嗜熱乳酸菌發(fā)酵液對玉米浸泡效果的影響

劉慶艾，馬耀宏，楊俊慧，孟慶軍，楊艷，馬恒，史建國

(山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點實驗室，山東 濟南 250014)

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【生物傳感器】

嗜熱乳酸菌發(fā)酵液對玉米浸泡效果的影響

劉慶艾，馬耀宏，楊俊慧，孟慶軍，楊艷，馬恒，史建國

(山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點實驗室，山東 濟南 250014)

從玉米漿中篩選出耐50 ℃高溫的嗜熱乳酸菌，繪制其生長曲線和產(chǎn)酸曲線。然后以10%的接種量接入玉米浸泡水中，研究嗜熱乳酸菌對玉米浸泡效果的影響。結(jié)果表明，嗜熱乳酸菌發(fā)酵液可有效提高玉米的吸水率和淀粉得率，玉米吸水飽和所需要的時間由傳統(tǒng)工藝的20 h縮短為10 h，淀粉得率由傳統(tǒng)工藝的59.22%提高到63.23%。

嗜熱乳酸菌；玉米浸泡；玉米吸水率；淀粉得率

我國是淀粉生產(chǎn)大國，淀粉產(chǎn)量僅次于美國，居世界第二位，其中玉米淀粉占80%以上。玉米淀粉的用途十分廣泛，除供食用與加工食品外，更廣泛地應(yīng)用于紡織、造紙、醫(yī)藥、石油、發(fā)酵及化工等行業(yè)[1-3]。因此，對玉米淀粉相關(guān)技術(shù)的研究一直是該領(lǐng)域的熱點。

目前，國際上多采用濕磨工藝生產(chǎn)玉米淀粉，在加工過程中所涉及的第一道工序是玉米浸泡工序，浸泡效果的好壞、時間的長短直接影響淀粉成品和其他副產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和生產(chǎn)成本，所以玉米浸泡工序被稱為最重要的一道工序。玉米胚乳中的淀粉與蛋白結(jié)合牢固，蛋白質(zhì)基質(zhì)在外部將淀粉顆粒包裹，為使淀粉顆粒能夠更好地釋放出來，需要破壞或者削弱蛋白質(zhì)與淀粉顆粒之間的結(jié)合力，使淀粉游離出來。傳統(tǒng)的玉米浸泡普遍采用亞硫酸溶液進行浸泡，亞硫酸雖然具有打破蛋白質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、鈍化胚芽、防腐以及有助于乳酸形成等作用，但較高濃度的亞硫酸溶液會在一定程度上造成設(shè)備腐蝕、地下水污染和產(chǎn)品中亞硫酸殘留等問題[4-6]。乳酸菌是玉米浸泡液中的主要菌種，在玉米浸泡過程中發(fā)揮著重要作用。研究表明，乳酸菌產(chǎn)生的乳酸能夠促進玉米蛋白質(zhì)軟化和膨脹，保持溶液中的鎂離子和鈣離子，有利于減少不溶性物質(zhì)的沉積。乳酸菌與亞硫酸聯(lián)合作用，可增強對玉米的浸泡效果，加速水分進入玉米籽粒，縮短浸泡時間，促進玉米中淀粉和蛋白質(zhì)的分離，從而減少亞硫酸帶來的不良影響，提高玉米淀粉的產(chǎn)率和質(zhì)量[7-8]。Manzoni等[9]向玉米浸泡液中添加乳酸后，淀粉產(chǎn)量平均提高5.6%。Dailey等[10]研究發(fā)現(xiàn)，含有乳酸的玉米浸泡液中蛋白浸出量和淀粉產(chǎn)量明顯高于不含乳酸的浸泡液。此外，他們還研究了乳酸濃度對蛋白浸出量的影響，在不添加亞硫酸的情況下，乳酸濃度高，蛋白浸出量和淀粉產(chǎn)量也高，這進一步證實了乳酸能夠促進淀粉與胚乳蛋白基質(zhì)的分離，從而促進蛋白的溶出與淀粉的釋放[11]。叢澤峰等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米浸泡過程中添加適量嗜熱乳酸菌，能夠使玉米籽粒細胞壁的破壁速率加快，籽粒吸水膨脹增強了玉米籽粒的浸泡效果，縮短了玉米浸泡時間，進一步提高了玉米浸泡液的質(zhì)量。

本研究從玉米浸泡液中篩選出耐50 ℃高溫的嗜熱乳酸菌，發(fā)酵培養(yǎng)后在浸泡初始階段加入玉米浸泡液中，縮短了玉米吸水飽和所需要的時間，提高了淀粉得率，可以為國內(nèi)玉米淀粉加工行業(yè)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米漿、玉米籽粒均由菱花集團有限公司(山東濟寧)玉米淀粉生產(chǎn)車間提供；其他試劑為分析純。

