乳酸菌对玉米加工特性的影响及基于均匀设计优化玉米发酵条件

王　帅，程建军，倪春蕾，尹　园，佟　露

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)



乳酸菌对玉米加工特性的影响及基于均匀设计优化玉米发酵条件

王帅，程建军*，倪春蕾，尹园，佟露

(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

本实验选择东北地区大面积推广种植具有代表性的8个普通玉米品种和2个糯玉米品种进行研究,通过乳酸菌发酵,分析玉米保水力、膨胀势、溶解度和糊化特性的变化趋势;并以膨胀势作指标,采用均匀实验设计,优化适于发酵的玉米品种及发酵条件。实验结果表明:经乳酸菌发酵,玉米品种间加工特性变化差异显著(p<0.05),糯玉米的保水力、溶解度显著高于普通品种玉米(p<0.05);而膨胀势、回生值显著低于普通品种玉米(p<0.05);普通品种玉米的峰值粘度和衰减值经发酵作用有所降低,而糯玉米品种的峰值粘度和衰减值经发酵后升高。在所选品种中郑单958最适于发酵,料液比1∶2(g/mL),37 ℃发酵5 d,所得玉米粉膨胀势高达12.93 g/g,其加工特性得到有效改善。

玉米,乳酸菌,均匀设计,膨胀势,加工特性

玉米是我国人民日常生活中主要粮食之一,富含多种微量元素、氨基酸、维生素、纤维素等[1]。玉米虽然营养丰富,但由于其口感粗糙、加工过程中难以形成网状结构,黏弹性欠佳,柔韧性差,因此玉米面团品质较差,这极大地限制了玉米在主食方面的应用[2-4]。因此,改善玉米加工品质是扩大其应用的关键。玉米粉的膨胀特性对加工面条、饺子等面食品的品质有重要影响,McCormick[5]和刘锐[6]研究发现膨胀势与面条感官品质及面条质量相关极显著,可用于快速测定面食品品质。

发酵是加工谷物类食品的传统方法,经微生物发酵作用可改变产品的质构、改善产品的风味和口感、提高产品的安全性和营养价值[7]。目前,关于发酵改善谷物食品品质的研究报道很多,许梅[8]等研究了糯玉米粉经4种乳酸菌发酵作用后的性质变化,发酵过程中pH下降,乳酸含量增加,玉米粉的黏度、保水力均有所增加;袁美兰[9]对乳酸菌发酵改善玉米淀粉凝胶质地的机理进行了研究,表明发酵提高了玉米淀粉的凝胶性;李丽等[10]研究表明自然发酵能显著地降低黄米中的蛋白、脂肪、和灰分,纯化了淀粉,改变了黄米的物化性质,提高其营养价值。可以看出通过微生物发酵的方法改善谷物加工特性是国内外研究的热点。

本实验采用实验室保存分离于自然发酵玉米中的两株优势乳酸菌,研究其对10个品种玉米加工特性的影响,通过均匀设计法优化适于发酵加工的玉米品种及发酵条件,筛选出适宜发酵加工的玉米专用品种及条件,为玉米深加工及传统食品的工业化提供理论基础。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

植物乳杆菌(LactobacillusplantarumA9)和弯曲乳杆菌(LactobacilluscurvatusA2)本实验室分离筛选于自然发酵玉米中的两株优势乳酸菌;MRS培养基北京奥博星生物技术有限责任公司;脱脂乳粉黑龙江省完达山乳业股份有限公司;玉米品种:龙单76,龙单56,龙单49,吉单27,先玉335,辽禾6,京科糯,垦粘1号黑龙江省玉米研究所提供;郑单958,垦单13 东北农业大学农学院提供(其中京科糯和垦粘1号为糯玉米品种;其它为普通玉米品种)。

恒温培养箱；电热恒温鼓风干燥箱上海一恒科学仪器有限公司;水浴恒温振荡器江苏金坛亿通电子有限公司;PHM200 pH计美国哈希公司;RVA-Super3-型快速黏度分仪澳大利亚新港科学仪器公司;漩涡振荡器德国IKA公司;胶体磨温州市胶体磨厂;离心机Centrifuge 5430R德国eppendorf公司;高速冷冻离心机GL-21M湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.2实验方法

