植物乳桿菌發酵對馬鈴薯全粉面條品質的影響

徐一涵，陳玉婧，張建華

(上海交通大學 農業與生物學院，上海,200240)

馬鈴薯富含淀粉、蛋白質、維生素、礦物質等營養物質，被聯合國糧農組織列為“世界第四大糧食作物”。為保證國家糧食安全，農業部已提出馬鈴薯主食化的國家戰略，力爭到2020年，主食消費占馬鈴薯總消費量的30%。

采用馬鈴薯粉和小麥粉混合制作面條，不僅可以提高面條的營養價值，更是實現馬鈴薯主食化的重要途徑之一。但由于馬鈴薯粉具有顆粒平均粒徑大且粒徑分布范圍廣，直鏈淀粉含量低(10%～20%)且聚合度大，蛋白質含量低且不含面筋蛋白[1]，糊黏度峰值高等特點[2]，添加后存在產品質構過黏，成型難，易斷條等技術難題[3]，導致其添加量受限。目前，大多數研究均采用添加改良劑[4]、優化加工工藝[5]和化學變性[6]等方法改善馬鈴薯面條品質，但馬鈴薯粉添加量仍然較低。大量研究表明乳酸菌發酵可以提高玉米淀粉、燕麥淀粉、大米淀粉和紅薯淀粉的直鏈淀粉含量，且發酵所產的胞外多糖可以改善產品質構[7]。因此，乳酸菌發酵可提高谷物類、豆類、根莖類淀粉產品的加工特性[8-12]，經發酵后制作的粉條口感爽滑、彈性好、耐咀嚼，其品質得到顯著提高[13-15]。但絕大多數乳酸菌不能直接利用淀粉[16]，因此乳酸菌發酵效率低下成為限制淀粉類基質發酵產品開發的瓶頸。采用高產淀粉酶的植物乳桿菌進行發酵，可快速利用淀粉，提高發酵效率。且相比于其他淀粉，馬鈴薯淀粉顆粒對淀粉酶具有較強的抗性[17]。

本研究采用高產淀粉酶乳酸菌對馬鈴薯粉進行發酵，將發酵的馬鈴薯粉與小麥粉混合制作面條，并從物性、烹調特性和感官評定等方面考察馬鈴薯粉發酵對品質的影響，從而為乳酸菌發酵應用于改善馬鈴薯面條品質提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

馬鈴薯全粉，興化市宏升食品有限公司；高筋小麥粉，濰坊風箏面粉有限責任公司；高產淀粉酶的植物乳桿菌CGMCC 14177，分離自老面團。

1.2 主要儀器與設備

5810R高速冷凍離心機,德國Eppendorf公司；L5S棱光紫外-可見分光光度計,上海儀電分析儀器有限公司；Sunrise5082酶標儀,瑞士Tecan公司；HPP260恒溫培養箱,德國Memmert公司；KC160A電動壓面機,永康市五瑞工貿有限公司；TVT6700物性分析儀,澳大利亞Perten公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳酸菌發酵劑的制備

將乳酸菌CGMCC 14177接種至MRS液體培養基，活化至對數后期，取菌液離心(4 000 r/min, 15 min)，菌泥用無菌生理鹽水洗脫3次，加適量無菌生理鹽水振蕩均勻即為乳酸菌發酵劑(108CFU/mL)。

1.3.2 馬鈴薯粉固態發酵條件設定

稱取一定質量馬鈴薯粉，加入一定量的無菌水和乳酸菌發酵劑，放入立式攪拌機中攪拌5 min，按壓20次將馬鈴薯團搓圓，蓋上保鮮膜，放入培養箱中發酵。各因素固定值分別為馬鈴薯粉與發酵液的固液比為1∶1.4(g∶mL)，乳酸菌發酵劑的接種量φ=8%，發酵溫度為31 ℃。保持其他3個因素不變，每次改變1個因素，設計固液比為1∶0.8、1∶1.0、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6和1∶1.8；乳酸菌發酵劑的接種量為4%、6%、8%、10%、12%；發酵溫度為28、31、34和37 ℃。按1.3.3和1.3.4測定24 h內馬鈴薯面團的pH值和淀粉酶活力變化。將發酵的馬鈴薯面團40 ℃真空干燥，研磨過100目篩，干燥存儲備用。

