发酵对粗粮营养价值、抗氧化性以及理化性质的改良研究现状

刘庆艾,史建国,马耀宏,杨俊慧,孟庆军,杨　艳

(山东省生物传感器重点实验室,山东省科学院生物研究所,山东济南 250014)



发酵对粗粮营养价值、抗氧化性以及理化性质的改良研究现状

刘庆艾,史建国*,马耀宏,杨俊慧,孟庆军,杨艳

(山东省生物传感器重点实验室,山东省科学院生物研究所,山东济南 250014)

随着人们生活水平的提高、健康理念的逐渐深入,粗粮逐渐受到现代人的青睐。但是粗粮食品口感粗糙,加工性能较差,而发酵后的粗粮在营养价值、抗氧化性以及理化性质上都更为优良。本文就国内外对粗粮发酵的研究现状,包括发酵菌种、营养价值、抗氧化性以及理化性质等方面进行了概述,旨在为开发新的粗粮发酵食品提供参考。

粗粮发酵,发酵菌种,营养价值,抗氧化性,理化性质

随着生活水平的逐步提高,人们对饮食健康越来越重视,粗粮成为颇受现代人青睐的保健食品。作为医、食双重功效兼备的重要新型食物资源,粗粮在现代绿色保健食品中占有重要地位。它能有效弥补因长期进食高脂肪、高蛋白、高热能食品而导致的在维生素、膳食纤维等方面的摄入不足,使饮食结构更为合理[1-2]。但是粗粮食品口感粗糙、感官性状比较差,吃起来不像“细粮”那样顺口,因此限制了粗粮食品市场的形成与发展。长期以来,人们为了使粗粮食品的口感更为顺滑,采用各种手段对其进行精细加工,尽管口感大大改善,但是精制过程中由于谷胚和麸皮被碾磨掉,使得维生素和矿物质的含量明显减少[3]。

在食品原料加工中,一个非常重要的方面就是应用发酵技术对其进行微生物转化。微生物在发酵过程中发生多种生物化学变化,可以改变粗粮中营养组分和抗营养组分的比例,提高产品的营养价值和感官性状等。从营养学上来讲,发酵后的粗粮不仅保留了脂类、蛋白质、碳水化合物等,还富含多种维生素;且发酵后粗粮中的纤维素和植酸含量降低,降解为易消滞纳入的小分子物质,改善了粗粮的口感[4]。目前,粗粮加工产业仍然存在深加工产品较少、产品附加值低的问题,发酵食品在很大程度上满足了现代人的营养需求,具有较大的开发潜力,已经成为粗粮加工的研究热点之一。因此,本文就国内外对粗粮发酵的研究现状,包括发酵菌种、营养价值、抗氧化性以及理化性质等方面进行了概述,旨在为开发新的粗粮发酵食品提供参考。

1　发酵菌种

目前在粗粮发酵方面,常用的发酵菌株有细菌(乳酸菌、枯草芽孢杆菌)、真菌(酵母菌、霉菌)以及多菌株混合发酵等,通过微生物发酵产生相应的酶来改变粗粮中糖分、淀粉、蛋白质等物质的结构,从而改善粗粮的营养成分及加工性能[5-6]。

1.1细菌

用于粗粮发酵的细菌主要有乳酸菌和枯草芽孢杆菌。乳酸菌的产酶能力较弱,但是它在发酵过程中产生的乳酸能够改善食品风味,并且乳酸发酵能够增加直链淀粉的相对含量,破坏蛋白质、纤维素和淀粉的紧密结构,从而改善粗粮的粘度、韧性以及保水力等加工性能[7]。徐忠等采用乳酸菌对玉米粉进行改性处理,发现改性后玉米粉的凝沉性下降,膨胀度、溶解度及透光性提高,其加工性能得到了改善[8]。但是乳酸菌发酵也存在一定缺陷,单一的乳酸菌发酵无法充分降解淀粉、纤维素等物质,且其厌氧生长条件也难以适应大规模的固态发酵生产[9]。

