发酵米粉中微生物及对米粉品质影响研究进展

熊香元 张立钊 陈力力 周 玥

(湖南农业大学食品科技学院；食品科学与生物技术湖南省重点实验室1，长沙 410128)

米粉是以大米为原料，经浸泡(发酵)、清洗、磨浆、蒸挤等步骤制成的条状或片状产品，在我国及东南亚具有广阔市场[1]。根据大米浸泡时间长短可分为发酵和非发酵米粉,米粉生产常用发酵法，即将大米浸泡3～7 d后制成比非发酵制品质构特性和食用品质更佳的米粉，如柔韧筋道,口感滑润，不易浑汤等[2]。发酵后米粉的直链淀粉含量上升，灰分、蛋白质和脂肪含量减少，这可能是发酵过程中微生物产生的酸、酶促进脂肪和蛋白质分解，淀粉得到纯化[3]。

目前大多数发酵米粉工厂采用传统的自然发酵法进行生产，米粉发酵过程中受到生产环境、操作者和原料等因素影响，微生物菌群较为丰富，发酵时间随季节性变化较大，导致发酵米粉产品质量不稳定。因此，为提高米粉的工业化水平和安全性，了解自然发酵米粉中微生物种群及其对发酵米粉品质的影响十分重要。本文综述了国内外微生物发酵米粉研究的最新进展，旨在为相关研究提供参考。

1 发酵米粉中的微生物

1.1 米粉发酵中的乳酸菌

米粉发酵过程中微生物种群复杂，其中起主要作用的是一类能发酵糖类，产物为乳酸的无芽孢、革兰氏阳性乳酸菌。乳酸菌包含许多种属，不同地区发酵米粉中乳酸菌种属存在一定差异。Lu等[4]从湖南3家米粉厂分离得到170株乳酸菌，经API 50CHL系统鉴定，分属于乳杆菌属(Lactobacullus)、明串珠菌属(Leuconostoc)、片球菌属(Pediococcus)、链球菌属(Streptococcus)、肠球菌属(Enterococcus)和气球菌属(Aerococcus)。乳杆菌属细菌种类多，代谢能力强，耐酸性能好，其中的植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、发酵乳杆菌等在食品生产中应用广泛。史国英等[5]从广西传统发酵米粉中分离鉴定出6株乳酸菌，除植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)外，戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)为优势菌。戊糖片球菌具有提高营养物质合成代谢、提高人体免疫力等益生功能，近年来在发酵肉制品、发酵乳制品和发酵蔬菜类食品加工中的应用已受到了人们的高度重视。另有学者研究了不同发酵时期米粉发酵液中菌相变化，结果表明发酵48 h时，乳酸菌数量急剧上升高达7 lgcfu/mL，主要为德氏乳杆菌(Lactobacillusdelbrueckii)、唾液乳杆菌(Lactobacillussalivarius)、瑞士乳杆菌(Lactobacillushelveticus)、罗伊氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri)、发酵乳杆菌(Lactobacillusfermentum)、淀粉乳杆菌(Lactobacillusamylovorusand)、口腔乳杆菌(Lactobacillusoris)[6]。笔者利用高通量测序(Illumina Miseq宏基因组测序)技术分析了米粉发酵中细菌多样性，发现在各个发酵阶段乳酸菌相对丰度均在90%以上，采用MRS培养基培养并进行乳酸菌菌落计数，结果表明在整个发酵过程中乳酸菌数量一直上升，最高可达2.56×108CFU/mL，且泰国发酵米粉中优势菌群也是乳酸菌[7]。乳酸菌具有消化淀粉、糖、蛋白质或脂肪的能力，对大米淀粉改性和纯化，改善米粉质地起着重要的作用，然而，目前研究主要集中在发酵米粉中乳酸菌的数量和菌群变化方面，对改善发酵米粉品质的优良菌株筛选及相关生物学特性等报道较少。