1.3.3 發酵馬鈴薯面團pH值測定

取發酵后的10 g樣品加入90 mL去離子水中[18]，使用磁力攪拌器攪勻，測定pH值，平行3次求平均值。

1.3.4 淀粉酶活性測定

參考XIAO等的碘量法[19]。取2.5 g發酵后的樣品，加入27 mL 2.0 g/L CaCl2，攪拌均勻，定容至25 mL。30 ℃水浴30 min，離心(3 000 r/min, 15 min)取上清液作為胞外淀粉酶提取液。將40 μL質量濃度2.0 g/L淀粉溶液、36 μL淀粉粗酶液和4 μL 0.1 mol/L pH 7的磷酸鹽緩沖液混合。40 ℃水浴40 min后加入20 μL 1 mol/L HCl中止水解。加入100 μL碘試劑反應2 min，取150 μL轉入透明平底96微孔板，讀取580 nm的吸收值。根據淀粉-碘顯色標準曲線計算淀粉降解量，平行3次求平均值。酶活力單位定義(U/g)：在上述條件下，每分鐘能水解1 μg淀粉所需的酶量。酶活計算公式：

(1)

式中：t為酶反應時間；V為反應的酶液體積,mL；ρ為酶液樣品的質量濃度，g/mL。

1.3.5 發酵時間和添加量對面條品質的影響

1.3.5.1 馬鈴薯面條制作

稱取一定比例的小麥粉和發酵馬鈴薯粉共100 g，加入40 mL水混合，揉捏至手握緊成團，松開成松散絮狀。將其用保鮮膜包裹，25 ℃放置30 min，使面團水分均勻分布。用電動壓面條機制作長20 cm，寬2 mm，厚1 mm的面條。

1.3.5.2 發酵時間對面條品質的影響

取上述最佳固態發酵條件下發酵0、2、4、6、8、10、12、14、16、18和20 h的馬鈴薯粉40 ℃烘干，過100目篩，與小麥粉以質量分數為35∶65的比例混合，制成馬鈴薯面條。按1.3.6和1.3.7測定馬鈴薯面條的烹調特性和質構特性，確定最佳發酵時間。

1.3.5.3 添加量對面條品質的影響

取發酵至最佳發酵時間的馬鈴薯粉，以質量分數10%、20%、25%、30%、35%和40%的添加量與小麥粉混合，制成馬鈴薯面條。按1.3.6和1.3.7測定馬鈴薯面條的烹調特性和質構特性。

1.3.6 馬鈴薯面條烹調特性

1.3.6.1 最佳蒸煮時間

取面條20根，放入500 mL水中保持微沸。2 min后，每隔15 s撈出1根面條，觀察面條橫切面中心是否有白芯，將白芯剛好消失的時間確定為最佳蒸煮時間。

1.3.6.2 斷條率

取面條60根，放入1 L沸水蒸煮至最佳蒸煮時間，撈出面條記錄面條斷條數N。

(2)

1.3.6.3 蒸煮損失率與濁度

稱取50.0 g面條放入1 L沸水中蒸煮至最佳蒸煮時間撈出。面湯冷卻后，加入蒸餾水定容至1 L，混勻。取50 mL面湯至燒杯(質量m1)，95 ℃烘干至恒重(m2)，計算蒸煮損失率。取10 mL面湯，720 nm處測定吸光度，定義為濁度[20]。

(3)

1.3.7 馬鈴薯面條質構特性

1.3.7.1 馬鈴薯面條質地剖面分析實驗

將馬鈴薯面條蒸煮至最佳時間后立即撈出，置于冷水浸泡1 min，取10根面條無隙并排放置于質構儀測試平臺。使用探頭H&T 36RZ測定硬度、黏性、黏聚性、咀嚼性，具體參數為：壓縮程度70%，2次壓縮間隔1 s，測前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測后速度2 mm/s[21]。平行10次求平均值。

