自然发酵优势菌对小米淀粉物化性质的影响

寇 芳，康丽君，夏甜天，宁冬雪，沈 蒙，王维浩,2，曹龙奎,2,*

自然发酵优势菌对小米淀粉物化性质的影响

寇 芳1，康丽君1，夏甜天1，宁冬雪1，沈 蒙1，王维浩1,2，曹龙奎1,2,*

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319）

小米自然发酵过程难控制，研究自然发酵液分离并鉴定出的优势菌（乳酸菌、酵母菌）对发酵小米淀粉物化性质的影响，可更好地剖析小米自然发酵的机理，为掌握并控制自然发酵提供理论依据。采用质量浓度为0.2 g/100 mL的NaOH溶液提取发酵后小米淀粉，并测定自然发酵、乳酸菌和酵母菌发酵小米淀粉溶解度、膨润度、透明度、热特性、黏度特性。结果表明，随发酵时间的延长，3 种发酵方式所得小米淀粉的溶解度、膨润度和透明度均降低，且乳酸菌和酵母菌发酵小米淀粉的透明度较自然发酵下降1.4%和1.0%；乳酸菌和酵母菌发酵96 h时糊化温度较自然发酵下降1.84 ℃和1.13 ℃，峰值温度较自然发酵下降1.04 ℃和0.43 ℃；终止温度降低3.69 ℃和2.85 ℃；热焓值较自然发酵相比上升1.00 J/g和0.78 J/g；而乳酸菌和酵母菌的衰减值、回生 值较自然发酵分别下降978 mPa·s和400 mPa·s、743 mPa·s和471 mPa·s，峰值黏度较自然发酵相比上升185 mPa·s和103 mPa·s。自然发酵的优势菌（乳酸菌、酵母菌）使小米淀粉发生改性，且发酵后的物化性质较自然发酵发生显著变化。

小米淀粉；发酵；乳酸菌；酵母菌；物化性质

小米是世界干旱和半干旱地区的主要粮食作物，我国小米的年产量为450万 t左右。小米中的主要成分是淀粉，其占小米总质量的56%～61%[1]，因此小米淀粉的物化性质决定了小米的品质。发酵是很多国家生产谷物食品较为传统的技术，其可以改善产品的质构，增加风味和营养价值，降低pH值，抑制原料本身及环境中的杂菌生长，提高产品的微生物安全水平[2]。室温条件下传统的自然发酵生产周期一般为4～6 d[3]，但传统的发酵过程易染杂菌，且发酵过程中微生物的种类、数量和发酵条件很难控制[4]，导致产品的物化性质发生改变。在自然发酵众不可控的因素中，微生物种类即优势菌的调控是对发酵小米物化性质影响较大的因素。但国内外学者对发酵小米的研究主要集中在发酵特定产品的微生物特性[5-10]、菌种的分离鉴定[11]、发酵产品的研发[12-14]及发酵小米制品[15-21]等，而对自然发酵过程中优势菌对小米淀粉物化性质影响的研究鲜有报道。若能掌握自然发酵过程中优势菌对小米淀粉物化性质的影响，将会对小米的自然发酵机理、生产及控制自然发酵小米提供良好的理论及数据支持。故本实验以黄金苗小米为研究对象，利用自然发酵富集的优势菌（乳酸菌、酵母菌）为菌种发酵96 h，研究自然发酵过程中两种优势菌群对小米淀粉溶解度、膨润度、热特性及黏度特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄金苗小米 内蒙谷赤峰久晟经贸有限责任公司；NaOH（分析纯） 天津市大茂化学试剂厂；蒸馏水实验室自制；菌种为实验室从自然发酵液中筛选并鉴定所得。

1.2 仪器与设备

AR2140型分析天平、S220型pH计、DSC1型差示扫描量热仪 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；DK-S24型恒温水浴锅、DGG-9053A型电热鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；TGL16B型台式离心机 上海安亭科学仪器厂；MJ-10A型磨粉机 上海市浦恒信息科技有限公司；高压不锈钢坩埚 上海瑾恒仪器有限公司；压样机 美国Perkin-Elmer公司；T6型紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 预处理

