乳酸菌發酵對糙米蒸煮性能和食用品質的影響

程 鑫 李永富 史 鋒 黃金榮 王 莉 陳正行 李亞男 王 韌 李 娟

(江南大學食品學院；江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室1，無錫 214122) (江南大學食品科學與技術國家重點實驗室2，無錫 214122)

糙米是指稻谷脫去稻殼后，內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部，阻礙了糙米內部淀粉的水合作用，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、設備要求高、工藝復雜、對胚乳造成機械損傷等不足，不利于糙米生產的規模化和商業化。

近年來隨著發酵工藝的改善和發酵過程控制的優化，通過發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的基礎上，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提供了可能，根據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，還可以為米飯創造更好的風味、香氣及質構。

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

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

糙米：品種為龍粳31，產地黑龍江：無錫市蘇惠米業有限公司；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 質構儀：英國SMS公司；SCIONSQ-456-GC 氣質聯用儀：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β-葡萄糖苷酶的能力。

1.2.2 乳酸菌發酵處理糙米的方法

根據前期實驗結果，考察發酵時間(12、24、36、48 h)、發酵溫度(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，在設定溫度和時間下進行發酵，發酵后糙米置于40 ℃烘箱烘干至水分13%～14%，-4 ℃冷藏。

1.2.3 pH的測定

根據Gao等[9]的方法，稱取10 g發酵糙米，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的觀察

糙米發酵前后表觀及橫截面形態均采用掃描電鏡觀察。將整粒糙米及糙米橫截面經過二次固定、梯度脫水、真空噴鍍金膜后，分別于放大倍數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 糙米蒸煮品質的測定

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

1.2.7 糙米質構的測定

在前期預實驗中確定糙米煮飯的最佳米水質量比為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平鋪于培養皿內，然后進行質構測定。測定參數設置參照楊曉娜[12]的測定方法，其中探頭為P25。

1.2.8 糙米風味物質的測定

使用氣質聯用儀(GC-MS)對米飯風味物質進行分析。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聯用儀中進樣7 min，進行測定。具體參數設置參照卜玲娟等[2]的方法。

1.2.9 數據處理

用SPSS 22.0、Excel 2013處理數據，用Origin 8.6 繪圖。每次實驗重復3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 產胞外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生甲基傘形花酮，在365 nm紫外光照射下產生特異性藍色熒光，且具有快捷靈敏的特點，因此熒光底物法被用于菌種產胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒別[8]。實驗測定結果如表1所示，所選的植物乳桿菌能夠產胞外β-葡萄糖苷酶，說明此植物乳桿菌具備產纖維素酶的能力，因此將其作為實驗菌種。

表1 菌種產胞外β-葡萄糖苷酶能力的鑒定

2.2 發酵條件對糙米pH及最佳蒸煮時間的影響

單因素實驗結果如圖1所示。

在發酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%條件下，隨著發酵時間的延長，pH及最佳蒸煮時間均逐漸減小。該結果與Premsuda等[7]的研究結果相似，可能是由于植物乳桿菌生長過程中產酶產酸，破壞了纖維結構，提升了糙米吸水性能，發酵24 h之后乳酸的積累使得發酵環境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，確定最佳發酵時間為24 h。

在發酵時間24 h、含水量30%、接種量0.10%條件下，隨著發酵溫度的升高，pH及最佳蒸煮時間呈現先減后增的趨勢，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，植物乳桿菌產酸及產酶能力逐漸增強；在50 ℃時，植物乳桿菌幾乎停止生長，產酸產酶受到抑制，導致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 發酵條件對糙米最佳蒸煮時間及pH的影響

在發酵時間24 h、發酵溫度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]發現，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小；當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%。

在發酵時間24 h、發酵溫度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，培養體系中有限的養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%。

發酵糙米的最佳工藝參數為發酵時間24 h、發酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%。此條件下測定發酵糙米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)，因此后期實驗中發酵糙米的制備均采用此工藝參數。

