纯种发酵对小米淀粉分子结构及老化特性的影响

寇 芳，葛云飞，沈 蒙，宁冬雪，夏甜天，王维浩,2，曹龙奎,2,*

纯种发酵对小米淀粉分子结构及老化特性的影响

寇 芳1，葛云飞1，沈 蒙1，宁冬雪1，夏甜天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）

利用自然发酵液中对淀粉老化特性起主要作用的菌种发酵，研究发酵对小米淀粉分子结构及老化特性的影响。采用0.2 g/100 mL的NaOH溶液提取发酵后的小米淀粉，研究不同菌种发酵后对小米淀粉颗粒特性、官能团、分子质量、糊化及老化特性的影响。结果表明：发酵未改变淀粉的偏光十字；植物乳杆菌、戊糖片球菌和屎肠球菌发酵后小米淀粉表面被侵蚀，酿酒酵母及芽孢菌发酵后淀粉颗粒表面侵蚀迹象变重，孔道加深且数量增多；酿酒酵母及芽孢菌发酵后小米淀粉官能团区的峰位未变，但特征峰强度减弱，植物乳杆菌、戊糖片球菌及屎肠球菌发酵后小米淀粉指纹区图谱部分消失；植物乳杆菌发酵后Ⅰ区、Ⅱ区的重均、数均分子质量较小米淀粉降低。戊糖片球菌、屎肠球菌、酿酒酵母发酵后Ⅰ区的重均分子质量升高，数均分子质量降低，Ⅱ区重均、数均分子质量降低。芽孢菌发酵后Ⅰ区的数均分子质量略有升高，Ⅱ区重均、数均分子质量降低。植物乳杆菌、戊糖片球菌及屎肠球菌发酵后淀粉的糊化温度、回生值及最终黏度降低，热焓值升高。酿酒酵母发酵后糊化温度及回生值降低，最终黏度及热焓值升高。发酵使淀粉的分子结构、支链淀粉及直链淀粉分子发生改变，短期抗老化性能提高。

纯种发酵；淀粉；分子结构；老化

随着社会经济及加工水平的迅速发展，谷物精细化加工造成的富贵病越来越受到人们的重视，因此如何进行膳食搭配是当今社会关注的焦点[1]。小米的营养价值高，易被人体消化吸收，是我国孕妇产后滋补的主要能量来源，具有清热、滋阴、补脾肾、清肠胃、利小便、治水泻等功效[2]，是一种药食两用的杂粮。虽然小米有悠久的历史，但我国关于小米食品的开发还处于初开发阶段[3]，因此开发以小米为主、精面为辅的杂粮食品来改善人们的膳食结构将有广阔的发展前景。

发酵可显著提高小米淀粉及蛋白质的消化率，提高营养价值，改善口感及风味[4]，且发酵后淀粉的回生值显著降低，有利于改善淀粉老化特性，但发酵小米的生产条件难控制，难以实现产业化生产，且国内外学者对发酵小米的研究主要集中在发酵产品的研发[5-7]、发酵小米制品[8-13]、菌种的分离鉴定[14]、发酵特定产品的微生物特性[15-20]等，而关于小米自然发酵及发酵对淀粉改性的研究鲜有报道。若能掌握自然发酵对淀粉老化特性的改性机理，将对生产抗老化小米开拓新途径。本实验以黑龙江省广泛销售的红谷小米为研究对象，利用16S rDNA、26S rDNA鉴定对淀粉老化特性起主要作用的菌种发酵，研究发酵过程中小米淀粉分子结构及老化特性的变化，旨在为探究自然发酵对淀粉老化特性的改性机理及不同菌株对小米淀粉性质的影响提供理论支持，为开发发酵小米新途径提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菌种为实验室利用16S rDNA、26S rDNA鉴定技术从自然发酵液中筛选并鉴定所得；红谷小米购置于大庆。

