糙米为稻谷脱壳后保留胚芽与米糠层的全谷物,富含蛋白质、粗纤维、维生素、矿物质及γ-谷维素等功能因子,膳食纤维含量为精米的6 倍,对维持机体代谢、辅助防治慢性疾病及抗癌、降血脂具有积极作用[1]。 但米糠层中的植酸、纤维素等成分,会导致糙米质地坚硬、蒸煮时间长、口感粗糙且矿物质吸收率低[2],制约其推广应用。 国内外采用物理法、化学法、生物法等改良手段,改善糙米食用品质。 李金玲等[3]发现4% 碾减率的适度碾磨可兼顾营养保留与食味值提升,但过度碾磨易造成营养流失;Zhang 等[4]采用微酸性电解水浸泡可降低微生物数量、改善加工特性,但存在残留风险;酶处理则面临成本高、稳定性差的工业化难题。 研究表明,适度破坏糙米皮壳结构、提高淀粉糊化程度,是解决其“难吃难熟”问题的核心。
近年研究表明,微生物发酵可通过代谢酶系高效降解糙米皮壳纤维素与半纤维素,兼具疏松麸层、缩短蒸煮时间、改良质构、富集营养风味等优势[5],且条件温和、无化学残留。 陈妍婕等[6]发现鼠李糖乳酪杆菌(Lacticaseibacillus rthamnosus,Lr)在糙米乳中表现出优异的产酸稳定性、活菌保留率及蛋白分解能力,发酵产品感官接受度最高,应用潜力显著。 基于此,采用发酵法破坏麸皮结构、提升糙米品质成为研究热点,但现有单菌发酵研究在功能成分动态变化、风味与质构形成机制及工艺精准调控方面仍有不足,易导致产品出现酸味突出、品质不稳定等问题。 因此,系统解析发酵机制并优化关键工艺参数,是推动发酵糙米产业化的核心任务。
本研究以绥粳18 为原料,通过调控发酵时间与接菌量,以乳酸含量、pH 值及感官品质为核心指标,优选乳酸菌单菌发酵工艺,阐明发酵对糙米营养、结构、蒸煮、质构及风味的影响机制,旨在实现“营养保留-质构改善-风味提升”三重协同,为糙米在主食领域的高效、绿色、可控加工提供技术路径与理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
绥粳18 糙米,黑龙江省农垦总局建三江农业科学研究所;植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum,Lp)(4 ×1011 CFU/g)、Lr(4.5 ×1011 CFU/g)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus,La)(2 ×1011 CFU/g)、干酪乳酪杆菌(Lacticaseibacillus casei, Lc) (1 ×1011 CFU/g),丹尼斯克(中国)有限公司;亚氯酸钠,山东科源生化有限公司;无水乙醇(分析纯),辽宁泉瑞试剂有限公司;其他试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
TMS-Pro 质构仪,美国弗吉尼亚州食品技术公司;UV-1800 紫外可见分光光度计,日本岛津有限公司;PVA-5280 快速黏度分析仪,杭州佩克昂科技有限公司;PEN3 电子鼻,德国Airsence 公司;蔡司Sigma300 扫描电镜,德国蔡司公司;FB12X1-306E 智能电饭煲,美的集团股份有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 发酵糙米的制备
稻谷经砻谷机脱壳,糙米用18 目筛除杂,人工挑出不完善米粒得到净糙米,按GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》测定净糙米初始水分为14%,4 ℃密封冷藏[7]。 净糙米浸泡于0.01 g/mL 食品级亚氯酸钠溶液5 min,蒸馏水冲洗干净以完成清洗消毒。
准确称取400 g 除杂糙米,均分4 袋(每袋100 g,耐高温湿热灭菌袋),分别加入200 mL 无菌水及3 ×1011 CFU/g 直投菌粉(Lp、Lr、La、Lc),混匀后排气封口;鉴于前期实验表明,6 h 的发酵时间点最能有效区分不同的发酵效果,且利于感官评价准确鉴定产品品质,故选定35 ℃静置发酵6 h,每2 h 翻动一次,结束后4 ℃冷藏备用,另取一部分的发酵糙米用磨粉机粉碎,过80 目筛得到糙米粉,放在干燥器中待用。
1.3.2 发酵菌种的确定
比较Lp、Lr、La、Lc 4 种直投式乳酸菌投入糙米后的感官评价、乳酸含量和pH 值,筛选出最佳乳酸菌菌种。
1.3.2.1 感官评价
参照GB/T 15682—2008《粮油检验稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》进行适当修改,以组织状态、颜色及色泽、滋味、口感以及气味为指标,评分标准见表1。 经10 位专业培训评价员鉴定,取5 项指标总分均值作为乳酸菌微发酵糙米饭感官评分。
表1 乳酸菌微发酵糙米饭感官评分标准
Table 1 Sensory evaluation standard of lactic acid bacteria micro-fermented brown rice
