衛(wèi) 娟，洪 靜，鄭學(xué)玲

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

淀粉作為人類食物中碳水化合物的最大來源，包含兩種類型：一種是直鏈淀粉，由α-D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的線性聚合物；另一種是支鏈淀粉，由α-D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵連接而成具有分支結(jié)構(gòu)的聚合物[1]。淀粉顆粒由無定形區(qū)、半結(jié)晶區(qū)、半結(jié)晶生長(zhǎng)環(huán)和結(jié)晶區(qū)組成，其中，無定形區(qū)由線性直鏈淀粉和排列無序較長(zhǎng)的主支鏈淀粉鏈組成，半結(jié)晶區(qū)由無定形區(qū)重復(fù)片層形成，半結(jié)晶生長(zhǎng)環(huán)由無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)交替出現(xiàn)構(gòu)造而成，結(jié)晶區(qū)由支鏈淀粉短側(cè)鏈堆砌成的雙螺旋形成[2]。淀粉的結(jié)構(gòu)及直支鏈淀粉含量影響其理化性質(zhì)進(jìn)而影響淀粉基食品的品質(zhì)[3]。

酸面團(tuán)發(fā)酵是發(fā)酵谷物制品最古老的生物技術(shù)之一，對(duì)發(fā)酵烘焙制品的功能特性具有重要影響，與普通面包酵母發(fā)酵相比具有很多優(yōu)勢(shì)[4]。酸面團(tuán)發(fā)酵可以顯著提高制品的營(yíng)養(yǎng)和健康價(jià)值，減少植酸含量，產(chǎn)生乳酸，改善礦物質(zhì)的吸收[5]；酸面團(tuán)發(fā)酵可以抑制霉菌腐敗和延遲老化[6]，還可以改善面團(tuán)和面包的質(zhì)構(gòu)，對(duì)制品口感和風(fēng)味具有積極影響[7]。此外，酸面團(tuán)發(fā)酵可顯著改善淀粉的消化性，食用酸面團(tuán)面包可顯著降低餐后血糖反應(yīng)[8]，且淀粉的消化性與淀粉形態(tài)、結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。近年來，有許多關(guān)于發(fā)酵對(duì)谷物淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的研究，如Zhao等[3]研究自然發(fā)酵小麥淀粉，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵降低了淀粉的平均分子量，表面被侵蝕，結(jié)晶度增加，峰值黏度、最終黏度以及回生值降低，揭示了發(fā)酵是一種有效的淀粉改性方法，在提高淀粉類食品品質(zhì)方面具有很大的潛力；Alonso-Gomez等[9]發(fā)現(xiàn)木薯淀粉發(fā)酵過程中直鏈和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)隨著浸泡時(shí)間的增加發(fā)生了顯著的變化；Reyes等[10]研究發(fā)現(xiàn)釀酒酵母發(fā)酵玉米淀粉過程中，發(fā)酵至特定時(shí)間玉米淀粉顆粒發(fā)生部分結(jié)構(gòu)上的變化，從而改善了一些性質(zhì)，如結(jié)晶度增大、水解敏感性降低、熱性能增強(qiáng)。而對(duì)于酸面團(tuán)發(fā)酵過程中淀粉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化鮮有詳細(xì)報(bào)道，因此，本研究旨在以小麥粉為原料，以酸面團(tuán)中優(yōu)勢(shì)酵母菌釀酒酵母和優(yōu)勢(shì)乳酸菌短乳桿菌進(jìn)行酸面團(tuán)發(fā)酵，研究酸面團(tuán)發(fā)酵過程中小麥淀粉結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的變化，旨在為酸面團(tuán)改善發(fā)酵制品品質(zhì)以及發(fā)酵對(duì)淀粉改性的機(jī)理提供理論參考和支持。

1 材料與方法

1.1 材料

特一粉：新疆天山面粉(集團(tuán))有限公司；釀酒酵母：SaccharomycescerevisiaeCICC 1005；短乳桿菌：LactobacillusbrevisCICC 20269。

1.2 儀器與設(shè)備

UV762紫外可見分光光度計(jì)：上海儀電分析儀器有限公司；SPX生化培養(yǎng)箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；立式壓力蒸汽滅菌鍋器：上海博訊醫(yī)療生物股份有限公司；SW-CJ-1D超凈工作臺(tái)：蘇州凈化設(shè)備有限公司；SZM-10攪拌機(jī)：廣州旭眾食品機(jī)械有限公司；SP-18S醒發(fā)箱：江蘇三麥?zhǔn)称窓C(jī)械有限公司；冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)公司；漩渦振蕩器：艾卡公司；高速離心機(jī):上海安亭科學(xué)廠；恒溫振蕩器：太倉市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；掃描電子顯微鏡：日本HITACHI；D8-Advance型X射線衍射儀：德國(guó)Bruker AXS儀器公司；Q20差示量熱掃描儀：美國(guó)TA儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 菌種的活化培養(yǎng)和發(fā)酵面團(tuán)的制備

