乳酸菌對玉米加工特性的影響及基于均勻設計優化玉米發酵條件

王　帥，程建軍，倪春蕾，尹　園，佟　露

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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乳酸菌對玉米加工特性的影響及基于均勻設計優化玉米發酵條件

王帥，程建軍*，倪春蕾，尹園，佟露

(東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

本實驗選擇東北地區大面積推廣種植具有代表性的8個普通玉米品種和2個糯玉米品種進行研究,通過乳酸菌發酵,分析玉米保水力、膨脹勢、溶解度和糊化特性的變化趨勢;并以膨脹勢作指標,采用均勻實驗設計,優化適于發酵的玉米品種及發酵條件。實驗結果表明:經乳酸菌發酵,玉米品種間加工特性變化差異顯著(p<0.05),糯玉米的保水力、溶解度顯著高于普通品種玉米(p<0.05);而膨脹勢、回生值顯著低于普通品種玉米(p<0.05);普通品種玉米的峰值粘度和衰減值經發酵作用有所降低,而糯玉米品種的峰值粘度和衰減值經發酵后升高。在所選品種中鄭單958最適于發酵,料液比1∶2(g/mL),37 ℃發酵5 d,所得玉米粉膨脹勢高達12.93 g/g,其加工特性得到有效改善。

玉米,乳酸菌,均勻設計,膨脹勢,加工特性

玉米是我國人民日常生活中主要糧食之一,富含多種微量元素、氨基酸、維生素、纖維素等[1]。玉米雖然營養豐富,但由于其口感粗糙、加工過程中難以形成網狀結構,黏彈性欠佳,柔韌性差,因此玉米面團品質較差,這極大地限制了玉米在主食方面的應用[2-4]。因此,改善玉米加工品質是擴大其應用的關鍵。玉米粉的膨脹特性對加工面條、餃子等面食品的品質有重要影響,McCormick[5]和劉銳[6]研究發現膨脹勢與面條感官品質及面條質量相關極顯著,可用于快速測定面食品品質。

發酵是加工谷物類食品的傳統方法,經微生物發酵作用可改變產品的質構、改善產品的風味和口感、提高產品的安全性和營養價值[7]。目前,關于發酵改善谷物食品品質的研究報道很多,許梅[8]等研究了糯玉米粉經4種乳酸菌發酵作用后的性質變化,發酵過程中pH下降,乳酸含量增加,玉米粉的黏度、保水力均有所增加;袁美蘭[9]對乳酸菌發酵改善玉米淀粉凝膠質地的機理進行了研究,表明發酵提高了玉米淀粉的凝膠性;李麗等[10]研究表明自然發酵能顯著地降低黃米中的蛋白、脂肪、和灰分,純化了淀粉,改變了黃米的物化性質,提高其營養價值。可以看出通過微生物發酵的方法改善谷物加工特性是國內外研究的熱點。

本實驗采用實驗室保存分離于自然發酵玉米中的兩株優勢乳酸菌,研究其對10個品種玉米加工特性的影響,通過均勻設計法優化適于發酵加工的玉米品種及發酵條件,篩選出適宜發酵加工的玉米專用品種及條件,為玉米深加工及傳統食品的工業化提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

植物乳桿菌(LactobacillusplantarumA9)和彎曲乳桿菌(LactobacilluscurvatusA2)本實驗室分離篩選于自然發酵玉米中的兩株優勢乳酸菌;MRS培養基北京奧博星生物技術有限責任公司;脫脂乳粉黑龍江省完達山乳業股份有限公司;玉米品種:龍單76,龍單56,龍單49,吉單27,先玉335,遼禾6,京科糯,墾粘1號黑龍江省玉米研究所提供;鄭單958,墾單13 東北農業大學農學院提供(其中京科糯和墾粘1號為糯玉米品種;其它為普通玉米品種)。

恒溫培養箱；電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司;水浴恒溫振蕩器江蘇金壇億通電子有限公司;PHM200 pH計美國哈希公司;RVA-Super3-型快速黏度分儀澳大利亞新港科學儀器公司;漩渦振蕩器德國IKA公司;膠體磨溫州市膠體磨廠;離心機Centrifuge 5430R德國eppendorf公司;高速冷凍離心機GL-21M湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1發酵種子液的制備將乳酸菌經脫脂乳培養活化后,3%接種MRS液體培養基中,37 ℃培養20 h,活菌數約6～7×108CFU/mL[11]。

1.2.2發酵玉米粉的制備300 g玉米粒加600 mL無菌水于1000 mL錐形瓶中。乳酸菌A2和A9按1∶1的比例,107CFU/mL的接種量,37 ℃發酵3 d[12]。玉米發酵后經破碎、去胚和渣皮,漿液經膠體磨均質后脫水,45 ℃烘干12 h(含水量約7.5%),粉碎過80目篩。以未發酵的玉米同樣操作做對照。