1.2 實驗儀器

YP201N電子天平(上海菁海儀器有限公司)；YXQLX50SⅡ立式壓力蒸汽滅菌器(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)；SWCJ2D型雙人單面凈化工作臺(蘇州凈化設(shè)備有限公司)；303A2電熱恒溫培養(yǎng)箱(南通宏大實驗儀器有限公司)；DHG系列電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)；西廚多功能粉碎機(鉑歐五金廠)；HHS恒溫水浴鍋(江蘇國勝實驗儀器廠)；LXJ64-01離心機(河北省吳橋電機廠)；SBA-40D型生物傳感儀(山東省科學(xué)院生物研究所)。

1.3 實驗方法

1.3.1 嗜熱乳酸菌的篩選

取玉米浸泡液10 mL，分別稀釋至原濃度的10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6和10-7倍，然后分別取0.3 mL涂布于MC平板上，(50±2)℃培養(yǎng)24 h。挑取有溶鈣圈的單菌落，在平板上劃線、分離，反復(fù)純化。分離出溶鈣圈大的菌落接入斜面保藏，編號L-4。

MC培養(yǎng)基配方：大豆蛋白胨 5.0 g/L，牛肉浸粉 3.0 g/L，酵母浸粉 3.0 g/L，葡萄糖20.0 g/L，乳糖 20.0 g/L，碳酸鈣 10.0 g/L，瓊脂15.0 g/L，中性紅0.05 g/L，25 ℃下pH值為6.0±0.1。

1.3.2 嗜熱乳酸菌的生長曲線及產(chǎn)酸曲線繪制

將篩選得到的菌株接種于10 mL MRS液體培養(yǎng)基中，(50±2)℃培養(yǎng)24 h，吸取10 mL培養(yǎng)液接種于90 mL MRS液體培養(yǎng)基中，繼續(xù)培養(yǎng)。每隔2 h取樣，測定發(fā)酵液的OD600值，并用SBA-40D型生物傳感分析儀測定乳酸含量，以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo)，以O(shè)D600值、乳酸含量為縱坐標(biāo)，繪制生長曲線及產(chǎn)酸曲線。

1.3.3 嗜熱乳酸菌對玉米吸水效果的影響

準(zhǔn)確稱取數(shù)份4 g玉米于含有10 mL 0.2% H2SO3的大試管中，分別加入1%、5%、10%、15%、20%的嗜熱乳酸菌液，(50±2)℃浸泡，分別浸泡4、8、12、16、20、24、28、32、48 h，每組做3個平行，然后測定玉米在不同時間、不同浸泡液中的含水量，繪制吸水曲線，分析嗜熱乳酸菌對玉米吸水效果的影響。

1.3.4 玉米在不同浸泡液中吸水曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取數(shù)份4 g玉米于大試管中，分別加入10 mL 0.2% H2SO3、10%嗜熱菌、0.2% H2SO3+10% 嗜熱菌浸泡液，(50±2)℃浸泡，分別浸泡4、8、12、16、20、24、28、32、48 h，每組做3個平行，然后測定玉米在不同時間、不同浸泡液中的含水量，繪制吸水曲線。

1.3.5 玉米浸泡及淀粉制備過程

準(zhǔn)確稱取9份40 g玉米于三角瓶中，分別加入150 mL 0.2 %H2SO3、10%嗜熱菌、0.2% H2SO3+10%嗜熱菌浸泡液，(50±2)℃浸泡48 h，每組做3個平行。浸泡完畢后，采用Dowd等[13]報道的玉米淀粉實驗室制備方法進行淀粉制備，并在此基礎(chǔ)上改進，用63%的蔗糖溶液離心分離代替水槽分離，計算淀粉得率。

2 結(jié)果與討論

2.1 嗜熱乳酸菌的生長曲線

從圖1可以看出，L-4菌株在接種后8 h內(nèi)生長緩慢，10 h后生長速度明顯加快，進入對數(shù)生長期，在18 h左右時生長基本達到穩(wěn)定進入平臺期，菌種發(fā)酵基本完畢。

圖1 L-4菌株的生長曲線Fig.1 Growth curve of strain L-4

2.2 嗜熱乳酸菌的產(chǎn)酸曲線

嗜熱乳酸菌L-4的產(chǎn)酸曲線如圖2所示，比較L-4菌株產(chǎn)生乳酸的變化趨勢，乳酸含量在初始16 h內(nèi)增長緩慢，之后迅速上升，在17 h附近開始穩(wěn)定。從含葡萄糖20 g/L的MRS培養(yǎng)基出發(fā)，經(jīng)發(fā)酵最終乳酸產(chǎn)量為17.09 g/L，轉(zhuǎn)化率為85.45%。

