王玉婷, 张 顺, 徐瑞霞, 刘书亮, 刘爱平

(四川农业大学食品学院,雅安 625014)

乳糜泻是由遗传易感个体从小麦、大麦和黑麦中摄入麸质蛋白所引起一种自身免疫介导的肠道疾病,会导致腹泻、腹胀、便秘等多种不适症状。目前乳糜泻治疗的唯一方法是终身避免摄入麸质蛋白,食用无麸质食物[1]。无麸质食物由不含麸质蛋白的原料制成,在焙烤食品中,小麦麸质蛋白对产品的质地特征及感官品质十分重要,完全去除小麦麸质意味着面筋蛋白的缺失,这对食品加工无疑是巨大的技术挑战[2]。无麸质产品价格偏高,口感和风味较差,长期摄入可能会导致营养缺乏症,因此,乳糜泻患者迫切需要能够改善健康和提高生活质量的替代疗法[3]。

酸面团发酵技术是利用具有酸化和发酵能力的乳酸菌(Lactic acid bacteria,LAB)和酵母共同发酵面粉和水而形成酸面团,并将其作为发酵剂应用于发酵食物中。大量研究表明,酸面团发酵技术能改善无麸质食物的品质如改善风味、质地和营养特性,延缓淀粉老化,延长制品保质期等[4,5]。本研究主要就无麸质食物及酸面团发酵技术在无麸质食物中的应用优势进行探讨。

1 无麸质食物及其研究现状

1.1 无麸质食物

无麸质食物是由玉米、大米、荞麦等无麸质原料制成,无麸质蛋白,适合乳糜泻人群食用。市面上常见的无麸质食物主要包括面包、饼干、面条、啤酒等,其中以面包最为常见。普通的面包常用小麦粉制备,小麦粉中麸质含量丰富,赋予面包面团良好的延展性和拉伸性。麸质也称面筋,主要成分是麦谷蛋白和麦醇溶谷蛋白,麸质蛋白占总谷物蛋白质质量的70%～80%。麸质蛋白通过二硫键、非共价键、氢键等化学键的共同作用,在面团中形成有序的空间网状结构,该结构在面团发酵过程能较好的保留气体,使制品蓬松柔软[6]。但麸质的存在易引起乳糜泻人群的过敏反应,为满足乳糜泻人群的饮食需要,无麸质食物应运而生。

1.2 无麸质食物研究现状

目前,无麸质食物仍存在较多的问题：在质地方面,面团的拉伸性、持气性差,故制品质地硬、表皮易开裂;在营养方面,制品缺乏矿物质和维生素、碳水化合物含量高、蛋白质含量低;在生产方面,无麸质面包加工难度高、老化速度快、货架期短、生产成本高[7]。因此,人们常使用乳化剂[8]、酶[9]、亲水胶体[10]等食品添加剂改善无麸质制品的品质特性。乳化剂的添加能够改善无麸质面团体系中各组分间的表面张力,使之形成均匀分散的乳化体。酶的使用能够改善无麸质面团的特性、制品品质及延长货架期[11]。亲水胶体常作增稠剂运用于无麸质食物中,亲水胶体与面团中的水结合以增强面团的内聚力和黏弹性,且亲水胶体的加入会提高气孔的稳定性,从而使无麸质面团的持气能力得到提高[12]。但乳化剂、亲水胶体等食品添加剂添加到无麸质食物中也存在缺点：消费者对食品添加剂的接受度不高,更倾向于选择天然健康的食品;部分添加剂会为最终产品带来不良风味[5];添加剂大多成本较高,市场上的无麸质面包的平均价格明显高于传统面包[13]。

2 酸面团发酵技术

2.1 乳酸菌及酵母菌的作用

在成熟的酸面团中,已报道的乳酸菌种类超过50种,酵母超过25种,其中乳酸菌属主要是Lactiplantibacillus、Leuconostoc、Pediococcus和Weissella[14],而酵母属主要是Saccharomyces和Candida[15]。乳酸菌发酵能产生乳酸、醋酸等有机酸,降低面团的pH值,抑制腐败微生物的生长;并能激活小麦粉内源蛋白酶,促进面筋蛋白的降解并增加水与蛋白质和淀粉颗粒的结合,提高面团的延展性;同时还能激活或产生植酸酶等抗营养因子降解酶,提高发酵原料中矿物质的生物利用率[16]。乳酸菌产生的胞外多糖(EPS)不仅能改善面团的流变特性、延缓制品老化,还具有降低胆固醇、调节人体免疫等益生元功能[17]。酵母菌在发酵过程中,利用面团中的可发酵性糖,经糖酵解,产生CO2和乙醇。CO2使面团膨胀,从而使产品疏松多孔,改善产品质构;同时,在酵母代谢过程中,产生的醇、醛、酮、酯等挥发性物质,赋予产品良好的风味[18]。

