乳酸菌發(fā)酵對糙米蒸煮性能和食用品質(zhì)的影響

程 鑫 李永富 史 鋒 黃金榮 王 莉 陳正行 李亞男 王 韌 李 娟

(江南大學(xué)食品學(xué)院；江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室1，無錫 214122) (江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室2，無錫 214122)

糙米是指稻谷脫去稻殼后，內(nèi)部皮層完好的稻米籽粒。與精米相比，糙米含有更豐富的營養(yǎng)素、更低的淀粉消化性及胃排空率，常食用可以降低糖尿病與高血脂癥的患病率[1]。但是由于糙米的胚乳被纖維皮層緊緊包裹，水分難以滲透到糙米內(nèi)部，阻礙了糙米內(nèi)部淀粉的水合作用，使糙米不僅難煮熟，而且口感較粗，無法被消費者廣泛接受。目前針對糙米蒸煮品質(zhì)改良的方法主要有浸泡法、碾削法、高壓處理法、高溫流化法等[2-5]。但上述方法中分別存在著加工處理時間長、設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜、對胚乳造成機械損傷等不足，不利于糙米生產(chǎn)的規(guī)?；蜕虡I(yè)化。

近年來隨著發(fā)酵工藝的改善和發(fā)酵過程控制的優(yōu)化，通過發(fā)酵法改善谷物理化特性逐漸成為新的研究熱點。Keiko等[6]的研究表明，谷物中的β-葡聚糖及阿拉伯木聚糖可以被乳酸菌作為碳源促進有益菌的生長；Premsuda等[7]的研究則進一步證明了植物乳桿菌在不外加營養(yǎng)的基礎(chǔ)上，也可以很好的在糙米及米糠上生長，這就為植物乳桿菌改善糙米蒸煮品質(zhì)提供了可能，根據(jù)Premsuda等的研究，植物乳桿菌對糙米皮層有選擇性降解作用，不僅可以抑制有害菌生長，還可以為米飯創(chuàng)造更好的風(fēng)味、香氣及質(zhì)構(gòu)。

本研究采用乳酸菌發(fā)酵的方法處理糙米，考察發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、含水量和接種量對糙米pH及最佳蒸煮時間的影響，同時對發(fā)酵前后糙米籽粒表觀和橫截面形態(tài)、蒸煮特性、質(zhì)構(gòu)及風(fēng)味物質(zhì)的變化進行了研究，為糙米蒸煮和食用品質(zhì)的改良提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

糙米：品種為龍粳31，產(chǎn)地黑龍江：無錫市蘇惠米業(yè)有限公司；植物乳桿菌：菌種代號為JYI-3913，濃度為1011CFU/g：山東中科嘉億生物工程有限公司。

CFXB20FC17-35電飯鍋：浙江蘇泊爾股份有限公司；S—4800SEM 掃描電子顯微鏡：日本日立公司；TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀：英國SMS公司；SCIONSQ-456-GC 氣質(zhì)聯(lián)用儀：美國Bruker公司；UltraScan Pro 1166高精度分光測色儀：美國Hunterlab公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 產(chǎn)胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒別

參照萬振堂等[8]的方法，采用熒光底物法定性鑒別實驗所用植物乳桿菌產(chǎn)β-葡萄糖苷酶的能力。

1.2.2 乳酸菌發(fā)酵處理糙米的方法

根據(jù)前期實驗結(jié)果，考察發(fā)酵時間(12、24、36、48 h)、發(fā)酵溫度(20、30、40、50 ℃)、含水量(20%、30%、40%、50%)、接種量(0.02%、0.10%、0.50%、2.50%)對發(fā)酵糙米的影響。以pH及最佳蒸煮時間為檢測指標進行單因素實驗。

具體操作方法為：取500 g糙米，裝入單向出氣的食品級透明塑料袋中，加入菌種和水后攪拌均勻，排出多余的空氣封口，在設(shè)定溫度和時間下進行發(fā)酵，發(fā)酵后糙米置于40 ℃烘箱烘干至水分13%～14%，-4 ℃冷藏。

1.2.3 pH的測定

根據(jù)Gao等[9]的方法，稱取10 g發(fā)酵糙米，加入到90 mL去離子水中，攪拌30 min，4 000 r/min離心10 min，過濾后測定濾液pH。

1.2.4 最佳蒸煮時間的測定

參照Mohapatra等[3]的方法，采用壓片法測定。

1.2.5 糙米表觀及橫截面形態(tài)的觀察

糙米發(fā)酵前后表觀及橫截面形態(tài)均采用掃描電鏡觀察。將整粒糙米及糙米橫截面經(jīng)過二次固定、梯度脫水、真空噴鍍金膜后，分別于放大倍數(shù)25、600 倍，加速電壓5 kV條件下進行掃描觀察，并拍照保存。其中米粒橫截面均由刀片切割制得，取樣位置固定于米粒中軸，以保證實驗平行性。

