乳酸菌发酵对糙米蒸煮性能和食用品质的影响

程 鑫 李永富 史 锋 黄金荣 王 莉 陈正行 李亚男 王 韧 李 娟

(江南大学食品学院；江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室1，无锡 214122) (江南大学食品科学与技术国家重点实验室2，无锡 214122)

糙米是指稻谷脱去稻壳后，内部皮层完好的稻米籽粒。与精米相比，糙米含有更丰富的营养素、更低的淀粉消化性及胃排空率，常食用可以降低糖尿病与高血脂症的患病率[1]。但是由于糙米的胚乳被纤维皮层紧紧包裹，水分难以渗透到糙米内部，阻碍了糙米内部淀粉的水合作用，使糙米不仅难煮熟，而且口感较粗，无法被消费者广泛接受。目前针对糙米蒸煮品质改良的方法主要有浸泡法、碾削法、高压处理法、高温流化法等[2-5]。但上述方法中分别存在着加工处理时间长、设备要求高、工艺复杂、对胚乳造成机械损伤等不足，不利于糙米生产的规模化和商业化。

近年来随着发酵工艺的改善和发酵过程控制的优化，通过发酵法改善谷物理化特性逐渐成为新的研究热点。Keiko等[6]的研究表明，谷物中的β-葡聚糖及阿拉伯木聚糖可以被乳酸菌作为碳源促进有益菌的生长；Premsuda等[7]的研究则进一步证明了植物乳杆菌在不外加营养的基础上，也可以很好的在糙米及米糠上生长，这就为植物乳杆菌改善糙米蒸煮品质提供了可能，根据Premsuda等的研究，植物乳杆菌对糙米皮层有选择性降解作用，不仅可以抑制有害菌生长，还可以为米饭创造更好的风味、香气及质构。

本研究采用乳酸菌发酵的方法处理糙米，考察发酵时间、发酵温度、含水量和接种量对糙米pH及最佳蒸煮时间的影响，同时对发酵前后糙米籽粒表观和横截面形态、蒸煮特性、质构及风味物质的变化进行了研究，为糙米蒸煮和食用品质的改良提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

糙米：品种为龙粳31，产地黑龙江：无锡市苏惠米业有限公司；植物乳杆菌：菌种代号为JYI-3913，浓度为1011CFU/g：山东中科嘉亿生物工程有限公司。

CFXB20FC17-35电饭锅：浙江苏泊尔股份有限公司；S—4800SEM 扫描电子显微镜：日本日立公司；TA.XT Plus 质构仪：英国SMS公司；SCIONSQ-456-GC 气质联用仪：美国Bruker公司；UltraScan Pro 1166高精度分光测色仪：美国Hunterlab公司。

1.2 实验方法

1.2.1 产胞外β-葡萄糖苷酶能力的鉴别

参照万振堂等[8]的方法，采用荧光底物法定性鉴别实验所用植物乳杆菌产β-葡萄糖苷酶的能力。

1.2.2 乳酸菌发酵处理糙米的方法

根据前期实验结果，考察发酵时间(12、24、36、48 h)、发酵温度(20、30、40、50 ℃)、含水量(20%、30%、40%、50%)、接种量(0.02%、0.10%、0.50%、2.50%)对发酵糙米的影响。以pH及最佳蒸煮时间为检测指标进行单因素实验。

具体操作方法为：取500 g糙米，装入单向出气的食品级透明塑料袋中，加入菌种和水后搅拌均匀，排出多余的空气封口，在设定温度和时间下进行发酵，发酵后糙米置于40 ℃烘箱烘干至水分13%～14%，-4 ℃冷藏。

1.2.3 pH的测定

根据Gao等[9]的方法，称取10 g发酵糙米，加入到90 mL去离子水中，搅拌30 min，4 000 r/min离心10 min，过滤后测定滤液pH。

1.2.4 最佳蒸煮时间的测定

参照Mohapatra等[3]的方法，采用压片法测定。

1.2.5 糙米表观及横截面形态的观察

糙米发酵前后表观及横截面形态均采用扫描电镜观察。将整粒糙米及糙米横截面经过二次固定、梯度脱水、真空喷镀金膜后，分别于放大倍数25、600 倍，加速电压5 kV条件下进行扫描观察，并拍照保存。其中米粒横截面均由刀片切割制得，取样位置固定于米粒中轴，以保证实验平行性。

