寇 芳，康麗君，寧冬雪，夏甜天，沈 蒙，王維浩,2，曹龍奎,2,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù) 研究中心，黑龍江 大慶1 63319）

生物發(fā)酵處理對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化特性的影響

寇 芳1，康麗君1，寧冬雪1，夏甜天1，沈 蒙1，王維浩1,2，曹龍奎1,2,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù) 研究中心，黑龍江 大慶1 63319）

采用0.2 g/100 mL NaOH溶液提取發(fā)酵后的小米淀粉，研究自然發(fā)酵及優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）發(fā)酵后對小米淀粉顆粒特性、結(jié)晶度、官能團(tuán)、分子質(zhì)量、糊化及老化特性的影響。結(jié)果如下：乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后，淀粉顆粒表面有明顯的侵蝕跡象，而自然發(fā)酵淀粉顆粒表面侵蝕跡象較輕；乳酸菌發(fā)酵后小米淀粉的結(jié)晶度較自然發(fā)酵增加1.49%而酵母菌發(fā)酵減少0.33%；發(fā)酵并未改變小米淀粉官能團(tuán)區(qū)的峰位，但特征峰強(qiáng)度減弱，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米淀粉指紋區(qū)圖譜消 失；未發(fā)酵小米淀粉重均分子質(zhì)量為1.5×104～ 5.9×1 05g/mol，自然發(fā)酵分子質(zhì)量在2.1×104～5.4×105g/mol，乳酸菌發(fā)酵分子質(zhì)量為1.6×104～5.3×105g/mo l，酵母菌發(fā)酵分子質(zhì)量為1.6×104～4.7×105g/mol，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后支鏈淀粉長鏈及直鏈淀粉比例減少而中間及短支鏈淀粉的比例相對增加；乳酸菌、酵母菌發(fā)酵96 h糊化溫度較自然發(fā)酵下降0.84 ℃和1.13 ℃，熱焓值上升1.00 J/g和0.78 J/g；二者的回生值較自然發(fā)酵分別下降743、471 mPa·s。自然發(fā)酵的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）使小米淀粉的分子結(jié)構(gòu)、糊化及老化特性發(fā)生明顯變化，并在小米自然發(fā)酵過程中起主導(dǎo)作用。

自然發(fā)酵；乳酸菌發(fā)酵；酵母菌發(fā)酵；淀粉；分子結(jié)構(gòu)；糊化；老化

小米是世界干旱和半干旱地區(qū)的主要糧食作物，也是我國婦女產(chǎn)后滋補(bǔ)的主要能量來源，我國小米的種植面積約為140萬 公頃，年產(chǎn)量450萬 t左右，其中內(nèi)蒙古及河北的產(chǎn)量最大[1]。小米中含有63%～70%碳水化合物、2.8%～8.0%脂肪[2]、8.5%～15.1%粗蛋白質(zhì)、10～80 mg/g鈣及180～270 m g/g鎂等，而小米淀粉約占小米的50%～60%，其分子結(jié)構(gòu)不僅影響淀粉的糊化、老化、流變及凝膠特性，同時還決定了小米的加工、食用品質(zhì)。研究表明小米淀粉不易被胰腺淀粉酶分解，且植酸抑制或阻礙蛋白酶和淀粉酶活性，使二者的消化率較低[3-4]，而發(fā)酵不僅可以提高蛋白質(zhì)和淀粉的消化率，還會改善產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)，增加風(fēng)味和營養(yǎng)價值[5]，改善產(chǎn)品的適口性及成團(tuán)性，所以在非洲及亞洲等國家，很多傳統(tǒng)谷物食品都是利用小米自然發(fā)酵制做而成[6-7]。傳統(tǒng)自然發(fā)酵中的主要菌種為乳酸菌、酵母菌。由于酵母菌具有產(chǎn)淀粉酶的能力，其在發(fā)酵過程中分泌淀粉酶使淀粉部分水解為還原糖。而乳酸菌在生長的過程中產(chǎn)生有機(jī)酸及抑菌劑限制了有害菌的生長，并賦予產(chǎn)品特殊風(fēng)味，此外，部分乳酸菌的益生功能不僅使得產(chǎn)品具有較高的營養(yǎng)價值，還改善了腸道微生物均衡，提高機(jī)體免疫作用[8]。但小米自然發(fā)酵受環(huán)境微生物的影響大，易染雜菌，且不同菌屬的環(huán)境微生物在發(fā)酵過程中的代謝產(chǎn)物對小米淀粉影響不同，故發(fā)酵過程及產(chǎn)品品質(zhì)很難控制。若能分離自然發(fā)酵的優(yōu)勢菌，并研究優(yōu)勢菌對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響，將對分析小米自然發(fā)酵、開發(fā)小米發(fā)酵途徑提供良好的理論參考。