1.3.1.1 菌种制备

按照小米-无菌水1∶1.2（g/mL）的比例加入蒸馏水，30 ℃自然发酵96 h后，从发酵液中筛选出优势微生物菌群，通过分离纯化和生理生化鉴定确定其为乳酸菌和酵母菌，并将优势菌扩大培养。具体方法为：乳酸菌纯化并鉴定后，接种至MRS液体培养基在37 ℃增殖培养24～48 h，直到乳酸菌菌悬液浓度达到5× 108CFU/mL。酵母菌纯化鉴定后，接种到YEPD液体培养基上28 ℃增殖培养24～48 h，直到酵母菌菌悬液浓度达到5×108CFU/mL。

1.3.1.2 乳酸菌、酵母菌发酵小米

每种发酵分别取4 份小米，每份150 g，用灭菌蒸馏水清洗3 遍后置于500 mL烧杯中，加入无菌蒸馏水（小米-无菌水比例为1∶1.2（g/mL））。吸取扩大培养后的微生物菌悬液5 mL接种到小米中，用保鲜膜密封，分别在最适温度（乳酸菌37 ℃、酵母菌28 ℃）条件下培养96 h进行发酵。

1.3.1.3 自然发酵小米

取小米150 g，按小米-无菌水比例1∶1.2（g/mL）加入蒸馏水，30 ℃自然发酵96 h。

1.3.1.4 发酵小米淀粉的制备

将发酵后并干磨法过筛的小米粉按照料液比1∶3（g/mL）置于0.2 g/100 mL的NaOH溶液中[12]，提取3 h，3 000 r/min离心10 min，弃去上清液，除去沉淀区中上层黄褐色的物质，水洗，连续离心4次，直至淀粉浆呈白色。用1 mol/L HCl溶液调浆至pH 7.0中性，离心，30 ℃干燥，过80 目筛，即得发酵小米淀粉。

1.3.2 小米淀粉性质的测定

1.3.2.1 小米淀粉溶解度和膨润度的测定

准确称取0.5 g样品于50 mL试管中，配成质量分数为2%的淀粉乳，分别在70 ℃和90 ℃混匀并加热30 min，快速冷却，然后在4 000 r/min转速离心15 min，将上清液置于质量恒定的表面皿中，105 ℃烘至质量恒定，并称沉淀物的质量。溶解度为糊化后烘干至质量恒定的干物质质量与样品干基质量百分比，膨润度为沉淀物质量同样品干基质量百分比。

1.3.2.2 小米淀粉透明度的测定

准确称取样品 1.000 g，配制成质量浓度为1 g/100 mL的淀粉乳，置于沸水浴中糊化30 min后，冷却至室温，在620 nm波长处测定其透明度。以蒸馏水为空白对照。

1.3.2.3 小米淀粉热特性的测定

准确称样品3.0 mg于坩埚中，加入7 μL蒸馏水，用压片器反复压3～4次至坩埚边缘密封完好。室温均衡12 h，在N2流量150 mL/min、压力0.1 MPa、升温速率5 ℃/min[22]的条件下测定不同样品的差示扫描量热曲线。

1.3.2.4 小米淀粉黏度特性的测定

利用RVA测试小米淀粉糊黏度。称样品3.500 g（干基）于样品盒中，加水25 mL，35 ℃保温3 min，以6 ℃/min的速率加热到95 ℃，保温5 min，以6 ℃/min的速率降温到50 ℃[22]。用仪器配套的软件分析得到曲线。

1.4 数据统计分析

采用Excel、SPSS软件对数据统计分析，用Origin软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 不同发酵处理对小米淀粉的溶解度和膨润度的影响

图 1 不同发酵处理对小米淀粉溶解度（A）和膨润度（B）的影响Fig. 1 Effect of different fermentation treatments on solubility and swelling power of millet starch