1.3.7.2 馬鈴薯面條剪切實驗

將蒸煮至最佳時間的馬鈴薯面條至于冷水浸泡1 min后撈出，取5根面條并排放置于質構儀測試平臺[22]。使用有機玻璃刀型探頭P-TNK測定最大剪切力反應硬度，具體參數為：壓縮程度90%，測前速度2 mm/s，測試速度0.2 mm/s，測后速度5 mm/s。平行10次求平均值。

1.3.8 面條感官評定

由10位成員組成的感官評定小組參照國家行業標準LS/T 3202—1993《面條用小麥粉》中面條品嘗項目和評分標準對面條進行感官評定，評分細則如表1所示。

表1 馬鈴薯面條感官評定評分標準Table 1 The sensory evaluation of potato-wheat noodles

1.4 數據處理

實驗結果采用SPSS 19軟件進行數據統計學分析，P<0.05表示有顯著差異。

2 結果與分析

2.1 固態發酵條件對發酵速度的影響

淀粉-碘顯色反應標準曲線方程為y=0.008 1x+0.096 8，R2=0.999 8，因此可以通過A580計算淀粉酶降解的淀粉含量，進而計算淀粉酶的酶活。

2.1.1 固液比對馬鈴薯粉固態發酵速度的影響

固態發酵過程中，水分含量對細菌的生長繁殖和產酶有較大的影響。本實驗探究了固液比對發酵進程的影響(圖1)。

圖1 固液比對發酵的影響
Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on fermentation

結果表明，固液比在1∶1.2以下時，細菌生長明顯受到抑制。固液比1∶0.8的最高淀粉酶活僅117.2 U/g，24 h后pH值僅降至3.93；而固液比1∶1.8的最高淀粉酶活達461.2 U/g，24 h后pH值降至3.61。隨著水分的增加，pH值的下降速率加快，酶活增大。但當固液比大于1∶1.4時，水分的影響不顯著。固液比在1∶1.2以上時，最高酶活都出現在12 h。且固液比1∶1.4的最高酶活(452.1 U/g)顯著高于1∶1.2時的最高酶活(376.7 U/g，P<0.01)，但與1∶1.8時的最高酶活差異不顯著(P>0.1)，因此選擇固液比為1∶1.4。

2.1.2 接種量對馬鈴薯粉固態發酵速度的影響

合適的接種量既可提高發酵效率，也可節約成本。本實驗探究了不同接種量條件對發酵進程的影響(圖2)。

圖2 接種量對發酵的影響
Fig.2 Effect of inoculum on fermentation

結果表明，發酵6～12 h，pH值快速降低，淀粉酶活快速升高。發酵12 h時，12%接種量的淀粉酶活性最高，為458.1 U/g，而4%接種量的酶活在發酵16 h才達到峰值，且僅313.2 U/g。12 h后， pH值均降低至4.5以下，不同接種量間差異不顯著。當接種量大于6%時，均在發酵12 h達最高酶活。8%接種量的最高淀粉酶活為450.4 U/g顯著高于6%的419.3 U/g(P<0.01)，但與12%的酶活性差異不顯著(P>0.1)，因此選擇固態發酵的接種量為8%。

2.1.3 發酵溫度對馬鈴薯粉固態發酵速度的影響

溫度會影響乳酸菌的代謝方式和酶促反應速率，從而對發酵過程產生影響。本實驗探究了不同溫度條件對發酵進程的影響(圖3)。

圖3 溫度對發酵的影響
Fig.3 Effect of temperature on fermentation

結果表明，28 ℃發酵20 h才達到最高酶活387.8 U/g，而31、34 和37℃的最高酶活均出現在12 h，分別為461.5、 480.1 和366.1 U/g。12 h時，28、31、34 和37℃的pH值分別降至4.63、4.08、3.90和3.99。因此選擇固態發酵的發酵溫度為34 ℃。

