植物乳杆菌与米根霉混合固态发酵改善玉米粉理化加工特性

胡畔，杨萍，郭天时

1(哈尔滨商业大学 食品学院，黑龙江 哈尔滨，150076)2(绥化学院，黑龙江 绥化，152061)

玉米是全球分布最广泛的谷物之一[1]，也是我国重要的粮食作物。玉米是一种营养丰富的粗粮食品，但由于其果实结构中玉米芯所占比例太大，所以更多是制作成玉米粉以便于贮运。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较大。

近些年来，关于谷物食品质构改良的研究越来越广泛，微生物发酵是其中一种安全性和适用性较好的食品质构改良技术。乳酸菌是在食品发酵的研究和应用中较广泛的一种有益菌，秦洋[3]对乳酸菌发酵玉米粉进行了工艺优化，最佳发酵条件为发酵液20%(发酵母液菌体浓度107～108CFU/mL)，时间96 h，温度37 ℃。发酵后的玉米粉黏性升高了5.2倍，弹性升高了3.2倍，胶着性升高了3.1倍。许梅[4]用乳酸菌、纤维素酶和葡萄糖氧化酶对糯玉米粉进行生物复合改性，使其黏度值增大到34.1 Pa·S。

不过，乳酸菌分泌的淀粉酶和蛋白酶活力不够高[5]，在缺水的情况下，乳酸菌难以充分利用基质中的碳源氮源，而同样具有食品安全性的米根霉则弥补了乳酸菌的这一缺点。淀粉酶和蛋白酶活力较高的米根霉可以降解固态底物中的淀粉和蛋白质，降解后的小分子糖和氨基酸可以直接被乳酸菌利用，这样就实现了二者混合的固态发酵。吴寒[6]用米根霉和乳酸菌对燕麦进行固态发酵，发酵后燕麦中可溶性蛋白含量达到107.478～115.77 mg/10 g，氨基酸态氮含量达到了40.66～41.67 mg/100 g，总多酚含量达到12.37～13.17 mg没食子酸当量/10 g。牛萌萌[7]用米根霉和乳酸菌混合固态发酵大麦仁，发酵后其干粉提取液的·OH和DPPH自由基清除率分别达到93.4%和80.2%。

当前文献中，尚未见利用混合菌种固态发酵玉米粉的研究，因此本文用乳酸菌和米根霉对玉米粉进行混合固态发酵，旨在通过改变玉米粉的物化性质来改善其制作加工性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

玉米粉，市售；植物乳杆菌ZLC-18、米根霉AS 3.866，哈尔滨商业大学实验室保藏。

1.2 仪器设备

SYQ-DSX-280A手提式不锈钢压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；HPX-9082MBE数显电热培养箱，上海博讯实业有限公司；DT5-1离心机，北京时代北利离心机有限公司；RVA4500快速黏度仪，瑞典Perten公司；Diamond差示扫描量热仪，美国Perkin Elmer公司；TA new plus质构仪，英国Stable Micro System公司；MCR102旋转流变仪，奥地利Anton-Paar公司。

1.3 实验方法

1.3.1 乳酸菌发酵液的制备

种子液的制备：在MRS固体培养基上37 ℃下斜面培养24 h，然后接种到装有8 mL MRS液体培养基的试管中，37 ℃下振荡培养48 h。

乳酸菌发酵液的制备：将种子液吸取2 mL加入到装有200 mL MRS液体培养基的三角瓶中，37 ℃下振荡培养至菌体浓度为108CFU/mL。

1.3.2 样品的制备

将玉米粉过120目筛后，称取100 g备用，记为未发酵样品；另称取过筛后的玉米粉100 g加入锥形瓶中，倒入200 mL蒸馏水，充分搅拌使其均匀。在121 ℃下高压灭菌25 min。冷却后加入15 mL乳酸菌发酵液和0.15 g米根霉菌粉，无菌环境下混合均匀，32 ℃恒温下发酵72 h，再经过烘干粉碎等处理后备用，记为混合菌发酵样品。

依照上述方法用15 mL乳酸菌和0.15 g米根霉分别单独发酵进行效果对比。

1.3.3 基本成分测定

测定发酵前后玉米粉基本成分的质量，根据质量比例计算其相对含量。水分测定方法参照GB 5009.3—2016；蛋白质测定方法参照GB 5009.5—2016；脂肪测定方法参照GB/T 5512—2008；淀粉测定方法参照GB/T 5514—2008；纤维素测定方法参照GB 5009.88—2014；灰分测定方法参照GB 5009.4—2016。

1.3.4 直链淀粉含量测定

采用亚硫酸法[8]对玉米粉中的淀粉进行提取，然后用GB/T 15683—2008分光光度法(无需进行脱脂处理)测量其中直链淀粉的比例。

1.3.5 持水力测定

参照高宇萍等[9]的方法，精确称取1.000 g 样品于100 mL 三角瓶中，加入 80 mL 双重水，搅拌4 h后4 000 r/min离心20 min，去尽上清，称重。持水力按公式(1)计算：

(1)

