解淀粉乳杆菌L6发酵的全谷物酸奶及其功能性研究

苏颖晶,李 理*,余保宁,彭小霞

(1.华南理工大学 食品科学与工程学院,广东 广州 510640；2.广东燕塘乳业股份有限公司,广东 广州 510507)

酸奶以其高营养和独特风味深受消费者的喜爱。然而普通酸奶存在含糖量高、餐后升血糖指数高等缺陷,不适宜肥胖人士以及糖尿病患者食用［1］。随着饮食结构的变化,我国Ⅱ型糖尿病及肥胖的发病率日益增高,针对此类群体有控制血糖、控制热量、增加摄入膳食纤维［2］的特点,开发新型全谷物保健酸奶具有必要性和应用前景广阔［3］。

全谷物中含有天然的葡萄糖苷酶抑制剂,对Ⅱ型糖尿病有预防和辅助治疗作用［4］。全谷物粉所含有的微量元素能促进酸奶菌种的生长繁殖、淀粉能改善酸奶质构；全谷物经过菌种发酵后,结合态的活性物质转化成游离态,提高了吸收利用率,两者相辅相成。综合国内外的研究进展,针对Ⅱ型糖尿病患者人群开发的功能性酸奶研究较少：包一枫等［5］把全谷物汁添加到酸奶中；BOSNEA L A等［6］利用苹果片、干葡萄片和小麦谷物制备益生酸奶；WANGC等［7］把玉米添加到酸奶中。以上研究均得到风味较好的谷物酸奶,但存在谷物添加量过少、谷物种类单一、发酵菌种不恰当等欠缺。从黄浆水中分离得到的解淀粉乳杆菌(Lactobacillusamylolyticus)L6是一株理想的生产全谷物酸奶的菌种［8］。经过基因鉴定与前期研究,证实该菌株适合在酸奶环境中生长,进行同型发酵,同时分泌的胞外普鲁兰酶可分解谷物淀粉中的1,6-糖苷键,配合酸奶的后熟工艺,促进全谷物酸奶中慢消化、难消化物质的形成［9］。

本研究选择山药、薏米、核桃、红豆、黑芝麻膨化粉作为原料添加到酸奶中。在增大全谷物粉的添加浓度同时创新性地利用从黄浆水中分离的解淀粉乳杆菌L6作为发酵剂。通过解淀粉乳杆菌L6发酵,将牛乳与挤压膨化后超微粉碎的全谷物粉为原料,制备出一种新型保健酸奶,研究其理化性质、流变性质、抗氧化性质、抗消化特性,以期为开发一类肥胖人士及糖尿病患者可食用的酸奶作初步研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳粉：新西兰恒天然有限公司；预糊化山药粉、薏米粉、红豆粉、核桃粉、黑芝麻粉、火麻仁粉：广州泰民股份有限公司；蔗糖：广东光华科技股份有限公司；发酵菌种：解淀粉乳杆菌(Lactobacillus amylolyticus)L6(保藏号为CGMCCNO.9090)：从黄浆水中自主分离；其他试剂为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

LDZX-30KBS立式压力蒸汽灭菌器：上海申安医疗器械厂；DHG-9156A型电热鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；AL204-IC电子天平、T25 digital ULTRA-TURRAX高速剪切均质机：德国IKA公司；PXY-190S-A生化培养箱：广东韶关科力仪器有限公司；SZX超净工作台：吴江净化设备总厂；Seven S20型pH计：瑞士梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；CR22G高速冷冻离心机：日本日立公司；UV-2300紫外分光光度计：上海天美科学仪器有限公司；Mcr301流变仪：德国Haake公司。

1.3 方法

1.3.1 全谷物酸奶制作基本工艺流程与操作要点

低脂乳粉＋挤压膨化后超微粉碎的全谷物粉＋蔗糖→复合乳→高压剪切均质→杀菌→冷却→接种解淀粉乳杆菌L6工作发酵剂→发酵→搅拌→分装→冷藏

操作要点：

全谷物预处理：全谷物粉挤压膨化后超微粉碎,备用。

发酵剂制备：配制12%的脱脂培养基,115℃灭菌10min,接入10%的解淀粉乳杆菌L6,42℃静置培养12 h即为母发酵剂。在脱脂乳培养基中接种10%的母发酵剂,母发酵剂在上述培养基中转接2～3次即可作为工作发酵剂。