2.3 糙米表觀及橫截面形態的變化

電鏡圖結果見圖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，而發酵后糙米皮層部分軟化膨起，與胚乳的連接出現明顯的縫隙，且皮層出現小孔洞，這些變化有利于水分進入糙米內部，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則多邊形且邊界明顯，而發酵后糙米淀粉顆粒邊界出現局部模糊，此結果與廖盧艷等[17]的研究結果一致。糙米淀粉形態的變化一方面可能是溫度與水分條件適宜，激活了糙米內源酶的作用所致[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，進而對糙米淀粉產生作用所致。糙米皮層吸水通道的打開及內部淀粉顆粒形態結構的改變，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部的質量分數。水分在米飯蒸煮糊化中起關鍵作用，因此米粒的吸水能力與米飯蒸煮品質呈正相關關系，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，發酵糙米的吸水速率明顯優于原料糙米。當浸泡80 min后原料糙米吸水率僅有12.71%，而發酵糙米吸水率為15.91%，吸水率增加了25.18%。發酵糙米吸水性能的提高主要來自植物乳桿菌發酵對其理化性質的改變。Horigane等[20]的研究表明，浸泡過程中，由于糙米表皮結構致密、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，而發酵糙米由于纖維結構被選擇性降解，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 原料糙米及發酵糙米表觀及橫截面掃描電鏡圖譜

圖3 糙米發酵前后的浸泡吸水率

2.4.2 蒸煮品質變化

通過稻米蒸煮性實驗測定發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，食味品質及適口性越好[21-22]。由表2可知，糙米發酵后，以上指標均顯著增長(P<0.05)，說明發酵后糙米不僅吸水能力增強，而且大分子物質的溶出及直鏈淀粉含量也會增加，米飯口感變好。從發酵糙米的蒸煮特性變化可知，發酵有效改善了糙米的蒸煮特性，使其具有更好的食用品質。

2.5 糙米質構

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，因而糙米飯質感堅硬，口感粗糙。由表3可知，糙米經發酵后，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部，淀粉與水的結合作用增強[23-24]，迅速糊化，因而使糙米飯的食味品質得到改善。

表2 發酵前后糙米的蒸煮品質測定

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 糙米飯質構特性

2.6 風味物質

采用固相微萃取-氣質聯用(SPME/GC-MS)法測定米飯風味化合物成分，通過NIST、Wiley質譜庫進行匹配檢索，并通過色譜峰面積和風味閾值進行篩選，篩得31種可能對米飯香氣具有貢獻作用的風味物質，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味物質含量，閾值越低含量越高的揮發性物質對米飯的風味貢獻越大[12]。由表4可知，糙米發酵后風味成分及其相對含量發生變化。糙米發酵后反-2-庚烯醛、6-壬烯醛等閾值較低、清香味濃郁的烯醛類物質顯著增加，為糙米飯增加了香味。發酵后糙米中的己醇、反-2-十一烯醇等醇類物質含量顯著升高，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陳化味道，發酵后糙米中的戊醛、庚醛等物質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，發酵后呋喃類物質含量也顯著下降，說明發酵有利于糙米飯風味的改善。發酵后糙米飯中2-糠醛含量有所上升，說明發酵對糙米皮層的破壞仍舊會造成糙米脂肪氧化產生糠味，且發酵后糙米揮發性成分中出現乙酸，說明在糙米發酵中不僅有植物乳桿菌作用，在發酵前期存在多菌種協同作用，賦予糙米飯淡淡的酸味，但2-糠醛和乙酸的風味閾值均較高，對米飯風味的影響可能不大。綜上，發酵對糙米飯風味的改善有一定的作用。

表4 米飯中重要風味化合物列表

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

3 結論

研究表明，采用乳酸菌發酵的方法處理糙米，對其蒸煮及食用品質有良好的改善作用。經鑒定，發酵最佳條件確定為發酵時間24 h、發酵溫度30 ℃、含水量30%、接種量0.10%，發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。同時發酵對糙米表皮產生降解作用，使糙米皮層與胚乳之間出現縫隙，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，改善了糙米風味。

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