1.2.3發酵過程中pH的測定在玉米發酵過程中,每24 h測定發酵液的pH,記錄0～7 d發酵液pH的變化情況。

1.2.4玉米保水力的測定稱取干重0.20 g玉米粉樣品加入5 mL蒸餾水,振蕩20 min,5000 r/min(2935×g)離心20 min,棄上清液,稱重。保水力表示為每g樣品所吸附的水量[13]。

1.2.5玉米膨脹勢和溶解度的測定取玉米粉樣品0.25 g加入5 mL蒸餾水70 ℃的水浴振蕩加熱4 min,取出后漩渦振蕩器振蕩20 s,繼續水浴振蕩加熱6 min。將其移至沸水浴中再加熱10 min,冷卻后3000 r/min(1700×g)離心4 min。分別取上清液和沉淀物測定玉米的溶解度和膨脹勢[14]。

1.2.6玉米糊化特性的測定采用ICC國際標準No.162推薦的測定方法。稱取3.50 g玉米粉樣品加入25 mL蒸餾水,測定樣品的糊化溫度、峰值粘度、保持粘度、最終粘度、衰減值、回生值。

1.2.7均勻設計法優化乳酸菌發酵玉米的品種及發酵條件本實驗采用非等水平均勻實驗設計,對10個品種玉米進行乳酸菌發酵處理,以膨脹勢為指標,優化發酵玉米的發酵條件。實驗設計因素水平表如表1,其中X1(玉米品種)為定性因子,發酵溫度、料液比和發酵時間,3個因素為定量因子,經過DPS分析軟件優化后中心化偏差CD=0.1260。

表1　均勻設計因素水平表

1.3數據處理

每組實驗均進行三次以上的平行和重復實驗,實驗數據采用SPSS分析軟件Origin7.5繪圖軟件和DPS數據處理系統進行分析。

2　結果與分析

2.1乳酸菌發酵玉米過程中pH的測定

10個品種玉米發酵過程中發酵液pH變化情況如圖1所示,從圖中可以看出,隨著發酵時間的延長,發酵液的pH在不斷下降,這表明乳酸菌代謝玉米中的糖類物質,產生乳酸。

圖1　玉米發酵液pH的變化Fig.1　Changes in pH value of fermented maize

乳酸菌在發酵初期0～2 d,代謝活力旺盛,產生了大量乳酸,發酵液的pH迅速下降;而從第3 d開始,逐漸進入發酵中期與后期,乳酸菌代謝緩慢,乳酸產量漸漸減少,pH呈緩慢下降的趨勢。10個品種玉米發酵過程中pH的變化大致可分為兩組其中龍丹49、龍丹56、墾單13、先玉335、京科糯和吉單27品種玉米發酵液的pH整體下降較緩,而龍丹76、遼禾6、鄭單958和墾粘1號品種玉米發酵液的pH下降相對明顯,從pH的降低幅度可以看出龍丹76、遼禾6、鄭單958和墾粘1號品種玉米更適宜乳酸菌生長[8]。

2.2乳酸菌發酵對玉米保水力的影響

乳酸菌發酵對玉米保水力的影響如圖2所示,不同品種玉米發酵前后保水力在品種間有顯著性差異(p<0.05)。在所研究的玉米品種中,未發酵玉米保水力的范圍在1.27～1.78 g/g。其中,普通玉米品種的保水力顯著低于糯玉米品種(p<0.05)。

圖2　乳酸菌發酵對玉米粉保水力的影響Fig.2　The water retention capacity of fermented maize flour by Lactic Acid Bacteria(LAB)注:小寫字母a,b,c等代表未發酵玉米性質在p<0.05水平差異顯著;大寫字母A,B,C等代表發酵玉米性質在p<0.05水平差異顯著，圖3、圖4同。

經過乳酸菌發酵10個品種玉米的保水力均有所提高,發酵玉米保水力從先玉335品種1.6 g/g到墾粘1號品種2.18 g/g,其中墾粘1號玉米保水力經發酵作用提高最大(32.12%);糯玉米品種的保水力顯著高于普通品種玉米的保水力(p<0.05)。

保水力的提高是由于乳酸菌在發酵過程中會產生葡萄糖氧化酶,它在氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的過程中所產生的過氧化氫會氧化蛋白質中的巰基(-SH),形成二硫鍵(-S-S-),從而起到增強面團的網絡結構的作用[15]。在玉米粉中的一些蛋白質含有巰基,因此通過葡萄糖氧化酶的作用形成了二硫鍵,使蛋白質具有較高的保水力,也可以增強面團的網絡結構。高的保水力意味著在凝膠中淀粉顆粒能吸收更多的水分,淀粉顆粒吸收更多水分將會促進凝膠的形成。

