速食粥是稻米类农产品的主要高价值加工产品之一,随着现代生活节奏的加快,速食粥成为近些年来受欢迎的方便食品。挤压膨化具有操作简单、成本低廉、制备品质稳定等特点,是目前市场上速食粥产品的主要加工方式之一[1]。然而目前挤压膨化速食粥存在原料营养损失、淀粉易老化、产品复水性差、复水后仍难以接近熬制粥口感等问题,严重阻碍了产品的推广和发展。

微生物固态发酵是指在固态基质原料上进行微生物发酵的过程,其具有低成本、环保、底物抑制少等特点[2],被广泛应用于饮料、食品、饲料、酒类、生物能源等多个领域。据报道,固态发酵能通过微生物产生的纤维素酶、淀粉酶、木聚糖酶等酶系促使淀粉颗粒分解和转化,优化支链淀粉/直链淀粉比例,延缓淀粉老化,改善食物的质地和口感[3]。不仅如此,微生物固态发酵过程中会产生可溶性膳食纤维、不饱和脂肪酸、有机酸等次级代谢产物,能大大提高产品的营养价值。张笃芹等[4]利用酿酒酵母和植物乳杆菌对麦麸进行了单菌和混菌固态发酵,结果表明微生物发酵显著提升了麦麸营养及加工品质。叶彦均[5]利用食品公认安全菌种对糙米进行固态发酵处理,结果表明固态发酵显著提高了糙米的营养特性、生物活性和功能特性。DU等[6]利用枯草芽孢杆菌和嗜酸乳酸菌对玉米-豆粕混合物进行固态发酵处理,结果表明固态发酵可以优化其营养价值。微生物固态发酵对改善速食粥品质有重大应用潜力,目前该方向研究鲜有报道。

海红米也称海稻米,其米身呈胭脂红色,含有天然可溶性红色素,营养丰富。海红米不仅含有不饱和脂肪酸、膳食纤维、蛋白质、维生素等多种营养成分,同时富含硒、锌、镁、铜、铁、钙等微量元素,其含量高于普通水稻[7]。海红米风味独特,具有浓郁的芋香味,但其黏性较低,咀嚼起来比较硬,适合加工为粥类产品,目前海红米以初级加工销售稻米为主,深加工产品少,其资源价值并未得到充分利用。本研究以海红米为原料,采用微生物固态发酵协同挤压膨化制备速食粥,并分析固态发酵对速食粥营养成分、质构、色值、热性能等品质特性的影响,以期为海红米高值化利用及其速食粥品质提升提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

富硒海红米,湛江市得丰米业有限责任公司;酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),中国工业微生物保藏管理中心;酵母浸出粉胨葡萄糖培养基(yeast extract peptone dextrose medium,YEPD)、LB培养基,广东环凯微生物有限公司;硒标准溶液,中国标准化研究院;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 主要仪器设备

HK-15型双螺杆挤压膨化机,山东汉科机械科技有限公司;ZNN-D6型黏度仪,青岛恒泰达机电设备有限公司;HSW-5型隧道干燥机,佛山市重诚机械制造有限公司;PHS-3C型pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司;VAP50S型全自动凯氏定氮仪,德国Gerhardt公司;ZeissSupra55扫描电子显微镜,上海翔研精密仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 海红米速食粥的制备工艺

挤压膨化速食粥(rice instant porridge,RIP):将海红米通过特定的工艺参数进行挤压膨化加工,其双螺杆挤压膨化机参数为:切刀的转速2 800 r/min,原料输送速度11 kg/h,机筒的温度Ⅱ区60 ℃、Ⅲ区90 ℃、Ⅳ区120 ℃、Ⅴ区40 ℃、Ⅵ区40 ℃,添加31%海红米质量的水,烤炉温度维持230 ℃,螺杆转速180 r/min,制作挤压膨化海红米。

