自然發(fā)酵優(yōu)勢菌對小米淀粉物化性質(zhì)的影響

寇 芳，康麗君，夏甜天，寧冬雪，沈 蒙，王維浩,2，曹龍奎,2,*

自然發(fā)酵優(yōu)勢菌對小米淀粉物化性質(zhì)的影響

寇 芳1，康麗君1，夏甜天1，寧冬雪1，沈 蒙1，王維浩1,2，曹龍奎1,2,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319）

小米自然發(fā)酵過程難控制，研究自然發(fā)酵液分離并鑒定出的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）對發(fā)酵小米淀粉物化性質(zhì)的影響，可更好地剖析小米自然發(fā)酵的機理，為掌握并控制自然發(fā)酵提供理論依據(jù)。采用質(zhì)量濃度為0.2 g/100 mL的NaOH溶液提取發(fā)酵后小米淀粉，并測定自然發(fā)酵、乳酸菌和酵母菌發(fā)酵小米淀粉溶解度、膨潤度、透明度、熱特性、黏度特性。結(jié)果表明，隨發(fā)酵時間的延長，3 種發(fā)酵方式所得小米淀粉的溶解度、膨潤度和透明度均降低，且乳酸菌和酵母菌發(fā)酵小米淀粉的透明度較自然發(fā)酵下降1.4%和1.0%；乳酸菌和酵母菌發(fā)酵96 h時糊化溫度較自然發(fā)酵下降1.84 ℃和1.13 ℃，峰值溫度較自然發(fā)酵下降1.04 ℃和0.43 ℃；終止溫度降低3.69 ℃和2.85 ℃；熱焓值較自然發(fā)酵相比上升1.00 J/g和0.78 J/g；而乳酸菌和酵母菌的衰減值、回生 值較自然發(fā)酵分別下降978 mPa·s和400 mPa·s、743 mPa·s和471 mPa·s，峰值黏度較自然發(fā)酵相比上升185 mPa·s和103 mPa·s。自然發(fā)酵的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）使小米淀粉發(fā)生改性，且發(fā)酵后的物化性質(zhì)較自然發(fā)酵發(fā)生顯著變化。

小米淀粉；發(fā)酵；乳酸菌；酵母菌；物化性質(zhì)

小米是世界干旱和半干旱地區(qū)的主要糧食作物，我國小米的年產(chǎn)量為450萬 t左右。小米中的主要成分是淀粉，其占小米總質(zhì)量的56%～61%[1]，因此小米淀粉的物化性質(zhì)決定了小米的品質(zhì)。發(fā)酵是很多國家生產(chǎn)谷物食品較為傳統(tǒng)的技術(shù)，其可以改善產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)，增加風(fēng)味和營養(yǎng)價值，降低pH值，抑制原料本身及環(huán)境中的雜菌生長，提高產(chǎn)品的微生物安全水平[2]。室溫條件下傳統(tǒng)的自然發(fā)酵生產(chǎn)周期一般為4～6 d[3]，但傳統(tǒng)的發(fā)酵過程易染雜菌，且發(fā)酵過程中微生物的種類、數(shù)量和發(fā)酵條件很難控制[4]，導(dǎo)致產(chǎn)品的物化性質(zhì)發(fā)生改變。在自然發(fā)酵眾不可控的因素中，微生物種類即優(yōu)勢菌的調(diào)控是對發(fā)酵小米物化性質(zhì)影響較大的因素。但國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)酵小米的研究主要集中在發(fā)酵特定產(chǎn)品的微生物特性[5-10]、菌種的分離鑒定[11]、發(fā)酵產(chǎn)品的研發(fā)[12-14]及發(fā)酵小米制品[15-21]等，而對自然發(fā)酵過程中優(yōu)勢菌對小米淀粉物化性質(zhì)影響的研究鮮有報道。若能掌握自然發(fā)酵過程中優(yōu)勢菌對小米淀粉物化性質(zhì)的影響，將會對小米的自然發(fā)酵機理、生產(chǎn)及控制自然發(fā)酵小米提供良好的理論及數(shù)據(jù)支持。故本實驗以黃金苗小米為研究對象，利用自然發(fā)酵富集的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）為菌種發(fā)酵96 h，研究自然發(fā)酵過程中兩種優(yōu)勢菌群對小米淀粉溶解度、膨潤度、熱特性及黏度特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃金苗小米 內(nèi)蒙谷赤峰久晟經(jīng)貿(mào)有限責(zé)任公司；NaOH（分析純） 天津市大茂化學(xué)試劑廠；蒸餾水實驗室自制；菌種為實驗室從自然發(fā)酵液中篩選并鑒定所得。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2140型分析天平、S220型pH計、DSC1型差示掃描量熱儀 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；DK-S24型恒溫水浴鍋、DGG-9053A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；TGL16B型臺式離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；MJ-10A型磨粉機 上海市浦恒信息科技有限公司；高壓不銹鋼坩堝 上海瑾恒儀器有限公司；壓樣機 美國Perkin-Elmer公司；T6型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預(yù)處理