式中:WHC，持水力，g/g；m0,离心前干质量，g；m1,离心后湿质量，g。

1.3.6 凝胶力测定

取1个100 mL烧杯，精确称重，记录其质量；再精确称取2.000 g样品于此烧杯中，加入10 mL蒸馏水，充分搅拌均匀。加热煮沸10 min，去上清，记录此时样品和烧杯的总质量，凝胶力按公式(2)计算：

(2)

式中:GC，凝胶力，g/g；m0，烧杯质量，g；m1，处理后样品和烧杯总质量，g。

1.3.7 糊化性质测定

称取3 g样品加入25 mL蒸馏水混匀，用快速黏度仪(rapid visco analyzer, RVA)依据GB/T 14490—2008的方法设置参数进行测试。

1.3.8 糊化过程中吸热焓测定

糊化过程中，用差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC)测量样品的吸热焓，设置参数为：样品质量10 mg，升温范围为30～150 ℃，升温速度为10 ℃/min，氮气流速1 L/min。

1.3.9 玉米面团质构性质测定

采用物性测定仪对发酵前后玉米面团进行全质构分析(texture profile analysis, TPA)：将5.0 g样品与5.0 mL的水混合，捏成长宽高分别为30、30、10 mm左右的面团，置于测试台上进行质构测定。玉米面团全质构分析具体参数设置为：测试探头为P50；接触点负载为5.00 gf；测试类型为下压；测试目标值为形变至30.00%；测试前速度为2.00 mm/s；测试中速度为1.00 mm/s；测试后速度为1.00 mm/s；测试次数为1次。

1.3.10 玉米面团蠕变-恢复特性测定

面团制备同1.3.7，参照ROUILLÉ等[10]的方法，用旋转流变仪测定，设置参数为：应力250 Pa，应力施加时间100 s，样品松弛时间300 s，扫描频率1 Hz，温度25 ℃。

2 结果与分析

2.1 基本成分变化

经过烘干等处理，使发酵后玉米粉水分含量与发酵前相同，通过表1可以看出脂肪、蛋白质、纤维素和灰分的相对含量均有不同程度下降，而淀粉的含量得到提升。虽然混合菌种水解了部分淀粉，然而在控制米根霉添加量的情况下，脂肪和蛋白质被水解的程度更高。乳酸菌对纤维素具有一定降解能力[11]，而脂肪和蛋白质的水解，使得与其以复合分子形式存在的纤维素和无机盐类得以释放出来，纤维素进一步降解，包埋的无机盐类更易溶出，所以发酵后除淀粉外的其他成分均有不同程度的降解。淀粉虽然也被降解，聚合度变低，但由于其分子结构特性，更多是由支链淀粉转化为直链淀粉，总淀粉成分损失并不特别大，而由于其他成分的水解，淀粉在玉米粉中的相对含量得以大幅提升，这是2个菌种协同发酵的结果。BALDWIN等[12]和HATCHER等[13]分别在各自研究中阐述了蛋白质和脂肪与淀粉的复合分子结构，其中淀粉多是处于复合分子的内部，而蛋白质和脂肪多在复合分子的表面，与本研究结果相似。

表1 发酵前后玉米粉基本成分变化 单位:%

注：同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 淀粉中直链淀粉比例的变化

根据标准曲线，计算出发酵前后玉米淀粉中直链淀粉比例，结果见图1。

发酵后玉米淀粉中的直链淀粉比例升高，原因是在发酵过程中，部分支链淀粉的侧链被水解，形成直链淀粉分子。这个结果与闫亚婷[14]研究结果的趋势是一致的。乳酸菌单独发酵后的直链淀粉比例提高幅度很小，因为其在缺水条件下，所产生淀粉酶酶活力较低；米根霉由于所产生的淀粉酶酶活力较高，所以效果较其显著；2个菌种混合发酵时，米根霉的发酵作用为乳酸菌提供了一些小分子营养物，对其具有促进作用，进而更加充分利用乳酸菌产生的淀粉酶，所以效果最为显著。

图1 发酵前后玉米淀粉中直链淀粉比例

2.3 持水力的变化

由图2可以看出，经发酵后，玉米粉的持水力下降，尤其是混合菌发酵后下降得更为明显。因为在发酵过程中，淀粉的平均分子量因水解而降低，甚至水解为可溶于水的麦芽糖、葡萄糖等；混合菌的发酵作用使复合分子中的蛋白质和脂肪成分也被水解，致使这些复合大分子在一些连接处产生断裂成为小分子。这2种菌的发酵作用都会使玉米粉在水中的沉淀作用减弱，同时小分子的含量增加。持水力的测定需要经过离心等步骤，在离心时，有些小分子并未在离心管底部成为沉淀体，而是留在上清液中，发酵作用又使得这种小分子在玉米粉中的含量增加，进而使发酵后玉米粉持水力降低。徐忠等[15]用植物乳杆菌以液态形式发酵玉米粉，也发现了持水力的降低与淀粉分子和蛋白质分子的结构被破坏有关。

