本文描述了一种利用新型细菌发酵剂进行小规模生产益生菌发酵乳饮料的制备方案。
本文描述了一种利用新型细菌发酵剂进行小规模生产益生菌发酵乳饮料的制备方案。
将一种新型的干燥细菌复合物——Lactobacillus rhamnosus yoba 2012 与 Streptococcus thermophilus C106,在1 L牛奶中进行培养。这种新鲜发酵剂可用于家庭或资源有限的农村地区小规模生产发酵乳及其他发酵食品。制备新鲜发酵剂时,将1 L牛奶置于一个可放入较大水浴锅中的容器内,加热。在水浴中将牛奶加热至85 °C,并在此温度下保温30分钟。随后将牛奶冷却至45 °C,转移至保温瓶中,接入干燥菌种,并在30 °C至45 °C条件下静置至少16小时。为便于家庭频繁使用,可将新鲜发酵剂冷冻成冰块,用于制备最多2 L的发酵乳。在资源匮乏国家进行小规模生产时,可将最多100 L牛奶置于奶罐中,再将奶罐放入盛水的大锅内,通过明火加热水浴,使牛奶在85 °C下巴氏杀菌30分钟,之后冷却至45 °C。接着,向该100 L牛奶中接种前述新制备的1 L发酵剂。为确保在30 °C至45 °C之间有效发酵,需将奶罐用毛毯包裹保温12小时。若用于生产非乳基发酵食品,可将新鲜发酵剂置于 cheesecloth(纱布)中静置12小时,收集滤出的乳清,随后可用于接种多种食品原料,包括蔬菜和谷物类食品。
本文介绍了一种生产方案,该方案利用已证实具有健康益处的发酵剂培养物,可制备营养丰富且含益生菌的发酵乳及其他益生菌发酵食品。该方案稳定可靠,操作简便,适用于任何地点的人员操作,包括资源匮乏的国家。
在撒哈拉以南非洲,21%的儿童死亡 < 5年齡段的死亡原因中,腹瀉是致死因素1,其中29%特别由轮状病毒病因引起2已证明,每天食用含有推荐剂量为1 x 10⁹ CFU的发酵食品10 菌落形成单位(CFU)的 L. rhamnosus GG促进肠道健康并降低轮状病毒相关性腹泻的发生率和严重程度3-7.
有益细菌广泛存在于撒哈拉以南非洲地区的各种传统发酵食品中8-10。然而,这些食品几乎完全由家庭自制,保质期相对较短,并且由于发酵过程缺乏控制,存在较高的安全风险11。此外,由于城市化进程以及非洲地区饮食结构普遍趋向西方化,传统发酵食品的消费量正在下降10,12。
在L. rhamnosus GG的原始专利过期后14,引入了一种通用的益生菌L. rhamnosus yoba 201213,其与L. rhamnosus GG完全相同。干燥的种子培养物的水分活度(Aw)约为0.1,在室温下储存至少一年后仍能保持较高的存活率(数据未显示)。
种子培养物以每份1 g进行分装,可用于生产最多100 L发酵乳。若每天生产一至两批次,使用该发酵剂培养物可利用每日新鲜牛奶实现每周最高1,000 L的生产能力。
使用 L. rhamnosus yoba 2012 与 S. thermophilus C106 作为辅助培养物,可使益生菌 Lactobacillus 得以增殖15,这种独特的细菌组合此前未见其他研究者报道。该生产工艺包括将一包冻干发酵剂(1 g,即种子培养物)重新悬浮于 1 L 牛奶中,在 16 小时的培养后形成所谓的“新鲜发酵剂”。随后,该新鲜发酵剂可用于接种最多 100 L 的牛奶。这种预培养方法减少了冻干菌种的使用量,从而相较于直接培养法(例如 Goff 所描述的方法16)降低了生产成本。本文所述方案所采用的制剂方式保留了冻干发酵剂的优点,如良好的储存稳定性、便于保存和操作,从而实现高度可重复的发酵过程。
此外,本文所述的生产方案不需要高科技设备,而发达国家常用的标准化生产方法则需要17。
最后,这种新鲜发酵剂可用于接种其他(非乳制品)原材料,以生产多种发酵食品,这一点已成功应用于乌干达(前两种)、肯尼亚和布基纳法索的传统谷物发酵食品Obushera、Kwete、Uji和Zomkom15。这仅是非洲开发的大量发酵食品中的一小部分18。
