植物乳杆菌发酵对马铃薯全粉结构与性能的影响

我国是马铃薯主产区之一,年产量已达0.72亿t,马铃薯含有优质的蛋白质、维生素、膳食纤维、碳水化合物、矿物质和人体必需的氨基酸,脂肪含量低,热量低,营养价值丰富。2015年我国农业部提出了马铃薯主粮化的建议,2016年国家马铃薯产业“十三五”发展规划也将马铃薯主食化开发列入计划,马铃薯主食产品开发对促进马铃薯的深加工,优化居民膳食结构,促进地方经济发展具有重要意义。

马铃薯全粉是马铃薯的主要深加工产品,有效保留了马铃薯的营养价值和天然风味,是一种优质的食品原料[1]。由于马铃薯全粉不含面筋蛋白,马铃薯主食开发存在产品成型难和黏度大等问题,限制了马铃薯全粉的使用[2]。我国各地生产的马铃薯全粉产品中淀粉含量都在70%以上,因此淀粉结构和性质变化对全粉产品的性能影响显著[3]。

乳杆菌一般利用葡萄糖和乳糖等还原糖作为碳源,一些乳杆菌也可以利用非还原糖如淀粉等作为碳源,通过产淀粉酶等酶系,将淀粉转化为还原糖,以供自身利用,目前己有较多乳杆菌用于谷物类发酵食品中的研究报道[4]。植物乳杆菌利用淀粉作为碳源在马铃薯全粉体系中发酵,可以有效改善马铃薯全粉的应用性能。

本文以马铃薯全粉为原料,分析了植物乳杆菌发酵对马铃薯全粉化学结构、颗粒形貌、结晶结构、粒度分布、糊化特性和热特性的影响,为马铃薯全粉在主食开发中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯雪花全粉,黑龙江北大荒全粉有限公司。扫描电镜,株式会社日立制作所；X-射线衍射光谱仪,宁波欧普仪器有限公司；快速黏度分析仪,波通瑞华科学仪器有限公司；差示扫描量热仪、红外光谱仪,珀金埃尔默仪器有限公司；激光衍射式粒度分析仪,美国麦奇克有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯全粉发酵

根据周显青等[5]的方法,用蒸馏水冲洗250 g马铃薯全粉,取300 mL无菌水浸泡样品,吸取8 mL(5×108 CFU/mL)增殖培养好的植物乳杆菌菌悬液,接入马铃薯全粉中,三角瓶密封后,在37 ℃下分别培养发酵4、8、12 h。将发酵结束的马铃薯全粉低温烘干,粉碎,备用[6]。

1.2.2 扫描电镜分析

根据孙京田等[7]的方法,将原马铃薯全粉和发酵后的马铃薯全粉进行扫描电镜分析,样品在烘箱105 ℃条件下干燥4～5 h后,用导电胶双面胶将样品固定在样品台上,在红外灯下进行喷金处理。在加速电压为20 kV的电子枪下,观察并选取不同放大倍数的视野,拍摄具有代表性的原马铃薯全粉和发酵后的马铃薯全粉的颗粒形貌[8]。

1.2.3 X-衍射分析

根据赵凯等[9]的方法,采用片状样品衍射法：在步长0.05°,扫描速率14.28 s/步,管压40 kV,管流30 mA的条件下压片扫描,扫描角度5～60°,使用X-射线衍射光谱仪进行检测[10]。

1.2.4 红外光谱分析

按照质量比1∶4将待测的样品和KBr混合充分,研磨烘干,在压力为7 MPa的条件下放入13 mm磨具中用压片机压片,置于红外光谱仪中进行测量并绘制红外光谱图[11]。扫描范围450～4 000 cm-1,光谱分辨率0.01 cm-1。

1.2.5 热力学特性分析

按照GOMAND等[12]的方法,在坩埚中加入25 μL去离子水,用天平准确称取2.5 mg样品一同置于坩埚中,用铝制坩埚盖密封,设定起始温度20 ℃,终止温度150 ℃,升温速率10 ℃/min,记录差示扫描量热曲线走势。每个样本3次实验并取平均值,记录相变起始温度(T0),峰值温度(TP),终止温度(TC)和焓变(ΔH)[13-14]。

1.2.6 糊化特性分析

根据SUN等[15]的方法,利用快速黏度分析仪测定,向1.5 g样品中加25 g水,在STDI模式下测定,并记录[16]。

2 结果与讨论

2.1 马铃薯全粉颗粒形态结果

图1为不同发酵时间的马铃薯全粉的电镜图像。未发酵的马铃薯全粉原料多为不规则的多角形,表面具有较多沟壑,这是因为马铃薯全粉在生产过程中因打磨加工等破坏了淀粉原有形态和完整的颗粒形貌。发酵4 h时,全粉颗粒形貌出现了明显的凹陷和穴洞。发酵8 h时,全粉颗粒形貌被进一步破坏,粒径变小,表面出现了更多的裂纹和凹陷。发酵12 h时,全粉颗粒粒径继续变小,被破坏成较小的颗粒。说明植物乳杆菌发酵可以有效的改变马铃薯全粉的颗粒形态,从而对其应用造成影响。

a-原料；b-发酵4 h；c-发酵8 h；d-发酵12 h

图1 不同发酵时间的马铃薯全粉的电镜图像(500×)