取短乳桿菌和釀酒酵母單菌落分別轉(zhuǎn)接至MRS液體培養(yǎng)基和麥芽汁培養(yǎng)基中，培養(yǎng)至對(duì)數(shù)后期，取對(duì)數(shù)后期的菌液在離心機(jī)中以5 000 r/min離心10 min，以無菌水洗滌2次后得菌泥，將菌泥重懸于無菌水中與小麥粉混合均勻，其中菌液與小麥粉的比例為100 mL∶ 20 g，加水量為小麥粉質(zhì)量的50%。將面團(tuán)放入恒溫恒濕醒發(fā)箱中發(fā)酵，發(fā)酵條件為溫度38 ℃，濕度85%。

1.3.2 小麥淀粉的提取

將發(fā)酵不同時(shí)間的面團(tuán)取出，水洗法洗滌面團(tuán)，直到洗水無色為止。將淀粉漿在3 000 r/min下離心15 min后，棄上清液，小心刮去上層蛋白雜質(zhì)，收集下層淀粉。將淀粉冷凍干燥后，研磨過80目篩備用，得到發(fā)酵不同時(shí)間的小麥淀粉。

1.3.3 淀粉顆粒形態(tài)的觀察

將發(fā)酵不同時(shí)間的小麥淀粉鍍金處理后用掃描電子顯微鏡在3 000倍下觀察，并選擇清晰的視野進(jìn)行拍照。

1.3.4 直鏈淀粉含量的測(cè)定

參考GB/T 15683—2008,測(cè)定小麥淀粉直鏈淀粉含量。

1.3.5 淀粉糊溶解度和膨脹勢(shì)的測(cè)定

參考李明菲等[11]使用的方法并稍做修改。配制50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉糊，在90 ℃的水浴中攪拌30 min，室溫冷卻后在3 000 r/min下離心15 min，收集上清液，在105 ℃恒溫干燥箱中烘干后稱質(zhì)量，即得到水溶性淀粉質(zhì)量，沉淀即為膨脹淀粉。按下述公式計(jì)算淀粉的溶解度和膨脹勢(shì)，計(jì)算2次測(cè)定結(jié)果的平均值。

1.3.6 淀粉相對(duì)結(jié)晶度的測(cè)定

采用X射線衍射儀對(duì)平衡水分后的淀粉樣品進(jìn)行分析測(cè)定。試驗(yàn)參數(shù)：射線源CuKα，射線波長(zhǎng)0.154 06 nm，電壓40 kV，電流35 mA，功率1 400 W，掃描范圍4°～40°，掃描速度4°/min，步長(zhǎng) 0.02°。相對(duì)結(jié)晶度計(jì)算公式如下：

相對(duì)結(jié)晶度/%=(衍射峰強(qiáng)度/總強(qiáng)度)×100。

1.3.7 淀粉熱力學(xué)特性的測(cè)定

用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)定不同發(fā)酵時(shí)間淀粉的熱穩(wěn)定性。稱取淀粉(干基)2.5 mg置于鋁盤中，以淀粉與水的質(zhì)量比1∶3的比例加入蒸餾水，密封鋁盤置于室溫中平衡24 h。平衡后的樣品置于 DSC 樣品室中，溫度加熱范圍 20～120 ℃，升溫速率10 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉顆粒的電鏡掃描圖

如圖1所示，原淀粉顆粒完整，呈大的圓盤狀(A-淀粉)和小的球形狀(B-淀粉)，表面光滑未見明顯的缺陷或損傷。Sce發(fā)酵3 h，可以觀察到某些顆粒表面出現(xiàn)輕微裂縫；發(fā)酵9 h，觀察到淀粉顆粒破裂，顆粒出現(xiàn)空洞；發(fā)酵24 h，觀察到淀粉顆粒萎縮和大片的破裂。Sce-Lbr發(fā)酵3 h，觀察到一些顆粒已經(jīng)出現(xiàn)缺口;發(fā)酵9 h，顆粒大片破裂，顆粒表面粗糙不光滑；發(fā)酵24 h，顆粒表現(xiàn)出嚴(yán)重被侵蝕的痕跡。從圖1可發(fā)現(xiàn)顆粒的侵蝕和破裂主要發(fā)生在大的A-淀粉顆粒。 Zhao等[3]也曾報(bào)道過自然發(fā)酵可使小麥淀粉顆粒尤其是A-淀粉顆粒出現(xiàn)較多的斑點(diǎn)和裂紋。淀粉形態(tài)的改變可能是由于微生物對(duì)一些淀粉的消化造成的[12]。圖1顯示2種發(fā)酵方式下淀粉外觀的改變幾乎相似，從顯微圖片上難以分辨不同菌種發(fā)酵后樣品的形態(tài)變化差異。