氢氧化钠（分析纯） 天津市大茂化学试剂厂；盐酸 广州万从化工有限公司；葡聚糖标准品（Dextran T-20000（mw2 000 000 g/mol）、DextranT-150（mw133 800 g/mol）、DextranT-4099（mw36 800 g/mol）、DextranT-10（mw9 700 g/mol）、Dextran T-5（mw2 700 g/mol））美国Sigma公司；蒸馏水 实验室自制。

1.2 仪器与设备

DSC1型差示扫描量热仪、AR2140型分析天平 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；扫描电子显微镜 荷兰FEI公司；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo Fisher公司；1525高效液相色谱仪（配2410示差折光检测器和Empower工作站）美国Waters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；RVA4500型快速黏度分析仪、RVA专用铝盒 瑞典波通仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 预处理

1.3.1.1 菌种制备

将自然条件下小米发酵液中菌株分离纯化，利用16S rDNA、26S rDNA对分离菌种鉴定，结果为：乳酸菌（戊糖片球菌、屎肠球菌、植物乳杆菌）、芽孢菌和酿酒酵母，将鉴定后的菌种扩大培养。具体方法为：乳酸菌、芽孢菌活化后接种至肉汤液体培养基，37 ℃增殖培养24～48 h，直到菌悬液浓度达到5×108CFU/mL。酿酒酵母活化后，接种到酵母浸出粉胨葡萄糖（yeast extract peptone dextrose，yPD）液体培养基，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 纯种发酵小米

用灭菌蒸馏水将小米清洗一遍后置于500 mL烧杯中，加入无菌蒸馏水（小米与无菌水的比例为1∶1.2（g/mL））。分别吸取扩大培养后的微生物菌悬液（戊糖片球菌、屎肠球菌、植物乳杆菌、芽孢菌、酿酒酵母）5 mL接种到小米中，用保鲜膜密封，在最适温度（乳酸菌37 ℃，酵母菌28 ℃，芽孢菌37 ℃）条件下培养120 h进行发酵。

1.3.1.3 小米淀粉的制备

将发酵（未发酵）小米干磨法过80目筛，得到的小米粉按料液比1∶3（g/mL）置于0.2 g/100 mL的NaOH溶液中，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（未发酵）小米淀粉。

1.3.2 发酵对小米淀粉结构及老化特性的影响

1.3.2.1 发酵对小米淀粉偏光十字的影响

配成1%的淀粉悬液，混匀使淀粉颗粒充分分散，滴1滴于洁净的载玻片上，置于偏光显微镜的载物台上观察不同发酵处理的小米淀粉，并拍摄其照片。

1.3.2.2 发酵对小米淀粉颗粒形貌的影响

用导电胶将分散均匀的小米淀粉样品固定，利用离子溅射镀膜仪喷金，用扫描电子显微镜进行观察并拍摄有代表性的照片。

1.3.2.3 发酵对小米淀粉基团的影响

取小米淀粉0.5～2 mg，再加入100～200 mg经过磨细干燥的KBr粉末，混合研磨均匀后，放入傅里叶变换红外光谱仪光束中进行全波段的扫描，扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，最后得到小米淀粉的红外光谱图[21]。

1.3.2.4 发酵对小米淀粉分子质量的影响

称取适量样品于容量瓶中，用流动相溶解，定容。色谱条件：色谱柱：Ultra hydrogel™ Linear（300 mm×7.8 mm，两根柱子串联），流动相：0.1 mol/L硝酸钠，流速：0.8 mL/min，柱温：30 ℃，进样量：20 μL（有时可调整至30 μL）。

1.3.2.5 发酵对小米淀粉糊化特性的影响

利用差示扫描热量仪研究发酵后小米淀粉糊化特性的变化。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糊化特性曲线。

1.3.2.6 发酵对小米淀粉老化特性的影响

利用快速黏度仪研究发酵后小米淀粉老化特性的变化。准确称取样品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 ℃。用仪器配套的软件分析得到曲线[22]。