1.2.6 發(fā)酵糙米蒸煮性能的測定

1.2.6.1 浸泡吸水率的測定

糙米浸泡吸水率的測定參照Turhan等[10]的方法。

1.2.6.2 糙米蒸煮品質(zhì)的測定

發(fā)酵糙米蒸煮品質(zhì)包括加熱吸水率、體積膨脹率、米湯pH、米湯干物質(zhì)及米湯碘藍值，其測定方法參考王肇慈[11]的稻米蒸煮性實驗。

1.2.7 糙米質(zhì)構(gòu)的測定

在前期預(yù)實驗中確定糙米煮飯的最佳米水質(zhì)量比為1∶1.9，測定時取100 g糙米洗凈，加水至290 g后開始煮飯，待米飯保溫25 min后，混勻米飯，迅速稱取85 g平鋪于培養(yǎng)皿內(nèi)，然后進行質(zhì)構(gòu)測定。測定參數(shù)設(shè)置參照楊曉娜[12]的測定方法，其中探頭為P25。

1.2.8 糙米風(fēng)味物質(zhì)的測定

使用氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)對米飯風(fēng)味物質(zhì)進行分析。稱取米飯25 g于萃取瓶中，密封后置沸水浴中水浴10 min，轉(zhuǎn)移至70 ℃恒溫水浴鍋中，插入萃取頭萃取30 min，然后將萃取頭插入氣質(zhì)聯(lián)用儀中進樣7 min，進行測定。具體參數(shù)設(shè)置參照卜玲娟等[2]的方法。

1.2.9 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 22.0、Excel 2013處理數(shù)據(jù)，用Origin 8.6 繪圖。每次實驗重復(fù)3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒定

β-葡萄糖苷酶是纖維素酶的一種，在纖維素降解中具有重要的作用。葡萄糖苷酸-4-甲基傘形花烯(MUG)在β-葡萄糖苷酶作用下分解產(chǎn)生甲基傘形花酮，在365 nm紫外光照射下產(chǎn)生特異性藍色熒光，且具有快捷靈敏的特點，因此熒光底物法被用于菌種產(chǎn)胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒別[8]。實驗測定結(jié)果如表1所示，所選的植物乳桿菌能夠產(chǎn)胞外β-葡萄糖苷酶，說明此植物乳桿菌具備產(chǎn)纖維素酶的能力，因此將其作為實驗菌種。

表1 菌種產(chǎn)胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒定

2.2 發(fā)酵條件對糙米pH及最佳蒸煮時間的影響

單因素實驗結(jié)果如圖1所示。

在發(fā)酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%條件下，隨著發(fā)酵時間的延長，pH及最佳蒸煮時間均逐漸減小。該結(jié)果與Premsuda等[7]的研究結(jié)果相似，可能是由于植物乳桿菌生長過程中產(chǎn)酶產(chǎn)酸，破壞了纖維結(jié)構(gòu)，提升了糙米吸水性能，發(fā)酵24 h之后乳酸的積累使得發(fā)酵環(huán)境pH迅速降至4.20左右，此時植物乳桿菌的生長也受到限制，指標變化不顯著(P>0.05)。因此，確定最佳發(fā)酵時間為24 h。

在發(fā)酵時間24 h、含水量30%、接種量0.10%條件下，隨著發(fā)酵溫度的升高，pH及最佳蒸煮時間呈現(xiàn)先減后增的趨勢，30 ℃時達到最小值。植物乳桿菌的最適生長溫度為30～37 ℃[13]，隨著溫度升高，植物乳桿菌產(chǎn)酸及產(chǎn)酶能力逐漸增強；在50 ℃時，植物乳桿菌幾乎停止生長，產(chǎn)酸產(chǎn)酶受到抑制，導(dǎo)致pH及最佳蒸煮時間偏高；30 ℃和40 ℃時，糙米的pH及最佳蒸煮時間變化不顯著(P>0.05)。因此，確定最佳發(fā)酵溫度為30 ℃。

注：圖中a、b、c、d表示同指標標有不同字母者，差異顯著(P<0.05)。A表示原料糙米。圖1 發(fā)酵條件對糙米最佳蒸煮時間及pH的影響

在發(fā)酵時間24 h、發(fā)酵溫度30 ℃、接種量0.10% 條件下，隨著含水量的升高，pH及最佳蒸煮時間的下降先慢后快再慢。Hidehiko等[14]發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌良好生長所需最低含水量為27.5%，且隨著含水量的升高pH逐漸下降，與本實驗結(jié)果一致。含水量較低時，植物乳桿菌活性下降，對糙米皮層的降解作用較弱，阻礙了糙米內(nèi)部淀粉與水之間形成氫鍵[15]，抑制水分吸收，因此pH及最佳蒸煮時間變化較??；當(dāng)含水量升高到滿足植物乳桿菌生長需求時，菌種迅速增長，pH及最佳蒸煮時間隨之下降，代謝產(chǎn)物隨之積累，植物乳桿菌生長逐步受限，下降趨勢變緩。因此，確定最佳含水量為30%。

