随着人们愈加注重日常饮食健康,全谷物作为比精制谷物更优的主食原料已经成为首选。全谷物可以提供碳水化合物,富含膳食纤维、B族维生素等营养素[1]。燕麦作为最具代表性的全谷物之一,除上述特点外,不仅含有丰富蛋白质与不饱和脂肪酸,而且其特有的可溶性膳食纤维β-葡聚糖也是公认的控糖降脂功能因子[2]。这使燕麦成为很多全谷物食品的理想原料,而燕麦饮品则成为近年来最受欢迎的植物蛋白饮品之一。目前主流工艺是采用多种酶将燕麦粉酶解为葡萄糖等可溶性成分后,经过滤、均质等操作制得口感更顺滑的燕麦饮品。也有研究将燕麦与其他谷物如大豆、花生等进行复配以提升其饮品营养价值[3]。然而,这些方法多采用过滤,虽改善了燕麦饮品贮藏期间容易分层的问题,却导致了燕麦中蛋白质、淀粉和膳食纤维等不溶性营养组分流失[4]。大量研究表明,发芽[5]、发酵[6]可改善植物基饮品的风味及稳定性,延长保质期。因此,发酵作为丰富燕麦饮品营养价值的加工方式备受关注。

植物基发酵乳是指以植物本身为原料,通过浸泡、磨浆、过滤、杀菌、发酵等工艺,降低其pH值加工所制得[7]。虽发酵技术可以提升植物基饮品的营养价值,却面临专用菌株缺乏、发酵效率低的问题。如何运用发酵技术制备完整保留燕麦麸皮等全谷物组分的饮品更具挑战性。因为燕麦麸皮韧性高难粉碎,可利用碳源较少,同时,β-葡聚糖作为一种黏性多糖,有增稠作用,这使燕麦具有更大的抗应力性和黏弹性,增大了粉碎难度,影响了发酵菌的利用率。因此,提升燕麦全组分发酵效率,增强燕麦饮品贮藏期间稳定性是当前全燕麦发酵饮品的首要难题。

高压射流技术是一种通过压差使得颗粒粉碎的新型加工技术,适用于全谷物湿法粉碎,可以高度破碎液态基质中的固体颗粒[8]。在均质过程中可很大程度降低大分子粒径,对较难处理的膳食纤维也有较好破碎效果[9],具有稳定性高、生产效率高、营养流失少等优点,为全谷物饮品加工技术提供了新思路。本文从粒径均匀及发酵效率提升两方面,探究了高压射流处理对燕麦发酵饮品品质改良的作用,为全燕麦发酵饮品加工提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

燕麦米,十月稻田集团股份有限公司;α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶,上海源叶生物科技有限公司;发酵菌种ST-15,中国农业大学营养与健康系实验室;β-葡聚糖检测试剂盒,爱尔兰Magazyme公司;其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FI-11A超微粉碎机、FG-2018湿法粉碎机、FJ-3037D高压射流磨,北京协同创新研究院;DFY-1000D多功能粉碎机,广东省佛山三的电器制造有限公司;UV2800A紫外可见分光光度计,上海尤尼柯仪器有限公司;ZWY-2102C恒温培养箱,江苏无锡太初电子科技有限公司;Mastersizer 3000激光衍射粒度分析仪,英国伍斯特马尔文仪器有限公司;SevenCompact S210 pH计,上海梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;DV-1数字式旋转黏度计,上海越平科学仪器有限公司;4800 Perten快速黏度分析仪,北京波通瑞华科学仪器有限公司;CR400色差仪,广东省佛山翁开尔有限公司;DSC25差示扫描量热分析仪,美国纽卡斯尔TA公司;1627-TW-0103多重光散射仪,法国图卢兹Formulaction仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 高压射流磨湿法制浆

燕麦籽粒与水以质量比1∶9混合,放入粉碎装置系统,整籽粒先经过胶体磨粗磨,再经高压射流磨细磨,压力设置40、80、120 MPa。制得不同处理压力的高压射流全燕麦生浆,分别命名湿法细浆-40 MPa、湿法细浆-80 MPa、湿法细浆-120 MPa。

1.3.2 超微粉碎干法制浆

干法制浆方法参考严莎莎等[10]的方法。采用多功能粉碎机制备燕麦粗粉,气流冲击式超微粉碎机制备燕麦细粉,二者均不筛分收集燕麦全粉。将燕麦全粉与水以质量比1∶9的比例混合后即为全燕麦生浆,制得燕麦粗粉与水混合的干法粗浆和燕麦细粉与水混合的干法细浆。

