植物乳桿菌與米根霉混合固態發酵改善玉米粉理化加工特性

胡畔，楊萍，郭天時

1(哈爾濱商業大學 食品學院，黑龍江 哈爾濱，150076)2(綏化學院，黑龍江 綏化，152061)

玉米是全球分布最廣泛的谷物之一[1]，也是我國重要的糧食作物。玉米是一種營養豐富的粗糧食品，但由于其果實結構中玉米芯所占比例太大，所以更多是制作成玉米粉以便于貯運。玉米粉不具有面粉中特定的面筋蛋白成分[2]，所以在加工制作性方面局限性較大。

近些年來，關于谷物食品質構改良的研究越來越廣泛，微生物發酵是其中一種安全性和適用性較好的食品質構改良技術。乳酸菌是在食品發酵的研究和應用中較廣泛的一種有益菌，秦洋[3]對乳酸菌發酵玉米粉進行了工藝優化，最佳發酵條件為發酵液20%(發酵母液菌體濃度107～108CFU/mL)，時間96 h，溫度37 ℃。發酵后的玉米粉黏性升高了5.2倍，彈性升高了3.2倍，膠著性升高了3.1倍。許梅[4]用乳酸菌、纖維素酶和葡萄糖氧化酶對糯玉米粉進行生物復合改性，使其黏度值增大到34.1 Pa·S。

不過，乳酸菌分泌的淀粉酶和蛋白酶活力不夠高[5]，在缺水的情況下，乳酸菌難以充分利用基質中的碳源氮源，而同樣具有食品安全性的米根霉則彌補了乳酸菌的這一缺點。淀粉酶和蛋白酶活力較高的米根霉可以降解固態底物中的淀粉和蛋白質，降解后的小分子糖和氨基酸可以直接被乳酸菌利用，這樣就實現了二者混合的固態發酵。吳寒[6]用米根霉和乳酸菌對燕麥進行固態發酵，發酵后燕麥中可溶性蛋白含量達到107.478～115.77 mg/10 g，氨基酸態氮含量達到了40.66～41.67 mg/100 g，總多酚含量達到12.37～13.17 mg沒食子酸當量/10 g。牛萌萌[7]用米根霉和乳酸菌混合固態發酵大麥仁，發酵后其干粉提取液的·OH和DPPH自由基清除率分別達到93.4%和80.2%。

當前文獻中，尚未見利用混合菌種固態發酵玉米粉的研究，因此本文用乳酸菌和米根霉對玉米粉進行混合固態發酵，旨在通過改變玉米粉的物化性質來改善其制作加工性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

玉米粉，市售；植物乳桿菌ZLC-18、米根霉AS 3.866，哈爾濱商業大學實驗室保藏。

1.2 儀器設備

SYQ-DSX-280A手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；HPX-9082MBE數顯電熱培養箱，上海博訊實業有限公司；DT5-1離心機，北京時代北利離心機有限公司；RVA4500快速黏度儀，瑞典Perten公司；Diamond差示掃描量熱儀，美國Perkin Elmer公司；TA new plus質構儀，英國Stable Micro System公司；MCR102旋轉流變儀，奧地利Anton-Paar公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳酸菌發酵液的制備

種子液的制備：在MRS固體培養基上37 ℃下斜面培養24 h，然后接種到裝有8 mL MRS液體培養基的試管中，37 ℃下振蕩培養48 h。

乳酸菌發酵液的制備：將種子液吸取2 mL加入到裝有200 mL MRS液體培養基的三角瓶中，37 ℃下振蕩培養至菌體濃度為108CFU/mL。

1.3.2 樣品的制備

將玉米粉過120目篩后，稱取100 g備用，記為未發酵樣品；另稱取過篩后的玉米粉100 g加入錐形瓶中，倒入200 mL蒸餾水，充分攪拌使其均勻。在121 ℃下高壓滅菌25 min。冷卻后加入15 mL乳酸菌發酵液和0.15 g米根霉菌粉，無菌環境下混合均勻，32 ℃恒溫下發酵72 h，再經過烘干粉碎等處理后備用，記為混合菌發酵樣品。