1.2.1发酵种子液的制备将乳酸菌经脱脂乳培养活化后,3%接种MRS液体培养基中,37 ℃培养20 h,活菌数约6～7×108CFU/mL[11]。

1.2.2发酵玉米粉的制备300 g玉米粒加600 mL无菌水于1000 mL锥形瓶中。乳酸菌A2和A9按1∶1的比例,107CFU/mL的接种量,37 ℃发酵3 d[12]。玉米发酵后经破碎、去胚和渣皮,浆液经胶体磨均质后脱水,45 ℃烘干12 h(含水量约7.5%),粉碎过80目筛。以未发酵的玉米同样操作做对照。

1.2.3发酵过程中pH的测定在玉米发酵过程中,每24 h测定发酵液的pH,记录0～7 d发酵液pH的变化情况。

1.2.4玉米保水力的测定称取干重0.20 g玉米粉样品加入5 mL蒸馏水,振荡20 min,5000 r/min(2935×g)离心20 min,弃上清液,称重。保水力表示为每g样品所吸附的水量[13]。

1.2.5玉米膨胀势和溶解度的测定取玉米粉样品0.25 g加入5 mL蒸馏水70 ℃的水浴振荡加热4 min,取出后漩涡振荡器振荡20 s,继续水浴振荡加热6 min。将其移至沸水浴中再加热10 min,冷却后3000 r/min(1700×g)离心4 min。分别取上清液和沉淀物测定玉米的溶解度和膨胀势[14]。

1.2.6玉米糊化特性的测定采用ICC国际标准No.162推荐的测定方法。称取3.50 g玉米粉样品加入25 mL蒸馏水,测定样品的糊化温度、峰值粘度、保持粘度、最终粘度、衰减值、回生值。

1.2.7均匀设计法优化乳酸菌发酵玉米的品种及发酵条件本实验采用非等水平均匀实验设计,对10个品种玉米进行乳酸菌发酵处理,以膨胀势为指标,优化发酵玉米的发酵条件。实验设计因素水平表如表1,其中X1(玉米品种)为定性因子,发酵温度、料液比和发酵时间,3个因素为定量因子,经过DPS分析软件优化后中心化偏差CD=0.1260。

表1　均匀设计因素水平表

1.3数据处理

每组实验均进行三次以上的平行和重复实验,实验数据采用SPSS分析软件Origin7.5绘图软件和DPS数据处理系统进行分析。

2　结果与分析

2.1乳酸菌发酵玉米过程中pH的测定

10个品种玉米发酵过程中发酵液pH变化情况如图1所示,从图中可以看出,随着发酵时间的延长,发酵液的pH在不断下降,这表明乳酸菌代谢玉米中的糖类物质,产生乳酸。

图1　玉米发酵液pH的变化Fig.1　Changes in pH value of fermented maize

乳酸菌在发酵初期0～2 d,代谢活力旺盛,产生了大量乳酸,发酵液的pH迅速下降;而从第3 d开始,逐渐进入发酵中期与后期,乳酸菌代谢缓慢,乳酸产量渐渐减少,pH呈缓慢下降的趋势。10个品种玉米发酵过程中pH的变化大致可分为两组其中龙丹49、龙丹56、垦单13、先玉335、京科糯和吉单27品种玉米发酵液的pH整体下降较缓,而龙丹76、辽禾6、郑单958和垦粘1号品种玉米发酵液的pH下降相对明显,从pH的降低幅度可以看出龙丹76、辽禾6、郑单958和垦粘1号品种玉米更适宜乳酸菌生长[8]。

2.2乳酸菌发酵对玉米保水力的影响

乳酸菌发酵对玉米保水力的影响如图2所示,不同品种玉米发酵前后保水力在品种间有显著性差异(p<0.05)。在所研究的玉米品种中,未发酵玉米保水力的范围在1.27～1.78 g/g。其中,普通玉米品种的保水力显著低于糯玉米品种(p<0.05)。

图2　乳酸菌发酵对玉米粉保水力的影响Fig.2　The water retention capacity of fermented maize flour by Lactic Acid Bacteria(LAB)注:小写字母a,b,c等代表未发酵玉米性质在p<0.05水平差异显著;大写字母A,B,C等代表发酵玉米性质在p<0.05水平差异显著，图3、图4同。

经过乳酸菌发酵10个品种玉米的保水力均有所提高,发酵玉米保水力从先玉335品种1.6 g/g到垦粘1号品种2.18 g/g,其中垦粘1号玉米保水力经发酵作用提高最大(32.12%);糯玉米品种的保水力显著高于普通品种玉米的保水力(p<0.05)。