如图1所示，90 ℃时3 种发酵处理的小米淀粉溶解度和膨润度明显高于70 ℃，并随发酵时间的延长，溶解度和膨润度逐渐降低。且乳酸菌、酵母菌随发酵时间的延长，其溶解度和膨润度要低于自然发酵。这是由于乳酸菌、酵母菌发酵产生大量的酸和酶，降低了小米淀粉分子内部支链淀粉与直链淀粉的比例及其与蛋白质和脂类化合物的络合能力[3,23]，抑制了淀粉颗粒与水的结合，降低了发酵后小米淀粉的溶解度和膨润度。

2.2 不同发酵处理对小米淀粉透明度的影响

图 2 不同发酵处理对小米淀粉透明度影响Fig. 2 Effect of different fermentation treatments on the transparency of millet starch

如图2所示，3 种发酵处理所得小米淀粉的透明度都随发酵时间的延长而降低。在相同发酵时间条件下，乳酸菌、酵母菌发酵后小米淀粉的透明度低于自然发酵。发酵96 h时，乳酸菌、酵母菌发酵后小米淀粉的透明度比自然发酵低1.4%和1.0%。淀粉的透明度与淀粉颗粒的结构和糊化后淀粉分子重新缔合的程度有关[24]。发酵可使淀粉分子结构变得紧密，分子发生重排，一些淀粉没有完全糊化，影响淀粉颗粒的透明度[25-26]，因此淀粉的透明度也会发生改变。由于发酵使小米中支链淀粉的长链发生断链与脱支，而直链淀粉的比例相对增加，也会导致淀粉的透明度降低。

2.3 不同发酵处理对小米淀粉热特性的影响

如表1所示，自然发酵小米淀粉的糊化温度和峰值温度随着发酵时间的延长先降低后升高，热焓值随时间的延长而增加。乳酸菌发酵的糊化温度在发酵48 h前随发酵时间的延长而升高，72 h降低，之后又升高；峰值温度随发酵时间的延长而升高，热焓值在发酵48 h后逐渐升高。酵母菌在发酵前72 h其糊化温度先升高，96 h略有降低，峰值温度先降低，后稍有升高，再降低，在96 h达到最低，热焓值在发酵48 h最低，之后增加。

表 1 不同发酵处理小米淀粉的热特征参数Table 1 Thermal characteristic parameters of millet starch with different fermentation treatments

发酵96 h（发酵终止）时，乳酸菌、酵母菌的糊化温度较自然发酵相比下降1.84 ℃和1.13 ℃。糊化温度的降低是由于发酵过程中微生物代谢所产生的酸和酶[27-28]，使小米淀粉颗粒无定形区的结构遭到破坏，淀粉颗粒结合水的能力增强，更易糊化。另外，发酵也降低了小米淀粉蛋白质和脂肪的百分含量（乳酸菌和酵母菌发酵后蛋白质和脂肪的百分含量比自然发酵分别下降0.04%和0.012%），使其与淀粉的络合能力减弱[29]，故淀粉的糊化温度降低；峰值温度较自然发酵下降1.04 ℃和0.43 ℃；终止温度降低3.69 ℃和2.85 ℃；热焓值分别上升1.00 J/g和0.78 J/g，热焓值的增大是由于乳酸菌、酵母菌发酵过程中优势菌的数量比自然发酵多，故其发酵所产的酸和酶的量较自然发酵相比大，发酵过程所产的酸和酶使淀粉颗粒无定形区的比例减小，而结晶区的比例相对增大，故相同发酵时间，乳酸菌和酵母菌发酵的热焓值要比自然发酵的热焓值大。

