劉慶艾,史建國,馬耀宏,楊俊慧,孟慶軍,楊　艷

(山東省生物傳感器重點實驗室,山東省科學院生物研究所,山東濟南 250014)

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發(fā)酵對粗糧營養(yǎng)價值、抗氧化性以及理化性質(zhì)的改良研究現(xiàn)狀

劉慶艾,史建國*,馬耀宏,楊俊慧,孟慶軍,楊艷

(山東省生物傳感器重點實驗室,山東省科學院生物研究所,山東濟南 250014)

隨著人們生活水平的提高、健康理念的逐漸深入,粗糧逐漸受到現(xiàn)代人的青睞。但是粗糧食品口感粗糙,加工性能較差,而發(fā)酵后的粗糧在營養(yǎng)價值、抗氧化性以及理化性質(zhì)上都更為優(yōu)良。本文就國內(nèi)外對粗糧發(fā)酵的研究現(xiàn)狀,包括發(fā)酵菌種、營養(yǎng)價值、抗氧化性以及理化性質(zhì)等方面進行了概述,旨在為開發(fā)新的粗糧發(fā)酵食品提供參考。

粗糧發(fā)酵,發(fā)酵菌種,營養(yǎng)價值,抗氧化性,理化性質(zhì)

隨著生活水平的逐步提高,人們對飲食健康越來越重視,粗糧成為頗受現(xiàn)代人青睞的保健食品。作為醫(yī)、食雙重功效兼?zhèn)涞闹匾滦褪澄镔Y源,粗糧在現(xiàn)代綠色保健食品中占有重要地位。它能有效彌補因長期進食高脂肪、高蛋白、高熱能食品而導致的在維生素、膳食纖維等方面的攝入不足,使飲食結(jié)構(gòu)更為合理[1-2]。但是粗糧食品口感粗糙、感官性狀比較差,吃起來不像“細糧”那樣順口,因此限制了粗糧食品市場的形成與發(fā)展。長期以來,人們?yōu)榱耸勾旨Z食品的口感更為順滑,采用各種手段對其進行精細加工,盡管口感大大改善,但是精制過程中由于谷胚和麩皮被碾磨掉,使得維生素和礦物質(zhì)的含量明顯減少[3]。

在食品原料加工中,一個非常重要的方面就是應用發(fā)酵技術(shù)對其進行微生物轉(zhuǎn)化。微生物在發(fā)酵過程中發(fā)生多種生物化學變化,可以改變粗糧中營養(yǎng)組分和抗營養(yǎng)組分的比例,提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和感官性狀等。從營養(yǎng)學上來講,發(fā)酵后的粗糧不僅保留了脂類、蛋白質(zhì)、碳水化合物等,還富含多種維生素;且發(fā)酵后粗糧中的纖維素和植酸含量降低,降解為易消滯納入的小分子物質(zhì),改善了粗糧的口感[4]。目前,粗糧加工產(chǎn)業(yè)仍然存在深加工產(chǎn)品較少、產(chǎn)品附加值低的問題,發(fā)酵食品在很大程度上滿足了現(xiàn)代人的營養(yǎng)需求,具有較大的開發(fā)潛力,已經(jīng)成為粗糧加工的研究熱點之一。因此,本文就國內(nèi)外對粗糧發(fā)酵的研究現(xiàn)狀,包括發(fā)酵菌種、營養(yǎng)價值、抗氧化性以及理化性質(zhì)等方面進行了概述,旨在為開發(fā)新的粗糧發(fā)酵食品提供參考。

1　發(fā)酵菌種

目前在粗糧發(fā)酵方面,常用的發(fā)酵菌株有細菌(乳酸菌、枯草芽孢桿菌)、真菌(酵母菌、霉菌)以及多菌株混合發(fā)酵等,通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生相應的酶來改變粗糧中糖分、淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的結(jié)構(gòu),從而改善粗糧的營養(yǎng)成分及加工性能[5-6]。

