乳酸菌發酵對燕麥淀粉物化及熱力學特性的影響

萬晶晶，黃立群，張 慶，黃衛寧,*，RAYAS-DUARTE Patricia

乳酸菌發酵對燕麥淀粉物化及熱力學特性的影響

萬晶晶1，黃立群1，張 慶1，黃衛寧1,*，RAYAS-DUARTE Patricia2

(1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.美國俄克拉荷馬州立大學食品與農產品研究中心，美國 俄克拉荷馬州 斯蒂爾沃特 74078-6055)

以燕麥粉為原料，分別利用植物乳桿菌(L.p)和舊金山乳桿菌(L.s)兩種乳酸菌對其進行發酵，研究燕麥淀粉在發酵過程中各種物化及熱力學特性的變化。結果表明：燕麥粉經過兩種菌發酵后pH值下降，且L.p發酵的燕麥粉pH值下降的速率和產酸量都大于L.s。但是到發酵后期，兩種乳酸菌發酵的燕麥粉pH值相近。發酵燕麥淀粉的溶解度和溶脹力都隨著溫度的升高而增加，在不同溫度下，其溶脹力和溶解度在發酵過程中的變化趨勢不同，經L.P發酵的樣品的溶脹力低于L.s，但溶解度大于經L.s發酵的樣品。快速黏度分析儀(RVA)和差示掃描量熱儀(DSC)分析得到發酵過程中燕麥淀粉的變化：發酵后燕麥淀粉糊化過程中峰值黏度隨著發酵時間的延長而降低，糊化起始溫度提前，糊化所需時間延長，糊化焓升高，且L.s發酵樣品的糊化焓值高于L.p。發酵后燕麥淀粉的直鏈淀粉含量在發酵過程中呈上升趨勢，L.p發酵的樣品的直鏈淀粉的含量高于L.s。

乳酸菌；發酵；燕麥淀粉；糊化；直鏈淀粉

燕麥是一種多功能性谷物。和其他谷物相比，燕麥含有大量高營養價值的物質，如可溶性纖維(主要是β-葡聚糖)、蛋白質、不飽和脂肪酸、維生素、礦物質以及植物營養素等[1]，它具有降低膽固醇量、降血糖、防止心血管疾病和輔助調節消化道等功效，因而成為唯一獲得美國FDA健康認證的谷物[2]。燕麥的研究和利用成為世界各國研究者們關注的熱點之一[3-4]。

乳酸菌發酵常用來改善產品口感和質構，增強風味和營養價值[5-6]。燕麥的乳酸菌可發酵性也引起人們的極大興趣[7]。乳酸菌在燕麥基質生長可以利用β-葡聚糖并產生胞外多糖[8-9]，這不僅可以改善產品的質構和黏性，同時提高感官品質和營養價值[10]。本課題組張坤等[11]研究了舊金山乳桿菌發酵燕麥酸面團發酵劑中β-葡聚糖含量及其分子質量的分布變化，研究發現舊金山乳酸菌發酵對β-葡聚糖分子質量分布和峰值分子質量影響不大。

燕麥粉中淀粉約占43%～64%，燕麥淀粉的物化特性成為影響燕麥及食品加工利用的關鍵因素之一。例如，面包的制作要求淀粉的溶脹力，沙拉醬的制作要求淀粉的乳化性，發酵粉要求淀粉的保水性等[12]。目前關于乳酸菌發酵對燕麥淀粉性質影響方面的研究鮮有報道，本研究以燕麥粉為原料，從燕麥淀粉的角度出發，探討燕麥粉在不同乳酸菌發酵的過程中，其淀粉的溶脹力、溶解度、直鏈淀粉含量的變化，并通過快速黏度分析儀(RVA)和差示掃描量熱儀(DSC)研究其糊化與熱力學特性的變化，為燕麥烘焙與發酵食品的深加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥粉 內蒙古葉俊面粉廠；植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum，L.p)、舊金山乳桿菌 (Lactobacillus sanfrancisco，L.s) 丹尼斯克有限公司。

1.2 儀器與設備

FE20實驗室pH計 梅特勒有限公司(上海)公司；SPX-150/250C恒溫恒濕箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；高壓蒸汽滅菌鍋 上海三申醫療器械有限公司；超凈工作臺 蘇凈集團安泰公司；Eppendorf 5810R高速冷凍離心機 德國Eppendorf公司；快速黏度測定儀(RVA) 澳大利亞Newport Scientific公司；差示掃描量熱儀(DSC) 美國Perkin-Elmer公司；SP-752紫外分光光度計 上海光譜儀器有限公司；ACPHA1-4自動壓蓋箱凍干機 德國Christ公司。

