武汉轻工大学何毅副教授等：不同菌种发酵木薯粉品质和糊化特性比较分析
2023-08-17作者：来源：责任编辑：食品界
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木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯类作物之一，是一种无麸质的淀粉原料，块根中淀粉含量为10%～30%，蛋白质含量约为1%～2%，脂肪含量约为0.3%～4.3%，木薯存在营养组成较单一，加工利用方式单一等问题。在非洲等热带地区国家，当地居民利用传统自然发酵方法制成木薯产品，微生物发酵后赋予产品独特的香气，不仅解决了木薯高度易腐烂的问题，而且显著降低了木薯中抗营养因子（氰化物）含量。
武汉轻工业大学食品科学与工程学院谭婉碧，何毅*等以华南9号木薯（SC9）为研究对象，研究自然发酵和许旺酵母（Schwanniomyces occidentalisKlöcker）、酿酒酵母、乳酸克鲁维酵母（Kluyveromyceslactis）、马克斯克鲁维酵母（K l u y v e r o m y c e smarxianus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）发酵5 种菌种对木薯粉的营养品质、安全品质、风味有机酸、热特性及结构特性的影响，旨在获得提高木薯粉营养品质、风味品质，降低氰化物含量、提升木薯粉加工性能的发酵菌种，为木薯粉食品的开发和应用拓展新思路和提供技术支持。
由表2可知，发酵后木薯粉的水分含量显著降低（P＜0.05），经马克斯克鲁维酵母发酵的木薯粉水分含量下降幅度较大，降低了17.3%。发酵后木薯粉脂肪含量显著提升（P＜0.05），其中马克斯克鲁维酵母发酵的木薯粉脂肪含量上升幅度较明显，上升了77.5%。发酵后木薯粉的真蛋白含量有一定差异，其中酿酒酵母发酵后的木薯粉真蛋白含量显著提升（P＜0.05），提升了120.2%，而枯草芽孢杆菌发酵后真蛋白含量显著下降（P＜0.05），降低了58.9%。发酵前后木薯粉灰分含量、粗纤维含量均无显著差异（P＞0.05）。发酵后木薯粉的pH值表现不同，其中枯草芽孢杆菌发酵后木薯粉pH值显著降低（P＜0.05），降低了8.5%，而乳酸克鲁维酵母发酵与自然发酵后木薯粉pH值显著提升（P＜0.05），提升了10.7%。发酵后木薯粉的直链淀粉含量有一定差异，其中马克斯克鲁维酵母发酵的木薯粉直链淀粉含量显著下降（P＜0.05），降低了19.0%，而乳酸克鲁维酵母发酵的木薯粉直链淀粉含量显著提升（P＜0.05），提升了9.5%。 如图2所示，9 种有机酸标准品的分离效果较好。图3为枯草芽孢杆菌发酵木薯粉后有机酸的高效液相色谱图。以各标准有机酸质量浓度（x）对峰面积（y）进行线性回归，如表3所示，各有机酸标准曲线相关系数均不小于0.999 7，表明二者线性关系良好。 由表4可知，枯草芽孢杆菌发酵木薯粉中总有机酸含量显著提升（P＜0.05），提升了93.6%，其中乙酸含量与琥珀酸含量分别占总有机酸含量的45.6%和52.3%。酿酒酵母发酵木薯粉产生了柠檬酸，含量为1.574 mg/g，占总有机酸含量的30.2%，苹果酸在发酵过程被降解，降解率为89.2%。许旺酵母发酵木薯粉后苹果酸被完全降解，但产生了奎宁酸、富马酸以及大量的乙酸，乙酸占总有机酸的93.8%。马克斯克鲁维酵母发酵木薯粉后草酸被完全降解，苹果酸也大量降解，降解率为84.1%，但产生乙酸、柠檬酸和富马酸，总有机酸含量显著降低（P＜0.05），降低了37.4%。乳酸克鲁维酵母发酵木薯粉后草酸和苹果酸被完全降解，但产生了少量的酒石酸，占总有机酸含量的2.1%。自然发酵木薯粉后苹果酸被完全降解，同时只产生了乙酸，占总有机酸含量的93.3%。 氢氰酸含量是木薯粉食用安全品质的关键指标。发酵木薯粉能有效降低氰化物含量，使其都低于欧盟规定食品中氢氰酸的最大残留限量（10 mg/kg）。由图4可知，多数菌发酵后氢氰酸含量均降低，其中许旺酵母发酵对氢氰酸的降解效果最为显著，残留量与降解率分别为0.09 mg/kg、91.82%；马克斯克鲁维酵母降解效果次之，为63.64%。酿酒酵母发酵后，氢氰酸的含量与对照组对比差异不显著（P＞0.05），可能与不同菌种产酶的种类与能力有关。
