玉米猴頭菌菌糧營養(yǎng)評價(jià)及加工特性研究

雷彤彤，黃笑非，屈彤彤，張潔，陳鵬舉，唐選明*

1(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京，100193) 2(漢中三道中瑞生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，陜西 漢中，723000)

玉米是一種營養(yǎng)價(jià)值很高的糧食作物，含有豐富的氨基酸、維生素、纖維素以及鈣、鎂、鋅、銅等微量元素[1]，堪稱“五谷之首”[2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有1/3人口以玉米作為主食[3]，但是玉米中缺乏賴氨酸和色氨酸，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)不均衡，同時(shí)玉米中缺乏面筋蛋白，淀粉被蛋白質(zhì)包裹，不易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致玉米粉口感粗糙、黏彈性差、柔韌性差、不易形成面團(tuán)、易失水龜裂，這極大限制了玉米粉的加工及應(yīng)用[4-5]。為改善玉米營養(yǎng)及加工方面的缺陷，利用微生物發(fā)酵技術(shù)改良玉米粉品質(zhì)的加工技術(shù)受到廣泛關(guān)注。許梅等[6]利用4種不同的乳酸菌發(fā)酵玉米粉，使玉米粉的黏度、保水力、凝膠特性等加工特性得到改善；劉紅艷等[7]利用雙孢菇(Agaricusbisporus)固態(tài)發(fā)酵玉米，淀粉、總糖等大分子物質(zhì)被降解，含量降低，氨基酸種類更豐富，蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值提高；REYES等[8]研究了米曲霉(Aspergillusoryzae)固態(tài)發(fā)酵對玉米粉物理化學(xué)性質(zhì)的影響，隨發(fā)酵時(shí)間延長，淀粉的理化性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。前人研究結(jié)果表明，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用可以使淀粉顆粒變小，充分暴露，糊化溫度和糊化時(shí)間均有一定提高。發(fā)酵改性玉米粉制作的玉米面團(tuán)更加柔軟，且彈性、內(nèi)聚性、膠著性、延展性、拉伸耗能、拉伸阻力以及拉伸比等方面均有明顯提高，使得發(fā)酵改性玉米面團(tuán)具有更好的加工性能，更適合于加工成各類面制品[9]。然而，目前發(fā)酵玉米所用的菌種主要是酵母菌和乳酸菌，利用食用真菌進(jìn)行玉米發(fā)酵鮮有研究。

猴頭菌(Hericiumerinaceus)是一種藥食兩用真菌，富含多糖、低聚糖、萜類、甾體類等功能活性成分，具有良好的抗?jié)?、抗炎、抗腫瘤、保肝護(hù)肝、降低血糖和血脂的作用[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，猴頭菌接種玉米固體培養(yǎng)基，可提高淀粉降解率，提高蛋白中賴氨酸和色氨酸含量，提升玉米的營養(yǎng)價(jià)值[11-12]。然而，未見菌糧營養(yǎng)及加工特性的系統(tǒng)研究。

因此，本實(shí)驗(yàn)以玉米為原料，研究經(jīng)過猴頭菌固體發(fā)酵后得到的玉米猴頭菌菌糧，在營養(yǎng)成分，氨基酸評分、淀粉結(jié)構(gòu)以及加工特性方面的變化，以期為食用菌發(fā)酵改良玉米淀粉技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

農(nóng)大猴頭Hericiumerinaceus,北京吉蕈園科技有限公司；黃玉米、鄭單958，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

馬鈴薯肉湯葡糖糖培養(yǎng)基(potato dextrose broth，PDB)，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；濃鹽酸、葡萄糖、KH2PO4、MgSO4·7H2O、濃H2SO4、乙醇、甲醇、苯酚、香草醛-冰乙酸、高氯酸、乙酸乙酯、乙醚等，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；淀粉試劑盒、直鏈淀粉試劑盒、支鏈淀粉試劑盒，北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AB265-S十萬分之一電子天平，瑞士梅特勒托利多公司；SKY-200B搖床，上海蘇坤實(shí)業(yè)有限公司；DHP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；RS-FS1401研磨機(jī),榮事達(dá)公司；Spark多功能微孔板檢測儀，瑞士Tecan公司；DK-S22恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；MCR-301流變儀，奧地利Anton Paar有限公司；H2050R高速冷凍離心機(jī)，長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機(jī)儀器有限公司；DSC-Q200差示掃描量熱儀，美國TA儀器公司；GZX-9076MBE鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菌糧制備