项目评分标准质地均匀细腻,柔软有弹性,不黏牙组织状态(20 分)质地较均匀,软弹适中,轻微黏牙质地稍不均,软弹一般,黏牙较明显质地不均,过硬或过软,黏牙严重色泽金黄,富有光泽,表面结构完整外观结构(20 分)色泽黄偏白,有光泽,表面结构较好色泽浅黄,光泽度与表面结构一般色泽暗淡,表面结构一般滋味鲜美,甜度适中,无异味滋味(20 分)滋味良好,甜度稍欠或微有酸味滋味一般,甜味不足或酸味明显滋味较差,无甜味或有异味软硬适中,有嚼劲,口感细腻适口性(20 分)软硬适中,稍有嚼劲,口感较细腻过硬或过软,疏松发硬,口感稍粗糙极硬或极软,有渣感,口感粗糙米香浓郁纯正,无不良气味气味(20 分)米香较明显,伴有轻微酸味或糠味米香不明显,酸味或糠味等异味明显有明显的酸味、糠味或其他不良气味
1.3.2.2 糙米饭的制备
称量30 g 糙米样品于铝盒中,淘洗3 次后加入1.5 倍的水,在电饭煲中进行蒸煮,蒸煮结束后,焖10 min,用饭勺松动米饭,使多余水分散发。
1.3.2.3 高效液相色谱法测定乳酸含量
乳酸标准储备液制备：称10.0 mg 乳酸标准品于烧杯,加水溶解后转移至10 mL 容量瓶定容混匀(1 000 mg/L);分别吸取储备液0. 1、0. 2、0. 5、1. 0、2.0 mL 于10 mL 容量瓶,加水定容混匀,4 ℃保存。
样品前处理：取1 mL 发酵后的糙米样品经过提取、离心后所得的上清液于10 mL 离心管,超纯水定容至5 mL,混匀后超声30 min,再混匀过0.22 μm 滤膜,上机测定。
色谱条件：LP C18 色谱柱(4. 6 mm × 250 mm,5 μm),流动相0. 01 mol/L 磷酸氢二铵溶液,柱温(25 ±2) ℃,检测波长210 nm,流速0.8 mL/min,进样量20 μL;分别检测乳酸标准溶液与样品溶液。
由标准曲线得到乳酸检测质量浓度,经计算后获得样品中乳酸的含量,其计算如公式(1)所示：
1.3.2.4 pH 值的测定
称10 g 发酵糙米,加90 mL 去离子水搅拌30 min,于4 000 r/min 离心10 min,过滤后测滤液pH 值。
1.3.3 Lr 发酵糙米工艺参数的优化
通过单因素试验,分别考察发酵时间、接菌量对糙米饭品质指标的影响,确定各因素的范围。
1.3.3.1 接菌量的确定
分别设置接菌量为0.9 ×1011CFU/g(Lr-0.2%)、1.8×1011 CFU/g(Lr-0.4%)、2.7×1011 CFU/g(Lr-0.6%)、3.6 ×1011CFU/g(Lr-0.8%)、4.5 ×1011CFU/g(Lr-1.0%)的5 个实验组,于37 ℃发酵6 h(时间设定以避免糙米过度产酸和皮壳过度损坏为宜),以乳酸含量、pH和感官评价为指标来确定最佳接菌量。
1.3.3.2 发酵时间的确定
选取2.7 ×1011CFU/g 为乳酸菌接菌量,于37 ℃发酵,每隔2 h 取一次样,样品分别命名为BR(0 h)、Lr-2 h(2 h)、Lr-4 h(4 h)、Lr-6 h(6 h)、Lr-8 h(8 h)、Lr-10 h(10 h),以乳酸含量、pH 和感官评价为指标确定最佳发酵时间。
1.3.4 糙米糊化特性的测定
将2.5 g 糙米粉与25 mL 蒸馏水混合,采用快速黏度分析仪测定糊化特性。 测定程序：在50 ℃下保持1 min,以12 ℃/min 升温至95 ℃并保持2.5 min,再以相同速率降温至50 ℃并保持1.5 min。 测定过程中搅拌器转速设为960 r/min 保持10 s 后降至160 r/min 至测试结束。
1.3.5 糙米蒸煮特性的测定
1.3.5.1 糙米吸水率的测定
将10 g 糙米样品置于漏网内,经蒸馏水洗涤后置于200 mL 高型烧杯中,加50 ℃蒸馏水至150 mL 后用保鲜膜封口,沸水蒸煮20 min;取出漏网冷却30 min,沥干至漏网无米汤滴落,称量糙米饭质量;烧杯内米汤收集留存备用,糙米吸水率的计算如公式(2)所示：
1.3.5.2 体积膨胀率的测定
采用量筒排水法测量蒸煮前后的糙米饭体积,糙米饭体积膨胀率的计算如公式(3)所示：
1.3.5.3 米汤pH 值的测定
待1.3.5.1 节制备得到的米汤冷却至室温后,用酸度计测定其pH 值。
1.3.5.4 米汤干物质含量的测定
测完pH 的米汤定容至100 mL,3 000 r/min 离心20 min,取10 mL 沉淀置恒重铝盒,105 ℃烘至恒重。结果以每克干米对应的米汤干物质毫克数表示,如公式(4)所示：
1.3.5.5 米汤碘蓝值的测定
取测定米汤干物质1.0 mL 的上清液加50 mL 蒸馏水,然后加入0.5 mL 的HCl 溶液(0.5 mol/L)和1 mL 碘试剂(0.2%),定容至100 mL,于波长660 nm处测定吸光值。
1.3.6 糙米饭质构特性的测定
利用质构仪测定糙米饭硬度、弹性、胶着性、咀嚼性、黏着性等指标,参数设定：TPA 模式,P36/R 探头;测试前速度1.0 mm/s,测试后速度2.0 mm/s,触发力2 g,压缩速率1.0 mm/s,压缩比50%,2 次测量间隔5 s。