粗多糖是木薯粉中重要的功能活性成分之一，但不同菌种产多糖能力不同。由图5可知，多数益生菌发酵后木薯粉粗多糖的含量显著增加（P＜0.05），但不同菌种的粗多糖得率存在一定差异：经枯草芽孢杆菌发酵和自然发酵，粗多糖得率显著高于对照组（0.59%），粗多糖得率分别为1.59%和1.12%，其中枯草芽孢杆菌发酵后粗多糖含量最高。 木薯粉中主要成分是木薯淀粉（含量约70%），其结构的变化与加工特性密切相关。由表5可知，发酵后粒径显著降低（P＜0.05）。发酵木薯粉D10范围为6.97～8.18 μm；D50范围为17.80～20.52 μm；D90范围为70.53～86.63 μm；其中，酿酒酵母发酵后，淀粉的D90最小，相对于对照组粒径显著降低（P＜0.05），说明木薯粉发酵后淀粉颗粒变小。结合扫描电子显微镜（图6）观察发现，发酵木薯淀粉颗粒更为分散，彼此间黏连度不高，且表面粗糙有侵蚀迹象，颗粒不完整，其中酿酒酵母发酵后，淀粉颗粒相对较小；而未发酵木薯粉中淀粉颗粒彼此包裹成团，颗粒更完整。 黏度是木薯粉加工重要特性之一。由图7和表6可知，发酵前后木薯粉的糊化曲线基本一致，但峰值黏度出现的时间略有差异，且发酵后除自然发酵组外其余发酵组峰值黏度、最终黏度在发酵后均显著提高（P＜0.05），其中马克斯克鲁维酵母组的峰值黏度最高，为5 543 mPa·s，枯草芽孢杆菌组的谷值黏度与最终黏度均最高，分别为3 439 mPa·s和4 770 mPa·s。衰减值主要反映淀粉糊的热稳定性，衰减值越小，则淀粉糊稳定性越好，枯草芽孢杆菌组和许旺酵母组的衰减值均显著下降（P＜0.05），其中枯草芽孢杆菌组的衰减值最低，为1 958.5 mPa·s。此外，自然发酵组的峰值黏度显著降低。
木薯粉富含淀粉，是非洲、南美洲和部分东南亚国家和地区的重要口粮，但由于蛋白质和脂肪含量较低，其营养品质有待改善。许多研究表明，益生菌通过发酵工艺可有效提高薯类作物蛋白质含量和降低淀粉颗粒大小，从而改善其营养品质和加工特性。本研究表明，利用酿酒酵母、马克斯克鲁维酵母和乳酸克鲁维酵母发酵木薯粉，其真蛋白含量显著提高（P＜0.05），分别提高了120.2%、24.1%和45.4%（表2），可能是微生物发酵过程分泌出淀粉酶和纤维素酶等胞外酶，也可能是微生物以单细胞形式繁殖，从而提高蛋白质含量。此外，发酵工艺也影响脂肪含量，并通过与直链淀粉形成复合物，减少直链淀粉溢出，抑制淀粉膨胀颗粒破裂，使淀粉颗粒更加稳定，从而影响淀粉的糊化。 有机酸是木薯粉风味的重要组成部分，微生物的代谢也会引起木薯粉的有机酸组成和含量变化。研究发现，有机酸含量高低与发酵菌种有关，且决定pH值的变化，其中乙酸含量的增加是影响pH值变化最主要的有机酸。本研究发现，木薯粉有机酸种类随着不同发酵菌种生长与代谢发生一定改变，而发酵木薯粉中乙酸是主要的有机酸，其中许旺酵母发酵木薯粉乙酸含量提升最显著（表4），乙酸来源主要由于酵母菌在细胞质中通过丙酮酸脱氢酶支路产生乙酸；而枯草芽孢杆菌发酵产生较多的琥珀酸，可能是由于谷氨酸的降解代谢产生或者是因为CO2直接渗透到枯草芽孢杆菌细胞膜中，用作磷酸烯醇丙酮酸羧化为草酰乙酸的底物，草酰乙酸随后转化为琥珀酸，有利于提高木薯粉品质。 据报道，发酵可以有效降低氰化物含量。本研究表明，部分菌种发酵后，木薯粉氰化物显著降低（图4），微生物发酵过程分泌氰化物水合酶，与甲酰胺水合酶作用，将生氰糖苷降解为CO2、氨和甲酸，为其生长繁殖提供碳源和氮源。研究表明，多糖有一定的抗氧化、抗炎、抗肿瘤等活性。本研究表明，利用枯草芽孢杆菌发酵木薯粉，粗多糖含量显著增加（P＜0.05）（图5），可能是发酵时分泌的纤维素或半纤维素水解酶，分解木薯粉中纤维，产生粗多糖。 许多研究表明，发酵过程中胞外酶能水解淀粉颗粒无定形区域和部分结晶区域，使淀粉聚合度降低、链长变短，有利于淀粉酶水解淀粉颗粒。本研究表明，发酵后木薯粉中淀粉颗粒度大小显著降低（P＜0.05）（表5），发酵后淀粉峰值黏度、回生值显著升高（P＜0.05）（表6），其中枯草芽孢杆菌、马克斯克鲁维酵母的回生值较高，表明枯草芽孢杆菌、马克斯克鲁维酵母发酵木薯粉适用于开发弹性好的产品。
综上，不同发酵菌剂影响发酵木薯粉的营养品质和风味品质，可有效改善木薯粉加工特性及结构特性。其中，利用枯草芽孢杆菌发酵后显著提高脂肪和粗多糖等营养品质，也有利于提高糊化黏度等特性，可用于高品质发酵木薯粉生产。 本文《不同菌种发酵木薯粉品质和糊化特性比较分析》来源于《食品科学》2023年44卷第10期56-63页，作者：谭婉碧，王琴飞，张金泉，余厚美，张振文，何毅。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220929-322。
