植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉品质的影响及作用机理分析

王东坤,张佳艳,李才明,2,顾正彪,2,班宵逢,2,洪雁,2,程力,2,李兆丰,2*

1(江南大学 食品学院,江苏 无锡,214122)2(食品科学与技术国家重点实验室(江南大学),江苏 无锡,214122)

米粉是以大米为原料,经过浸泡、磨浆、熟化挤压、老化等工艺而成的一种米制品,有着悠久的历史,在我国南方及东南亚地区广受欢迎,有着广阔的市场[1]。但传统米粉一般为干米粉,需要复水浸泡后再加工、食用,而鲜湿米粉可省去复水浸泡的过程。根据制备工艺的不同,可将鲜湿米粉分为非发酵米粉和发酵米粉,发酵米粉具有独特的口感和风味。目前,发酵米粉制备多采用传统的自然发酵方式,虽可改善米粉的质构和感官特性[2],但实际生产中,发酵过程多依靠经验进行,受环境因素影响较大,无法保障产品质量的稳定。另外,自然发酵制备出的米粉还存在着光泽差,易断条、糊汤等缺点,其品质尚需进一步提高[3]。

针对传统自然发酵存在的缺点,研究人员引入特定微生物,对大米进行强化发酵(也称纯种发酵),是目前广泛应用的措施[4]。植物乳杆菌强化发酵被证实能够显著改善米粉品质,周显青等[5]研究发现,外源植物乳杆菌发酵能使米粉获得较好的质构特性;GENG等[6]认为植物乳杆菌发酵可以改善米粉风味特性,同时保持米粉的质构和蒸煮品质;李芸[7]以自然发酵液中筛选出的植物乳杆菌发酵大米,发现制得的米粉质构和感官品质均有提高。现有报道多集中于植物乳杆菌强化发酵对成品米粉品质的改善作用,但近些年来,有关其作用机理的研究也引起了一些研究人员的关注。易翠平等[8]研究了植物乳杆菌不同发酵时间内大米化学成分的变化,并认为发酵过程中大米蛋白质含量的变化是影响米粉硬度的重要原因;张玉荣等[9]发现植物乳杆菌发酵能改变大米的糊化特性和凝胶特性,进而对米粉品质产生影响。由此可见,大米的化学组成、糊化特性等理化性质是影响米粉品质的重要因素,但目前关于强化发酵作用机理的认识还十分有限,同时将植物乳杆菌强化发酵与自然发酵进行比较分析的研究也较少。

本文以实验室前期从自然发酵米粉样品中筛选出1株优势乳酸菌,植物乳杆菌为研究对象,通过对未发酵、自然发酵及植物乳杆菌强化发酵制得的鲜湿米粉品质,及大米理化性质的差异分析,探究植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉品质的影响及作用机理,以为鲜湿米粉的工业化生产提供技术手段及理论借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

珍珠3号籼米,芜湖南陵新塘米业有限公司;植物乳杆菌(LactobacillusplantarumSTB19)由本实验室自行筛选并进行保藏;其他试剂均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

YC-30米粉机,广州金本机械有限公司;LB-M12磨浆机,佛山市劲申电器有限公司;GI54高压灭菌器,美国Zealway公司;SW-CJ-2FD洁净工作台,苏净集团苏州安泰空气技术有限公司;BPH-9042精密恒温培养箱,上海一恒科学仪器有限公司;BXS-400S恒温恒湿箱,上海博讯实业有限公司医疗设备厂;SW-22振荡摇床水浴锅,优莱博技术有限公司;SCIENTE-10 ND冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;TA-XT Plus物性分析仪,英国SMS公司;StarchMaster2快速黏度分析仪,瑞典Perten有限公司;D8 Advance X射线衍射仪,德国Bruker公司。