调配、均质、混匀：准确称量全谷物粉、乳粉和蔗糖,参照表1配制4种复原乳,并于60℃水浴保温30 min,再经过高速剪切均质(8 000 r/min、2 min),混合均匀。

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

杀菌、冷却：将均质后的样品于115℃灭菌10 min,冷却至室温后在超净工作台上进行接种。

接种、发酵：在4种复原乳中接种10%的解淀粉乳杆菌L6,混匀后经42℃发酵24 h后充分搅拌。

冷藏后熟：将发酵的全谷物酸奶置于4℃冰箱中静置24 h,即得酸奶样品。

1.3.2 原料中淀粉含量、蔗糖、乳糖含量的测定

原料中的淀粉含量按照国标GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》［10］中的方法进行测定,从而计算理论葡萄糖消耗量。蔗糖和乳糖含量的测定根据国标GB 5009.8—2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》中的方法测定。

1.3.3 理化指标分析

pH值的测定：样品后熟完成后,从冰箱中取出恢复至室温,使用玻璃棒搅拌均匀,使用pH计测定,每次测定3组平行样品。

酸度值的测定：按照GB 5009.239—2016《食品安全国家标准食品酸度的测定》方法测定酸度［11］,以酚酞为指示剂,0.1 mol/L的NaOH溶液为滴定液,记录NaOH溶液的消耗体积,酸度结果用°T计。

持水力的测定：取30 g样品,在20℃、410×g条件下离心10 min,倒出乳清后称质量。持水力计算公式如下：

1.3.4 流变学特性测定

按照参考文献［12］测定剪切扫描和频率扫描。首先,顺时针搅拌样品10次,逆时针10次。选用直径40 mm的不锈钢平板探头,平板与底面的间隙为1 mm,测试温度控制在(25.0±0.5)℃。频率固定在1 Hz,从0～50%应变范围进行扫描,确定样品的恒定应变为0.5%。进行样品测试：剪切扫描,剪切速率从0增大至500 s-1,然后从500 s-1减小至0,扫描时间为360 s；频率扫描,应变固定在0.5%,频率从0.1～10 Hz进行扫描。每个样品重复测定两次。

1.3.5 体外抗氧化能力测定

样品在12 000 r/min的条件下离心30 min,取上清液测定还原三价铁(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP)能力［13］、清除2,2‘-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(2,2‘-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate),ABTS)自由基离子［14］、超氧阴离子［15］、羟自由基离子［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自由基离子［17］能力。

1.3.6 抗消化物质的测定［18］

模拟体外消化：使用分析天平准确称取样品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,振荡摇匀；消化后在100℃的条件下灭酶5 min。

低聚糖的测定：采用高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)法,按照GB 5009.8—2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》［19］所述方法进行测定。

1.3.7 统计分析

采用SPSS17.0统计分析软件对实验数据进行分析处理。平均值和标准差由3个平行样品的测量结果计算得到,采用Duncan分析方法,置信水平为95%。

2 结果与分析

2.1 实验原料中淀粉含量测定结果

检测结果表明,低脂奶粉不含淀粉,山药、薏米、核桃、红豆、黑芝麻的淀粉含量分别为52.53g/100g、49.19g/100g、14.86g/100g、48.31g/100g、15.61g/100g。淀粉含量用于计算全谷物低脂酸奶的理论葡萄糖值。