保水力的提高是由于乳酸菌在发酵过程中会产生葡萄糖氧化酶,它在氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的过程中所产生的过氧化氢会氧化蛋白质中的巯基(-SH),形成二硫键(-S-S-),从而起到增强面团的网络结构的作用[15]。在玉米粉中的一些蛋白质含有巯基,因此通过葡萄糖氧化酶的作用形成了二硫键,使蛋白质具有较高的保水力,也可以增强面团的网络结构。高的保水力意味着在凝胶中淀粉颗粒能吸收更多的水分,淀粉颗粒吸收更多水分将会促进凝胶的形成。

2.3乳酸菌发酵对玉米膨胀势的影响

乳酸菌发酵对玉米膨胀势的影响如图3所示,不同品种玉米发酵前后膨胀势在品种间有显著性差异(p<0.05)。在所研究的玉米品种范围内,发酵前,普通玉米郑单958品种膨胀势最高9.98 g/g;而其他玉米品种间无显著差异(p<0.05);经发酵玉米的膨胀势均有所提高,垦单13、郑单958品种的膨胀势显著高于其他品种(p<0.05),但龙单49品种玉米膨胀势经发酵作用提高了36.47%。糯玉米品种的膨胀势发酵前后均低于普通品种玉米。

图3　乳酸菌发酵对玉米粉膨胀势的影响Fig.3　The swelling power of fermented maize flour by LAB

由于淀粉颗粒结晶结构的影响,直链淀粉分子间由氢键结合成晶态结构,乳酸菌发酵产生的酸及酶类物质渗入困难,所以直链淀粉的α-1,4糖苷键不易被分解。而淀粉颗粒中无定形区域中支链淀粉分子的α-1,4键和α-1,6键其较易被渗入,发生降解,使玉米粉中支链淀粉含量降低,直链淀粉的相对含量升高[16-17],膨胀势增加。由于糯玉米品种基本不含直链淀粉,所以发酵后糯玉米品种膨胀势低于普通玉米品种。

2.4乳酸菌发酵对玉米溶解度的影响

乳酸菌发酵对玉米溶解度的影响如图4所示,不同品种玉米发酵前后溶解度在品种间有显著性差异(p<0.05)。发酵前,普通玉米郑单958和垦单13品种溶解度显著高于其他玉米品种(p<0.05);经发酵玉米的溶解度均有所提高,京科糯玉米溶解度达5.69%显著高于其他品种玉米(p<0.05),其中龙单76品种溶解度经发酵作用提高最大(237.41%)。

图4　乳酸菌发酵对玉米粉溶解度的影响Fig.4　The solubility of fermented maize flour by LAB

表2　乳酸菌发酵对玉米糊化性质的影响

注:不同英文字母表示在p<0.05水平差异显著。

玉米粉的溶解性对淀粉基制品的加工特性有较大影响。玉米粉经过乳酸菌发酵后,乳酸菌产生的乳酸及酶类物质都会引起玉米内部结构的改变尤其是无定形区的支链淀粉降解,使得玉米粉中的可溶性物质更易析出导致溶解度提高。同时由于发酵作用破坏了淀粉颗粒的结构,淀粉受热膨胀过程中直链淀粉也更易溶出而导致溶解度增加[18]。

2.5乳酸菌发酵对玉米糊化性质的影响

乳酸菌发酵对玉米糊化性质影响如表2所示。由表2可知,不同品种玉米发酵前后糊化温度在品种间有显著差异(p<0.05)。发酵前,糊化温度从京科糯70 ℃到吉单27的73.1 ℃;经发酵,玉米的糊化温度有所提高,其中发酵玉米郑单958、垦单13的糊化温度显著低于其他品种玉米。这是由于发酵对淀粉无定形区域的优先降解导致淀粉结晶结构、片层结构等聚集态结构比例变化、排列程度更趋于完美,颗粒结构更加紧密[19];此外,发酵强化了淀粉分子的重排[20],使玉米粉中淀粉颗粒结构难以被破坏,从而提高了糊化温度。

经过乳酸菌的发酵作用,玉米的峰值粘度变化因品种不同而有所差异。普通品种玉米的峰值粘度经发酵作用后有所降低,其中发酵后的郑单958品种峰值粘度显著高于其他普通品种玉米(p<0.05);但糯玉米品种经发酵后峰值粘度却有所升高,京科糯和垦粘1号品种玉米发酵后峰值粘度达5541 cp和5527 cp分别提高了42.6%和22.0%。发酵降低玉米的峰值粘度是由于发酵使玉米淀粉中无定型区域支链淀粉的短链降解从而导致支链淀粉平均聚合度和平均链长降低淀粉分子变小、空间位阻减小,这已被Chang[21]等所证实。