1.3.1.1 菌種制備

按照小米-無菌水1∶1.2（g/mL）的比例加入蒸餾水，30 ℃自然發(fā)酵96 h后，從發(fā)酵液中篩選出優(yōu)勢微生物菌群，通過分離純化和生理生化鑒定確定其為乳酸菌和酵母菌，并將優(yōu)勢菌擴大培養(yǎng)。具體方法為：乳酸菌純化并鑒定后，接種至MRS液體培養(yǎng)基在37 ℃增殖培養(yǎng)24～48 h，直到乳酸菌菌懸液濃度達到5× 108CFU/mL。酵母菌純化鑒定后，接種到Y(jié)EPD液體培養(yǎng)基上28 ℃增殖培養(yǎng)24～48 h，直到酵母菌菌懸液濃度達到5×108CFU/mL。

1.3.1.2 乳酸菌、酵母菌發(fā)酵小米

每種發(fā)酵分別取4 份小米，每份150 g，用滅菌蒸餾水清洗3 遍后置于500 mL燒杯中，加入無菌蒸餾水（小米-無菌水比例為1∶1.2（g/mL））。吸取擴大培養(yǎng)后的微生物菌懸液5 mL接種到小米中，用保鮮膜密封，分別在最適溫度（乳酸菌37 ℃、酵母菌28 ℃）條件下培養(yǎng)96 h進行發(fā)酵。

1.3.1.3 自然發(fā)酵小米

取小米150 g，按小米-無菌水比例1∶1.2（g/mL）加入蒸餾水，30 ℃自然發(fā)酵96 h。

1.3.1.4 發(fā)酵小米淀粉的制備

將發(fā)酵后并干磨法過篩的小米粉按照料液比1∶3（g/mL）置于0.2 g/100 mL的NaOH溶液中[12]，提取3 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，除去沉淀區(qū)中上層黃褐色的物質(zhì)，水洗，連續(xù)離心4次，直至淀粉漿呈白色。用1 mol/L HCl溶液調(diào)漿至pH 7.0中性，離心，30 ℃干燥，過80 目篩，即得發(fā)酵小米淀粉。

1.3.2 小米淀粉性質(zhì)的測定

1.3.2.1 小米淀粉溶解度和膨潤度的測定

準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品于50 mL試管中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉乳，分別在70 ℃和90 ℃混勻并加熱30 min，快速冷卻，然后在4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，將上清液置于質(zhì)量恒定的表面皿中，105 ℃烘至質(zhì)量恒定，并稱沉淀物的質(zhì)量。溶解度為糊化后烘干至質(zhì)量恒定的干物質(zhì)質(zhì)量與樣品干基質(zhì)量百分比，膨潤度為沉淀物質(zhì)量同樣品干基質(zhì)量百分比。

