燕麥固態(tài)發(fā)酵工藝研究及其揮發(fā)性組分分析

崔 帥，葉 田，秦 靜，樓盈凱，嚴(yán)大迅

（宏勝飲料集團，浙江 杭州310012）

燕麥（Oats）是一種醫(yī)食同源、藥食兼用的糧食作物，它是谷類中最好的全價營養(yǎng)食品之一，被譽為“第三主糧”［1－2］。我國是世界第七大燕麥種植國，也是裸燕麥的主產(chǎn)國，年產(chǎn)量達350萬t左右，開發(fā)燕麥產(chǎn)品對利用我國裸燕麥的產(chǎn)量優(yōu)勢、提高燕麥產(chǎn)品附加值具有重要意義。在我國，酵母的培養(yǎng)以液體基質(zhì)為主，采用固體基質(zhì)培養(yǎng)酵母的較少［3］。固態(tài)發(fā)酵（Solid state fermentation，SSF）是指以不含或幾乎不含自由水的濕的固體物料為基質(zhì)培養(yǎng)微生物的過程。與其他的培養(yǎng)方式相比，固態(tài)發(fā)酵具有明顯的優(yōu)點：1）技術(shù)簡單、能耗低、產(chǎn)物的產(chǎn)率高［4］；2）固體發(fā)酵基質(zhì)用水少，不僅可以減小生物反應(yīng)器的體積，而且產(chǎn)生的廢水少，對環(huán)境的污染相對比較?。?］。但固體發(fā)酵也具有一定的缺點，即不能得到較為純凈的產(chǎn)物。目前學(xué)者關(guān)于燕麥的研究多集中在發(fā)酵后燕麥的功能活性及營養(yǎng)價值的變化。張慶等［6］的研究表明植物乳桿菌發(fā)酵后的燕麥蛋白的溶解度提高了50%以上；史燕等［7］以燕麥為發(fā)酵基質(zhì)，采用益生菌進行固態(tài)發(fā)酵，以期獲得合生元谷物發(fā)酵食品，結(jié)果制備的活菌型發(fā)酵燕麥粉中乳酸菌數(shù)量達到益生菌制品的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于燕麥發(fā)酵前后風(fēng)味變化的研究少有報道。

本研究以燕麥為基質(zhì)，利用商業(yè)發(fā)酵劑進行固態(tài)發(fā)酵，采用傳統(tǒng)醇提方法提取發(fā)酵燕麥的香氣成分，并對影響燕麥固態(tài)發(fā)酵的幾個關(guān)鍵因素進行優(yōu)化，為制備具有發(fā)酵燕麥香氣的提取物質(zhì)提供技術(shù)路線和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

1．1．1 菌種與材料

1）菌 種

WM 020，丹尼斯克；釀酒活性干酵母，安琪酵母。

2）實驗原料

燕麥粉，由宏勝飲料集團研發(fā)中心提供；葡萄糖，諸城東曉生物科技有限公司；水，生產(chǎn)用RO水。

1．1．2 實驗儀器

萬能粉碎機；電磁爐；高壓殺菌鍋；無菌操作臺；生化恒溫培養(yǎng)箱；高速離心機；Agilent7890A－5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀；SPME 萃取頭，50／30μm DVB／CAR／PDMS；DB－5型毛細(xì)血管色譜柱，30m×0．25mm×0．25μm，美國Agilent公司產(chǎn)品。

