植物乳桿菌發(fā)酵對馬鈴薯全粉結(jié)構(gòu)與性能的影響

我國是馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一,年產(chǎn)量已達0.72億t,馬鈴薯含有優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)、維生素、膳食纖維、碳水化合物、礦物質(zhì)和人體必需的氨基酸,脂肪含量低,熱量低,營養(yǎng)價值豐富。2015年我國農(nóng)業(yè)部提出了馬鈴薯主糧化的建議,2016年國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃也將馬鈴薯主食化開發(fā)列入計劃,馬鈴薯主食產(chǎn)品開發(fā)對促進馬鈴薯的深加工,優(yōu)化居民膳食結(jié)構(gòu),促進地方經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

馬鈴薯全粉是馬鈴薯的主要深加工產(chǎn)品,有效保留了馬鈴薯的營養(yǎng)價值和天然風(fēng)味,是一種優(yōu)質(zhì)的食品原料[1]。由于馬鈴薯全粉不含面筋蛋白,馬鈴薯主食開發(fā)存在產(chǎn)品成型難和黏度大等問題,限制了馬鈴薯全粉的使用[2]。我國各地生產(chǎn)的馬鈴薯全粉產(chǎn)品中淀粉含量都在70%以上,因此淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化對全粉產(chǎn)品的性能影響顯著[3]。

乳桿菌一般利用葡萄糖和乳糖等還原糖作為碳源,一些乳桿菌也可以利用非還原糖如淀粉等作為碳源,通過產(chǎn)淀粉酶等酶系,將淀粉轉(zhuǎn)化為還原糖,以供自身利用,目前己有較多乳桿菌用于谷物類發(fā)酵食品中的研究報道[4]。植物乳桿菌利用淀粉作為碳源在馬鈴薯全粉體系中發(fā)酵,可以有效改善馬鈴薯全粉的應(yīng)用性能。

本文以馬鈴薯全粉為原料,分析了植物乳桿菌發(fā)酵對馬鈴薯全粉化學(xué)結(jié)構(gòu)、顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、粒度分布、糊化特性和熱特性的影響,為馬鈴薯全粉在主食開發(fā)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯雪花全粉,黑龍江北大荒全粉有限公司。掃描電鏡,株式會社日立制作所；X-射線衍射光譜儀,寧波歐普儀器有限公司；快速黏度分析儀,波通瑞華科學(xué)儀器有限公司；差示掃描量熱儀、紅外光譜儀,珀金埃爾默儀器有限公司；激光衍射式粒度分析儀,美國麥奇克有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯全粉發(fā)酵

根據(jù)周顯青等[5]的方法,用蒸餾水沖洗250 g馬鈴薯全粉,取300 mL無菌水浸泡樣品,吸取8 mL(5×108 CFU/mL)增殖培養(yǎng)好的植物乳桿菌菌懸液,接入馬鈴薯全粉中,三角瓶密封后,在37 ℃下分別培養(yǎng)發(fā)酵4、8、12 h。將發(fā)酵結(jié)束的馬鈴薯全粉低溫烘干,粉碎,備用[6]。

1.2.2 掃描電鏡分析

根據(jù)孫京田等[7]的方法,將原馬鈴薯全粉和發(fā)酵后的馬鈴薯全粉進行掃描電鏡分析,樣品在烘箱105 ℃條件下干燥4～5 h后,用導(dǎo)電膠雙面膠將樣品固定在樣品臺上,在紅外燈下進行噴金處理。在加速電壓為20 kV的電子槍下,觀察并選取不同放大倍數(shù)的視野,拍攝具有代表性的原馬鈴薯全粉和發(fā)酵后的馬鈴薯全粉的顆粒形貌[8]。

1.2.3 X-衍射分析

根據(jù)趙凱等[9]的方法,采用片狀樣品衍射法：在步長0.05°,掃描速率14.28 s/步,管壓40 kV,管流30 mA的條件下壓片掃描,掃描角度5～60°,使用X-射線衍射光譜儀進行檢測[10]。

1.2.4 紅外光譜分析

按照質(zhì)量比1∶4將待測的樣品和KBr混合充分,研磨烘干,在壓力為7 MPa的條件下放入13 mm磨具中用壓片機壓片,置于紅外光譜儀中進行測量并繪制紅外光譜圖[11]。掃描范圍450～4 000 cm-1,光譜分辨率0.01 cm-1。

1.2.5 熱力學(xué)特性分析

按照GOMAND等[12]的方法,在坩堝中加入25 μL去離子水,用天平準(zhǔn)確稱取2.5 mg樣品一同置于坩堝中,用鋁制坩堝蓋密封,設(shè)定起始溫度20 ℃,終止溫度150 ℃,升溫速率10 ℃/min,記錄差示掃描量熱曲線走勢。每個樣本3次實驗并取平均值,記錄相變起始溫度(T0),峰值溫度(TP),終止溫度(TC)和焓變(ΔH)[13-14]。

1.2.6 糊化特性分析

根據(jù)SUN等[15]的方法,利用快速黏度分析儀測定,向1.5 g樣品中加25 g水,在STDI模式下測定,并記錄[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬鈴薯全粉顆粒形態(tài)結(jié)果

圖1為不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的電鏡圖像。未發(fā)酵的馬鈴薯全粉原料多為不規(guī)則的多角形,表面具有較多溝壑,這是因為馬鈴薯全粉在生產(chǎn)過程中因打磨加工等破壞了淀粉原有形態(tài)和完整的顆粒形貌。發(fā)酵4 h時,全粉顆粒形貌出現(xiàn)了明顯的凹陷和穴洞。發(fā)酵8 h時,全粉顆粒形貌被進一步破壞,粒徑變小,表面出現(xiàn)了更多的裂紋和凹陷。發(fā)酵12 h時,全粉顆粒粒徑繼續(xù)變小,被破壞成較小的顆粒。說明植物乳桿菌發(fā)酵可以有效的改變馬鈴薯全粉的顆粒形態(tài),從而對其應(yīng)用造成影響。

a-原料；b-發(fā)酵4 h；c-發(fā)酵8 h；d-發(fā)酵12 h

圖1 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的電鏡圖像(500×)