1.3.3 全燕麦发酵饮品的制备

全燕麦生浆100 ℃水浴加热20 min使其充分糊化,获得全燕麦熟浆。全燕麦熟浆冷却至65 ℃后加入0.1% α-淀粉酶和0.3%葡萄糖苷酶(均为质量分数),酶解20 min。酶解结束后115 ℃、15 min灭酶,3 000 r/min离心15 min获得燕麦酶解液。将高温的燕麦酶解液和全燕麦熟浆按1∶5(质量比)直接在100 ℃水浴混合10 min,冷却至40 ℃接种0.1%唾液链球菌嗜热亚种ST-15[11],42 ℃恒温发酵16 h,4 ℃后熟24 h制得全燕麦发酵饮品。采用pH计和可滴定酸度法[12]测定其pH值和酸度值。通过pH值和酸度值变化反映全燕麦发酵饮品的发酵效率。未灭酶全燕麦发酵饮品除酶解液不灭酶外,其余步骤与全燕麦发酵饮品相同。

1.3.4 粒径分布的测定

采用激光衍射粒度分析仪测定全燕麦生浆和全燕麦发酵饮品的粒径分布,参数为颗粒折射率1.590,吸收率0.001,分散系为蒸馏水,分散剂折射率为1.330。以D[4,3]值为平均粒径指标。

1.3.5 热力学特性的测定

将全燕麦生浆用冻干机冻干,制得全燕麦生浆冻干粉。采用差示扫描量热分析仪测定其热力学特性。称取3 mg冻干粉于坩埚盒中,加入9 mg去离子水,密封后于4 ℃下平衡24 h,升温范围20～200 ℃,升温速率10 ℃/min。

1.3.6 全燕麦发酵饮品发酵工艺的优化

按照1.3.3节中发酵步骤制备全燕麦发酵饮品,参考XU等[13]的发酵参数,以不同发酵温度(37、42、47 ℃)、发酵时间(12、16、20 h)、接种量(0.05%、0.1%、0.5%)进行单因素试验,以酸度值为指标,确定发酵最佳条件。

1.3.7 贮藏稳定性测定

按照最优工艺制作全燕麦发酵饮品并置于稳定性分析管中4 ℃静置贮藏。分别在第0、1、3、5、14天采用多重光散射仪进行测定。测定时间12 h,扫描温度25 ℃,扫描间隔10 min,测得不稳定指数。

1.3.8 色度测定

采用手持色差仪测定上述贮藏期间的全燕麦发酵饮品色度变化。测定过程中,保证测量口径距离饮品表面高度一致。记录L*、a*、b*值,据此计算白度值[14]。每组测定重复3次取平均值。

1.3.9 流变特性的测定

测定上述贮藏期间的全燕麦发酵饮品流变特性变化,取定量样品混匀后进行流变性质检测。使用流变仪测量其表观黏度,按照NING等[15]的方法进行测定并稍作修改。测定温度25 ℃,测量间隙1 000 μm,平板直径40 mm,在0.1～100 s-1的剪切速率下测量样品表观黏度随剪切速率变化曲线。使用振荡模式以恒定频率(1 Hz)的应变扫描来确定线性黏弹性区域。此后,在0.5%应变力及0.1～100 Hz的频率扫描,获得动态剪切数据,该频率扫描处于由应变扫描测试确定的线性黏弹性区域,采用储能模量(G′),损耗模量(G″)和tanδ=G″/G′表示流变特性。

1.4 数据统计与分析

所有实验结果表示为“平均值±标准差”,使用单因素方差Duncan法分析数据(SPSS 22.0,P<0.05),采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同粉碎方式对全燕麦生浆及燕麦发酵饮品粒径的影响

饮品粒径分布与产品稳定性和口感相关,粒径越小越利于饮品稳定,口感更加细腻。由Stocks定律可知,粒子自然沉降或上浮的速度与粒子半径的平方和两相间的比重差成正比,所以粒径的大小及其分布也是稳定性的重要指标[16]。采用本研究湿法制浆制得全燕麦生浆粒径分布曲线只有1个峰,而干法制浆出现2个峰,这表明湿法比干法制浆制得的全燕麦生浆粒度更均匀(图1-a)。干法粗浆、干法细浆及湿法细浆-40 MPa制得的全燕麦发酵饮品均有2个峰,而湿法细浆-80 MPa和-120 MPa只有1个峰,这也说明80 MPa以上的高压射流处理可以使全燕麦发酵饮品粒径更细、更均匀(图1-b)。

