燕麦固态发酵工艺研究及其挥发性组分分析

崔 帅，叶 田，秦 静，楼盈凯，严大迅

（宏胜饮料集团，浙江 杭州310012）

燕麦（Oats）是一种医食同源、药食兼用的粮食作物，它是谷类中最好的全价营养食品之一，被誉为“第三主粮”［1－2］。我国是世界第七大燕麦种植国，也是裸燕麦的主产国，年产量达350万t左右，开发燕麦产品对利用我国裸燕麦的产量优势、提高燕麦产品附加值具有重要意义。在我国，酵母的培养以液体基质为主，采用固体基质培养酵母的较少［3］。固态发酵（Solid state fermentation，SSF）是指以不含或几乎不含自由水的湿的固体物料为基质培养微生物的过程。与其他的培养方式相比，固态发酵具有明显的优点：1）技术简单、能耗低、产物的产率高［4］；2）固体发酵基质用水少，不仅可以减小生物反应器的体积，而且产生的废水少，对环境的污染相对比较小［5］。但固体发酵也具有一定的缺点，即不能得到较为纯净的产物。目前学者关于燕麦的研究多集中在发酵后燕麦的功能活性及营养价值的变化。张庆等［6］的研究表明植物乳杆菌发酵后的燕麦蛋白的溶解度提高了50%以上；史燕等［7］以燕麦为发酵基质，采用益生菌进行固态发酵，以期获得合生元谷物发酵食品，结果制备的活菌型发酵燕麦粉中乳酸菌数量达到益生菌制品的标准。关于燕麦发酵前后风味变化的研究少有报道。

本研究以燕麦为基质，利用商业发酵剂进行固态发酵，采用传统醇提方法提取发酵燕麦的香气成分，并对影响燕麦固态发酵的几个关键因素进行优化，为制备具有发酵燕麦香气的提取物质提供技术路线和理论基础。

1 材料与方法

1．1 材料与仪器

1．1．1 菌种与材料

1）菌 种

WM 020，丹尼斯克；酿酒活性干酵母，安琪酵母。

2）实验原料

燕麦粉，由宏胜饮料集团研发中心提供；葡萄糖，诸城东晓生物科技有限公司；水，生产用RO水。

1．1．2 实验仪器

万能粉碎机；电磁炉；高压杀菌锅；无菌操作台；生化恒温培养箱；高速离心机；Agilent7890A－5975C气质联用仪；SPME 萃取头，50／30μm DVB／CAR／PDMS；DB－5型毛细血管色谱柱，30m×0．25mm×0．25μm，美国Agilent公司产品。

1．2 实验方法

1．2．1 燕麦固态发酵工艺流程

燕麦固态发酵工艺流程见图1。

图1 燕麦固态发酵工艺流程Fig．1 Solid－state fermentation process of oat

操作要点：

1）原辅料称量：按比例准确称取燕麦粉和葡萄糖，m（葡萄糖）∶m （燕麦粉）＝1∶4。

2）混匀调湿：将燕麦粉和葡萄糖在万能粉碎机中搅拌30s得到混合物，然后按照m （水）∶m（混合物）＝40∶100进行调湿。

3）蒸煮糊化：将调湿后的燕麦粉置于湿热蒸汽上方，蒸煮30min。

4）灭菌：用高压灭菌锅对糊化后的燕麦粉115℃灭菌15min。

5）接种：待燕麦粉冷却后，加入混合发酵剂，搅匀。

6）固态发酵：接入发酵剂的燕麦粉置于恒温培养箱中，连续培养至预定时间，即得发酵燕麦粉。

7）醇提：发酵燕麦粉与95%食用酒精按1∶2．5的体积比混合，3 000r／min剪切10min，50 ℃萃取1h，抽滤，收集滤液，旋蒸至无醇状态，加入适量30%的酒精，定容至原燕麦粉质量的0．75倍，加入0．4%的碳酸镁，于冰箱内4℃静置12h，抽滤，收集滤液，10 000r／min离心滤液15min，收集离心液，即得发酵燕麦提取物。

1．2．2 接种量优化试验

设定发酵温度30℃，发酵时间24h，设定发酵剂菌种配比为m（WM 020）∶m（酿酒活性干酵母）＝1∶1，混合接种量为0．1%，0．2%，0．3%，0．4%和0．5%，测定发酵后的残糖量。