1.3.1.1 菌種活化

稱取35 g PDB培養(yǎng)基于錐形瓶中，加入1 000 mL蒸餾水，充分?jǐn)嚢枋蛊渫耆芙?，? mol/L的HCl滴定至pH為4.5，121 ℃高壓滅菌30 min，冷卻至室溫備用。在無菌條件下，用接種環(huán)從斜面菌種上輕輕刮取1～2環(huán)，接種到液體培養(yǎng)基中，并搖晃均勻。在25 ℃下，140 r/min搖床培養(yǎng)3～4 d。

1.3.1.2 玉米固體培養(yǎng)基的制備

將玉米清洗干凈，沸水浸泡2 h，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的葡萄糖，0.2%的MgSO4·7H2O，0.1%的KH2PO4，30%去離子水。121 ℃高壓滅菌2 h，冷卻至室溫。

1.3.1.3 固態(tài)接種

在超凈工作臺(tái)中，用移液槍吸取的活化菌種，按5%～10%的接種量接種到固體培養(yǎng)基上，并攪拌均勻，放入恒溫培養(yǎng)箱中25 ℃培養(yǎng)。

1.3.1.4 菌糧制備

待菌絲長滿后取出，50 ℃烘干磨粉，過60目篩，得到玉米猴頭菌菌糧。

1.3.2 菌糧營養(yǎng)成分測定

1.3.2.1 粗纖維的測定

粗纖維含量采用GB/T 5515—2008介質(zhì)過濾法測定[13]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有粗纖維的質(zhì)量。

1.3.2.2 膳食纖維的測定

膳食纖維含量采用GB 5009.88—2014酶重量法測定[14]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有膳食纖維的質(zhì)量。

1.3.2.3 粗脂肪的測定

粗脂肪含量采用GB 5009.6—2016索氏抽提法測定[15]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有粗脂肪的質(zhì)量。

1.3.2.4 碳水化合物的測定

碳水化合物采用ASTM E1758—2001(2007)高效液相色譜法測定[16]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有碳水化合物的質(zhì)量。

1.3.2.5 灰分的測定

灰分含量采用GB 5009.4—2016高溫馬弗爐法測定[17]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有灰分的質(zhì)量。

1.3.2.6 蛋白質(zhì)的測定

總可溶性蛋白質(zhì)含量采用GB 5009.5—2016凱氏定氮法測定[18]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有蛋白質(zhì)的質(zhì)量。

1.3.2.7 維生素含量的測定

維生素含量采用高效液相色譜法測定[19-23]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有的維生素的質(zhì)量。

1.3.2.8 氨基酸的測定

氨基酸含量采用GB 5009.124—2016氨基酸分析儀測定[24]，所得數(shù)據(jù)為每100 g菌糧干粉中含有氨基酸的質(zhì)量。

1.3.2.9 氨基酸評分

氨基酸評分(amino acid score，AAS)參考BANO等[25]的方法，計(jì)算每克玉米及菌糧蛋白質(zhì)中，某種必需氨基酸的含量占FAO/WHO評分模式中該氨基酸含量的百分比，即為AAS。

1.3.3 菌糧淀粉結(jié)構(gòu)測定

淀粉、支/直鏈淀粉采用淀粉、支/直鏈淀粉試劑盒測定，所得數(shù)據(jù)為每單位菌糧干粉質(zhì)量含有的百分比。

1.3.4 菌糧加工特性

1.3.4.1 黏度的測定

黏度的測定參考趙志浩等[26]的方法，樣品經(jīng)105 ℃干燥至恒重，冷卻至室溫，稱取 20 g，加入80 mL 80 ℃熱水，玻璃棒緩慢攪拌至均勻，制得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的淀粉糊。使用裝備40 mm直徑鋁平板夾具的AR-1500ex流變儀，設(shè)置夾具與樣品臺(tái)的間距為 1 mm，溫度25 ℃，角頻率范圍0.01～200 rad/s。取適量樣品于樣品臺(tái)上，靜置10 min，操作流變儀下壓夾具，并移除夾具邊緣溢出的樣品，啟動(dòng)程序進(jìn)行測定。