2.2 无麸质酸面团

无麸质酸面团是指用乳酸菌或乳酸菌与酵母菌发酵无麸质原料,制成微生物数量丰富、酶活力高的发酵剂,然后将酸面团发酵剂与无麸质原料混合发酵制备无麸质食物。无麸质酸面团和含麸质酸面团的主要差别在于原料的不同,两者所使用的发酵菌株及菌株的作用大同小异。正因其微生物作用相似,结合无麸质原料不含麸质蛋白的特性,使得无麸质酸面团能对无麸质食物的品质改善起到极大的促进作用。其中,酸面团发酵过程中产生的EPS可以替代乳化剂和亲水胶体改善无麸质食物的品质;酶、有机酸等多种代谢产物有助于改善无麸质食物风味及质地。同时,无麸质酸面团与乳化剂、酶和亲水胶体等食品添加剂相比,具有制作简单、使用方便、绿色天然、价格低廉等优点。目前已有较多关于无麸质酸面团的应用研究,如使用荞麦、燕麦、高粱等原料结合植物乳植杆菌、旧金山乳杆菌、短乳杆菌、酿酒酵母等来制备面包、饼干、松饼等各种食品(表1)。

表1 无麸质酸面团发酵菌种

通过利用不同无麸质原料的营养特性,结合乳酸菌及酵母菌的发酵特性,可提高无麸质制品的营养及感官特征,满足乳糜泻患者对无麸质食物的饮食需求。

3 酸面团发酵技术在无麸质食物中的应用优势

酸面团发酵技术在无麸质食物的生产中有诸多应用优势,如降解麸质蛋白、产胞外多糖、改善制品风味等(表2),可极大提升无麸质食物的品质。

表2 酸面团发酵技术在无麸质食物中的应用优势

3.1 产蛋白酶降解麸质蛋白

在无麸质食物的生产中,选择含有能降解麸质蛋白的乳酸菌和真菌蛋白酶的酸面团,通过长时间的发酵,可以有效水解麸质蛋白[35],并能达到食品法典委员会对于无麸质产品的要求(麸质质量分数不超过20 mg/kg)。乳酸菌具有复杂的蛋白酶系统,产生的蛋白酶能够水解各种富含脯氨酸的肽,包括33 mer肽。在乳糜泻的相关研究中发现,来自α-醇溶蛋白中的33 mer肽是麸质蛋白中最重要的乳糜泻免疫原性序列,由于其高脯氨酸(13个残基)和谷氨酰胺(10个残基)含量,这使得它对酶蛋白水解更具抵抗力[36]。酸面团产生的蛋白酶能够水解脯氨酸和其他残基之间的肽键,将其水解为小分子肽段而影响麸质蛋白的免疫识别,降低麸质蛋白的致敏性(图1)。

图1 酸面团蛋白酶对33 mer肽的降解作用

Francavilia等[37]研究关于乳酸杆菌水解免疫原(麸质肽)的能力,根据酶的比活力选择了10株乳酸杆菌,其所提供的多肽酶组合能够完全降解与乳糜泻相关的免疫原性麸质多肽,包括麦醇溶蛋白33 mer肽、α-9-麦醇溶肽57-68及A-麦醇溶蛋白肽62-75等多肽。模拟胃肠道的消化后,即使小麦面筋蛋白质量分数为18 000 mg/kg,经水解,最终质量浓度低于10 mg/kg。Fu等[38]等选取PediococcusacidilacticiXZ31和S.cerevisiaeJM1制备酸面团,研究发酵过程中面团蛋白的变化,并对XZ31单培养、XZ31与酵母共培养的面团进行蛋白质降解和抗原反应评价。结果表明,发酵24 h后,蛋白和过敏原Tri a 19和Tri a 28含量显著降低。共培养中,酵母的存在增强了XZ31的蛋白质代谢,加速了蛋白质的降解,并在更大程度上降低了过敏原含量。这些结果揭示了XZ31和酵母对小麦过敏原降解的协同作用,展示了多菌种混合发酵在生产低致敏性小麦产品方面的潜在用途。Di等[28]根据蛋白水解活性和酸化率筛选出L.sanfrancisensisLS40、LS41及L.plantarumCF1,将其用于无麸质酸面团发酵,在酸面团的配料中加入麸质蛋白(100～500 mg/kg),经酶联免疫双抗原夹心法测定,无麸质酸面团面包中的麸质蛋白被降解为10 mg/kg,而仅用酿酒酵母发酵的对照组面包中的麸质蛋白含量与初始添加量没有显著差异。