1．2 實驗方法

1．2．1 燕麥固態(tài)發(fā)酵工藝流程

燕麥固態(tài)發(fā)酵工藝流程見圖1。

圖1 燕麥固態(tài)發(fā)酵工藝流程Fig．1 Solid－state fermentation process of oat

操作要點：

1）原輔料稱量：按比例準(zhǔn)確稱取燕麥粉和葡萄糖，m（葡萄糖）∶m （燕麥粉）＝1∶4。

2）混勻調(diào)濕：將燕麥粉和葡萄糖在萬能粉碎機中攪拌30s得到混合物，然后按照m （水）∶m（混合物）＝40∶100進行調(diào)濕。

3）蒸煮糊化：將調(diào)濕后的燕麥粉置于濕熱蒸汽上方，蒸煮30min。

4）滅菌：用高壓滅菌鍋對糊化后的燕麥粉115℃滅菌15min。

5）接種：待燕麥粉冷卻后，加入混合發(fā)酵劑，攪勻。

6）固態(tài)發(fā)酵：接入發(fā)酵劑的燕麥粉置于恒溫培養(yǎng)箱中，連續(xù)培養(yǎng)至預(yù)定時間，即得發(fā)酵燕麥粉。

7）醇提：發(fā)酵燕麥粉與95%食用酒精按1∶2．5的體積比混合，3 000r／min剪切10min，50 ℃萃取1h，抽濾，收集濾液，旋蒸至無醇狀態(tài)，加入適量30%的酒精，定容至原燕麥粉質(zhì)量的0．75倍，加入0．4%的碳酸鎂，于冰箱內(nèi)4℃靜置12h，抽濾，收集濾液，10 000r／min離心濾液15min，收集離心液，即得發(fā)酵燕麥提取物。

1．2．2 接種量優(yōu)化試驗

設(shè)定發(fā)酵溫度30℃，發(fā)酵時間24h，設(shè)定發(fā)酵劑菌種配比為m（WM 020）∶m（釀酒活性干酵母）＝1∶1，混合接種量為0．1%，0．2%，0．3%，0．4%和0．5%，測定發(fā)酵后的殘?zhí)橇俊?/p>

1．2．3 發(fā)酵溫度優(yōu)化試驗

設(shè)定接種量同1．2．2，發(fā)酵時間24h，設(shè)定發(fā)酵溫度為30，33，36，39，42℃，測定發(fā)酵后的殘?zhí)橇俊?/p>

1．2．4 發(fā)酵時間優(yōu)化試驗

設(shè)定接種量與發(fā)酵溫度同1．2．2，設(shè)定發(fā)酵時間為24，32，40，48h，測定發(fā)酵后的殘?zhí)橇俊?/p>

1．2．5 相關(guān)指標(biāo)的測定

對1．2．3和1．2．4發(fā)酵條件下生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)物進行相關(guān)指標(biāo)的測定，具體為

1）還原糖含量的測定：參考GB 5009．7—2016中的方法進行測定。

2）揮發(fā)性香氣成分分析。

采用Supelco型固相微萃取萃取頭：50／30μm DVB／CAR／PDMS（二乙烯苯／聚乙二醇／聚二甲基硅氧烷）高度交聯(lián)萃取頭，萃取前，將萃取頭在進樣口老化，準(zhǔn)確稱取發(fā)酵燕麥粉，置于頂空瓶中，立即密閉瓶口，預(yù)平衡，平衡溫度后，吸附萃取發(fā)酵燕麥粉香氣后直接進行分析。

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀為Agilent 7890A－5975C型，色譜條件：毛細(xì)管柱為型柱（30m×0．25mm×0．25μm），以高純氦氣為載氣，載氣流量恒定為1．4mL／min；采用程序升溫模式，升溫程序：柱溫起始為50℃，保持5min，以2℃／min升至160℃，保持5min，再以12℃／min升至250℃，保持5min；載氣：氦氣；流速：1mL／min；進樣口溫度為250℃；分流進樣，氣體進入色譜柱與排出的分流比為V（進氣）∶V（排氣）＝5∶1。質(zhì)譜條件：電子轟擊（EI）離子源；電子能量70eV；離子源溫度230℃；四極桿溫度150℃；轉(zhuǎn)接口溫度280℃。

1．3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 19軟件檢驗分析比較試驗各組間均值差異顯著性（p＜0．05），采用Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同接種量對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊?/h3>