1.3 方法

1.3.1 菌種培養與發酵燕麥粉的制備

1.3.1.1 菌種活化與擴大培養

用接種環挑取MRS固體上的乳酸菌單菌落，接種至MRS液體培養基(10mL)中活化，30℃培養24h。將已活化好的菌懸液搖勻，取100μL接種至MRS液體培養基(10mL)，在30℃進行擴大培養10h至對數后期(菌體濃度＞108CFU/mL)。

1.3.1.2 發酵燕麥粉的制備

將培養至對數后期的20mL乳酸菌懸液搖勻，4℃、4000r/min離心20min，用蒸餾水沖洗兩次后，接種至100g燕麥粉中，燕麥粉與水的質量比為1:2。攪拌機中攪勻后，密封。放入恒溫恒濕箱中培養，培養溫度為30℃，發酵時間分別為0、6、12、24h。將發酵后的燕麥粉真空冷凍干燥，磨粉，80～100目過篩備用。

1.3.2 pH值和總酸度的測定

pH值的測定根據AACC方法(2000)02-52[13]。稱取10g燕麥粉，放入三角瓶中，加入90mL無CO2的蒸餾水。用磁力攪拌器攪拌30min，靜置10min后用pH計測定。重復3次取平均值。

稱取10g發酵劑，將其放入三角瓶中，加入90mL無CO2的蒸餾水。用磁力攪拌器攪拌30min，靜置10min后用0.1mol/L NaOH溶液滴定，調pH值至滴定終點pH8.6。所需0.1mol/L NaOH溶液的毫升數即為總酸度(total titratable acidity，TTA)。重復3次取平均值。1.3.3燕麥淀粉的分離

取發酵后的燕麥粉60g加入500mL 0.01mol/L NaOH溶液，pH值調至10.4，攪拌1h后4500r/min離心15min，棄上清液，將沉淀溶解于500mL去離子水中，過80～100目篩，用HCl溶液將pH值調成中性，離心后用400mL去離子水反復離心3次。得到的淀粉沉淀采用真空冷凍干燥，磨粉過篩，貯存于4℃備用[14]。

1.3.4 燕麥淀粉溶脹力和溶解度測定

取10mL質量分數2%的淀粉乳分別在30、65、85℃條件下攪拌30min后，以4500r/min離心20min；將上清液傾入已烘干至質量恒定的鋁盒中，再于105℃烘干至質量恒定，得被溶解淀粉質量(m1)，稱取離心管沉淀物質量(m2)。按式(1)、(2)計算溶解度(S)和溶脹力(B)[15]。

式中：m為樣品干基質量/g。

1.3.5 淀粉的黏度特性分析

稱取樣品3.0g(干基)于樣品盒中，加水25mL，先以960r/min快速攪拌10s，之后以115r/min的速度攪拌，溫度在3min內從40℃加熱到90℃，保溫6.5min；4.5min內降溫至40℃，保溫5min[16]。

1.3.6 燕麥淀粉的熱力學特性分析

取3.0mg的淀粉于DSC鋁盒中，加入9μL的水，密封后室溫下平衡過夜，使得水分分布均勻。保護氣體為氮氣，掃描區間為30～110℃，掃描速率為10℃/min。

1.3.7 燕麥淀粉中直鏈淀粉含量的測定

準確稱取燕麥淀粉試樣100mg置于50mL三角瓶中，加入95%乙醇1mL和1mol/L NaOH溶液9mL，渦旋振蕩1min，防止結塊。在沸水浴中加熱10min，使淀粉糊化，冷卻后，用蒸餾水轉移至100mL容量瓶中稀釋至刻度。取1只100mL容量瓶加入1mL 1mol/L HAC和2mL的碘液，用蒸餾水定容，作為空白對照。準確吸取5mL上述試液放入另一個100mL容量瓶中，加入1mL 1mol/L HAC和2mL的碘液，用蒸餾水定容至刻度，靜置20min后，在波長620nm處用1cm比色皿測定其吸光度，根據標準曲線：y＝0.2174x＋0.0073(R2＝0.999)，即可計算出試樣中直鏈淀粉的含量。