1.3.7 糙米饭微观结构的测定
采用扫描电子显微镜观察样品微观形貌：将平衡水分后冻干糙米饭颗粒掰断,横截面朝上置于样品台并喷镀金膜[8],加速电压5 kV,于3 000 倍放大倍率下采集并保存样品微观形貌照片。
1.3.8 糙米饭色度的测定
蒸煮后米饭冷却至室温,采用色度仪测定色度,每个样品采集3 次,记录L*、a*和b*值。
1.3.9 糙米饭基础营养成分的测定
1.3.9.1 还原糖、总糖含量的测定
还原糖含量采用DNS 法测定;总糖含量采用苯酚-硫酸比色法测定。
1.3.9.2 可溶性蛋白含量的测定
采用考马斯亮蓝比色法进行测定可溶性蛋白含量。
1.3.9.3 γ-氨基丁酸含量的测定
称取5 g 糙米粉,加入25 mL 蒸馏水,30 ℃振荡2 h 后离心取2 mL 上清液,依次加入四硼酸钠缓冲液、6%(体积分数)苯酚、5. 2% (体积分数)次氯酸钠,沸水浴10 min 后冰浴20 min,用60%(体积分数)乙醇定容。 溶液于645 nm 波长下测定吸光度,通过标准曲线计算含量。
1.3.10 糙米饭气味特征的测定
按照1.3.2.2 节方法制备糙米饭,称5 g 米饭于20 mL 样品瓶,37 ℃水浴平衡备用,采用德国PEN3电子鼻检测,其传感器敏感物质见表2。
表2 PEN3 电子鼻传感器敏感物质
Table 2 PEN3 electronic nose sensor sensitive substance
编号传感器敏感物质1 W1C芳烃化合物W5S氮氧化合物3 W3C氨,芳香分子4 W6S氢化物5 2 W5C烯烃,芳族,极性分子6 W1S烷类7 W1W硫化合物8 W2S醇类,部分芳香族化合物9 W2W芳烃化合物、硫的有机化合物10W3S烷类和脂肪族
1.4 数据处理
所有实验重复3 次,结果以“平均值± 标准差”表示,采用SPSS 26 的单因素方差分析(ANOVA)和Duncan 检验(P ＜0.05)进行数据的统计分析,采用Origin 2022 软件绘图。
2 结果与分析
2.1 微发酵糙米乳酸菌菌种的筛选
2.1.1 乳酸菌发酵后糙米饭感官评分
对4 种直投式菌粉发酵糙米的感官品质进行系统评价,针对米粒完整度、滋味气味特性及总体可接受性3 方面,结果如图1 所示,图1-A 表明,发酵处理在维持米粒结构完整的前提下,显著改善糙米组织状态;硬度明显下降、黏弹性提升,色泽由原料暗灰色转变为金黄或浅黄色;图1-B 感官评分表明,Lr 组综合表现最优(88 分),酸味柔和、甜味突出,色泽金黄明亮且弹性最佳;Lc 组酸味尖锐、发酵风味浓郁(82分);Lp 组(77 分)与La 组(78 分)酸度适中,但存在黏牙且米香不足问题;未发酵原料糙米仅具生糠味,口感粗糙、色泽暗淡,整体可接受度低。 上述感官品质差异的核心原因是不同乳酸菌的代谢产物谱存在差异,具体体现为乳酸、胞外多糖、低级脂肪酸及羰基化合物等物质[9]的组成与比例不同,这些成分共同调控糙米的质构、风味与色泽,进而决定样品的整体可接受性。
图1 不同菌种发酵后糙米饭样品状态、感官评分、乳酸含量及pH 值
Fig.1 Sample status, sensory score, lactic acid content, and pH value of brown rice fermented by different strains
注：不同小写字母表示差异显著(P ＜0.05)(下同)。
2.1.2 菌种发酵后糙米饭乳酸含量及pH 值变化
乳酸菌发酵以产酸为核心代谢特征,乳酸生成量与pH 值变化是反映发酵进程的关键指标。 但过度发酵会导致乳酸过量积累、pH 值过低,引发蛋白质沉淀并影响淀粉糊化特性[10],同时产生尖锐酸感与明显后酸化,掩盖其他风味成分,降低产品可接受性,因此适度发酵对平衡酸味、优化风味及质构至关重要。
图1-C 显示,不同菌种发酵糙米饭的乳酸含量存在显著差异(P ＜0.05)：Lr 与Lc 组均超5 000 mg/L,Lp 组为4 591.59 mg/L,La 组最低(3 323.41 mg/L)。Lp 与La 组产酸能力较弱,感官评价中发酵气息不足,表明乳酸含量可作为菌种发酵适应性与效率的核心评价指标。 乳酸生成量上升意味着菌体在糙米基质中成功定殖,能高效降解淀粉与糊精、释放小分子糖及有机酸;适量乳酸不仅可将pH 值降至抑制杂菌的临界范围,还能掩盖糙米固有糠味,形成理想风味,因此监测乳酸水平可准确界定“风味拐点”,为菌种筛选提供量化依据。
发酵可显著降低产品pH 值,4 种菌种发酵后pH值均低于未发酵对照组BR(pH 6.23)：La 与Lr 组最终pH 值分别为4.23 和4.06(相对较高),Lc 组最低(3.79)。 Lc 虽可能具备较强酸耐受能力,但过低pH值导致其口感尖锐、后酸化明显,适口性较差。 Xu 等[11]研究指出,乳酸菌发酵产酸需平衡风味提升与过度酸化抑制,适量乳酸赋予爽口风味,过量则产生刺激酸感并掩盖其他风味,降低可接受性。 综合来看,理想发酵糙米应满足酸度适中、风味协调、质地良好且无明显后酸的特征,在此评价体系下,Lr 组综合品质最优：pH 值适宜(4. 06)、酸味柔和、甜味突出、弹性佳且无后酸问题,感官评分最高。 因此,本研究选定Lr菌种进行后续发酵工艺参数优化。