1.1細菌

用于粗糧發(fā)酵的細菌主要有乳酸菌和枯草芽孢桿菌。乳酸菌的產(chǎn)酶能力較弱,但是它在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乳酸能夠改善食品風味,并且乳酸發(fā)酵能夠增加直鏈淀粉的相對含量,破壞蛋白質(zhì)、纖維素和淀粉的緊密結(jié)構(gòu),從而改善粗糧的粘度、韌性以及保水力等加工性能[7]。徐忠等采用乳酸菌對玉米粉進行改性處理,發(fā)現(xiàn)改性后玉米粉的凝沉性下降,膨脹度、溶解度及透光性提高,其加工性能得到了改善[8]。但是乳酸菌發(fā)酵也存在一定缺陷,單一的乳酸菌發(fā)酵無法充分降解淀粉、纖維素等物質(zhì),且其厭氧生長條件也難以適應大規(guī)模的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)[9]。

枯草芽孢桿菌不僅酶系眾多而且產(chǎn)酶能力強,其發(fā)酵過程中產(chǎn)生的淀粉酶可將支鏈淀粉降解成直鏈淀粉和可溶性多糖,將被包裹的蛋白質(zhì)釋放出來,有利于蛋白質(zhì)的交聯(lián),從而提高粗糧粉的黏度和韌性。此外,枯草芽孢桿菌也能夠?qū)⒋旨Z中的大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì),從而提高其營養(yǎng)物質(zhì)的利用率[10]。閆亞婷等選用枯草芽孢桿菌對玉米粉進行固態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵后的玉米粉淀粉含量明顯下降,分解率高達37.76%,淀粉的相對分子質(zhì)量也顯著降低,且可溶性糖含量比發(fā)酵前提高了1.72倍[11]。但是枯草芽孢桿菌在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生難聞的氣味,因此利用它來改善粗糧品質(zhì)的方法還有待改進。

1.2真菌

酵母菌和霉菌是在粗糧發(fā)酵中經(jīng)常用到的菌株。酵母菌不僅能降低粗糧中的還原糖含量,還能利用一部分可溶性淀粉,使發(fā)酵后的粗糧能夠滿足糖尿病病人等特殊人群的需要。且酵母菌在發(fā)酵過程中還能夠產(chǎn)生醇類物質(zhì),有利于改善食品的風味[12]。李蒙蒙等研究了不同酵母發(fā)酵對蕎麥營養(yǎng)成分及抗氧化性的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)果酒酵母、葡萄酒酵母、異常漢遜酵母發(fā)酵后,蕎麥中總多酚和總黃酮含量明顯提高,發(fā)酵蕎麥提取物的抗氧化活性也顯著提升,且與總多酚、總黃酮含量呈相關(guān)性[13]。但是酵母菌酶系單一,不能分解蛋白質(zhì)和纖維素等大分子物質(zhì),很難更好的改變粗糧的營養(yǎng)成分和加工性能[14]。因此,通過菌種誘變篩選出適合發(fā)酵要求的菌株成為下一步的研究重點。

霉菌中含有蛋白酶和纖維素酶等多種酶系,能夠?qū)⒋旨Z中的蛋白質(zhì)和纖維素等物質(zhì)降解成易被人體吸收的寡肽和可溶性糖等小分子物質(zhì),從而提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用率,改善粗糧的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。同時霉菌在發(fā)酵過程中還會產(chǎn)生新的代謝物,使粗糧的營養(yǎng)成分更加豐富和均衡[15]。常用的霉菌種類有米曲霉、黑曲霉、米根霉等。趙丹等人用米曲霉、米根霉3.2751、3.1175分別發(fā)酵紫米、小米和蕎麥,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后還原糖和氨基酸的含量均顯著提升[16-18]。但是霉菌發(fā)酵過程不易精確控制,菌絲體在培養(yǎng)基表面生長影響食品感官,且過量的霉菌還會導致食品腐敗[19]。因此,霉菌發(fā)酵在粗糧加工中的應用還需進一步探索。