发酵是指通过酶和/或微生物的作用,将淀粉、糖类和蛋白质等大分子物质分解为更易消化产物的过程。在撒哈拉以南非洲地区,发酵是一种广泛应用的技术,与干燥和盐渍相结合,可在缺乏冷藏设施或罐装等工业技术的条件下实现食品保藏9,19。传统发酵常采用回接法(back-slopping),即在新一批原料中加入前一批发酵产物的一小部分,以促进发酵进程并降低发酵失败的风险11。Harrison 和 Tomkins20 描述了多种以玉米、高粱或小米为基础的传统非洲发酵食品,并指出这些食品在婴幼儿断奶过程中具有积极作用,例如可减少儿童腹泻及其相关死亡率。Nout 和 Sarkar19 介绍了在西非广泛食用的一种发酵木薯食品的传统制作方法。Franz 等.9 对非洲传统发酵食品进行了系统分类和详尽描述,将其分为谷物和蔬菜类食品、富含淀粉的根茎类作物食品以及动物蛋白类食品。此外,Narvhus 和 Gadaga21 特别描述了非洲传统发酵乳制品的生产过程。
对于益生菌发酵乳(或其他发酵食品)的生产,尤其是在家庭生产的情况下,拥有冰箱有利于将新鲜发酵剂分装冷冻保存。在资源匮乏的国家,产奶社区可以很好地开展发酵乳的生产。目前在乌干达当地社区的实践经验表明,奶业合作社是利用自有奶源开展酸奶生产的合适主体。拥有奶罐较为有利,尽管也可使用较大的锅具来制备大批量发酵乳,但效果稍差。此外,在资源匮乏国家,电力供应以及由此带来的当地商店和摊点具备冷藏设施,有助于扩大业务规模并减少因腐败造成的损失。然而,正如本实验方案中将讨论的,通过添加山梨酸钾,可在室温下将酸奶保存数天,从而在电力供应不稳定的情况下减少腐败变质。
1. 新鲜启动剂的制备
为制备新鲜发酵剂,取1 L超高温(UHT)处理的牛奶或新鲜牛乳。若使用UHT牛奶,请进行步骤1.3;若使用新鲜牛乳,请进行步骤1.1。
2. 家庭水平小批量生产
3. 资源匮乏国家农村地区的生产
注意:每1升新鲜启动剂最多使用100 L牛奶。
4. 其他发酵食品的生产
本部分介绍除发酵乳以外、最大体积约为50 L的发酵食品的制备方法。
表1左侧展示了方案第1部分的示意图,右侧则为第2和第3部分的通用组合示意图。
采用本文所述的生产方案,对接种了种子培养物的牛奶的发酵过程进行了记录。图1展示了新鲜发酵剂的发酵过程(如第1节所述)。图2展示了发酵乳(终产品,如第2和第3节所述)的发酵过程。由于在农村地区实际操作中严格控制温度较为困难,因此实验在37 °C和45 °C条件下进行了测定。
在37 °C条件下进行发酵时,两种试样小袋的酸化曲线在指数级酸化开始时间上显示出约30分钟的微小差异,该差异在新鲜发酵剂和最终产品的生产过程中均存在。经过16小时后,两种培养物的最终pH值相同。
典型pH值和扩增后的滴度 L. rhamnosus 和 S. thermophilus 菌株 可在以下所述不同发酵食品的生产流程中找到 表2细胞计数用于 L. rhamnosus 和 S. thermophilus 分别采用常用的微生物平板计数法,在MRS琼脂培养基和LM17上测定。最终的菌体计数结果 L. rhamnosus yoba 2012 年为 1.7 x 107,3.7 × 109 和 3.3 × 109 CFU/ml-1 分别为发酵乳、kwete 和 uji。发酵乳和 kwete 的最终 pH 值分别为 4.3 和 4.2。初步结果表明,发酵前添加山梨酸钾不会产生负面影响,反而会增加活菌数量 L. rhamnosus yoba 2012 细菌在酸奶生产两周后的含量(数据未显示)。
图3展示了非发酵牛奶与发酵牛奶经高效液相色谱(HPLC)结合示差折光(RI)检测器分析的结果。结果显示,牛奶中的乳糖含量降低,而乳酸和半乳糖含量升高,这是接种菌种代谢活性的结果。

图 1. 由半脱脂牛奶(1.5% 脂肪,3.5% 蛋白质)制备的新鲜发酵剂的发酵曲线。 1 升牛奶接种一袋(1 g)发酵剂菌种后,在 37 °C(••••,重复实验)和 45 °C(- - - -,重复实验)下培养 16 小时。图中插入的直线(----)位于 pH 4.4,用于指示发酵终点的判定。 请点击此处查看该图的高清版本。