1.4 数据统计分析

采用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 发酵对淀粉偏光十字的影响

淀粉颗粒内部存在结晶结构和无定形结构，淀粉分子结晶区具有高度有序的排列，而在非结晶区淀粉分子呈无序的排列，正是这两种不同的结构在密度和折射率上存在差别，使得淀粉颗粒产生各向异性的现象，当偏振光通过淀粉颗粒时就会产生偏光十字[23]。在偏光显微镜下观察淀粉颗粒呈现黑色的十字，将颗粒分成四个白色的区域，称为偏光十字或马耳他十字[24]。

淀粉颗粒通过改性后，其内部的分子链有序排列的结晶结构就会遭到破坏，偏光十字就会发生改变或消失，所以淀粉颗粒内部偏光十字的变化在一定程度上可以反映出淀粉颗粒结晶结构是否发生变化。不同发酵时间小米淀粉的偏光十字如图1所示。不同菌种发酵方式所得淀粉都有明显的偏光十字，说明乳酸菌、酵母菌及芽孢菌发酵都未使淀粉颗粒的结晶区发生改变。发酵过程中微生物代谢产生的有机酸和酶可能主要作用于淀粉的无定形区。

图1 不同发酵处理小米淀粉偏光十字Fig. 1 Polarized cross of millet starch fermented by different pure cultures

2.2 发酵对淀粉颗粒结构的影响

图2 不同发酵处理小米淀粉颗粒形态的影响Fig. 2 Effects of different fermentation processes on the morphology of millet starch granules

小米淀粉颗粒大部分呈多角形，少数为球形[25]。由图2可以看出，小米淀粉颗粒表面较为光滑，且有细小的孔道。利用戊糖片球菌发酵的小米淀粉表面侵蚀迹象较植物乳杆菌和屎肠球菌轻，但三者发酵后小米淀粉颗粒表面均有明显被侵蚀的迹象，并伴有明显的孔洞，说明乳酸菌发酵可使淀粉表面被侵蚀。芽孢菌发酵后淀粉颗粒表面被侵蚀迹象严重，形成较多深孔，而酿酒酵母发酵后淀粉颗粒表面的孔道数增多的同时，其孔道加深且变大，说明酵母菌发酵使淀粉颗粒被侵蚀且颗粒表面的孔道变深。发酵后淀粉颗粒表面被侵蚀，孔洞变深，且发酵后颗粒不在保持其完整表面主要是由于发酵过程中微生物产酸产酶，使淀粉颗粒无定形区遭到破坏，淀粉的颗粒特性发生改变。

2.3 发酵对小米淀粉基团的影响

中红外光谱分为官能团区和指纹区，其频率范围为4 000～1 300 cm-1及1 300～400 cm-1[26]。利用红外光谱研究发酵前后小米淀粉分子链上基团结构及化学键的变化，分析发酵对小米淀粉分子结构的影响，结果如图3所示。小米淀粉在2 931、2 062 cm-1处有特征吸收峰，其对应着C—H的伸缩振动峰，1 648 cm-1处为C＝O振动吸收峰，且发酵后，小米淀粉官能团区的特征吸收峰位未发生变化，但峰强减弱。指纹区在1 242、929、861、765 cm-1处出现吸收峰，分别对应C—O、C—C伸缩振动峰和C—H面外弯曲振动吸收峰。屎肠球菌、戊糖片球菌及植物乳杆菌的样品在1 368.38～1 154.00 cm-1及 527.54～438.01 cm-1处的吸收峰几乎消失，而酿酒酵母及芽孢菌在该波长范围内其吸收峰减弱。其原因为屎肠球菌、戊糖片球菌及植物乳杆菌发酵产的酸、酶等作用于小米淀粉颗粒的孔道，进入淀粉内部，淀粉颗粒结晶结构遭到一定程度的损坏，使淀粉部分水解，化学键发生改变，指纹区的图谱部分消失，而酿酒酵母及芽孢菌的作用较三者弱，故吸收峰减弱但并未消失。淀粉红外光谱指纹区可以用来分析淀粉分子短程有序的结构，指纹区图谱部分消失，说明发酵使淀粉的结构遭到一定程度破坏。