2.2 酸奶pH值、酸度和持水力

pH值、酸度、持水力是评价酸乳制品品质的必备指标,其中测定pH值和酸度反映全谷物酸奶中的游离酸和总酸的含量,持水力反映全谷物酸奶的质地结构。全谷物酸奶的pH值、酸度、持水力的结果见表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种酸奶的酸度均超过70°T,符合国标GB 19302—2010《食品安全国家标准发酵乳》中对酸奶关于酸度的规定［20］。添加全谷物后的酸奶pH值和酸度值出现显著性差异(P＜0.05)：添加全谷物粉的3种酸奶LMY+YBJ、LMY+YBR、LMY+YBS相比对照组(LMY)样品pH显著降低(P＜0.05),在4.16～4.32之间；酸度值有所上升,在114.0～133.72 °T之间。这可能是因为山药［21］和薏米［22］富含淀粉,山药和薏米能为解淀粉乳杆菌L6的发酵(P＜0.05)提供更多的碳源,故相比对照组,全谷物酸奶的pH显著降低、酸度值提高。其中,LMY+YBS组pH值最低、酸度最高,这可能是因为黑芝麻对解淀粉乳杆菌L6的生长增殖或发酵有促进作用,与潘美霞等［23］的研究相一致,黑芝麻所富含的维生素和黑色素可促进微生物生长。相比对照组52.31%的持水力,全谷物酸奶的持水力有所增强,在68.45%～78.46%之间。这可能是因为全谷物粉中含有多糖、淀粉等能稳定结构的成分［24］。在发酵过程中,多糖以及淀粉与酪蛋白相互交联,整体的三维网状结构更稳定,有效提高了持水力。

2.3 酸奶的流变学特性

2.3.1 频率扫描

流变学特性相比持水力,更详尽地反映本研究制备的酸奶品质情况。G‘和G"是表征酸奶粘弹性重要指标,描述酸奶凝胶的强度；G‘代表样品的弹性模量(储存模量),是指每个振荡周期中能量的存储值,反映了样品弹性的大小。G"代表样品的粘性模量(损耗模量),是指每个周期中以热的形式损失的能量,反映了样品粘性的大小［25］。全谷物酸牛奶频率扫描曲线的弹性模量和粘性模量结果见图1。

图1 全谷物酸奶频率扫描曲线Fig.1 Frequency sweep of wholegrain yogurts

由图1可知,在0.1～10 Hz的频率范围内,随着扫描频率的增大,四款酸奶的G‘及G"值都呈增加趋势,且G‘值均高于G",表明样品中弹性成分占优势,4种酸奶均呈现出类固体的特征。G‘及G"值反映样品的凝胶网状结构。SINGH M等［25］研究指出G‘值越高,酸奶的凝胶结构越致密。在统一扫描频率下,相同发酵条件下(42℃发酵24h)的酸奶G‘大小关系顺序为：LMY＞LMY+YBR＞LMY+YBS＞LMY+YBJ,说明低脂酸奶LMY凝胶结构更为致密,添加全谷物粉后酸奶更加疏松柔软。

2.3.2 剪切扫描

运用Hershel-Bulkley模型分析全谷物酸奶下行线的流变相关参数,结果见表3。由表3可知,τ0表示样品开始流动所需的剪切力,τ0越大样品抵抗剪切力的作用越强,人在食用时需要的力量就越大。η50表示剪切速率在50 s-1条件下的表观黏度。滞后回路面积HL表示样品遇到外力,重新恢复网状结构所需的能量。

由表3可知,由于相关系数R值均在0.99以上,说明本次测定使用的Hershel-Bulkley模型适合于分析全谷物酸奶的流变学性质。在相同的发酵条件下,添加全谷物粉的三个组别相比对照组具有显著性差异(P＜0.05)：屈服应力τ0增高、稠度系数κ增大、流动行为指数n减少、滞后回路面积HL增大。表明全谷物酸奶样品较“韧”,表示添加全谷物粉后,酸奶的柔韧性和黏稠度显著提升,结构刚性降低,测试结果与持水力测试结果相一致。添加全谷物粉后酸奶的柔韧度和黏稠度上升,这可能是因为解淀粉乳杆菌L6发酵全谷物中的支链淀粉,支链淀粉被断裂成短链淀粉、糊精等物质,这些物质与酪蛋白更好地交联,形成更稳定的蛋白质网状结构,从而提高了酸奶的黏稠度。FEIY等［26-27］的研究也表明,解淀粉乳杆菌L6能分泌胞外普鲁兰酶,断裂全谷物淀粉中的1,6-糖苷键。