2.3乳酸菌發酵對玉米膨脹勢的影響

乳酸菌發酵對玉米膨脹勢的影響如圖3所示,不同品種玉米發酵前后膨脹勢在品種間有顯著性差異(p<0.05)。在所研究的玉米品種范圍內,發酵前,普通玉米鄭單958品種膨脹勢最高9.98 g/g;而其他玉米品種間無顯著差異(p<0.05);經發酵玉米的膨脹勢均有所提高,墾單13、鄭單958品種的膨脹勢顯著高于其他品種(p<0.05),但龍單49品種玉米膨脹勢經發酵作用提高了36.47%。糯玉米品種的膨脹勢發酵前后均低于普通品種玉米。

圖3　乳酸菌發酵對玉米粉膨脹勢的影響Fig.3　The swelling power of fermented maize flour by LAB

由于淀粉顆粒結晶結構的影響,直鏈淀粉分子間由氫鍵結合成晶態結構,乳酸菌發酵產生的酸及酶類物質滲入困難,所以直鏈淀粉的α-1,4糖苷鍵不易被分解。而淀粉顆粒中無定形區域中支鏈淀粉分子的α-1,4鍵和α-1,6鍵其較易被滲入,發生降解,使玉米粉中支鏈淀粉含量降低,直鏈淀粉的相對含量升高[16-17],膨脹勢增加。由于糯玉米品種基本不含直鏈淀粉,所以發酵后糯玉米品種膨脹勢低于普通玉米品種。

2.4乳酸菌發酵對玉米溶解度的影響

乳酸菌發酵對玉米溶解度的影響如圖4所示,不同品種玉米發酵前后溶解度在品種間有顯著性差異(p<0.05)。發酵前,普通玉米鄭單958和墾單13品種溶解度顯著高于其他玉米品種(p<0.05);經發酵玉米的溶解度均有所提高,京科糯玉米溶解度達5.69%顯著高于其他品種玉米(p<0.05),其中龍單76品種溶解度經發酵作用提高最大(237.41%)。

圖4　乳酸菌發酵對玉米粉溶解度的影響Fig.4　The solubility of fermented maize flour by LAB

表2　乳酸菌發酵對玉米糊化性質的影響

注:不同英文字母表示在p<0.05水平差異顯著。

玉米粉的溶解性對淀粉基制品的加工特性有較大影響。玉米粉經過乳酸菌發酵后,乳酸菌產生的乳酸及酶類物質都會引起玉米內部結構的改變尤其是無定形區的支鏈淀粉降解,使得玉米粉中的可溶性物質更易析出導致溶解度提高。同時由于發酵作用破壞了淀粉顆粒的結構,淀粉受熱膨脹過程中直鏈淀粉也更易溶出而導致溶解度增加[18]。

2.5乳酸菌發酵對玉米糊化性質的影響

乳酸菌發酵對玉米糊化性質影響如表2所示。由表2可知,不同品種玉米發酵前后糊化溫度在品種間有顯著差異(p<0.05)。發酵前,糊化溫度從京科糯70 ℃到吉單27的73.1 ℃;經發酵,玉米的糊化溫度有所提高,其中發酵玉米鄭單958、墾單13的糊化溫度顯著低于其他品種玉米。這是由于發酵對淀粉無定形區域的優先降解導致淀粉結晶結構、片層結構等聚集態結構比例變化、排列程度更趨于完美,顆粒結構更加緊密[19];此外,發酵強化了淀粉分子的重排[20],使玉米粉中淀粉顆粒結構難以被破壞,從而提高了糊化溫度。

經過乳酸菌的發酵作用,玉米的峰值粘度變化因品種不同而有所差異。普通品種玉米的峰值粘度經發酵作用后有所降低,其中發酵后的鄭單958品種峰值粘度顯著高于其他普通品種玉米(p<0.05);但糯玉米品種經發酵后峰值粘度卻有所升高,京科糯和墾粘1號品種玉米發酵后峰值粘度達5541 cp和5527 cp分別提高了42.6%和22.0%。發酵降低玉米的峰值粘度是由于發酵使玉米淀粉中無定型區域支鏈淀粉的短鏈降解從而導致支鏈淀粉平均聚合度和平均鏈長降低淀粉分子變小、空間位阻減小,這已被Chang[21]等所證實。

衰減值的變化趨勢與峰值黏度相似,發酵前,普通玉米品種遼禾6衰減值2345 cp顯著低于其他玉米品種(p<0.05);發酵后,普通玉米品種的衰減值均降低,衰減值是反映淀粉在加熱攪拌過程中抵抗機械剪切的能力,是淀粉在加熱過程中顆粒結構瓦解難易程度的量度[22]。研究表明發酵使普通品種玉米粉抗高溫下剪切力的能力得到增強;但京科糯和墾粘1號兩個糯玉米品種經發酵后衰減值有所提高。發酵對糯玉米品種峰值粘度和衰減值的影響與普通品種玉米不同,這有待進一步研究探討。

