植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉品質(zhì)的影響及作用機理分析

王東坤,張佳艷,李才明,2,顧正彪,2,班宵逢,2,洪雁,2,程力,2,李兆豐,2*

1(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)2(食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(江南大學(xué)),江蘇 無錫,214122)

米粉是以大米為原料,經(jīng)過浸泡、磨漿、熟化擠壓、老化等工藝而成的一種米制品,有著悠久的歷史,在我國南方及東南亞地區(qū)廣受歡迎,有著廣闊的市場[1]。但傳統(tǒng)米粉一般為干米粉,需要復(fù)水浸泡后再加工、食用,而鮮濕米粉可省去復(fù)水浸泡的過程。根據(jù)制備工藝的不同,可將鮮濕米粉分為非發(fā)酵米粉和發(fā)酵米粉,發(fā)酵米粉具有獨特的口感和風(fēng)味。目前,發(fā)酵米粉制備多采用傳統(tǒng)的自然發(fā)酵方式,雖可改善米粉的質(zhì)構(gòu)和感官特性[2],但實際生產(chǎn)中,發(fā)酵過程多依靠經(jīng)驗進(jìn)行,受環(huán)境因素影響較大,無法保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。另外,自然發(fā)酵制備出的米粉還存在著光澤差,易斷條、糊湯等缺點,其品質(zhì)尚需進(jìn)一步提高[3]。

針對傳統(tǒng)自然發(fā)酵存在的缺點,研究人員引入特定微生物,對大米進(jìn)行強化發(fā)酵(也稱純種發(fā)酵),是目前廣泛應(yīng)用的措施[4]。植物乳桿菌強化發(fā)酵被證實能夠顯著改善米粉品質(zhì),周顯青等[5]研究發(fā)現(xiàn),外源植物乳桿菌發(fā)酵能使米粉獲得較好的質(zhì)構(gòu)特性;GENG等[6]認(rèn)為植物乳桿菌發(fā)酵可以改善米粉風(fēng)味特性,同時保持米粉的質(zhì)構(gòu)和蒸煮品質(zhì);李蕓[7]以自然發(fā)酵液中篩選出的植物乳桿菌發(fā)酵大米,發(fā)現(xiàn)制得的米粉質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)均有提高。現(xiàn)有報道多集中于植物乳桿菌強化發(fā)酵對成品米粉品質(zhì)的改善作用,但近些年來,有關(guān)其作用機理的研究也引起了一些研究人員的關(guān)注。易翠平等[8]研究了植物乳桿菌不同發(fā)酵時間內(nèi)大米化學(xué)成分的變化,并認(rèn)為發(fā)酵過程中大米蛋白質(zhì)含量的變化是影響米粉硬度的重要原因;張玉榮等[9]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌發(fā)酵能改變大米的糊化特性和凝膠特性,進(jìn)而對米粉品質(zhì)產(chǎn)生影響。由此可見,大米的化學(xué)組成、糊化特性等理化性質(zhì)是影響米粉品質(zhì)的重要因素,但目前關(guān)于強化發(fā)酵作用機理的認(rèn)識還十分有限,同時將植物乳桿菌強化發(fā)酵與自然發(fā)酵進(jìn)行比較分析的研究也較少。

本文以實驗室前期從自然發(fā)酵米粉樣品中篩選出1株優(yōu)勢乳酸菌,植物乳桿菌為研究對象,通過對未發(fā)酵、自然發(fā)酵及植物乳桿菌強化發(fā)酵制得的鮮濕米粉品質(zhì),及大米理化性質(zhì)的差異分析,探究植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉品質(zhì)的影響及作用機理,以為鮮濕米粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)手段及理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