依照上述方法用15 mL乳酸菌和0.15 g米根霉分別單獨發酵進行效果對比。

1.3.3 基本成分測定

測定發酵前后玉米粉基本成分的質量，根據質量比例計算其相對含量。水分測定方法參照GB 5009.3—2016；蛋白質測定方法參照GB 5009.5—2016；脂肪測定方法參照GB/T 5512—2008；淀粉測定方法參照GB/T 5514—2008；纖維素測定方法參照GB 5009.88—2014；灰分測定方法參照GB 5009.4—2016。

1.3.4 直鏈淀粉含量測定

采用亞硫酸法[8]對玉米粉中的淀粉進行提取，然后用GB/T 15683—2008分光光度法(無需進行脫脂處理)測量其中直鏈淀粉的比例。

1.3.5 持水力測定

參照高宇萍等[9]的方法，精確稱取1.000 g 樣品于100 mL 三角瓶中，加入 80 mL 雙重水，攪拌4 h后4 000 r/min離心20 min，去盡上清，稱重。持水力按公式(1)計算：

(1)

式中:WHC，持水力，g/g；m0,離心前干質量，g；m1,離心后濕質量，g。

1.3.6 凝膠力測定

取1個100 mL燒杯，精確稱重，記錄其質量；再精確稱取2.000 g樣品于此燒杯中，加入10 mL蒸餾水，充分攪拌均勻。加熱煮沸10 min，去上清，記錄此時樣品和燒杯的總質量，凝膠力按公式(2)計算：

(2)

式中:GC，凝膠力，g/g；m0，燒杯質量，g；m1，處理后樣品和燒杯總質量，g。

1.3.7 糊化性質測定

稱取3 g樣品加入25 mL蒸餾水混勻，用快速黏度儀(rapid visco analyzer, RVA)依據GB/T 14490—2008的方法設置參數進行測試。

1.3.8 糊化過程中吸熱焓測定

糊化過程中，用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry,DSC)測量樣品的吸熱焓，設置參數為：樣品質量10 mg，升溫范圍為30～150 ℃，升溫速度為10 ℃/min，氮氣流速1 L/min。

1.3.9 玉米面團質構性質測定

采用物性測定儀對發酵前后玉米面團進行全質構分析(texture profile analysis, TPA)：將5.0 g樣品與5.0 mL的水混合，捏成長寬高分別為30、30、10 mm左右的面團，置于測試臺上進行質構測定。玉米面團全質構分析具體參數設置為：測試探頭為P50；接觸點負載為5.00 gf；測試類型為下壓；測試目標值為形變至30.00%；測試前速度為2.00 mm/s；測試中速度為1.00 mm/s；測試后速度為1.00 mm/s；測試次數為1次。

1.3.10 玉米面團蠕變-恢復特性測定

面團制備同1.3.7，參照ROUILLé等[10]的方法，用旋轉流變儀測定，設置參數為：應力250 Pa，應力施加時間100 s，樣品松弛時間300 s，掃描頻率1 Hz，溫度25 ℃。

2 結果與分析

2.1 基本成分變化

經過烘干等處理，使發酵后玉米粉水分含量與發酵前相同，通過表1可以看出脂肪、蛋白質、纖維素和灰分的相對含量均有不同程度下降，而淀粉的含量得到提升。雖然混合菌種水解了部分淀粉，然而在控制米根霉添加量的情況下，脂肪和蛋白質被水解的程度更高。乳酸菌對纖維素具有一定降解能力[11]，而脂肪和蛋白質的水解，使得與其以復合分子形式存在的纖維素和無機鹽類得以釋放出來，纖維素進一步降解，包埋的無機鹽類更易溶出，所以發酵后除淀粉外的其他成分均有不同程度的降解。淀粉雖然也被降解，聚合度變低，但由于其分子結構特性，更多是由支鏈淀粉轉化為直鏈淀粉，總淀粉成分損失并不特別大，而由于其他成分的水解，淀粉在玉米粉中的相對含量得以大幅提升，這是2個菌種協同發酵的結果。BALDWIN等[12]和HATCHER等[13]分別在各自研究中闡述了蛋白質和脂肪與淀粉的復合分子結構，其中淀粉多是處于復合分子的內部，而蛋白質和脂肪多在復合分子的表面，與本研究結果相似。