1.2 米粉发酵中的酵母菌

米粉浸泡发酵过程中除乳酸菌占绝对优势外，还存在一定数量的酵母菌，酵母菌在食品加工中应用广泛，且具有一定的积极作用[8]。大米浸泡发酵中的酵母菌主要是热带假丝酵母(Candidatropicalis)和酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，这类酵母不但参与醛缩醇类、含硫化合物等香味物质的生成，而且还一定程度地参与氨基酸和有机酸类的生成，因此能显著增加米粉的香气成分[9,10]。另外，乳酸菌与酵母菌存在协同作用，即酵母菌产生维生素和氨基酸等供乳酸菌生长所需，同时乳酸菌代谢产生有机酸为酵母菌增殖创造酸性环境[11]。

1.3 米粉发酵中的霉菌

米粉浸泡发酵过程中产生霉菌的报道较少，可能因为米粉浸泡发酵是在静置、密封发酵罐中进行的液态发酵，环境中氧气含量较少，不适于大多数霉菌生长。但是成品米粉由于贮藏不当而造成的霉菌污染需要引起重视[12,13]，石文松等[14]对某市预包装湿米粉微生物污染状况进行调查发现，33批检测样品中均有微生物污染，且优势菌群之一为霉菌。

1.4 米粉发酵中的其他细菌

笔者利用高通量测序技术分析了米粉发酵过程中细菌多样性，发现除占绝对优势的乳酸菌外，样品中还存在醋酸杆菌、肠球菌等。米粉在发酵和成品贮藏阶段存在肠杆菌和蜡样芽孢杆菌污染的风险[15,16]。罗素梅[17]等2016年采集芦淞区150份即食米粉样品进行食源性致病菌调查分析，结果大肠菌群、蜡样芽孢杆菌、沙门氏菌检出率分别为17.3%、13.3%、 0.7%，污染菌的来源与多种因素有关。米粉发酵生产中，如何控制危害米粉品质的污染菌，提高发酵米粉的安全水平，有待进一步研究。

2 发酵米粉中微生物的作用

2.1 对物理性质的影响

对比发酵前后米粉质构特性发现，发酵后米粉硬度提高了4.07%～19.31%、黏聚性提高了13.79%～18.97%、同时，胶着度、咀嚼性、回复性和拉伸力也分别提高了24.83%～34.41%、28.89%～31.27%、66.67%～126.67%和10.25%～100.00%；发酵改善了米粉的质地、延展性、抗断能力和凝胶网络强度，成品米粉更加筋道富有弹性[18,19]。这一系列物理性质的改变与微生物在发酵中产生的代谢产物，如酸和酶等使大米中直链淀粉含量变化有关[20],但是目前有关微生物对发酵米粉物理性质变化的研究不够深入，未来可以利用现代分析技术从微观结构层面进一步深入研究微生物引起发酵米粉物性变化的机理。

2.2 对化学性质的影响

研究表明籼米发酵1 d后蛋白质、脂肪含量分别降低了1.24%、0.4%；直链淀粉增加了2%[21]。另有报道大米发酵36 h后，除蛋白、脂肪含量下降外，发酵液pH从初始6.50迅速降至3.35，脂肪酸值、还原糖和白度均有不同程度升高[22]。Masayo[23]对柬埔寨发酵米粉进行分析，发现发酵后大米蛋白质分子质量从14.3 KDa下降到3.5 KDa，总氨基酸、乳酸含量分别增加了80.5 mg/100 g、1.58 g/100 g。由此说明发酵过程中微生物的作用导致大米主要化学成分及含量发生变化。在此基础上人们研究了发酵对大米中活性成分的影响，发现经过稻谷的去芽、去壳、去胚等步骤处理后的精米中γ-氨基丁酸的含量甚微，而在30 ℃水中浸泡发酵3 d后，γ-氨基丁酸含量高达25.63 mg/100 g，进一步研究证明，发酵微生物能分泌的谷氨酸脱羧酶 (Glutamate decarboxylase, GAD)催化大米谷氨酸脱羧反应生成γ-氨基丁酸[24]。发酵过程中大米化学成分的变化对成品米粉品质形成十分重要，然而目前对于微生物菌群代谢与大米理化变化之间的关联规律研究鲜见报道。

