鼠李糖乳杆菌发酵对玉米粉、玉米面团理化特性及发糕品质的影响

罗其琪，顾丰颖，曹晶晶，刘子毅，张 帆，王博伦，王 锋*

（中国农业科学院农产品加工研究所，农业部农产品加工重点实验室，北京 100193）

玉米是全球第一大谷物，营养丰富，堪称“五谷之首”，也是重要的无麸质食品原料之一。近年来，美、欧等地由于麸质过敏导致的乳糜泻等疾病的发病率不断上升，我国青年人群中麸质过敏的发生风险也远高于预期[1]。因此，发展无麸质食品成为改善麸质过敏人群生活质量的重要保障[2]。据统计，全球有1/3人口以玉米作为主食[3]。由于玉米发酵主食主要存在硬度大、弹性低、口感糙[4]等缺陷，一定程度上制约了玉米主食工业化的发展。这主要是因为玉米面团缺乏面筋蛋白，不易形成蛋白网络骨架结构，面团成型难、膨胀性能差、持气性低，无法形成均一细腻的气室结构。

微生物发酵技术作为谷物食品（特别是无麸质谷物食品）品质改良的加工技术已得到企业和学者的广泛关注。大量研究表明，微生物发酵可以改变谷物中淀粉、蛋白的分子组成及结构，改良粉质的理化特性、加工特性及营养特性。鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）是研究较为广泛的益生菌之一，具有平衡肠道菌群、提升机体免疫力、减少或消除毒素、预防或治疗腹泻等功能。鼠李糖乳杆菌作为益生菌剂原料或发酵剂在乳品、饮料、保健食品等中均有应用。研究显示，鼠李糖乳杆菌也可作为发酵剂制备传统酸面团，对面团的质构改善及营养品质提升具有一定积极作用[5-7]。当前该菌在玉米等无麸质主食加工中的应用研究鲜见报道。本实验以鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉为对象，研究其粉体特性、面团理化特性、加工特性、产品品质特性的变化规律，探究鼠李糖乳杆菌对玉米粉的改良作用，以期为无麸质传统主食的品质改良提供思路借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米粉（水分质量分数13.71%，粗蛋白质量分数8.10%，粗脂肪质量分数1.18%） 西安鑫谷玉米制品有限公司；鼠李糖乳杆菌CICC6136（ATCC10863）北京北纳创联生物技术研究院；活性干酵母 安琪酵母有限公司；泡打粉、蔗糖 市售。

1.2 仪器与设备

DSC-Q200差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter，DSC） 美国TA仪器公司；Physica MCR 301流变仪 奥地利Anton Paar有限公司；F3型流变发酵测定仪 法国雷诺肖邦公司；FD-1C-80冷冻干燥机上海比朗仪器制造有限公司；G70D20CN1P-D2（S0）微波炉 格兰仕微波生活电器有限公司；KS-930打蛋器广州市祈和电器有限公司；SHP-300培养箱 常州普天仪器制造有限公司；DT2000电子天平 常熟市嘉衡天平仪器有限公司；ME104E电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；EOS700D数码单镜头反光相机 佳能（中国）有限公司；MS-70A&D快速水分测定仪 苏州华宏仪表有限公司；C21-RK2106多功能电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司；TA-HDplus物性测试仪 英国Stable Micro System公司；BCD-186KB冰箱 青岛海尔股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 发酵玉米粉的制备

在干净的500 mL有盖试剂瓶中注入300 mL蒸馏水，于高压灭菌锅中121 ℃灭菌15 min。在每个含有300 mL无菌水的试剂瓶中接入100 g已杀菌的玉米粉，并接入107CFU/mL鼠李糖乳杆菌1 mL，混匀密封，放置于37 ℃恒温培养箱中培养不同时间。达到发酵时间后，将试剂瓶从培养箱中取出，抽滤、冷冻干燥、过100 目筛后得到鼠李糖乳杆菌发酵不同时间的玉米粉待用，同时以未经鼠李糖乳杆菌发酵处理的玉米粉为对照。