2.2 Lr 微发酵糙米工艺优化
2.2.1 接菌量
2.2.1.1 不同接菌量下糙米饭的感官评分
如图2-A、图2-B 所示,Lr 接菌量对糙米饭感官品质影响显著：随接菌量增加,感官评分呈先升后降趋势。 接菌量为0. 2% ～0. 4% 时,米粒暗淡、裂纹少、膨胀度低,呈灰黄色且剖面白芯明显,生糠味为主、酸香轻微,发酵气息不显著;滋味酸甜不足,咀嚼粗糙。 接菌量为0.6% 时,籽粒金黄透亮,纵向裂纹均匀、蓬松度最大,横断面白芯消失,米香与乳酸香平衡(无刺鼻酸味);入口微酸回甜,软硬适中、弹性佳、无黏牙感。 接菌量为0.8% ～1.0%时,色泽深暗黄,部分米粒裂口、边缘毛刺多,尖锐酸味突出(掩盖米香);后酸化严重,胞外多糖过度降解导致米饭疏松发干,咀嚼硬度增加、丧失弹性。
图2 Lr 不同接菌量下糙米饭样品状态、感官评分、乳酸含量及pH 值
Fig.2 Sample status, sensory score, lactic acid content, and pH value of brown rice under different inoculation amount of Lr
接菌量主导菌群代谢速率与发酵品质：接菌量过低则发酵延滞期延长,产酸不足且杂菌污染风险升高;接菌量过高则加速菌体衰老自溶,胞内酶释放引发异味与色泽劣变。
2.2.1. 2 不同接菌量下糙米饭乳酸含量及pH 值变化
如图2-C 所示,随Lr 接菌量增加,糙米饭乳酸含量逐步上升、pH 值相应下降：接菌量0. 4% ～0. 6%时,乳酸从568.85 mg/L 增至706.91 mg/L,pH 值由5.92 降至5.52;接菌量升至0.8%时,乳酸显著增至971.02 mg/L,pH 值降至5. 42。 这一变化源于接菌量增加使体系中鼠李糖乳杆菌总量上升,整体产酸能力增强。 但接菌量过高会导致乳酸过度积累、pH 过低,既可能抑制菌体代谢活性(减缓乳酸增长),更会直接影响感官品质;过度酸化产生尖锐酸感,掩盖糙米固有香气并引发后酸化,降低风味协调性与可接受度[12]。 因此,适宜接菌量需平衡适度产酸与感官品质,避免pH 过低导致劣变。
综合感官评分、乳酸含量及pH 值等指标,确定2.7 ×1011 CFU/g 为Lr 发酵糙米的最佳接菌量。 该条件下既保证较高乳酸含量,又有效控制酸感强度,规避过度酸化对风味的负面影响,后续研究将此接菌量固定为工艺优化基础参数。
2.2.2 发酵时间
2.2.2.1 不同发酵时间下糙米饭的感官评分
如图3-A、图3-B 所示,Lr 发酵糙米饭感官评分随发酵时间延长呈先升后降趋势：6 h 时评分最高(未发酵组72 分升至87 分),滋味气味良好,米香与发酵风味平衡;8 h 评分为84 分,发酵酸味加重;10 h降至80 分,酸味显著增加、米香被掩盖,且出现刺激性酒精气息,各组间差异显著(P ＜0.05)。 说明发酵时间直接影响产品乳酸含量与感官风味,时间过短则产酸不足,感官体验不佳;时间过长则产酸过量、易产生刺激性酸味,且增加发酵成本[13]。
图3 Lr 不同发酵时间下糙米饭样品状态、感官评分、乳酸含量及pH 值
Fig.3 Sample status, sensory score, lactic acid content, and pH value of brown rice under different fermentation time of Lr
2.2.2.2 不同发酵时间后糙米饭乳酸含量及pH 值变化
如图3-C 所示,随发酵时间延长,乳酸持续积累：6 h 时乳酸含量达1 569.37 mg/L,较4 h(1 053.21 mg/L)增幅49.01%,增速最显著,相应的pH 值则由4 h 的5.74 显著降至6 h 的5.08,此时Lr 代谢旺盛,产酸适中,结合淀粉降解产物形成“米香浓郁、甜味协调”的特征风味;8 h 时乳酸含量升至1 915.77 mg/L,pH 值降至4.23,酸度超阈值后氢离子浓度升高,酸味掩盖其他风味,代谢由乳酸转向有机酸,发酵进入过渡阶段[14];且强酸性环境导致米粒结构破裂、出现“爆花”现象,超出适宜发酵范围,继续发酵将引发品质劣变。
2.3 微发酵对糙米糊化特性的影响
表3 及图4 是微发酵对糙米糊化特性参数及糊化曲线的影响。 由表3 可知,发酵6 h 后,糙米糊化温度由原样87.22 ℃显著降至76.81 ℃(P ＜0.05),峰值黏度从989.82 cP 升至1 186.72 cP,最低黏度由713.40 cP 增至934.76 cP。 上述变化表明,发酵后糙米淀粉颗粒更易吸水膨胀,可缩短实际蒸煮时间。
图4 微发酵糙米糊化特性曲线