珍珠3號秈米,蕪湖南陵新塘米業(yè)有限公司;植物乳桿菌(LactobacillusplantarumSTB19)由本實驗室自行篩選并進(jìn)行保藏;其他試劑均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YC-30米粉機,廣州金本機械有限公司;LB-M12磨漿機,佛山市勁申電器有限公司;GI54高壓滅菌器,美國Zealway公司;SW-CJ-2FD潔凈工作臺,蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;BPH-9042精密恒溫培養(yǎng)箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;BXS-400S恒溫恒濕箱,上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;SW-22振蕩搖床水浴鍋,優(yōu)萊博技術(shù)有限公司;SCIENTE-10 ND冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;TA-XT Plus物性分析儀,英國SMS公司;StarchMaster2快速黏度分析儀,瑞典Perten有限公司;D8 Advance X射線衍射儀,德國Bruker公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 鮮濕米粉的制備

鮮濕米粉的制備工藝：

秈米→發(fā)酵→清洗→磨漿→糊化→擠粉→老化→復(fù)煮→水洗→分裝→成品

3組實驗組的具體處理方法分別為：(1)未發(fā)酵組,將大米在25 ℃下加水浸泡2 h(米水質(zhì)量比為1∶1.5,下同);(2)自然發(fā)酵組,將大米加水浸泡后25 ℃發(fā)酵60 h;(3)強化發(fā)酵組,將大米加水浸泡后,再向其中接入加水量為1%(體積分?jǐn)?shù))的經(jīng)活化培養(yǎng)過的植物乳桿菌菌懸液(106CFU/mL),同樣25 ℃發(fā)酵60 h。

粉條經(jīng)米粉機擠出后,立即放入恒溫恒濕箱中老化,老化溫度為20 ℃,濕度為70%,時間為6 h,老化完成后經(jīng)沸水復(fù)煮3 min。

1.3.2 大米粉的制備

分別取未發(fā)酵、自然發(fā)酵及強化發(fā)酵的大米樣品,清洗后加入同等質(zhì)量的去離子水進(jìn)行研磨,然后置于超低溫冰箱提前預(yù)凍,再放入真空冷凍干燥機中干燥48 h。凍干樣品經(jīng)研缽搗碎,過100目篩,用自封袋盛裝置于干燥器中待用,使用前測定樣品水分含量。

1.3.3 質(zhì)構(gòu)品質(zhì)測定

參照任元元等[10]的方法并加以修改,將米粉樣品在沸水中蒸煮3 min,過冷水30 s,然后置于物性儀測試臺上進(jìn)行測試,測定參數(shù)為：探頭P35,測前速度1.0 mm/s,測中速度1.0 mm/s,測后速度1.0 mm/s,壓縮比70%,自動觸發(fā)力5 g。

1.3.4 蒸煮品質(zhì)測定

斷條率、蒸煮損失和復(fù)水率的測定參照文獻(xiàn)[11-12]進(jìn)行。

1.3.5 基本成分測定

蛋白質(zhì)參照 GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》;總淀粉、直鏈淀粉參照Megazyme試劑盒方法進(jìn)行測定;脂肪參照 GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》;灰分參照 GB 5009.4—2016《食品中灰分的測定》。

1.3.6 糊化特性測定

糊化特性采用快速黏度分析儀測定,標(biāo)準(zhǔn)加水量為25 g,以10%干基計算實際樣品量,具體測定條件參照CAI等[13]的方法進(jìn)行。

1.3.7 熱力學(xué)特性測定

取3～4 mg大米粉于坩堝中,加入6～8 μL去離子水,密封后放置于4 ℃冰箱平衡24 h,測定條件參照王曉培等[14]的方法進(jìn)行。

1.3.8 結(jié)晶特性測定

參照李才明等[15]的方法并加以修改。取樣品于測試板圓孔中,用載玻片壓實后開始測試,測定條件為：掃描區(qū)間5°～40°,掃描頻率2°/min、掃描步長0.02°。并采用MDI Jade V6.0 軟件計算相對結(jié)晶度。

