大米乳酸发酵饮料的研究进展

2016年第12期

摘要：大米经乳酸菌发酵可改善和提高有效营养成分，产品还带有大米的米香味，符合现代社会人们的需求，是大米深加工的新方向。通过介绍大米乳酸发酵饮料在生产工艺技术研究、

开发、应用方面的现状，对大米乳酸发酵饮料生产中存在的问题提出了相应解决措施，并分析了谷物乳酸饮料的发展前景和方向。关键词：大米；乳酸发酵饮料；加工工艺；菌种筛选；发展前景中图分类号：TS275.4文献标志码：Aｄｏｉ：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.12.021

ResearchStatusofRiceLacticAcidFermentationBeverageZHOUMinsheng，YUANChao，LUZhifang（SchoolofBiotechnologyandFood，AnyangInstituteofTechnology，Anyang，He'nan455000，China）Abstract：Fermentingricewithlacticacidbacteriathatcanimproveandincreasetheavailabilityofricenutrientcomposition，makesriceproducthasricefragrance，meetstheneedsofpeopleinmodernsociety.Thisisanewdirectionforriceprocessing.Statusoftheresearch，developmentandapplicationonproductiontechnologyofricelacticacidfermentationbeverageareintroducedinthispaper，andthesolutionscorrespondingtoproblemsthatexistduringtheproductionofricelacticacidbacteriafermentedbeveragearegiven，finallytheprospectanddirectionofdevelopmentongrainlacticacidbacteriafermentedbeverageareanalyzed.Keywords：rice；lacticacidbacteriafermentedbeverage；processtechnology；strainscreening；prospects

我国是世界上最大的大米生产国，2014年大米产量达14450×104t，占全球产量的30.2%（USDA数据）。但是，我国大米加工技术比较落后，主要有大米淀粉、米蛋白、米酒等制备，结果导致我国稻谷加工前后产值比仅为1∶1.2，远低于发达国家的1∶3，从而严重制约了我国稻米产业的进一步发展。同时，随着生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对天然、绿色、健康、方便食品的需求越来越迫切。大米乳酸发酵饮料以稻米为加工基础，经微生物作用使其有效营养成分改善和提高[1-2]，同时产品还可带有大米的米香味，符合现代社会人们的需求。大米乳酸菌发酵可以较大地提高原料的利用率，是大米深加工发展的新方向，且大米液态化成为饮料可丰富食品市场，在创造更多经济价值的同时，使稻米产业走向更加良性循环的道路。１大米乳酸发酵饮料的工艺研究现状1.1原料的选用粳米，颜色蜡白，呈透明或半透明，质地硬而有韧性，煮后黏性和油性均较大，常被用作原料进行乳酸发酵饮料的生产[3]。生产中，稻谷粗加工去掉壳而保留了米糠层和胚芽。米糠层的保留不仅保留了人体所必需的不饱和脂肪酸，同时增加了膳食纤维的含量，丰富了乳酸饮料的口感，降低了滑腻的感觉[4]。以糯米、籼米为原料进行乳酸发酵饮料的研究已有报道。将大米与其他谷物或豆类、蔬菜、果品[5-6]、乳品使用，可以增加产品的种类、营养和新颖性[7]，因此有关这方面的研究近来也不少。目前，已有研究利用大米加工的副产品———米皮[8]和米糠[9]生产乳酸发酵饮料，不仅可以增加稻谷利用率，还可降低生产成本。1.2乳酸发酵的糖化乳酸发酵中乳酸菌可直接利用的是单糖和部分二糖，因此生产中需要经淀粉酶水解作用将由葡萄糖连接而成的高分子化合物淀粉转化为糊精，再经糖化酶糖化生成部分葡萄糖的糖化工序[10]。大米乳酸发酵饮料的糖化需要考虑温度、糖化酶、麦芽汁。温度过高会使得糖化酶失活，且可能产生其他副产物；温度过低则会影响糖化的效率，延长糖化时间，且糖化不彻底，造成糊精等成分留存。糖化酶添加大米乳酸发酵饮料的研究进展

