我国农民自发种植的油莎豆面积达1.4万hm2以 上。油莎豆富含淀粉、油脂、糖、蛋白质、各种维生素、膳食纤维、微量元素、抗氧化成分等，具有降血脂、降血糖、保肝、抗氧化、神经保护、胃保护、抑菌等功能[1-5]。“十一五”期间，科技部首次将油莎豆列入国家科技支撑计划重大项目农林生物质工程，2016年被列入农业部全国种植业结构调整规划（2016—2020年）[6]。油莎豆有着极大的经济价值，可应用于粮、油、牧、饲等多个方面，油莎豆粉是油莎豆深加工产品，有效保留了油莎豆高营养价值、天然风味及其功能特性。研究表明，油莎豆品种和块茎的大小不同，淀粉产量不一，约为14%～37% [1]，因此淀粉的结构和性质变化对全粉产品的性能有着一定的影响作用。
发酵作为一种重要的食品加工方式，通过微生物发酵有效地改善食品的品质[7]。李茉等[8]主要研究由微生物发酵而来的富铁大豆粉作为铁强化剂时，其添加量对果丹皮理化性质及感官品质的影响。吴海波等[9]研究结果显示发酵全脂豆粉联合挤压膨化能够显著提高油和蛋白提取率。怀文辉[10]采用添加不同水平的发酵大豆粉饲喂肉鸡，研究其对肉鸡消化器官的影响。陈海强等[11]利用枯草芽孢杆菌BF7658发酵绿豆粉，对比发酵前后可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维的含量变化，研究发现发酵后可溶性膳食纤维SDF含量明显增加。唐巧[12]研究发现酵母菌发酵使大豆粉中的致腥物质含量显著降低且提高了豆粉的营养价值。
目前，对油莎豆的研究大多集中在对油莎豆油脂、蛋白的提取等方面，微生物发酵对油莎豆全粉结构与性能的影响鲜见报道[13]。酵母菌和乳酸菌利用淀粉作为碳源在粉类体系中发酵，可以有效改善其应用性能和功能特性。因此，本文研究了酵母、乳酸菌酸奶发酵粉对油莎豆全粉发酵的影响，设置4个梯度的发酵粉用量，探讨发酵对油莎豆全粉化学结构、颗粒形貌、结晶结构、粒度分布、糊化特性和热特性的影响，为开发出具有不同功能特性的油莎豆全粉发酵食品提供参考与指导。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
油莎豆全粉：新疆三礼粮油有限公司；酵母粉：安琪酵母股份有限公司；乳酸菌酸奶发酵粉：江苏新申奥生物科技有限公司。
TECMASTR快速黏度分析仪：波通瑞华科学仪器有限公司；Nicolet is5傅里叶变换红外光谱仪、X-射线衍射仪：赛默飞世尔科技（中国）有限公司；Q20差式扫描量热仪：美国TA公司；Malvern Mastersizer Hydro 3000 MU激光粒度分析仪：英国马尔文仪器有限公司；S-4800场发射扫描电镜：日本日立公司。
1.2 方法
1.2.1 油莎豆全粉发酵
按发酵粉与油莎豆粉用量比例，各设置4个质量比 1∶100、1∶80、1∶60、1 ∶40发酵油莎豆全粉，发酵后的样品低温烘干，粉碎备用。酵母粉发酵组在30℃的培养箱中发酵2 h，4个质量比样品分别记为J1、J2、J3、J4；乳酸菌酸奶发酵粉发酵组置于42℃的发酵箱中发酵 8 h，4 个质量比样品分别记为 R1、R2、R3、R4。
1.2.2 红外光谱分析
对油莎豆全粉和发酵后油莎豆全粉进行红外光谱测试。按照1∶100质量比将待测的样品和烘干的溴化钾混合研磨充分压片制样，置于傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR）中进行测量并绘制红外光谱图。扫描范围：4 000 cm-1～500 cm-1，光谱分辨率：0.01 cm-1[14]。
1.2.3 X-射线衍射分析
烘干后样品粉末研磨压片，根据赵凯等[15]的方法，采用片状样品衍射法，在扫描速率4°/min、管压40 kV、管流30 mA的条件下压片扫描，扫描角度5°～60°检测。
1.2.4 糊化特性分析
参考文献[16-18]，用快速黏度分析仪测定样品的糊化特性。称取样品3.000 g于铝罐中，加入25 g蒸馏水，用搅拌器桨叶将样品搅拌均匀，然后将铝罐正确插接到仪器上，最后按操作启动仪器。以12℃/min的速度将悬浮液从室温持续加热到95℃。之后，样品在95℃保温2 min～3 min，最后以12℃/min的速度冷却到50℃。通过糊化曲线得到糊化温度、峰值时间、峰值黏度、热浆黏度、崩解值、最终黏度和回生值[19]。
1.2.5 热力学特性分析