固态发酵协同挤压膨化海红米速食粥(fermentative rice instant porridge,F-RIP):a)将2种保藏良好的菌株每株取一环接种于对应的试管斜面培养基上,其中酵母菌(YEPD)需要在30 ℃的恒温条件下培养24 h;而枯草芽孢杆菌(LB培养基)则应置于37 ℃的环境中,同时培养24 h。当每一种菌株都长满到斜面上时,用无菌水冲洗后,再用接种圈轻轻地刮下菌种,收集菌悬液,调节2种菌株的含菌数为1.0×107 CFU/mL,备用。b)固态发酵基质制备:对挤压膨化处理完成后的500 g海红米加入40%水(以质量计),充分润湿均匀,放入发酵袋中,进行121 ℃、20 min的灭菌处理,灭菌结束冷却至室温备用。c)固态发酵:通过前期预实验,确定复合发酵剂组成与比例(酵母菌∶枯草芽孢杆菌=2∶3),将2种菌悬液按照生物量浓度比(酵母菌∶枯草芽孢杆菌=2∶3)进行混合,将9%的复合微生物悬浮液注入到发酵容器中,并确保其均匀混合。随后,将容器置于设定在38 ℃的恒温培养箱内发酵46 h。在发酵周期内,每12 h对物料进行1次翻动,以保证发酵均匀。待发酵过程完成后,将物料移至预设温度为65 ℃的干燥箱中进行干燥处理,直至其重量稳定。冷却到室温,得到固态发酵协同挤压膨化海红米。

1.3.2 海红米速食粥主要营养成分的测定

参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》,采用自动凯氏定氮法进行速食粥粗蛋白含量的测定;参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》,采用索氏抽提法测定速食粥粗脂肪的含量。参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》进行测定速食粥淀粉的含量;参照GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量的测定》进行测定速食粥直链淀粉和支链淀粉的含量;参照GB 5009.88—2023《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》进行测定速食粥的膳食纤维含量。

1.3.3 硒含量测定

参照GB 5009.93—2017《食品安全国家标准 食品中硒的测定》中的第一法,即氢化物原子荧光光谱法,来测量样品中的全硒含量。将精确称量的0.5 g(精确到0.000 1 g)样品放入50 mL的具塞试管中,并注入20 mL的50%(质量分数)盐酸溶液。通过涡旋器混合均匀后,将试管置于超声波浴中处理45 min,接着将其置于沸水中加热30 min,然后取出并让其自然冷却。将溶液体积调整至25 mL,并使用脱脂棉进行过滤。取10 mL的滤液进行消解处理,随后利用原子荧光光谱仪对硒含量进行测定。所得结果代表无机硒的量,而有机硒的含量则由总硒含量减去无机硒含量得出。

1.3.4 硒的生物度测定

速食粥生物利用度的测定参照罗威等[8]的方法进行测定,采用体外模拟胃消化过程:首先,准确称量0.5 g(精确度达到0.000 1 g)的F-RIP及RIP样本,并将它们分别放入50 mL的离心管中。接着,向每个离心管中加入10 mL的人工胃液(含有10 g/L的胃蛋白酶、0.15 mol/L的NaCl溶液,调节pH值至2.0)。将离心管放置于37 ℃的恒温振荡器中振荡处理4 h。消化过程结束后,样品以3 500 r/min的速度离心10 min,以分离出上清液。完成胃部消化模拟后,利用饱和NaHCO3溶液调节消化液的pH值至7.5。然后,向每个离心管中加入10 mL的模拟肠液(含有30 g/L的胰蛋白酶、15 g/L的淀粉酶、10 g/L的胆盐、0.15 mol/L的NaCl溶液),充分混匀后,再次在37 ℃下振荡处理4 h。经过二次离心处理(3 500 r/min,持续10 min)后,收集上清液。最后,将上清液通过0.45 μm孔径的滤膜进行过滤,以便于后续的生物利用度测定。体外模拟胃肠富硒速食粥的生物利用度用公式(1)计算:

生物利用度

(1)

1.3.5 色泽的测定

待分析的样本经过破碎处理,并透过50目筛网,然后均匀地铺展在清洁且无水分的培养皿中,准备进行后续的测量工作。首先启动Mini色差仪,并依次完成黑色和白色的校准程序。接下来,将色差仪的探头对准样本表面,轻按记录按钮,获取L*、a*、b*的颜色测量值。重复3次,取平均值。L*值反映了样本的亮度水平,a*和b*值则描述了样本的颜色饱和度。