枯草芽孢杆菌不仅酶系众多而且产酶能力强,其发酵过程中产生的淀粉酶可将支链淀粉降解成直链淀粉和可溶性多糖,将被包裹的蛋白质释放出来,有利于蛋白质的交联,从而提高粗粮粉的黏度和韧性。此外,枯草芽孢杆菌也能够将粗粮中的大分子物质分解为小分子物质,从而提高其营养物质的利用率[10]。闫亚婷等选用枯草芽孢杆菌对玉米粉进行固态发酵,发酵后的玉米粉淀粉含量明显下降,分解率高达37.76%,淀粉的相对分子质量也显著降低,且可溶性糖含量比发酵前提高了1.72倍[11]。但是枯草芽孢杆菌在发酵过程中会产生难闻的气味,因此利用它来改善粗粮品质的方法还有待改进。

1.2真菌

酵母菌和霉菌是在粗粮发酵中经常用到的菌株。酵母菌不仅能降低粗粮中的还原糖含量,还能利用一部分可溶性淀粉,使发酵后的粗粮能够满足糖尿病病人等特殊人群的需要。且酵母菌在发酵过程中还能够产生醇类物质,有利于改善食品的风味[12]。李蒙蒙等研究了不同酵母发酵对荞麦营养成分及抗氧化性的影响,发现经果酒酵母、葡萄酒酵母、异常汉逊酵母发酵后,荞麦中总多酚和总黄酮含量明显提高,发酵荞麦提取物的抗氧化活性也显著提升,且与总多酚、总黄酮含量呈相关性[13]。但是酵母菌酶系单一,不能分解蛋白质和纤维素等大分子物质,很难更好的改变粗粮的营养成分和加工性能[14]。因此,通过菌种诱变筛选出适合发酵要求的菌株成为下一步的研究重点。

霉菌中含有蛋白酶和纤维素酶等多种酶系,能够将粗粮中的蛋白质和纤维素等物质降解成易被人体吸收的寡肽和可溶性糖等小分子物质,从而提高营养物质的利用率,改善粗粮的营养结构。同时霉菌在发酵过程中还会产生新的代谢物,使粗粮的营养成分更加丰富和均衡[15]。常用的霉菌种类有米曲霉、黑曲霉、米根霉等。赵丹等人用米曲霉、米根霉3.2751、3.1175分别发酵紫米、小米和荞麦,发现发酵后还原糖和氨基酸的含量均显著提升[16-18]。但是霉菌发酵过程不易精确控制,菌丝体在培养基表面生长影响食品感官,且过量的霉菌还会导致食品腐败[19]。因此,霉菌发酵在粗粮加工中的应用还需进一步探索。

1.3多菌株混合

多菌株混合发酵通过各菌种间的协同作用产生单一菌种不易产生的酶和营养物质,既能改变粗粮粉的营养结构、提高营养利用率,又能改善其加工性能和食用品质[6]。Wang 和Fields报道,利用酿酒酵母和热带假丝酵母混合发酵玉米粉,可以改善玉米粉的氨基酸平衡[20]。Hamad和Al-Shoshan用嗜热脂肪芽孢杆菌与扣囊拟内孢霉混合发酵玉米粉,使其蛋白质含量从9.75%提高到13.25%[21]。然而,混合发酵也面临着诸多问题,如:各菌株最适生长条件不同,同步培养困难;各菌株在发酵过程中相互作用和影响的机理尚不明确,难以精确合理配比;菌种及其代谢产物间相互影响,可能产生对人体有害的物质等[22]。只有解决上述问题,多菌株混合发酵在粗粮加工中才能得到更好的推广和应用。