2.4 不同发酵处理对小米淀粉黏度特性的影响

如表2所示，发酵时间对自然发酵、乳酸菌发酵回生值的影响差异显著，对酵母菌发酵的回生值影响不显著。自然发酵的回生值随发酵时间的延长而增大，酵母菌发酵的回生值随发酵时间先减小之后略有增大，而乳酸菌的回生值则一直减小。结合图3可知，同自然发酵相比，乳酸菌、酵母菌发酵96 h（发酵终止）时，淀粉黏度变化有很大差别，分别体现在：淀粉糊化的峰值黏度较自然发酵相比分别上升185 mPa·s和103 mPa·s。其原因是乳酸菌和酵母菌发酵过程中蛋白质明显减少，使淀粉颗粒在糊化的过程中更易吸水膨胀，体积变大，故峰值黏度增加。Lim等[30]研究发现，发酵使大米淀粉中蛋白质的含量减少，引起大米淀粉峰值黏度的增加。最终黏度是冷糊在低剪切作用下稳定性的评估。较自然发酵相比，乳酸菌发酵、酵母菌发酵的最终黏度变大，故二者发酵所得淀粉的耐剪切稳定性良好；乳酸菌、酵母菌发酵小米淀粉的衰减值较自然发酵下降978 mPa·s和400 mPa·s。由于支链淀粉的长链部分与淀粉糊化的衰减值呈负相关，短链部分与淀粉糊化的衰减值呈正相关[31-32]，优势菌发酵后小米淀粉衰减值的降低说明发酵后的小米淀粉在加热过程中维持颗粒结构完整性的能力增强；回生值反映了糊化后淀粉的稳定性和老化趋势，乳酸菌、酵母菌发酵的回生值与自然发酵相比分别下降743 mPa·s和471 mPa·s，说明乳酸菌、酵母菌发酵改变了小米淀粉的化学成分及分子结构，从而影响其回生特性，使淀粉的短期老化能力下降。

表 2 不同发酵RVA谱特征值Table 2 RVA profile parameters of millet starch with different fermentation treatments

图 3 黏度特性曲线Fig. 3 Viscosity curves of millet starch

3 结 论

研究自然发酵的优势菌（乳酸菌、酵母菌）对小米淀粉物化性质的影响发现，优势菌发酵使小米淀粉的糊化温度降低，有利于淀粉的糊化；而回生值和衰减值的降低使小米淀粉短期抗老化及耐剪切的性能提高，且优势菌发酵小米淀粉回生值的显著降低有利于生产抗老化淀粉基食品。该研究为小米自然发酵机理提供理论依据，且对控制并改善自然发酵对小米淀粉品质提供良好的数据支持。

[1] 张超, 张晖, 李翼新. 小米的营养以及应用研究进展[J]. 中国粮油学报, 2007, 22(1): 51-55. DOI:10.3321/j.issn:1003-0174.2007.01.014.

[2] 袁美兰, 鲁战会, 程永强, 等. 自然发酵对米粉RVA黏度性质及米粉拉伸性质的影响[J]. 中国粮油学报, 2008, 23(1): 6-9.

[3] 李丽. 自然发酵对黄米理化性质的影响研究[D]. 大庆: 黑龙江八一农垦大学, 2010.

[4] 李亚军. 发酵大米粉及其淀粉特性研究[D]. 郑州: 河南工业大学, 2010.

[5] OGUNTOYINBO F A, NARBAD A. Molecular characterization of lactic acid bacteria and in situ amylase expression during traditional fermentation of cereal foods[J]. Food Microbiology, 2012, 31(2): 254-262. [6] LEI V, FRIIS H, MICHAELSEN K F, et al. Spontaneously fermented millet product as a natural probiotic treatment for diarrhoea in young children: an intervention study in Northern Ghana[J]. International Journal of Food Microbiology, 2006, 110(3): 246-253. DOI:10.1016/ j.ijfoodmicro.2006.04.022.

[7] OH Y J, JUNG D S. Evaluation of probiotic properties of Lactobacillus and Pediococcus strains isolated from omegisool, a traditionally fermented millet alcoholic beverage in Korea[J]. LWT-Food Science and Technology, 2015, 63: 437-444.

[8] OLUWAJOBA S O, AKINYOSOYE F A, OYETAYO O V. Comparative sensory and proximate evaluation of spontaneously fermenting kunu-zaki made from germinated and ungerminated composite cereal grains[J]. Food Science & Nutrition, 2013, 1(4): 336-349.

[9] ZAKARI U M, HASSAN A, ABBO E S. Physico-chemical and sensory properties of Agidi from pearl-millet (Pennisetum glaucum) and bambara groundnut (Vigna subterranean)our blends[J]. African Journal of Food Science, 2010, 4(10): 662-667.