1.3.6 糊化特性分析

参照GB/T 24853—2010《小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定 快速粘度仪法》所规定的程序,首先准确称量25.0 g(允许误差为±0.1 g)的水,并加入3.00 g(允许误差为±0.10 g)的样品粉末。随后,使用搅拌设备将粉末与水充分混合均匀。搅拌均匀后的混合物被转移到快速黏度分析仪(rapid visco analyzer,RVA)中进行黏度特性的测定。测定过程中采用温度升降循环的程序,具体步骤如下:从50 ℃开始逐渐升温,在225 s内加热至95 ℃,并在此温度下保持150 s。之后,在231 s内将温度降至50 ℃,并继续保持此温度84 s。在测试的初始阶段,旋转桨的旋转速度设置为960 r/min,持续10 s后,旋转速度调整至160 r/min,并维持此速度直至测试结束。通过这一过程,可以测定样品的黏度变化以及最终的回升值等多项指标[9]。

1.3.7 感官评价

本研究采用描述分析法对富硒速食粥进行感官评价,并通过感官分析法进行样品评估。首先,将制备完成的F-RIP与RIP样本各20 g精确称量,并放置于无异味、清洁的评估容器内。在进行感官评估之前,将这些容器置于60 ℃的恒温环境中进行预热。为了确保评估的随机性,使用三位随机组合的阿拉伯数字对样本进行编码,并在感官评估过程中随机展示给评价员。评价团队由10位(包括5名男性和5名女性,年龄范围在20～25岁)具有感官评定背景的广东海洋大学学生组成。这些评价员将根据粥品的外观、颜色、味道、质地和香味等方面进行评分。整个感官评估过程在温度适宜、通风良好、无异味、光线充足的标准环境下进行[9]。感官评定标准如表1所示。

1.3.8 海红米速食粥理化指标的测定

质构测定:称取F-RIP和RIP各15 g,各加入80 mL沸水浸泡4 min;在复水结束后,过滤掉米汤,从中随机挑选出10粒米粒进行质构特性的测定。质构仪测定参数设置如下:探头上升到样品表面的高度为30 mm,测试探头P/36R型,测试速度1 mm/s,触发力值5.0 g,压缩程度90%。

速食粥的复水率:称取F-RIP和RIP各15 g,记为X,各加入80 mL的沸水浸泡4 min,在复水结束后,过滤掉其中的米汤,然后对样品进行称重,记为Y,按公式(2)计算复水率。

速食粥复水率

(2)

速食粥的复水时间:称取F-RIP和RIP各15 g,各加入80 mL的沸水浸泡,复水至米粒充分软化,记为速食粥的复水时间。

速食粥的固形物含量:精确测量15 g的F-RIP和RIP样品,分别标记为x号。随后,向每个样品中加入80 mL的沸腾水,并让其浸泡4 min。复水过程完成后,将米汤部分通过过滤去除,仅保留米粒。接下来,将过滤后的米粒平铺在铝制容器内,并将容器放入预热至105 ℃的烘箱中进行干燥至恒重,以此来测定即食粥中固体成分的质量[8]。

1.3.9 热特性分析

用差示扫描热量仪(differential scanning calorimeter,DSC)对挤压前后的样品进行热特性的分析,可得开始糊化温度T0,糊化峰值温度Tp,糊化终止温度Tc和热焓值ΔH。具体步骤是:将研磨好的试样大约2 mg(干基)放在一个小的铝盒子里,并用自动差示热量扫描器对它的热性能进行分析。以10 ℃/min的升温速率,由室温上升到180 ℃,获得DSC图谱,观测和分析样品的热学特征曲线。

1.3.10 微观结构观察

将样品粉末分别取微量并均匀地铺设在带有导电双面胶的样品座上,确保铺展均匀并对齐起始点。利用高真空镀金设备对样品表面进行喷金。在扫描电子显微镜中,以2 000倍的放大倍数以对样品颗粒进行观察,并捕捉其特征性的形态图像。