图3 小米淀粉的红外光谱图Fig. 3 FTIR spectra of fermented millet starch

2.4 发酵对淀粉分子质量的影响

表1 发酵小米淀粉分子质量Table 1 Molecular mass of fermented millet starch

淀粉是由分子质量不同的高分子化合物组成的同系混合物，其凝胶特性、老化特性、糊化特性等不仅与平均分子质量有密切的关联，还受分子质量分布的影响[27]。淀粉的分子质量分布是表征聚合物分子链长短的重要参数，常用mw/mn（多分散指数）表示。mw/mn越接近于1，说明样品的组分越单一，越大则说明样品的组分越复杂，分子分布越宽[28]。对于多分散、宽分布的聚合物其mw/mn范围在1.5～3或者3～30之间，表1为不同处理小米淀粉分子质量及其分布。小米淀粉分子质量分为两个区，分别为Ⅰ区（主要为支链淀粉）和Ⅱ区（主要为直链淀粉及少部分支链淀粉）（图4，20 min的峰为蛋白质峰，本实验不予考虑）。植物乳杆菌发酵后重均分子质量Ⅰ区降低23 429 g/mol、Ⅱ区降低1 283 g/mol，数均分子质量Ⅰ区降低20 252 g/mol、Ⅱ区降低425 g/mol，说明发酵使Ⅰ区、Ⅱ区小米支链淀粉及直链淀粉发生水解，生成小分子物质被微生物利用，分子质量和回生值降低。而Ⅰ区戊糖片球菌、屎肠球菌、酿酒酵母的重均分子质量分别升高101 385、20 973 g/mol和5 847 g/mol，Ⅱ区降低941、694、766 g/mol；数均分子质量Ⅰ区分别降低11 061、7 318 g/mol和7 717 g/mol，Ⅱ区分别降低185、55、251 g/mol，说明发酵使Ⅰ区短支链淀粉水解，而较长支链淀粉的比例相对增加，起到纯化支链淀粉的作用，同时发酵使Ⅱ区直链淀粉水解，淀粉的回生值降低。芽孢菌Ⅰ区的数均分子质量略有升高，说明发酵使小米淀粉支链部分水解为短支链及部分直链淀粉，故发酵后Ⅱ区的直链淀粉重均、数均分子质量升高，淀粉回生值略有升高。除芽孢菌外，发酵后Ⅰ区淀粉的分子质量分布mw/mn均略高于小米淀粉，说明发酵使Ⅰ区小米淀粉分子链的长短发生了变化，淀粉的组分变复杂，而Ⅱ区小米淀粉的分子质量分布变狭窄，说明发酵使Ⅱ区直链淀粉组分变得单一，起到纯化淀粉的作用，同时，淀粉的回生值降低，起到抗老化的作用。

图4 小米淀粉分子质量Fig. 4 Molecular mass of millet starch

2.5 发酵对淀粉糊化特性的影响

表2 不同发酵处理小米淀粉热焓值Table 2 Enthalpy value of fermented millet starch J/g

表3 不同发酵处理小米淀粉糊化温度Table 3 Gelatinization temperature of millet starch fermented for different times℃