2.2 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的直鏈淀粉含量

發(fā)酵過程中直鏈淀粉含量變化如表1所示。從表1可以看出，2種發(fā)酵方式下直鏈淀粉含量都在發(fā)酵初期0～3 h顯著降低，繼續(xù)發(fā)酵，直鏈淀粉含量無顯著變化。釀酒酵母產(chǎn)生的α-葡糖淀粉酶可以水解α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵[10]，酸和酶的共同作用也會(huì)降解直鏈和支鏈淀粉[3]。在發(fā)酵初期降低是由于微生物代謝產(chǎn)物主要作用于淀粉無定形區(qū)直鏈淀粉，使其分解為小分子糖類被微生物代謝利用，從而提供了生命活動(dòng)需要的碳源和能量。直鏈淀粉含量在發(fā)酵初期降低后維持在穩(wěn)定的水平不發(fā)生顯著改變。Utrilla-Coello等[13]也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律，他們認(rèn)為酸水解后剩余直鏈淀粉含量與剩余淀粉抗酸解能力有關(guān)。陸萍[14]則認(rèn)為直鏈淀粉和長(zhǎng)支鏈淀粉的降解是同時(shí)進(jìn)行的，微生物進(jìn)一步利用其水解產(chǎn)物，這導(dǎo)致直鏈淀粉含量增加和水解基本保持不變。Sce和Sce-Lbr發(fā)酵24 h直鏈淀粉含量分別降低了6.59%和10.52%，Sce-Lbr降低程度較大，可能與乳酸菌產(chǎn)酸作用有關(guān)。

注：Sce表示釀酒酵母發(fā)酵；Sce-Lbr表示釀酒酵母和短乳桿菌混合發(fā)酵。表1-表3、圖2、圖3同。

圖2 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉顆粒的溶解度和膨脹勢(shì)(90 ℃)

表1 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的直鏈淀粉含量

2.3 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉顆粒的溶解度和膨脹勢(shì)

小麥淀粉顆粒在90 ℃下的溶解度和膨脹勢(shì)測(cè)定結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，2種發(fā)酵方式都明顯降低了淀粉的溶解度。谷物淀粉的溶脹行為主要由支鏈淀粉產(chǎn)生的，直鏈淀粉主要起稀釋和抑制的作用[15]，因此，溶解度的變化可能與發(fā)酵后淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。Hwang等[16]提出，側(cè)分枝的存在可以阻止碳水化合物的分子間締合，使水分子容易在分子間進(jìn)行滲透來增加溶解度，本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)酵降低淀粉顆粒的溶解度可能與這種水分子滲透能力的改變有關(guān)。Numfor等[17]認(rèn)為，在原淀粉顆粒受熱膨脹過程中，一些水分子與顆粒無定形區(qū)的游離基團(tuán)(羥基)形成氫鍵，而發(fā)酵過程中淀粉顆粒被水解，碎片分子間可能形成氫鍵，導(dǎo)致游離羥基基團(tuán)減少，使淀粉顆粒在加熱膨脹的過程中與水分子的作用受限，因此，淀粉溶解度降低。圖2顯示：Sce發(fā)酵24 h后溶解度降低了6.71%，而Sce-Lbr發(fā)酵12 h后溶解度降低了14.07%；隨著發(fā)酵繼續(xù)，溶解度又有所增加，Sce-Lbr發(fā)酵24 h與12 h時(shí)相比其溶解度和膨脹勢(shì)分別顯著增加了8.45%和9.51%。Elkhalifa等[18]認(rèn)為淀粉溶解度的增加與微生物淀粉酶和酸性pH值引起的淀粉分子解聚有關(guān)。

2.4 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)