参考文献[20]并有所改动，用天平准确称取4 mg发酵油莎豆全粉样品置于专用坩埚中，然后用压片器反复压3次～4次将铝制坩埚盖与坩埚边缘密封完好。设定起始温度20℃，终止温度220℃，升温速率10℃/min，使用差示扫描量热仪软件获得起始温度（To）、峰值（Tp）、终止温度（Tc）和焓变值（ΔH）。
1.2.6 扫描电镜分析
参考文献[21]，取一定量待测油莎豆全粉和发酵后样品进行扫描电镜分析，将样品在烘箱105℃条件下干燥4 h～5 h后，用导电双面胶将样品固定在样品台上，在红外灯下进行喷金处理。加速电压设为10 kV，观察样品微观结构并选取不同放大倍数的视野，拍摄样品颗粒形貌。
1.2.7 粒径分析
取一定量的待测样品于激光粒度仪中，蒸馏水为分散剂，搅拌转速3 000 r/min，用超声波对粉体分散处理，通过电脑软件进行粒径分析[20]。
1.3 数据处理
所有试验均重复3次，结果表示为平均值±标准差。采用Origin 8.0软件进行绘图。
2 结果与分析
2.1 红外光谱分析
两种发酵粉发酵油莎豆全粉的傅里叶红外光谱图见图1。
图1 发酵油莎豆全粉样品的红外光谱图
Fig.1 Infrared spectra of fermented Cyperus vulgaris whole powder samples
由图1可知，发酵的油莎豆全粉峰型与原粉相似，图中峰的位置基本一致，由此说明官能团并没有发生新的变化。光谱图几乎都是在3 430 cm-1附近出现的较强宽峰，对应物质分子内或分子间O—H的伸缩振动；在2 930 cm-1附近出现的一个中等强度的吸收峰，这是C—CH2—C的不对称伸缩振动[15]；1 640 cm-1附近出现的吸收峰，可能是样品中醛酮类化合物中C=O伸缩运动[15]；在1 390 cm-1附近出现的吸收与—CH的剪式振动吸收有关[22]，图1（a）的此处峰强度随着发酵粉用量的增加先增加后减弱（J2发酵粉的峰最强），图1（b）的此处峰强度随着发酵粉用量的增加先缓慢后迅速增强（R4发酵粉的峰最强），1 100 cm-1附近出现的峰反映的是淀粉中C—O键的伸缩振动以及C—O—H键的弯曲振动[23]，是淀粉的特征吸收峰，且图1（b）中R3发酵粉的此处峰最明显，其他发酵粉的此处峰与原粉相似。2种不同发酵粉在一定的用量下发酵的油莎豆全粉在710 cm-1和610 cm-1附近出现吸收峰，淀粉中吡喃环的骨架模式振动，但图1（a）的J2发酵粉没有此处明显峰。对图（a）中在1 390 cm-1附近出现的吸收峰强度有所变化，这表明酵母菌发酵影响C—H基团相关振动，分子的有序结构因发酵受到影响，分子结构改变会影响油莎豆粉的性能，而在发酵质量比为1∶80时影响达到最大，说明4个质量浓度中发酵油莎豆粉质量比1∶80为最适比例。图1（b）中此处的峰随着发酵比例的增大，R4的强度达到最大，从这点看，4个质量梯度中乳酸菌发酵最适合质量比为1∶40。但总体看发酵后油莎豆粉并没有形成大量新的化学键或基团，且原有的基团也基本没有消失，发酵对淀粉结构的改变作用不大[21，24]。
2.2 X-射线衍射分析
2种发酵粉发酵油莎豆全粉的X-射线衍射波谱见图2。
图2 发酵油莎豆全粉样品的X-射线衍射峰谱图
Fig.2 Xray diffractometer peak pattern of fermented Cyperus vulgaris whole powder sample
由图2可见，经两种发酵粉发酵后油莎豆全粉的衍射曲线形状没有明显变化，与原粉相比部分衍射峰强度增强，说明发酵使油莎豆全粉结晶性能有一定增强。发酵后的油莎豆全粉颗粒在衍射角为15°、17°、18°和23°处出现峰值，属于典型的A型晶体结构。在2 θ角为15°和23°附近出现的是较强的衍射峰[25]，在17°和18°附近出现的是未完全分开来的双峰，图2（a）衍射曲线在衍射角为20°附近出现了一个较小的相似的衍射峰[26]，图2（b）的R4发酵的油莎豆全粉的衍射曲线在衍射角为20°附近出现了一个较小的衍射峰，与其他3种发酵粉相比较明显。本试验发现发酵后油莎豆的细胞壁以及蛋白质等组分在一定程度上可以使细胞内部的淀粉颗粒有序结晶结构得以部分保留，对发酵豆粉的结晶结构影响不明显。
2.3 糊化特性分析
2种发酵粉发酵油莎豆全粉的糊化特征值见表1。
表1 发酵油莎豆全粉的糊化特征值
Table 1 The characteristic values of fermented Cyperus vulgaris whole powder