衰减值的变化趋势与峰值黏度相似,发酵前,普通玉米品种辽禾6衰减值2345 cp显著低于其他玉米品种(p<0.05);发酵后,普通玉米品种的衰减值均降低,衰减值是反映淀粉在加热搅拌过程中抵抗机械剪切的能力,是淀粉在加热过程中颗粒结构瓦解难易程度的量度[22]。研究表明发酵使普通品种玉米粉抗高温下剪切力的能力得到增强;但京科糯和垦粘1号两个糯玉米品种经发酵后衰减值有所提高。发酵对糯玉米品种峰值粘度和衰减值的影响与普通品种玉米不同,这有待进一步研究探讨。

不同品种玉米发酵前后回生值在品种间有显著性差异(p<0.05),糯玉米品种的回生值显著低于普通品种玉米(p<0.05);发酵前,普通玉米垦单13、吉单27回生值显著低于其他普通玉米品种(p<0.05);经过乳酸菌发酵作用,所有玉米品种的回生值均有所降低,其中普通玉米郑单958回生值降低最明显(22.07%),显著低于其他普通玉米品种(p<0.05)。

支链淀粉的平均外支链长度对玉米粉回生速率有重要影响,随着发酵的进行,支链淀粉分支部分被适度降解,支链淀粉外支链长度发生变化,使回生速率降低[23]。回生值可评价玉米粉的抗老化性质,经发酵玉米回生值降低,说明其抗老化性能得到增强。

2.6均匀设计法优化乳酸菌发酵玉米的品种及发酵条件

2.6.1回归分析和显著性分析本实验采用DPS数据处理系统中的二次多项式逐步回归求解。经过DPS软件优化后得出实验方案见表3,优化后回归方程及相关系数计算结果见表4,可以看出,以膨胀势为指标的回归方程的相关系数达到0.9999;显著水平p为0.004,相关极显著(p<0.01)。

表4　回归方程及显著性分析

表3　实验方案及实验结果

2.6.2乳酸菌发酵玉米的最适品种及最佳发酵条件经DPS数据处理后,根据回归方程及显著性分析得到最优发酵条件组合为:品种郑单958,料液比1∶2,温度37 ℃发酵5 d,膨胀势可达12.59 g/g。

2.6.3验证实验根据上述分析,选择适于乳酸菌发酵的玉米品种郑单958,在料液比1∶2的条件下,37 ℃发酵5 d。实验验证结果如表5。结果表明,在此条件下所得的实验结果基本一致,说明此条件的实验效果是稳定可靠的。验证实验膨胀势(12.93 g/g)高于方程预测值(12.59 g/g),说明此条件具有实际意义。所以选择适于乳酸菌发酵的玉米品种郑单958,在料液比1∶2(g/mL)的条件下,37 ℃发酵5 d制备发酵玉米粉。

表5　验证实验结果

3　结论

乳酸菌发酵使玉米的保水力、膨胀势以及溶解度提高。其中普通品种玉米品种与糯玉米品种相比其膨胀势较高而保水力和溶解度较低。乳酸菌发酵对不同品种玉米的糊化性质影响不同,经发酵10个品种玉米的糊化温度有所升高,回生值降低。普通玉米品种的峰值粘度和衰减值经发酵作用有所降低,而糯玉米品种的峰值粘度和衰减值经发酵后升高。通过均匀设计实验优化得出:适于发酵的玉米品种为郑单958,在料液比1∶2(g/mL),37 ℃条件下发酵5 d,经验证实验,按此方法生产出的发酵玉米粉膨胀势高达12.93 g/g,加工品质得到改善。

[1]石明亮,薛林,胡加如,等. 玉米和特用玉米的营养保健作用及加工利用途径[J]. 中国食物与营养,2011,17(2):66-71.

[2]李建珍. 玉米粉质构重组技术研究及其产品开发[D]. 长春:吉林农业大学,2011:1-2.

[3]刘晓涛. 玉米的营养成分及其保健作用[J]. 中国食物与营养,2009,(3):60-61.

[4]潘惟谦,修琳,刘景圣. 响应面法优化玉米营养粉预糊化工艺[J]. 食品工业,2013,34(9):99-102.

[5]许东河. 膨胀势测定在选择小麦面条品质方面的应用[J].麦类作物学报,1992(6):28-30.

[6]刘锐,魏益民,邢亚楠,等.小麦淀粉与面条质量关系的研究进展[J].麦类作物学报,2013,33(5):1058-1063.