[10] KHETARPAUL N, CHAUHAN B M. Fermentation of pearl millet our with yeasts and lactobacilli: in vitro, digestibility and utilisation of fermented flour for weaning mixtures[J]. Plant Foods for Human Nutrition, 1990, 40(3): 167-173.

[11] KANPIENGJAI A, RIEANTRAKOONCHAI W, PRATANAPHON R, et al. High efficacy bioconversion of starch to lactic acid using an amylolytic lactic acid bacterium isolated from Thai indigenous fermented rice noodles[J]. Food Science and Biotechnology, 2014, 23(5): 1541-1550.

[12] SOMDA M K. Isolation and identi cation of lactic acid and non-acid lactic bacteria from dèguè of Western Africa traditional fermented millet-based food[J]. African Journal of Microbiology Research, 2015, 9(36): 2001-2005. DOI:10.5897/AJMR2015.7548.

[13] OJOKOH A O, FAYEMI O E, OCLOO F C K, et al. Effect of fermentation on proximate composition, physicochemical and microbial characteristics of pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) and Acha (Digitaria exilis (Kippist) Stapf)our blends[J]. Journal of Agricultural Biotechnology & Sustainable Development, 2015, 7: 1-8. DOI:10.5897/JABSD2014.0236.

[14] KOUAKOU B, ALEXIS K K S, ADJÉHI D, et al. Biochemical changes occurring during germination and fermentation of millet and effect of technological processes on starch hydrolysis by the crude enzymatic extract of millet[J]. Journal of Applied Sciences Research, 2008(11): 1502-1510.

[15] 张秀媛, 何扩, 石后, 等. 响应面法优化小米红曲制备工艺及其抗肿瘤活性研究[J]. 中国粮油学报, 2015, 30(3): 19-22; 34.

[16] ISSOUFOU A. 发酵小米多肽的抗氧化与抗菌活性的研究[D]. 无锡:江南大学, 2014.

[17] FAROOQ U. 小米膳食纤维作为主要碳源对益生菌生长和发酵过程中短链脂肪酸产量的影响研究[D]. 无锡: 江南大学, 2013.

[18] 李喜仙, 刘玺. 小米液态发酵生产红曲色素技术研究[J]. 食品科学, 2003, 24(1): 83-86. DOI:10.3321/j.issn:1002-6630.2003.01.020.

[19] SIMWAKA J E, MASAMBA K G. Amino acid profile, mineral, pasting, thermal and protein solubility characteristics of sorghum- nger millet based complementary food as affected by fermentation[J]. Journal of Academia and Industrial Research, 2015, 3(10): 503-510.

[20] SONGRE-OUATTARA L T, MOUQUET-RIVIER C, ICARDVEMIERE C, et al. Potential of amylolytic lactic ccid bacteria to replace the use of malt for partial starch hydrolysis to produce african fermented pearl millet gruel forti ed with groundnut[J]. International Journal of Food Microbiology, 2009, 130(3): 258-264. DOI:10.1016/ j.ijfoodmicro.2009.02.002.

[21] ILANGO S, ANTONY U. Assessment of the microbiological quality of koozh, a fermented millet beverage[J]. African Journal of Microbiology Research, 2014, 8(15): 308-312.

[22] 冷雪, 曹龙奎. 利用差示扫描量热仪研究小米淀粉及小米粉的糊化特性[J]. 食品科学, 2015, 36(19): 60-66. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201519011.

[23] 万晶晶. 乳酸菌发酵影响燕麦酸面团面包烘焙特性的研究[D].无锡: 江南大学, 2011.

[24] 周显青, 张玉荣, 李亚军. 植物乳杆菌发酵对大米淀粉理化性质的影响[J]. 粮食与饲料工业, 2011(3): 25-27. DOI:10.3969/ j.issn.1003-6202.2011.03.008.

[25] 熊柳, 夏明涛, 薛丽华. 自然发酵对豌豆淀粉理化性质的影响[J]. 中国粮油学报, 2012, 27(5): 22-26.

[26] 杨超. 自然发酵过程中阴米淀粉的特性及发酵菌株的初步筛选[D].武汉: 华中农业大学, 2011.