2.3 对感官品质的影响

由于发酵改变了大米质构特性，使得发酵米粉的硬度、咀嚼性增加，黏性、吐浆率和断条率降低；蛋白质和脂肪降解，使包埋在其中的矿质元素释放溶解，米粉白度增加且具有较透明的外观；并且米粉产生浓郁的米香，其口感、韧性和透明度等感官评价指标明显优于未发酵米粉[25-27]。Jeesuda等[28]使用气质联用法分析发酵米粉khanom jeen，发现拥有43种挥发性成分，如2-甲基丙酸、3-甲基丁酸、二乙酰、乙酸乙酯等增加了米粉特殊的风味物质。发酵引起的感官品质变化，能赋予产品更好的食味。

2.4 对微观结构的影响

发酵后由于蛋白质的变化，原来处于结合状态的淀粉被释放出来，糊化时溶胀性增加, 膨胀力和热糊黏度显著降低，并更易于形成氢键缔合，从而改善米粉组织结构[29]。发酵前后米粉微观结构发生改变，未发酵米粉由表达蛋白body-蛋白簇状结构组成，而发酵后的淀粉凝胶结构中仅含均匀球形的表达蛋白body-蛋白体；在扫描电镜下观察到发酵后淀粉的结晶度和特征黏度较发酵前降低[30,31]。米粉微观结构变化与发酵中微生物菌群间的相关性值得深入研究。

2.5 对安全性的影响

发酵米粉口感爽滑，有韧劲，其品质优于非发酵米粉，深受消费者欢迎，但自然发酵过程中微生物大量繁殖而导致产品质量不稳定、甚至食源性致病菌污染的安全性问题值得关注。发酵米粉中主要的微生物指标是菌落总数、大肠杆菌和芽孢杆菌等[32,33]，从大米发酵到成品米粉各个阶段存在金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等微生物污染的潜在危害[34,35]。目前，人们进行了利用乳酸菌发酵产生细菌素、抑菌肽等抑制有害菌的生长和构建预测模型控制发酵时间，提高米粉安全性的研究[36]。

3 微生物纯种强化发酵对米粉品质的影响

米粉纯种强化发酵是在米粉自然发酵的基质中接入优良的纯种微生物所进行的混合发酵，此方法有助于改善自然发酵过程中微生物种群难以控制，发酵周期不确定，产品质量不稳定、安全性得不到充分保障的现状，适应发酵米粉的大规模工厂化生产。目前，人们在纯种强化发酵菌种筛选、发酵方式及其对米粉品质影响等方面开展了研究。

3.1 对理化性质的影响

从自然发酵米粉中分离不同种类乳酸菌、酵母菌等优势菌，采用单一菌种强化发酵和混合多菌种混合强化发酵方面，李芸等[37]按照1∶1∶1∶1的比例接种植物乳杆菌、发酵乳杆菌、热带假丝酵母、枯草芽孢杆菌进行多菌种混合强化发酵，发现相较自然发酵，强化发酵后大米的蛋白质、淀粉质量分数分别降低了14.05%、11.39%，直链淀粉提高3.88%；而且，强化发酵后大米表面形成许多类似海绵的多孔结构。Li等[38]以不同比例乳酸菌和假丝酵母接种发酵大米，发现两者比例为5∶5和8∶2时，可以有效地改变淀粉颗粒的完整性，增加米粉硬度、咀嚼性和口感，同时通过调节米粉的结构和理化特性改善米粉的色泽、香气，米粉的质量较自然发酵有所提高。周显青等[39]对比植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌和酿酒酵母强化发酵对大米的影响，发现植物乳杆菌发酵米粉的综合品质最好。然而，大量研究表明利用纯种植物乳酸菌发酵米粉均能得到较自然发酵更好的理化性质，但是植物乳杆菌蛋白水解系统不完全，存在肽转运系统和胞内肽酶，缺乏胞壁蛋白酶，对大米中蛋白质含量减少作用不明显，因此，混菌发酵是有效的方法，利用蛋白酶活力强的乳酸菌水解大米中蛋白质，释放多肽，而植物乳杆菌利用这些多肽在胞内进行进一步水解生成氨基酸，满足生长需求提高米粉品质[40]。