3.2 产EPS取代麸质蛋白,减少添加剂使用

工业生产中常使用亲水胶体来减少由麸质蛋白的缺失而造成的无麸质食物的品质缺陷,以促进无麸质食物的品质改善。酸面团在发酵期间能够产生大量的有机酸、酶和EPS,其中EPS因其稳定性和增稠性可显著提高面团的流变性,且它能够促进水和面团其他成分的结合,有助于改善无麸质面包质地[39]。根据生物合成途径的不同,EPS主要分为同多糖(HoPS)和杂多糖(HePS)两大类[40]。Schwab等[41]证明L.reuteriLTH5448和W.cibaria10M适用于藜麦和高粱的酸面团发酵,并且在发酵过程中能分别产生果聚糖和葡聚糖。与不含EPS的对照面包相比,添加W.cibaria发酵的酸面团使无麸质面包硬度更低。Galle等[29]以产HePS的L.buchneriFUA3154来制备酸面团,结果表明L.buchneri产生的HePS对高粱酸面团的流变特性有积极影响。后来,Galle将产EPS的L.reuteriY2,L.reuteriVIP和W.cibariaMG1用于制备酸面团面包,发现高粱酸面团面包更柔软[30]。

3.3 改善制品的风味

酸面团可以有效改善面包风味,使其具有独特的酸面团风味。乳酸菌和酵母菌对焙烤食品的挥发性代谢物的产生起着重要作用,其中乳酸菌在发酵过程中会产生大量的风味物质,显著增加风味化合物的种类和含量[42]。酸面团发酵过程中主要产生两类风味化合物,一类是以有机酸为主的非挥发性化合物,能够显著降低面团pH,改善面包的品质,赋予面包独特的香气[43]。酸对于面包风味的形成十分重要,在美拉德反应期间,乙酸作为重要的风味增强剂与乳酸协同催化风味化合物的形成[44]。另一类是以醇类、醛类、酮类、酯类为主的挥发性化合物。Nissen等[45]使用代谢组学评估酸面团发酵对无麸质面包中的挥发性化合物的影响。在未发酵面团中检测到了126种挥发性化合物,面团发酵后的挥发性化合物显著增加。将发酵面团进行焙烤后发现其醛、酮和有机酸的浓度是对照面包的2倍,烯烃的浓度是对照面包的3倍。Chisel等[31]发现松饼中添加以LactobacilusspicheriDSM 15429发酵的大米酸面团,使无麸质松饼的挥发性化合物发生显著变化,并发现其中的3-甲基丁醛、2-甲基丁醛、苯乙酮和柠檬烯是影响松饼香气和感官分析中气味评分的主要挥发性衍生物。

3.4 产抗营养因子降解酶,促进营养物质消化吸收

抗营养因子中常见的有单宁、棉子糖、水苏糖和植酸,其中植酸易与Fe、Zn、Ca、Mg等金属离子结合形成植酸盐,降低矿物质的生物利用率。研究发现,通过酸面团发酵产生的植酸酶也可以有效降低无麸质制品中的植酸含量[46]。Dingeo等[22]以L.plantarum、L.fermentum和S.cerevisiae发酵苔麸制备无麸质酸面团松饼,通过酸面团中乳酸菌的酸化激活内源性植酸酶使得松饼中植酸含量显著降低。曹伟超等[32]筛选出一株具有高植酸酶活性的P.acidilacticiL-19,并将其用于黑豆酸面团的发酵。发酵后,酸面团中的多种抗营养因子被有效降解,其中植酸降解率高达62.70%。Chi等[47]发现在无麸质酸面团松饼中各矿物质含量随着酸面团发酵时间的延长,其含量显著增加;酸面团发酵24 h后,其pH值达到了4.1;酸面团中酸度的上升,引起植酸盐降解,增大了松饼中矿物质利用率。

