植物乳桿菌發酵對馬鈴薯全粉結構與性能的影響

徐忠,陳曉明

(哈爾濱商業大學 食品工程學院,黑龍江 哈爾濱,150076)

我國是馬鈴薯主產區之一,年產量已達0.72億t,馬鈴薯含有優質的蛋白質、維生素、膳食纖維、碳水化合物、礦物質和人體必需的氨基酸,脂肪含量低,熱量低,營養價值豐富。2015年我國農業部提出了馬鈴薯主糧化的建議,2016年國家馬鈴薯產業“十三五”發展規劃也將馬鈴薯主食化開發列入計劃,馬鈴薯主食產品開發對促進馬鈴薯的深加工,優化居民膳食結構,促進地方經濟發展具有重要意義。

馬鈴薯全粉是馬鈴薯的主要深加工產品,有效保留了馬鈴薯的營養價值和天然風味,是一種優質的食品原料[1]。由于馬鈴薯全粉不含面筋蛋白,馬鈴薯主食開發存在產品成型難和黏度大等問題,限制了馬鈴薯全粉的使用[2]。我國各地生產的馬鈴薯全粉產品中淀粉含量都在70%以上,因此淀粉結構和性質變化對全粉產品的性能影響顯著[3]。

乳桿菌一般利用葡萄糖和乳糖等還原糖作為碳源,一些乳桿菌也可以利用非還原糖如淀粉等作為碳源,通過產淀粉酶等酶系,將淀粉轉化為還原糖,以供自身利用,目前己有較多乳桿菌用于谷物類發酵食品中的研究報道[4]。植物乳桿菌利用淀粉作為碳源在馬鈴薯全粉體系中發酵,可以有效改善馬鈴薯全粉的應用性能。

本文以馬鈴薯全粉為原料,分析了植物乳桿菌發酵對馬鈴薯全粉化學結構、顆粒形貌、結晶結構、粒度分布、糊化特性和熱特性的影響,為馬鈴薯全粉在主食開發中的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯雪花全粉,黑龍江北大荒全粉有限公司。掃描電鏡,株式會社日立制作所；X-射線衍射光譜儀,寧波歐普儀器有限公司；快速黏度分析儀,波通瑞華科學儀器有限公司；差示掃描量熱儀、紅外光譜儀,珀金埃爾默儀器有限公司；激光衍射式粒度分析儀,美國麥奇克有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯全粉發酵

根據周顯青等[5]的方法,用蒸餾水沖洗250 g馬鈴薯全粉,取300 mL無菌水浸泡樣品,吸取8 mL(5×108CFU/mL)增殖培養好的植物乳桿菌菌懸液,接入馬鈴薯全粉中,三角瓶密封后,在37 ℃下分別培養發酵4、8、12 h。將發酵結束的馬鈴薯全粉低溫烘干,粉碎,備用[6]。

1.2.2 掃描電鏡分析

根據孫京田等[7]的方法,將原馬鈴薯全粉和發酵后的馬鈴薯全粉進行掃描電鏡分析,樣品在烘箱105 ℃條件下干燥4～5 h后,用導電膠雙面膠將樣品固定在樣品臺上,在紅外燈下進行噴金處理。在加速電壓為20 kV的電子槍下,觀察并選取不同放大倍數的視野,拍攝具有代表性的原馬鈴薯全粉和發酵后的馬鈴薯全粉的顆粒形貌[8]。

1.2.3 X-衍射分析

根據趙凱等[9]的方法,采用片狀樣品衍射法：在步長0.05°,掃描速率14.28 s/步,管壓40 kV,管流30 mA的條件下壓片掃描,掃描角度5～60°,使用X-射線衍射光譜儀進行檢測[10]。

1.2.4 紅外光譜分析

按照質量比1∶4將待測的樣品和KBr混合充分,研磨烘干,在壓力為7 MPa的條件下放入13 mm磨具中用壓片機壓片,置于紅外光譜儀中進行測量并繪制紅外光譜圖[11]。掃描范圍450～4 000 cm-1,光譜分辨率0.01 cm-1。

1.2.5 熱力學特性分析

按照GOMAND等[12]的方法,在坩堝中加入25 μL去離子水,用天平準確稱取2.5 mg樣品一同置于坩堝中,用鋁制坩堝蓋密封,設定起始溫度20 ℃,終止溫度150 ℃,升溫速率10 ℃/min,記錄差示掃描量熱曲線走勢。每個樣本3次實驗并取平均值,記錄相變起始溫度(T0),峰值溫度(TP),終止溫度(TC)和焓變(ΔH)[13-14]。