1.3多菌株混合

多菌株混合發(fā)酵通過各菌種間的協(xié)同作用產(chǎn)生單一菌種不易產(chǎn)生的酶和營養(yǎng)物質(zhì),既能改變粗糧粉的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、提高營養(yǎng)利用率,又能改善其加工性能和食用品質(zhì)[6]。Wang 和Fields報道,利用釀酒酵母和熱帶假絲酵母混合發(fā)酵玉米粉,可以改善玉米粉的氨基酸平衡[20]。Hamad和Al-Shoshan用嗜熱脂肪芽孢桿菌與扣囊擬內(nèi)孢霉混合發(fā)酵玉米粉,使其蛋白質(zhì)含量從9.75%提高到13.25%[21]。然而,混合發(fā)酵也面臨著諸多問題,如:各菌株最適生長條件不同,同步培養(yǎng)困難;各菌株在發(fā)酵過程中相互作用和影響的機理尚不明確,難以精確合理配比;菌種及其代謝產(chǎn)物間相互影響,可能產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)等[22]。只有解決上述問題,多菌株混合發(fā)酵在粗糧加工中才能得到更好的推廣和應用。

2　發(fā)酵對粗糧營養(yǎng)價值的影響

從營養(yǎng)學角度來講,發(fā)酵后的玉米面、高粱面、蕎麥面等粗糧營養(yǎng)更為豐富。這是因為微生物中含有豐富的酶系,能夠?qū)⒋旨Z中的大分子物質(zhì)降解成利于人體吸收的小分子物質(zhì),提高其營養(yǎng)物質(zhì)的利用率;同時微生物在發(fā)酵過程中還會產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物,使得粗糧的營養(yǎng)成分更加豐富和均衡。因此,利用微生物發(fā)酵來提高粗糧粉的營養(yǎng)價值引起了國內(nèi)外諸多研究者的注意。Zamora與 Fields研究證實,豇豆、鷹嘴豆用其豆科植物共附生微生物發(fā)酵后,營養(yǎng)價值明顯提高,其中這兩種豆類中的必需氨基酸賴氨酸、蘇氨酸、苯丙氨酸等的含量能夠提高1～8倍[23]。Hamad和Fields研究發(fā)現(xiàn),自然發(fā)酵可使稻米、小米、燕麥以及玉米中可利用的賴氨酸含量增加,相對營養(yǎng)價值大大提高[24]。

在早期研究中,Fields等未在發(fā)酵基質(zhì)中添加無機氮和pH緩沖物質(zhì),因此蛋白質(zhì)的含量增加較少。楊建雄等用玉米粉做發(fā)酵基質(zhì),添加草酸銨為氮源物質(zhì),用磷酸鹽緩沖液來緩減pH的下降,并在接種熱帶假絲酵母的同時加入淀粉酶。經(jīng)過3 d發(fā)酵后,蛋白質(zhì)、硫胺素、核黃素等營養(yǎng)物質(zhì)的提高非常顯著,遠大于Fields等人的研究成果[25]。但是淀粉酶成本較高,因此楊建雄等用枯草桿菌發(fā)酵將玉米粉中的大分子糖轉(zhuǎn)化為小分子糖,同時接種熱帶假絲酵母,并在培養(yǎng)基中添加無機氮和pH緩沖物質(zhì),發(fā)酵后玉米粉中的蛋白質(zhì)含量顯著提高,且成本較低[26]。