1.3.9 感官評價

參照羅文波等[12]的方法并加以修改。將米粉樣品沸水煮至3 min,再經(jīng)冷水淋洗,由12名食品專業(yè)人員(6男6女)從色澤、氣味、外觀結(jié)構(gòu)、爽滑度及硬度5方面對米粉進(jìn)行評分,并計算綜合評分。評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 鮮濕米粉感官評分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The sensory evaluation criteria of fresh rice noodles

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,SPSS 23.0軟件分析數(shù)據(jù)差異的統(tǒng)計學(xué)意義,差異顯著性分析由Duncan程序分析完成(P<0.05),Origin 8.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響

質(zhì)構(gòu)品質(zhì)是米粉品質(zhì)評價的重要指標(biāo),如表2所示,與未發(fā)酵組相比,發(fā)酵組米粉的硬度和咀嚼性提高,黏附性降低,回復(fù)性增大,彈性變化不明顯。強化發(fā)酵組米粉的硬度較自然發(fā)酵組提高了0.28%,咀嚼性提高了6.40%,黏附性則降低了51.61%。相對高的硬度、咀嚼性能夠增強米粉食用時的筋道感,口感更佳,而較低的黏附性能使米粉具有更高的爽滑性,食用時不黏牙[16]。因此,植物乳桿菌強化發(fā)酵更能夠提高鮮濕米粉的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)。易翠平等[17]發(fā)現(xiàn)經(jīng)乳酸菌發(fā)酵的鮮濕米粉硬度、彈性和內(nèi)聚性顯著提高,黏性降低,米粉品質(zhì)得到改善,與本研究結(jié)果一致,這可能是因為強化發(fā)酵使米粉形成了更強的凝膠結(jié)構(gòu)。

表2 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響Table 2 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on texture quality of fresh rice noodles

2.2 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉蒸煮品質(zhì)的影響

蒸煮損失、斷條率和復(fù)水率是評價米粉蒸煮品質(zhì)的重要指標(biāo),鮮濕米粉應(yīng)具有較低的蒸煮損失、斷條率和較高的復(fù)水率[10]。如表3所示,與未發(fā)酵組相比,自然發(fā)酵組米粉的蒸煮損失降低了49.21%,斷條率降低了38.30%,復(fù)水率提高了2.05%,而強化發(fā)酵組米粉的蒸煮損失降低了51.72%,斷條率降低了60.02%,復(fù)水率則提高了2.89%。因此,植物乳桿菌強化發(fā)酵更能改善鮮濕米粉的蒸煮品質(zhì)。與周顯青等[5]的研究結(jié)果一致,其原因可能是強化發(fā)酵有利于米粉形成更致密的凝膠網(wǎng)絡(luò),在米粉蒸煮過程中能減少固形物的溶出。

表3 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉蒸煮品質(zhì)的影響Table 3 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on cooking quality of fresh rice noodles

2.3 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉感官品質(zhì)的影響

感官品質(zhì)是直觀反映米粉品質(zhì)的綜合指標(biāo),如圖1所示,與未發(fā)酵組相比,發(fā)酵組米粉的硬度、爽滑度及外觀結(jié)構(gòu)評分顯著提高,這與上文提到的發(fā)酵組米粉硬度、咀嚼性提高,黏附性降低的變化趨勢基本相同,由此表明,通過物性儀測定得到的米粉質(zhì)構(gòu)特性可以在一定程度上客觀反映其感官品質(zhì)[8]。

圖1 植物乳桿菌強化發(fā)酵對鮮濕米粉感官品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on sensory quality of fresh rice noodles

此外,植物乳桿菌強化發(fā)酵也顯著提高了鮮濕米粉的色澤評分和氣味評分,使其光澤度提高,發(fā)酵米香味濃郁。綜合來說,強化發(fā)酵組米粉的感官總分從未發(fā)酵組米粉的52分提升至80分,顯著提高了54%,而自然發(fā)酵組米粉僅為71分,因此,植物乳桿菌強化發(fā)酵能提高鮮濕米粉的感官品質(zhì),使其具有更佳的食用性。