表1 發酵前后玉米粉基本成分變化 單位:%

注：同一列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 淀粉中直鏈淀粉比例的變化

根據標準曲線，計算出發酵前后玉米淀粉中直鏈淀粉比例，結果見圖1。

發酵后玉米淀粉中的直鏈淀粉比例升高，原因是在發酵過程中，部分支鏈淀粉的側鏈被水解，形成直鏈淀粉分子。這個結果與閆亞婷[14]研究結果的趨勢是一致的。乳酸菌單獨發酵后的直鏈淀粉比例提高幅度很小，因為其在缺水條件下，所產生淀粉酶酶活力較低；米根霉由于所產生的淀粉酶酶活力較高，所以效果較其顯著；2個菌種混合發酵時，米根霉的發酵作用為乳酸菌提供了一些小分子營養物，對其具有促進作用，進而更加充分利用乳酸菌產生的淀粉酶，所以效果最為顯著。

圖1 發酵前后玉米淀粉中直鏈淀粉比例

2.3 持水力的變化

由圖2可以看出，經發酵后，玉米粉的持水力下降，尤其是混合菌發酵后下降得更為明顯。因為在發酵過程中，淀粉的平均分子量因水解而降低，甚至水解為可溶于水的麥芽糖、葡萄糖等；混合菌的發酵作用使復合分子中的蛋白質和脂肪成分也被水解，致使這些復合大分子在一些連接處產生斷裂成為小分子。這2種菌的發酵作用都會使玉米粉在水中的沉淀作用減弱，同時小分子的含量增加。持水力的測定需要經過離心等步驟，在離心時，有些小分子并未在離心管底部成為沉淀體，而是留在上清液中，發酵作用又使得這種小分子在玉米粉中的含量增加，進而使發酵后玉米粉持水力降低。徐忠等[15]用植物乳桿菌以液態形式發酵玉米粉，也發現了持水力的降低與淀粉分子和蛋白質分子的結構被破壞有關。

圖2 發酵前后玉米粉持水力的變化

2.4 凝膠力的變化

由圖3可以看出，經發酵后，玉米粉凝膠力有所提升。發酵作用使玉米粉中的蛋白和脂類成分很大程度被水解，純化了玉米粉中淀粉的成分。淀粉中相當一部分支鏈淀粉的側鏈發生水解，支鏈淀粉的鏈長、分支化度以及所占淀粉比例均相應降低。直鏈淀粉的含量升高，其聚合度卻由于米根霉的發酵而降低。在凝膠時，這些低聚合度的直鏈淀粉分子更易通過氫鍵結合形成三維網狀結構，因此發酵后的玉米粉凝膠力變大。

圖3 發酵前后玉米粉凝膠力的變化

杜先鋒等[16]認為在確定淀粉濃度的情況下，淀粉凝膠力主要與直鏈淀粉平均分子量和聚合度、支鏈淀粉的分支化度和平均鏈長等分子結構因素有關。

2.5 糊化特性的變化

由圖4及表2可知，發酵后玉米粉糊化過程中最終黏度、衰減值和回生值有所降低，峰值時間和糊化溫度在一定程度上有所上升。未發酵的玉米粉中有蛋白質、淀粉、脂肪等多種物質，因此RVA黏度測定值并不能絕對對應淀粉在糊化過程中的相應變化，蛋白質變性、脂肪碳鏈變長等變化都會對測定值產生影響。發酵后的玉米粉，雖然直鏈淀粉含量增大，但由于其中蛋白質和脂肪等物質大部分被水解，發酵作用純化了淀粉成分，所以其最終黏度、衰減值和回生值還是明顯降低。