Fig.4 Gelatinization characteristic curve of micro-fermented brown rice
表3 微发酵糙米糊化特性结果
Table 3 Results of pasting properties of micro-fermented brown rice
样品名称糊化温度/℃峰值黏度/cP最低黏度/cP最终黏度/cP衰减值/cP回生值/cP BR87.22 ±0.13a989.82 ±10.48e713.40 ±11.68e1 579.38 ±23.13d276.42 ±2.75b865.98 ±0.50a Lr-2 h86.13 ±0.24b1 248.72 ±28.78a990.12 ±14.79a1 839.43 ±23.50a258.60 ±4.87c849.31 ±0.98b Lr-4 h84.18 ±0.21c1 209.73 ±12.55b962.12 ±11.52b1 779.98 ±28.54b247.61 ±4.80d835.86 ±0.70d Lr-6 h76.81 ±0.19e1 186.72 ±18.41c934.76 ±13.39c1 777.43 ±20.99b286.96 ±2.02a808.04 ±1.50e Lr-8 h83.99 ±0.32d1 151.72 ±22.02d899.76 ±18.16d1 707.80 ±32.01c216.96 ±1.77e842.67 ±2.94c
注：同一列数据上角标字母不同表示差异显著(P ＜0.05)(下同)。
糊化特性的改变与发酵过程中淀粉结构及组成的变化密切相关。 微生物及酶的作用可部分降解淀粉分子,破坏晶体结构并削弱淀粉链间氢键,导致糊化温度降低[15];同时淀粉部分降解使短链淀粉分子溶出增加,增强颗粒吸水膨胀能力,进而提升峰值黏度与最低黏度。 发酵6 h 样品中,回生值降至最低808.04 cP,衰减值升至最高286.96 cP,体现适度微发酵对淀粉结构的调控作用：衰减值升高源于微生物酶解降低支链与直链淀粉分子质量、弱化颗粒结构,导致淀粉糊热稳定性下降;回生值降低则因直链淀粉(回生主要驱动力)经酶解含量相对减少,且支链淀粉降解产生的短链片段阻碍分子重排,抑制重结晶网络形成[16]。 该条件下糙米糊的回生稳定性最佳,老化速率显著减缓,冷却后仍能维持柔软口感,避免过度降解或严重回生导致的适口性下降。
2.4 微发酵对糙米蒸煮特性的影响
表4 所示微发酵对糙米饭蒸煮特性的影响,Lr 接菌量为0.6%时,发酵8 h 糙米饭吸水率达最高298.31%,体积膨胀率同步升至峰值220. 41%,反映发酵显著增强淀粉颗粒溶胀能力与水合作用。 随发酵时间延长,米汤pH 值因乳酸菌代谢有机酸积累逐渐下降,干物质含量与碘蓝值逐步升高,干物质含量高提示蒸煮时更多淀粉及可溶性物质溶出,利于形成柔软饱满质地;碘蓝值上升表明直链淀粉含量或溶出量增加,与米饭黏弹性及口感改善密切相关[17],证实发酵有效提升糙米食味品质与适口性。 从机理上看,发酵通过调控微观结构优化蒸煮特性：一方面,微生物及酶系破坏淀粉晶体结构,削弱蛋白质等组分对水分的阻碍,提高吸水率与膨胀率;另一方面,支链淀粉有限水解生成更多可溶性组分与直链淀粉片段,增加米汤干物质与碘蓝值,促进淀粉充分糊化,形成柔软有弹性的米饭结构[18]。 综上,发酵通过改变淀粉与非淀粉组分的结构及溶出行为,全面提升了糙米的蒸煮品质与食用体验。
表4 微发酵糙米蒸煮特性结果
Table 4 Results of cooking characteristics of micro-fermented brown rice
样品名称吸水率/%体积膨胀率/%米汤pH 值米汤干物质/(mg/g)米汤碘蓝值BR192.20 ±1.09e131.02 ±0.68d7.07 ±0.05a11.13 ±0.43d0.06 ±0.02c Lr-2 h223.65 ±2.20b175.61 ±0.87b6.51 ±0.16b16.67 ±0.27b0.15 ±0.03b Lr-4 h215.67 ±0.90d171.14 ±0.85c5.68 ±0.28c15.67 ±0.35c0.12 ±0.03b Lr-6 h218.58 ±1.00c170.94 ±0.72c6.26 ±0.03b15.17 ±0.15c0.15 ±0.02b Lr-8 h298.31 ±0.72a220.41 ±1.66a5.57 ±0.29c20.53 ±0.23a0.35 ±0.05a
2.5 微发酵对糙米饭质构特性的影响
表5质构特性指标(硬度、弹性、咀嚼性、胶着性、黏着性)反映糙米饭食用品质,其中硬度低、咀嚼性低、弹性高、黏着性高(黏着性负值增大)为正向改善,意味着米饭更柔软、易咀嚼、口感更佳[19]。 随发酵时间延长至8 h,硬度从12.66 N 降至5.28 N,咀嚼性从639.20 降至378.70 均显著降低(P ＜0.05),弹性显著提升(6 h 达峰值0.96 后稳定),黏着性绝对值持续增大(表面黏着性增强)。 发酵通过微生物产纤维素酶降解皮层纤维素,打开吸水通道、促进水分迁移,显著改善质构;6 ～8 h 指标达到理想状态,硬度、咀嚼性和胶着性最低,弹性维持峰值,黏着性显著提升。