2.4 植物乳桿菌強化發(fā)酵改善鮮濕米粉品質(zhì)的機理分析

原料大米的理化性質(zhì)對米粉品質(zhì)有著重要影響,因此,為了分析植物乳桿菌強化發(fā)酵改善鮮濕米粉品質(zhì)的機理,研究了強化發(fā)酵對大米的基本成分、結(jié)晶特性、糊化特性、熱力學(xué)特性的影響。

2.4.1 基本成分

如表4所示,與未發(fā)酵組相比,發(fā)酵組大米的蛋白質(zhì)、脂肪及灰分含量顯著減少,而總淀粉、直鏈淀粉含量顯著增加。尤其是強化發(fā)酵組大米的蛋白質(zhì)含量較未發(fā)酵組降低了10.81%,這與易翠平等[8]的研究結(jié)果一致,其原因可能是蛋白作為發(fā)酵過程中微生物生長的唯一氮源,被分解利用或是溶出[3],導(dǎo)致其含量下降,在一定程度上起到了純化淀粉的作用,也更有利于米粉凝膠的形成,從而改善米粉品質(zhì);脂肪含量的降低也使得淀粉被純化,有利于改善米粉口感;灰分含量的降低能夠增強米粉色澤,使其外觀更潔白。

表4 植物乳桿菌強化發(fā)酵對大米基本成分的影響 單位：%

總淀粉含量的增加,主要是由于其他成分在發(fā)酵過程中被利用或是浸泡溶出,導(dǎo)致了其比例的相對提高,李亞軍[18]也發(fā)現(xiàn)乳酸菌發(fā)酵能使早秈米淀粉含量有所增加,強化發(fā)酵組大米的總淀粉含量較自然發(fā)酵組增加了2.12%,這表明植物乳桿菌強化發(fā)酵對淀粉的純化作用更強。同時,直鏈淀粉含量也顯著增加,其原因可能是發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸或酶作用于支鏈淀粉并使其降解成為直鏈淀粉[19],進(jìn)而導(dǎo)致直鏈淀粉含量的增加。此外,LI等[20]認(rèn)為,大米淀粉團(tuán)粒內(nèi)無定形區(qū)中淀粉鏈之間發(fā)生相互作用,也可以引起直鏈淀粉含量增加。

直鏈淀粉具有快速形成凝膠的特性,對米粉品質(zhì)起著至關(guān)重要的作用,當(dāng)其含量<27%時,其值越高,米粉品質(zhì)越好,強化發(fā)酵組大米的直鏈淀粉含量較自然發(fā)酵組增加了7.18%[21]。因此,植物乳桿菌強化發(fā)酵更有利于提高鮮濕米粉品質(zhì)。

2.4.2 結(jié)晶特性

不同樣品組的大米粉X射線衍射結(jié)果如圖2所示。未發(fā)酵組和發(fā)酵組均在2θ為15°、17°、18°和23°左右處都有明顯的衍射峰,這表明發(fā)酵過程并未改變大米淀粉的晶型,仍為A型。同時,根據(jù)軟件計算結(jié)果,未發(fā)酵組樣品的相對結(jié)晶度為15.23%,自然發(fā)酵組為15.69%,強化發(fā)酵組提升至16.67%,這說明發(fā)酵過程能夠提高大米的相對結(jié)晶度,并且植物乳桿菌強化發(fā)酵的作用效果更強。張玉榮等[9]分析了植物乳桿菌不同發(fā)酵時間大米粉相對結(jié)晶度的變化,發(fā)現(xiàn)其隨發(fā)酵時間的延長而逐漸增大。導(dǎo)致這種變化的原因可能是發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酸和酶,能作用于大米淀粉分子的無定形區(qū),對其造成一定程度的破壞或水解,使無定形區(qū)比例下降,結(jié)晶區(qū)比例增加[22],從而導(dǎo)致相對結(jié)晶度的提高。大米結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化也會影響米粉的質(zhì)構(gòu)特性,如咀嚼性和彈性等[23]。