1.3 实验方法

1.3.1 鲜湿米粉的制备

鲜湿米粉的制备工艺：

籼米→发酵→清洗→磨浆→糊化→挤粉→老化→复煮→水洗→分装→成品

3组实验组的具体处理方法分别为：(1)未发酵组,将大米在25 ℃下加水浸泡2 h(米水质量比为1∶1.5,下同);(2)自然发酵组,将大米加水浸泡后25 ℃发酵60 h;(3)强化发酵组,将大米加水浸泡后,再向其中接入加水量为1%(体积分数)的经活化培养过的植物乳杆菌菌悬液(106CFU/mL),同样25 ℃发酵60 h。

粉条经米粉机挤出后,立即放入恒温恒湿箱中老化,老化温度为20 ℃,湿度为70%,时间为6 h,老化完成后经沸水复煮3 min。

1.3.2 大米粉的制备

分别取未发酵、自然发酵及强化发酵的大米样品,清洗后加入同等质量的去离子水进行研磨,然后置于超低温冰箱提前预冻,再放入真空冷冻干燥机中干燥48 h。冻干样品经研钵捣碎,过100目筛,用自封袋盛装置于干燥器中待用,使用前测定样品水分含量。

1.3.3 质构品质测定

参照任元元等[10]的方法并加以修改,将米粉样品在沸水中蒸煮3 min,过冷水30 s,然后置于物性仪测试台上进行测试,测定参数为：探头P35,测前速度1.0 mm/s,测中速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,压缩比70%,自动触发力5 g。

1.3.4 蒸煮品质测定

断条率、蒸煮损失和复水率的测定参照文献[11-12]进行。

1.3.5 基本成分测定

蛋白质参照 GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》;总淀粉、直链淀粉参照Megazyme试剂盒方法进行测定;脂肪参照 GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》;灰分参照 GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》。

1.3.6 糊化特性测定

糊化特性采用快速黏度分析仪测定,标准加水量为25 g,以10%干基计算实际样品量,具体测定条件参照CAI等[13]的方法进行。

1.3.7 热力学特性测定

取3～4 mg大米粉于坩埚中,加入6～8 μL去离子水,密封后放置于4 ℃冰箱平衡24 h,测定条件参照王晓培等[14]的方法进行。

1.3.8 结晶特性测定

参照李才明等[15]的方法并加以修改。取样品于测试板圆孔中,用载玻片压实后开始测试,测定条件为：扫描区间5°～40°,扫描频率2°/min、扫描步长0.02°。并采用MDI Jade V6.0 软件计算相对结晶度。

1.3.9 感官评价

参照罗文波等[12]的方法并加以修改。将米粉样品沸水煮至3 min,再经冷水淋洗,由12名食品专业人员(6男6女)从色泽、气味、外观结构、爽滑度及硬度5方面对米粉进行评分,并计算综合评分。评分标准见表1。

表1 鲜湿米粉感官评分标准Table 1 The sensory evaluation criteria of fresh rice noodles

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件处理数据的平均值和标准误差,SPSS 23.0软件分析数据差异的统计学意义,差异显著性分析由Duncan程序分析完成(P<0.05),Origin 8.5软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉质构品质的影响

质构品质是米粉品质评价的重要指标,如表2所示,与未发酵组相比,发酵组米粉的硬度和咀嚼性提高,黏附性降低,回复性增大,弹性变化不明显。强化发酵组米粉的硬度较自然发酵组提高了0.28%,咀嚼性提高了6.40%,黏附性则降低了51.61%。相对高的硬度、咀嚼性能够增强米粉食用时的筋道感,口感更佳,而较低的黏附性能使米粉具有更高的爽滑性,食用时不黏牙[16]。因此,植物乳杆菌强化发酵更能够提高鲜湿米粉的质构品质。易翠平等[17]发现经乳酸菌发酵的鲜湿米粉硬度、弹性和内聚性显著提高,黏性降低,米粉品质得到改善,与本研究结果一致,这可能是因为强化发酵使米粉形成了更强的凝胶结构。

表2 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉质构品质的影响Table 2 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on texture quality of fresh rice noodles

