植物乳桿菌與米根霉混合固態(tài)發(fā)酵改善玉米粉理化加工特性

胡畔，楊萍，郭天時(shí)

1(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150076)2(綏化學(xué)院，黑龍江 綏化，152061)

玉米是全球分布最廣泛的谷物之一[1]，也是我國重要的糧食作物。玉米是一種營養(yǎng)豐富的粗糧食品，但由于其果實(shí)結(jié)構(gòu)中玉米芯所占比例太大，所以更多是制作成玉米粉以便于貯運(yùn)。玉米粉不具有面粉中特定的面筋蛋白成分[2]，所以在加工制作性方面局限性較大。

近些年來，關(guān)于谷物食品質(zhì)構(gòu)改良的研究越來越廣泛，微生物發(fā)酵是其中一種安全性和適用性較好的食品質(zhì)構(gòu)改良技術(shù)。乳酸菌是在食品發(fā)酵的研究和應(yīng)用中較廣泛的一種有益菌，秦洋[3]對乳酸菌發(fā)酵玉米粉進(jìn)行了工藝優(yōu)化，最佳發(fā)酵條件為發(fā)酵液20%(發(fā)酵母液菌體濃度107～108CFU/mL)，時(shí)間96 h，溫度37 ℃。發(fā)酵后的玉米粉黏性升高了5.2倍，彈性升高了3.2倍，膠著性升高了3.1倍。許梅[4]用乳酸菌、纖維素酶和葡萄糖氧化酶對糯玉米粉進(jìn)行生物復(fù)合改性，使其黏度值增大到34.1 Pa·S。

不過，乳酸菌分泌的淀粉酶和蛋白酶活力不夠高[5]，在缺水的情況下，乳酸菌難以充分利用基質(zhì)中的碳源氮源，而同樣具有食品安全性的米根霉則彌補(bǔ)了乳酸菌的這一缺點(diǎn)。淀粉酶和蛋白酶活力較高的米根霉可以降解固態(tài)底物中的淀粉和蛋白質(zhì)，降解后的小分子糖和氨基酸可以直接被乳酸菌利用，這樣就實(shí)現(xiàn)了二者混合的固態(tài)發(fā)酵。吳寒[6]用米根霉和乳酸菌對燕麥進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵后燕麥中可溶性蛋白含量達(dá)到107.478～115.77 mg/10 g，氨基酸態(tài)氮含量達(dá)到了40.66～41.67 mg/100 g，總多酚含量達(dá)到12.37～13.17 mg沒食子酸當(dāng)量/10 g。牛萌萌[7]用米根霉和乳酸菌混合固態(tài)發(fā)酵大麥仁，發(fā)酵后其干粉提取液的·OH和DPPH自由基清除率分別達(dá)到93.4%和80.2%。

當(dāng)前文獻(xiàn)中，尚未見利用混合菌種固態(tài)發(fā)酵玉米粉的研究，因此本文用乳酸菌和米根霉對玉米粉進(jìn)行混合固態(tài)發(fā)酵，旨在通過改變玉米粉的物化性質(zhì)來改善其制作加工性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米粉，市售；植物乳桿菌ZLC-18、米根霉AS 3.866，哈爾濱商業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室保藏。

1.2 儀器設(shè)備

SYQ-DSX-280A手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；HPX-9082MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；DT5-1離心機(jī)，北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司；RVA4500快速黏度儀，瑞典Perten公司；Diamond差示掃描量熱儀，美國Perkin Elmer公司；TA new plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利Anton-Paar公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 乳酸菌發(fā)酵液的制備

種子液的制備：在MRS固體培養(yǎng)基上37 ℃下斜面培養(yǎng)24 h，然后接種到裝有8 mL MRS液體培養(yǎng)基的試管中，37 ℃下振蕩培養(yǎng)48 h。

乳酸菌發(fā)酵液的制備：將種子液吸取2 mL加入到裝有200 mL MRS液體培養(yǎng)基的三角瓶中，37 ℃下振蕩培養(yǎng)至菌體濃度為108CFU/mL。

1.3.2 樣品的制備

將玉米粉過120目篩后，稱取100 g備用，記為未發(fā)酵樣品；另稱取過篩后的玉米粉100 g加入錐形瓶中，倒入200 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆?。?21 ℃下高壓滅菌25 min。冷卻后加入15 mL乳酸菌發(fā)酵液和0.15 g米根霉菌粉，無菌環(huán)境下混合均勻，32 ℃恒溫下發(fā)酵72 h，再經(jīng)過烘干粉碎等處理后備用，記為混合菌發(fā)酵樣品。