圖2 植物乳桿菌強化發(fā)酵對大米結(jié)晶特性的影響Fig.2 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on crystalline properties of rice

2.4.3 糊化特性

如表5所示,與未發(fā)酵組相比,發(fā)酵組大米的糊化溫度和崩解值有所提高,而峰值黏度、谷值黏度、終值黏度及回生值均明顯下降。尤其是經(jīng)植物乳桿菌強化發(fā)酵后大米的峰值黏度降低了14.46%,終值黏度降低了35.08%。同樣,YANG等[24]發(fā)現(xiàn),經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后的大米峰值黏度和終值黏度明顯降低,發(fā)酵的顯著特征就是大米糊化,黏度降低。無定形區(qū)支鏈淀粉的斷鏈和脫支可能導(dǎo)致了黏度值的降低,也可能是由于直鏈淀粉含量的增加,使糊化時黏度下降[19]。大米糊化黏度的降低,能夠使米粉更易成型,且有利于改善米粉的分散性,進(jìn)而提高米粉品質(zhì)。

與未發(fā)酵大米相比,發(fā)酵后大米的回生值降低(表5),表明發(fā)酵使大米短期老化能力略有下降。從圖3糊化曲線中也可以明顯看出3組大米樣品糊化特性的顯著差異。

表5 植物乳桿菌強化發(fā)酵對大米糊化特性的影響Table 5 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on pasting properties of rice

圖3 大米糊化曲線Fig.3 The pasting curve of rice

2.4.4 熱力學(xué)特性

熱力學(xué)特性是指淀粉糊化過程中熱力學(xué)的變化狀況[18],如表6所示,與未發(fā)酵組相比,發(fā)酵組大米的起始糊化溫度(TO)顯著下降、峰值糊化溫度(TP)變化不明顯、終止糊化溫度(TC)和ΔH則顯著增高。尤其是經(jīng)植物乳桿菌強化發(fā)酵后大米的TO降低了7.55%,ΔH較自然發(fā)酵組顯著提高了87.62%。這可能是由于發(fā)酵過程中會產(chǎn)生酸和酶[25],它們能夠破壞或水解大米淀粉的無定形區(qū),有利于水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部,進(jìn)而使淀粉更易糊化,造成TO降低。同時,因無定形區(qū)的支鏈淀粉分子被水解,使得無定形區(qū)的比例減少,結(jié)晶區(qū)的比例相對增加,造成ΔH提高,并且植物乳桿菌強化發(fā)酵的作用效果更強。此外,王曉培等[14]認(rèn)為直鏈淀粉含量的增加,減弱了淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)在糊化過程中的破壞,導(dǎo)致ΔH提高。從2.4.1的結(jié)果可知,植物乳桿菌強化發(fā)酵的大米直鏈淀粉含量有所增加,因此推斷直鏈淀粉含量的增加也可能是造成ΔH提高的原因。

表6 植物乳桿菌強化發(fā)酵對大米熱力學(xué)特性的影響Table 6 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on thermodynamic properties of rice

3 結(jié)論

發(fā)酵米粉品質(zhì)較未發(fā)酵米粉明顯改善,且與自然發(fā)酵相比,植物乳桿菌強化發(fā)酵能進(jìn)一步提高米粉的質(zhì)構(gòu)、蒸煮及感官品質(zhì)。機理分析結(jié)果表明,植物乳桿菌強化發(fā)酵較自然發(fā)酵能進(jìn)一步減少大米中的蛋白質(zhì)含量,從而顯著提高總淀粉和直鏈淀粉含量,并且使大米相對結(jié)晶度提高,大米糊化黏度和起始糊化溫度降低,從而使糊化焓值顯著提高。綜上可知,與自然發(fā)酵相比,植物乳桿菌強化發(fā)酵對大米淀粉的純化作用更強,同時對大米糊化特性和熱力學(xué)特性的改善更為顯著,更有利于米粉品質(zhì)的提高。