國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)酵小米的研究為將小米與其他原料混合發(fā)酵，生產(chǎn)發(fā)酵飲料、發(fā)酵谷物制品，并研究發(fā)酵后蛋白質(zhì)和脂肪的變化及發(fā)酵對小米活性物質(zhì)的影響，并評估發(fā)酵菌種的微生物特性[9-16]。如Kouakou等[17]研究發(fā)酵小米飲料發(fā)現(xiàn)，小米在發(fā)酵1～2 d還原糖的含量顯著增加，而蛋白含量降低，發(fā)酵酶活在第2天達(dá)到最高之后降低。Songré-Ouattara等[18]從傳統(tǒng)的ben-saalga中篩選的植物乳桿菌A6.1及A6發(fā)酵小米花生混合粥，利用植物乳桿菌A6產(chǎn)生的淀粉酶來代替發(fā)芽對淀粉的水解作用，結(jié)果表明植物乳桿菌A6比A6.1的水解及酸化作用更顯著，且添加植物乳桿菌A6.1的小米花生預(yù)煮漿發(fā)酵后有大量的麥芽三糖和四糖被累積，而植物乳桿菌A6卻沒有麥芽糖的累積。國內(nèi)外關(guān)于小米自然發(fā)酵及優(yōu)勢菌對淀粉影響的研究鮮有報道。所以本研究以黃金苗小米為研究對象，利用自然發(fā)酵篩選的優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）為菌種發(fā)酵96 h，分析自然發(fā)酵及其優(yōu)勢菌對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化、老化特性的影響，旨在為研究自然發(fā)酵對淀粉的改性機(jī)理及不同菌屬對小米淀粉性質(zhì)的影響提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支持，為生產(chǎn)自然發(fā)酵小米開拓新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

植物乳桿菌、戊糖片球菌和屎腸球菌、釀酒酵母為從自然發(fā)酵液中篩選并鑒定所得。

黃金苗小米，購于內(nèi)蒙古赤峰。

酵母浸出粉胨葡萄糖（yeast extract peptone dextrose，YEPD）培養(yǎng)基、MRS液體培養(yǎng)基 青島海博生物技術(shù)有限公司；葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品 美國Sigma公司；氫氧化鈉（分析純） 天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2140型分析天平、DSC1型差示掃描量熱儀、S220型pH計 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；DK-S24型恒溫水浴鍋、DGG-9053A型電熱鼓風(fēng)干燥箱上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TGL16B型臺式離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠；M J-1 0 A型磨粉機(jī)上海市浦恒信息科技有限公司；掃描電子顯微鏡 荷蘭FEI公司；X射線粉末衍射儀 德國Bruker公司；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infraredspectroscopy，F(xiàn)TIR）儀 美國Thermo Fisher公司；1525高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站） 美國Waters公司；高壓不銹鋼坩堝 上海瑾恒儀器有限公司；壓樣機(jī) 美國Perkin-Elmer公司；RVA4500型快速黏度分析儀、RVA專用鋁盒 瑞典波通儀器公司；T6型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預(yù)處理

1.3.1.1 菌種制備

按照小米-無菌水為1∶1.2（g/mL）的比例加入蒸餾水，30 ℃自然發(fā)酵96 h后，從發(fā)酵液中篩選出優(yōu)勢菌，通過分離純化和生理生化鑒定確定其為乳酸菌和酵母菌，并將優(yōu)勢菌擴(kuò)大培養(yǎng)。具體方法為：乳酸菌純化并鑒定后，接種至MRS液體培養(yǎng)基在37 ℃增殖培養(yǎng)24～48 h，直到乳酸菌菌懸液濃度達(dá)到5×108CFU/mL；酵母菌純化鑒定后，接種到Y(jié)EPD液體培養(yǎng)基上28 ℃增殖培養(yǎng)24～48 h，直到酵母菌菌懸液濃度達(dá)到5×108CFU/mL。