1.3.4.2 水溶性指數(shù)(water solubility index,WSI)和吸水性指數(shù)(water absorption index,WAI)

參考ANDERSON等[27]的方法并稍加改進(jìn)。準(zhǔn)確稱取2.5 g樣品，置于100 mL離心管中，加入去離子水30 mL，適當(dāng)混勻至所有樣品浸潤，275 r/min振搖30 min，然后3 000×g離心15 min，分離上清液和沉淀物。上清液倒入預(yù)先干燥至恒定質(zhì)量的鋁制扁形稱量瓶中，105 ℃蒸發(fā)至恒定質(zhì)量。WSI和WAI的計(jì)算如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)試驗(yàn)至少進(jìn)行3次平行操作，試驗(yàn)結(jié)果以平均值表示。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行顯著性分析，以P<0.05 表示差異顯著，采用Origin 9.0作圖，Excel 2019做表。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌糧營養(yǎng)成分分析

如圖1所示，相比于發(fā)酵前的玉米，菌糧中總膳食纖維含量降低了15.4%，粗纖維和不溶性膳食纖維含量分別降低了23.9%和20.0%，由于這2種物質(zhì)不易被人體消化吸收,會(huì)阻礙消化酶與食物接觸，降低腸道對小分子營養(yǎng)物質(zhì)的利用率，因此經(jīng)過發(fā)酵，菌糧中的營養(yǎng)物質(zhì)更易被人體消化吸收，利用率更高，同時(shí)也改善了玉米粉的適口性；與未發(fā)酵的玉米相比，菌糧中可溶性膳食纖維含量提高了15.7%，菌糧具有更高的生物活性，對預(yù)防心血管疾病、糖尿病以及抗腫瘤的作用更強(qiáng)；菌糧蛋白質(zhì)的含量減少了23.5%，可能是由于發(fā)酵過程中猴頭菌分泌的多種酶對蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的降解，使大分子蛋白部分降解為小分子蛋白或多肽以及氨基酸等[29]，導(dǎo)致與蛋白質(zhì)結(jié)合的淀粉顆粒得到釋放，純化了淀粉分子，使菌糧的親水性和凝膠性得到改善[9]；同時(shí)粗脂肪含量減少了50.4%，而碳水化合物和灰分含量沒有顯著變化(P>0.05)。

圖1 玉米及菌糧中的營養(yǎng)成分含量Fig.1 Nutrients in corn and fungus fermented cereal(FFC)注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

劉紅艷等[7]研究表明，食用菌在發(fā)酵過程中能夠產(chǎn)生α-淀粉酶、纖維素酶以及β-葡萄糖苷酶，將谷物中的大分子物質(zhì)水解為小分子物質(zhì)?；┢G等[28]分別用猴頭菇、金針菇和平菇固態(tài)發(fā)酵杜仲，發(fā)現(xiàn)3種食用菌對杜仲葉渣和杜仲皮的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素均有顯著的降解作用(P<0.05)，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

2.2 菌糧維生素含量分析

玉米中VC、VE含量高，但是缺乏VB1,VB1攝入不足易得腳氣病。國內(nèi)在乳酸菌產(chǎn)B族維生素方面的研究有報(bào)道，其中有研究表明[30-32]定植于腸道中的益生菌能產(chǎn)生維生素B1、B2、B6等各種維生素；常若毅等[33]研究發(fā)現(xiàn)10種乳酸菌在發(fā)酵鮮牛乳以及5種蔬菜時(shí)均能產(chǎn)生維生素B1和B6；FIELDS等[34]利用米曲霉、大腸桿菌、酵母菌等混合發(fā)酵玉米粉時(shí)，得到了玉米粉中VB1、VB2以及VB3含量顯著提高的結(jié)果(P<0.05)，但是食用菌發(fā)酵谷物對維生素的影響卻鮮有研究。如表1所示，經(jīng)過發(fā)酵以后，玉米中缺乏的VB1在猴頭菌糧中含量很高，VB2、VB3的含量也顯著提高(P<0.05)，表明利用食用菌對谷物進(jìn)行發(fā)酵也能達(dá)到增加維生素種類，提高維生素含量的效果。