1.3.2 玉米粉指标的测定

1.3.2.1 玉米粉水结合力的测定

准确称取1.0 g鼠李糖发酵玉米粉（发酵时间0、24、48、72 h）置于50 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水摇匀，用恒温摇床振荡2 h，温度25 ℃，转速100 r/min。振荡结束后，4 000×g离心10 min。将离心管内的上清液去掉，对离心管和内含的湿玉米粉进行称质量，然后将离心管置于60 ℃烘箱内进行干燥，恒质量后，带离心管称量湿玉米粉质量。水结合力的计算方法见式（1）：

式中：W1为湿玉米粉和离心管总质量/g；W2为干燥后玉米粉和离心管总质量/g；W0为离心管质量/g。

1.3.2.2 玉米粉糊化特性的测定

采用DSC测定鼠李糖乳杆菌发酵处理的玉米粉及未发酵的玉米粉。在坩埚中加15～20 mg样品压片，记录加样量，将坩埚置于4 ℃冰箱中平衡24 h待测。DSC参数设置：起始温度20 ℃，终止温度100 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.3.3 玉米面团的制备

将玉米粉-糖-酵母-泡打粉-纯净水按照质量比100∶10∶2∶1∶120混匀，用打蛋器高速搅打2 min，作为流变特性和发酵特性的待测样品。

1.3.3.1 玉米面团动态流变特性的测定

采用流变仪测定玉米面团不同频率下的动态流变特性。将1.3.3节制备的面团样品置于小烧杯中，用保鲜膜封口并置于带冰的泡沫箱中待测。测试转子用PP50平板（直径50 mm，样品量2 mL），测试温度25 ℃，频率范围0～126 s-1，测试样品的储能模量G’和损耗模量G”，并计算出损耗角正切值tanδ（tanδ=G”/G’）。

1.3.3.2 玉米面团流变发酵特性的测定

按1.3.3节制备面团样品，将其置于F3流变发酵仪的发酵篮中，面团质量为315 g，测试使用标准活塞，配质量为0g，设置测试温度为30 ℃，测试周期为3h。

1.3.4 玉米发糕的制备

玉米发糕的原料配比同1.3.3节。将预先活化的酵母液加入盛有玉米粉、糖、泡打粉的容器中，并加入剩余的水混匀，用打蛋器搅打2 min；每50 g面糊装入一个发糕杯；于37 ℃恒温箱中发酵40～50 min；发酵完成后两杯一组，用微波炉加热3 min，微波功率480 W。玉米发糕的制作流程见图1。

图1 玉米发糕的制作工艺流程Fig. 1 Production process of steamed sponge cake

1.3.4.1 玉米发糕比容的测定及气孔分析

将玉米发糕放置室温下冷却30 min，于电子天平上称质量（精度为0.01g），采用油菜籽体积置换法测定发糕样品的体积，取双实验样品的平均值。发糕比容按公式（2）计算：

式中：SV为馒头比容/（mL/g）；V为发糕样品体积的平均值/mL；W为发糕样品质量的平均值/g。

参照Ozkoc等[8]的方法分析发糕形成的气孔结构。将发糕切成1 cm厚度的薄片进行拍照，取图片中心区域用Image J软件分析，设定可分辨半径范围50～50 000 μm，计算获得发糕气孔数量、气孔平均大小、气孔截面占比。

1.3.4.2 玉米发糕质构的测定

按1.3.4节制备玉米发糕，将冷却到室温的发糕置于4 ℃冰箱中分别冷藏3、6、12 h待测，冷却到室温的玉米发糕作为对照立即测定。采用物性测试仪对玉米发糕进行质构分析（texture profile analysis，TPA）。取玉米发糕中心位置，切成2 cm×2 cm×2 cm的方块，测定发糕的硬度、弹性、回复性和咀嚼性。仪器参数：圆柱形P/36探头，TPA操作：测试前速率、测试速率、测试后探头回程速率均为1.0 mm/s，触发力为5g，间隔时间为5s，形变量为40%。

2 结果与分析

2.1 鼠李糖乳杆菌发酵对玉米粉理化特性的影响

2.1.1 水结合力

图2 发酵时间对玉米粉水结合力的影响Fig. 2 Effect of fermentation time on water-binding capacity of corn flour