1.3.1.2 乳酸菌發(fā)酵小米

取4 份小米，每份150 g，用滅菌蒸餾水清洗一遍后置于500 mL燒杯中，按小米-無菌水的比例為1∶1.2（g/mL）加入無菌蒸餾水。吸取擴(kuò)大培養(yǎng)后的微生物菌懸液（乳酸菌）5 mL接種到小米中，用保鮮膜密封，在最適溫度37 ℃培養(yǎng)96 h進(jìn)行發(fā)酵。

1.3.1.3 酵母菌發(fā)酵小米

取4 份小米，每份150 g，用滅菌蒸餾水清洗一遍后置于500 mL燒杯中，按小米-無菌水的比例為1∶1.2（g/mL）加入無菌蒸餾水。吸取擴(kuò)大培養(yǎng)后的微生物菌懸液（酵母菌）5 mL接種到小米中，用保鮮膜密封，分別在最適溫度28 ℃培養(yǎng)96 h進(jìn)行發(fā)酵。

1.3.1.4 自然發(fā)酵小米

取小米150 g，按小米-無菌水的比例為1∶1.2（g/mL）加入蒸餾水，30 ℃自然發(fā)酵96 h。

1.3.1.5 發(fā)酵小米淀粉的制備

將發(fā)酵后并干磨法過80 目篩的小米粉按料液比1∶3（g/mL）置于0.2 g/100 mL的NaOH溶液中，提取3 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，除去沉淀中上層黃褐色物質(zhì)，水洗，連續(xù)離心4 次，直至淀粉漿呈白色。用1 mol/L HCl調(diào)漿至pH 7.0，離心，30 ℃條件下干燥，過80 目篩，即得發(fā)酵小米淀粉。

1.3.2 發(fā)酵對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化特性的影響

1.3.2.1 發(fā)酵對小米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響

用導(dǎo)電膠將分散均勻的小米淀粉樣品固定，利用離子濺射鍍膜儀噴金，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察并拍攝有代表性的照片。

1.3.2.2 發(fā)酵對小米淀粉結(jié)晶度的影響

X射線衍射儀分析條件：特征射線CuKa、功率1 600 W、管流40 mV、管壓4.0×104V、掃描速率為4 °/min、2θ掃描范圍3～60°、步長0.02°、狹縫寬度DS、SS、RS分別為1、1、0.1 mm[19]。

1.3.2.3 發(fā)酵對小米淀粉基團(tuán)的影響

取小米淀粉0.5～2.0 mg，再加入100～200 mg經(jīng)過磨細(xì)干燥的KBr粉末，混合研磨均勻后，放入FTIR光束中進(jìn)行全波段的掃描，掃描范圍為4 000～400 cm－1，分辨率為4 cm－1，最后得到小米淀粉的FTIR圖[20]。

1.3.2.4 發(fā)酵對小米淀粉分子質(zhì)量的影響

稱取樣品適量于容量瓶中，用流動相溶解，定容。凝膠滲透色譜（gel permeation chromatography，GPC）條件：色譜柱：Ultrahydrogel? Linear（300 mm×7.8 mm），兩柱串聯(lián)，流動相：0.1 mol/L硝酸鈉，流速：0.8 mL/min，柱溫：30 ℃，進(jìn)樣量：20 μL。

1.3.2.5 發(fā)酵對小米淀粉糊化特性的測定

準(zhǔn)確稱樣品3.0 mg于坩堝中，加入7 μL蒸餾水，用壓片器反復(fù)壓3～4 次至坩堝邊緣密封完好。室溫均衡12 h，在N2流量為150 mL/min、壓力0.1 MPa、升溫速率5 ℃/min的條件下測定不同樣品的糊化特性曲線。

1.3.2.6 發(fā)酵對小米淀粉老化特性的測定

稱樣品3.500 g（干質(zhì)量）于樣品盒中，加水25 mL，35 ℃保溫3 min，以6 ℃/min的速率加熱到95℃，保溫5 min，以6 ℃/min的速率降溫到50 ℃。用儀器配套的軟件分析得到曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel、SPSS軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵對小米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響