2.2 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉蒸煮品质的影响

蒸煮损失、断条率和复水率是评价米粉蒸煮品质的重要指标,鲜湿米粉应具有较低的蒸煮损失、断条率和较高的复水率[10]。如表3所示,与未发酵组相比,自然发酵组米粉的蒸煮损失降低了49.21%,断条率降低了38.30%,复水率提高了2.05%,而强化发酵组米粉的蒸煮损失降低了51.72%,断条率降低了60.02%,复水率则提高了2.89%。因此,植物乳杆菌强化发酵更能改善鲜湿米粉的蒸煮品质。与周显青等[5]的研究结果一致,其原因可能是强化发酵有利于米粉形成更致密的凝胶网络,在米粉蒸煮过程中能减少固形物的溶出。

表3 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉蒸煮品质的影响Table 3 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on cooking quality of fresh rice noodles

2.3 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉感官品质的影响

感官品质是直观反映米粉品质的综合指标,如图1所示,与未发酵组相比,发酵组米粉的硬度、爽滑度及外观结构评分显著提高,这与上文提到的发酵组米粉硬度、咀嚼性提高,黏附性降低的变化趋势基本相同,由此表明,通过物性仪测定得到的米粉质构特性可以在一定程度上客观反映其感官品质[8]。

图1 植物乳杆菌强化发酵对鲜湿米粉感官品质的影响Fig.1 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on sensory quality of fresh rice noodles

此外,植物乳杆菌强化发酵也显著提高了鲜湿米粉的色泽评分和气味评分,使其光泽度提高,发酵米香味浓郁。综合来说,强化发酵组米粉的感官总分从未发酵组米粉的52分提升至80分,显著提高了54%,而自然发酵组米粉仅为71分,因此,植物乳杆菌强化发酵能提高鲜湿米粉的感官品质,使其具有更佳的食用性。

2.4 植物乳杆菌强化发酵改善鲜湿米粉品质的机理分析

原料大米的理化性质对米粉品质有着重要影响,因此,为了分析植物乳杆菌强化发酵改善鲜湿米粉品质的机理,研究了强化发酵对大米的基本成分、结晶特性、糊化特性、热力学特性的影响。

2.4.1 基本成分

如表4所示,与未发酵组相比,发酵组大米的蛋白质、脂肪及灰分含量显著减少,而总淀粉、直链淀粉含量显著增加。尤其是强化发酵组大米的蛋白质含量较未发酵组降低了10.81%,这与易翠平等[8]的研究结果一致,其原因可能是蛋白作为发酵过程中微生物生长的唯一氮源,被分解利用或是溶出[3],导致其含量下降,在一定程度上起到了纯化淀粉的作用,也更有利于米粉凝胶的形成,从而改善米粉品质;脂肪含量的降低也使得淀粉被纯化,有利于改善米粉口感;灰分含量的降低能够增强米粉色泽,使其外观更洁白。

表4 植物乳杆菌强化发酵对大米基本成分的影响 单位：%

总淀粉含量的增加,主要是由于其他成分在发酵过程中被利用或是浸泡溶出,导致了其比例的相对提高,李亚军[18]也发现乳酸菌发酵能使早籼米淀粉含量有所增加,强化发酵组大米的总淀粉含量较自然发酵组增加了2.12%,这表明植物乳杆菌强化发酵对淀粉的纯化作用更强。同时,直链淀粉含量也显著增加,其原因可能是发酵过程中产生的酸或酶作用于支链淀粉并使其降解成为直链淀粉[19],进而导致直链淀粉含量的增加。此外,LI等[20]认为,大米淀粉团粒内无定形区中淀粉链之间发生相互作用,也可以引起直链淀粉含量增加。

直链淀粉具有快速形成凝胶的特性,对米粉品质起着至关重要的作用,当其含量<27%时,其值越高,米粉品质越好,强化发酵组大米的直链淀粉含量较自然发酵组增加了7.18%[21]。因此,植物乳杆菌强化发酵更有利于提高鲜湿米粉品质。