2　发酵对粗粮营养价值的影响

从营养学角度来讲,发酵后的玉米面、高粱面、荞麦面等粗粮营养更为丰富。这是因为微生物中含有丰富的酶系,能够将粗粮中的大分子物质降解成利于人体吸收的小分子物质,提高其营养物质的利用率;同时微生物在发酵过程中还会产生新的代谢产物,使得粗粮的营养成分更加丰富和均衡。因此,利用微生物发酵来提高粗粮粉的营养价值引起了国内外诸多研究者的注意。Zamora与 Fields研究证实,豇豆、鹰嘴豆用其豆科植物共附生微生物发酵后,营养价值明显提高,其中这两种豆类中的必需氨基酸赖氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸等的含量能够提高1～8倍[23]。Hamad和Fields研究发现,自然发酵可使稻米、小米、燕麦以及玉米中可利用的赖氨酸含量增加,相对营养价值大大提高[24]。

在早期研究中,Fields等未在发酵基质中添加无机氮和pH缓冲物质,因此蛋白质的含量增加较少。杨建雄等用玉米粉做发酵基质,添加草酸铵为氮源物质,用磷酸盐缓冲液来缓减pH的下降,并在接种热带假丝酵母的同时加入淀粉酶。经过3 d发酵后,蛋白质、硫胺素、核黄素等营养物质的提高非常显著,远大于Fields等人的研究成果[25]。但是淀粉酶成本较高,因此杨建雄等用枯草杆菌发酵将玉米粉中的大分子糖转化为小分子糖,同时接种热带假丝酵母,并在培养基中添加无机氮和pH缓冲物质,发酵后玉米粉中的蛋白质含量显著提高,且成本较低[26]。

微生物发酵不仅能够提高粗粮中的蛋白质含量,其他一些营养物质,如维生素、叶酸、游离钙等的含量也有所增加。毕德成和柳黄用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌来发酵某些谷物,经发酵的玉米粉及豆浆粉中赖氨酸和蛋氨酸含量明显提高。此外,B族维生素、游离钙、游离铁和游离氮的含量也有一定程度的增加[27]。Katina等研究发现,利用酿酒酵母发酵发芽的黑麦,其营养价值提高显著,尤其是叶酸、游离酚酸以及总酚化合物的含量[28]。翟飞红等用姬松茸固态发酵7种谷物(小麦、大米、燕麦、玉米、小、糜米和高粱),发现发酵时间的延长有利于谷物中营养成分含量的提高,其中小米的总酚含量最高,达到1.95 mg/g;燕麦的水溶性蛋白和还原糖含量最高,分别达到74.24、123.18 mg/g[29]。

3　发酵对粗粮抗氧化性的影响

谷物中蕴集着大量多酚类化合物,例如酚酸、黄酮以及原花青素等,这些化合物具有很强的抗氧化能力,开发潜力巨大。现代医学研究证明,很多疾病如心脏病、组织器官老化等都与过剩的自由基有关,而谷物多酚能够有效地清除人体内过剩的自由基,且对自由基诱发的生物大分子损伤起到保护作用,延缓人体组织器官的衰老。这主要是由于多酚的酚羟基结构(邻苯二酚或邻苯三酚)中的邻位酚羟基很容易被氧化成醌,消耗环境中的氧,同时对活性氧等自由基具有很强的捕捉能力[30-31]。

