發酵技術在淀粉改性上的應用

廖盧艷，吳衛國*

（1.湖南農業大學東方科技學院，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學 食品科學技術學院，湖南 長沙 410128）

隨著人們對健康、環保和食品安全的日益重視，開發綠色食品加工工藝已成為目前國內外的研究熱點。發酵技術作為一種淀粉的生物改性技術，在生產食品工業上的改性淀粉具有很大的優越性。因為通過發酵處理改性的淀粉，不含化學試劑的殘留，產品的理化性質得到明顯的改善，產品的附加值也將大大提高，因此淀粉的發酵處理改性將會是淀粉非化學改性研究的一個重要領域。相關的技術研究還處于起步階段，但正在逐步引起相關研究人員的注意。綜述了發酵技術對淀粉的理化特性（顆粒形態、糊化特性、老化特性和分子結構）的影響、淀粉發酵改性的機理以及發酵改性淀粉應用等方面的研究進展，目的是為發酵改性淀粉的進一步研究和應用提供參考依據。

1 發酵技術對淀粉的理化特性的影響

1.1 顆粒特性

發酵后淀粉的顆粒發生很大的變化，淀粉顆粒不再完整，顆粒會變小，且顆粒的大小趨于一致。淀粉顆粒大小均勻時，有利于淀粉糊化的均勻性，形成的凝膠更加均勻致密[1]。王鋒等[2]在研究自然發酵對大米淀粉顆粒的影響時發現經過自然發酵后大米淀粉顆粒的大小更加均勻。

1.2 糊化特性

淀粉的糊化特性對淀粉制品的品質起著重要的作用。發酵對淀粉的糊化特性有顯著影響，發酵后淀粉的糊化溫度、峰值黏度、最低黏度、最終黏度、崩潰值和回生值等指標的變化情況均因發酵原料和發酵條件的不同而各異。李里特等[3]對大米淀粉發酵后的糊化特性研究發現淀粉糊化特性的各指標參數均有所降低；而袁美蘭等[4-5]對發酵米粉的研究表明，隨著發酵時間的延長，大米淀粉的峰值黏度、最低黏度及最終黏度均上升。但是，在研究自然發酵對玉米淀粉糊化特性的影響中發現自然發酵使得玉米淀粉的峰值時間、糊化溫度以及峰值黏度、熱糊黏度、冷糊黏度、衰減值和回生值都明顯下降。另外，熊柳等[6]利用自然發酵法對豌豆淀粉的理化性質影響研究發現，糊化溫度升高，峰值黏度、谷值黏度、末值黏度都呈下降趨勢，回生值和衰減值也降低；萬晶晶等[7]采用乳酸菌對蕎麥發酵研究發現，發酵后燕麥淀粉糊化過程中峰值黏度隨著發酵時間的延長而降低。因此，應該拓寬發酵原料的選擇，同時對發酵條件進行優化和調控，從而進一步揭示發酵對淀粉糊化特性的影響規律。

1.3 老化特性

淀粉老化是一個過程，在此過程中，加熱的淀粉糊冷卻到低于淀粉晶體的熔化溫度，直鏈淀粉和支鏈淀粉再聚集而且與潤脹的淀粉顆粒結合成一個有序的結構，從而引起主要含淀粉的體系黏度上升，凝膠固化和質構老化。淀粉的老化對淀粉的品質產生很大的影響[8-9]，在淀粉老化體系過程中直鏈淀粉和支鏈淀粉扮演了重要的角色。ITURRIAGA L B等[10]利用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）研究不同直鏈淀粉含量的大米糊化后隨時間變化淀粉的老化情況發現直鏈淀粉含量高可以加快老化的速率。而VANDEPUTTE G E等[11]的研究認為直鏈淀粉分子排列在支鏈淀粉分子鏈之間阻礙了支鏈淀粉分子的有序排列從而延緩淀粉的老化。MTALANIS A M等[12]研究支鏈淀粉分子結構對淀粉老化的影響發現長B鏈結構在支鏈淀粉中的比例高低會對淀粉老化產生顯著影響。王鋒[13]研究發現，發酵米粉的老化速度變快是由于發酵使大米淀粉的中間分子及直鏈淀粉分子比例增加使直鏈淀粉易于聚合。魯戰會等[14]利用動態流變儀研究發酵對大米粉凝膠黏彈性的影響，發現發酵后的大米粉能快速形成凝膠，且老化速度慢。丁文平等[15]利用DSC研究了米飯長期回生特性，發現發酵后直鏈淀粉含量增加，有助于支鏈淀粉的成核結晶，發酵后樣品的回生速率也變大。

1.4 淀粉的分子結構

發酵對淀粉分子結構的影響主要表現在發酵使淀粉的級分、比例、分子量分布和支鏈淀粉的精細結構發生變化。袁美蘭等[16]發酵處理玉米淀粉使直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子變小，聚合度下降，平均鏈長和平均外鏈長都增加。FRENCH D等[17-18]指出支鏈淀粉外鏈長增加，能夠形成更穩定的雙螺旋晶體構造[19]。同時，直鏈淀粉聚合度的降低有利于分子的運動性增強和直鏈淀粉的交聯纏繞，有利于形成更強的凝膠[20]。魯戰會等[21]在研究發酵米粉的過程中發現自然發酵后淀粉大分子降解，中等及小分子質量淀粉比例增加，分子質量大小趨于均勻，從而使淀粉分子易于接近聚合而增強了淀粉凝膠性能。