1.2.6 发酵糙米蒸煮性能的测定

1.2.6.1 浸泡吸水率的测定

糙米浸泡吸水率的测定参照Turhan等[10]的方法。

1.2.6.2 糙米蒸煮品质的测定

发酵糙米蒸煮品质包括加热吸水率、体积膨胀率、米汤pH、米汤干物质及米汤碘蓝值，其测定方法参考王肇慈[11]的稻米蒸煮性实验。

1.2.7 糙米质构的测定

在前期预实验中确定糙米煮饭的最佳米水质量比为1∶1.9，测定时取100 g糙米洗净，加水至290 g后开始煮饭，待米饭保温25 min后，混匀米饭，迅速称取85 g平铺于培养皿内，然后进行质构测定。测定参数设置参照杨晓娜[12]的测定方法，其中探头为P25。

1.2.8 糙米风味物质的测定

使用气质联用仪(GC-MS)对米饭风味物质进行分析。称取米饭25 g于萃取瓶中，密封后置沸水浴中水浴10 min，转移至70 ℃恒温水浴锅中，插入萃取头萃取30 min，然后将萃取头插入气质联用仪中进样7 min，进行测定。具体参数设置参照卜玲娟等[2]的方法。

1.2.9 数据处理

用SPSS 22.0、Excel 2013处理数据，用Origin 8.6 绘图。每次实验重复3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 产胞外β-葡萄糖苷酶能力的鉴定

β-葡萄糖苷酶是纤维素酶的一种，在纤维素降解中具有重要的作用。葡萄糖苷酸-4-甲基伞形花烯(MUG)在β-葡萄糖苷酶作用下分解产生甲基伞形花酮，在365 nm紫外光照射下产生特异性蓝色荧光，且具有快捷灵敏的特点，因此荧光底物法被用于菌种产胞外β-葡萄糖苷酶能力的鉴别[8]。实验测定结果如表1所示，所选的植物乳杆菌能够产胞外β-葡萄糖苷酶，说明此植物乳杆菌具备产纤维素酶的能力，因此将其作为实验菌种。

表1 菌种产胞外β-葡萄糖苷酶能力的鉴定

2.2 发酵条件对糙米pH及最佳蒸煮时间的影响

单因素实验结果如图1所示。

在发酵温度30 ℃、含水量30%、接种量0.10%条件下，随着发酵时间的延长，pH及最佳蒸煮时间均逐渐减小。该结果与Premsuda等[7]的研究结果相似，可能是由于植物乳杆菌生长过程中产酶产酸，破坏了纤维结构，提升了糙米吸水性能，发酵24 h之后乳酸的积累使得发酵环境pH迅速降至4.20左右，此时植物乳杆菌的生长也受到限制，指标变化不显著(P>0.05)。因此，确定最佳发酵时间为24 h。

在发酵时间24 h、含水量30%、接种量0.10%条件下，随着发酵温度的升高，pH及最佳蒸煮时间呈现先减后增的趋势，30 ℃时达到最小值。植物乳杆菌的最适生长温度为30～37 ℃[13]，随着温度升高，植物乳杆菌产酸及产酶能力逐渐增强；在50 ℃时，植物乳杆菌几乎停止生长，产酸产酶受到抑制，导致pH及最佳蒸煮时间偏高；30 ℃和40 ℃时，糙米的pH及最佳蒸煮时间变化不显著(P>0.05)。因此，确定最佳发酵温度为30 ℃。