圖1 不同發(fā)酵處理小米淀粉顆粒形態(tài)的影響（發(fā)酵96 h）Fig.1 Effects of different fermentation processes on the morphology of millet starch granules (96 h)

小米淀粉顆粒大部分呈多角形，少數(shù)為球形[21-22]。由圖1可知，未發(fā)酵的小米淀粉顆粒表面較為光滑，無孔洞。自然發(fā)酵小米淀粉表面侵蝕跡象較輕，而乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米淀粉表面有明顯的孔洞，說明發(fā)酵可使淀粉表面被侵蝕。這是由于發(fā)酵過程中微生物產(chǎn)酸產(chǎn)酶，使淀粉顆粒無定形區(qū)遭到破壞[23-24]，淀粉的顆粒特性發(fā)生改變，不再保持完整的顆粒表面。

2.2 發(fā)酵對小米淀粉結(jié)晶度的影響

圖2 小米淀粉的X衍射圖譜Fig.2 X-diffraction patterns of millet starch

由圖2可知，X衍射圖譜中，結(jié)晶區(qū)的圖譜具有明顯的衍射尖峰，該區(qū)域是晶粒線度大、晶形完整有序，而無定形區(qū)（即非晶區(qū)）是一些短程有序、長程無序的區(qū)域，其圖譜有明 顯的彌散衍射特征[25]。

表1 小米淀粉X衍射2 角和峰寬Table1 X-diffraction angle and peak width of millet starch

由表1可知，發(fā)酵后小米淀粉的晶型依然為A型。說明發(fā)酵未使小米淀粉的晶型發(fā)生改變。同未發(fā)酵小米淀粉相比，3 種發(fā)酵處理所得小米淀粉的結(jié)晶度分別增加1.23%、3.05%和1.56%，而乳酸菌發(fā)酵小米淀粉的結(jié)晶度較自然發(fā)酵上升1.49%，酵母菌較自然發(fā)酵下降0.33%。結(jié)晶度的增加是由于淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)的長支鏈淀粉被酸水解，生成大量中間級及短支鏈淀粉，且結(jié)構(gòu)較松的無定形區(qū)易遭到一定程度的損壞[26]，故相對結(jié)晶度有所增加。此外，酵母菌在發(fā)酵過程中，所產(chǎn)的酶（主要為淀粉酶）將結(jié)晶區(qū)的淀粉顆粒水解成小分子物質(zhì)被微生物利用，故發(fā)酵后結(jié)晶度較自然發(fā)酵降低。發(fā)酵產(chǎn)酸產(chǎn)酶使淀粉顆粒的結(jié)晶度發(fā)生改變。

2.3 發(fā)酵對小米淀粉基團(tuán)的影響

中紅外光譜分為官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū)，其頻率范圍為4 000～1 300 cm－1及1 300～400 cm－1[27]。利用FTIR研究發(fā)酵前后小米淀粉分子鏈上基團(tuán)結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵的變化，分析發(fā)酵對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖3所示。小米淀粉在2 931、2 062 cm－1處有特征吸收峰，其對應(yīng)著C—H的伸縮振動峰，1 648 cm－1處為C=O振動吸收峰，且發(fā)酵后，小米淀粉官能團(tuán)區(qū)的特征吸收峰位未發(fā)生變化，但峰強(qiáng)減弱。指紋區(qū)在1242、929、861、765 cm－1處出現(xiàn)吸收峰，分別對應(yīng)C—O、C—C伸縮振動峰和C—H面外彎曲振動吸收峰。酵母菌、乳酸菌發(fā)酵小米淀粉樣品在578 cm－1和530 cm－1處的吸收峰減弱，在611.97 cm－1處吸收峰消失。其原因?yàn)槿樗峋l(fā)酵、酵母菌發(fā)酵過程產(chǎn)酸、淀粉酶，使小米淀粉顆粒遭到一定程度的損壞，且小米淀粉顆粒有孔道，酸、酶作用于小米淀粉顆粒的孔道進(jìn)入淀粉內(nèi)部，使淀粉部分水解，化學(xué)鍵發(fā)生改變，指紋區(qū)的圖譜部分消失。淀粉紅外光譜指紋區(qū)可以用來分析淀粉分子短程有序的結(jié)構(gòu)，指紋區(qū)圖譜部分消失，說明發(fā)酵使淀粉短程有序的結(jié)構(gòu)遭到一定程度破壞。