圖2 L-4菌株的產(chǎn)酸曲線Fig.2 Acid yield curve of strain L-4

2.3 嗜熱乳酸菌對玉米吸水效果的影響

如圖3所示,玉米吸水飽和所需要的時間隨著嗜熱乳酸菌濃度的增加而逐漸縮短，但是當(dāng)濃度上升至10%以上時，玉米吸水飽和所需要的時間相差不大。從節(jié)省時間以及能源成本的角度考慮，選擇嗜熱乳酸菌的添加量為10%。

圖3 玉米在不同菌液濃度下的吸水曲線Fig.3 Water-absorbing curve of corn in different bacterial concentrations steeping liquid

2.4 玉米在不同浸泡液中的吸水效果

從圖4可以看出，在(50±2)℃的浸泡溫度下，H2SO3溶液以及0.2% H2SO3+10% L-4菌液中的玉米，最初的吸水率均高于浸泡于10% L-4菌液中的玉米，這是由于前兩者的濃度差高于后者；其中玉米在0.2% H2SO3+10% L-4菌液中吸水最快，10 h左右即可飽和，而傳統(tǒng)H2SO3溶液浸泡，玉米的吸水量達到飽和大約需要20 h；用10% L-4菌液處理的玉米，雖然一開始吸水較慢，但是在8 h后，吸水速率開始高于用H2SO3溶液處理的玉米，15 h左右達到飽和。乳酸在浸泡過程中雖不能直接作用于蛋白質(zhì)網(wǎng)格使淀粉顆粒游離，但能在種皮細胞上形成有助于玉米籽粒內(nèi)外物質(zhì)交換的孔洞，為下一階段亞硫酸或蛋白酶分子的進入以及物質(zhì)交換提供了條件。通過在浸泡液中加入嗜熱乳酸菌，能夠顯著加快玉米的吸水率，從而縮短浸泡時間。

2.5 嗜熱乳酸菌對淀粉得率的影響

利用改進的實驗室淀粉制備方法提取3種不同浸泡液玉米中的淀粉，得到分別為0.2% H2SO3得率59.22%、0.2% H2SO3+10%菌液得率63.23%、10%菌液得率52.35%(見圖5)。說明在傳統(tǒng)浸泡工藝中加入嗜熱乳酸菌，不僅能夠有效縮短浸泡時間，而且可以提高淀粉得率。

圖4 玉米在不同浸泡液中的吸水曲線Fig.4Water-absorbing curve of corn in different steeping liquid

圖5 玉米在不同浸泡液中的淀粉得率Fig.5Starch yield of corn in different steeping liquid

3 結(jié)論

本文從玉米浸泡液中篩選出嗜熱乳酸菌，經(jīng)過發(fā)酵培養(yǎng)后，在浸泡初始階段接入到玉米浸泡液中，起到快速提高浸泡液中乳酸濃度的作用，使玉米吸水飽和所需的時間從20 h縮短到10 h左右，比傳統(tǒng)工藝縮短了約10 h，比已有研究成果縮短了4 h左右[14]，同時淀粉得率由傳統(tǒng)亞硫酸浸泡的59.22%提高到63.23%。該研究縮短了浸泡時間，提高了淀粉得率，有利于工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排和升級改造，對經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的提高都具有重要意義。今后，我們將在減少亞硫酸用量、提高乳酸菌產(chǎn)酸能力等方面進行深入研究。

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Impact ofThermophiliclactobacillusfermentation broth on corn steeping

LIU Qing-ai, MA Yao-hong, YANG Jun-hui, MENG Qing-jun,
YANG Yan, MA Heng, SHI Jian-guo
(Shandong Provincial Key Laboratory of Biosensors, Biology Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

∶We screened out high temperature (50℃)-resistantThermophiliclactobacillusstrain from corn steep liquor, and drew its growth curve and acid yield curve. We then employedThermophiliclactobacillusfermentation broth with 10% inoculation size to study the impact ofThermophiliclactobacilluson corn steeping. Results show thatThermophiliclactobacillusfermentation broth can effectively increase water absorption and starch yield of corn. Duration time of corn moisture saturation is reduced from 20 h to 10 h, and starch yield is increased from 59.22% to 63.23%.

∶Thermophiliclactobacillus;corn steeping; water absorption rate of corn; starch yield

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.016

2016-04-29

山東省科學(xué)院青年科學(xué)基金(2015QN009)

劉慶艾(1986—)，女，助理研究員，研究方向為微生物代謝。

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