周民生，袁超，路志芳（安阳工学院生物与食品工程学院，河南安阳455000）

收稿日期：2016-10-19作者简介：周民生（1975—），男，博士，讲师，研究方向为农产品加工新技术。文章编号：1671-9646（2016）12a-0075-04第12期（总第421期）农产品加工No.122016年12月FarmProductsProcessingDec.农产品加工2016年第12期量与糖化时间长短也有密切的关联，增加糖化酶的添加量会缩短糖化时间。糖化酶添加量高时，虽然会缩短前期糖化时间，但后期作用效果就不再明显，使成本增加。麦芽汁浓度较低时，糖化转化率会加快，一定程度上提高了得率；但若浓度过低，葡萄糖浓度也会变得较低，不利于发酵。控制合适温度、适量增加糖化酶和控制麦芽汁浓度，可以降低成本、提高原料利用率、缩短糖化时间，且使糖化更彻底[11]。1.3发酵过程中微生物的变化1.3.1乳酸菌的变化乳酸菌是厌氧菌，发酵开始时因发酵物里含有一定量的空气，故在发酵初期其不是优势菌种。随着氧气的消耗，乳酸菌开始不断繁殖，并且产生代谢物质乳酸，使发酵环境中的pH值迅速下降，由于其他杂菌不耐酸，生长繁殖受到抑制[12]，乳酸菌逐渐成为优势菌种。在发酵后期，乳酸菌占发酵菌总数的95%以上，产生大量乳酸，最后形成一种特殊大米风味的产品[13]。1.3.2霉菌的变化霉菌是兼性厌氧菌，为了获得足够的氧气，霉菌一般生长在发酵液的表面，利用氧气来分解发酵原料中的蛋白质、淀粉、脂肪等营养物质，以维持自身生命活动。在整个发酵过程中，霉菌数量保持稳定的少量状态，但是霉菌对于发酵成功也具有重要作用，因为它们可以分泌纤维素酶等，将较难降解的纤维素物质降解为乳酸菌可以利用的糖类[14]。1.3.3酵母的变化酵母同霉菌一样，也是兼性厌氧菌，在发酵初期繁殖比较旺盛。随着氧气的消耗和发酵环境中pH值的极剧下降，酵母菌的生长受到抑制。酵母菌在无氧环境中进行无氧呼吸，产生酒精，这给大米发酵制品带来酒香味，而且酵母可以增加发酵制品的蛋白质含量，利于乳酸菌生长[7]。1.4菌种的筛选和培养1961年，Pederson和Albury开辟了纯种接种发酵生产[15]。自此，人们开始了以乳酸菌的选择和混合菌株比例确定为主的乳酸菌发酵研究。选用大米为主要原料，经黑曲葡萄糖淀粉酶水解，在嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的混合菌种发酵下，得到的大米乳酸发酵饮料具有独特的风味和良好的营养保健作用，产品中乳酸菌的含量可达3×107个/mL[16]。王禾等人[17]以糖化的大米为基质，对6株乳酸菌的发酵性能进行了测试，发现嗜酸乳杆菌产酸最高，产酸速率最快，且谷物多菌混合发酵比单菌种发酵效果更好。艾静[18]通过试验从27株乳酸菌中筛选出产酸量最高的菌———瑞士乳杆菌KLDS1.0209，原料（大麦芽、玉米粉和大米汁）经它发酵后滴定酸度为26.48°T。乳酸发酵的产量说到底是决定于乳酸菌的生产性能，因此培育新的菌株也成为乳酸发酵的研究重点。SkoryCD[19]构建了含有不同长度、不同拷贝数的L-乳酸脱氢酶基因片段的3种质粒，并将这些质粒导入米根霉NRRL395中，以原始菌株作对照。结果表明，乳酸脱氢酶基因拷贝数最多的菌株，乳酸脱氢酶的表达量也是最多的。BaiDM等人[20]对分离得到的野生菌株通过60Co、紫外线等方法对菌株进行诱变育种，乳酸产量提高了52%。