利用X射線衍射儀測(cè)定了淀粉顆粒的長(zhǎng)程晶體結(jié)構(gòu)，不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉樣品的X射線衍射圖如圖3所示。由圖3可知，原淀粉和所有發(fā)酵過后的淀粉都在2θ為15°、17°、18°、23°時(shí)有強(qiáng)的衍射峰存在，且在17°、18°處有相連的雙峰，都為典型的A-型晶體結(jié)構(gòu)。不同菌種發(fā)酵過程中，除峰的強(qiáng)度有所增強(qiáng)，所有樣品都表現(xiàn)相同的衍射峰，證明發(fā)酵對(duì)淀粉顆粒的影響并不足以改變其晶體類型，這與Zhao等[3]的研究結(jié)果一致。不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的相對(duì)結(jié)晶度如表2所示。由表2可知，Sce發(fā)酵過程中相對(duì)結(jié)晶度隨著發(fā)酵時(shí)間的增加而增加，發(fā)酵結(jié)束后相對(duì)結(jié)晶度從20.70%增加到27.87%，這可能是由于Sce發(fā)酵過程中淀粉顆粒的無定形區(qū)逐漸被微生物代謝產(chǎn)物破壞，因此，其相對(duì)結(jié)晶度逐漸增加。Sce-Lbr發(fā)酵12 h淀粉相對(duì)結(jié)晶度達(dá)到最大值25.28%，發(fā)酵24 h又略降至24.41%。眾所周知，淀粉無定形區(qū)致密程度比結(jié)晶區(qū)小得多，使H3O+可以快速擴(kuò)散至其中[19]，因此，發(fā)酵前期酸和酶對(duì)無定形區(qū)的優(yōu)先水解導(dǎo)致了一個(gè)較高的結(jié)晶度或鏈段的重排，這是由于非晶態(tài)淀粉鏈的分裂引起的，而隨后結(jié)晶度的降低可能是酸和酶滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，使結(jié)晶區(qū)也開始被水解[20]。

圖3 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的X射線衍射圖譜

表2 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的相對(duì)結(jié)晶度

2.5 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉顆粒的熱力學(xué)性質(zhì)

小麥淀粉顆粒的熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果如表3所示。由表3可知，Sce和Sce-Lbr發(fā)酵24 h，小麥淀粉顆粒的糊化焓值分別顯著增加了2.56 J/g和3.11 J/g。已經(jīng)有研究表明，糊化焓值與淀粉顆粒的結(jié)晶度呈正相關(guān)，因此，淀粉糊化焓值的增加可能與相對(duì)結(jié)晶度的增加有關(guān)[13]。但在Sce-Lbr發(fā)酵過程中，雖整體上糊化焓值增大，但其與發(fā)酵時(shí)間并不存在相關(guān)性，而是呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，在發(fā)酵6 h時(shí)焓值最低。這種不相關(guān)性也曾經(jīng)被Alonso-Gomez[9]等報(bào)道過。在本試驗(yàn)中，焓值變化的差異可用淀粉顆粒受到微生物侵蝕來解釋，在6 h時(shí)焓值最低，可能是由于乳酸菌的侵蝕找到了合適的環(huán)境，削弱了淀粉顆粒的分子順序，使溶劑在糊化過程中更有效。

表3 不同發(fā)酵時(shí)間小麥淀粉的熱力學(xué)性質(zhì)分析

3 結(jié)論

研究了酸面團(tuán)發(fā)酵中淀粉顆粒的性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)淀粉表面形態(tài)有明顯改變，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，淀粉顆粒表現(xiàn)出嚴(yán)重被侵蝕的痕跡，且侵蝕主要發(fā)生在大的A-淀粉顆粒，Sce和Sce-Lbr發(fā)酵對(duì)顆粒表面形態(tài)的改變未見明顯差異；2種發(fā)酵方式下直鏈淀粉含量都在初階段0～3 h顯著降低，之后無顯著變化，其中Sce-Lbr發(fā)酵時(shí)降低程度較大；Sce發(fā)酵過程中淀粉的溶解度隨著發(fā)酵時(shí)間的增加顯著降低，膨脹勢(shì)無顯著變化，Sce-Lbr發(fā)酵0～12 h淀粉的溶解度隨著發(fā)酵時(shí)間的增加顯著降低，24 h以后溶解度和膨脹勢(shì)又明顯增加；2種發(fā)酵方式都不改變淀粉的晶體類型，Sce發(fā)酵時(shí)淀粉的相對(duì)結(jié)晶度隨著發(fā)酵時(shí)間的增加逐漸增大，Sce-Lbr發(fā)酵時(shí)淀粉的相對(duì)結(jié)晶度先增加后降低；Sce發(fā)酵過程中淀粉的糊化焓隨發(fā)酵時(shí)間的增加而增大，Sce-Lbr發(fā)酵時(shí)糊化焓雖然整體上增大但與發(fā)酵時(shí)間不相關(guān)?？偟膩碚f，酸面團(tuán)發(fā)酵過程中淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)發(fā)生明顯改變，該研究為酸面團(tuán)發(fā)酵改善制品品質(zhì)提供理論參考。