全燕麦生浆及全燕麦发酵饮品粒径分布结果显示,干法粗浆和干法细浆制得全燕麦生浆的平均粒径D[4,3]分别为105.00、51.53 μm,湿法制浆的平均粒径随着粒径压力升高而降低,120 MPa最低为21.33 μm,且湿法制浆粒径均小于干法制浆(P<0.05)(表1)。高压射流制备的全燕麦发酵饮品平均粒径D[4,3]也显示出120 MPa最低为28.21 μm,显著低于干法制浆(P<0.05)。Dx(90)能够反映粒径分布的均匀性,干法粗浆制得的全燕麦生浆Dx(90)是干法细浆或湿法细浆的4～5倍(P<0.05),无论是干法还是湿法细浆Dx(90)均<68.41 μm,说明颗粒大部分都很细。但随后制成的发酵饮品干法细浆和湿法细浆-40 MPa的Dx(90)却增加至生浆的6倍(P<0.05),而80 MPa以上高压射流处理的燕麦发酵饮品与生浆Dx(90)虽有差异但变化趋势较小。这说明高压射流压力达到80 MPa以上可在生浆制成饮品熟化发酵的过程中有效避免颗粒团聚,使得粒径降低至利于饮品稳定的范围,湿法超微粉碎比干法超微粉碎更利于保持发酵饮品细颗粒的均匀分布。已有报道高压射流处理糙米和燕麦米也发现随着处理压力增大,全谷物浓浆粒径越小[17];高压射流处理使得香菇浆平均粒径随压力增大而减小[18]。这些与本研究结果一致,但对于发酵饮品的粒径变化未见报道。

2.2 不同粉碎方式对全燕麦生浆热力学特性的影响

糊化焓ΔH值反映了淀粉糊化过程中破坏双螺旋结构所需的能量[19]。与干法粗浆相比,干法细浆的糊化焓显著降低至1 383.7 J/g(P<0.05),这表明粒径降低会破坏淀粉原有的网络结构(表2)。高压射流40、80 MPa制备的湿法细浆糊化焓进一步降低(P<0.05),但当压力达到120 MPa时,糊化焓升至比干法细浆高(P<0.05)。这说明湿法细浆处理对淀粉原有结构造成的破坏比干法细浆严重,且破坏程度随处理压力增大而增大。但当压力更高时,淀粉可能出现重排,形成新的稳定结晶结构。有研究发现处理压力为100～300 MPa会导致燕麦淀粉颗粒重排,形成新的网络结构[20],进而提高淀粉热稳定性[21]。

糊化温度范围反映淀粉分子内部的微晶结构及结晶程度,值越大表示结晶程度越大,晶体结构越完整[20]。从表2发现,高压射流提高了糊化温度,但压力达到120 MPa时糊化温度反而降低(P<0.05),进一步说明,虽然高压射流粉碎破坏了淀粉颗粒结构,使其更易溶胀黏连发生糊化,但当压力更高时,淀粉分子重排,新的结晶结构不易糊化。这与已有研究报道的超高压处理燕麦淀粉热力学特性变化趋势相同,但其处理压力达到300 MPa以上才有效果[19]。可见,本研究采用工业化中试高压射流磨处理燕麦整籽粒,效果非常显著,可能通过淀粉分子结构重排增加燕麦发酵饮品贮藏期间热稳定性。

2.3 不同处理方式对发酵燕麦饮品发酵效率的影响

粒径分布和热力学特性结果均表明湿法细浆-120 MPa更适于维持全燕麦发酵饮品体系稳定性,故保留此条件开展后续湿法细浆实验。为实现无添加糖全燕麦发酵饮品生产,本研究采用酶解技术,制备燕麦酶解液提供发酵所需碳源。湿法细浆酶解液制得的发酵饮品pH值显著低于干法细浆酶解液(图2-a),酸度高于干法细浆酶解液(P<0.05)(图2-b),说明湿法细浆酶解液更适于发酵。添加湿法细浆酶解液的饮品中干法粗浆和干法细浆发酵效率高于湿法细浆,这可能归因于120 MPa极细粒径下淀粉重结晶阻碍了糖的发酵利用。