1.5大米乳酸发酵饮料的工艺改善大米营养成分复杂，口味改善要求较高，因此大米乳酸发酵条件的优化尤为重要。不同生长阶段微生物产生代谢产物不同，对环境条件也会有不同的要求。生产中要设置合理的料水比、温度、pH值、发酵时间、接种量等生长条件，为发酵提供最佳环境。而工艺的优化要以结果为导向，即要以乳酸发酵饮料的口感、风味、香气、酸度及其中的营养成分含量（包括蛋白质、脂肪、膳食纤维、热量、矿物质等）和活菌数量为导向。闫祯等人[21]通过正交试验研究发现，采用1∶8的米水比，加热后煮沸15min，加入α-淀粉酶0.08%，糖化酶0.03%，发酵剂0.05%，于43±1℃条件下发酵8h，再加入高脂果胶0.16%，果糖0.04%调味达到最佳口感。得到的大米乳呈乳白色，且质地均一、口感细腻、酸甜可口，具有大米香气和乳酸发酵产生的特有风味。据陈海旭[22]报道，干酪乳杆菌+嗜酸乳杆菌+双歧杆菌（比例为1∶1∶1）接种量为5%，料水比为120∶1000的比例下，于37℃条件下发酵16h，所得产品发酵香味和米香味浓郁、酸度适中，口感醇厚；膳食纤维含量大于市售饮料，而蛋白质、脂肪含量处于市场平均水平，能量值显著低于市售饮料，且发酵12h后产品的活菌数达到1.2×108CFU/mL。卞春等人通过响应面法确定了黑米发酵乳饮料的最佳配方为脱脂乳粉5.39g/100mL，白砂糖8.16g/100mL，果胶3.88mL/100mL。高雅等人研究了糙米乳酸菌和酵母菌共同发酵，发现接种植物乳杆菌3%，于37℃条件下发酵11h；然后接种酵母菌0.2%于35℃条件下发酵5h，所得糙米饮料呈淡黄色，澄清透明、口感细腻爽滑，具有米香及醇香，酸甜适口、无异味、流动性好，无分层和沉淀现象；总糖含量15mg/mL，乙醇含量0.8%，可滴定酸55°T。２大米乳酸发酵饮料存在的问题和解决措施2.1菌种的选择菌种在乳酸发酵饮料最终口感和特征形成上会产生较大的影响。乳酸发酵常利用的保加利亚乳杆菌在发酵中不产生α-半乳糖酶、蔗糖酶，因此不76··2016年第12期能分解利用相应的蔗糖、棉子糖等；嗜热链球菌虽有发酵蔗糖的能力，但其产酸力弱。因此，要想充分利用原料获得丰富的口感，就需要筛选新的乳菌种，并采用多菌种混合发酵来生产大米乳酸发酵饮料。2.2乳酸饮料的稳定性乳酸发酵饮料含有多种成分，各成分存在的形式不同，蛋白质为悬浮液态，脂肪为乳浊液态，而碳水化合物等为溶液态。这就使乳酸饮料常出现一个问题：不稳定、乳饮料易结块、悬浮沉淀等。当温度或pH值波动时，稳定性更低。大米乳酸发酵饮料的稳定性，是关乎产品外观与口感的重要因素。要改善乳酸饮料的稳定性，首先需处理好水的问题，所用水要求硬度低于6度。蔗糖含有羟基和羧基，与蛋白粒子的亲和性较高，有良好的分散作用，能使酪蛋白表面形成一层糖膜，提高了酪蛋白与分散介质的亲和性，同时提高了乳酸饮料的黏度，使酪蛋白均匀稳定地分散在乳酸饮料中，形成悬浊液而不发生沉淀。因此增强蔗糖添加量有助于提高系统的稳定性，当乳酸饮料不含蔗糖或蔗糖添加量较低时，应使用果胶来增加黏度提高稳定性。解决乳酸发酵饮料的稳定性还可以利用纯物理方法，其中用超声波预处理原料能改善饮料稳定性差的状况。在一定程度上，胶体可用来改善乳酸发酵产物的稳定性、颜色和味道，但它应依不同的菌株、原料以及最终产品的要求来适量添加。