1.3.2.2 小米淀粉透明度的測定

準(zhǔn)確稱取樣品 1.000 g，配制成質(zhì)量濃度為1 g/100 mL的淀粉乳，置于沸水浴中糊化30 min后，冷卻至室溫，在620 nm波長處測定其透明度。以蒸餾水為空白對照。

1.3.2.3 小米淀粉熱特性的測定

準(zhǔn)確稱樣品3.0 mg于坩堝中，加入7 μL蒸餾水，用壓片器反復(fù)壓3～4次至坩堝邊緣密封完好。室溫均衡12 h，在N2流量150 mL/min、壓力0.1 MPa、升溫速率5 ℃/min[22]的條件下測定不同樣品的差示掃描量熱曲線。

1.3.2.4 小米淀粉黏度特性的測定

利用RVA測試小米淀粉糊黏度。稱樣品3.500 g（干基）于樣品盒中，加水25 mL，35 ℃保溫3 min，以6 ℃/min的速率加熱到95 ℃，保溫5 min，以6 ℃/min的速率降溫到50 ℃[22]。用儀器配套的軟件分析得到曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel、SPSS軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin軟件進行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)酵處理對小米淀粉的溶解度和膨潤度的影響

圖 1 不同發(fā)酵處理對小米淀粉溶解度（A）和膨潤度（B）的影響Fig. 1 Effect of different fermentation treatments on solubility and swelling power of millet starch

如圖1所示，90 ℃時3 種發(fā)酵處理的小米淀粉溶解度和膨潤度明顯高于70 ℃，并隨發(fā)酵時間的延長，溶解度和膨潤度逐漸降低。且乳酸菌、酵母菌隨發(fā)酵時間的延長，其溶解度和膨潤度要低于自然發(fā)酵。這是由于乳酸菌、酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生大量的酸和酶，降低了小米淀粉分子內(nèi)部支鏈淀粉與直鏈淀粉的比例及其與蛋白質(zhì)和脂類化合物的絡(luò)合能力[3,23]，抑制了淀粉顆粒與水的結(jié)合，降低了發(fā)酵后小米淀粉的溶解度和膨潤度。

2.2 不同發(fā)酵處理對小米淀粉透明度的影響

圖 2 不同發(fā)酵處理對小米淀粉透明度影響Fig. 2 Effect of different fermentation treatments on the transparency of millet starch

如圖2所示，3 種發(fā)酵處理所得小米淀粉的透明度都隨發(fā)酵時間的延長而降低。在相同發(fā)酵時間條件下，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米淀粉的透明度低于自然發(fā)酵。發(fā)酵96 h時，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米淀粉的透明度比自然發(fā)酵低1.4%和1.0%。淀粉的透明度與淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和糊化后淀粉分子重新締合的程度有關(guān)[24]。發(fā)酵可使淀粉分子結(jié)構(gòu)變得緊密，分子發(fā)生重排，一些淀粉沒有完全糊化，影響淀粉顆粒的透明度[25-26]，因此淀粉的透明度也會發(fā)生改變。由于發(fā)酵使小米中支鏈淀粉的長鏈發(fā)生斷鏈與脫支，而直鏈淀粉的比例相對增加，也會導(dǎo)致淀粉的透明度降低。

2.3 不同發(fā)酵處理對小米淀粉熱特性的影響

如表1所示，自然發(fā)酵小米淀粉的糊化溫度和峰值溫度隨著發(fā)酵時間的延長先降低后升高，熱焓值隨時間的延長而增加。乳酸菌發(fā)酵的糊化溫度在發(fā)酵48 h前隨發(fā)酵時間的延長而升高，72 h降低，之后又升高；峰值溫度隨發(fā)酵時間的延長而升高，熱焓值在發(fā)酵48 h后逐漸升高。酵母菌在發(fā)酵前72 h其糊化溫度先升高，96 h略有降低，峰值溫度先降低，后稍有升高，再降低，在96 h達到最低，熱焓值在發(fā)酵48 h最低，之后增加。