水结合力在一定程度反映玉米粉的持水能力和膨润行为。如图2所示，与对照组玉米粉相比，鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉的水结合力显著下降。发酵24h的玉米粉，水结合力快速下降，从165%下降至150%，降低了9.09%；在24～72h间，随着发酵时间的延长，水结合力缓慢下降至146%。研究认为[9]，水结合力的大小主要取决于淀粉颗粒可与水发生连接作用活化基的多少，当水分子进入淀粉结晶区与暴露出的羟基形成氢键，可导致水结合力增加。淀粉的破损是影响水结合力的另一因素，淀粉颗粒受损后吸水力及膨润力会增加4～5倍。乳酸菌、酵母菌发酵处理小米淀粉的结果显示，发酵过程中微生物产生的酸、酶等代谢产物可破坏淀粉的无定形区，水解部分淀粉，使淀粉的有序结构遭到破坏，表面出现明显孔洞[10]。但发酵并未使小米淀粉的晶型发生改变，对淀粉结晶区的破坏不大[11-12]，对淀粉水结合力的影响相对较小。Tester等[13]分析认为，淀粉的膨润吸水行为主要是支链淀粉的性质，水结合力的大小与支链淀粉的分子质量和分子形状有关。聚合度为6～9的支链淀粉短链的相对数量越高，淀粉的水结合力越大，而聚合度为12～22的支链淀粉链则起着相反的作用[14]。袁美兰[15]、Chang[16]等的研究显示，乳酸菌发酵可增加淀粉中直链淀粉的含量并在一定程度使短链淀粉水解，提高淀粉长链的比例，导致水结合力降低。这与本实验鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉过程中水结合力降低的结果相似。

2.1.2 玉米粉的热力学特性

糊化特性对淀粉类谷物的应用及其制品品质起着至关重要的作用。在淀粉糊化过程中，糊化焓值代表其双螺旋结构发生解聚和熔化时所需要吸收的能量[17]。由表1可知，与对照组玉米粉相比，鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉的糊化焓显著升高，增加了23.7%。初始糊化温度、峰值温度略有下降。一般认为直链淀粉含量是影响淀粉糊化特性的重要因素之一，直链淀粉含量越高，越难糊化。这主要由于分布在粉体颗粒表面的直链淀粉与支链淀粉相互缠绕贯穿到结晶区和无定形区；直链淀粉对支链淀粉具有一定的“束缚”作用，直链淀粉含量的增加导致对支链淀粉的“束缚”作用也会随之增大，使支链淀粉不能得到充分舒展，从而抑制淀粉膨胀和糊化。同时，直链淀粉易与脂质形成复合物，此复合物将抑制淀粉膨胀和糊化，导致糊化焓增加。而袁美兰等[18]认为乳酸菌发酵更易水解淀粉的支链，使谷物中淀粉直链程度增加，这可能是本实验中鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉糊化焓增加的主要原因之一。

表1 不同发酵时间玉米粉的DSC糊化特性Table 1 DSC pasting properties of corn flours at different fermentation times

2.2 鼠李糖乳杆菌发酵对玉米面团品质特性的影响

2.2.1 玉米面团动态流变特性

面团是一种具有黏弹性的材料，面团的动态黏弹性等动态流变特性对面团的机械加工及产品质构特性起到主导作用。储能模量（G’）又称弹性模量，表示黏弹性材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量。损耗模量（G”）又称黏性模量，表示黏弹性材料在形变过程中由于黏性形变而损耗的能量。损耗角正切值（tanδ）表明黏性和弹性对淀粉凝胶黏弹性的相对贡献。tanδ越大表明体系的黏性比例越大，流动性更强，反之则弹性比例较大，流动性更弱。小麦面团的黏弹性通常与面筋形成的网络结构有关[19]，玉米面团通常采用添加胶体等方法[20]以改善面团的动态流变特性。根据图3A、B所示，经鼠李糖乳杆菌发酵的玉米面团G’和G”均显著高于对照组玉米面团，且随发酵时间的延长先增大后减小；经鼠李糖乳杆菌发酵48 h的玉米面团的G’和G”均达到最大值，且G’对凝胶黏弹性的贡献更大，流动性减弱，倾向于形成类似固体的凝胶体系。

