益生菌燕麥沖調粉的研制

黃琬茹，陶立，宋士新，于雷,2*

1. 吉林農業大學食品科學與工程學院（長春 130118）；2. 吉林農業大學小麥和玉米深加工國家工程實驗室（長春 130118）

燕麥（Avena sativaL.）種植面積廣泛，富含多種對人體健康有益的成分，例如β-葡聚糖、膳食纖維、脂質、蛋白質、淀粉和酚類化合物，還具有抗癌和降膽固醇等功效[1]。其蛋白質含量高且必需氨基酸種類齊全，氨基酸組成基本滿足人體需求，可以有效促進人體發育[2]。燕麥中含有的功能性多糖β-葡聚糖具有降血壓和調節免疫力等功能，受到了國內外學者的認同[3]。此外，多酚類物質是燕麥中的主要抗氧化物質，它表現出卓越的抗菌性和α-葡萄糖苷酶的抑制功能[4-5]。

益生菌具有改善腸道微生物組成和整體健康的潛力，人們對開發益生菌作為膳食補充劑越來越關注。將乳酸菌應用于發酵燕麥，不僅可以提高燕麥的營養價值，還會產生很多提高燕麥風味特性的物質，可被用來改善燕麥風味缺乏和適口性差等問題。現在大部分對益生菌和燕麥的結合研究主要集中在飲料等方面，例如Angelov等[6]開發了用植物乳桿菌B28發酵燕麥制成的合生功能飲料，該飲料冷藏儲存21 d后仍有較高的活菌數。

目前，生活節奏的加快使得消費者對營養豐富、易于攜帶的沖調產品的需求量增加。國內外研究的沖調粉主要有紅棗粉、黑果枸杞速溶粉、茯磚速溶茶和哈密瓜汁粉等[7-10]，而益生菌燕麥沖調粉的研究未見報道。此次研究的益生菌燕麥沖調粉方便攜帶，具有燕麥和益生菌的營養價值，可以滿足廣大消費者的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：燕麥，市售；發酵乳桿菌，保藏于吉林農業大學玉米與小麥深加工國家工程實驗室；α-淀粉酶和纖維素酶，食品級，購自河南萬邦實業有限公司。

試劑：牛肉膏、蛋白胨、酵母浸粉和瓊脂粉，購自北京奧博星生物技術有限責任公司；吐溫80、硫酸鎂、乙酸鈉、葡萄糖和磷酸二氫鉀，購自國藥集團化學試劑有限公司；硫酸錳和檸檬酸氫二銨，購自天津市光復科技發展有限公司；植物淀粉含量試劑盒，南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

EB-F遠紅外面包烤箱（廣州威爾寶酒店設備有限公司）；998B型全自動破壁機（中山市歐麥斯電器股份有限公司）；HC-3018高速離心機（安徽中科中佳科學儀器有限公司）；AH-BASICI型納米高壓均質機（ATS工程公司）；SPX-150BS-Ⅱ恒溫培養箱（上海新苗醫療器械制造有限公司）；Y-PL300型實驗型噴霧干燥機（上海宇硯機械設備有限公司）；VERTEX 70傅里葉紅外光譜儀（德國Bruker公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 原料預處理

選擇顆粒飽滿、無發霉變質的燕麥，用清水沖洗3次去除雜質及灰塵后自然晾干。

1.3.2.2 焙烤

將晾干的燕麥放入遠紅外面包烤箱中焙烤，溫度120～180 ℃，時間20～30 min。

1.3.2.3 打漿

將燕麥與水按質量比1∶8～1∶12混合，用破壁機處理打成漿料備用，磨漿水溫為40～60 ℃。

1.3.2.4 酶解、滅活

在漿料中添加α-淀粉酶與纖維素酶，酶解溫度50 ℃，將酶解液沸水浴20 min進行滅活處理。

1.3.2.5 高壓均質

將冷卻后的燕麥酶解液在180～220 bar下均質3次。

1.3.2.6 益生菌發酵

在漿液中接種一定量的發酵乳桿菌，進行發酵。

1.3.2.7 噴霧干燥

將發酵好的燕麥漿液進行噴霧干燥處理。噴霧干燥條件為進風頻率35 Hz、進風溫度100～140 ℃、轉速8～12 r/min。

1.3.3 Plackett-Burman試驗

以燕麥沖調粉中活菌數為指標，通過Plackett- Burman試驗原理，將8個因素分別選擇高（1）、低（-1）兩水平，對影響益生菌燕麥沖調粉中活菌數的因素進行篩選。Plackett-Burman試驗因素和水平設計見表1。

表1 Plackett-Burman試驗因素水平表

1.3.4 Box-Benhnken試驗設計

根據Plackett-Burman試驗結果，選取焙烤溫度、磨漿溫度和均質壓力這三個因素，以活菌數為指標，進行Box-Behnken Design試驗。因素水平表見表2。