2.2 馬鈴薯粉發酵時間對面條品質的影響

2.2.1 烹調特性

面條的烹調特性主要與面條的網絡結構及淀粉粒結合程度有關，而馬鈴薯粉不含面筋蛋白，所以其添加會影響面條的烹飪特性。不同發酵時間的馬鈴薯粉制作的面條的烹調特性見表2。結果表明，小麥面條的最佳蒸煮時間為6 min。馬鈴薯淀粉易膨脹，糊化溫度低，其添加會使面條的最佳蒸煮時間下降到3 min左右，且使面條的斷條率和損失率明顯增大，導致面條不耐煮。添加了35%未發酵的馬鈴薯全粉時，面條的斷條率和蒸煮損失率分別為15%和7.01%，這主要是因為馬鈴薯全粉中不含面筋蛋白，導致面筋網絡形成不夠，不足以包裹所有的淀粉顆粒[23]。隨著發酵時間的延長，斷條率先略微下降，但12 h后明顯增大，且蒸煮損失率和濁度均呈上升趨勢。發酵可以增強淀粉凝膠網絡，有利于維持面條的形狀，使得斷條率略微下降。但經長時間的發酵，乳酸會破壞馬鈴薯中的蛋白質和脂肪，使原來被結合的淀粉釋放出來，蒸煮損失率上升。王曉曦等[24]的研究也表明，直鏈淀粉含量與干物質和蛋白的損失率成顯著正相關。直鏈淀粉含量增加，導致淀粉的糊化峰值黏度下降，從而增加面條煮制時的淀粉損失。

表2 添加不同發酵時間的馬鈴薯粉對面條烹調特性的影響Table 2 Effect of potato flour fermentation time on thecooking quality of potato-wheat noodles

注：*、**分別表示同一列參數與0 h相比在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著。馬鈴薯粉添加量為35%。

2.2.2 面條質構

TPA的硬度、黏聚性、彈性、咀嚼性及最大剪切力是測定面條質構的常用指標，面條的蒸煮時間和煮后的放置時間是影響面條質構的重要因素[25]，測定過程中需嚴格控制。研究表明，硬度和咀嚼性與面條口感成正相關，最大剪切力大的面條具有更好的筋道感、更硬且更有彈性[26]。

不同發酵時間的馬鈴薯粉制成的面條質構見表3。結果表明，隨發酵時間的延長，面條的硬度和最大剪切力均是先上升后下降，但硬度并沒有顯著差異，在8 h達到峰值(6 540.6 gf)。10 h左右最大剪切力達到峰值，為273.6 gf，接近純小麥面條(288.1 gf)。CHANG等[27]發現用乳酸菌發酵的酸漿水浸泡后的綠豆淀粉分子鏈長趨于平均，短鏈與長鏈的比例下降。袁美蘭等[28]發現玉米淀粉發酵后支鏈淀粉平均鏈長增大，分支密度下降，使得其對長鏈的空間阻礙作用減弱，利于形成更強的凝膠。因此推測最大剪切力提高是因為在發酵過程中，植物乳桿菌的代謝產物攻擊了支鏈淀粉的無定型區，使無定型區的短鏈水解或通過斷鏈的方式除去，淀粉分子大小趨于均勻；同時，直鏈淀粉含量增加可促進交聯纏繞，導致新結構抵抗剪切應力的能力增強。

表3 添加不同發酵時間的馬鈴薯粉對面條質構的影響Table 3 Effect of fermentation time on the texture quality of potato-wheat noodles

注：*、**分別表示同一列參數與0 h相比在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著；馬鈴薯粉添加量為35%。

添加馬鈴薯粉后面條的黏性明顯增加，但隨發酵時間的延長顯著下降。與未發酵馬鈴薯粉比較，發酵8 h的馬鈴薯粉制作的面條黏性顯著降低(P<0.01)。推測黏性增加是由于馬鈴薯淀粉中支鏈淀粉含量高，吸水而造成面條黏度大[29]，而發酵可以降低支鏈淀粉的比例。但發酵時間過長，淀粉鏈被深度降解，又會使面條的品質下降。10 h最大剪切力達到峰值、硬度接近峰值，因此，選擇10 h作為最佳發酵時間。

2.3 馬鈴薯粉添加量對面條品質的影響

2.3.1 對烹調特性的影響

將發酵10 h的馬鈴薯粉按10%～40%的添加量制作面條，面條的烹調特性見表4。

表4 不同馬鈴薯粉添加量對面條烹調特性的影響Table 4 Effect of different potato powder addition on thecooking quality of potato-wheat noodles