表3 全谷物酸奶的流变参数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、还原三价铁能力(FRAP值)、清除DPPH自由基能力、清除羟自由基离子能力、清除超氧阴离子能力这5项指标对全谷物酸奶的体外抗氧化能力进行评定。全谷物酸牛奶抗氧化能力的结果见表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,相比对照组,全谷物酸奶的抗氧化能力得到改善。山药薏米红豆低脂酸奶(LMY+YBR)和山药薏米黑芝麻低脂酸奶(LMY+YBS)在5项抗氧化指标测定中均显著高于对照组(P＜0.05),清除ABTS自由基离子能力提高12.22%和16.67%、清除DPPH离子能力提高199.70%和179.33%、清除羟自由基离子能力提高15.53%和11.86%、清除超氧阴离子能力提高24.19%和48.00%、还原三价铁能力提高43.92%和62.75%。山药薏米核桃低脂酸奶(LMY+YBJ)在清除DPPH自由基离子和超氧阴离子的指标上较对照组高提高125.64%和13.33%。

2.5 全谷物酸牛奶的抗消化特性

抗消化特性能侧面反映全谷物酸牛乳的升血糖水平和益生元作用。根据配方中全谷物粉的淀粉含量、发酵后的蔗糖含量、消化后乳糖的降低量可计算模拟体外消化后的理论葡萄糖值。模拟体外消化后生成的葡萄糖值较理论值越低,生成的物质抗消化能力越强,意味着越能稳定餐后血糖,越具备益生元作用［28］。发酵前、发酵后以及消化后的酸奶样品测定结果见表5。

表5 发酵前、发酵后以及消化后的酸奶样品糖含量测定结果Table 5 Determination results of saccharides contents of yogurt before fermentation,after fermentation,and after digestion g/100 g

由表5可知,发酵前各组酸奶的蔗糖含量无差异,对照组LMY的乳糖含量为8.37 g/100 g,显著高于全谷物酸奶组(P＜0.05),这是因为总固形物一致时低脂酸奶LMY含有更多的乳粉。发酵后各组酸奶的乳糖和蔗糖含量均下降。消化后低脂酸奶LMY的乳糖含量显著高于其他酸奶(P＜0.05),为5.98g/100g,果糖和葡萄糖含量为1.01g/100g和1.02/100g。这是因为低脂酸奶LMY原本的乳糖含量高,低脂酸奶LMY中不含淀粉,消化后产生的果糖和葡萄糖主要源自蔗糖的分解。消化后各组全谷物酸奶LMY+YBJ、LMY+YBR、LMY+YBS的乳糖［29］、果糖、葡萄糖含量有差异：山药薏米黑芝麻低脂酸奶LMY+YBS的乳糖含量最、低果糖含量最高,分别为3.9g/100g和1.48 g/100 g；山药薏米核桃LMY+YBJ的葡萄糖含量最低,为1.39 g/100 g,其余三组全谷物酸奶的葡萄糖含量相近。但三组全谷物酸奶的实际葡萄糖值均明显低于理论葡萄糖值,其中LMY+YBR实际生成的葡萄糖量比理论葡萄糖值降低较多。这是因为在模拟体外消化中,蔗糖被完全分解成果糖和葡萄糖,同时全谷物酸奶中的部分淀粉分解出葡萄糖。结合解淀粉乳杆菌L6产胞外普鲁兰酶的特性,在发酵过程中全谷物粉里的支链淀粉被分解成短链淀粉或糊精,初步推测短链淀粉与糊精在酸奶的后熟过程中聚合生成抗消化物质［30］,最终导致模拟体外消化后,全谷物酸奶样品的实际释放葡萄糖量显著少于理论葡萄糖量(P＜0.05)。

3 结论

本研究利用可产生胞外普鲁兰酶的解淀粉乳杆菌L6作为发酵剂,以山药、薏米、核桃、红豆、黑芝麻为原料制备的全谷物酸奶的品质优良,相比对照组,全谷物酸奶的pH显著降低、酸度值和持水力明显上升、柔软度和黏稠度上升。全谷物酸奶的抗氧化性能发生改善,山药薏米红豆低脂酸奶和山药薏米黑芝麻低脂酸奶在清除ABTS自由基离子、DPPH自由基离子、羟自由基离子、超氧阴离子、还原三价铁能力这五项抗氧化能力测定中表现尤为突出。在模拟体外消化中全谷物酸奶实际生成葡萄糖值显著低于理论葡萄糖值,具有抗消化特性,初步推测生成抗消化物质。

与普通酸奶相比,全谷物粉酸奶理化性质良好、富含抗氧化物质、具有抗消化特性,适宜肥胖人士以及Ⅱ型糖尿病患者食用,是未来功能性酸奶开发的一个方向。

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