表2 響應面試驗因素水平表

1.3.5 驗證試驗

用模型預測的最優工藝參數進行驗證試驗。

1.3.6 菌落計數方法

采用稀釋涂布平板法。菌液采用10倍梯度稀釋，選取適當梯度樣液涂布于MRS固體培養基上，于37 ℃培養48 h后進行菌落計數。

1.3.7 基本成分的測定

水分的測定采用失重法；粗蛋白質的測定采用凱氏定氮法，具體操作參照GB 5009.5—2016；粗脂肪的測定采用索氏抽提法，具體操作參照GB/T 5009.6—2003；灰分的測定參照GB/T 5009.4—2016；淀粉的測定采用植物淀粉含量試劑盒。

1.3.8 堆積密度的測定

將一定質量的燕麥沖調粉（M）緩慢加入到10 mL量筒中，體積記錄V1。堆積密度按式（1）計算。

1.3.9 沉淀率、溶解、沉淀吸水率的測定

參考文獻[11]的測定方法：稱取1 g燕麥沖調粉并加入10 mL水（常溫），充分攪拌均勻制備成沖調粉溶液，質量濃度為0.1 g/mL。稱取一定質量的沖調粉溶液置于離心管中，在3 000 r/min下離心10 min后去掉上清液，將剩余物質放入105 ℃烘箱中烘4 h。則燕麥沖調粉的沉淀率、溶解率、沉淀吸水率分別按式（2）～（4）計算。

式中：W0為稱取沖調粉溶液質量，10 g；W1為沉淀干質量（其中，W1=W3-W2），g；W2為離心管質量，g；W3為離心管和沉淀干質量，g；W4為沉淀和離心管質量，g。

1.3.10 色澤的測定

參考文獻[12]，使用色差儀測定樣品的L*值、a*值和b*值。

1.3.11 粒徑分析

燕麥沖調粉粒徑大小由激光粒度分析儀測定。

1.3.12 傅里葉紅外光譜掃描

稱取200 mg燕麥沖調粉于坩堝中，再按1∶100的質量比向坩堝中加入預先干燥備用的KBr粉末，并在紅外燈保護下研磨均勻，壓片后用傅里葉紅外光譜儀進行范圍4 000～400 cm-1的波數掃描，分辨率為4 cm-1。

1.3.13 數據處理

所有試驗重復測定3次。采用Design Expert 8.0.6軟件進行響應面分析，采用SPSS Statistics 25軟件進行統計分析，采用Origin Pro 2018軟件進行圖片的繪制。

2 結果與分析

2.1 Plackett-Burman試驗設計結果分析

Plackett-Burman（PB）試驗的設計及結果如表3所示，模型的方差分析見表4。由表4可知，模型p值為0.001 5＜0.05，說明該模型顯著，相關系數R2= 0.996 3，表明方程擬合度較好。焙烤溫度、磨漿溫度、磨漿比例、均質壓力和接種量對活菌數的影響均為極顯著（p＜0.01）。進風溫度、轉速和焙烤時間對活菌數的影響不顯著。但在試驗中發現，當磨漿比例為1∶8時發酵液較黏稠，容易堵塞噴霧干燥機噴頭，影響噴霧干燥的速率和效果，將磨漿比例固定為1∶10。因此試驗中選取其余因素中影響最為顯著的三個因素（焙烤溫度、磨漿溫度和均質壓力）進行Box-Behnken Design試驗。

表3 Plackett-Burman試驗設計及結果

表4 Plackett-Burman試驗設計的方差分析

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗結果及方差分析

根據Box-Behnken Design試驗原理，以益生菌燕麥沖調粉中的活菌數為響應值進行三因素（焙烤溫度、磨漿溫度、均質壓力）三水平響應面分析試驗，試驗設計及結果見表5。

對表5的數據進行分析，試驗方差分析見表6。成品活菌數對3個因素的二次回歸方程為：

表6 Box-Behnken設計試驗方差分析

表5 Box-Behnken試驗設計及響應結果

從表6可以看出：失擬項p為0.101 9＞0.05，失擬不顯著，說明試驗誤差較小；模型p為0.011 2，表明回歸模型顯著。模型的相關系數為R2=0.892 4，表明該模型與試驗結果擬合度較好，可以用來分析和預測益生菌燕麥沖調粉的制備工藝。在試驗范圍內，A、A2和C2影響顯著，不同因素對活菌數的影響順序為焙烤溫度（A）＞磨漿溫度（B）＞均質壓力（C）。

2.2.2 響應面結果分析

根據表6結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行回歸模型響應面的分析，得到活菌數的二維等高線圖和三維立體圖，如圖1、圖2和圖3所示。

由圖1、圖2和圖3可直觀看出各因素交互作用及對活菌數的影響。從AB的三維立體圖可以看出均質壓力一定時，隨焙烤溫度的升高，活菌數先上升后下降，隨著磨漿溫度的升高，活菌數先降低后升高；從BC的三維立體圖可以看出，磨漿溫度和均質壓力的響應面坡度均比較平緩，并且等高線圖橢圓形狀不明顯，說明其交互作用不顯著，隨磨漿溫度的升高，活菌數先降低后升高，隨著均質壓力的升高，活菌數先上升后下降；從AC的三維立體圖可以看出焙烤溫度和均質壓力對活菌數的影響，其響應面坡度比較陡峭，圖形呈現曲面拱形，且等高線圖橢圓形狀明顯，證明響應值存在最大值。該結果與表6結果相符合。