表5 微发酵糙米饭质构特性测定结果
Table 5 Determination results of texture characteristics of micro-fermented brown rice
样品名称硬度/N弹性咀嚼性胶着性黏着性/(N·s)BR12.66 ±0.66a0.77 ±0.09b639.20 ±32.94a746.24 ±22.36a-0.002 6 ±0.000 7a Lr-2 h7.87 ±0.40b0.91 ±0.03ab540.66 ±15.30b517.96 ±30.35b-0.006 7 ±0.001 3b Lr-4 h6.75 ±0.48c0.87 ±0.11ab431.94 ±31.36c436.13 ±28.36bc-0.009 2 ±0.000 1b Lr-6 h6.05 ±0.18c0.96 ±0.06a417.35 ±11.16cd395.73 ±50.43c-0.015 7 ±0.002 5c Lr-8 h5.28 ±0.04d0.96 ±0.08a378.70 ±31.42d336.39 ±37.92c-0.025 8 ±0.003 4d
综合来看,6 h 时弹性已达顶峰,硬度与咀嚼性降至理想水平;8 h 时硬度、咀嚼性虽小幅下降,但弹性未提升,且过度黏着性可能影响口感。 因此,6 h发酵可在保证质构提升接近极限的同时,平衡品质与加工效率,避免额外能耗与时间成本。
2.6 微发酵对糙米饭微观结构的影响
图5 可观察到,未发酵糙米表面被纤维素、半纤维素及蛋白质网络紧密包裹,淀粉颗粒不可见。 随发酵时间延长,表面结构显著变化,2 h 时部分糠层脱落,淀粉颗粒局部暴露;4 h 时蛋白质膜进一步降解,颗粒形态(多角形或椭圆形)清晰,结构疏松;6 h 时多数淀粉颗粒完整显露、边缘清晰,微生物代谢产生的酶与有机酸有效破坏皮层结构但未损伤颗粒,既促进水分渗透又保留骨架支撑,避免过度降解导致质地软化,且支链淀粉长链适度酶解、糊化温度降低,蒸煮品质提升[20];8 h 时颗粒粘连、塌陷、边界模糊,结构受损,可能造成营养成分流失。 综上,微发酵处理6 h可在去除糠层、暴露淀粉与维持结构完整性间达成理想平衡,综合优化糙米加工及食用品质。
图5 微发酵糙米饭微观结构的变化
Fig.5 Changes of microstructure of micro-fermented brown rice
2.7 微发酵对糙米饭色度的影响
图6 为微发酵糙米饭色度的测定结果。 由图6-A ～图6-C 可知,发酵后糙米饭L*值提高,6 h 时色泽变化最显著(P ＜0.05),亮度增加;黄蓝度b*值呈先升后降趋势,6 h 达峰值。 色度变化源于发酵酶系选择性降解皮层纤维,脂质与胚乳外露使亮度增大,皮层色素向胚乳及水中转移导致黄度变化[21]。
图6 微发酵糙米饭色度的变化
Fig.6 Color change of micro-fermented brown rice
2.8 微发酵对糙米饭基础营养成分的影响
图7-A 是微发酵对糙米饭还原糖、总糖含量的影响,随发酵时间延长,还原糖含量显著上升(P ＜0.05),总糖含量同步下降(P ＜0. 05),6 h 时变化最显著(4 ～6 h 还原糖由3. 90 mg/g 增至5. 69 mg/g,总糖由56.45 mg/g 降至52.10 mg/g)。 总糖下降与还原糖升高,归因于发酵过程中菌种酶活增强,加速碳水化合物分解转化;4 ～6 h 总糖降幅最大,提示该阶段发酵活性最强,总糖向还原糖转化速率最快。 综上,Lr-6 h 发酵糙米小分子糖储备显著提升,为后续营养强化奠定基础。
图7 微发酵糙米饭基础营养成分的变化
Fig.7 Changes of basic nutrients in micro-fermented brown rice
图7-B 是微发酵对糙米饭可溶性蛋白含量、γ-氨基丁酸含量的影响,6 h 内二者同步显著提升,可溶性蛋白含量由22.56 mg/g 增至33.60 mg/g,γ-氨基丁酸含量由18. 37 μg/kg 增至45. 41 μg/kg(提升2.5 倍)。 可溶性蛋白增加源于蛋白酶系将大分子蛋白水解为易吸收肽及氨基酸;γ-氨基丁酸富集则因6 h时谷氨酸脱羧酶活性达峰值,促进谷氨酸高效转化[22]。 6 h 后酶活下降,γ-氨基丁酸增速趋缓,菌体进入衰亡期,与Liu 等[23]研究一致。 综上,发酵6 h 为糙米营养品质提升关键节点,小分子糖、可溶性蛋白及γ-氨基丁酸均达最高水平,适用于高营养糙米食品生产。
2.9 微发酵对糙米饭感官评价的影响