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

2.2 X-衍射分析結(jié)果

由圖2可知,未發(fā)酵的馬鈴薯全粉的衍射曲線呈無定型形狀,不具備特定的結(jié)晶結(jié)構(gòu),這與王勝男[17]的實驗結(jié)果相同。而經(jīng)過不同時間發(fā)酵的馬鈴薯全粉的衍射曲線形狀沒有明顯變化,部分衍射峰強度增強,說明植物乳桿菌發(fā)酵使馬鈴薯全粉結(jié)晶性有一定提高。

圖2 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的X-射線衍射峰譜圖

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

2.3 馬鈴薯全粉紅外光譜分析結(jié)果

由圖3可知,發(fā)酵不同時間的馬鈴薯全粉峰型與原料接近,且峰的位置基本一致,說明官能團并無新的變化。光譜上在3 428 cm-1附近出現(xiàn)了一個較強的寬峰,這是薯類作物特有的吸收峰,反映的是羥基(O—H)的伸縮振動[18]；在2 924 cm-1附近出現(xiàn)了一個中等強度的吸收峰,這是反應(yīng)全粉中C—CH2—C的不對稱伸縮振動；1 640 cm-1左右出現(xiàn)一個的吸收峰,此峰對應(yīng)CO的伸縮運動,可能是馬鈴薯全粉中果膠里面的醛酮類化合物所引起[19]；930 cm-1附近有一個較弱的吸收峰,與淀粉中的α-1,4糖苷鍵和C—O—C等基團的骨架振動有關(guān)[20]；570 cm-1附近的吸收峰是淀粉中吡喃環(huán)的骨架模式振動所產(chǎn)生的[21]。

圖3 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的紅外光譜

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

2.4 馬鈴薯全粉熱力學(xué)特性分析結(jié)果

由表1可知,隨著發(fā)酵時間的增加,T0、Tp、TC和△H都有所增加,是由于發(fā)酵過程所產(chǎn)的酸和酶越來越多,使淀粉顆粒無定形區(qū)的比例逐漸減小,而結(jié)晶區(qū)比例逐漸增大[22],導(dǎo)致糊化溫度升高,糊化所需的熱量也就變大。

表1 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉熱力學(xué)特性參數(shù)值

Table 1 Thermal parameters of potato powder with different fermentation time

2.5 馬鈴薯全粉糊化特性分析結(jié)果

表2和圖4分別為不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的特征值和糊化黏度曲線。隨著發(fā)酵時間的增加,糊化溫度升高,峰值黏度、衰減值、回生值逐漸降低,反映了植物乳桿菌發(fā)酵使馬鈴薯全粉黏度下降,熱穩(wěn)定性和抗老化能力提高,但發(fā)酵12 h后黏度下降明顯,說明發(fā)酵時間過長破壞了馬鈴薯全粉原有的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分,馬鈴薯全粉被深度水解,失去了淀粉的物理特性[23],也不利于作為食品原料使用。

表2 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的特征值 單位：cP

Table 2 Characteristic values of potato powder with different fermentation time

圖4 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的糊化黏度曲線

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

2.6 粒度分析結(jié)果

圖5,表3為不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的顆粒粒度分析結(jié)果。不同發(fā)酵程度的馬鈴薯全粉的D50值與平均粒徑相差不大,說明植物乳桿菌發(fā)酵可以均勻的破壞全粉顆粒,使全粉顆粒粒徑大小均勻。

a-原料；b-發(fā)酵4 h；c-發(fā)酵8 h；d-發(fā)酵12 h

圖5 不同發(fā)酵時間的的馬鈴薯全粉的粒度圖像

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

表3 不同發(fā)酵時間的馬鈴薯全粉的顆粒尺度 單位：μm

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

注：D10-小于此粒徑的顆粒占10%；D50-大于它和小于它的的顆粒各占總顆粒數(shù)的50%；D90-小于此粒徑的顆粒占90%

并且隨著發(fā)酵時間的增加,粒徑逐漸減小。說明植物乳桿菌發(fā)酵可以有效的減小全粉顆粒的粒徑。

3 結(jié)論

馬鈴薯全粉經(jīng)過植物乳桿菌發(fā)酵后,隨發(fā)酵時間增加,馬鈴薯全粉顆粒被破壞,表面變得粗糙,粒徑變小,發(fā)酵后的全粉化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有明顯變化；結(jié)晶性提高；糊化焓值逐漸升高；峰值黏度、衰減值、回生值逐漸降低,馬鈴薯全粉黏度適度下降,熱穩(wěn)定性和抗老化能力提高,有利于作為主食原料使用,可增加馬鈴薯全粉的使用量,同時可以改善產(chǎn)品的品質(zhì)。

從實驗結(jié)果可知,植物乳桿菌可利用淀粉作為碳源在馬鈴薯全粉體系中發(fā)酵,發(fā)酵過程中植物乳桿菌產(chǎn)淀粉酶的活性不斷增強,淀粉酶的作用使淀粉發(fā)生水解,這一過程使淀粉顆粒大小和表面形態(tài)遭到破壞,使淀粉的糊化性能和熱性能等發(fā)生變化,通過控制發(fā)酵條件,適度發(fā)酵的馬鈴薯全粉可作為食品原料用于加工馬鈴薯發(fā)酵食品。