依照上述方法用15 mL乳酸菌和0.15 g米根霉分別單獨(dú)發(fā)酵進(jìn)行效果對比。

1.3.3 基本成分測定

測定發(fā)酵前后玉米粉基本成分的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量比例計(jì)算其相對含量。水分測定方法參照GB 5009.3—2016；蛋白質(zhì)測定方法參照GB 5009.5—2016；脂肪測定方法參照GB/T 5512—2008；淀粉測定方法參照GB/T 5514—2008；纖維素測定方法參照GB 5009.88—2014；灰分測定方法參照GB 5009.4—2016。

1.3.4 直鏈淀粉含量測定

采用亞硫酸法[8]對玉米粉中的淀粉進(jìn)行提取，然后用GB/T 15683—2008分光光度法(無需進(jìn)行脫脂處理)測量其中直鏈淀粉的比例。

1.3.5 持水力測定

參照高宇萍等[9]的方法，精確稱取1.000 g 樣品于100 mL 三角瓶中，加入 80 mL 雙重水，攪拌4 h后4 000 r/min離心20 min，去盡上清，稱重。持水力按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中:WHC，持水力，g/g；m0,離心前干質(zhì)量，g；m1,離心后濕質(zhì)量，g。

1.3.6 凝膠力測定

取1個(gè)100 mL燒杯，精確稱重，記錄其質(zhì)量；再精確稱取2.000 g樣品于此燒杯中，加入10 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢杈鶆?。加熱煮?0 min，去上清，記錄此時(shí)樣品和燒杯的總質(zhì)量，凝膠力按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中:GC，凝膠力，g/g；m0，燒杯質(zhì)量，g；m1，處理后樣品和燒杯總質(zhì)量，g。

1.3.7 糊化性質(zhì)測定

稱取3 g樣品加入25 mL蒸餾水混勻，用快速黏度儀(rapid visco analyzer, RVA)依據(jù)GB/T 14490—2008的方法設(shè)置參數(shù)進(jìn)行測試。

1.3.8 糊化過程中吸熱焓測定

糊化過程中，用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry,DSC)測量樣品的吸熱焓，設(shè)置參數(shù)為：樣品質(zhì)量10 mg，升溫范圍為30～150 ℃，升溫速度為10 ℃/min，氮?dú)饬魉? L/min。

1.3.9 玉米面團(tuán)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)測定

采用物性測定儀對發(fā)酵前后玉米面團(tuán)進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis, TPA)：將5.0 g樣品與5.0 mL的水混合，捏成長寬高分別為30、30、10 mm左右的面團(tuán)，置于測試臺上進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。玉米面團(tuán)全質(zhì)構(gòu)分析具體參數(shù)設(shè)置為：測試探頭為P50；接觸點(diǎn)負(fù)載為5.00 gf；測試類型為下壓；測試目標(biāo)值為形變至30.00%；測試前速度為2.00 mm/s；測試中速度為1.00 mm/s；測試后速度為1.00 mm/s；測試次數(shù)為1次。

1.3.10 玉米面團(tuán)蠕變-恢復(fù)特性測定

面團(tuán)制備同1.3.7，參照ROUILLé等[10]的方法，用旋轉(zhuǎn)流變儀測定，設(shè)置參數(shù)為：應(yīng)力250 Pa，應(yīng)力施加時(shí)間100 s，樣品松弛時(shí)間300 s，掃描頻率1 Hz，溫度25 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本成分變化

經(jīng)過烘干等處理，使發(fā)酵后玉米粉水分含量與發(fā)酵前相同，通過表1可以看出脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素和灰分的相對含量均有不同程度下降，而淀粉的含量得到提升。雖然混合菌種水解了部分淀粉，然而在控制米根霉添加量的情況下，脂肪和蛋白質(zhì)被水解的程度更高。乳酸菌對纖維素具有一定降解能力[11]，而脂肪和蛋白質(zhì)的水解，使得與其以復(fù)合分子形式存在的纖維素和無機(jī)鹽類得以釋放出來，纖維素進(jìn)一步降解，包埋的無機(jī)鹽類更易溶出，所以發(fā)酵后除淀粉外的其他成分均有不同程度的降解。淀粉雖然也被降解，聚合度變低，但由于其分子結(jié)構(gòu)特性，更多是由支鏈淀粉轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉，總淀粉成分損失并不特別大，而由于其他成分的水解，淀粉在玉米粉中的相對含量得以大幅提升，這是2個(gè)菌種協(xié)同發(fā)酵的結(jié)果。BALDWIN等[12]和HATCHER等[13]分別在各自研究中闡述了蛋白質(zhì)和脂肪與淀粉的復(fù)合分子結(jié)構(gòu)，其中淀粉多是處于復(fù)合分子的內(nèi)部，而蛋白質(zhì)和脂肪多在復(fù)合分子的表面，與本研究結(jié)果相似。