2 結果與分析

圖1 燕麥粉發酵過程中pH值和TTA值的變化Fig.1 pH and TTA changes of oat flour during fermentation

2.1 燕麥粉在發酵過程中pH值和TTA的變化由圖1可知，在最初的0～12h的發酵過程中，隨著發酵時間的延長，燕麥粉的pH值由6.09迅速下降到3.62 左右，12h以后，pH值只有輕微的變化。總酸度從最初的1.51迅速增加到7.4～8.3。其中L.p發酵的燕麥粉pH值下降的速率快于L.s。與此同時，L.p的產酸量也顯著高于L.s。但是到發酵后期，兩種乳酸菌發酵的燕麥粉的pH值相近。

2.2 乳酸菌發酵對燕麥淀粉溶脹力和溶解度的影響

圖2 植物乳桿菌發酵的燕麥淀粉在不同溫度下的溶脹力和溶解度Fig.2 Swelling power and solubility of L.p-fermented oat starch at different temperatures

圖3 舊金山乳桿菌發酵的燕麥淀粉在不同溫度下的溶脹力和溶解度Fig.3 Swelling power and solubility of L.s-fermented oat starch at different temperatures

溶脹力和溶解度反映淀粉和水之間相互作用力的大小，這兩者對淀粉的加工特性有較大的影響。由圖2、3可知，大部分燕麥淀粉的溶脹力和溶解度隨著溫度的升高而增加，淀粉的溶解主要是直鏈淀粉從潤脹的顆粒中逸出，這可能是因為溫度達到65℃時，淀粉受熱急劇吸水糊化，高能量的水和熱破壞了淀粉分子內部氫鍵，因此淀粉的溶脹力和溶解度顯著上升[17]。

圖2a是經L.P發酵的燕麥淀粉分別在35、65、85℃條件下溶脹力隨著發酵時間的變化。經L.P發酵后的燕麥淀粉，其溶脹力在35℃時沒有顯著的變化，而在65℃時，燕麥淀粉的溶脹力隨著發酵時間的延長而輕微下降，而在85℃時卻呈上升趨勢。與經L.s發酵的燕麥淀粉(圖3a)的溶脹力相比，經L.s發酵的燕麥淀粉，其溶脹力在65℃時呈上升的趨勢，且在65℃和85℃時，溶脹力都高于L.p發酵的燕麥淀粉。

圖2b是經L.p發酵的燕麥淀粉分別在35、65、85℃條件下溶解度隨著發酵時間的變化。經L.p發酵后的燕麥淀粉，其溶解度在35℃條件下的發酵樣品高于空白，在發酵過程中沒有顯著的變化，而在65℃和85℃條件下先上升，發酵12h后，溶解度下降。與經L.s發酵的燕麥淀粉(圖3b)的溶解度相比，其溶解度在65℃時呈上升趨勢，且在各溫度下，其溶解度都高于經L.s發酵的燕麥淀粉。這可能與不同菌種在燕麥基質中產酸產酶的速率不同，從而導致不同菌種在發酵過程中對淀粉的發酵水解程度不同有關。

閔偉紅等[18]發現經過乳酸菌發酵處理的淀粉，其溶脹力和溶解度在92.5℃高于空白，這與本研究在85℃時得到的結果相似。溶脹力越高，說明淀粉糊化時吸水性越強，因此溶脹力越高，DSC的糊化溫度降低，或糊化快，但與糊化焓值呈負相關，這與后面DSC的結果一致。Richard等[19]研究表明淀粉吸水膨脹能力不僅與淀粉支鏈、直鏈含量的比例有很大關系，而且還與支鏈淀粉的分子結構相關，前面的結果表明經過乳酸菌發酵，燕麥淀粉的支鏈降解，直鏈淀粉有明顯的增加，而燕麥淀粉經過L.p發酵處理后，直鏈淀粉含量先上升后下降，這可能是導致其溶解度先上升后下降的原因。

Yuan等[20]研究發現，當溫度低于75℃時，發酵后的玉米淀粉，其溶脹力沒有明顯的變化，而當溫度高于75℃后，發酵改性的淀粉的溶脹力要低于空白。根據Tester等[21]的研究表明，淀粉的溶脹特性很大程度上取決于其支鏈淀粉的分子質量和形狀，直鏈淀粉對淀粉的膨脹吸水特性起著稀釋和抑制的作用。聚合度在6～9的支鏈淀粉含量越高，淀粉的溶脹力越大，反之，聚合度在12～22的支鏈淀粉的含量與淀粉的溶脹力呈負相關[22]。

2.3 乳酸菌發酵對燕麥淀粉黏度特性的影響

表1 乳酸菌發酵對燕麥淀粉黏度特性的影響Table 1 Effect of LAB fermentation on the gelatinization properties of oat starch