在發(fā)酵時間24 h、發(fā)酵溫度30 ℃、含水量30%條件下，隨著接種量的增加，pH逐漸減小，最佳蒸煮時間則呈現(xiàn)先減后增的趨勢。這是由于植物乳桿菌將糙米皮層作為碳源轉(zhuǎn)化為乳酸，pH隨乳酸積累而逐漸下降；接種量達到2.50%時，含菌量過高，培養(yǎng)體系中有限的養(yǎng)分及水分抑制了菌種的生長繁殖，菌群加速進入衰亡期，使發(fā)酵效果變差，最佳蒸煮時間增加；接種量為0.10%和0.50%時，糙米的pH及最佳蒸煮時間變化不顯著(P>0.05)。因此，確定最佳接種量為0.10%。

發(fā)酵糙米的最佳工藝參數(shù)為發(fā)酵時間24 h、發(fā)酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%。此條件下測定發(fā)酵糙米pH為4.59，最佳蒸煮時間為21.30 min，分別比原料糙米降低2.00和6.46 min，且其變化具有顯著性差異(P<0.05)，因此后期實驗中發(fā)酵糙米的制備均采用此工藝參數(shù)。

2.3 糙米表觀及橫截面形態(tài)的變化

電鏡圖結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，原料糙米表皮致密、光滑，與胚乳連接緊密，而發(fā)酵后糙米皮層部分軟化膨起，與胚乳的連接出現(xiàn)明顯的縫隙，且皮層出現(xiàn)小孔洞，這些變化有利于水分進入糙米內(nèi)部，促進胚乳淀粉的水合作用，加速淀粉糊化，減小糙米硬度[16]。從圖2e、圖2f可以看出，原料糙米淀粉呈不規(guī)則多邊形且邊界明顯，而發(fā)酵后糙米淀粉顆粒邊界出現(xiàn)局部模糊，此結(jié)果與廖盧艷等[17]的研究結(jié)果一致。糙米淀粉形態(tài)的變化一方面可能是溫度與水分條件適宜，激活了糙米內(nèi)源酶的作用所致[18]；另一方面可能是植物乳桿菌在代謝過程中分泌纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶等幾十種胞外酶，纖維素酶等水解植物細胞壁，為外源酶的進入提供有效通道，進而對糙米淀粉產(chǎn)生作用所致。糙米皮層吸水通道的打開及內(nèi)部淀粉顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變，均有利于加速煮飯過程中淀粉的糊化，改善糙米蒸煮性能。

2.4 糙米蒸煮性能的變化

2.4.1 30 ℃浸泡吸水率

浸泡吸水率即米粒在浸泡過程中水分遷移進入米粒內(nèi)部的質(zhì)量分數(shù)。水分在米飯蒸煮糊化中起關(guān)鍵作用，因此米粒的吸水能力與米飯蒸煮品質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，蒸煮時水分的進入有利于淀粉均一糊化，提升米飯口感[19]。由圖3知，發(fā)酵糙米的吸水速率明顯優(yōu)于原料糙米。當(dāng)浸泡80 min后原料糙米吸水率僅有12.71%，而發(fā)酵糙米吸水率為15.91%，吸水率增加了25.18%。發(fā)酵糙米吸水性能的提高主要來自植物乳桿菌發(fā)酵對其理化性質(zhì)的改變。Horigane等[20]的研究表明，浸泡過程中，由于糙米表皮結(jié)構(gòu)致密、滲透性差，水分遷移路徑是由胚芽起沿著胚乳中心遷移，然后向糙米腹部與背部擴散，而發(fā)酵糙米由于纖維結(jié)構(gòu)被選擇性降解，糙米腹部及背部吸水通道被打開，因而吸水速率得到提升，改善了浸泡吸水率。

圖2 原料糙米及發(fā)酵糙米表觀及橫截面掃描電鏡圖譜

圖3 糙米發(fā)酵前后的浸泡吸水率

2.4.2 蒸煮品質(zhì)變化

通過稻米蒸煮性實驗測定發(fā)酵前后糙米的加熱吸水率、體積膨脹率、固形物含量和米湯碘藍值。加熱吸水率和體積膨脹率分別指蒸煮時米飯質(zhì)量與體積的增加，固形物含量表示蒸煮時溶解在水中的物質(zhì)含量，碘藍值直觀反映溶出的直鏈淀粉含量。有研究表明，米湯固形物含量及碘藍值越高，其蒸煮時米飯越黏，食味品質(zhì)及適口性越好[21-22]。由表2可知，糙米發(fā)酵后，以上指標均顯著增長(P<0.05)，說明發(fā)酵后糙米不僅吸水能力增強，而且大分子物質(zhì)的溶出及直鏈淀粉含量也會增加，米飯口感變好。從發(fā)酵糙米的蒸煮特性變化可知，發(fā)酵有效改善了糙米的蒸煮特性，使其具有更好的食用品質(zhì)。