图2 发酵前后玉米粉持水力的变化

2.4 凝胶力的变化

由图3可以看出，经发酵后，玉米粉凝胶力有所提升。发酵作用使玉米粉中的蛋白和脂类成分很大程度被水解，纯化了玉米粉中淀粉的成分。淀粉中相当一部分支链淀粉的侧链发生水解，支链淀粉的链长、分支化度以及所占淀粉比例均相应降低。直链淀粉的含量升高，其聚合度却由于米根霉的发酵而降低。在凝胶时，这些低聚合度的直链淀粉分子更易通过氢键结合形成三维网状结构，因此发酵后的玉米粉凝胶力变大。

图3 发酵前后玉米粉凝胶力的变化

杜先锋等[16]认为在确定淀粉浓度的情况下，淀粉凝胶力主要与直链淀粉平均分子量和聚合度、支链淀粉的分支化度和平均链长等分子结构因素有关。

2.5 糊化特性的变化

由图4及表2可知，发酵后玉米粉糊化过程中最终黏度、衰减值和回生值有所降低，峰值时间和糊化温度在一定程度上有所上升。未发酵的玉米粉中有蛋白质、淀粉、脂肪等多种物质，因此RVA黏度测定值并不能绝对对应淀粉在糊化过程中的相应变化，蛋白质变性、脂肪碳链变长等变化都会对测定值产生影响。发酵后的玉米粉，虽然直链淀粉含量增大，但由于其中蛋白质和脂肪等物质大部分被水解，发酵作用纯化了淀粉成分，所以其最终黏度、衰减值和回生值还是明显降低。

图4 发酵前后玉米粉的糊化曲线

表2 发酵前后玉米粉的RVA特征参数

发酵前，玉米粉中许多直链淀粉与脂类物质中的硬脂酸相结合形成难以被糊化的复合物。发酵后，大部分脂类物质被水解，直链淀粉得到纯化，而比例增加的直链淀粉因为氢键结合在一起，糊化所需内能变大，因此糊化温度和糊化时间都有小幅度的增加。秦洋[3]用乳酸菌液态发酵玉米粉后也发现了其糊化性质有类似变化。孙曙光[17]研究了脂类对淀粉性质的影响，发现脂肪酸与淀粉形成复合物抑制了淀粉颗粒的膨胀，糊化温度也相应升高。

2.6 吸热焓的变化

由图5和表3可知，发酵前后的玉米粉均呈现双峰。相比较来说，未发酵的玉米粉2个吸热峰都较弱，原因是玉米粉中有一定比例的蛋白质和脂肪，所以淀粉的糊化特性表现得并不十分明显。经发酵后，玉米粉中的淀粉成分相对含量增加，其微观结构上由晶态完全熔为非晶态需要吸收更多的能量，会出现更强的吸热峰，进而糊化温度升高，糊化时间增加，吸热焓升高。孟庆虹等[18]研究玉米抗性淀粉的形成过程中发现其总糊化时的总吸热焓远远大于普通玉米粉。

2.7 玉米面团质构特性变化

由表4可见，发酵后的玉米粉除了硬度出现了不显著的小幅下降，其余指标均有所上升。

图5 发酵前后玉米粉DSC曲线图

表3 发酵前后玉米粉DSC特征参数

注：T0表示相变起始温度；TP表示峰值温度；TC表示相变结束温度；ΔH表示吸热焓

表4 发酵前后玉米面团TPA特征参数

发酵作用使部分蛋白质和脂肪得以水解，原本被其包裹着的淀粉分子中的一些亲水基团得以暴露出来。淀粉本身也被部分水解，淀粉颗粒表面出现一些孔洞，致使水分子更容易进入到淀粉颗粒的内部。发酵引起的这些变化都会使玉米粉吸水性变强，更容易形成面团。罗其琪等[19]用鼠李糖乳杆菌发酵后的玉米粉和成面团制成了质构和感官评价俱佳的发糕。

2.8 玉米面团蠕变-恢复特性变化

由图6可知，在应力一直加到100 s时，发酵后的玉米面团比未发酵玉米面团的最大蠕变柔量(Jmax)要大，说明其面团形变相对来说更小，黏弹性更好，更适于加工制作。MASI等[20]的研究结果显示面团的蠕变恢复特性与其分子的交联度、水分含量及水分分布等因素有关。

3 结论

图6 发酵前后玉米面团蠕变恢复实验曲线

经过乳酸菌和米根霉的分别发酵及混合发酵，玉米粉的组分发生了不同程度的改变。其中，混合菌发酵后，玉米粉中淀粉相对含量上升了27.8%，其中直链淀粉含量上升了8.7%，其余成分的相对含量均下降。持水力下降了32%，凝胶力提升了12%。发酵后的玉米粉由于淀粉相对含量升高，所以其糊化特性方面也更趋近于淀粉，出现更明显的吸热峰，总吸热焓也有所升高。糊化过程中衰减值和回生值有所下降，证明了发酵后的玉米粉具有更好的热稳定性和抗回生性。发酵后的玉米面团各项质构指标均有所改善，在食品加工上更具有开发潜力。