如表2所示，乳酸菌发酵小米淀粉的热焓值高于酿酒酵母及芽孢菌，并均随发酵时间的延长热焓值逐渐升高，且发酵所得淀粉的热焓值高于小米淀粉。戊糖片球菌的热焓值高于其他两株乳酸菌，而酿酒酵母和芽孢菌的热焓值相差不大。如表3所示，乳酸菌、酿酒酵母和芽孢菌发酵的糊化温度均随发酵时间延长逐渐降低并略低于未发酵小米淀粉。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、酶作用于淀粉颗粒的无定形区，使淀粉无定形区的结构遭到了破坏，淀粉颗粒结合水的能力增强，使淀粉更易糊化。另外，发酵也降低了小米淀粉蛋白和脂肪的含量，使其与淀粉的络合能力减弱[29-30]，故淀粉的糊化温度降低。热焓值上升是由于其发酵产生大量的有机酸及酶使较长支链淀粉水解为大量的中间级及较短链的支链淀粉，使结晶区的比例相对增大的缘故。

2.6 发酵对小米淀粉老化特性的影响

图5 老化特性的测定结果Fig. 5 Retrogradation characteristics of fermented millet starch

如图5a、b所示，酿酒酵母发酵所得小米淀粉的最终黏度随发酵时间逐渐升高，发酵120 h时其最终黏度达到最大值。而芽孢菌的最终黏度则出现不规律的变化。图5c所示为酿酒酵母、芽孢菌发酵后小米淀粉回生值的变化，可见发酵进行48 h时小米淀粉的回生值最低，96 h后回生值略有下降，回生值随发酵时间的变化可以解释为发酵初期，发酵菌株代谢产生淀粉酶，使淀粉颗粒无定形区的颗粒结构遭到破坏，直链淀粉水解为小分子物质被微生物利用，回生值降低。随发酵时间的延长，淀粉酶等通过淀粉颗粒表面的孔道及无定形区破坏后的孔洞进入淀粉颗粒结晶区，使结晶区外侧部分结构较为疏松的支链淀粉水解为短支链及大部分直链淀粉，直链淀粉的溶出加速了淀粉分子的缔合，导致48 h后淀粉的回生值升高。由于结晶区内部支链淀粉的结构致密，不易被酸、酶水解，淀粉酶无法继续水解支链淀粉生成更多的直链淀粉，而溶出的直链淀粉在淀粉酶的作用下继续被水解为小分子物质，故96 h后淀粉回生值略有降低。

如图5d、e、f所示，乳酸菌发酵后小米淀粉的最终黏度随发酵时间延长逐渐降低，戊糖片球菌和植物乳杆菌在发酵120 h达到最低。由图5g可以看出，植物乳杆菌在发酵48 h回生值升高，屎肠球菌在72 h淀粉的回生值升高，而戊糖片球菌随发酵的进行回生值逐渐降低，且植物乳杆菌在发酵后期淀粉的回生值显著低于其他两株菌，这可能与发酵菌株特性有关。结合扫描电子显微镜和凝胶渗透色谱可知，乳酸菌发酵后小米淀粉回生值降低一方面是由于发酵过程中乳酸菌代谢产生大量的有机酸作用于淀粉颗粒表面，使淀粉颗粒不在保持完整的颗粒，同时淀粉颗粒无定形区的直链淀粉发生水解，另一方面，有机酸通过淀粉颗粒表面的孔道及无定形区破坏后的孔洞进入淀粉颗粒结晶区，使结晶区部分结构较为疏松的支链淀粉水解为更短链及小分子物质被微生物利用，导致发酵后回生值显著低于小米淀粉，淀粉颗粒短期抗老化性能提高。

表4 不同发酵淀粉回生值Table 4 Retrogradation values of fermented millet starch

由表4可知，除戊糖片球菌与屎肠球菌发酵后小米淀粉回生值差异不显著，其余均差异显著。乳酸菌、酿酒酵母发酵后小米淀粉的回生值显著降低，而芽孢菌发酵后小米淀粉的回生值略高，说明乳酸菌和酵母菌发酵可能是自然发酵对小米淀粉回生值起改性作用的主要菌种，且酿酒酵母的存在使发酵液有柔和的酒香味，赋予小米制品特有的风味。

