老面酵头微生物菌群多样性差异分析及其对馒头风味特性的影响

发布时间：2020-09-12 09:20

　　老面酵头又称酸面团,主要采用小麦粉、麸皮、玉米粉或米粉等原料,经过长时间反复发酵制作而成。老面酵头是一种复杂的微生态体系,在乳酸菌、酵母菌及少量霉菌等共同作用下,可赋予发酵面食品独特的风味。风味物质主要由挥发性香气物质和非挥发性滋味物质构成,其物质形成与微生物菌群有着密切的关系。研究表明,老面酵头的添加可明显改善馒头的风味特性,但对其物质基础的认识仍缺乏系统的研究。我国传统老面酵头主要以山东老面和河南酵子为典型代表,两者的加工方式不同,其生理生化特性存在显著差异。山东老面与河南酵子中微生物菌群结构差异尚不明确,以及其微生物菌群结构与馒头的风味物质组成间的相互关系仍未见报道。本论文对山东老面和河南酵子制得馒头的特征风味物质进行筛选,并构建微生物菌群结构与馒头风味物质间的相互关系;通过重塑老面酵头核心菌群研究其特征风味物质代谢形成机制,本研究主要研究结果如下:1.为了明确老面酵头馒头中特征风味物质组成,采集了来自山东老面和河南酵子共计15份样品,并对其发酵制得馒头样品的挥发性香气物质和非挥发性滋味物质进行分析检测。通过与即发活性干酵母馒头风味物质组成对比,山东老面馒头的挥发性特征香气物质主要由乙酸乙酯、乙酸己酯、反-2-壬烯醛、反-辛烯醛、己醛和2-戊基呋喃组成;而河南酵子馒头则主要由乙酸乙酯和乙酸己酯构成。两者在滋味方面并无显著差异,其非挥发性特征滋味物质主要由组氨酸、亮氨酸、γ-谷氨酰谷氨酸、γ-谷氨酰半胱氨酸、柠檬酸和乳酸等20种滋味物质组成。2.为了明确老面酵头微生物菌群结构与馒头风味物质组成间的关系,采用传统分离手段结合高通量测序技术对老面酵头菌群结构多样性进行分析。结果表明,山东老面中细菌主要由旧金山乳杆菌、食窦魏斯氏菌和少量发酵乳杆菌组成。而河南酵子则主要由食窦魏斯氏菌、植物乳杆菌和戊糖片球菌构成,部分样品中还含有少量的旁氏乳杆菌、类食品乳杆菌和瑞士乳杆菌。酵母属和假丝酵母属为老面酵头中的主要优势真菌,河南酵子中还伴随含有少量的曲霉菌属和青霉菌属。两者在酵母菌组成上差异不显著,主要以酿酒酵母菌和假丝酵母菌为主,部分样品中还含有少量的异常威克汉姆酵母。通过微生物菌群结构与老面馒头风味物质组成相关性分析表明,微生物菌群结构与挥发性香气物质组成具有显著相关性,而与非挥发性滋味物质组成则相关性不显著。3.为了阐明老面馒头挥发性特征香气物质形成的过程及代谢机制,研究通过多元统计学分析构建了核心菌种与香气物质间的相互关系。结果表明,旧金山乳杆菌和发酵乳杆菌与老面馒头中乙酸、戊醛、己醛、反-2-壬烯醛、壬醛、反-2-辛烯醛、反-2,4-癸二烯醛、2-戊基呋喃、壬醇和1-辛烯-3-醇等具有较高的正相关系数;酿酒酵母主要与己醛具有较高的正相关系数,而食窦魏斯氏菌和假丝酵母菌与特征挥发性香气物质相关性不显著。采用旧金山乳杆菌、发酵乳杆菌和酿酒酵母共发酵酸面团,连续反复发酵5天,制得馒头与山东老面馒头的整体香气特征较为接近,所含挥发性特征香气物质含量与山东老面馒头基本相似。基于代谢组学分析可知,亚油酸和棕榈油酸在老面馒头加工过程中发生显著下调现象,酸面团的添加可加剧不饱和脂肪酸的氧化程度,进而提高醛类化合物和2-戊基呋喃的生成量。4.γ-谷氨酰二肽作为馒头特征滋味物质,对馒头的整体滋味特性有着重要的作用。为了阐明乳酸菌中γ-谷氨酰二肽代谢形成机制,通过构建罗伊氏乳杆菌LTH5448突变菌株,探究氨酰半胱氨酸连接酶对γ-谷氨酰二肽合成的影响。根据数据库序列比对表明,大多数谷氨酰半胱氨酸连接酶存在于异型发酵乳杆菌中,仅有少部分存在于同型发酵乳杆菌中,而罗伊氏乳杆菌LTH5448中主要含有两个氨酰半胱氨酸连接酶编码基因gcl1和gcl2。采用双交换同源重组技术成功构建罗伊氏乳杆菌LTH5448突变菌株,并利用其发酵酸面团可知,gcl1优先选择异亮氨酸用于调控γ-谷氨酰异亮氨酸的合成,而gcl2则优先选择半胱氨酸用于调控γ-谷氨酰半胱氨酸的合成,gcl并不能调控大多数γ-谷氨酰二肽的代谢合成,且其生成量是内源性蛋白酶和微生物自身酶系共同作用的结果。通过比较野生型菌株与突变菌株制得馒头的滋味特性表明,γ-谷氨酰二肽对馒头的咸味和鲜味有着重要影响。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS213.2;TS201.3
【部分图文】：