1.4 数据处理

实验结果平均值±标准偏差表示(n=3),使用Origin 8.0和SPSS 22.0 软件进行作图和数据分析。

2 结果与讨论

2.1 微生物固态发酵对海红米速食粥主要营养成分的影响

固态发酵协同挤压膨化海红米速食粥(F-RIP)对比挤压膨化富硒速食粥(RIP),一方面,在固态发酵过程中,微生物会分解食品中的一些复杂营养物质,将其降解成小分子的营养物质,致使米粒营养成分发生改变[10]。另一方面,微生物可以帮助降解米粒中存在的抗营养因子,提高营养物质利用率[11]。由表2可知,对比RIP,F-RIP的总淀粉含量略微减少,粗脂肪含量显著提高,粗蛋白、总膳食纤维含量基本不变。直链淀粉含量减少了50.89%,淀粉支/直比提高了14.92%,不溶性膳食纤维含量减少了18.24%,可溶性膳食纤维含量提高了16.59%。

海红米制成的速食粥,富含淀粉、膳食纤维。在固态发酵过程中,微生物产生酶,使得淀粉降解转化成低聚糖和单糖,进而提高总糖含量。此外,直链淀粉的分子结构相对简单,由α-葡萄糖基组成直链状分子,易于微生物产生的酶作用降解。而支链淀粉的分子结构中还包含支链,支链的存在增加了降解的难度。这使得微生物更倾向分解直链淀粉,提高了速食粥中支/直链淀粉的比例。相比直链淀粉,支链淀粉有更好的糊化性质,利于人体吸收。微生物在发酵过程中分泌的胞外水解酶也会将不可溶膳食纤维大分子转化成小分子葡萄糖,提高可溶性糖的含量,同时微生物酶作用于大分子可降解成小分子可溶性膳食纤维,提高膳食纤维中可溶膳食纤维的比例。可溶膳食纤维有优良的理化性质与生理活性,可以提升食物的营养价值与感官品质,还能有效降低癌症、心血管疾病、肠道疾病以及肥胖症的发病几率[12]。微生物固态发酵通过对淀粉和膳食纤维分解与改性,达到速食粥营养物质提升,更易消化,改善口感的目的。

2.2 微生物固态发酵对海红米速食粥硒含量和生物利用度的影响

硒分为单质硒、无机硒和有机硒。无机硒毒性较大,不易吸收,不适合人食用。有机硒对于人体更易吸收,生物利用度更高[13],且在抗肿瘤等方面具有极强的生物活性[14]。如图1所示,F-RIP样品的有机硒含量和生物利用度分别比RIP样品提高了60.51%和254.98%。一方面,微生物在生长过程中对硒自主吸收和转化,使硒与蛋白质和多糖结合,将无机硒转化成有机硒,如酵母菌等[15],利于人体吸收。另一方面,有机硒多以蛋白质结合形式存在[16],经过微生物发酵,蛋白质结构被展开,产生更多的小分子肽和氨基酸,有利于消化吸收,因此在胃肠消化过程中展现出更高的生物利用率[17-18]。

2.3 固态发酵对海红米速食粥色泽的影响

色泽是评价产品质量的主要指标之一,是影响商业价值的重要因素。由图2可知,与RIP相比,F-RIP的亮度值(L*)、红度值(a*)、黄度值(b*)均有所增大。海红米含有天然可溶性红色素,在发酵过程中,红色素溶出逐渐增多,使得速食粥偏红。发酵过程中会产一些代谢产物,如酵母菌会产生少量酒精、酢酸等,可能会对颜色产生影响,使得粥体发亮。淀粉在发酵过程中被微生物分解成糖类物质,如葡萄糖和果糖。这些糖类物质在发酵过程中可能会与氨基酸等其他化合物发生一系列反应,产生新的色素物质,从而使速食粥偏黄色。经过微生物固态发酵后,海红米速食粥颜色得到优化,进而提升感官品质。