3 结 论

利用从自然发酵液中筛选出的乳酸菌（戊糖片球菌、屎肠球菌、植物乳杆菌）、酵母菌（酿酒酵母）及芽孢菌发酵小米后，其淀粉的颗粒形态被破坏，分子结构发生变化，淀粉短期抗老化性能提高。戊糖片球菌、屎肠球菌、植物乳杆菌发酵后小米淀粉颗粒表面侵蚀较重，指纹区的化学键发生变化，图谱部分消失，导致重均、数均分子质量发生改变，此外小米淀粉分子结构的变化使其回生值、最终黏度、糊化温度降低，热焓值升高，适用于焙烤类等混合粉的添加。而酿酒酵母发酵后淀粉颗粒表面孔道数增多，指纹区图谱强度减弱，结晶区分子质量略有升高，无定形区分子质量均降低，说明发酵后部分短支链淀粉、直链淀粉水解为小分子物质，回生值、糊化温度降低，热焓值升高。芽孢菌发酵后淀粉颗粒表面形成较多深孔，指纹区图谱峰强减弱，结晶区分子质量变化较小，无定形区直链淀粉含量增加，淀粉老化性能较上述菌种略有增加，抗老化能力弱。此研究从发酵后淀粉颗粒特性及分子结构的角度阐明了乳酸菌（戊糖片球菌、屎肠球菌、植物乳杆菌）、酵母菌（酿酒酵母）及芽孢菌对小米淀粉老化特性的改性机理，为分析小米自然发酵抗老化的改性机理奠定了基础及数据支持，为开发发酵小米新途径、生产小米发酵剂提供依据。

参考文献：

[1] 张超, 张晖, 李冀新. 小米的营养以及应用研究进展[J]. 中国粮油学报, 2007(1): 51-55; 78.

[2] 王海滨, 夏建新. 小米的营养成分及产品研究开发进展[J]. 粮食科技与经济, 2010(4): 36-38; 46.

[3] 王勇. 小米的营养价值及内蒙古小米生产加工现状[D]. 呼和浩特:内蒙古大学, 2010.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[9] SERRAINO M R, THOMPSON L U, SOVOIE L, et al. Effect of phytic acid on the in vitro rate of digestibility of rapeseed protein and amino acids[J]. Journal of Food Science, 1985, 50(5): 1689-1692.

[10] yOON J H, THOMPSON L U, JENKINS D J A. The effect of phytic acid on in vitro rate of starch digestibility and dlood glucose response[J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 1983, 38(6): 835-842.

[11] OJOKOH A O, FAyEMI O E, OCLOON 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) flour blends[J]. Academic Journals, 2015, 7(1): 1-8. DOI:10.5897/JABSD2014.0236.

[12] 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.

[13] OUATTARA L T S, RIVIER C M, VERNIERE C, et al. Enzyme activities of lactic acid bacteria from a pearl millet fermented grauel (ben-saalga) of functional interest in nutrition[J]. International Journal of Food Microbiology, 2008, 128(2): 395-400.

[14] 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.

[15] OUATTARA C A T. Isolation and identification 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.

[16] LEI V, FRIIS H, MICHARLSEN 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.

[17] 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.

[18] 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.

[19] 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) flour blends[J]. African Journal of Food Science, 2010, 4(10): 662-667.

[20] KHETARPAUL N, CHAUHAN B M. Fermentation of pearl millet flour 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.

[21] REDDy C K, SURIyA M, VIDyA P V, et al. Effect of γ-irradiation on structure and physico-chemical properties of Amorphophallus paeoniifolius starch[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2015, 79(2): 309-315. DOI:10.1016/ j.ijbiomac.2015.05.003.

[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] 李坚斌, 温雪馨, 李琳, 等. 超声场对马铃薯淀粉颗粒形貌与结晶结构的影响[J]. 农业工程学报, 2008, 24(4): 284-286.