不同品種玉米發酵前后回生值在品種間有顯著性差異(p<0.05),糯玉米品種的回生值顯著低于普通品種玉米(p<0.05);發酵前,普通玉米墾單13、吉單27回生值顯著低于其他普通玉米品種(p<0.05);經過乳酸菌發酵作用,所有玉米品種的回生值均有所降低,其中普通玉米鄭單958回生值降低最明顯(22.07%),顯著低于其他普通玉米品種(p<0.05)。

支鏈淀粉的平均外支鏈長度對玉米粉回生速率有重要影響,隨著發酵的進行,支鏈淀粉分支部分被適度降解,支鏈淀粉外支鏈長度發生變化,使回生速率降低[23]。回生值可評價玉米粉的抗老化性質,經發酵玉米回生值降低,說明其抗老化性能得到增強。

2.6均勻設計法優化乳酸菌發酵玉米的品種及發酵條件

2.6.1回歸分析和顯著性分析本實驗采用DPS數據處理系統中的二次多項式逐步回歸求解。經過DPS軟件優化后得出實驗方案見表3,優化后回歸方程及相關系數計算結果見表4,可以看出,以膨脹勢為指標的回歸方程的相關系數達到0.9999;顯著水平p為0.004,相關極顯著(p<0.01)。

表4　回歸方程及顯著性分析

表3　實驗方案及實驗結果

2.6.2乳酸菌發酵玉米的最適品種及最佳發酵條件經DPS數據處理后,根據回歸方程及顯著性分析得到最優發酵條件組合為:品種鄭單958,料液比1∶2,溫度37 ℃發酵5 d,膨脹勢可達12.59 g/g。

2.6.3驗證實驗根據上述分析,選擇適于乳酸菌發酵的玉米品種鄭單958,在料液比1∶2的條件下,37 ℃發酵5 d。實驗驗證結果如表5。結果表明,在此條件下所得的實驗結果基本一致,說明此條件的實驗效果是穩定可靠的。驗證實驗膨脹勢(12.93 g/g)高于方程預測值(12.59 g/g),說明此條件具有實際意義。所以選擇適于乳酸菌發酵的玉米品種鄭單958,在料液比1∶2(g/mL)的條件下,37 ℃發酵5 d制備發酵玉米粉。

表5　驗證實驗結果

3　結論

乳酸菌發酵使玉米的保水力、膨脹勢以及溶解度提高。其中普通品種玉米品種與糯玉米品種相比其膨脹勢較高而保水力和溶解度較低。乳酸菌發酵對不同品種玉米的糊化性質影響不同,經發酵10個品種玉米的糊化溫度有所升高,回生值降低。普通玉米品種的峰值粘度和衰減值經發酵作用有所降低,而糯玉米品種的峰值粘度和衰減值經發酵后升高。通過均勻設計實驗優化得出:適于發酵的玉米品種為鄭單958,在料液比1∶2(g/mL),37 ℃條件下發酵5 d,經驗證實驗,按此方法生產出的發酵玉米粉膨脹勢高達12.93 g/g,加工品質得到改善。

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Effect of Lactic acid bacteria on maize characteristics and optimazation of fermentation conditions by uniform design

WANG Shuai,CHENG Jian-jun*,NI Chun-lei,YIN Yuan,TONG Lu

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The main 8 common maize and 2 waxy corn representative varieties,which were cultivated in the Northeastern region,were selected and fermented by lactic acid bacteria. The water retention capacity,swelling power,solubility and pasting properties of fermented maize were analyzed. The optimal maize variety and fermentative conditions were obtained using the Uniform design according to swelling power variation. The results were as follows:The processing characteristics of maize varieties were significantly different by fermentation.(p<0.05). Waxy corn varieties of water retention capacity,solubility were significantly higher than common maize(p<0.05);the swelling power and setback were significantly lower than the common maize(p<0.05);the peak viscosity and breakdown of common maize decreased,while the waxy corn increased. The uniform design optimization results showed that Zhengdan 958 was the optimal maize variety to fermentation. The largest swelling power(12.93 g/g)of fermented maize flour was gotten when mixture of Zhengdan 958 variety and solvent ratio 1∶2(g/mL) had fermented at 37 ℃ for 5d.

maize;Lactic acid bacteria;uniform design;swelling power;processing characteristics

2016-01-12

王帥(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：糧食加工，E-mail：wangshuaifood@163.com。

程建軍(1969-)，男，博士，教授，主要從事農產品加工方向研究，E-mail：cheng577@163.com。

黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目。

TS213.4

A

1002-0306(2016)13-0183-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.028