2.4.2 结晶特性

不同样品组的大米粉X射线衍射结果如图2所示。未发酵组和发酵组均在2θ为15°、17°、18°和23°左右处都有明显的衍射峰,这表明发酵过程并未改变大米淀粉的晶型,仍为A型。同时,根据软件计算结果,未发酵组样品的相对结晶度为15.23%,自然发酵组为15.69%,强化发酵组提升至16.67%,这说明发酵过程能够提高大米的相对结晶度,并且植物乳杆菌强化发酵的作用效果更强。张玉荣等[9]分析了植物乳杆菌不同发酵时间大米粉相对结晶度的变化,发现其随发酵时间的延长而逐渐增大。导致这种变化的原因可能是发酵过程中产生的酸和酶,能作用于大米淀粉分子的无定形区,对其造成一定程度的破坏或水解,使无定形区比例下降,结晶区比例增加[22],从而导致相对结晶度的提高。大米结晶结构的变化也会影响米粉的质构特性,如咀嚼性和弹性等[23]。

图2 植物乳杆菌强化发酵对大米结晶特性的影响Fig.2 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on crystalline properties of rice

2.4.3 糊化特性

如表5所示,与未发酵组相比,发酵组大米的糊化温度和崩解值有所提高,而峰值黏度、谷值黏度、终值黏度及回生值均明显下降。尤其是经植物乳杆菌强化发酵后大米的峰值黏度降低了14.46%,终值黏度降低了35.08%。同样,YANG等[24]发现,经乳酸菌发酵后的大米峰值黏度和终值黏度明显降低,发酵的显著特征就是大米糊化,黏度降低。无定形区支链淀粉的断链和脱支可能导致了黏度值的降低,也可能是由于直链淀粉含量的增加,使糊化时黏度下降[19]。大米糊化黏度的降低,能够使米粉更易成型,且有利于改善米粉的分散性,进而提高米粉品质。

与未发酵大米相比,发酵后大米的回生值降低(表5),表明发酵使大米短期老化能力略有下降。从图3糊化曲线中也可以明显看出3组大米样品糊化特性的显著差异。

表5 植物乳杆菌强化发酵对大米糊化特性的影响Table 5 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on pasting properties of rice

图3 大米糊化曲线Fig.3 The pasting curve of rice

2.4.4 热力学特性

热力学特性是指淀粉糊化过程中热力学的变化状况[18],如表6所示,与未发酵组相比,发酵组大米的起始糊化温度(TO)显著下降、峰值糊化温度(TP)变化不明显、终止糊化温度(TC)和ΔH则显著增高。尤其是经植物乳杆菌强化发酵后大米的TO降低了7.55%,ΔH较自然发酵组显著提高了87.62%。这可能是由于发酵过程中会产生酸和酶[25],它们能够破坏或水解大米淀粉的无定形区,有利于水分子进入淀粉颗粒内部,进而使淀粉更易糊化,造成TO降低。同时,因无定形区的支链淀粉分子被水解,使得无定形区的比例减少,结晶区的比例相对增加,造成ΔH提高,并且植物乳杆菌强化发酵的作用效果更强。此外,王晓培等[14]认为直链淀粉含量的增加,减弱了淀粉结晶结构在糊化过程中的破坏,导致ΔH提高。从2.4.1的结果可知,植物乳杆菌强化发酵的大米直链淀粉含量有所增加,因此推断直链淀粉含量的增加也可能是造成ΔH提高的原因。

表6 植物乳杆菌强化发酵对大米热力学特性的影响Table 6 Effect of L.plantarum enhanced fermentation on thermodynamic properties of rice

3 结论

发酵米粉品质较未发酵米粉明显改善,且与自然发酵相比,植物乳杆菌强化发酵能进一步提高米粉的质构、蒸煮及感官品质。机理分析结果表明,植物乳杆菌强化发酵较自然发酵能进一步减少大米中的蛋白质含量,从而显著提高总淀粉和直链淀粉含量,并且使大米相对结晶度提高,大米糊化黏度和起始糊化温度降低,从而使糊化焓值显著提高。综上可知,与自然发酵相比,植物乳杆菌强化发酵对大米淀粉的纯化作用更强,同时对大米糊化特性和热力学特性的改善更为显著,更有利于米粉品质的提高。