[7]Dirar H A. Commentary:The fermented foods of the Sudan[J].Ecology of Food and Nutrition,2010,32(3):207-218.

[8]许梅,翟爱华. 不同乳酸菌发酵对玉米粉性质的影响研究[J]. 中国酿造,2009,3(3):53-55.

[9]袁美兰. 乳酸发酵改善玉米淀粉凝胶质地的机理研究[D]. 北京：中国农业大学,2007.

[10]李丽,曹龙奎. 自然发酵对黄米化学成分的影响研究[J].粮油加工,2010,(4):47-50.

[11]刘慧,杜薇,张红星. 乳酸乳球菌乳酸亚种高产胆盐水解酶发酵条件的优化研究[J]. 食品科学,2006,27(11):322-326.

[12]王晓慧,刘惠麟,辰巳英三,等. 发酵玉米面的最佳制备工艺研究[J]. 农产品加工·创新版,2013(3):1-5.

[13]李新华,曹凝,翟娅萍. 自然发酵对玉米粉品质的影响[J]. 食品科技,2009,34(8):106-108.

[14]Kusumayanti H,Handayani N A,Santosa H. Swelling power and water solubility of cassava and sweet potatoes flour[J]. Procedia Environmental Sciences,2015,23:164-167.

[15]Batista A L D,Silva R,Cappato L P,et al. Quality parameters of probiotic yogurt added of glucose oxidase compared to commercial products through microbiological,physical-chemical and metabolic activity analyses[J]. Food Research International,2015,77:627-635.

[16]常成,马传喜,李保云,等. 小麦粉碱性水保持力和膨胀势与其他品质性状的相关研究[J]. 中国农业大学学报,2005,10(2):30-35.

[17]刘晓峰. 玉米面条淀粉特性研究[D]. 郑州：河南工业大学,2011:14-15.

[18]Sharma P,Singh V,Subramanian R. Pasting,swelling,and solubility characteristics of rice batter prepared from different wet grinding systems[J]. Starch - Starke,2013,65(65):374-381.

[19]Koo S H,Lee K Y,Lee H G. Effect of cross-linking on the physicochemical and physiological properties of corn starch[J]. Food Hydrocolloids,2010,24(6):619-625.

[20]刘现峰,王苓. 淀粉的塑化研究进展[J]. 山东化工,2007,36(2):38-40.

[21]Chang Y H,Lin C L,Chen J C. Characteristics of mung bean starch isolated by using lactic acid fermentation solution as the steeping liquor[J]. Food Chemistry,2006,99(4):794-802.

[22]Zhang H,Yin L,Zheng Y,et al. Rheological,textural,and enzymatic hydrolysis properties of chickpea starch from a Chinese cultivar[J]. Food Hydrocolloids,2016,54:23-29.

[23]Jane J L,Chen J F. Effect of amylose molecular size and amylopectin branch chain length on paste properties of starch[J]. Cereal Chemistry,1992,69(1):60-65.

Effect of Lactic acid bacteria on maize characteristics and optimazation of fermentation conditions by uniform design

WANG Shuai,CHENG Jian-jun*,NI Chun-lei,YIN Yuan,TONG Lu

(College of Food Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

The main 8 common maize and 2 waxy corn representative varieties,which were cultivated in the Northeastern region,were selected and fermented by lactic acid bacteria. The water retention capacity,swelling power,solubility and pasting properties of fermented maize were analyzed. The optimal maize variety and fermentative conditions were obtained using the Uniform design according to swelling power variation. The results were as follows:The processing characteristics of maize varieties were significantly different by fermentation.(p<0.05). Waxy corn varieties of water retention capacity,solubility were significantly higher than common maize(p<0.05);the swelling power and setback were significantly lower than the common maize(p<0.05);the peak viscosity and breakdown of common maize decreased,while the waxy corn increased. The uniform design optimization results showed that Zhengdan 958 was the optimal maize variety to fermentation. The largest swelling power(12.93 g/g)of fermented maize flour was gotten when mixture of Zhengdan 958 variety and solvent ratio 1∶2(g/mL) had fermented at 37 ℃ for 5d.

maize;Lactic acid bacteria;uniform design;swelling power;processing characteristics

2016-01-12

王帅(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：粮食加工，E-mail：wangshuaifood@163.com。

程建军(1969-)，男，博士，教授，主要从事农产品加工方向研究，E-mail：cheng577@163.com。

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目。

TS213.4

A

1002-0306(2016)13-0183-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.028