[24] 刘东莉. 不同链/支比玉米淀粉颗粒结构原位表征与分析[D]. 杭州:浙江大学, 2014.

[25] 李玥, 钟芳. 大米淀粉糊化过程的光谱分析[J]. 高分子学报, 2008(7): 720-725.

[26] 蒲华寅. 等离子体作用对淀粉结构及性质影响的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[27] 许永亮, 程科, 赵思明, 等. 大米淀粉的分子质量分布及其与粘性的相关性研究[J]. 中国农业科学, 2007(3): 566-572.

[28] 张攀峰, 陈玲, 李晓玺, 等. 不同直链/支链比的玉米淀粉分子质量及其构象[J]. 食品科学, 2010, 31(19): 157-160.

[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] 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.

Effects of Pure Culture Fermentation on Molecular Structure and Retrogradation Characteristics of Millet Starch

KOU Fang1, GE Yunfei1, SHEN Meng1, NING Dongxue1, XIA Tiantian1, 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)

In this study, we examined the effects of fermentation by pure cultures of Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus, Enterococcus faecium, Saccharomyces cerevisiae and Bacillus, which play an important role in affecting the retrogradation properties of naturally fermented starch, on the molecular structure and retrogradation characteristics of millet starch with the aim of providing a theoretical basis and data support for elucidating the mechanism by which natural fermentation and pure culture fermentation improve the retrogradation properties of millet starch, and new ways of developing fermented millet products. Millet starch was extracted from fermented millet with 0.2 g/100 mL NaOH and evaluated for granular characteristics, functional groups, molecular mass and, pasting and retrogradation properties. The results obtained were as follows. Fermentation did not changed the cross polarization characteristics of starch. The surface of millet starch granules fermented by Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus and Enterococcus faecium was eroded, but the surface of starch granules after fermentation by Saccharomyces cerevisiae and Bacillus was eroded more seriously, with more deeper channels. The fermentation by Saccharomyces cerevisiae and Bacillus did not change the peak positions in the functional region, but reduced the intensity of the characteristic peaks. The fingerprint region of millet starch fermented by Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus and Enterococcus faecium partially disappeared, The weight average and number average molecular masses in regions Ⅰ and Ⅱ were decreased after fermentation by Lactobacillus plantarum. In region Ⅰ, the weight average molecular mass after fermentation by Pediococcus pentosaceus, Enterococcus faecium and Saccharomyces cerevisiae was increased, and the average molecular weight was decreased, while in region Ⅱ, the weight average and number average molecular masses were both decreased. After fermentation by Bacillus, the number average molecular mass in region Ⅰ was slightly increased, but the weight average molecular weight was slightly decreased; both the weight average and number average molecular weight in region Ⅱ were decreased.The gelatinization temperature, final viscosity and retrogradation value were decreased, but the enthalpy was increased after fermentation by Lactobacillus plantarum, Pediococcus pentosaceus and Enterococcus faecium. The gelatinization temperature and retrogradation value were decreased, the final viscosity and enthalpy were increased after fermentation by Saccharomyces cerevisiae. In conclusion, fermentation could change the molecular structure of starch, branched chain starch and amylose, and improve the short-term anti-retrogradation performance.

pure culture fermentation; starch; molecular structure; retrogradation

10.7506/spkx1002-6630-201716014

TS231

A

1002-6630（2017）16-0092-07

2016-11-23

黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目（YJSCX2017-Y54）

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, 葛云飞, 沈蒙, 等. 纯种发酵对小米淀粉分子结构及老化特性的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(16): 92-98. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201716014. http://www.spkx.net.cn

KOU Fang, GE Yunfei, SHEN Meng, et al. Effects of pure culture fermentation on molecular structure and retrogradation characteristics of millet starch[J]. Food Science, 2017, 38(16): 92-98. (in Chinese with English abstract)

10.7506/ spkx1002-6630-201716014. http://www.spkx.net.cn