總的來說，發酵對淀粉理化特性的影響主要還是與發酵條件（如菌種）、淀粉的種類有關，因此，這方面還有待進一步全面深入的研究。

2 淀粉發酵改性的機理

對發酵改性淀粉的機理研究少，一方面是發酵對淀粉改性的研究還只是停留在發酵后淀粉特性變化規律的研究上；另一方面由于發酵條件和淀粉種類不同，發酵產生的一些影響沒有規律可尋，無法判斷其起主要作用的因子。為此，對發酵改性淀粉的機理研究也只能是根據研究分析的結果提出可能的機理，目前主要是對發酵米粉的機理進行了研究[14，22]。自然發酵米粉之所以比未發酵米粉的拉伸性好，咀嚼時又有彈性，認為發酵米粉是微生物產酸、酶作用于大米淀粉顆粒對淀粉改性的結果。乳酸菌所產乳酸對大米淀粉凝膠性質的改變起著主要作用。一方面酸在淀粉無定形區的斷鏈作用強烈，使其產生新的直鏈分子鏈，導致單個支鏈淀粉分子的分支化程度和結晶程度降低，米粉凝膠持水力增強，發酵同時也增加了直鏈分子相互聚合的幾率，使得凝膠老化趨勢增強。另一方面，乳酸還能促進冷卻時糊化淀粉分子的老化，使直鏈淀粉分子快速的凝沉。微生物所產酶對淀粉的改性作用主要表現在降解了支鏈淀粉，增加了直鏈淀粉的含量和平均聚合度，而直鏈淀粉的含量和平均聚合度的增加有利于淀粉凝膠彈性的增強，米粉的品質也得以提升。

3 發酵改性淀粉技術的應用

以谷物淀粉為原料，采用自然發酵的方法來生產傳統食品在我國有很長的歷史，但對于發酵機理不清楚，一般都是通過經驗來判斷發酵的時間和效果。也正是基于傳統，越來越多的人想通過發酵技術來對原料中的淀粉改性以得到某種特定食品。劉振揚等[23]利用乳酸菌和酵母菌混合發酵的方式改變玉米粒中淀粉的性質來生產玉米面。沈輝等[24-25]研究了自然發酵對木薯淀粉的改性，發現利用改性后的木薯淀粉制作的面包，具有好的筋力和韌性。張子飆[26]通過生物發酵制得的玉米面粉可以制作面條和餃子，使玉米淀粉具備小麥面粉的功效。CHRISTIAN M等[27]也研究了自然發酵對木薯淀粉的改性，發現改性后的木薯淀粉膨潤能力增強，能形成質地良好的凝膠。張玉榮等[28]利用植物乳桿菌發酵大米得到發酵大米淀粉制作的粉條，不易斷裂且有較好的延展性。韓立宏等[29]研究了自然發酵對蕎麥面條質地的改善效果發現經發酵后的蕎麥粉面條制品的凝膠結構更加致密，凝膠強度增強；袁美蘭等[5]研究自然發酵后的玉米淀粉制作粉條的可行性發現發酵后的玉米淀粉的凝膠強度顯著增加，同時使玉米粉條的拉伸性能得到顯著改善。閔偉紅等[30]對乳酸菌發酵米粉工藝進行了研究發現乳酸菌發酵米粉比未發酵米粉筋道、柔韌、滑爽。由此可見，發酵使淀粉的理化特性發生了顯著的改變，進而可以使其制備的淀粉制品在質構、口感和風味等方面得到明顯的改善，對淀粉的應用有了進一步的推動作用。因此，對發酵過程中的主要微生物對淀粉的發酵改性作用進行研究，對開發優質的發酵產品具有非常重要的意義。

4 展望

發酵處理得到的改性淀粉具有制備工藝簡單、安全無污染的特點，但是由于淀粉來源及發酵調控等諸多因素的影響，目前還只是停留在試驗研究階段。如何根據淀粉的來源及特點尋求合適的發酵菌種及發酵條件進行進一步的研究揭示發酵改性的機理是未來研究的重點。縱觀近幾年國內外應用發酵技術對淀粉改性的研究，主要集中在以大米等谷物類淀粉為原料來研究發酵改性對淀粉性質及淀粉制品品質的影響等方面。這些研究加深了對發酵改性機理和影響因素作用原理的了解，但在如何將這些影響因子應用于產品實際生產，和一些影響因素比如直鏈淀粉、支鏈淀粉分子結構的作用機理方面仍需要進一步的試驗與研究。

[1]周顯青，李亞軍，張玉榮.發酵對大米粉及其制品品質影響研究進展[J].糧食與飼料工業，2011（3）：14-17.