2.5 糙米質(zhì)構(gòu)

糙米由于有致密的纖維皮層，使其制得的米飯硬度較高，黏性較低而不易咀嚼，因而糙米飯質(zhì)感堅硬，口感粗糙。由表3可知，糙米經(jīng)發(fā)酵后，硬度顯著降低了29.63%(P<0.05)，黏性顯著升高81.88%(P<0.05)，咀嚼性也下降了46.86%(P<0.05)，說明發(fā)酵能夠使糙米皮層受到降解，在蒸煮時使水分快速遷移至內(nèi)部，淀粉與水的結(jié)合作用增強[23-24]，迅速糊化，因而使糙米飯的食味品質(zhì)得到改善。

表2 發(fā)酵前后糙米的蒸煮品質(zhì)測定

注：a、b表示同列肩注標有不同字母者，差異顯著(P<0.05)，余同。

表3 糙米飯質(zhì)構(gòu)特性

2.6 風(fēng)味物質(zhì)

采用固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用(SPME/GC-MS)法測定米飯風(fēng)味化合物成分，通過NIST、Wiley質(zhì)譜庫進行匹配檢索，并通過色譜峰面積和風(fēng)味閾值進行篩選，篩得31種可能對米飯香氣具有貢獻作用的風(fēng)味物質(zhì)，見表4所示。其中醛類有12種，酮類4種，醇類6種，呋喃類3種，烷烴4種，有機酸2種。

色譜峰面積相對百分比用來表征風(fēng)味物質(zhì)含量，閾值越低含量越高的揮發(fā)性物質(zhì)對米飯的風(fēng)味貢獻越大[12]。由表4可知，糙米發(fā)酵后風(fēng)味成分及其相對含量發(fā)生變化。糙米發(fā)酵后反-2-庚烯醛、6-壬烯醛等閾值較低、清香味濃郁的烯醛類物質(zhì)顯著增加，為糙米飯增加了香味。發(fā)酵后糙米中的己醇、反-2-十一烯醇等醇類物質(zhì)含量顯著升高，增加了糙米飯的水果香味與花香味。米中的醛類是脂肪氧化降解及脫羧的產(chǎn)物[26]，濃度較低時呈水果香及青草香，但濃度高時則會使米飯呈現(xiàn)陳化味道，發(fā)酵后糙米中的戊醛、庚醛等物質(zhì)含量的下降減小了糙米飯的糠味，提高了消費者的可接受度。另外，發(fā)酵后呋喃類物質(zhì)含量也顯著下降，說明發(fā)酵有利于糙米飯風(fēng)味的改善。發(fā)酵后糙米飯中2-糠醛含量有所上升，說明發(fā)酵對糙米皮層的破壞仍舊會造成糙米脂肪氧化產(chǎn)生糠味，且發(fā)酵后糙米揮發(fā)性成分中出現(xiàn)乙酸，說明在糙米發(fā)酵中不僅有植物乳桿菌作用，在發(fā)酵前期存在多菌種協(xié)同作用，賦予糙米飯淡淡的酸味，但2-糠醛和乙酸的風(fēng)味閾值均較高，對米飯風(fēng)味的影響可能不大。綜上，發(fā)酵對糙米飯風(fēng)味的改善有一定的作用。

表4 米飯中重要風(fēng)味化合物列表

注：1.風(fēng)味描述參照Widjaja[25]和Zeng[27]等的研究。2.風(fēng)味閾值參照Zeng等[27]的研究，“—”表示未查到或未檢出。

3 結(jié)論

研究表明，采用乳酸菌發(fā)酵的方法處理糙米，對其蒸煮及食用品質(zhì)有良好的改善作用。經(jīng)鑒定，發(fā)酵最佳條件確定為發(fā)酵時間24 h、發(fā)酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%，發(fā)酵糙米最佳蒸煮時間較原料糙米縮短6.46 min、吸水率增加了25.18%，有效提升了糙米蒸煮性能。同時發(fā)酵對糙米表皮產(chǎn)生降解作用，使糙米皮層與胚乳之間出現(xiàn)縫隙，同時打開皮層吸水通道，促進蒸煮過程中淀粉的糊化，降低糙米飯硬度，提升米飯粘性，改善了糙米風(fēng)味。

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