Fig.1 SEM pictures of potato powder with different fermentation time(500×)

2.2 X-衍射分析结果

由图2可知,未发酵的马铃薯全粉的衍射曲线呈无定型形状,不具备特定的结晶结构,这与王胜男[17]的实验结果相同。而经过不同时间发酵的马铃薯全粉的衍射曲线形状没有明显变化,部分衍射峰强度增强,说明植物乳杆菌发酵使马铃薯全粉结晶性有一定提高。

图2 不同发酵时间的马铃薯全粉的X-射线衍射峰谱图

Fig.2 X-ray diffraction pattern of potato powder with different time

2.3 马铃薯全粉红外光谱分析结果

由图3可知,发酵不同时间的马铃薯全粉峰型与原料接近,且峰的位置基本一致,说明官能团并无新的变化。光谱上在3 428 cm-1附近出现了一个较强的宽峰,这是薯类作物特有的吸收峰,反映的是羟基(O—H)的伸缩振动[18]；在2 924 cm-1附近出现了一个中等强度的吸收峰,这是反应全粉中C—CH2—C的不对称伸缩振动；1 640 cm-1左右出现一个的吸收峰,此峰对应CO的伸缩运动,可能是马铃薯全粉中果胶里面的醛酮类化合物所引起[19]；930 cm-1附近有一个较弱的吸收峰,与淀粉中的α-1,4糖苷键和C—O—C等基团的骨架振动有关[20]；570 cm-1附近的吸收峰是淀粉中吡喃环的骨架模式振动所产生的[21]。

图3 不同发酵时间的马铃薯全粉的红外光谱

Fig.3 The infrared spectra of potato powder with different fermentation time

2.4 马铃薯全粉热力学特性分析结果

由表1可知,随着发酵时间的增加,T0、Tp、TC和△H都有所增加,是由于发酵过程所产的酸和酶越来越多,使淀粉颗粒无定形区的比例逐渐减小,而结晶区比例逐渐增大[22],导致糊化温度升高,糊化所需的热量也就变大。

表1 不同发酵时间的马铃薯全粉热力学特性参数值

Table 1 Thermal parameters of potato powder with different fermentation time

2.5 马铃薯全粉糊化特性分析结果

表2和图4分别为不同发酵时间的马铃薯全粉的特征值和糊化黏度曲线。随着发酵时间的增加,糊化温度升高,峰值黏度、衰减值、回生值逐渐降低,反映了植物乳杆菌发酵使马铃薯全粉黏度下降,热稳定性和抗老化能力提高,但发酵12 h后黏度下降明显,说明发酵时间过长破坏了马铃薯全粉原有的分子结构和化学成分,马铃薯全粉被深度水解,失去了淀粉的物理特性[23],也不利于作为食品原料使用。

表2 不同发酵时间的马铃薯全粉的特征值 单位：cP

Table 2 Characteristic values of potato powder with different fermentation time

图4 不同发酵时间的马铃薯全粉的糊化黏度曲线

Fig.4 Gelatinization viscosity properties of potato powder with different fermentation time

2.6 粒度分析结果

图5,表3为不同发酵时间的马铃薯全粉的颗粒粒度分析结果。不同发酵程度的马铃薯全粉的D50值与平均粒径相差不大,说明植物乳杆菌发酵可以均匀的破坏全粉颗粒,使全粉颗粒粒径大小均匀。

a-原料；b-发酵4 h；c-发酵8 h；d-发酵12 h

图5 不同发酵时间的的马铃薯全粉的粒度图像

Fig.5 Particle size of potato powder with different fermentation times

表3 不同发酵时间的马铃薯全粉的颗粒尺度 单位：μm

Table 3 The particle size of potato powder with different fermentation time

注：D10-小于此粒径的颗粒占10%；D50-大于它和小于它的的颗粒各占总颗粒数的50%；D90-小于此粒径的颗粒占90%

并且随着发酵时间的增加,粒径逐渐减小。说明植物乳杆菌发酵可以有效的减小全粉颗粒的粒径。

3 结论

马铃薯全粉经过植物乳杆菌发酵后,随发酵时间增加,马铃薯全粉颗粒被破坏,表面变得粗糙,粒径变小,发酵后的全粉化学结构没有明显变化；结晶性提高；糊化焓值逐渐升高；峰值黏度、衰减值、回生值逐渐降低,马铃薯全粉黏度适度下降,热稳定性和抗老化能力提高,有利于作为主食原料使用,可增加马铃薯全粉的使用量,同时可以改善产品的品质。

从实验结果可知,植物乳杆菌可利用淀粉作为碳源在马铃薯全粉体系中发酵,发酵过程中植物乳杆菌产淀粉酶的活性不断增强,淀粉酶的作用使淀粉发生水解,这一过程使淀粉颗粒大小和表面形态遭到破坏,使淀粉的糊化性能和热性能等发生变化,通过控制发酵条件,适度发酵的马铃薯全粉可作为食品原料用于加工马铃薯发酵食品。