图 2. 由半脱脂乳(1.5% 脂肪,3.5% 蛋白质)制成的发酵乳(终产物)的发酵曲线。 1 升牛奶接种 20 克新鲜发酵剂后,在 37 °C(••••,重复实验)和 45 °C(- - - -,重复实验)下发酵 16 小时。在 pH 4.4 处绘制的直线(----)用于指示发酵终点。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 未发酵牛奶(黑色)与使用种子培养物发酵16小时后的牛奶(蓝色)的HPLC洗脱图谱。 洗脱图谱显示乳糖被消耗,同时生成半乳糖和乳酸。糖类和弱酸根据紫外吸收和折射率的保留时间以及峰面积比进行鉴定。请点击此处查看该图的放大版本。

表 1. 发酵剂培养物应用方案。 请点击此处查看本表的放大版本。

表2. 扩增 鼠李糖乳杆菌 yoba 2012 在多种发酵食品中 数据来自 Kort 等15. 发酵在以下条件下进行 37 °C 除非另有说明。细胞计数的 L. rhamnosuss yoba 2012 和 S. thermophilus 接种后C106的数值在1 x 10之间均有变化6 和 1 × 107 CFU/ml-1. 功能性突变体bota使用仅含特定起始物的培养基制备 L. rhamnosus yoba 2012,由 Mpofu 报道 等24;ND,未测定。 请点击此处以查看此表格的放大版本。
补充文件。 非洲农村地区益生菌酸奶的本地生产与销售。镜头和图片摄于乌干达巴拉沃利和纳马盖拉,2016年5月。该视频展示了从原料奶接收、加工、包装、销售直至最终消费一批50 L益生菌酸奶的完整价值链,整个生产过程仅使用基本设备完成。请点击此处下载。
本文所述的简易生产方案利用基本设备和一种新型发酵食品菌种,有助于在资源匮乏国家的家庭和农村环境中生产高质量的益生菌发酵乳。对乳品进行至少30分钟的巴氏杀菌至关重要,以实现腐败微生物及潜在致病微生物的充分减少或消除。此外,充分加热会导致乳清蛋白17变性,随后与酪蛋白胶束25结合,从而在发酵乳中形成交联结构26。因此,与加热程度较低的乳品相比,最终产品的黏度得以提高27。同时必须注意避免在高于45 °C的温度下接种,因为温度过高会导致细菌失活。
同样,如果条件允许且成本效益较高,建议使用超高温灭菌(UHT)牛奶,尤其是在制备新鲜发酵剂时。首先,UHT 牛奶几乎不含不需要的微生物。其次,UHT 牛奶中的乳清蛋白已发生广泛变性,使其更易于被细菌蛋白酶作用,促进蛋白降解及酸奶菌种的后续生长。在冷却过程中,部分蛋白质会重新折叠至其天然构象,因此在接种前重新加热有利于酸奶的生产。长时间发酵会导致发酵乳的 pH < 4.4,这通常是不理想的。可通过将发酵乳及时放入冰箱中来终止发酵过程。
非洲本地生产的酸奶已被发现含有较高水平的乳球菌28,例如L. lactis,这类菌可产生具有苦味的肽29–32,而这种味道通常是不受欢迎的31。因此,发酵过程必须在45至35 °C之间的温度下进行15,28。由于在半控环境中发酵时温度会逐渐下降,接种操作需在允许的最高温度45 °C下进行。发酵过程中必须提供充分的保温,以避免温度降至35 °C以下。
在农村环境下手工制作酸奶,存在较高的微生物污染风险,尤其是腐败微生物的污染。酵母菌能够在酸奶的酸性条件下生长繁殖。酵母污染可能导致在培养阶段或储存期间产生过量气体,从而立即导致酸奶变质,或显著缩短其保质期33,34。每次与牛奶或酸奶接触前,对所有器具和设备进行热力灭菌和/或使用次氯酸钠清洗,可将酵母污染水平降至最低。特别是在发生酵母腐败后,必须进行严格而彻底的灭菌和清洁,以彻底消除污染。
上述列出的风险清楚表明,该生产方案在资源匮乏国家的应用成功程度受限于其手工操作特性,以及由此导致的更高的腐败变质率。在缺乏冷藏设施或电力供应极不稳定的社区,腐败变质率甚至更高。此外,无法获得价格合理的高质量包装材料也可能限制该方案的推广使用。所需设备虽基本且通用,但实验室或厨房用温度计必不可少。最后,目前仅有少数国家具备生产冻干发酵剂的能力。大多数资源匮乏的国家缺乏此类设施,因而依赖进口来获取该产品。