表1 發(fā)酵前后玉米粉基本成分變化 單位:%

注：同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 淀粉中直鏈淀粉比例的變化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出發(fā)酵前后玉米淀粉中直鏈淀粉比例，結(jié)果見圖1。

發(fā)酵后玉米淀粉中的直鏈淀粉比例升高，原因是在發(fā)酵過程中，部分支鏈淀粉的側(cè)鏈被水解，形成直鏈淀粉分子。這個(gè)結(jié)果與閆亞婷[14]研究結(jié)果的趨勢是一致的。乳酸菌單獨(dú)發(fā)酵后的直鏈淀粉比例提高幅度很小，因?yàn)槠湓谌彼畻l件下，所產(chǎn)生淀粉酶酶活力較低；米根霉由于所產(chǎn)生的淀粉酶酶活力較高，所以效果較其顯著；2個(gè)菌種混合發(fā)酵時(shí)，米根霉的發(fā)酵作用為乳酸菌提供了一些小分子營養(yǎng)物，對其具有促進(jìn)作用，進(jìn)而更加充分利用乳酸菌產(chǎn)生的淀粉酶，所以效果最為顯著。

圖1 發(fā)酵前后玉米淀粉中直鏈淀粉比例

2.3 持水力的變化

由圖2可以看出，經(jīng)發(fā)酵后，玉米粉的持水力下降，尤其是混合菌發(fā)酵后下降得更為明顯。因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中，淀粉的平均分子量因水解而降低，甚至水解為可溶于水的麥芽糖、葡萄糖等；混合菌的發(fā)酵作用使復(fù)合分子中的蛋白質(zhì)和脂肪成分也被水解，致使這些復(fù)合大分子在一些連接處產(chǎn)生斷裂成為小分子。這2種菌的發(fā)酵作用都會使玉米粉在水中的沉淀作用減弱，同時(shí)小分子的含量增加。持水力的測定需要經(jīng)過離心等步驟，在離心時(shí)，有些小分子并未在離心管底部成為沉淀體，而是留在上清液中，發(fā)酵作用又使得這種小分子在玉米粉中的含量增加，進(jìn)而使發(fā)酵后玉米粉持水力降低。徐忠等[15]用植物乳桿菌以液態(tài)形式發(fā)酵玉米粉，也發(fā)現(xiàn)了持水力的降低與淀粉分子和蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)。

圖2 發(fā)酵前后玉米粉持水力的變化

2.4 凝膠力的變化

由圖3可以看出，經(jīng)發(fā)酵后，玉米粉凝膠力有所提升。發(fā)酵作用使玉米粉中的蛋白和脂類成分很大程度被水解，純化了玉米粉中淀粉的成分。淀粉中相當(dāng)一部分支鏈淀粉的側(cè)鏈發(fā)生水解，支鏈淀粉的鏈長、分支化度以及所占淀粉比例均相應(yīng)降低。直鏈淀粉的含量升高，其聚合度卻由于米根霉的發(fā)酵而降低。在凝膠時(shí)，這些低聚合度的直鏈淀粉分子更易通過氫鍵結(jié)合形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此發(fā)酵后的玉米粉凝膠力變大。

圖3 發(fā)酵前后玉米粉凝膠力的變化

杜先鋒等[16]認(rèn)為在確定淀粉濃度的情況下，淀粉凝膠力主要與直鏈淀粉平均分子量和聚合度、支鏈淀粉的分支化度和平均鏈長等分子結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。

2.5 糊化特性的變化

由圖4及表2可知，發(fā)酵后玉米粉糊化過程中最終黏度、衰減值和回生值有所降低，峰值時(shí)間和糊化溫度在一定程度上有所上升。未發(fā)酵的玉米粉中有蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪等多種物質(zhì)，因此RVA黏度測定值并不能絕對對應(yīng)淀粉在糊化過程中的相應(yīng)變化，蛋白質(zhì)變性、脂肪碳鏈變長等變化都會對測定值產(chǎn)生影響。發(fā)酵后的玉米粉，雖然直鏈淀粉含量增大，但由于其中蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)大部分被水解，發(fā)酵作用純化了淀粉成分，所以其最終黏度、衰減值和回生值還是明顯降低。

圖4 發(fā)酵前后玉米粉的糊化曲線

表2 發(fā)酵前后玉米粉的RVA特征參數(shù)