圖4 發酵前后玉米粉的糊化曲線

表2 發酵前后玉米粉的RVA特征參數

發酵前，玉米粉中許多直鏈淀粉與脂類物質中的硬脂酸相結合形成難以被糊化的復合物。發酵后，大部分脂類物質被水解，直鏈淀粉得到純化，而比例增加的直鏈淀粉因為氫鍵結合在一起，糊化所需內能變大，因此糊化溫度和糊化時間都有小幅度的增加。秦洋[3]用乳酸菌液態發酵玉米粉后也發現了其糊化性質有類似變化。孫曙光[17]研究了脂類對淀粉性質的影響，發現脂肪酸與淀粉形成復合物抑制了淀粉顆粒的膨脹，糊化溫度也相應升高。

2.6 吸熱焓的變化

由圖5和表3可知，發酵前后的玉米粉均呈現雙峰。相比較來說，未發酵的玉米粉2個吸熱峰都較弱，原因是玉米粉中有一定比例的蛋白質和脂肪，所以淀粉的糊化特性表現得并不十分明顯。經發酵后，玉米粉中的淀粉成分相對含量增加，其微觀結構上由晶態完全熔為非晶態需要吸收更多的能量，會出現更強的吸熱峰，進而糊化溫度升高，糊化時間增加，吸熱焓升高。孟慶虹等[18]研究玉米抗性淀粉的形成過程中發現其總糊化時的總吸熱焓遠遠大于普通玉米粉。

2.7 玉米面團質構特性變化

由表4可見，發酵后的玉米粉除了硬度出現了不顯著的小幅下降，其余指標均有所上升。

圖5 發酵前后玉米粉DSC曲線圖

表3 發酵前后玉米粉DSC特征參數

注：T0表示相變起始溫度；TP表示峰值溫度；TC表示相變結束溫度；ΔH表示吸熱焓

表4 發酵前后玉米面團TPA特征參數

發酵作用使部分蛋白質和脂肪得以水解，原本被其包裹著的淀粉分子中的一些親水基團得以暴露出來。淀粉本身也被部分水解，淀粉顆粒表面出現一些孔洞，致使水分子更容易進入到淀粉顆粒的內部。發酵引起的這些變化都會使玉米粉吸水性變強，更容易形成面團。羅其琪等[19]用鼠李糖乳桿菌發酵后的玉米粉和成面團制成了質構和感官評價俱佳的發糕。

2.8 玉米面團蠕變-恢復特性變化

由圖6可知，在應力一直加到100 s時，發酵后的玉米面團比未發酵玉米面團的最大蠕變柔量(Jmax)要大，說明其面團形變相對來說更小，黏彈性更好，更適于加工制作。MASI等[20]的研究結果顯示面團的蠕變恢復特性與其分子的交聯度、水分含量及水分分布等因素有關。

3 結論

圖6 發酵前后玉米面團蠕變恢復實驗曲線

經過乳酸菌和米根霉的分別發酵及混合發酵，玉米粉的組分發生了不同程度的改變。其中，混合菌發酵后，玉米粉中淀粉相對含量上升了27.8%，其中直鏈淀粉含量上升了8.7%，其余成分的相對含量均下降。持水力下降了32%，凝膠力提升了12%。發酵后的玉米粉由于淀粉相對含量升高，所以其糊化特性方面也更趨近于淀粉，出現更明顯的吸熱峰，總吸熱焓也有所升高。糊化過程中衰減值和回生值有所下降，證明了發酵后的玉米粉具有更好的熱穩定性和抗回生性。發酵后的玉米面團各項質構指標均有所改善，在食品加工上更具有開發潛力。