圖3 小米淀粉的FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of millet starch

2.4 發(fā)酵對小米淀粉分子質(zhì)量的影響

淀粉是由分子質(zhì)量不同的高分子化合物組成的同系混合物，其凝膠特性、老化特性、糊化特性等不僅與平均分子質(zhì)量有密切的關(guān)聯(lián)，還受分子質(zhì)量分布的影響[28]。淀粉的分子質(zhì)量分布是表征聚合物分子鏈長短的重要參數(shù)，常用多分散指數(shù)（Mw/Mn）表示。Mw/Mn越接近于1，說明樣品的組分越單一，越大則說明樣品的組分越復(fù)雜，分子分布越寬[29]。對于多分散、寬分布的聚合物其Mw/Mn為1.5～30，表2為不同處理小米淀粉分子質(zhì)量及其分布。未發(fā)酵小米淀粉的Mw為1.5×104～5.9×105g/mol，由圖4及表2可看出，乳酸菌發(fā)酵后Mw在1.6×104～5.3×105g/mol，酵母菌為1.6×104～4.7×105g/mol，自然發(fā)酵為2.1×104～5.4×105g/mol。發(fā)酵后小米淀粉分子質(zhì)量分為2 個區(qū)，分別為Ⅰ區(qū)（主要為支鏈淀粉）和Ⅱ區(qū)（主要為直鏈淀粉及少部分支鏈淀粉），Ⅰ區(qū)Mw未發(fā)酵小米淀粉＞自然發(fā)酵＞乳酸菌發(fā)酵＞酵母菌發(fā)酵，Mn乳酸菌發(fā)酵＞酵母菌發(fā)酵＞自然發(fā)酵＞未發(fā)酵小米淀粉，而Mw/Mn為未發(fā)酵小米淀粉＞自然發(fā)酵＞酵母菌發(fā)酵＞乳酸菌發(fā)酵。發(fā)酵后Mw及Mw/Mn較未發(fā)酵小米淀粉降低，Mn增加表明發(fā)酵后支鏈淀粉部分水解，發(fā)生斷鏈或脫支；Ⅱ區(qū)Mw未發(fā)酵小米淀粉＞自然發(fā)酵＞乳酸菌發(fā)酵＞酵母菌發(fā)酵，Mn自然發(fā)酵＞乳酸菌發(fā)酵≈酵母菌發(fā)酵＞未發(fā)酵小米淀粉，而Mw/Mn為未發(fā)酵小米淀粉＞自然發(fā)酵＞乳酸菌發(fā)酵＞酵母菌發(fā)酵。Ⅱ區(qū)Mw及Mw/Mn較未發(fā)酵小米淀粉降低，Mn增加，說明發(fā)酵使直鏈淀粉部分水解。

圖4 小米淀粉的GPC譜圖Fig.4 GPC chromatogram of millet starch

表2 發(fā)酵小米淀粉分子質(zhì)量Table2 Molecular mass of fermented millet starch

乳酸菌，酵母菌發(fā)酵后淀粉Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的Mw相對自然發(fā)酵減少，Mw/Mn變窄，表明發(fā)酵后長支鏈淀粉及部分直鏈淀粉的比例降低，中間及短支鏈淀粉的比例增加，起到純化淀粉的作用，且直鏈淀粉的降低表明其短期抗老化性能的提高。乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生大量乳酸，使支鏈淀粉發(fā)生水解，中間及短支鏈淀粉的比例增加，魯戰(zhàn)會等[30]認(rèn)為乳酸可使淀粉顆粒發(fā)生支鏈淀粉長鏈斷鏈，中間淀粉分子比例增加，與本研究結(jié)果一致。而酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生大量淀粉酶，使支鏈、直鏈淀粉分子水解為小分子物質(zhì)，故乳酸菌發(fā)酵后故Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)淀粉Mw相對酵母菌大。乳酸菌，酵母菌發(fā)酵后長支鏈淀粉及直鏈淀粉減少，中間及短支鏈淀粉比例增加。

2.5 發(fā)酵對小米淀粉糊化特性的影響

圖5 不同發(fā)酵處理對小米淀粉糊化特性的影響Fig.5 Effect of different fermentation treatments on pasting properties of millet starch