同时根据各种亲水胶体的性能及产品的具体要求，按照各种胶体的特点进行复配，以最低的成本生产出一种具有特定性能的复配稳定剂。复合稳定剂通常比单一稳定剂更经济，性能更好。在很多情况下，单一稳定剂不可能达到某种特定的性能，只能通过多种胶体的复配来达到。2.3乳酸发酵饮料的品质问题同西方发达国家相比，我国市场管理缺乏健全的品质管理规范，企业过分夸大乳酸菌发酵制品的保健功能，鱼目混珠，愚弄消费者。大米乳酸发酵饮料含有较高的糖量，世界卫生组织推荐每日糖摄入量为25g。“乳酸菌饮料必须添加一些糖，以保持活细菌作为食物的活力。”但许多企业为了建立诱人的香甜味，让消费者喝后难忘，在产品中加入糖。乳酸菌饮料含糖量已降低，有一定保健价值，如调节肠道菌群，但它仍属于甜饮料，应尽量少喝。有专家指出，饮用乳酸菌饮料每天应控制在100mL左右。国外谷物乳酸饮品的研究早已成熟，研制出各种谷物乳酸饮料，适合各类人群。而我国的乳酸饮料还只是谷物粉碎的加工品，适用人群小，严重制约我国乳酸菌产业的发展。为了与世界接轨，研究人员应加大乳酸菌产品市场的管理力度，提高乳酸菌市场的准入门槛，普及乳酸菌饮料的知识，利于消费者正确购买乳酸菌饮品，避免被虚假广告所欺骗。３大米乳酸发酵饮料的发展前景及方向3.1发展前景以大米为主的谷物乳酸菌发酵饮品正日渐受到消费者的关注，我国是世界上大米产量最大的国家，这一优势资源应用于深加工有较广阔的市场。但是从目前来看，我国的发酵米制品多以手工制作为主，且研究主要集中在工艺优化和性质等方面，对微生物发酵机理、蛋白质和多糖等高分子物质化学结构在发酵过程中动态变化方面的研究较少，缺乏工业化生产的理论指导，使得我国大米发酵制品的现代化进程发展比较缓慢，与世界上其他国家相比，生产技术相对比较落后。例如日本，以糙米、米曲等为原料，开发了解氨毒营养饮料，可以保肝护肝；将糙米经高压灭菌处理可以得到焦黄、喷香的糙米，然后进行粉碎抽提，得到富含维生素糙米饮料，糙米经过浓缩蒸煮又得糙米浓缩营养滋补饮料。除此之外，还有发芽糙米酒、发芽糙米药膳粥等谷物产品。而在韩国，以白米和糙米为原料制得口感清甜的米乳饮料，并且在国际上首次推出大米葡萄酒，这些大大促进了大米的经济价值和消费量，其技术和思路值得借鉴[3]。开发大米新型加工技术，生产多种大米产品，无论是对于国家还是大米加工企业都是非常有意义的。3.2发展方向3.2.1加强基础研究大米乳酸发酵是一个动态变化的过程，在发酵前期，除乳酸菌外的其他微生物还有一定的活力，微生物种类多，且有少量空气存在，以异型乳酸菌的发酵为主；到了发酵中后期，就以乳酸的同型发酵乳酸菌为主，这类乳酸菌将单糖和双糖发酵生成乳酸而不产生气体。当乳酸量继续增加，乳酸菌的活动也受到抑制，同时乳酸发酵作用也把大米中的一部分蛋白质分解成氨基酸。其中，谷氨酸同食盐中的钠结合生成谷氨酸钠，乙醇与乙酸生成乙酸乙酯，从而使饮料鲜香兼备。如何在发酵过程中控制这些发酵菌的比例和组成，对于发酵的成功与否至关重要。这就要求能够及时准确地掌握发酵中涉及的微生物及其在发酵中的消长规律。如今，分子生物学技术突飞猛进，各种生物检测方法和高效检测仪的应用，使得监测发酵中微生物活动变得简便。此外，应用这些技术还可使人们更深入的理解谷物饮料营养与人体健康之间的关系。例如，消费者知道大米发酵饮料有益于人体健康，但是到底是哪些活性物质使大米饮料具有这些功效，仍不清楚。这就需要研究人员深入开展谷物饮料营养方面的研究，周民生，等：大米乳酸发酵饮料的研究进展77··