表1 玉米及菌糧中維生素含量 單位：mg/100 g

2.3 菌糧氨基酸評分

表2為玉米和菌糧中氨基酸評分與FAO/WHO推薦值的比較，由此看出，發(fā)酵后的菌糧中蛋白質(zhì)的氨基酸評分均明顯高于未發(fā)酵的玉米。發(fā)酵前，只有亮氨酸的評分大于100，賴氨酸的評分只有27.84，低于FAO/WHO推薦值，為第一限制性氨基酸，第二限制性氨基酸為色氨酸，氨基酸組成比例不均衡，營養(yǎng)價(jià)值較低；發(fā)酵后，菌糧中異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸+酪氨酸的評分均高于100，賴氨酸評分提高到58.16，所有必需氨基酸評分均高于FAO/WHO推薦值。蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值不僅取決于蛋白質(zhì)的含量，還與氨基酸的種類、必需氨基酸的組成及比例、限制氨基酸的最低含量等有關(guān)[35]。AAS值越接近100，食物蛋白與人體蛋白越接近，蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價(jià)值也就越高[36]。以上結(jié)果說明接種猴頭菌發(fā)酵，彌補(bǔ)了玉米中賴氨酸不足的缺陷，菌糧中氨基酸含量更加豐富，蛋白質(zhì)的氨基酸構(gòu)成比例更合理，營養(yǎng)價(jià)值更高。

表2 玉米及菌糧氨基酸評分比較Table 2 Comparison of amino acid scores of corn and FFC

2.4 菌糧淀粉結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過發(fā)酵以后，菌糧的營養(yǎng)成分發(fā)生了很大的變化，其本質(zhì)是玉米粉內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的變化[9]。如圖2所示，發(fā)酵后，菌糧中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由86.58%下降到70.66%，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由32.59%上升到50.11%。劉紅艷等[7]利用雙孢菇固態(tài)發(fā)酵玉米，發(fā)現(xiàn)淀粉含量從 57.64 g/100 g 降到 49.93 g/100 g，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。猴頭菌在發(fā)酵玉米的過程中產(chǎn)生的α-淀粉酶，使淀粉分子發(fā)生水解，這一過程主要發(fā)生在支鏈淀粉的長鏈部分[11,37]，使其分解為直鏈淀粉或者葡萄糖等小分子物質(zhì)，導(dǎo)致支鏈淀粉含量減少，直鏈淀粉含量升高。研究表明[38]，發(fā)酵使淀粉破碎、顆粒變小、相對分子質(zhì)量減小、直鏈淀粉含量上升,一部分支鏈淀粉在微生物的作用下斷鏈和脫支，支鏈淀粉含量下降。REYES等[8]在用米曲霉固態(tài)發(fā)酵玉米粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，前期下降是因?yàn)橹辨湹矸坻溄Y(jié)構(gòu)更簡單，更易于酶解，后期支鏈淀粉短鏈脫支，轉(zhuǎn)化為直鏈淀粉，使其比例升高。淀粉的結(jié)構(gòu)以及支鏈、直鏈淀粉的比例是加工特性提高的主要原因，研究發(fā)酵前后玉米粉淀粉結(jié)構(gòu)的變化對研究其加工特性的變化具有十分重要的意義。

圖2 玉米及菌糧中的淀粉結(jié)構(gòu)物質(zhì)含量Fig.2 Contents of starch structural substances in corn and FFC