1.2.6 糊化特性分析

根據SUN等[15]的方法,利用快速黏度分析儀測定,向1.5 g樣品中加25 g水,在STDI模式下測定,并記錄[16]。

2 結果與討論

2.1 馬鈴薯全粉顆粒形態結果

圖1為不同發酵時間的馬鈴薯全粉的電鏡圖像。未發酵的馬鈴薯全粉原料多為不規則的多角形,表面具有較多溝壑,這是因為馬鈴薯全粉在生產過程中因打磨加工等破壞了淀粉原有形態和完整的顆粒形貌。發酵4 h時,全粉顆粒形貌出現了明顯的凹陷和穴洞。發酵8 h時,全粉顆粒形貌被進一步破壞,粒徑變小,表面出現了更多的裂紋和凹陷。發酵12 h時,全粉顆粒粒徑繼續變小,被破壞成較小的顆粒。說明植物乳桿菌發酵可以有效的改變馬鈴薯全粉的顆粒形態,從而對其應用造成影響。

a-原料；b-發酵4 h；c-發酵8 h；d-發酵12 h

2.2 X-衍射分析結果

由圖2可知,未發酵的馬鈴薯全粉的衍射曲線呈無定型形狀,不具備特定的結晶結構,這與王勝男[17]的實驗結果相同。而經過不同時間發酵的馬鈴薯全粉的衍射曲線形狀沒有明顯變化,部分衍射峰強度增強,說明植物乳桿菌發酵使馬鈴薯全粉結晶性有一定提高。

圖2 不同發酵時間的馬鈴薯全粉的X-射線衍射峰譜圖

2.3 馬鈴薯全粉紅外光譜分析結果

圖3 不同發酵時間的馬鈴薯全粉的紅外光譜

2.4 馬鈴薯全粉熱力學特性分析結果

由表1可知,隨著發酵時間的增加,T0、Tp、TC和△H都有所增加,是由于發酵過程所產的酸和酶越來越多,使淀粉顆粒無定形區的比例逐漸減小,而結晶區比例逐漸增大[22],導致糊化溫度升高,糊化所需的熱量也就變大。

表1 不同發酵時間的馬鈴薯全粉熱力學特性參數值

2.5 馬鈴薯全粉糊化特性分析結果

表2和圖4分別為不同發酵時間的馬鈴薯全粉的特征值和糊化黏度曲線。隨著發酵時間的增加,糊化溫度升高,峰值黏度、衰減值、回生值逐漸降低,反映了植物乳桿菌發酵使馬鈴薯全粉黏度下降,熱穩定性和抗老化能力提高,但發酵12 h后黏度下降明顯,說明發酵時間過長破壞了馬鈴薯全粉原有的分子結構和化學成分,馬鈴薯全粉被深度水解,失去了淀粉的物理特性[23],也不利于作為食品原料使用。

表2 不同發酵時間的馬鈴薯全粉的特征值 單位：cP

圖4 不同發酵時間的馬鈴薯全粉的糊化黏度曲線

2.6 粒度分析結果

圖5,表3為不同發酵時間的馬鈴薯全粉的顆粒粒度分析結果。不同發酵程度的馬鈴薯全粉的D50值與平均粒徑相差不大,說明植物乳桿菌發酵可以均勻的破壞全粉顆粒,使全粉顆粒粒徑大小均勻。

a-原料；b-發酵4 h；c-發酵8 h；d-發酵12 h

表3 不同發酵時間的馬鈴薯全粉的顆粒尺度 單位：μm

并且隨著發酵時間的增加,粒徑逐漸減小。說明植物乳桿菌發酵可以有效的減小全粉顆粒的粒徑。

3 結論

馬鈴薯全粉經過植物乳桿菌發酵后,隨發酵時間增加,馬鈴薯全粉顆粒被破壞,表面變得粗糙,粒徑變小,發酵后的全粉化學結構沒有明顯變化；結晶性提高；糊化焓值逐漸升高；峰值黏度、衰減值、回生值逐漸降低,馬鈴薯全粉黏度適度下降,熱穩定性和抗老化能力提高,有利于作為主食原料使用,可增加馬鈴薯全粉的使用量,同時可以改善產品的品質。

從實驗結果可知,植物乳桿菌可利用淀粉作為碳源在馬鈴薯全粉體系中發酵,發酵過程中植物乳桿菌產淀粉酶的活性不斷增強,淀粉酶的作用使淀粉發生水解,這一過程使淀粉顆粒大小和表面形態遭到破壞,使淀粉的糊化性能和熱性能等發生變化,通過控制發酵條件,適度發酵的馬鈴薯全粉可作為食品原料用于加工馬鈴薯發酵食品。