1．2．3 发酵温度优化试验

设定接种量同1．2．2，发酵时间24h，设定发酵温度为30，33，36，39，42℃，测定发酵后的残糖量。

1．2．4 发酵时间优化试验

设定接种量与发酵温度同1．2．2，设定发酵时间为24，32，40，48h，测定发酵后的残糖量。

1．2．5 相关指标的测定

对1．2．3和1．2．4发酵条件下生产的发酵产物进行相关指标的测定，具体为

1）还原糖含量的测定：参考GB 5009．7—2016中的方法进行测定。

2）挥发性香气成分分析。

采用Supelco型固相微萃取萃取头：50／30μm DVB／CAR／PDMS（二乙烯苯／聚乙二醇／聚二甲基硅氧烷）高度交联萃取头，萃取前，将萃取头在进样口老化，准确称取发酵燕麦粉，置于顶空瓶中，立即密闭瓶口，预平衡，平衡温度后，吸附萃取发酵燕麦粉香气后直接进行分析。

气相色谱质谱联用仪为Agilent 7890A－5975C型，色谱条件：毛细管柱为型柱（30m×0．25mm×0．25μm），以高纯氦气为载气，载气流量恒定为1．4mL／min；采用程序升温模式，升温程序：柱温起始为50℃，保持5min，以2℃／min升至160℃，保持5min，再以12℃／min升至250℃，保持5min；载气：氦气；流速：1mL／min；进样口温度为250℃；分流进样，气体进入色谱柱与排出的分流比为V（进气）∶V（排气）＝5∶1。质谱条件：电子轰击（EI）离子源；电子能量70eV；离子源温度230℃；四极杆温度150℃；转接口温度280℃。

1．3 数据统计与分析

采用SPSS 19软件检验分析比较试验各组间均值差异显著性（p＜0．05），采用Origin作图。

2 结果与分析

2．1 不同接种量对发酵燕麦粉中残糖量的影响

为了节约成本，缩短发酵时间，选取发酵燕麦粉中残糖量为考察指标，对影响固态发酵的三个重要因素进行了优化。

不同的接种量会对发酵产物的产量、发酵周期、以及生产成本有着重要影响［8］。图2为发酵剂接种量对发酵燕麦粉中残糖量的影响。由图可知：最适的接种量为0．2%。接种量＞0．2%时，残糖量没有明显变化（p＜0．05），0．2%的接种量可以满足发酵的需要，在此条件下，发酵燕麦粉中的残糖质量分数为6．4%。

图2 不同接种量对发酵燕麦粉中残糖量的影响Fig．2 Effects of different inoculation quantity on residual sugar content in oat fermentation

2．2 不同发酵温度对发酵燕麦粉中残糖量的影响

图3为发酵温度对发酵燕麦粉中残糖量的影响。温度对微生物生长有显著的影响，低于36℃时，微生物的活性遭到抑制，残糖量较高；温度过高，又会导致微生物的灭活或死亡。由图3可知：最适的发酵温度为36℃，在此条件，发酵燕麦粉中的残糖质量分数为4．9%。

图3 不同发酵温度对发酵燕麦粉中残糖量的影响Fig．3 Effects of different fermentation temperature on residual sugar content in oat fermentation

2．3 不同发酵时间对发酵燕麦粉中残糖量的影响

图4为发酵时间对发酵燕麦粉中残糖量的影响。由图可知：发酵时间超过40h后，未能在发酵燕麦粉中检出还原糖，因此本研究中最适发酵时间为40h。

图4 不同发酵时间对发酵燕麦粉中残糖量的影响Fig．4 Effects of different fermentation time on residual sugar content in oat fermentation

2．4 发酵燕麦提取物香气成分分析

优化后确定燕麦的发酵条件为：接种量0．2%，发酵温度36℃，发酵时间40h，在此条件下制备的发酵燕麦提取物经感官评定具有酒酿特征香气。经GC－MS分析共鉴定出9种特征性香气成分见表1，其中异戊醇、苯乙醇、苯甲醛和辛酸乙酯是黄酒香气的特征香气成分［9］。异丁醇、异戊醇、苯甲醇、苯乙醇、苯甲醛、辛酸乙酯和癸酸乙酯是黄酒中常见的香气成分［7］，可以推测这些香气成分主要由酿酒活性干酵母发酵产生；乙酸是乳酸菌生长的特征代谢产物；乙偶姻主要在微生物利用糖类基质中产生［10］。后续可以据此进行不同比例发酵剂配比发酵研究，以寻求更加合理的香气类型。

表1 发酵燕麦提取物挥发性香气成分分析Table 1 Analysis of volatile aroma components in fermented oat extracts

3 结 论

经试验优化，燕麦固态发酵的最适条件为：发酵剂接种量0．2%，发酵温度36℃，发酵时间40h，在此条件下制备的发酵燕麦提取物通过GC－MS共鉴定出9种香气化合物，均在燕麦发酵过程中产生，具有较好的酒酿特征香气，预期发酵燕麦提取物在黄酒、米酒和甜酒酿食品中具有一定的利用价值与空间。若要获得具有酒酿香气的燕麦固态发酵产物，实现工业化生产，还需要对固态发酵在传质、传热和产物纯净度上投入更多的研究。