2.5 菌糧加工特性分析

2.5.1 黏度

糊化淀粉表現(xiàn)出的表觀黏度在很大程度上取決于瀝濾淀粉鏈的鏈長和分枝度[39]。玉米及菌糧在不同剪切速率下的黏度如圖3所示，剪切速率在1～100 s-1，未發(fā)酵的玉米面在剪切速率最小時(shí)黏度最大，發(fā)酵后菌糧黏度在剪切速率6.31 s-1時(shí)達(dá)到最大值。同時(shí)，菌糧的黏度在任何剪切速率下均低于未發(fā)酵玉米粉，表明猴頭菌發(fā)酵會(huì)使玉米粉黏度降低。這可能是由發(fā)酵后淀粉結(jié)構(gòu)改變以及蛋白質(zhì)含量降低導(dǎo)致，使菌糧粉具有更好地沖調(diào)特性，適宜作為代餐粉等產(chǎn)品的配料。REYES等[8,40]分別用米曲霉和酵母菌對玉米淀粉進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)隨發(fā)酵時(shí)間的延長，玉米淀粉黏度與未發(fā)酵相比呈顯著降低趨勢(P<0.05)，分析原因?yàn)榈矸勖杆馐沟矸坻湶糠謹(jǐn)嗔?，玉米粉凝膠強(qiáng)度減弱，黏度降低。

圖3 不同剪切速率下玉米及菌糧黏度變化Fig.3 Viscosity changes of corn and FFC at differentshear rates注：同一曲線上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.5.2 WSI和WAI

WSI和WAI分別反映淀粉的持水性和大分子降解程度[41]。吸水性指的是淀粉的吸水膨脹能力。如表3所示，經(jīng)過發(fā)酵以后，菌糧的水溶性顯著提高(P<0.05)，吸水性顯著降低(P<0.05)。研究表明，蛋白質(zhì)是主要的吸水位點(diǎn)[42]，同時(shí)，淀粉的吸水膨脹能力與淀粉支鏈、直鏈的比例也有很大關(guān)系[9]。發(fā)生上述變化的原因可能是蛋白質(zhì)在發(fā)酵過程中被水解為小分子物質(zhì)，吸水能力降低，另外發(fā)酵產(chǎn)生的α-淀粉酶使部分淀粉分子降解，小分子糖類等可溶性物質(zhì)含量增加，淀粉結(jié)構(gòu)被破壞，直鏈淀粉含量升高，從而抑制了淀粉的吸水膨脹能力，使淀粉吸水和持水性能下降[26]。RICHARD等[43]對谷物的支鏈、直鏈淀粉和脂類對淀粉吸水膨脹能力的影響做了研究，發(fā)現(xiàn)吸水膨脹是支鏈淀粉的特性，而直鏈淀粉會(huì)對其產(chǎn)生抑制作用。經(jīng)發(fā)酵后，菌糧中淀粉含量降低，顆粒結(jié)構(gòu)松散，大分子物質(zhì)被降解為小分子親水性物質(zhì)，水溶性提高，菌糧粉在水中更易分散；吸水性降低，菌糧粉形成凝膠的能力下降，使其在水中不易結(jié)塊，易于沖調(diào)，這與2.5.1中黏度變化規(guī)律相符，證明發(fā)酵可改善玉米粉的沖調(diào)特性。

表3 玉米及猴頭菌糧WSI、WAI值Table 3 WSI，WAI of corn and FFC

3 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，以及亞健康人群的增多，更多的人開始注重健康飲食，減少精白米面的攝入，以五谷雜糧代替，彌補(bǔ)膳食纖維、維生素等攝入不足。玉米作為“五谷之首”，深受居民的青睞，但是由于玉米中粗纖維含量高，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)難以吸收，同時(shí)賴氨酸、色氨酸含量低，導(dǎo)致其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)不均衡，利用率低。

與玉米原糧相比，經(jīng)猴頭菌固態(tài)發(fā)酵玉米后得到的玉米猴頭菌菌糧，粗纖維和不溶性膳食纖維的含量顯著降低，可溶性膳食纖維的含量顯著升高，玉米中缺失的硫胺素，核黃素和煙酸的含量也顯著提高，色氨酸、賴氨酸含量增加，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)更加均衡。同時(shí)淀粉顆粒變小，直鏈淀粉增多，黏度降低，水溶性提高，吸水性降低，加工特性得到改善。本研究為谷物營養(yǎng)和加工特性改善及開發(fā)新型食用菌配料提供了理論依據(jù)。