微生物發(fā)酵不僅能夠提高粗糧中的蛋白質(zhì)含量,其他一些營養(yǎng)物質(zhì),如維生素、葉酸、游離鈣等的含量也有所增加。畢德成和柳黃用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌來發(fā)酵某些谷物,經(jīng)發(fā)酵的玉米粉及豆?jié){粉中賴氨酸和蛋氨酸含量明顯提高。此外,B族維生素、游離鈣、游離鐵和游離氮的含量也有一定程度的增加[27]。Katina等研究發(fā)現(xiàn),利用釀酒酵母發(fā)酵發(fā)芽的黑麥,其營養(yǎng)價值提高顯著,尤其是葉酸、游離酚酸以及總酚化合物的含量[28]。翟飛紅等用姬松茸固態(tài)發(fā)酵7種谷物(小麥、大米、燕麥、玉米、小、糜米和高粱),發(fā)現(xiàn)發(fā)酵時間的延長有利于谷物中營養(yǎng)成分含量的提高,其中小米的總酚含量最高,達到1.95 mg/g;燕麥的水溶性蛋白和還原糖含量最高,分別達到74.24、123.18 mg/g[29]。

3　發(fā)酵對粗糧抗氧化性的影響

谷物中蘊集著大量多酚類化合物,例如酚酸、黃酮以及原花青素等,這些化合物具有很強的抗氧化能力,開發(fā)潛力巨大?，F(xiàn)代醫(yī)學研究證明,很多疾病如心臟病、組織器官老化等都與過剩的自由基有關(guān),而谷物多酚能夠有效地清除人體內(nèi)過剩的自由基,且對自由基誘發(fā)的生物大分子損傷起到保護作用,延緩人體組織器官的衰老。這主要是由于多酚的酚羥基結(jié)構(gòu)(鄰苯二酚或鄰苯三酚)中的鄰位酚羥基很容易被氧化成醌,消耗環(huán)境中的氧,同時對活性氧等自由基具有很強的捕捉能力[30-31]。

長期以來,人們利用微生物發(fā)酵來提高食品的性能品質(zhì),因為在微生物發(fā)酵過程中伴隨著多種生物化學變化的發(fā)生,有助于提高食品的生物活性[4]。Moore等人使用酵母菌固態(tài)發(fā)酵麥麩,發(fā)現(xiàn)麥麩中酚酸及總酚含量顯著增加,其清除過氧化氫、二銨鹽陽離子、DPPH及羥基自由基的能力明顯提高[32]。Lee等用各種安全的絲狀真菌,包括Aspergillusawamori,Aspergillusoryzae,Aspergillussojae,Rhizopusazygosporus以及Rhizopussp. No. 2 來發(fā)酵黑豆,研究發(fā)酵前后黑豆抗氧化能力的變化。實驗結(jié)果表明,發(fā)酵黑豆中多酚、花青素含量顯著上升,抗氧化能力得到改善[33]。Juan等研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)枯草芽孢桿菌固態(tài)發(fā)酵后,黑豆提取物的抗氧化活性顯著提高,進一步檢測發(fā)現(xiàn)其中的總酚、類黃酮含量明顯高于發(fā)酵前[34]。王勇等在研究真菌固態(tài)發(fā)酵玉米的過程中發(fā)現(xiàn),經(jīng)米根霉3.2751發(fā)酵的玉米中總酚含量增加,清除脂質(zhì)過氧化自由基的能力顯著提高,抗氧化能力明顯增強[35]。鄧文輝通過單菌和混合菌發(fā)酵實驗,選擇益生菌納豆芽孢桿菌和短乳桿菌混合固態(tài)發(fā)酵黑米糠,在最優(yōu)發(fā)酵條件下,發(fā)酵后黑米糠的DPPH自由基清除率達到73%,使黑米糠的抗氧化活性顯著提高,為開發(fā)高抗氧化性黑米糠健康食品提供了一條可行途徑[36]。張慧蕓等采用德氏乳桿菌和啤酒酵母菌分別對4 種谷物(小米、燕麥、黑米、高粱)進行發(fā)酵,然后對發(fā)酵后的谷物提取物進行分析檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)這兩種微生物發(fā)酵后,谷物中的總酚含量均顯著增加,其中德氏乳桿菌效果更為顯著,經(jīng)它發(fā)酵的谷物提取物DPPH自由基清除能力均有所提高,差異顯著(p<0.05),抗氧化能力明顯增強[37]。上述研究表明,利用微生物發(fā)酵來提高粗糧食品的抗氧化能力,不失為一種可行的手段