[27] 鲁战会. 生物发酵米粉的淀粉改性及凝胶机理研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2002.

[28] HAGENIMANA A, PU P, DING X. Study on thermal and rheological properties of native rice starches and their corresponding mixtures[J]. Food Research International, 2005, 38(3): 257-266. DOI:10.1016/ j.foodres.2004.05.009.

[29] 闵伟红, 李里特, 王朝辉. 乳酸菌发酵对大米淀粉物理化学性质的影响[J]. 食品科学, 2004, 25(10): 73-76. DOI:10.3321/ j.issn:1002-6630.2004.10.013.

[30] LIM S T, LEE J H, SHIN D H, et al. Comparison of protein extraction solutions for rice starch isolation and effects of residual protein content on starch pasting properties[J]. Starch-Stärke, 1999, 51(4): 120-125.

[31] HAN X Z, HAMAKER B R. Amylopectin fine structure and rice starch paste breakdown[J]. Journal of Cereal Science, 2001, 34(3): 279-284.

[32] 李芸. 发酵米粉生产过程中的菌相变化及发酵对米粉品质的影响[D].北京: 中国农业大学, 2015.

Effect of Dominant Microorganisms Isolated from Naturally Fermented Millet on the Physicochemical Properties of Millet Starch

KOU Fang1, KANG Lijun1, XIA Tiantian1, NING Dongxue1, SHEN Meng1, WANG Weihao1,2, CAO Longkui1,2,*
(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Cereals Engineering Technology Research Center, Daqing 163319, China)

The natural fermentation of millet is difficult to control. This study aimed to compare the physicochemical properties of naturally fermented millet starch and those fermented by the dominant microbes lactic acid bacteria and yeasts isolated from naturally fermented millet for the purpose of better understanding the mechanism of the natural fermentation of millet and providing a theoretical guideline for controlling the process. Starches were extracted from three different fermented millet samples with 0.2 g/100 mL NaOH and measured for solubility, swelling power, transparenc y, thermal properties and viscosity characteristics. The results demonstrated that, the solubility, swelling power and transparency of all three millet starches were decreased with fermentation time, and the transparency of millet starch fermented by lactic acid bacteria and yeasts were decreased by 1.4% and 1.0% compared with natural fermentation. The gelatinization temperature of millet starch subjected to lactic acid bacterial fermentation and yeast fermentation for 96 h were decreased by 1.84 ℃ and 1.13 ℃, respectively compared with natural fermentation, the peak temperatures were decreased by 1.04 ℃ and 0.43 ℃, respectively, thenal temperatures were reduced by 3.69 ℃ and 2.85 ℃, respectively, and the enthalpies were increased by 1.00 J/g and 0.78 J/g. respectively. In addition, lactic acid bacterial fermentation and yeast fermentation resulted in a decrease in breakdown viscosity of millet starch of 978 and 743 mPa·s and a decrease in setback of 400 and 471 mPa·s as well as an increase in peak viscosity of 185 and 103 mPa·s, respectively in comparison with natural fermentation. In conclusion, fermentation with the dominant microorganisms of lactic acid bacteria and yeasts isolated from naturally fermented millet could signi cantly modify the physicochemical properties of millet starch compared with natural fermentation.

millet starch; fermentation; lactic acid bacteria; yeast; physicochemical properties

10.7506/spkx1002-6630-201710011

TS231

A

1002-6630（2017）10-0061-05

2016-05-26

2013年度国家星火计划项目（2013GA670001）

寇芳（1993—），女，硕士研究生，研究方向为杂粮发酵。E-mail：18249556388@163.com

*通信作者：曹龙奎（1965—），男，教授，博士，研究方向为农产品加工。E-mail：caolongkui2013@163.com

寇芳, 康丽君, 夏甜天, 等. 自然发酵优势菌对小米淀粉物化性质的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(10): 61-65.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710011. http://www.spkx.net.cn

KOU Fang, KANG Liju n, XIA Tiantian, et al. Effect of dominant microorganisms isolated from naturally fermented millet on the physicochemical properties of millet starch[J]. Food Sci ence, 2017, 38(10): 61-65. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710011. http://www.spkx.net.cn