为明确发酵饮品的制备条件,采用不同发酵温度接种0.1%的唾液链球菌嗜热亚种ST-15、发酵16 h后,随着温度从37 ℃升至47 ℃,发酵饮品pH值呈先降后升趋势,在42 ℃时最低为3.66(图2-c);酸度则先升后降(P<0.05),在42 ℃时最高为74.03 °T(图2-d),这说明42 ℃菌的代谢活动最旺盛,发酵效率最高,温度更高或更低都不适宜菌生长,从而降低发酵效率。42 ℃发酵不同时间发现,发酵饮品pH值随发酵时间增加而降低(P<0.05)(图2-e),酸度随发酵时间的增加而增加(P<0.05)(图2-f),这说明发酵时间越长,产生的酸性物质越多。由于植物基酸奶推荐酸度为70 °T以上[11],发酵16 h最优。此时干法细浆和湿法细浆的酸度分别为74.03、56.47 °T(P<0.05)。随着接种量的增加,全燕麦发酵饮品pH值先降后升(图2-g),酸度则随之增加(P<0.05),在0.1%达到最适为74.03 °T(图2-h),这可能由于0.5%接种量过大,营养物质不足,无法满足菌体同步生长的需求,导致菌自溶释放碱性物质,促使pH值一定程度上升,但发酵饮品的酸性物质仍然大量积累,导致酸度增加。因此,全燕麦发酵饮品接种0.1% ST-15菌在42 ℃发酵16 h时发酵效率最高。

2.4 全燕麦发酵饮品贮藏期间的不稳定指数变化

全燕麦发酵饮品贮藏期间的稳定性可以为产品的工业化生产提供理论依据。本研究采用不稳定指数反映全燕麦发酵饮品在贮藏期间稳定性的变化。不稳定指数越大,稳定性越差[22]。未灭酶酶解液制作的全燕麦发酵饮品在贮藏0、14 d的不稳定指数都显著高于酶解液发酵饮品(图3-a和图3-b);不经过灭酶处理的干法粗浆在0 d不稳定指数最高,湿法细浆最低(图3-a),而贮藏14 d后干法细浆不稳定指数反而最高,湿法细浆最低(图3-b);虽然贮藏增强了不稳定性,但湿法细浆的变化远小于其他2种方式。这表明未灭酶处理导致饮品稳定性变差,而且湿法比干法制浆更利于发酵饮品贮藏期间的稳定。

经过灭酶处理制得的全燕麦发酵饮品,干法粗浆比干法细浆稳定性好(图3-c),湿法细浆稳定性最好,这可能因为干法细浆粒径太小导致颗粒团聚,固形物重力大于浮力生成沉淀。饮品贮藏14 d后,不稳定指数干法细浆小于干法粗浆(图3-d),这表明降低粒径可以增加稳定性;湿法细浆不稳定指数最小,稳定性最好,这说明湿法制浆能够减轻全燕麦发酵饮品分层程度,增加稳定性。舒志成等[23]研究结果也表明高压射流能大幅提升全豆乳货架期稳定性。

2.5 全燕麦发酵饮品贮藏期间的理化性质变化

pH值和酸度是决定发酵饮品品质的关键因素,对食用品质具有重要意义。干法细浆制得的全燕麦发酵饮品比干法粗浆的pH值低,酸度高(P<0.05)(表3),这表明粒径降低可以提高发酵效率。但120 MPa湿法细浆的酸度却低于干法细浆(P<0.05),这说明极细颗粒的湿法细浆发酵效率低于干法细浆,这可能是由于极细粒径下淀粉重结晶阻碍了糖的发酵利用,降低了发酵效率。这与120 MPa过高压力湿法酶解液的酶解效率下降结果一致(图2-a和图2-b)。而淀粉重结晶与其流变特性密切相关,因此对饮品贮藏期间的流变特性进行检测。同时全燕麦发酵饮品在贮藏期间酸度随时间延长而升高(P<0.05),这表明发酵进程增加了酸性物质产生,这与牛乳酸奶后熟酸度增加研究结果一致[24]。

色泽均匀,质地细腻的饮品更容易被接受。由表3可知,干法细浆的全燕麦发酵饮品色泽比湿法细浆低(P<0.05),这可能是熟化高温促使燕麦籽粒发生焦糖化反应,生成深色产物。随着贮藏时间延长,全燕麦发酵饮品白度逐渐降低(P<0.05)。已有研究结果表明植物基酸奶在贮藏期间由于氧化可能产生褐变,影响产品感官品质[25]。