注：图中a、b、c、d表示同指标标有不同字母者，差异显著(P<0.05)。A表示原料糙米。图1 发酵条件对糙米最佳蒸煮时间及pH的影响

在发酵时间24 h、发酵温度30 ℃、接种量0.10% 条件下，随着含水量的升高，pH及最佳蒸煮时间的下降先慢后快再慢。Hidehiko等[14]发现，植物乳杆菌良好生长所需最低含水量为27.5%，且随着含水量的升高pH逐渐下降，与本实验结果一致。含水量较低时，植物乳杆菌活性下降，对糙米皮层的降解作用较弱，阻碍了糙米内部淀粉与水之间形成氢键[15]，抑制水分吸收，因此pH及最佳蒸煮时间变化较小；当含水量升高到满足植物乳杆菌生长需求时，菌种迅速增长，pH及最佳蒸煮时间随之下降，代谢产物随之积累，植物乳杆菌生长逐步受限，下降趋势变缓。因此，确定最佳含水量为30%。

在发酵时间24 h、发酵温度30 ℃、含水量30%条件下，随着接种量的增加，pH逐渐减小，最佳蒸煮时间则呈现先减后增的趋势。这是由于植物乳杆菌将糙米皮层作为碳源转化为乳酸，pH随乳酸积累而逐渐下降；接种量达到2.50%时，含菌量过高，培养体系中有限的养分及水分抑制了菌种的生长繁殖，菌群加速进入衰亡期，使发酵效果变差，最佳蒸煮时间增加；接种量为0.10%和0.50%时，糙米的pH及最佳蒸煮时间变化不显著(P>0.05)。因此，确定最佳接种量为0.10%。

发酵糙米的最佳工艺参数为发酵时间24 h、发酵温度30 ℃、含水量30%、接种量0.10%。此条件下测定发酵糙米pH为4.59，最佳蒸煮时间为21.30 min，分别比原料糙米降低2.00和6.46 min，且其变化具有显著性差异(P<0.05)，因此后期实验中发酵糙米的制备均采用此工艺参数。

2.3 糙米表观及横截面形态的变化

电镜图结果见图2。从图2可以看出，原料糙米表皮致密、光滑，与胚乳连接紧密，而发酵后糙米皮层部分软化膨起，与胚乳的连接出现明显的缝隙，且皮层出现小孔洞，这些变化有利于水分进入糙米内部，促进胚乳淀粉的水合作用，加速淀粉糊化，减小糙米硬度[16]。从图2e、图2f可以看出，原料糙米淀粉呈不规则多边形且边界明显，而发酵后糙米淀粉颗粒边界出现局部模糊，此结果与廖卢艳等[17]的研究结果一致。糙米淀粉形态的变化一方面可能是温度与水分条件适宜，激活了糙米内源酶的作用所致[18]；另一方面可能是植物乳杆菌在代谢过程中分泌纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶等几十种胞外酶，纤维素酶等水解植物细胞壁，为外源酶的进入提供有效通道，进而对糙米淀粉产生作用所致。糙米皮层吸水通道的打开及内部淀粉颗粒形态结构的改变，均有利于加速煮饭过程中淀粉的糊化，改善糙米蒸煮性能。

2.4 糙米蒸煮性能的变化

2.4.1 30 ℃浸泡吸水率

浸泡吸水率即米粒在浸泡过程中水分迁移进入米粒内部的质量分数。水分在米饭蒸煮糊化中起关键作用，因此米粒的吸水能力与米饭蒸煮品质呈正相关关系，蒸煮时水分的进入有利于淀粉均一糊化，提升米饭口感[19]。由图3知，发酵糙米的吸水速率明显优于原料糙米。当浸泡80 min后原料糙米吸水率仅有12.71%，而发酵糙米吸水率为15.91%，吸水率增加了25.18%。发酵糙米吸水性能的提高主要来自植物乳杆菌发酵对其理化性质的改变。Horigane等[20]的研究表明，浸泡过程中，由于糙米表皮结构致密、渗透性差，水分迁移路径是由胚芽起沿着胚乳中心迁移，然后向糙米腹部与背部扩散，而发酵糙米由于纤维结构被选择性降解，糙米腹部及背部吸水通道被打开，因而吸水速率得到提升，改善了浸泡吸水率。