表3 不同發(fā)酵處理小米淀粉糊化特征參數(shù)Table3 Thermal characteristic parameters of millet starch during different fermentation processes

不同發(fā)酵處理對小米淀粉糊化特性曲線的影響如圖5及表3所示，自然發(fā)酵小米淀粉的糊化溫度（T0）、峰值溫度（Tp）、熱焓值（ΔH）隨著發(fā)酵時間的延長先減小后增加；乳酸菌發(fā)酵的T0在48 h前隨發(fā)酵時間的延長而增加，72 h降低，之后又增加，Tp隨發(fā)酵時間的延長而增加。酵母菌發(fā)酵T0先增加后降低，Tp先降低后稍有升高，ΔH在發(fā)酵48 h最低，之后增加。

發(fā)酵96 h（發(fā)酵終止）時，乳酸菌、酵母菌的T0較自然發(fā)酵相比下降0.84 ℃和1.13 ℃。T0的降低是由于發(fā)酵過程中微生物代謝所產(chǎn)生的酸、酶作用于淀粉顆粒的無定形區(qū)[30-31]，使淀粉無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)遭到了破壞，淀粉顆粒結(jié)合水的能力增強(qiáng)，使淀粉更易糊化。另外，發(fā)酵也降低了小米淀粉蛋白和脂肪的含量（乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后蛋白質(zhì)和脂肪的百分含量比自然發(fā)酵分別下降0.04%和0.012%），使其與淀粉的絡(luò)合能力減弱[32]，故淀粉的T0降低。ΔH分別上升1.00、0.78 J/g，根據(jù)發(fā)酵后淀粉的分子質(zhì)量變化可知，相同發(fā)酵時間，乳酸菌發(fā)酵的ΔH較大是由于其發(fā)酵產(chǎn)生大量的有機(jī)酸使較長支鏈淀粉水解為大量的中間級及較短鏈的支鏈淀粉，使結(jié)晶區(qū)的比例相對增大的緣故。而酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生的淀粉酶使結(jié)晶區(qū)的部分支鏈淀粉水解為小分子物質(zhì)，Mw、Mn降低，故其發(fā)酵后ΔH較自然發(fā)酵降低。

2.6 發(fā)酵對小米淀粉老化特性的影響

3 種發(fā)酵所得小米淀粉的老化特性如圖6和表4所示。發(fā)酵時間對乳酸菌、自然發(fā)酵的回生值影響顯著。乳酸菌發(fā)酵小米淀粉糊化的峰值黏度較自然發(fā)酵增加185 mPa·s，酵母菌降低97 mPa·s。其原因?yàn)槿樗峋l(fā)酵使長支鏈淀粉的比例相對減少，而中間及短鏈的支鏈淀粉相對增加，且發(fā)酵使蛋白質(zhì)、脂肪明顯減少，淀粉顆粒在糊化的過程中更易吸水膨脹至更大的體積，故峰值黏度增加。而酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生的淀粉酶，使支鏈淀粉及直鏈淀粉水解，峰值黏度降低。最終黏度是冷糊在低剪切作用下穩(wěn)定性的評估，較自然發(fā)酵相比，乳酸菌發(fā)酵、酵母菌發(fā)酵的最終黏度變大，故二者發(fā)酵所得淀粉的耐剪切穩(wěn)定性良好。乳酸菌、酵母菌發(fā)酵的衰減值較自然發(fā)酵分別下降978、600 mPa·s。乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米支鏈淀粉的長鏈發(fā)生較強(qiáng)的斷鏈與脫支，而中間級及短鏈的比例相對增加，這可能是淀粉衰減值降低的重要原因，衰減值的降低，說明發(fā)酵后的小米淀粉在加熱過程中維持顆粒結(jié)構(gòu)完整性的能力增強(qiáng)?；厣捣从沉撕蟮矸鄣姆€(wěn)定性和老化趨勢，乳酸菌、酵母菌發(fā)酵的回生值與自然發(fā)酵的相比分別下降743、471 mPa·s。乳酸菌、酵母菌發(fā)酵改變了小米淀粉的化學(xué)成分及分子結(jié)構(gòu)而影響其回生特性，使淀粉的短期老化能力下降。