4　發(fā)酵對粗糧理化性質(zhì)的影響

雖然粗糧具有諸多優(yōu)點,日益受到追捧,但是受其自身特性的限制,使得粗糧粉面團品質(zhì)較差,口感粗糙,食用受到很大限制。長期以來,人們利用微生物發(fā)酵的方法來提高食品的口感、質(zhì)地、保質(zhì)期和營養(yǎng)價值等。其中,自然發(fā)酵和乳酸菌發(fā)酵應用最為廣泛。

自然發(fā)酵是利用自然環(huán)境中的天然野生菌種對谷物進行發(fā)酵,這些微生物中含有豐富的酶系,多種酶聯(lián)合作用能夠改變谷物中淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素等大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu),使蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)更加緊密,提高了粗糧粉的韌性和黏度,從而改善了其加工性能。袁美蘭等利用自然發(fā)酵來改變玉米淀粉的物理性質(zhì),以此來制作粉條。研究發(fā)現(xiàn),自然發(fā)酵后高溫下玉米淀粉的膨潤力顯著降低,玉米淀粉的凝膠強度增強,改變了淀粉的糊黏度性質(zhì)。同時,使用發(fā)酵玉米淀粉制作的粉條口感爽滑、耐咀嚼,拉伸性能得到改善,品質(zhì)顯著提高[38]。李新華等將玉米渣經(jīng)自然發(fā)酵后制成玉米粉,發(fā)現(xiàn)其保水力增大,糊化性質(zhì)改善,膨脹率和透光率也都不同程度地優(yōu)于普通濕磨粉[39]。韓立宏等研究了自然發(fā)酵對蕎麥擠壓面條質(zhì)地的改善效應,拉伸測試及 RVA 快速黏度分析結(jié)果表明,自然發(fā)酵96 h后,面條的最大破斷應變從24.7%增加到29.4%,破斷功增加了0.25kg·mm;自然發(fā)酵還使糊化過程中淀粉顆粒的膨脹率及崩解率加速,降低了淀粉糊化時的峰值黏度、谷值黏度以及終黏度,使得發(fā)酵蕎麥面條的凝膠強度增強,凝膠結(jié)構(gòu)更加致密[40]。馬濤等研究了自然發(fā)酵對糙米煎餅理化性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵煎餅中蛋白質(zhì)含量增加,經(jīng)過微生物的作用后蛋白質(zhì)和脂肪更容易被人體吸收利用,煎餅的營養(yǎng)價值明顯提高;并且發(fā)酵后煎餅的抗老化能力增強,易于保藏,外觀顏色更加誘人,感官品質(zhì)得到提高[41]。