2.6 全燕麦发酵饮品贮藏期间的流变特性变化

流变特性反映了全燕麦发酵饮品在外力作用下的流动和变形特性,与其内部结构密切相关,常用于衡量饮品质地与口感。贮藏期间全燕麦发酵饮品的表观黏度随剪切速率增加均出现了较为明显的剪切稀化现象。随着贮藏时间的增加干法粗浆(图4-a)、干法细浆(图4-b)、湿法细浆(图4-c)制作的全燕麦发酵饮品起始黏度逐渐上升,这可归因于贮藏期间淀粉、蛋白等大分子物质通过氢键相互作用,增强了混合体系凝胶网络结构[22]。这也进一步验证了上述贮藏期间湿法细浆发酵效率低于干法细浆的结果。干法细浆起始黏度在初始剪切速率下高于干法粗浆(图4-d),这可能是粒径降低增加了可溶物溶出,导致干法细浆起始黏度升高。湿法细浆起始黏度在初始剪切速率下低于干法粗浆,这是因为在强机械力作用下淀粉结构变化,影响了淀粉糊化,大幅降低了黏度。全燕麦发酵饮品G′值(图4-e)比G″(图4-f)值高,扫描频率越大G′值和G″值越高,这表明所有全燕麦发酵饮品均以弹性性质为主,表现出固体特征。这是淀粉糊化后,老化过程的典型特征。所有全燕麦发酵饮品tanδ值均小于1(图4-g),且随着扫描频率增大,符合弱凝胶的动态流变学特征。

3 结论

综上所述,相较于传统制粉再制浆的方法,高压射流制浆促使全燕麦生浆平均粒径降低至少3倍,制得发酵饮品的粒径也更细腻均匀。热力学特性结果表明,高压射流破坏了淀粉网络结构,且压力越大破坏程度越大;但过高高压对淀粉有韧化作用,可提高淀粉的稳定性。本研究明确了接种0.1%唾液链球菌嗜热亚种ST-15在42 ℃发酵16 h时,制得全燕麦发酵饮品品质最佳,经14 d贮藏后酸度增加,白度降低。湿法制浆的发酵饮品酸度和白度均低于干法粗浆和干法细浆,不稳定指数也最低,即稳定性最好,这说明高压射流可以提高全燕麦发酵饮品的稳定性,减轻分层程度,使饮品更加均一,有效改善了贮藏稳定性。

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Effect of industry-scale microfluidizer system on storage stability of fermented oat beverage

WU Xinzhu1,WANG Jialin1,WANG Ran2,ZHANG Hao2,REN Changzhong3,GUO Laichun3,ZHOU Zhongkai1,QIU Ju2*

1(College of Food Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)2(Department of Nutrition and Health, China Agricultural University, Beijing 100091, China)3(Baicheng Academy of Agricultural Sciences, Baicheng 137099, China)

ABSTRACT Oat beverages are becoming popular due to their high content of functional compounds such as β-glucan, as well as their friendliness towards lactose intolerance and milk protein allergy.However, the stabilization for the whole oat pulp has become a challenge due to its precipitation of insoluble components such as starch.An industry-scale microfluidizer system (ISMS) was used to improve the storage stability of fermented oat beverage by regulating the particle size of pulp made with the whole oat grains.The results showed that the average particle size of the whole oat pulp treated by the ISMS was decreased by 66.9%-79.9% compared to dry coarse pulp group.The thermal stability decreased with a decrease in particle size, reaching the lowest level of ΔH (1 184.4 J/g) at the ISMS pressure of 80 MPa, but then increased again to 1 491.6 J/g when the ISMS pressure was 120 MPa.During the storage, the acidity of 120 MPa fermented oat beverage reached 74.20 °T, while the lowest instability index and the highest viscosity were also obtained after 14 d storage.It indicated that ISMS enhanced the stability of the fermented oat beverage during storage.These findings provide reference for the application of oats in plant-based yogurt.

Key words industry-scale microfluidizer;whole oat pulp;fermented oat beverage;storage stability

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.042658

引用格式：吴心竹,王佳霖,王然,等.高压射流处理对全燕麦发酵饮品贮藏稳定性的影响[J].食品与发酵工业,2026,52(3):206-213.WU Xinzhu,WANG Jialin,WANG Ran, et al.Effect of industry-scale microfluidizer system on storage stability of fermented oat beverage[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(3):206-213.

第一作者：硕士研究生(仇菊副教授为通信作者,E-mail:qiuju@cau.edu.cn)

基金项目：国家现代农业燕麦荞麦产业技术体系(CARS-07-E-4)

收稿日期：2025-03-08,改回日期:2025-06-01