圖1 焙烤溫度和磨漿溫度交互作用對沖調粉中活菌數的影響

圖2 焙烤溫度和均質壓力交互作用對沖調粉中活菌數的影響

圖3 磨漿溫度和均質壓力交互作用對沖調粉中活菌數的影響

2.2.3 最佳噴霧干燥條件的確定及驗證試驗

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到益生菌燕麥沖調粉最優工藝：焙烤溫度159.29 ℃、磨漿溫度60 ℃、均質壓力201.11 bar，活菌數預測值為8.88×107CFU/g。以最終優化所得工藝條件進行驗證，考慮到可操作性，將參數設置為焙烤溫度160 ℃、磨漿溫度60 ℃、均質壓力200 bar，測得益生菌燕麥沖調粉中活菌數為（8.60±0.30）×107CFU/g，與理論預測值無顯著性差異（p＞0.05），表明該模型預測性良好，試驗結果可靠。

2.3 益生菌燕麥沖調粉理化特性分析

2.3.1 基本成分分析

燕麥沖調粉與益生菌燕麥沖調粉的基本成分如表7所示。由表7可以看出，與燕麥沖調粉相比，益生菌燕麥沖調粉的水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分質量分數降低。益生菌燕麥沖調粉中的淀粉質量分數升高，這可能是由于微生物發酵使蛋白質等物質浸出，使得淀粉相對質量分數增加，秦洋[13]在研究乳酸菌發酵改性玉米粉的發酵工藝時，分析發酵前后玉米粉營養物質的變化也得到了類似的結論。

表7 燕麥沖調粉基本成分 單位：%

2.3.2 堆積密度及溶解率分析

燕麥沖調粉與益生菌燕麥沖調粉的堆積密度及溶解率如表8所示。與燕麥沖調粉相比，益生菌燕麥沖調粉的堆積密度下降，但無顯著差異。溶解率是衡量制品沖調性的重要指標。試驗發現，益生菌燕麥沖調粉的沉淀率、沉淀吸水率下降，溶解率上升，表明益生菌發酵處理能夠改善燕麥沖調粉的沖調性。可能的原因是淀粉周圍的大分子絡合物被發酵過程中產生的酸和酶降解，使得更多的淀粉溶出，另外一些淀粉顆粒被水解酶水解成多糖或單糖等小分子物質析出，從而使得發酵后的雜糧沖調粉溶解率提高[14]。

表8 燕麥沖調粉的堆積密度及溶解性

2.3.3 色澤與粒徑分析

燕麥沖調粉與益生菌燕麥沖調粉的色澤與平均粒徑的大小如表9所示。

色澤是沖調制品的重要感官品質。從表9可以看出，益生菌燕麥沖調粉的亮度值與紅度值比燕麥沖調粉的高，顏色更加明亮。這可能是由于發酵可以改變淀粉與灰分的比例[15]。此外，發酵過程中燕麥粉中的酚類物質浸出，也會導致雜糧沖調粉的顏色變化[16]。這種顏色的改變更能增進消費者的食欲。

表9 燕麥沖調粉的色澤及平均粒徑

與燕麥沖調粉相比，益生菌燕麥沖調粉的平均粒徑減小，但兩者之間無顯著差異。這可能是由于燕麥沖調粉經過乳酸菌發酵后淀粉顆粒被水解，出現破碎的淀粉顆粒所導致的[13]。

2.3.4 傅里葉紅外光譜分析

燕麥沖調粉與益生菌燕麥沖調粉的傅里葉紅外光譜圖如圖4所示。可以看出，燕麥沖調粉與益生菌燕麥沖調粉在4 000～400 cm-1區域具有相似的吸收峰。波數在3 500 cm-1附近的峰寬而鈍，這是由于O—H的伸縮振動引起的[17]。2 930 cm-1附近的是C—H的對稱振動吸收峰[18]。1 650 cm-1附近的是C==O吸收峰，在1 500 cm-1處的峰是α-1,4糖苷鍵骨架振動[19]。

圖4 燕麥沖調粉的FTIR圖譜

從圖4可以看出，益生菌燕麥沖調粉沒有出現新的吸收峰，表明發酵處理在短程范圍內沒有引起分子結構發生明顯改變，這與Zhao等[20]報道的結果類似。

3 結論

隨著生活節奏加快，人們的營養需求多元化，益生菌燕麥沖調粉具有良好的發展前景。試驗以燕麥為原料制備了益生菌燕麥沖調粉。以活菌數為指標，在Plackett-Burman試驗的基礎上，對顯著因素進行響應面試驗優化，得到最佳工藝參數：焙烤溫度160 ℃，磨漿溫度60 ℃，均質壓力200 bar，驗證試驗顯示結果可靠。在最佳工藝的制備條件下，與未發酵的燕麥沖調粉相比，所制備的益生菌燕麥沖調粉富含益生菌，沉淀率和沉淀吸水率較低，溶解率較高，具有焙烤香氣，色澤明亮能增進食欲。