人們常用乳酸菌發(fā)酵來改善食品的口感和質(zhì)構(gòu),增強風味和營養(yǎng)價值。乳酸菌發(fā)酵能夠破壞蛋白質(zhì)、纖維素和淀粉分子的緊密結(jié)構(gòu),使粗糧粉中直鏈淀粉的相對含量增加,既有利于大分子物質(zhì)的進一步降解,又使得蛋白質(zhì)更易形成網(wǎng)狀交聯(lián),從而改善了粗糧的加工性能和食用品質(zhì)。滕建文等利用乳酸菌對玉米進行發(fā)酵,并對其過程進行詳細解析,發(fā)現(xiàn)發(fā)酵玉米中直鏈淀粉含量增加,支鏈淀粉的分子量開始接近大米支鏈淀粉的分子量,且玉米的糊化溫度降低,為制作米粉提供了必要條件[42]。萬晶晶等以燕麥粉為原料,分別利用植物乳桿菌和舊金山乳桿菌對其進行發(fā)酵,研究發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)酵時間的延長,發(fā)酵后燕麥淀粉糊化的峰值黏度、終值黏度和破損值逐漸降低,糊化的起始溫度提前,糊化焓上升;且經(jīng)舊金山乳桿菌發(fā)酵后,燕麥淀粉的吸收焓值高于植物乳桿菌發(fā)酵的樣品;乳酸菌發(fā)酵燕麥淀粉中的直鏈淀粉含量呈上升趨勢[43]。胡耀輝等采用乳酸菌發(fā)酵法對蕎麥粒進行改性并制備蕎麥粉,研究溫度、時間及不同接種量對發(fā)酵蕎麥粉性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)乳酸菌發(fā)酵處理后,蕎麥粉的保水力、膨脹率和透光率分別提高了19.8%、18.7%、41.9%[44]。劉曉峰等利用乳酸菌發(fā)酵玉米粉,對發(fā)酵玉米粉的理化性質(zhì)進行分析,發(fā)現(xiàn)其保水力和凝膠體積膨脹率均比對照組有了不同程度的增加;發(fā)酵使得玉米粉的峰值黏度、衰減值、最終黏度提高,糊化起始溫度提前,玉米粉的加工性能得到改善[45]。

5　展望

目前市場上粗糧食品種類繁多,但是真正的粗糧發(fā)酵食品尚不多見。微生物發(fā)酵在改善粗糧食品的營養(yǎng)保健方面發(fā)揮著重要作用,但是目前的研究仍然存在較多問題,一是發(fā)酵方式比較粗放,缺乏科學規(guī)范的實驗體系,初級加工多,深加工少,多層次開發(fā)的產(chǎn)品更少。二是對發(fā)酵過程中相關(guān)酶類的變化研究較少,有關(guān)微生物發(fā)酵提高粗糧營養(yǎng)價值的機制尚不明確;三是當前的研究還停留在基礎研究階段,離產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離,大多數(shù)企業(yè)處于小規(guī)模加工階段,技術(shù)水平低,缺乏市場競爭力。因此,應盡快構(gòu)建系統(tǒng)的粗糧發(fā)酵研究創(chuàng)新平臺與網(wǎng)絡,加強粗糧發(fā)酵領域的共性關(guān)鍵技術(shù)、加工裝備與新產(chǎn)品的研究和開發(fā),實現(xiàn)基礎研究與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的有效結(jié)合。深入研究發(fā)酵粗糧的營養(yǎng)品質(zhì)、加工品質(zhì)及其評價技術(shù)等,根據(jù)市場需求,重點開發(fā)藥食兼用、具有保健功能的粗糧功能食品、健康食品,同時發(fā)展地域特色食品及相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化研究,這對粗糧食品的開發(fā)與利用具有重要意義。

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Improvement effect of fermentation on the nutrition,inoxidizability and physicochemical property of coarse grains

LIU Qing-ai,SHI Jian-guo*,MA Yao-hong,YANG Jun-hui,MENG Qing-jun,YANG Yan

(Key Laboratory for Biosensors of Shandong Province,Biology Institute of Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014,China)

With the improvement of living standard and the gradual development of health concept,people began to keen to eat coarse grains food. But the coarse grains foods taste rough,and their processing qualities are poor. After fermentation,the nutrition,inoxidizability and physicochemical property of coarse grains are all improved. In this paper,the research status of fermented coarse grains at home and abroad were summarized,including fermented strains,nutritive value,inoxidizability,and physicochemical property,aiming to provide a reference for developing new fermented coarse grains food.

coarse grains fermentation;fermented strains;nutritive value;inoxidizability;physicochemical property

2015-03-25

劉慶艾(1986-)，女，博士，助理研究員，研究方向：微生物學，E-mail:Eliuqingai1986@126.com。

史建國(1960-)，男，博士，研究員，研究方向：微生物學，E-mail:shijg@sdas.org。

濟南市科技計劃項目(201305021)。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000