2.4 固态发酵对海红米速食粥糊化特征参数的影响

如表3所示,海红米速食粥在固态发酵之后,峰值黏度、保持黏度、崩解值、最终黏度、回生值发生改变,表明固态发酵对海红米糊化特征产生影响。其中峰值黏度提升7.17%,最终黏度提升8.83%,崩解值提升8.27%,保持黏度下降5.62%,回升值下降8.69%。峰值黏度反映淀粉糊化黏稠程度和膨胀性,最终黏度反映速食粥在冷却过程中黏稠程度和凝胶性。峰值黏度、最终黏度增加,表明粥体系具有更好的黏稠性和凝胶性;崩解值反映了糊化淀粉凝胶强度和稳定性。崩解值的增加,表明粥体有更强的凝胶结构。回生值为最终黏度与最低黏度的差值,反映粥体的老化程度[19],回生值降低,表明延缓了粥体系的老化程度。微生物发酵对淀粉底物进行分解,增加了支链淀粉在总淀粉中的比例。一方面,支链淀粉的分支结构,使得海红米速食粥黏稠度得到提升。另一方面,支链淀粉具有高分支结构,在聚合时受到较强的抑制作用,老化进程较慢[20],延缓了速食粥老化。上述分析表明,微生物固态发酵提升了海红米速食粥口感品质,为延长货架期的可能提供了条件。

2.5 固态发酵对海红米速食粥感官评分和理化特性的影响

由表4可知,F-RIP的感官评分高于RIP,原因除了上述色泽提升,还可能存在蛋白质变性暴露出更多的酶切位点,更有利于酶解进行,有利于风味物质的产生[21]。F-RIP相比RIP,复水时间、硬度、弹性、回复性有所减少,黏聚力,胶着度有所提升,耐咀性,复水率和米汤固形物含量无显著差异。其中复水时间减少了17.30%,硬度减少了11.44%,弹性减少了14.29%,黏聚性提升了100%,胶着度提升了16.97%,回复性减少了8.82%。

米制品作为一种主要包含淀粉成分的食品,其在制作速食粥时的水分复原效率和所需时间与粥品中淀粉的含量紧密相关。在经过固态发酵过程后,原本的大分子淀粉会被分解转化为更小的分子结构,如糊精、少量聚糖以及单糖等。可使糊化淀粉微观结构发生改变以及米粒的内部结构变得松软,有利于降低速食粥的复水时间。由于微生物固态发酵后,直、支链淀粉含量改变。直链淀粉的网络结构可为淀粉凝胶提供弹性和抗变形强度,直链淀粉含量下降导致弹性,回复性减少。直链淀粉分子间氢键的可用性降低会破坏软凝胶内部的长程相互作用,导致网络结构的黏聚性降低。同时支链淀粉由于自身多支链的结构,使得粥体的黏聚性和胶着度有所提升。

2.6 固态发酵对海红米速食粥热性能的影响

采用DSC测定F-RIP和RIP的热力学特性,结果如图3和表5所示,RIP的糊化温度是40.57～117.42 ℃,峰值温度为68.93 ℃,焓变值为89.45 J/g;F-RIP的糊化温度是38.63～113.29 ℃,峰值温度为64.56 ℃,焓变值为75.14 J/g。这说明,海红米速食粥经过微生物固态发酵后,糊化温度和峰值温度降低,焓变值下降。这是由于在微生物固态发酵后,粥体直链淀粉比例下降,支链淀粉比例上升。支链淀粉具有更低糊化温度,支链淀粉含量越高,起始糊化温度和峰值温度也低,此结果与刘明等[22]研究结果一致。固态发酵后,一方面,一部分淀粉被分解成小分子,导致氢键减少,淀粉糊化时断开这些氢键,促进晶体结构消失,需要吸收能量减少[23]。另一方面,在一定范围内,吸热焓值基本随直链淀粉含量的增加而增加,这与LII等[24]研究结果相一致。表明在微生物固态发酵后粥体在加热过程中更易糊化,且更易达到最大黏度。焓变值降低,表明F-RIP重结晶更少,即老化程度更轻[25]。