在各类食品中,发酵乳制品(包括酸奶)是益生菌最常用的载体。生产发酵乳制品除了需要温度计外,无需特殊设备。因此,将上述第一代通用益生菌 starter culture13 与简单的生产工艺相结合,几乎可在任何地点由任何人安全、可控且可重复地生产益生菌发酵乳制品,包括在资源匮乏国家的农村地区进行家庭或小作坊式生产。传统自然发酵工艺无法保证益生菌含量的稳定性9。以1克小袋包装的自稳定型 starter culture 可使小规模生产者以较低成本生产发酵食品,无需购买大量 starter culture,避免因包装开启后菌种活力下降(尤其是在室温及高相对湿度条件下储存时)造成浪费——据我们所知,目前市面上所有其他酸奶 starter culture 均存在此类问题。此外,由于本方案中描述的预培养方法可在本地大量扩增菌种,所需进口的干燥菌体量极低,不足最终产品中益生菌浓度的0.1%。
本文详细描述了发酵乳的生产过程,这是掌握益生菌发酵食品制作工艺的第一步,随后可将该技术应用于发酵多种其他类型的食品(如本文所述)。为进一步提升基础发酵乳的品质,下一步可尝试生产真果发酵乳。这需要制备无菌的水果果酱(由水果、糖及可选的某些添加剂混合而成),或购买现成的水果果酱,在发酵完成后与发酵乳混合35,36。
Wilbert Sybesma 和 Remco Kort 是 Yoba for Life 基金会的创始人。Yoba for Life 是一家非营利组织,已获荷兰税务机关认证为公共慈善机构(PBI),旨在促进非洲地区发酵产品的本地化生产与消费。该基金会本身并不以商业形式销售使用 Yoba 菌种发酵剂制成的发酵产品(包括酸奶、zomkom、obushera 和 mutandabota),而是致力于推动本地化生产和本地所有权,为非洲食品行业的创业者创造增收机会。Yoba for Life 基金会通过合作伙伴与志愿者网络,分发和销售含有干燥细菌发酵剂的即用型小袋,以支持非洲本地通过可控的细菌发酵方式生产乳制品和谷物类食品。
作者感谢东非乳品发展项目(EADD)在乌干达农村地区为乳品合作社提供发酵乳制品生产培训所给予的实地实践支持。感谢CSK食品强化公司负责发酵剂的生产、质量控制及发酵能力评估。感谢奥地利Lactosan GmbH & Co提供生产协助。作者感谢荷兰Zeist市TNO微生物学与系统生物学研究所的Karin Overkamp进行高效液相色谱(HPLC)分析,以及乌干达工业研究所(UIRI)的Derrick Assimwe在乌干达录制作者声明。这些录制工作是在2016年5月于乌干达恩德培举行的“为生命而发酵食品”项目(CIFSRF第二阶段)启动会议期间进行的,该会议由国际发展研究中心(IDRC)资助。感谢阿姆斯特丹自由大学(VU University Amsterdam)和Micropia博物馆提供资金支持及实验室设施,用于制作本文所述视频。作者感谢Wim van Egmond对酸奶细菌进行显微镜观察。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Yoba 起始发酵剂 | Yoba for Life 基金会 | - | |
| 牛奶 | 从当地奶牛获取 | - | 新鲜全脂牛奶,不含抗生素,来自健康奶牛 |
| 可选添加糖 | 在当地超市购买 | - | 使用了蔗糖,但甜菜糖也可用,需无杂质 |
| 实验室温度计 | Narang Scientific Industries | TM-01 | |
| 乳脂计 | Narang Scientific Industries | LM-01 | |
| 96% 乙醇 | Sigma Aldrich | 476226 | |
| pH 试纸 | Macherey-Nagel GmbH & Co | 90206 | |
| 纱布 | Beyond Gourmet | - | 任何高质量食品级纱布均可使用 |
| 筛子/滤网 | Cuisinart | CTG-00-3MS | 任何细网筛子均可使用,但推荐不锈钢材质 |
| 1 L 保温瓶 | 在当地仓库购买 | - | |
| 1 L 锅具 + 盖子 | 在当地仓库购买 | - | 不锈钢材质 |
| 2 L 锅具 | 在当地仓库购买 | - | 任何耐热且防水的材料均可使用 |
| 50 L 锅具 | 在当地仓库购买 | - | 任何耐热且防水的材料均可使用 |
| 牛奶桶 | Narang Scientific Industries | MC-SS-30 | 任何不锈钢牛奶桶均可使用 |
| 毯子 | 在当地仓库购买 | - | 毯子越厚,保温效果越好 |