表 1 不同發(fā)酵處理小米淀粉的熱特征參數(shù)Table 1 Thermal characteristic parameters of millet starch with different fermentation treatments

發(fā)酵96 h（發(fā)酵終止）時，乳酸菌、酵母菌的糊化溫度較自然發(fā)酵相比下降1.84 ℃和1.13 ℃。糊化溫度的降低是由于發(fā)酵過程中微生物代謝所產(chǎn)生的酸和酶[27-28]，使小米淀粉顆粒無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)遭到破壞，淀粉顆粒結(jié)合水的能力增強，更易糊化。另外，發(fā)酵也降低了小米淀粉蛋白質(zhì)和脂肪的百分含量（乳酸菌和酵母菌發(fā)酵后蛋白質(zhì)和脂肪的百分含量比自然發(fā)酵分別下降0.04%和0.012%），使其與淀粉的絡(luò)合能力減弱[29]，故淀粉的糊化溫度降低；峰值溫度較自然發(fā)酵下降1.04 ℃和0.43 ℃；終止溫度降低3.69 ℃和2.85 ℃；熱焓值分別上升1.00 J/g和0.78 J/g，熱焓值的增大是由于乳酸菌、酵母菌發(fā)酵過程中優(yōu)勢菌的數(shù)量比自然發(fā)酵多，故其發(fā)酵所產(chǎn)的酸和酶的量較自然發(fā)酵相比大，發(fā)酵過程所產(chǎn)的酸和酶使淀粉顆粒無定形區(qū)的比例減小，而結(jié)晶區(qū)的比例相對增大，故相同發(fā)酵時間，乳酸菌和酵母菌發(fā)酵的熱焓值要比自然發(fā)酵的熱焓值大。

2.4 不同發(fā)酵處理對小米淀粉黏度特性的影響

如表2所示，發(fā)酵時間對自然發(fā)酵、乳酸菌發(fā)酵回生值的影響差異顯著，對酵母菌發(fā)酵的回生值影響不顯著。自然發(fā)酵的回生值隨發(fā)酵時間的延長而增大，酵母菌發(fā)酵的回生值隨發(fā)酵時間先減小之后略有增大，而乳酸菌的回生值則一直減小。結(jié)合圖3可知，同自然發(fā)酵相比，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵96 h（發(fā)酵終止）時，淀粉黏度變化有很大差別，分別體現(xiàn)在：淀粉糊化的峰值黏度較自然發(fā)酵相比分別上升185 mPa·s和103 mPa·s。其原因是乳酸菌和酵母菌發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)明顯減少，使淀粉顆粒在糊化的過程中更易吸水膨脹，體積變大，故峰值黏度增加。Lim等[30]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵使大米淀粉中蛋白質(zhì)的含量減少，引起大米淀粉峰值黏度的增加。最終黏度是冷糊在低剪切作用下穩(wěn)定性的評估。較自然發(fā)酵相比，乳酸菌發(fā)酵、酵母菌發(fā)酵的最終黏度變大，故二者發(fā)酵所得淀粉的耐剪切穩(wěn)定性良好；乳酸菌、酵母菌發(fā)酵小米淀粉的衰減值較自然發(fā)酵下降978 mPa·s和400 mPa·s。由于支鏈淀粉的長鏈部分與淀粉糊化的衰減值呈負(fù)相關(guān)，短鏈部分與淀粉糊化的衰減值呈正相關(guān)[31-32]，優(yōu)勢菌發(fā)酵后小米淀粉衰減值的降低說明發(fā)酵后的小米淀粉在加熱過程中維持顆粒結(jié)構(gòu)完整性的能力增強；回生值反映了糊化后淀粉的穩(wěn)定性和老化趨勢，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵的回生值與自然發(fā)酵相比分別下降743 mPa·s和471 mPa·s，說明乳酸菌、酵母菌發(fā)酵改變了小米淀粉的化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)，從而影響其回生特性，使淀粉的短期老化能力下降。