如图8 所示,糙米饭感官综合得分随发酵时间延长呈先升后降趋势：BR 组72 分,发酵2 h 升至74分,发酵4 h 达79 分,发酵6 h 达峰值87 分(各组最高,感官指标最优),8 h 降至83 分仍显著高于BR 组(P ＜0.05)。 其气味在发酵6 h 时达18 分(与BR 组持平且最高),8 h 时降至17 分(或与酸味增强相关);外观结构由14 分逐步提升至发酵6 h 的18 分,发酵8 h 保持稳定;适口性于发酵6 h 达18 分(显著高于初始13 分,与质构软化结果一致);滋味、组织状态于发酵6 h 分别达16 分、17 分(均为较高水平)。 程鑫等[18]研究亦证实,发酵周期并非越长越好,短时发酵可显著改善糙米感官与质构,优化其感官及营养表现。 综上,发酵6 h 为感官品质最佳时间点,整体接受度最高。
图8 微发酵糙米饭感官评价图
Fig.8 Sensory evaluation chart of micro-fermented brown rice
2.10 微发酵对糙米饭气味特征的影响
为鉴别微发酵对糙米饭气味的影响,采用PEN3型电子鼻结合数学分析快速检测挥发性气体。 由图9-A 可知,主成分一、二方差贡献率分别为74.9%、18.4%,累计超80%,数据能良好反映样本整体特征;发酵2、4、8 h 样品得分图区域重叠,发酵6 h 样品与原料糙米均与其他处理区分显著。
图9 微发酵糙米饭电子鼻得分图和电子鼻雷达图
Fig.9 Micro-fermented brown rice electronic nose score chart and electronic nose radar chart
图9-B 为微发酵糙米饭电子鼻雷达图,与未发酵样品相比图谱趋势及形状差异显著,表明发酵可系统性改变其挥发性气味特征。 W1C、W3C、W6S、W5C、W3S 传感器响应值波动极小(P ＜0.05),发酵时间对芳烃、氢化物等对应物质无显著影响;W5S、W1S、W1W、W2S、W2W 传感器响应值先升后降,6 h 达峰值,8 h 回落,提示烷烃、醇类及部分芳香族化合物含量在此时间点达到最高,该趋势与图8 一致。 主要原因在于糙米麸皮中醛、酮等香味前体经微生物持续消耗或转化,6 h 后含量下降,同时微生物代谢生成新挥发性化合物,使发酵糙米气味谱更复杂[24]。 综上,发酵6 h 是糙米关键香味物质释放拐点,若将发酵时间延长至8 h,会因风味物质的消耗效应导致其特征响应减弱。
综合感官、质构、糊化、蒸煮、微观结构、色度、营养及风味8 项指标的变化规律,本研究最终确定鼠李糖乳杆菌微发酵绥粳18 糙米的最适时间为6 h。
3 结论
本研究以绥粳18 糙米为原料,采用乳酸菌发酵技术解决糙米口感坚硬、蒸煮性差及风味不足等问题,以提升其食用与营养品质。 研究证实,采用优选出的Lr 在2.7 ×1011 CFU/g 接菌量、37 ℃条件下发酵6 h,可同步实现预期目标。 该处理使感官评分由原料组的72 分显著提高至87 分,硬度降低52%,蒸煮吸水率增加26%,表明食用品质得到实质性改善。同时,发酵促使γ-氨基丁酸含量提升2.5 倍,可溶性蛋白含量增加49%,乳酸积累达1 569.37 mg/L,pH 值降至5.08,实现了营养与风味协同强化。 综合以上,本研究认为,微发酵技术可明显改善糙米食用品质及风味特性,其主要是基于适度的乳酸积累可有效软化糙米的质构;部分降解或损伤皮层纤维素,从而促进了水分渗透;另外,微生物代谢在富集益生物质的同时,也使烷烃、醇类及部分芳香族化合物形成了独特而协调的挥发性风味。 该工艺为实现糙米的主食化与工业化生产提供了可靠的参数与理论支撑。
[1] Huang J J, Zhang M, Mujumdar A S, et al. Improvement of 3D printing age-friendly brown rice food on rough texture, swallowability, and in vitro digestibility using fermentation properties of different probiotics[J]. Food Chemistry, 2024, 460：140701.
[2] Zhang D Q, Ye Y J, Wang L Y, et al. Nutrition and sensory evaluation of solid-state fermented brown rice based on cluster and principal component analysis[J]. Foods, 2022, 11(11)：1560.
[3] 李金玲, 冷海静, 曹荣安, 等. 碾磨精度对糙米营养及食用品质的影响[J]. 食品工业科技, 2025, 46(8)：85 -94.Li J L, Leng H J, Cao R A, et al. Effect of degree of milling on the nutrition and eating quality of brown rice[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(8)：85 -94.