注：*、**分別表示同一列參數與純小麥面條相比在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著。

結果表明，馬鈴薯粉的添加使面條的最佳蒸煮時間縮短，斷條率、損失率和濁度增加，且發酵并沒有改善馬鈴薯面條的烹調特性。添加30%發酵馬鈴薯粉的面條斷條率為4.6%，蒸煮損失率為8.47%，符合掛面行業標準(LS/T 3212—2014)對斷條率(≤5%)和蒸煮損失率(≤10%)的要求。而當添加量達到35%及以上時，馬鈴薯粉面條的斷條率和蒸煮損失率顯著增加，產品的烹調特性不符合標準要求。

2.3.2 對面條質構的影響

不同發酵馬鈴薯粉添加量的面條質構見表5。結果表明，馬鈴薯粉的添加對面條的TPA硬度、黏性、黏聚性和最大剪切力均有顯著影響。隨添加量的增大，馬鈴薯面條硬度先上升后下降，添加量為30%的硬度最大為6 632.2 gf。添加馬鈴薯粉使面條黏性顯著增大，但面條的咀嚼性變化不明顯。添加量在35%以內的面條最大剪切力差異并不顯著，而40%時面條最大剪切力顯著減小(P<0.01)。添加30%未發酵馬鈴薯粉制作的面條的黏性顯著高于(P<0.01)、最大剪切力顯著低于(P<0.01)相同添加量的發酵粉制作的面條。因此，乳酸菌發酵對提高面條最大剪切力、降低面條黏性具有顯著效果。

2.4 馬鈴薯粉面條感官評定

純小麥粉面條、添加30%未發酵馬鈴薯粉的面條和添加30%發酵10 h的馬鈴薯粉面條的外觀見圖4，感官評定結果見表6。盡管由于使用發酵粉制作的面條略帶酸味，其食味得分略低于未發酵粉制作的面條，但添加了馬鈴薯粉的面條薯味濃郁，使其食味得分仍高于純小麥面條。后期可通過加堿等措施，在提高面條的筋力的同時去除酸味，進一步提高其感官品質。發酵粉面條的其余指標得分均高于未發酵粉制作的面條，且顯著改善了面條的色澤(P<0.05)、韌性(P<0.01)、黏性(P<0.01)，與物性分析結果吻合。發酵粉面條的感官評定總分為87.2分，接近純小麥面條，而添加未發酵粉的面條僅72.3分(P<0.01)。因此，馬鈴薯粉經發酵后添加明顯提升了馬鈴薯面條的外觀和口感。

表5 不同馬鈴薯粉添加量對面條質構的影響Table 5 Effect of different potato powder addition on the texture quality of potato-wheat noodles

注：*、**分別表示同一列參數與純小麥面條相比在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著。

表6 不同面條的感官評分Table 6 The sensory score of potato-wheat noodles and wheat noodles

注：*、**分別表示同一列參數與純小麥面條相比在P<0.05、P<0.01水平上差異顯著。

3 結論

本文通過高產淀粉酶的植物乳桿菌CGMCC 14177固態發酵馬鈴薯全粉，探究發酵條件對發酵速度的影響。根據發酵粉的pH值和淀粉酶活性的變化規律，確定發酵條件為接種量8%、固液比1∶1.4和溫度34 ℃，此條件下發酵12 h淀粉酶酶活最大，為480.1 U/g。將發酵馬鈴薯粉與小麥粉混合制作面條，探究乳酸菌發酵對馬鈴薯面條的烹調特性、物性以及感官性質的影響。研究結果發現，乳酸菌發酵對馬鈴薯面條質構和感官特性均有明顯的改良作用。與未發酵粉制作的面條相比，發酵粉面條的黏度顯著降低，最大剪切力顯著提高，各項指標更接近于純小麥面條。發酵10 h的馬鈴薯粉制作的面條品質最佳，最大添加量為30%。此馬鈴薯面條的外觀、黏度、韌性和順滑度等感官評分均高于未發酵粉制作的面條，總分接近純小麥面條，且馬鈴薯香味濃郁，具有商業化潛力，對推動馬鈴薯主食化具有重要意義。