3.2 对香气成分的影响

大米特殊的米香能赋予米粉更好的食味品质，纯种强化发酵能使米粉中香气成分更丰富。采用胚芽乳杆菌∶酿酒酵母菌(1∶2)复合菌种发酵，能在米粉中检测到二十九烷、1,3,5,7-环辛四烯、苯乙醇、1,1-二十二烷氧基十六烷、乙酸乙酯等主要香气成分[41]。植物乳杆菌发酵后，产生的主要挥发性成分由醛类 (乙醛) 、酸类 (乙酸、3,4-二甲基苯甲酸) 、酮类 (2-壬酮) 、烃类 (1-甲基-4-1-甲基亚乙基-环已烯) 、醇类 (苯乙基醇、十一醇) 、酚类 (麝香草酚) 、糖类 (木糖)及其他化合物组成[42-45]。混菌强化发酵中，优势菌酵母菌能以淀粉为原料合成氨基酸，氨基酸在酶作用下生成酮类和醇类；乳酸菌能通过磷酸戊糖途径(HMP)生成乙酸，乳酸等；其产生的醇和酸发生酯化反应生成酯类物质，从而促进了米粉香味物质的形成[46,47]。纯种强化发酵米粉挥发性成分种类丰富，但是发酵过程中微生物组成与风味的关联规律还需进一步深入研究。

3.3 对色泽及质构特性的影响

米粉经过微生物发酵后其质构特性发生改变，且纯种发酵改变更加显著。研究报道乳酸乳球菌纯种发酵米粉，其硬度、弹性、咀嚼性、回复性相较于自然发酵分别提高了88.32%、7.33%、168.37%、96.63%，纯菌种发酵米粉在气味、滋味以及杂质、口感方面得分高于自然发酵米粉[27]。另有学者利用植物乳杆菌和蛋白水解菌发酵大米，其米粉亮度、白度和质构特性也显著优于自然发酵米粉[48,49]。研究认为，微生物强化发酵后米粉质构和色泽之所以更优于自然发酵是因为纯种乳酸菌发酵产生的酸及淀粉酶使支链淀粉分子发生断链和脱支,使其平均聚合度下降,平均链长变短,削弱了支链淀粉分子的再结晶能力[48]。然而，目前纯种发酵对米粉色泽的研究中常采用感官评定的方法，不同参与者的主观差异较大，在未来的研究中可多采用L*、a*、b*色空间法来进行数量判断。

3.4 对蒸煮特性的影响

强化发酵后米粉中的蛋白质、脂肪、灰分含量降低，直链淀粉含量增加；直链淀粉易于聚合，老化形成较强的凝胶网络结构，能降低蒸煮损失率。双歧杆菌和戊糖片球菌单一菌种强化发酵后米粉的断条率、蒸煮损失率和膨胀率较自然发酵米粉显著降低，米粉质量明显改善，蒸煮品质更好[50,51]。不同乳酸菌发酵米粉均能对米粉蒸煮品质进行改善，但菌株间生物学特性差异较大，如何利用不同菌株间的优势协同发酵改善米粉蒸煮品质还需要进一步研究。

4 结论与展望

发酵是微生物在无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代谢或次生代谢等微生物代谢活动，使有机物质发生化学反应的一个过程[52]。自然发酵米粉中主要微生物种群以乳酸菌为主，酵母菌次之，但还是存在一些致病菌的潜在危险。大米主要化学成分为淀粉, 其次为蛋白质、脂肪等,发酵对米粉食品物性、化学性质、感官品质、蒸煮品质等方面均有一定影响，强化发酵米粉比自然发酵米粉具有更好的感官和蒸煮品质。纯种发酵不仅在提高米粉食用品质上起着作用，而且对提高米粉安全性、保证产品质量和稳定生产周期、提高工业产量也有着显著影响。虽然国内外已有一些利用纯种强化发酵米粉的研究，但使用的菌种单一，添加的菌种对米粉作用的机理尚不十分明确，直投式米粉发酵剂应用于实际较少，未来可以深入研究可用于改良米粉品质的菌株，并且利用现代生物技术中较为成熟的细胞融合技术结合多种微生物各有的代谢特性提高纯种发酵菌株的性能，从而实现高效直投式米粉发酵剂的研发及应用。