样品 峰值黏度/cP谷值黏度/cP最终黏度/cP衰减值/cP回生值/cP原样 820±2 658±4 1 036±7 163±2 379±2 J1 1 808±10 1 322±7 1 954±9 486±2 633±2 J2 1 892±1 1 375±3 2 038±4 518±4 664±0 J3 1 760±3 1 290±17 1 851±7 470±21 561±25 J4 1 684±6 1 235±1 1 766±5 449±7 531±4 R1 1 460±13 1 043±7 1 421±14 417±6 372±7 R2 1 250±33 9 19±21 1 241±20 331±12 322±0 R3 1 656±12 1 156±4 1 561±21 500±16 405±26 R4 1 930±25 1 302±15 1 798±2 628±41 495±17
由表1可知，随着酵母粉用量的增加，糊化温度升高，衰减值和回生值与原粉相比较都有所增加，反映了酵母在这4个用量下发酵油莎豆全粉，可使其黏度增加，热稳定性和抗老化能力降低。4种梯度的酵母发酵出的油莎豆全粉的黏度变化有很大差别，J1、J2、J3和J4糊化峰值黏度与原粉相比都有所增加，J2的峰值黏度最大，最终黏度最高，热稳定性最差，其原因是酵母发酵过程中蛋白质明显减少，使淀粉颗粒在糊化的过程中更易吸水膨胀，体积变大，故峰值黏度增加[27]，这样说明J2进一步糊化过程中对热的反映最为敏感。
随着乳酸菌酸奶发酵粉用量的增加，糊化温度升高，峰值黏度、衰减值、回生值（除了R1和R2）与原油莎豆全粉相比都有所增加，反映了R3和R4的稳定性和抗老化能力较低，R1和R2的回生值降低，表明发酵使其成胶能力增强，老化程度低[28]。乳酸菌酸奶发酵粉发酵出的油莎豆全粉的黏度变化有很大差别，R1、R2、R3和R4糊化的峰值黏度较原粉相比也都所增大，同时R4的黏度和热稳定性达到最大，推断其黏度变化原因与前文酵母粉发酵相同。
2.4 热特性分析
2种发酵粉发酵油莎豆全粉的热特性见表2。
表2 发酵油莎豆全粉的热特性
Table 2 Thermal characteristic parameters of fermented Cyperus vulgaris whole powder
样品To/℃Tp/℃Tc/℃ ΔH/（J/g）原样 93.54±0.20 126.15±0.16 167.12±0.24 59.77±0.30 J1 189.34±0.24 190.64±0.16 201.27±0.32 109.10±0.18 J2 205.62±0.14 207.13±0.20 215.98±0.25 75.50±0.26 J3 143.20±0.24 143.92±0.25 154.51±0.36 131.50±0.20 J4 142.27±0.28 144.80±0.19 161.56±0.16 167.10±0.18 R1 175.52±0.26 176.73±0.19 188.31±0.37 134.90±0.20 R2 181.65±0.28 182.64±0.32 193.34±0.24 184.20±0.15 R3 181.03±0.22 182.51±0.19 193.29±0.27 137.20±0.17 R4 203.38±0.24 204.98±0.25 213.70±0.28 68.03±0.34
由表2可知，随着酵母粉和乳酸菌酸奶发酵粉用量的增加，To、Tp、Tc和 ΔH 都有所增加，热焓值的增大是由于这两种发酵剂在发酵过程中优势菌的数量多，故其发酵所产的酸和酶的量较大，发酵过程所产的酸和酶使淀粉颗粒无定形区的比例减小[27]，而结晶区的比例相对增大，导致糊化温度升高，糊化所需的热量也就变大，结晶程度的增加与前述X-射线衍射得出的结论相呼应，其中J4和R2糊化焓值ΔH最高。
2.5 电镜分析结果
2种发酵粉发酵油莎豆全粉的扫描电镜图见图3、图4。
图3 酵母发酵粉发酵油莎豆全粉的电镜图像（×9 000）
Fig.3 Electron microscopic images of whole soybean powder fermented by angel fermentation powder with different dosage（×9 000）
图4 乳酸菌酸奶发酵发酵粉油莎豆全粉的电镜图像（×9 000）
Fig.4 Electron microscopic image of lactic acid bacteria yogurt fermentation baking powder oil and bean powder（×9 000）