长期以来,人们利用微生物发酵来提高食品的性能品质,因为在微生物发酵过程中伴随着多种生物化学变化的发生,有助于提高食品的生物活性[4]。Moore等人使用酵母菌固态发酵麦麸,发现麦麸中酚酸及总酚含量显著增加,其清除过氧化氢、二铵盐阳离子、DPPH及羟基自由基的能力明显提高[32]。Lee等用各种安全的丝状真菌,包括Aspergillusawamori,Aspergillusoryzae,Aspergillussojae,Rhizopusazygosporus以及Rhizopussp. No. 2 来发酵黑豆,研究发酵前后黑豆抗氧化能力的变化。实验结果表明,发酵黑豆中多酚、花青素含量显著上升,抗氧化能力得到改善[33]。Juan等研究发现,经枯草芽孢杆菌固态发酵后,黑豆提取物的抗氧化活性显著提高,进一步检测发现其中的总酚、类黄酮含量明显高于发酵前[34]。王勇等在研究真菌固态发酵玉米的过程中发现,经米根霉3.2751发酵的玉米中总酚含量增加,清除脂质过氧化自由基的能力显著提高,抗氧化能力明显增强[35]。邓文辉通过单菌和混合菌发酵实验,选择益生菌纳豆芽孢杆菌和短乳杆菌混合固态发酵黑米糠,在最优发酵条件下,发酵后黑米糠的DPPH自由基清除率达到73%,使黑米糠的抗氧化活性显著提高,为开发高抗氧化性黑米糠健康食品提供了一条可行途径[36]。张慧芸等采用德氏乳杆菌和啤酒酵母菌分别对4 种谷物(小米、燕麦、黑米、高粱)进行发酵,然后对发酵后的谷物提取物进行分析检测,结果发现经这两种微生物发酵后,谷物中的总酚含量均显著增加,其中德氏乳杆菌效果更为显著,经它发酵的谷物提取物DPPH自由基清除能力均有所提高,差异显著(p<0.05),抗氧化能力明显增强[37]。上述研究表明,利用微生物发酵来提高粗粮食品的抗氧化能力,不失为一种可行的手段

4　发酵对粗粮理化性质的影响

虽然粗粮具有诸多优点,日益受到追捧,但是受其自身特性的限制,使得粗粮粉面团品质较差,口感粗糙,食用受到很大限制。长期以来,人们利用微生物发酵的方法来提高食品的口感、质地、保质期和营养价值等。其中,自然发酵和乳酸菌发酵应用最为广泛。

自然发酵是利用自然环境中的天然野生菌种对谷物进行发酵,这些微生物中含有丰富的酶系,多种酶联合作用能够改变谷物中淀粉、蛋白质、纤维素等大分子物质的结构,使蛋白质之间的交联更加紧密,提高了粗粮粉的韧性和黏度,从而改善了其加工性能。袁美兰等利用自然发酵来改变玉米淀粉的物理性质,以此来制作粉条。研究发现,自然发酵后高温下玉米淀粉的膨润力显著降低,玉米淀粉的凝胶强度增强,改变了淀粉的糊黏度性质。同时,使用发酵玉米淀粉制作的粉条口感爽滑、耐咀嚼,拉伸性能得到改善,品质显著提高[38]。李新华等将玉米渣经自然发酵后制成玉米粉,发现其保水力增大,糊化性质改善,膨胀率和透光率也都不同程度地优于普通湿磨粉[39]。韩立宏等研究了自然发酵对荞麦挤压面条质地的改善效应,拉伸测试及 RVA 快速黏度分析结果表明,自然发酵96 h后,面条的最大破断应变从24.7%增加到29.4%,破断功增加了0.25kg·mm;自然发酵还使糊化过程中淀粉颗粒的膨胀率及崩解率加速,降低了淀粉糊化时的峰值黏度、谷值黏度以及终黏度,使得发酵荞麦面条的凝胶强度增强,凝胶结构更加致密[40]。马涛等研究了自然发酵对糙米煎饼理化性质的影响,发现发酵煎饼中蛋白质含量增加,经过微生物的作用后蛋白质和脂肪更容易被人体吸收利用,煎饼的营养价值明显提高;并且发酵后煎饼的抗老化能力增强,易于保藏,外观颜色更加诱人,感官品质得到提高[41]。