為了節(jié)約成本，縮短發(fā)酵時間，選取發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇繛榭疾熘笜?biāo)，對影響固態(tài)發(fā)酵的三個重要因素進行了優(yōu)化。

不同的接種量會對發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量、發(fā)酵周期、以及生產(chǎn)成本有著重要影響［8］。圖2為發(fā)酵劑接種量對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊?。由圖可知：最適的接種量為0．2%。接種量＞0．2%時，殘?zhí)橇繘]有明顯變化（p＜0．05），0．2%的接種量可以滿足發(fā)酵的需要，在此條件下，發(fā)酵燕麥粉中的殘?zhí)琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)為6．4%。

圖2 不同接種量對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊慒ig．2 Effects of different inoculation quantity on residual sugar content in oat fermentation

2．2 不同發(fā)酵溫度對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊?/h3>

圖3為發(fā)酵溫度對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊憽囟葘ξ⑸锷L有顯著的影響，低于36℃時，微生物的活性遭到抑制，殘?zhí)橇枯^高；溫度過高，又會導(dǎo)致微生物的滅活或死亡。由圖3可知：最適的發(fā)酵溫度為36℃，在此條件，發(fā)酵燕麥粉中的殘?zhí)琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)為4．9%。

圖3 不同發(fā)酵溫度對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊慒ig．3 Effects of different fermentation temperature on residual sugar content in oat fermentation

2．3 不同發(fā)酵時間對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊?/h3>

圖4為發(fā)酵時間對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊憽Ｓ蓤D可知：發(fā)酵時間超過40h后，未能在發(fā)酵燕麥粉中檢出還原糖，因此本研究中最適發(fā)酵時間為40h。

圖4 不同發(fā)酵時間對發(fā)酵燕麥粉中殘?zhí)橇康挠绊慒ig．4 Effects of different fermentation time on residual sugar content in oat fermentation

2．4 發(fā)酵燕麥提取物香氣成分分析

優(yōu)化后確定燕麥的發(fā)酵條件為：接種量0．2%，發(fā)酵溫度36℃，發(fā)酵時間40h，在此條件下制備的發(fā)酵燕麥提取物經(jīng)感官評定具有酒釀特征香氣。經(jīng)GC－MS分析共鑒定出9種特征性香氣成分見表1，其中異戊醇、苯乙醇、苯甲醛和辛酸乙酯是黃酒香氣的特征香氣成分［9］。異丁醇、異戊醇、苯甲醇、苯乙醇、苯甲醛、辛酸乙酯和癸酸乙酯是黃酒中常見的香氣成分［7］，可以推測這些香氣成分主要由釀酒活性干酵母發(fā)酵產(chǎn)生；乙酸是乳酸菌生長的特征代謝產(chǎn)物；乙偶姻主要在微生物利用糖類基質(zhì)中產(chǎn)生［10］。后續(xù)可以據(jù)此進行不同比例發(fā)酵劑配比發(fā)酵研究，以尋求更加合理的香氣類型。

表1 發(fā)酵燕麥提取物揮發(fā)性香氣成分分析Table 1 Analysis of volatile aroma components in fermented oat extracts

3 結(jié) 論

經(jīng)試驗優(yōu)化，燕麥固態(tài)發(fā)酵的最適條件為：發(fā)酵劑接種量0．2%，發(fā)酵溫度36℃，發(fā)酵時間40h，在此條件下制備的發(fā)酵燕麥提取物通過GC－MS共鑒定出9種香氣化合物，均在燕麥發(fā)酵過程中產(chǎn)生，具有較好的酒釀特征香氣，預(yù)期發(fā)酵燕麥提取物在黃酒、米酒和甜酒釀食品中具有一定的利用價值與空間。若要獲得具有酒釀香氣的燕麥固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)物，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需要對固態(tài)發(fā)酵在傳質(zhì)、傳熱和產(chǎn)物純凈度上投入更多的研究。