由图3和图4可知，未发酵和发酵的油莎豆全粉的形状规则且近似圆形，未发酵的油莎豆全粉的表面比较光滑平整，这也说明油莎豆全粉在生产加工过程最大程度地保持了其原有形态和完整的颗粒形貌。由图3可知，不同用量的酵母发酵的油莎豆全粉颗粒形貌出现了明显的孔洞且表面变得不平整。随着发酵粉用量的逐渐增多，发酵的油莎豆全粉粒径都有所增大，其中J2表面的粗糙程度增加且有较多的褶皱和孔洞。由图4可知，乳酸菌酸奶发酵粉，随着用量的逐渐增多，表面的不规整程度在逐渐增大，R4的形貌最为不规则。得出不同用量的酵母粉和乳酸菌酸奶发酵粉发酵可以有效地改变油莎豆全粉的颗粒形态，J2和R4的发酵状态影响最大。
2.6 粒径分析结果
2种发酵粉发酵油莎豆全粉的颗粒尺度见表3。
表3 发酵油莎豆全粉的颗粒尺度
Table 3 Particle size of fermented Cyperus vulgaris powder
注：D10即小于此粒径的颗粒占10% ，D50的颗粒占总颗粒的50% ，D90粒径的颗粒占90% ，D[3，2]和D[4，3]分别表示表面平均直径和体积平均直径。
样品 比表面积/（m2/kg）D10/μmD50/μmD90/μmD[3，2]/μmD[4，3]/μm原样 324.50±0.69 7.62±0.03 40.23±0.38 152.00±6.25 17.60±0.00 61.67±1.79 J1 302.10±2.10 8.17±0.06 45.77±0.61 144.33±4.04 18.93±0.15 60.70±1.12 J2 272.57±3.78 8.78±0.07 53.70±1.18 182.67±14.57 20.93±0.31 77.27±5.43 J3 310.73±2.87 7.95±0.05 44.50±0.66 128.00±4.36 18.37±0.15 57.50±1.85 J4 276.97±10.30 8.83±0.14 55.40±1.01 178.00±5.20 20.63±0.74 72.13±4.63 R1 266.67±2.58 9.16±0.06 54.93±1.00 144.33±3.21 21.47±0.21 66.70±1.28 R2 266.43±3.36 9.35±0.05 52.33±1.25 145.33±5.03 21.43±0.29 65.77±1.96 R3 284.10±2.52 8.92±0.11 48.47±0.32 128.00±1.73 20.10±0.17 58.93±0.21 R4 272.97±8.87 9.06±0.22 51.30±2.01 155.00±20.42 20.93±0.67 69.87±7.93
由表3可知，不同用量的酵母和乳酸菌酸奶发酵粉发酵的油莎豆全粉的D50值与D[4，3]相差不大，说明这两种发酵粉发酵可以均匀地破坏全粉颗粒，使全粉颗粒粒径大小均匀。比表面积与颗粒大小有关，从表3中可以看出比表面积相对于原油莎豆全粉的比表面积值都有所减小，说明发酵的油莎豆全粉颗粒粒径都有所增加[28]。发酵的油莎豆全粉的表面平均直径与原油莎豆全粉相比也都有所增加，说明粒度增大表现出了相对较大的表面平均直径。发酵的油莎豆全粉的体积平均直径与原样相比，J1、J3和R3略微减小，其它都有所增加。发酵后的油莎豆全粉的粒径有所增大，这可能与其发酵后黏度变大使其黏接在一起有关。
3 结论
油莎豆全粉经过酵母发酵后，随发酵粉用量比例增加，油莎豆全粉颗粒被破坏，表面变得粗糙，粒径变大，发酵后的油莎豆全粉化学结构没有明显变化；结晶性提高；糊化焓值相对原粉都有所升高，且J4的糊化焓值最高；峰值黏度，衰减值，回生值相对原粉都有所增加，油莎豆全粉黏度增大，热稳定性和抗老化能力减弱。
油莎豆全粉经过乳酸菌酸奶发酵粉发酵后，随发酵粉用量的增加，油莎豆全粉颗粒被破坏，表面变得粗糙，粒径变大，发酵后的全粉化学结构没有明显变化；结晶性提高；糊化焓值相对原粉都有所升高，峰值黏度和衰减值相对原粉都有所增加，油莎豆全粉黏度增大。
油莎豆粉经两种发酵粉发酵后，淀粉颗粒大小和表面形态发生改变，淀粉的糊化性能和热性能等发生变化。研究表明通过控制发酵条件达到最适的发酵剂发酵条件为酵母粉与全粉质量比1∶80和乳酸菌酸奶发酵粉与全粉质量比1∶40发酵下，更适合用作食品原料用于加工油莎豆全粉发酵食品，本研究为采用这两种发酵粉发酵油莎豆全粉提供参考。
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