人们常用乳酸菌发酵来改善食品的口感和质构,增强风味和营养价值。乳酸菌发酵能够破坏蛋白质、纤维素和淀粉分子的紧密结构,使粗粮粉中直链淀粉的相对含量增加,既有利于大分子物质的进一步降解,又使得蛋白质更易形成网状交联,从而改善了粗粮的加工性能和食用品质。滕建文等利用乳酸菌对玉米进行发酵,并对其过程进行详细解析,发现发酵玉米中直链淀粉含量增加,支链淀粉的分子量开始接近大米支链淀粉的分子量,且玉米的糊化温度降低,为制作米粉提供了必要条件[42]。万晶晶等以燕麦粉为原料,分别利用植物乳杆菌和旧金山乳杆菌对其进行发酵,研究发现,随着发酵时间的延长,发酵后燕麦淀粉糊化的峰值黏度、终值黏度和破损值逐渐降低,糊化的起始温度提前,糊化焓上升;且经旧金山乳杆菌发酵后,燕麦淀粉的吸收焓值高于植物乳杆菌发酵的样品;乳酸菌发酵燕麦淀粉中的直链淀粉含量呈上升趋势[43]。胡耀辉等采用乳酸菌发酵法对荞麦粒进行改性并制备荞麦粉,研究温度、时间及不同接种量对发酵荞麦粉性质的影响。研究发现,经乳酸菌发酵处理后,荞麦粉的保水力、膨胀率和透光率分别提高了19.8%、18.7%、41.9%[44]。刘晓峰等利用乳酸菌发酵玉米粉,对发酵玉米粉的理化性质进行分析,发现其保水力和凝胶体积膨胀率均比对照组有了不同程度的增加;发酵使得玉米粉的峰值黏度、衰减值、最终黏度提高,糊化起始温度提前,玉米粉的加工性能得到改善[45]。

5　展望

目前市场上粗粮食品种类繁多,但是真正的粗粮发酵食品尚不多见。微生物发酵在改善粗粮食品的营养保健方面发挥着重要作用,但是目前的研究仍然存在较多问题,一是发酵方式比较粗放,缺乏科学规范的实验体系,初级加工多,深加工少,多层次开发的产品更少。二是对发酵过程中相关酶类的变化研究较少,有关微生物发酵提高粗粮营养价值的机制尚不明确;三是当前的研究还停留在基础研究阶段,离产业化还有一定的距离,大多数企业处于小规模加工阶段,技术水平低,缺乏市场竞争力。因此,应尽快构建系统的粗粮发酵研究创新平台与网络,加强粗粮发酵领域的共性关键技术、加工装备与新产品的研究和开发,实现基础研究与产业化生产的有效结合。深入研究发酵粗粮的营养品质、加工品质及其评价技术等,根据市场需求,重点开发药食兼用、具有保健功能的粗粮功能食品、健康食品,同时发展地域特色食品及相关的产业化研究,这对粗粮食品的开发与利用具有重要意义。

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Improvement effect of fermentation on the nutrition,inoxidizability and physicochemical property of coarse grains

LIU Qing-ai,SHI Jian-guo*,MA Yao-hong,YANG Jun-hui,MENG Qing-jun,YANG Yan

(Key Laboratory for Biosensors of Shandong Province,Biology Institute of Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China)

With the improvement of living standard and the gradual development of health concept,people began to keen to eat coarse grains food. But the coarse grains foods taste rough,and their processing qualities are poor. After fermentation,the nutrition,inoxidizability and physicochemical property of coarse grains are all improved. In this paper,the research status of fermented coarse grains at home and abroad were summarized,including fermented strains,nutritive value,inoxidizability,and physicochemical property,aiming to provide a reference for developing new fermented coarse grains food.

coarse grains fermentation;fermented strains;nutritive value;inoxidizability;physicochemical property

2015-03-25

刘庆艾(1986-)，女，博士，助理研究员，研究方向：微生物学，E-mail:Eliuqingai1986@126.com。

史建国(1960-)，男，博士，研究员，研究方向：微生物学，E-mail:shijg@sdas.org。

济南市科技计划项目(201305021)。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000