由图3C所示，全部玉米面团的tanδ值均小于1，形成弱凝胶黏弹性体系，经鼠李糖乳杆菌发酵处理后，玉米面团的tanδ值显著下降，说明发酵使玉米面团形成更偏向凝胶的结构，获得更好的弹性。随发酵处理时间的延长，面团的tanδ值呈现先下降后上升的趋势，这可能由于乳酸菌发酵过程中的酶解及酸化作用使玉米粉中直链淀粉聚合度下降，支链淀粉分支密度降低，有利于玉米淀粉凝胶化的形成[21]。而且在谷物的发酵过程中，乳酸菌代谢产生大量的胞外多糖等代谢产物，对面团黏弹性的改善也具有一定的贡献[22-23]。

图3 鼠李糖发酵不同时间玉米面团的热力学性质Fig. 3 Thermodynamic properties of fermented corn flour by Lactobacillus rhamnosus at different fermentation times

2.2.2 玉米面团流变发酵特性

图4 鼠李糖乳杆菌发酵玉米面团的气体释放曲线Fig. 4 Gas release curve of Lactobacillus rhamnosus fermented corn dough

传统发酵面制品的产气和持气能力是决定产品膨胀性能的决定性因素。缺乏麸质蛋白的玉米面团，加工过程中无法形成类似小麦面团的面筋网络结构，持气性能差，发酵过程中易出现泄气、塌陷等问题，导致产品膨胀性能差，形成“死面”的状况。玉米面团的流变发酵特性是评价鼠李糖乳杆菌发酵影响玉米面团产气、持气能力的重要指标。根据玉米面团气体释放曲线（图4）所示，经鼠李糖乳杆菌发酵处理48 h后，所制玉米面团的产气及持气能力均大幅提升。与对照组玉米面团相比，发酵处理使玉米面团在测定过程中的最大气体释放量增加了45.2%，气体释放总体积提高了42.93%，发酵玉米面团达到气体最大释放量的时间缩短。在发酵处理过程中，鼠李糖乳杆菌发酵产生的有机酸和生物酶等代谢产物可促进玉米粉中的淀粉、蛋白质等降解[24]，形成较多的单/寡糖、小肽或氨基酸等小分子，利于面团发酵过程中酵母的繁殖利用及CO2的生成。苏东海等[22]对传统主食馒头的研究中也显示，乳酸菌发酵有益于酵母的协同代谢作用。

表2 对照玉米粉和发酵玉米粉的流变发酵指标Table 2 Rheological properties of corn dough during fermentation

除大幅提升玉米面团的发酵产气能力外，鼠李糖乳杆菌发酵处理还显著提高玉米面团的持气能力，使其最小持气量增加了52.8%。对照组玉米面团在酵母发酵第46分钟开始出现孔洞，即面团开始泄露气体，泄露CO2气体总量为127 mL，气体保留系数为93.4%。鼠李糖乳杆菌发酵处理玉米面团出现孔洞的时间推迟至第54分钟，CO2损失体积为31 mL，气体保留系数提高到98.9%，表明鼠李糖乳杆菌发酵改善了玉米面团的发酵持气能力。宋佳锟[25]及万晶晶[26]等分别对小麦酸面团及燕麦酸面团流变发酵特性的研究结果均显示，乳酸菌发酵可显著提高面团的产气、持气能力，与本实验结果一致。

Moroni等[27]对荞麦酸面团发酵流变特性的研究则表明，不同乳酸菌菌株对面团发酵性能的影响存在一定差异。由于发酵过程中，不同菌株对面团的酸化和蛋白水解的程度存在较大差异，蛋白水解程度低可能是导致面团产气和持气能力下降的主要原因。本实验中使用的玉米粉为脱胚玉米粉，其中淀粉含量较高，发酵对淀粉凝胶结构的改善可能是玉米面团流变发酵特性发生变化的主要原因，而菌种、面团基质及发酵条件的不同均可能影响面团中淀粉、蛋白等组分的降解程度及多/寡糖、小肽等代谢产物的生成，对发酵流变特性具有较大的影响。