面团,加工方法,种类,面制品

2图 1-1 酸面团种类及加工方法Fig.1-1 The variety and processing method of sourdough.2 老面酵头产业发展现状面制品是全球日消费量最大的食品之一，据统计，每日全球有超过 18 亿人在种各样的面制品。近年来，随着民众物质生活水平的提高，日常饮食需求逐步向

面团,挥发性风味物质,面包,馒头

图 1-2 加工过程与酸面团及酸面团面包中挥发性风味物质的关系Fig.1-2 Sourdough and sourdough-bread volatile compounds: variations in parameters面包相较，国内围绕老面酵头对于馒头中挥发性香气物质的研究则起步较晚，馒头制作差异，目前对馒头中风味物质的定性和定量研究都不系统深入，核心（群）也需要进一步研究确定。Wu[79]等人研究了酸面团添加对北方馒头品质现能鉴定出 77 种挥发性化合物，其中乙醇和 3-甲基-1-丁醇含量最高，不同发面团馒头具有各自标志性的挥发性物质。Kim[80]等人从四类馒头（包括酸面团共鉴定出 89 种挥发性物质，也包含大量的醇类物质，尤其是 3-甲基-1-丁醇。指出 3-甲基-1-丁醇主要是由面团种的酵母发酵产生，而非乳酸菌代谢产生[81现有研究报道表明乳酸菌同型发酵可以产生 3-甲基-1-丁醇，且其产生量与乳酸很大的差异性[82]。Gobbetti[83]等人研究发现乳酸菌和酵母的组合比例会影响 3醇的生成量。另外，酸面团馒头中乙酸和丁酸的含量也明显增加，而 2，3-丁-丁酮则只在酸面团馒头中发现。Zhang[84]等人研究传统酸面团馒头的挥发性化现采用蒸馏萃取法制得的挥发性物质主要是(E)-2-壬烯醛和(E，E)-2，4-癸二烯发现的最常见的芳香化合物，而固相微萃取和吹扫-捕集法却发现乙醇和乙酸

风味物质,主要途径,乳酸菌,面团

图 1-3 发酵米面食品风味物质形成的主要途径Fig.1-3 The generation pathway of flavour compounds in the sourdough-based food1.2.3.1 乳酸菌发酵途径中风味物质的代谢乳酸菌代谢及其酶系生物转化作用是产生香气和滋味化合物的重要途径，包含醇醛类、酮类、酯类、有机酸、氨基酸以及一些滋味肽类物质等[36, 104]。其中挥发性香物质多数由乳酸菌对一些物质的代谢及酶转化有关，且与乳酸菌的发酵类型有着密切系。以糖代谢为例，同型乳酸菌主要通过糖酵解（EMP）途径将糖类降解成丙酮酸，最终还原成乳酸，因此这类乳酸菌代谢产生风味物质种类较少。异型发酵乳酸菌则主通过 6-磷酸葡萄糖酸/磷酸解酮酶（6-PG/PK）途径进行糖类代谢，将一半糖转化为乳酸多余的糖源则用于产生乙醇、乙酸及 CO2等挥发性产物[77, 105]，因而异性发酵乳酸菌生的风味物质种类相对较多。除了前面的糖代谢外，乳酸菌还可以通过自身酶系进行吸收和氨基酸代谢、酚类化合物代谢及还原脂肪氧化产物。表 1-2 总结了酸面团在发过程中微生物和酶生物转化对面包风味及品质的影响。氨基酸是许多风味物质生成的体物质，Di Cagno 等人[106]通过比较酸面团和化学酸化酸面团中肽和氨基酸的含量发现酸面团中肽的含量降低，而氨基酸含量则显著增加。乳酸菌还能对一些氨基酸具有转

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