从酸面团中筛选优质乳酸菌及优化用于馒头的冻干菌粉制备技术

《Foods》：Screening of Superior Lactic Acid Bacteria from Sourdough and Optimization of Freeze-Dried Bacterial Powder Preparation Technology for Steamed Buns

　　

为应对传统酸面团工业化应用的局限性并开发用于馒头的高性能直接式发酵剂（direct-vat-set, DVS），本研究筛选了优质乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）并优化了冻干菌粉的制备技术。结果表明，植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）与嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）以1:1比例组成的复合体系与酸面团实现了良好的协同发酵，有效调控了面团酸化并改善了馒头的综合感官品质。关键加工参数，包括离心条件以及含有海藻糖、乳糖和脱脂乳粉的复合冻干保护剂组成，被系统优化以显著提高复合乳酸菌的冻干存活能力，且所建立回归模型的高拟合度证实了优化配方的稳定性和可靠性。验证了冻干直接式发酵剂（DVS）粉的最佳添加量，能够合理调节面团酸度并全面促进馒头的比容、结构特性和感官表现。这项系统研究为直接式发酵剂（DVS）乳酸菌发酵剂在高品质馒头生产中的工业应用提供了坚实的理论与技术支持，推动了传统发酵小麦制品的现代化进程。

**论文解读：从酸面团中筛选优质乳酸菌及优化馒头用冻干菌粉制备技术**

**研究背景与问题**
传统酸面团发酵在改善馒头质构和风味方面具有显著优势，但其工业化应用面临多重限制：有害微生物的不可避免存在导致食品安全隐患；简陋的生产条件与缺乏独立包装使得馒头易变质，储存期间品质稳定性难以维持；较长的发酵周期导致生产效率低下，阻碍工业化进程。直接式发酵剂（DVS），即真空冻干乳酸菌（LAB）发酵剂，可简化生产工艺、提升产品质量并避免因微生物活性不足导致的菌种劣变，展现出取代传统酸面团的发展潜力。然而，现有研究多集中于单菌株发酵或经验性酸面团发酵，针对馒头的多菌株复合乳酸菌发酵剂的协同机制及最优菌株组合尚不明确；复合冻干保护剂配方和工业化制备参数的系统优化缺失，且DVS发酵剂在馒头生产中的最适用量未定。因此，有必要构建馒头专用多菌株复合LAB发酵剂体系，建立靶向性工业冻干制备工艺，并阐明其最佳应用参数。

**研究内容与结论**
本研究从酸面团中筛选出三株代表性乳酸菌——植物乳杆菌（L. plantarum）、嗜热链球菌（S. thermophilus）和戊糖片球菌（P. pentosaceus），基于它们在面团加工中的互补功能特性进行复合发酵。研究人员系统考察了不同复合LAB发酵剂与酸面团联合作用对面团发酵性能和馒头品质的影响；通过单因素实验和响应面法（RSM）优化了冻干发酵剂制备的离心条件和复合冻干保护剂配方；最终确定了复合DVS发酵剂的最佳添加量。结果表明：植物乳杆菌与嗜热链球菌以1:1比例组成的复合体系与酸面团协同发酵效果最优，能有效调控面团酸化、改善馒头比容（提高26.13%）、高径比和感官评分（提高14.10%）。优化的离心条件为6000×g、15 min，离心回收率达97.17%。复合冻干保护剂最优配方为海藻糖9.20%、乳糖14.60%、脱脂乳粉13.20%，对应冻干存活率为（88.67±0.92）%，与模型预测值（87.88%）高度吻合。最佳LAB冻干粉添加量为1%（以干酸面团1%为基准），此时面团酸度适中，馒头比容、高径比和感官品质均显著优于对照组。

**技术方法**
主要技术方法包括：乳酸菌菌株活化与培养（植物乳杆菌、嗜热链球菌、戊糖片球菌，保藏于河南科技学院食品学院食品生物技术实验室）；面团及馒头制作（采用两步发酵法，发酵条件35°C、85%相对湿度，一次醒发60 min，二次醒发30 min，沸水蒸制20 min）；面团pH与可滴定酸度（TTA）测定（每小时取样，用0.1 mol/L NaOH滴定至pH 8.5）；馒头比容（油菜籽置换法）与高径比（游标卡尺测量）测定；感官评价（10人专业评价小组，经GB/T 13868标准培训，含盲样评估与重复性检验）；离心条件选择（4000–8000×g、5–15 min，以存活率与回收率为指标）；冻干菌粉制备（预冻–80°C 4 h，冷冻干燥冷阱–70°C、1 Pa、24 h）；保护剂单因素实验与响应面优化（Box-Behnken设计三因素三水平）；LAB粉添加量筛选（0.5%–2.5%）；储存稳定性评价（25°C、90天）。