2.7 固态发酵对海红米速食粥微观结构的影响

如图4所示,RIP表面较光滑,裂缝与孔隙较少。微生物固态发酵后的海红米速食粥内部存在着大量的孔洞,组织结构均匀蓬松,这说明微生物固态发酵对促进海红米速食米粥微孔的形成起到重要作用。由其局部放大图可知,米粒组织呈海绵状,且遍布裂缝与孔隙,因此使得海红米速食粥在复水过程中,水分子进入的通道增多了,从而使其复水时间比RIP明显缩短。微观结构分析结果进一步证实上文结论。

3 结论

微生物固态发酵对海红米速食粥的理化及品质特性产生影响,经过发酵后,海红米速食粥中直链淀粉含量显著降低,而淀粉支/直链比和可溶性膳食纤维含量显著升高;总硒含量稍有降低,有机硒含量和硒生物利用度提高了60.51%和2.54倍,大大提高了粥体营养价值;固态发酵后粥体色泽基本不变,最终黏度升高同时回生值降低,其糊化特性和感官品质均得到显著改善;DSC结果表明固态发酵降低了粥体变性起始温度、峰值温度、凝胶化终止温度及吸收焓值,改善了粥体的热性能;固态发酵后速食粥微观结构发生了改变,表面粗糙,分布有裂痕和微孔。实验结果表明,微生物固态发酵能显著改善海红米速食粥的理化及品质特性。本研究为海红米及其他谷物资源的高值化利用提供参考价值,也为速食粥品质改良供科学基础。

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Improvement of microbial solid-state fermentation on the quality characteristics of sea red rice instant porridge

CUI Shanhua1,LUO Xuanquan1,YANG Feiran1,QIU Fanlin1,Chen Zhihong1,ZHANG Di1,2,3,4*,JI Hongwu1,2,3,4,LIU Shucheng1,2,3,4

1(College of Food Science and Technology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)2(Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety,Zhanjiang 524088,China)3(Marine Food Engineering and Technology Research Center of Guangdong Provence,Zhanjiang 524088,China)4 (Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Products of Guangdong Higher Education Institution,Zhanjiang 524088,China)

ABSTRACT This study aimed to investigate the effects of microbial solid-state fermentation technology on the quality characteristics of instant porridge made from sea red rice.Using sea red rice as the research subject, instant porridge was prepared using extrusion puffing technology, followed by solid-state fermentation with Saccharomyces cerevisiae and Bacillus subtilis.The study explored the impact of solid-state fermentation on the nutritional and quality characteristics of sea red rice instant porridge.The results indicated that after microbial solid-state fermentation, the amylose content in sea red rice instant porridge decreased by 50.89%, while the amylopectin/amylose ratio and soluble dietary fiber content increased by 14.92% and 16.59%, respectively.Additionally, the organic selenium content and selenium bioavailability increased by 60.51% and 2.54 times, respectively.The color of the porridge remained essentially unchanged, the rehydration time decreased by 17.30%, and its pasting properties and sensory qualities were significantly improved.Differential scanning calorimetry analysis showed that solid-state fermentation reduced the onset temperature, peak temperature, and end temperature of gelatinization, with an enthalpy value reduction of 16%.The microstructure of the instant porridge was altered post-fermentation, exhibiting a rough surface with cracks and micropores.In summary, microbial solid-state fermentation significantly enhanced the physicochemical and quality characteristics of sea red rice instant porridge, providing a theoretical foundation for the high-value utilization and intensive processing of sea red rice.

Key words sea red rice;instant porridge;microbial solid-state fermentation;quality

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.039605

引用格式：崔善华,罗轩全,杨斐然,等.微生物固态发酵改良海红米速食粥品质特性的研究[J].食品与发酵工业,2025,51(9):270-276.CUI Shanhua,LUO Xuanquan,YANG Feiran, et al.Improvement of microbial solid-state fermentation on the quality characteristics of sea red rice instant porridge[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(9):270-276.

第一作者：本科生(张迪讲师为通信作者,E-mail:zjs578180838@sina.com)

基金项目：国家自然科学基金项目(32072340);广东海洋大学博士启动项目(060302042107);广东海洋大学创新训练项目(CXXL2023020)

收稿日期：2024-04-17,改回日期:2024-05-22