通讯作者:陈中(1968-)，男，博士，副教授，研究方向：食品科学与工程，E-mail：chzhong@scut.edu.cn。

TS252.54

A

:1002-0306(2017)03-0122-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.015