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生物发酵米粉的淀粉改性及凝胶机理研究

鲁战会

  我国稻米总产量占世界总产的35%,占粮食总产量的2/5左右,约55%的大米作为口粮直接消费,加工用米仅占总产的6%。其中份额最大的加工品米粉仅占总产的0.48%,每年约33%的大米积压在农民手中或粮库,导致大量劣变及损耗。积压稻谷中80%是早籼稻。研究表明早籼稻是米粉生产的优质原料,显然对米粉生产技术的深入研究是解决积压问题的关键。传统发酵米粉以其滑爽筋道的口感深受消费者的喜爱,本文首次对其加工工艺进行了科学整理,研究了发酵微生物的种类及变化规律;自然发酵主要作用微生物菌种的分离筛选及单菌种实验;微生物发酵对淀粉结构的作用模式;发酵对淀粉改性机理以及米粉凝胶形成的机理。从而奠定利用早籼米生产高品质米粉的理论基础。主要研究内容与结果如下:1.发酵显著地改变了大米的组成成份,大米总蛋白的33%、总脂肪的61%为微生物降解,总灰分的62%以上由于发酵而溶出,从而起到纯化淀粉的作用。发酵利用大米中的小分子糖产生了大量有机酸,HPLC分析表明90%以上为乳酸。发酵对总淀粉含量影响不大,但改变了淀粉的结构和组成,直链淀粉含量增加3.28%。除发酵的作用外,浸泡也有一定作用。2.采用凝胶过滤层析法研究了发酵对淀粉分子结构的改性作用,结果表明大米淀粉依分子大小可为分两区:FrⅠ为大分子,FrⅡ为小分子。发酵使大分子区减少,小分子区及中间分子增加。大分子区DPn从对照的12597.6 GLU降至发酵后的12051.0 GLU,而小分子区从3061.5 GLU增加到3423.1 GLU。β-淀粉酶水解率测定发现淀粉分子分支化程度降低,表明支链淀粉发生了断链与脱支。进一步将支链淀粉脱支分析其微观结构,支链淀粉又可分为两区,发酵使分子链较长的第一区平均链KCL从55.6 GLU缩短到52.9 GLU;而较短的第二区平均链长增加2.7个葡萄糖苷单位。说明断链作用主要发生在支链淀粉的主链或长链上。3.利用X-衍射、FTIR、DSC及RVA研究了发酵对淀粉颗粒结构及热特性的影响,发现淀粉结晶类型未变,但晶区比例增大;DSC糊化温度降低,但糊化所需时间延长,糊化焓增大;RVA最高粘度降低。结果一致表明发酵主要作用于淀粉颗粒的无定形区,对晶区的结构影响不大。淀粉颗粒显微观察表明发酵没有破坏淀粉颗粒外形,发酵的改性作用发生在淀粉颗粒内部。4.微生物菌群及数量的演变研究发现发酵以厌氧发酵为主,乳酸菌在整个发酵过程中为优势菌群,最高可达10~9~10~(11)cfu/mL,占细菌总数的90%以上。其次是酵母菌,约10~4~10~6cfu/mL。发酵微生物主要来自于大米本身,大米原料的初发菌数在10~5cfu/mL左右,主要为乳酸菌与酵母菌。进一步分离筛选获得5株细菌、2株乳酸菌、3株酵母和3株霉菌。经过工艺试验确定主要作用菌种为乳酸菌和酵母菌。流变性测定表明,菌株的产酸量越大,对米粉凝胶流变性改善作用越明显。因此发酵米粉的流变性与淀粉酸变性有密切的关系。5.微生物发酵代谢产物中乳酸的作用效果最明显。通过不同pH乳酸溶液的浸泡实验验证,表明pH4左右最佳,与自然发酵有类似效果。酶类以蛋白酶、果胶酶及脂酶作用效果为好。小分子糖类与乙醇的存在对米粉拉伸性有负面作用,但这些物质在发酵及洗米过程中溶出而流失,不会影响发酵米粉的凝胶性。6.对发酵大米淀粉的糊化老化特性研究表明,发酵样品的糊化速度及老化速度快,老化后再糊化的速度慢,表现为成糊快,米粉耐煮,溶出少。添加预糊化淀粉可以改善米粉的拉伸性。通过以上全方位研究,阐述了微生物发酵对淀粉的改性机理和米粉凝胶形成的机理。分析认为,发酵米粉特殊的流变性质是微生物产酸、酶作用于大米淀粉颗粒对淀粉改性和纯化的结果。乳酸对大米淀粉凝胶性质的改变起着主要作用。乳酸作用于淀粉颗粒的无定形区引起支链淀粉长链断链,使淀粉的分子量分布趋于均匀,降低了单个支链淀粉分子的分支化程度,减弱了再结晶性。中间分子及直链淀粉分子比例增加,老化趋势增强。同时低pH值促进快速聚合老化,降低了直链淀粉与支链淀粉产生相分离形成各自富集区的程度。直链淀粉迅速聚合或与支链淀粉的外侧链形成结合点,然后聚合不断形成连续相凝胶网络结构,将老化慢的支链淀粉分散相包埋进来,支链淀粉的内链被封闭,包埋较多的水分,构成凝胶的粘性,而连续相直链淀粉老化后难再糊化,构成凝胶的弹性,共同构成了发酵米粉的粘弹性。另外发酵微生物所产酶类降解了蛋白、脂肪等,起到纯化淀粉的作用而对米粉的流变性也有重要贡献。……   
[关键词]:发酵;淀粉;凝胶;流变性;米粉
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业大学2002年