[2]王 鋒，魯戰會，薛文通，等.自然發酵對大米淀粉顆粒特性的影響[J].中國糧油學報，2003，6（18）：25-28.

[3]李里特，魯戰會，閔偉紅，等.自然發酵對大米理化性質的影響及其米粉凝膠機理研究[J].食品與發酵工業，2001，27（12）：1-6.

[4]袁美蘭，魯戰會，程永強，等.自然發酵對米粉RVA 黏度性質及米粉拉伸性質的影響[J].中國糧油學報，2008，23（1）：7-9.

[5]袁美蘭，魯戰會，李里特.自然發酵對玉米淀粉物理性質和玉米粉條拉伸性質的影響[J].食品科學，2008，29（12）：40-44.

[6]熊 柳，夏明濤，薛麗華，等.自然發酵對豌豆淀粉理化性質的影響[J].中國糧油學報，2012，27（5）：22-25.

[7]萬晶晶，黃立群，張 慶，等.乳酸菌發酵對燕麥淀粉物化及熱力學特性的影響[J].食品科學，2010，31（19）：100-105.

[8]YU S F,MA Y,LIU T Y,et al.Impact of cooling rates on the staling behavior of cooked rice during storage[J].J Food Eng,2010,96(3):416-420.

[9]YU S F,MA Y,SUN D W.Effects of freezing rates on starch retrogradation and textural properties of cooked rice during storage[J].LWT-Food Sci Technol,2010,43(7):1138-1143.

[10]ITURRIAGA L B,DE MISHIMA B L,ANON M C.A study of the retrogradation process in five argentine rice starches[J].LWT-Food Sci Technol,2010,43(4):670-674.

[11]VANDEPUTTEA G E,VERMEYLENA R,GEEROMS J,et al.Rice starches.III.Structural aspects provide insight in amylopectin letrogradation properties and gel texture[J].J Cereal Sci,2003,38(1):61-68.

[12]MATALANIS A M,CAMPANEIIA O H,HAMAKER B R.Storage retrogradation behavior of sorghum maize and rice starch pastes related to amylopectin fine structure[J].J Cereal Sci,2009,50(1):74-81.

[13]王 鋒.自然發酵對大米理化性質的影響及其米粉凝膠機理研究[D].楊凌：西北農林科技大學碩士論文，2003.

[14]魯戰會.生物發酵米粉的淀粉改性及凝膠機理的研究[D].北京：中國農業大學博士論文，2002.

[15]丁文平，王月慧.浸泡發酵對米粉體系理化特性的影響[J].食品工業，2005（3）：5-7.

[16]袁美蘭，魯戰會，李里特.自然發酵對玉米淀粉分子結構的影響[J].食品科技，2010，35（8）：290-293.

[17]FRENCH D.Fine structure of starch and its relationship to the organization of starch granules[J].J Jpn Soc starch Sci,1972,19:8-25.

[18]HIZUKURI S,KANEKO T,TAKEDA Y.Measurement of the chain length of amylopectin and its relevance to the origin of crystalline polymorphism of starch granules[J].Biochim Biophys Acta,1983,760:188-191.

[19]LU H,CHEN L N,LI C Y.Correlations between the fine structure,physicochemical properties,and retrogradation of amylopectins from Taiwan rice varieties[J].Cereal Chem,1997,74(1):34-39.

[20]丁文平.大米淀粉回生及鮮濕米線生產的研究[D].無錫：江南大學碩士論文，2003.

[21]魯戰會，李里特，李再貴，等.自然發酵對淀粉凝膠的改性機理及發酵菌株的篩選[J].食品與發酵工業，2002，28（4）：1-5.

[22]閔偉紅.乳酸菌發酵改善米粉食用品質機理的研究[D].北京：中國農業大學博士論文，2002.

[23]劉振揚，孟曉敏，金立忠，等.玉米方便面生產工藝的研究[J].食品科學，1996，197（5）：54-59.

[24]沈 輝，王 梅.發酵法制備食用木薯酸性淀粉[J].無錫輕工大學學報，1998，17（4）：5-9.

[25]沈 輝，王 梅.木薯酸性淀粉在面包制作中的應用[J].中國糧油學報，1998，13（6）：17-20.

[26]張子飆.玉米特強粉的開發與應用[C]//中日食品新技術研討會論文集.北京：糧食加工新技術研討會，2001

[27]CHRISTIAN M.Comparision of the expansion ability of fermented maize flour and cassava starch during baking[J].J Sci Food Agr,2000,80(6):665-672.

[28]張玉榮，周顯青，李慶光，等.植物乳桿菌發酵大米粉及其淀粉特性變化[J].糧食與飼料工業，2012（8）：18-22.

[29]韓立宏，郝學良，程永強，等.自然發酵對蕎麥擠壓面條拉伸性能影響效應研究[J].中國糧油學報，2012，27（4）：28-31.

[30]閔偉紅，李里特，劉 平，等.乳酸菌發酵對米粉物性影響的研究[J].食品科學，2005，26（1）：97-99.