發(fā)酵前，玉米粉中許多直鏈淀粉與脂類物質(zhì)中的硬脂酸相結(jié)合形成難以被糊化的復(fù)合物。發(fā)酵后，大部分脂類物質(zhì)被水解，直鏈淀粉得到純化，而比例增加的直鏈淀粉因?yàn)闅滏I結(jié)合在一起，糊化所需內(nèi)能變大，因此糊化溫度和糊化時(shí)間都有小幅度的增加。秦洋[3]用乳酸菌液態(tài)發(fā)酵玉米粉后也發(fā)現(xiàn)了其糊化性質(zhì)有類似變化。孫曙光[17]研究了脂類對淀粉性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)脂肪酸與淀粉形成復(fù)合物抑制了淀粉顆粒的膨脹，糊化溫度也相應(yīng)升高。

2.6 吸熱焓的變化

由圖5和表3可知，發(fā)酵前后的玉米粉均呈現(xiàn)雙峰。相比較來說，未發(fā)酵的玉米粉2個(gè)吸熱峰都較弱，原因是玉米粉中有一定比例的蛋白質(zhì)和脂肪，所以淀粉的糊化特性表現(xiàn)得并不十分明顯。經(jīng)發(fā)酵后，玉米粉中的淀粉成分相對含量增加，其微觀結(jié)構(gòu)上由晶態(tài)完全熔為非晶態(tài)需要吸收更多的能量，會出現(xiàn)更強(qiáng)的吸熱峰，進(jìn)而糊化溫度升高，糊化時(shí)間增加，吸熱焓升高。孟慶虹等[18]研究玉米抗性淀粉的形成過程中發(fā)現(xiàn)其總糊化時(shí)的總吸熱焓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通玉米粉。

2.7 玉米面團(tuán)質(zhì)構(gòu)特性變化

由表4可見，發(fā)酵后的玉米粉除了硬度出現(xiàn)了不顯著的小幅下降，其余指標(biāo)均有所上升。

圖5 發(fā)酵前后玉米粉DSC曲線圖

表3 發(fā)酵前后玉米粉DSC特征參數(shù)

注：T0表示相變起始溫度；TP表示峰值溫度；TC表示相變結(jié)束溫度；ΔH表示吸熱焓

表4 發(fā)酵前后玉米面團(tuán)TPA特征參數(shù)

發(fā)酵作用使部分蛋白質(zhì)和脂肪得以水解，原本被其包裹著的淀粉分子中的一些親水基團(tuán)得以暴露出來。淀粉本身也被部分水解，淀粉顆粒表面出現(xiàn)一些孔洞，致使水分子更容易進(jìn)入到淀粉顆粒的內(nèi)部。發(fā)酵引起的這些變化都會使玉米粉吸水性變強(qiáng)，更容易形成面團(tuán)。羅其琪等[19]用鼠李糖乳桿菌發(fā)酵后的玉米粉和成面團(tuán)制成了質(zhì)構(gòu)和感官評價(jià)俱佳的發(fā)糕。

2.8 玉米面團(tuán)蠕變-恢復(fù)特性變化

由圖6可知，在應(yīng)力一直加到100 s時(shí)，發(fā)酵后的玉米面團(tuán)比未發(fā)酵玉米面團(tuán)的最大蠕變?nèi)崃?Jmax)要大，說明其面團(tuán)形變相對來說更小，黏彈性更好，更適于加工制作。MASI等[20]的研究結(jié)果顯示面團(tuán)的蠕變恢復(fù)特性與其分子的交聯(lián)度、水分含量及水分分布等因素有關(guān)。

3 結(jié)論

圖6 發(fā)酵前后玉米面團(tuán)蠕變恢復(fù)實(shí)驗(yàn)曲線

經(jīng)過乳酸菌和米根霉的分別發(fā)酵及混合發(fā)酵，玉米粉的組分發(fā)生了不同程度的改變。其中，混合菌發(fā)酵后，玉米粉中淀粉相對含量上升了27.8%，其中直鏈淀粉含量上升了8.7%，其余成分的相對含量均下降。持水力下降了32%，凝膠力提升了12%。發(fā)酵后的玉米粉由于淀粉相對含量升高，所以其糊化特性方面也更趨近于淀粉，出現(xiàn)更明顯的吸熱峰，總吸熱焓也有所升高。糊化過程中衰減值和回生值有所下降，證明了發(fā)酵后的玉米粉具有更好的熱穩(wěn)定性和抗回生性。發(fā)酵后的玉米面團(tuán)各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)均有所改善，在食品加工上更具有開發(fā)潛力。