[4] Zhang C L, Xia X D, Li B M, et al. Disinfection efficacy of electrolyzed oxidizing water on brown rice soaking and germination[J].Food Control, 2018, 89：38 -45.
[5] Ayyadurai G, Nandhakumar R, Ramesh R D, et al. Beneficial role of fermented rice in healthy lifestyle[J]. International Journal of Multidisciplinary Research and Growth Evaluation, 2022, 3(2)：314 -316.
[6] 陈妍婕, 朱力杰, 何余堂, 等. 四种乳酸杆菌在全谷物糙米乳中发酵特性的研究[J]. 食品工业科技, 2016, 37(11)：179 -184; 194.Chen Y J, Zhu L J, He Y T, et al. Study on the fermentating characteristics of four LAB in whole grain made from brown rice milk[J].Science and Technology of Food Industry,2016,37(11)：179 -184;194.
[7] Pino A, Nicosia F D, Agolino G, et al. Formulation of germinated brown rice fermented products functionalized by probiotics[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2022, 80：103076.
[8] Ma Z Q, Zhang N, Zhai X T, et al. Structural, physicochemical and functional properties of dietary fiber from brown rice products treated by different processing techniques [ J]. LWT, 2023,182：114789.
[9] Mo W L, Peng Y J, Guan C M, et al. Effects of different fermentation processes on cooking and eating quality of brown rice noodles[J]. LWT, 2024, 208：116706.
[10] Dou X L, Ren X Y, Zheng Q M, et al. Effects of lactic acid bacteria fermentation on the physicochemical properties of rice flour and rice starch and on the anti-staling of rice bread[J]. Foods,2023, 12(20)：3818.
[11] Xu Y, Jin Y M, Su J J, et al. Changes in the nutritional value,flavor, and antioxidant activity of brown glutinous rice during fermentation[J]. Food Bioscience, 2021, 43：101273.
[12] Tian X J, Chen H, Liu H, et al. Recent advances in lactic acid production by lactic acid bacteria[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2021, 193(12)：4151 -4171.
[13] Gänzle M G. Lactic metabolism revisited：metabolism of lactic acid bacteria in food fermentations and food spoilage[J]. Current Opinion in Food Science, 2015, 2：106 -117.
[14] Mendes Ferreira A, Mendes-Faia A. The role of yeasts and lactic acid bacteria on the metabolism of organic acids during winemaking[J]. Foods, 2020, 9(9)：1231.
[15] Tu Y, Huang S X, Chi C D, et al. Digestibility and structure changes of rice starch following co-fermentation of yeast and Lactobacillus strains[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 184：530 -537.
[16] Luo D L, Li Y, Xu B C, et al. Effects of inulin with different degree of polymerization on gelatinization and retrogradation of wheat starch[J]. Food Chemistry, 2017, 229：35 -43.
[17] 李亚, 李健雄, 张名位, 等. 华南地区主栽籼型糙米食用品质比较分析[J]. 中国粮油学报, 2023, 38(8)：58 -66.Li Y, Li J X, Zhang M W, et al. Comparison and analysis of edible quality of indica brown rice mainly cultivated in South China[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2023,38(8)：58 -66.
[18] 程鑫, 李永富, 史锋, 等. 乳酸菌发酵对糙米蒸煮性能和食用品质的影响[J]. 中国粮油学报, 2018, 33(5)：1 -7.Cheng X, Li Y F, Shi F, et al. Effect of lactic acid bacteria fermentation on cooking performance and edible quality of brown rice[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2018,33(5)：1 -7.
[19] 战旭梅, 郑铁松, 陶锦鸿. 质构仪在大米品质评价中的应用研究[J]. 食品科学, 2007, 28(9)：62 -65.Zhan X M, Zheng T S, Tao J H. Study on application of texture analyzer in quality evaluation of rice[J]. Food Science, 2007, 28(9)：62 -65.
[20] Zhou Z K, Robards K, Helliwell S, et al. Effect of storage temperature on cooking behaviour of rice[J]. Food Chemistry, 2007,105(2)：491 -497.
[21] 马铃铃, 蔺泽雪, 李江南, 等. 复合菌种发酵对糙米饭口感和营养特性的影响[J]. 中国食品学报, 2024, 24(11)：197-208.Ma L L, Lin Z X, Li J N, et al. Effect of fermentation with complex strains on the taste and nutritional properties of cooked brown rice[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2024, 24(11)：197 -208.
[22] Pannerchelvan S, Rios-Solis L, Faizal Wong F W, et al. Strategies for improvement of gamma-aminobutyric acid (GABA) biosynthesis via lactic acid bacteria (LAB) fermentation[J]. Food & Function, 2023, 14(9)：3929 -3948.
[23] Liu H, Liu D Y, Zhang C C, et al. Whole-genome analysis, evaluation and regulation of in vitro and in vivo GABA production from Levilactobacillus brevis YSJ3[J]. International Journal of Food Microbiology, 2024, 421：110787.
[24] Wei S W, Wang N J, Huang X Q, et al. Effect of germination on the quality characteristics and volatile compounds of fermented brown rice cake[J]. Food Bioscience, 2022, 50：102165.