2.3 鼠李糖乳杆菌发酵对玉米发糕品质的改良作用

2.3.1 鼠李糖乳杆菌发酵对玉米发糕比容及气孔特性的影响

由图5A可知，与对照组玉米粉相比，鼠李糖乳杆菌发酵玉米粉制备的玉米发糕比容增加了9.8%～11.5%，发酵处理48 h的玉米粉所制发糕比容最大，达2.63 mL/g。发糕的气孔平均大小、气孔面积等是评价发糕膨胀性能的重要指标。图5B显示发酵处理可显著提高玉米发糕气孔平均大小及气孔总面积，其趋势与发糕比容趋势保持一致，说明玉米发糕的比容增加是由于其持气能力提高导致，这与上述流变发酵特性结果相吻合。发酵处理72 h的玉米粉，其发糕的比容及气孔面积明显下降，可能是由于较长时间的发酵酸化、酶解等作用使玉米粉中小分子物质的含量增加，改变其黏弹性，从而影响其膨胀性能。因此，适当的乳酸菌发酵处理可有效的提高玉米面团及发酵类主食产品的膨胀性能。

图5 玉米发糕的比容及气孔Fig. 5 Specific volume and bubble size of steamed sponge cake

2.3.2 鼠李糖乳杆菌发酵对玉米发糕TPA的影响

图6 鼠李糖乳杆菌发酵不同时间玉米粉所制发糕的质构特性Fig. 6 Textural properties of steamed sponge cake made from corn flour produced by Lactobacillus rhamnosus at different time points

从图6A可知，对照组中立即测定的玉米发糕硬度为217g，经4 ℃冷藏3～12h，硬度不断增大，最高增加331%。与对照组相比，经72 h发酵处理玉米粉制备的玉米发糕硬度增加80%～113%。经48 h发酵处理玉米粉，玉米发糕硬度随冷藏时间的延长增加最明显，达503%。如图6B所示，玉米发糕的弹性随冷藏时间的延长而减小，冷藏12 h后，对照组发糕的弹性减小17.5%，经72 h发酵处理玉米粉所制发糕的弹性减小9.2%，表明鼠李糖乳杆菌发酵处理对玉米发糕的弹性有一定的改善作用。玉米发糕的回复性随冷藏时间的变化规律与弹性结果类似（图6C）。从图6D可知，与对照组相比，处理组玉米发糕的咀嚼性有所提高，发糕咀嚼性都随冷藏时间的延长呈现先增大后减小的趋势，经48 h发酵处理玉米粉所制发糕冷藏12h后，咀嚼性高于对照77.7%。

本实验中，对照组玉米发糕经冷藏后粉质化严重，具体表现为硬度增加不大，咀嚼性增加不高。鼠李糖乳杆菌发酵处理玉米粉制备的玉米发糕硬度增大、咀嚼性增强，弹性有所改善。前期研究表明乳酸菌发酵面团会增加直链淀粉的含量，使产品具有老化和硬度增大倾向[28-29]；发糕的硬度还与低温贮藏时间呈正相关关系，随冷藏时间的延长，发糕硬度增加[30]。鼠李糖乳杆菌发酵处理玉米粉制备的发糕产生的气孔及其截面占比大，具有改善发糕弹性和咀嚼性的作用。

3 结 论

经鼠李糖乳杆菌发酵处理后，玉米粉的水结合力下降11.52%、糊化焓值上升23.68%；动态流变特性分析表明，发糕面团黏弹性提高，倾向于形成类似固体的凝胶体系；面团产气总量增加42.93%，气体保留体积增加51.3%。在发糕品质特性方面，发酵处理48h玉米粉制备的玉米发糕膨胀性能提升，比容上升11.55%，平均气孔增大58.85%，气孔截面占比增大，发糕弹性有所改善。下一步期待在发糕产品的抗老化方面开展相应研究，以期为鼠李糖乳杆菌等益生菌在无麸质谷物主食品质改良上的应用提供参考。