图2 原料糙米及发酵糙米表观及横截面扫描电镜图谱

图3 糙米发酵前后的浸泡吸水率

2.4.2 蒸煮品质变化

通过稻米蒸煮性实验测定发酵前后糙米的加热吸水率、体积膨胀率、固形物含量和米汤碘蓝值。加热吸水率和体积膨胀率分别指蒸煮时米饭质量与体积的增加，固形物含量表示蒸煮时溶解在水中的物质含量，碘蓝值直观反映溶出的直链淀粉含量。有研究表明，米汤固形物含量及碘蓝值越高，其蒸煮时米饭越黏，食味品质及适口性越好[21-22]。由表2可知，糙米发酵后，以上指标均显著增长(P<0.05)，说明发酵后糙米不仅吸水能力增强，而且大分子物质的溶出及直链淀粉含量也会增加，米饭口感变好。从发酵糙米的蒸煮特性变化可知，发酵有效改善了糙米的蒸煮特性，使其具有更好的食用品质。

2.5 糙米质构

糙米由于有致密的纤维皮层，使其制得的米饭硬度较高，黏性较低而不易咀嚼，因而糙米饭质感坚硬，口感粗糙。由表3可知，糙米经发酵后，硬度显著降低了29.63%(P<0.05)，黏性显著升高81.88%(P<0.05)，咀嚼性也下降了46.86%(P<0.05)，说明发酵能够使糙米皮层受到降解，在蒸煮时使水分快速迁移至内部，淀粉与水的结合作用增强[23-24]，迅速糊化，因而使糙米饭的食味品质得到改善。

表2 发酵前后糙米的蒸煮品质测定

注：a、b表示同列肩注标有不同字母者，差异显著(P<0.05)，余同。

表3 糙米饭质构特性

2.6 风味物质

采用固相微萃取-气质联用(SPME/GC-MS)法测定米饭风味化合物成分，通过NIST、Wiley质谱库进行匹配检索，并通过色谱峰面积和风味阈值进行筛选，筛得31种可能对米饭香气具有贡献作用的风味物质，见表4所示。其中醛类有12种，酮类4种，醇类6种，呋喃类3种，烷烃4种，有机酸2种。

色谱峰面积相对百分比用来表征风味物质含量，阈值越低含量越高的挥发性物质对米饭的风味贡献越大[12]。由表4可知，糙米发酵后风味成分及其相对含量发生变化。糙米发酵后反-2-庚烯醛、6-壬烯醛等阈值较低、清香味浓郁的烯醛类物质显著增加，为糙米饭增加了香味。发酵后糙米中的己醇、反-2-十一烯醇等醇类物质含量显著升高，增加了糙米饭的水果香味与花香味。米中的醛类是脂肪氧化降解及脱羧的产物[26]，浓度较低时呈水果香及青草香，但浓度高时则会使米饭呈现陈化味道，发酵后糙米中的戊醛、庚醛等物质含量的下降减小了糙米饭的糠味，提高了消费者的可接受度。另外，发酵后呋喃类物质含量也显著下降，说明发酵有利于糙米饭风味的改善。发酵后糙米饭中2-糠醛含量有所上升，说明发酵对糙米皮层的破坏仍旧会造成糙米脂肪氧化产生糠味，且发酵后糙米挥发性成分中出现乙酸，说明在糙米发酵中不仅有植物乳杆菌作用，在发酵前期存在多菌种协同作用，赋予糙米饭淡淡的酸味，但2-糠醛和乙酸的风味阈值均较高，对米饭风味的影响可能不大。综上，发酵对糙米饭风味的改善有一定的作用。

表4 米饭中重要风味化合物列表

注：1.风味描述参照Widjaja[25]和Zeng[27]等的研究。2.风味阈值参照Zeng等[27]的研究，“—”表示未查到或未检出。

3 结论

研究表明，采用乳酸菌发酵的方法处理糙米，对其蒸煮及食用品质有良好的改善作用。经鉴定，发酵最佳条件确定为发酵时间24 h、发酵温度30 ℃、含水量30%、接种量0.10%，发酵糙米最佳蒸煮时间较原料糙米缩短6.46 min、吸水率增加了25.18%，有效提升了糙米蒸煮性能。同时发酵对糙米表皮产生降解作用，使糙米皮层与胚乳之间出现缝隙，同时打开皮层吸水通道，促进蒸煮过程中淀粉的糊化，降低糙米饭硬度，提升米饭粘性，改善了糙米风味。

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