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

论文摘要

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。

论文目录

摘要

Abstract

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第一章绪论

1.1 老面酵头

1.1.1 定义与分类

1.1.2 老面酵头产业发展现状

1.2 老面酵头菌群多样性研究

1.2.1 老面酵头的微生物组成

1.2.2 老面酵头菌群结构多样性的研究方法

1.3 老面酵头对馒头风味物质的影响

1.3.1 老面酵头对发酵面食品风味的影响

1.3.2 微生物发酵过程的风味形成机制

1.3.3 食品风味物质分析方法

1.4 论文立题背景及意义

1.5 论文的主要研究内容

第二章老面酵头馒头特征香气和滋味物质的筛选

2.1 前言

2.2 材料与设备

2.2.1 实验材料与试剂

2.2.2 实验仪器与设备

2.3 实验方法

2.3.1 老面酵头样品的采集

2.3.2 馒头的制作

2.3.3 基于电子鼻对馒头香气特征的测定

2.3.4 馒头中挥发性香气物质的测定

2.3.5 基于电子舌对馒头滋味特征的测定

2.3.6 馒头中非挥发性物质的衍生化

2.3.7 馒头中非挥发性物质GC-TOFMS的测定及解析

2.3.8 馒头中γ-谷氨酰二肽的测定

2.3.9 数据处理

2.4 结果与讨论

2.4.1 基于电子鼻的馒头香气特征差异分析

2.4.2 挥发性香气物质组成及聚类分析

2.4.3 老面酵头馒头中挥发性特征香气物质的筛选及确定

2.4.4 基于电子舌的馒头滋味特征差异分析

2.4.5 非挥发性滋味物质组成及聚类分析

2.4.6 老面酵头馒头中非挥发性特征滋味物质的筛选及确定

2.5 本章小结

第三章老面酵头微生物菌群结构差异性分析

3.1 前言

3.2 材料与设备

3.2.1 实验材料与试剂

3.2.2 实验仪器与设备

3.3 实验方法

3.3.1 pH和总酸度（TTA）的测定

3.3.2 水分含量的测定

3.3.3 乳酸菌与酵母菌的菌落计数与分离纯化

3.3.4 乳酸菌与酵母菌的鉴定

3.3.5 老面酵头全基因组的提取及其高通量序列分析

3.3.6 数据分析

3.4 结果与讨论

3.4.1 老面酵头理化性质分析

3.4.2 基于传统分离技术的微生物菌群结构分析

3.4.3 基于高通量测序技术的微生物菌群结构分析

3.4.4 老面酵头中微生物菌群结构与馒头风味特性的相关性

3.5 本章小结

第四章老面酵头馒头特征香气物质的成因分析

4.1 前言

4.2 材料与设备

4.2.1 实验材料与试剂

4.2.2 实验仪器与设备

4.3 实验方法

4.3.1 老面酵头核心菌群发酵酸面团的制备方法

4.3.2 馒头的制备方法

4.3.3 馒头中挥发性香气物质的测定

4.3.4 非靶向代谢物的检测及鉴定

4.3.5 数据分析

4.4 结果与讨论

4.4.1 老面酵头微生物菌群与馒头挥发性香气物质的相关性分析

4.4.2 老面酵头核心菌种对馒头香气特征的影响

4.4.3 核心菌群发酵馒头加工过程中挥发性特征香气物质的变化

4.4.4 核心菌群发酵馒头加工过程中挥发性特征香气物质的形成机制

4.5 本章小结

第五章老面酵头馒头特征滋味物质的成因分析

5.1 前言

5.2 材料与设备

5.2.1 实验材料与试剂

5.2.2 实验仪器与设备

5.3 实验方法

5.3.1 面团中γ-谷氨酰二肽的测定

5.3.2 菌种培养方法

5.3.3 乳杆菌属中谷氨酰半胱氨酸连接酶编码基因的系统进化分析

5.3.4 基因提取与目的基因片段的PCR扩增

5.3.5 罗伊氏乳杆菌LTH5448 gcl基因突变株的构建

5.3.6 在模拟缓冲溶液和酸面团中γ-谷氨酰二肽含量的测定

5.3.7 突变株生长特性和氧耐受性的测定

5.3.8 馒头的制备方法

5.3.9 基于电子舌对馒头滋味特性的检测

5.3.10 数据分析

5.4 结果与讨论

5.4.1 模拟体系中不同种水平乳酸菌对γ-谷氨酰二肽生成量的影响

5.4.2 乳杆菌属中谷氨酰半胱氨酸连接酶编码基因的系统进化分析

5.4.3 罗伊氏乳杆菌gcl突变株的构建及其生长代谢活性的变化

5.4.4 模拟体系中突变菌株发酵对γ-谷氨酰二肽合成的影响

5.4.5 突变菌株发酵酸面团对γ-谷氨酰二肽合成的影响

5.4.6 突变菌株发酵酸面团对馒头滋味特性的影响

5.5 本章小结

主要结论与展望

论文创新点

致谢

参考文献

附录 Ⅰ：馒头挥发性香气物质的含量及组成

附录 Ⅱ：γ-谷氨酰二肽的MRM离子对图谱

附录 Ⅲ：作者在攻读博士学位期间发表的成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 闫博文

导师: 赵建新

关键词: 老面酵头,风味,微生物菌群,香气,滋味

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,轻工业手工业,轻工业手工业

单位: 江南大学

分类号: TS213.2;TS201.3

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