表 2 不同發(fā)酵RVA譜特征值Table 2 RVA profile parameters of millet starch with different fermentation treatments

圖 3 黏度特性曲線Fig. 3 Viscosity curves of millet starch

3 結(jié) 論

研究自然發(fā)酵的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）對小米淀粉物化性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢菌發(fā)酵使小米淀粉的糊化溫度降低，有利于淀粉的糊化；而回生值和衰減值的降低使小米淀粉短期抗老化及耐剪切的性能提高，且優(yōu)勢菌發(fā)酵小米淀粉回生值的顯著降低有利于生產(chǎn)抗老化淀粉基食品。該研究為小米自然發(fā)酵機理提供理論依據(jù)，且對控制并改善自然發(fā)酵對小米淀粉品質(zhì)提供良好的數(shù)據(jù)支持。

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Effect of Dominant Microorganisms Isolated from Naturally Fermented Millet on the Physicochemical Properties of Millet Starch

KOU Fang1, KANG Lijun1, XIA Tiantian1, NING Dongxue1, SHEN Meng1, WANG Weihao1,2, CAO Longkui1,2,*
(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Cereals Engineering Technology Research Center, Daqing 163319, China)

The natural fermentation of millet is difficult to control. This study aimed to compare the physicochemical properties of naturally fermented millet starch and those fermented by the dominant microbes lactic acid bacteria and yeasts isolated from naturally fermented millet for the purpose of better understanding the mechanism of the natural fermentation of millet and providing a theoretical guideline for controlling the process. Starches were extracted from three different fermented millet samples with 0.2 g/100 mL NaOH and measured for solubility, swelling power, transparenc y, thermal properties and viscosity characteristics. The results demonstrated that, the solubility, swelling power and transparency of all three millet starches were decreased with fermentation time, and the transparency of millet starch fermented by lactic acid bacteria and yeasts were decreased by 1.4% and 1.0% compared with natural fermentation. The gelatinization temperature of millet starch subjected to lactic acid bacterial fermentation and yeast fermentation for 96 h were decreased by 1.84 ℃ and 1.13 ℃, respectively compared with natural fermentation, the peak temperatures were decreased by 1.04 ℃ and 0.43 ℃, respectively, thenal temperatures were reduced by 3.69 ℃ and 2.85 ℃, respectively, and the enthalpies were increased by 1.00 J/g and 0.78 J/g. respectively. In addition, lactic acid bacterial fermentation and yeast fermentation resulted in a decrease in breakdown viscosity of millet starch of 978 and 743 mPa·s and a decrease in setback of 400 and 471 mPa·s as well as an increase in peak viscosity of 185 and 103 mPa·s, respectively in comparison with natural fermentation. In conclusion, fermentation with the dominant microorganisms of lactic acid bacteria and yeasts isolated from naturally fermented millet could signi cantly modify the physicochemical properties of millet starch compared with natural fermentation.

millet starch; fermentation; lactic acid bacteria; yeast; physicochemical properties

10.7506/spkx1002-6630-201710011

TS231

A

1002-6630（2017）10-0061-05

2016-05-26

2013年度國家星火計劃項目（2013GA670001）

寇芳（1993—），女，碩士研究生，研究方向為雜糧發(fā)酵。E-mail：18249556388@163.com

*通信作者：曹龍奎（1965—），男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：caolongkui2013@163.com

寇芳, 康麗君, 夏甜天, 等. 自然發(fā)酵優(yōu)勢菌對小米淀粉物化性質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(10): 61-65.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710011. http://www.spkx.net.cn

KOU Fang, KANG Liju n, XIA Tiantian, et al. Effect of dominant microorganisms isolated from naturally fermented millet on the physicochemical properties of millet starch[J]. Food Sci ence, 2017, 38(10): 61-65. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710011. http://www.spkx.net.cn