從消費者的角度考慮，燕麥淀粉的糊化性質對于其產品的接受程度至關重要[23]。糊化性質的參數包括峰值黏度、低谷黏度、破損值以及終值黏度。表1列出了空白及不同發酵菌種和發酵時間的燕麥淀粉的RVA黏度性質，從表1可以看出，經L.s發酵的燕麥淀粉，其各項糊化參數都隨著發酵時間的延長而呈下降的趨勢。其峰值黏度由249.53RVU顯著下降到182.58RVU，終值黏度由453.64RVU顯著下降到334.56RVU(P＜0.05)，經過L.p發酵的燕麥淀粉在發酵前24h，各糊化參數的變化趨勢與L.s相同，但在發酵24h后，各項糊化參數顯著上升(P＜0.05)。

Yong[24]、魯站會[25]和閔偉紅[18]等研究發現發酵導致大米粉的峰值黏度降低，同樣地，Olanipekun[26]和熊柳[27]等分別證明發酵導致大豆淀粉和綠豆淀粉的峰值黏度下降。這是因為在發酵過程中，一方面，乳酸菌水解支鏈淀粉的短鏈，導致支鏈淀粉的短/長鏈比降低，從而使得支鏈淀粉的平均鏈長和聚合度下降，淀粉分子變小，空間位阻減小。另一方面，非淀粉成分，如蛋白質，脂質以及β-葡聚糖也影響著燕麥粉的糊化特性[20]：發酵過程中的微生物以及微生物活動所產生的各種有機酸和酶對蛋白質進行分解，使包裹淀粉的蛋白質溶出，釋放出淀粉。在剪切力的作用下更易形成有規則的排列，抗剪切的能力減弱。Zhang等[28]研究發現燕麥粉的黏度與燕麥中的β-葡聚糖含量呈正相關。這是因為隨著β-葡聚糖含量的增加，燕麥粉結合水的能力隨之增加。而之前的研究表明，在發酵過程中，β-葡聚糖的含量呈下降趨勢，所以β-葡聚糖的含量對淀粉黏度也有一定的影響。最后乳酸菌發酵以及淀粉酶水解使淀粉部分糖化，釋放結合水；綜合以上因素，峰值黏度下降。

破損值與峰值黏度一樣隨著發酵時間的延長呈現降低趨勢，破損值反映了淀粉顆粒結構在加熱過程中的穩定性，破損值越大，表明淀粉顆粒越不穩定，在加熱和攪拌過程中容易破裂。破損值的降低可能是因為發酵過程中，支鏈淀粉的水解，使得直鏈淀粉的相對含量上升，因此，L.p在發酵24h，直鏈淀粉含量下降，從而導致破損值的上升。這與袁美蘭等[29]的研究結果不同，他們認為發酵的前3d，由于蛋白質的分解，使得蛋白質對淀粉顆粒的保護和穩定作用降低，淀粉顆粒更容易膨脹和破裂，破損值上升，在隨后的發酵過程中，發酵對蛋白質的分解作用已趨于穩定，淀粉的水解導致破損值下降。

2.4 乳酸菌發酵對燕麥淀粉熱力學特性的影響

表2 乳酸菌發酵對燕麥淀粉熱力學特性的影響Table 2 Effect of LAB fermentation on the thermodynamic properties of oat starch

表2為DSC曲線計算得出的糊化溫度與吸熱焓值，燕麥淀粉經過發酵處理后的熱特性變化十分明顯，糊化開始溫度低于未經過發酵的空白，即經過處理后的大米粉更容易糊化，這與RVA結果一致。發酵后燕麥淀粉在糊化過程中吸熱焓明顯高于空白，其直接原因是發酵過程中產生大量的乳酸，酸的水解作用首先發生在結合力較弱的無定型區，使無定型區的淀粉分子鏈水解而溶出，造成結晶結構的相對比例增加，溶出的直鏈淀粉與脂類結合成復雜的雙螺旋結構，這樣就增加了糊化過程中所需要的熱量，糊化焓上升。經L.p發酵的燕麥淀粉，其糊化焓值隨著發酵時間的增加而逐漸增加，經L.s發酵的燕麥淀粉，其糊化焓值在發酵的過程中變化不顯著，且L.s發酵的樣品其吸熱焓值均高于L.p發酵的樣品，這可能與不同菌種在發酵過程中對淀粉的水解程度不同有關。