3.5 降低血糖指数

酸面团发酵技术可以有效降低餐后血糖反应[48],这主要可归因于酸面团发酵期间产生的有机酸,可以延迟碳水化合物在胃中的排空时间和抑制酶的活性。同时,酸面团在发酵过程中会降低淀粉的糊化程度从而导致食品的淀粉消化率降低[49]。

Novotni等[50]研究了酸面团添加量对面包血糖指数的影响。研究发现未添加酸面团的面包,平均血糖指数最高;酸面团的质量分数为15%～22.5%能有效地降低面包的GI值,且显著改善了面包体积和质地。Caponio等[33]发现以发酵12 h的酸面团制备的面包与未添加酸面团的面包相比,其水解指数和预测血糖指数显著降低。同时,无麸质原料本身也因富含膳食纤维、多酚及其他活性物质而具有一定的降血糖效果。含有燕麦β-葡聚糖的燕麦可以在胃肠道中形成高黏度环境及物理屏障,阻碍消化酶与食物的接触,并降低小肠的收缩能力,抑制消化酶活性,降低餐后血糖反应[51]。藜麦淀粉含量相对较低且矿物质含量丰富,有助于改善糖代谢及调节肠道微生物菌群,降低血糖反应[52]。总而言之,无论是无麸质原料还是通过酸面团发酵技术制备的无麸质食物,它们都能较好的改善人体的血糖水平。

3.6 作为生物防腐剂,延长制品货架期

在焙烤工业中,陈化和微生物腐败是影响面包货架期的主要因素[49]。酸面团可以有效抑制腐败微生物的生长,从而延长面包制品的货架期,这与LAB产生的有机酸和抗真菌代谢物之间的协同作用密不可分。LAB产生的抗真菌代谢物可能包括罗伊氏菌素,羟基脂肪酸,环肽,3-苯乳酸和过氧化氢等[53]。同时,酸面团LAB产生的有机酸为内源性酶(淀粉酶和蛋白酶)提供了最佳pH条件,可以达到改善面包体积,延缓淀粉老化和防止面包变硬的作用。

Moore等[34]发现以L.plantarumFST 1.7制备的无麸质酸面团面包能够高效抑制面包片上Fusariumculmorum的生长,延长产品保质期,且制备的无麸质面包更柔软。同样,Axel等[54]将LactobacillusamylovorusDSM19280作为无麸质藜麦酸面团发酵菌株。与未发酵面团面包相比,抗真菌菌株DSM19280发酵的藜麦酸面团的应用将面包保质期延长了4 d;以HPLC-UV/DAD来量化抗真菌化合物,与非抗真菌菌株相比,DSM19280发酵的藜麦酸面团中对羟基苯乙酸、对羟基苯丙酸、3-苯乳酸和二氢阿魏酸的浓度显著升高。Franco等[55]发现,未添加酸面团的对照组面包在第3天就有霉菌生长,而酸面团面包可延长保质期至第6天。由此可见,酸面团发酵技术在延长产品货架期的同时,也为生产少添加剂、低成本、高品质面包提供了可能性。

4 结论与展望

酸面团发酵技术能改善无麸质食物的整体品质,如降解麸质蛋白、提高营养价值、减少添加剂的使用、改善感官品质、延长货架期等,使生产高质量无麸质食物成为了可能。但酸面团发酵技术在无麸质食物中的应用仍有待进一步研究： 1)虽然酸面团发酵技术能降解面包面团中的麸质蛋白,但还需要进一步评估酸面团发酵技术对麸质蛋白降解的临床安全性,确保麸质蛋白能够充分降解,消除对乳糜泻患者存在的潜在危害;2)进行多功能菌株的筛选,如筛选同时具有产高活力麸质蛋白降解酶、EPS、抗真菌效果好等具有多种功能特性的菌株,并将其运用于无麸质食物的生产。随着研究的不断深入,基于酸面团的发酵技术的应用,在不久的将来能更大幅度地提高乳糜泻患者的生活质量。