圖6 老化特性的測定Fig.6 Determination of retrogradation characteristics

3 結(jié) 論

同自然發(fā)酵相比，優(yōu)勢菌（乳酸菌、酵母菌）發(fā)酵后，小米淀粉的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。乳酸菌、酵母菌發(fā)酵后小米淀粉指紋區(qū)的化學(xué)鍵發(fā)生變化，圖譜部分消失，導(dǎo)致Mw發(fā)生改變，此外小米淀粉分子結(jié)構(gòu)的變化使其回生值、T0降低，ΔH升高，適用于焙烤類等混合粉的添加。此研究闡明了自然發(fā)酵中乳酸菌、酵母菌對小米淀粉的改性作用，為分析小米自然發(fā)酵的改性機(jī)理提供了數(shù)據(jù)支持，之后將研究自然發(fā)酵及優(yōu)勢菌對小米淀粉性質(zhì)及加工品質(zhì)的影響。

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Effects of Fermentation on Mo lecular Structure and Pasting Properties of Millet Starch

KOU Fang1, KANG Lijun1, NIN G Dongxue1, XIA Tiantian1, SHEN Meng1, WAN G Weihao1,2, CAO Longkui1,2,*
(1. College of Food Science, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2. National Cereals Engineering Technology Research Center, Daqing 163319, China)

This study was conducted to examine the effects of natural fermentation and pure culture fermentation (with the predominant strains of lactic acid bacteria and yeast isolated from naturally fermented millet) of millet on molecular structure and pasting properties of millet starch, aiming to provide a theoretical foundation for the analysis of the effect and mechanism of pure culture fermentation on the modi fi cation of millet starch. Starches were extracted from millet fermented by different starter cultures, and they were examined for differences in granular characteristics, crystallinity, functional groups, molecular mass, and pasting and r etrogradation properties. Results were obtained as f ollows： 1) The starch granules showed marked surface erosion after fermentation with each isolate, but were only slightly affected by natural fermentation. 2) Lactic acid bacterial fermentation yielded a 1.49% increase and a 0.33% decrease in starch crystallinity as compared to natural fermentation and yeast fermentation, respectively. 3) Fermentation did not change the peak positions in the function group region of millet starch, but decreased the characteristic peak intensity; the fi ngerprint region disappeared after pure culture fermentation. 4). The weight average molecular mass of unfermented millet starch was between 1.5 × 1045.9 × 105g/mol, that of the naturally fermented one between 2.1 × 1045.4 × 105g/mol, and that of the lactic acid bacteria fermented one between 1.6 × 1045.3 × 105g/mol, and that of the yeast fermented one between 1.6 × 1044.7 × 105g/mol. 5) After fermentation, the proportions of long-chain amylopectin and amylose decreased, whereas the proportion of shortand middle-chain amylopectin increased. Moreover, after fermentation by the lactic acid bacteria and yeast for 96 h, the gelatinization temperature decreased 0.84 and 1.13 ℃, the enthalpy increased by 1.00 and 0.78 J/g, the setback decreased by 743 and 471 mPa·s as compared with natural fermentation, respectively. It was concluded that the dominant bacteria lacticacid bact eria and yeast in natural fermentation played a major role in changing the molecular structure, and pasti ng and retrogradation characteristics of millet starch.

natural fermentation; lactic acid bacteria fermentation; yeast fermentation; starch; molecular structure; gelatinization; retrogradation

10.7506/spkx1002-6630-201712006

TS231

A

1002-6630（2017）12-0036-07

寇芳, 康麗君, 寧冬雪, 等. 生物發(fā)酵處理對小米淀粉分子結(jié)構(gòu)及糊化特性的影響[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(12)： 36-42.

10.7506/spkx1002-6630-201 712006. http：//www.spkx.net.cn

KOU Fang, KANG Lijun, NING Dongxue, et al. Effects of fermentati on on molecular structur e and pasting properties of millet starch[J]. Food Science, 2017, 38(12)： 36-42. (in Chinese with English abstract) DOI：10.7506/spkx1002-6630-201712006. http：// www.spkx.ne t.cn

2016-06-19

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目（YJSCX2017-Y54）；黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（GA15B301）

寇芳（1993—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡s糧發(fā)酵。E-mail：18249556388@163.com

*通信作者：曹龍奎（1965—），男，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：caolongkui2013@163.com