2.5 乳酸菌發酵對燕麥淀粉的直鏈淀粉含量的影響

圖4 燕麥淀粉的直鏈淀粉含量隨發酵時間的變化Fig.4 Change in amylose content of oat starch during fermentation

由圖4可知，L.s發酵中，燕麥淀粉的直鏈淀粉含量隨著發酵時間的增加而增加，而L.p發酵的燕麥淀粉，在發酵的前12h，其直鏈淀粉的含量線性增加，12h以后，直鏈淀粉的含量有所下降。這是因為發酵的初始階段產生的酸和酶可以水解淀粉分子，支鏈淀粉斷鏈、脫支，使得直鏈淀粉的含量相對增加。但是隨著發酵時間的延長，直鏈淀粉的含量開始輕微的下降，因為酸和酶的進一步作用，使得直鏈淀粉的分子質量變小，糖化水解。L.p發酵的燕麥淀粉其直鏈淀粉含量高于L.s發酵的燕麥淀粉，這可能與L.p發酵產酸率高于L.s發酵有關。閔偉紅[30]和Numfor[31]等在研究發酵對玉米淀粉和木薯淀粉的影響時，也得到相似的結果。Lu等[32]也發現大米淀粉在發酵過程中直鏈淀粉的含量增加，并且推斷可能有新的直鏈淀粉生成。

3 結 論

本實驗研究了乳酸菌發酵對于燕麥淀粉的改性作用：其中淀粉糊化的峰值黏度、終值黏度和破損值隨著發酵時間的延長而逐漸降低，糊化的起始溫度提前，糊化焓上升；且經L.s發酵的樣品，其吸熱焓值高于L.p發酵樣品；經乳酸菌發酵的燕麥淀粉，其直鏈淀粉含量呈上升趨勢。本研究為乳酸菌對燕麥淀粉的改性作用以及燕麥發酵食品的深加工提供了基礎理論信息，例如粉絲的生產要求糊化溫度低，峰值黏度低，直鏈淀粉含量高于20%以及凝膠強度高的淀粉較好，而乳酸菌的發酵對燕麥淀粉的改性起著促進的作用，所以本結果對于開發無面筋燕麥面條的進一步研究提供參考。

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Effect of Lactic Acid Bacterial Fermentation on the Physico-chemical and Thermodynamic Properties of Oat Starch

WAN Jing-jing1，HUANG Li-qun1，ZHANG Qing1，HUANG Wei-ning1,*，RAYAS-DUARTE Patricia2
(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China；2. Food and Agricultural Products Research Center, Oklahoma State University, Stillwater, OK 74078-6055, USA)

Oat flour was fermented solely with two species of lactic acid bacteria, Lactobacillus plantarum (L.p) and Lactobacillus sanfrancisco (L.s) in order to analyze the changes in physio-chemical and thermaldynamic properties of oat starch during lactic acid bacterial (LAB) fermentation. Fermentation with each of the two stains resulted in a decrease in pH, and L.p -fermented oat flour exhibited a faster pH drop and lager amount of acid production when compared to L.s-fermented one, but similar pH values were observed in the late period of fermentation. For both L.p- and L.s-fermented oat flours, solubility and swelling power increased with increasing temperature. For oat flour fermented by one strain, the two parameters at different temperatures both had different change trends as fermentation time increased. L.p-fermented oat flour had lower swelling power but higher solubility than its L.s-fermented counterpart. The results obtained from rapid viscosity analyzer (RVA) and differential scanning calorimetry (DSC) showed that the peak viscosity of fermented oat starch decreased as fermentation time increased, and after fermentation, oat starch had lower onset gelatinization temperature, required longer time for gelatinization, presented higher gelatinization enthalpy, and L.s-fermented oat starch had higher gelatinization enthalpy than L.p-fermented one. Oat starch presented an increasing trend in amylose content during fermentation, and L.p-fermented oat starch had higher amylose content at 6 and 12 hours of fermentation when compared to L.s-fermented one, but the amylose content of the former was slightly lower than that of the latter at 24 hours.

lactic acid bacteria；fermentation；oat starch；gelatinization；amylose content

TS201.3

A

1002-6630(2010)19-0100-06

2010-06-23

加拿大農業部國際交流與合作項目(CCSIC-Food-00107)；國家現代農業產業技術體系建設專項(nycytz-14)

萬晶晶(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為烘焙科學、功能配料和食品添加劑。E-mail：mathilna@163.com

*通信作者：黃衛寧(1963—)，男，教授，博士，研究方向為食品烘焙與發酵技術、谷物食品化學。E-mail：wnhuang@jiangnan.edu.cn