**研究结果**
**3.1 不同LAB发酵剂对面团pH和TTA的影响**：与对照组相比，复合LAB-酸面团发酵面团在0–4 h内pH急剧下降，4–8 h趋于稳定；TTA呈先快速上升后平缓趋势。植物乳杆菌和嗜热链球菌的产酸能力显著强于戊糖片球菌（p < 0.05）；LP-ST-Y组（植物乳杆菌+嗜热链球菌+酸面团）的pH和TTA变化最为显著，表明多菌株联合发酵加速了面团酸化。
**3.2 不同LAB发酵剂对馒头比容和高径比的影响**：与对照组相比，酸面团与LAB共发酵显著提高了馒头比容（p < 0.05），其中LP-ST-Y组达到最大值，比对照组提高26.13%。LP-ST-Y、LP-PP-Y和LP-ST-PP-Y组的高径比显著高于对照组（p < 0.05）。改善归因于LAB代谢物（如CO?、甘油、琥珀酸盐）增强面团持气能力。
**3.3 不同LAB发酵剂对馒头感官评分的影响**：感官评分依次为LP-ST-Y（90.09）> LP-ST-PP-Y > LP-Y、LP-PP-Y > ST-Y、PP-Y、ST-PP-Y、对照组（78.96）。LP-ST-Y组较对照组提高14.10%，证实植物乳杆菌、嗜热链球菌与酸面团共发酵显著提升馒头感官品质。
**3.4 最佳离心条件的确定**：通过不同离心条件（4000、6000、8000×g，5、10、15 min）比较，6000×g、15 min获得最高离心回收率97.17%（p < 0.05），既保证菌体充分沉淀又避免过度机械损伤。
**3.5 单因素实验**：海藻糖、乳糖、脱脂乳粉和山梨醇四种保护剂对LAB冻干存活率的影响均呈先升后降趋势。最佳浓度分别为：海藻糖8%（存活率50.43%）、乳糖15%（53.82%）、脱脂乳粉12%（55.56%）、山梨醇7%（33.72%）。海藻糖、乳糖和脱脂乳粉的保护效果显著优于山梨醇，故选择三者进行响应面优化。
**3.6 响应面优化冻干保护剂配方**：以海藻糖（A）、乳糖（B）、脱脂乳粉（C）为自变量，冻干存活率（Y）为响应值，建立二次多项式回归模型（Y = 84.93 + 10.73A ? 3.22B + 4.44C ? 4.49AB + 8.20AC + 7.09BC ? 15.45A² ? 9.94B² ? 12.16C²）。模型R2 = 0.9872，Adj R2 = 0.9707，p < 0.0001，失拟项不显著（p = 0.2723），拟合良好。影响因素顺序为：A（海藻糖）> C（脱脂乳粉）> B（乳糖）。
**3.7 因子交互作用分析**：响应面图和等高线显示，海藻糖与乳糖（AB）、海藻糖与脱脂乳粉（AC）、乳糖与脱脂乳粉（BC）的交互作用均显著（p < 0.05），且海藻糖的影响最为突出。
**3.8 最优条件验证**：模型预测最优配方为海藻糖9.19%、乳糖14.61%、脱脂乳粉13.16%，理论存活率87.88%。取整后（9.20%、14.60%、13.20%）进行三次验证实验，实际存活率（88.67±0.92）%，偏差仅0.90%，证实模型可靠。
**3.9 LAB粉最适添加量的确定**：（a）不同添加量对面团pH和TTA的影响：添加0.5%和1%时面团最终pH在4.5–5.0之间，酸度适宜；添加量增至1.5%–2.5%时酸化过快，可能导致麸质过度水解。（b）对馒头比容和高径比的影响：1%和1.5%添加量时比容和高径比最高（p < 0.05），2.5%时显著下降。（c）对感官评分的影响：1%添加量得分最高（90.09±1.00），显著高于其他组（p < 0.05）。综合确定1%为最佳LAB粉添加量。
**3.10 冻干菌粉的储存稳定性**：在25°C储存90天后，活菌数从4.0×10⁹ CFU/g降至3.3×10⁹ CFU/g，水分含量从1.8%升至2.1%，细胞存活率从95%降至78%，表明产品具有一定室温储存稳定性。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究人员指出，面团发酵中pH和TTA是反映发酵性能的关键指标，直接决定面团结构和终产品品质。多菌株混合发酵优于单菌株发酵，主要是由于植物乳杆菌与嗜热链球菌的协同作用：前者快速产酸调控面团酸度与麸质网络，后者产生风味代谢物。二者组合实现适度的酸化速率，既激活内源蛋白酶适度降解麸质以优化网络结构，又避免过度酸化导致持气性下降。这一适中酸化速率是馒头比容显著提升（26.13%）的关键因素。此外，乳酸菌代谢物（乳酸、甘油、琥珀酸盐等）可促进麸蛋白交联，增强面筋延伸性和CO?保留能力。感官改善则归因于酸性环境激活蛋白酶、改善面团流变特性，以及乳酸与醇酮类反应生成特征风味物质。冻干保护方面，海藻糖和乳糖作为典型二糖，通过替代脱水时细胞膜周围水分维持脂质双层结构，脱脂乳粉形成致密保护膜，三者协同实现最高存活率。但山梨醇的保护效果相对较弱。过量LAB添加导致过度酸化引起麸质过度松弛，降低比容和高径比。研究人员也承认研究局限性：多菌株在复杂面团系统中的互作机制需进一步探索；冻干菌粉在工业生产中的长期应用效果需中试验证；LAB与酵母的协同关系需优化。
**研究结论翻译**：本研究开发了一种高效且工业可行的直接式发酵剂乳酸菌发酵剂用于馒头发酵。植物乳杆菌与嗜热链球菌的共培养体系与天然酸面团显示出显著的协同效应，有效调控面团酸化、优化麸质网络结构，并改善馒头的质构、体积特性和感官品质。这种复合发酵策略有效缓解了传统酸面团发酵中常见的品质波动和风味缺陷。通过系统优化离心参数和冻干保护剂组成，建立了高活力冻干LAB粉的稳健制备方案。优化的发酵剂体系具有稳定的发酵活性和可控的酸化能力，支持一致且高品质的馒头生产。本工作为传统发酵主食的标准化和产业升级提供了可行的技术途径。所开发的复合发酵剂解决了天然酸面团发酵重复性差和不可控的问题，在现代馒头制造中展现出巨大潜力，并为烘焙行业高效发酵剂的开发提供了有价值的参考。

（全文约1550字）