乳酸菌发酵能够改善玉米粉的加工特性，主要是由于发酵过程产生的多种生物酶，作用于玉米中淀粉和蛋白质等组分，引起玉米粉理化特性的改变[1]。发酵过程中酶的水解作用不但使淀粉从蛋白质的紧密包裹中分离，充分暴露在发酵体系中[2]，而且降低了淀粉的凝胶化程度[3]和玉米粉中的蛋白质含量[4]，增强其吸水性、持水性[5]以及膨胀度[6]等加工特性，从而改善玉米面团的质构特性和玉米粉分散液的流变特性，提高了玉米全粉的加工适应性。
采用玉米全粉直接发酵，由于玉米粒度过小使发酵过程不易控制，导致玉米粉在乳酸菌的作用下深度降解而发酵过度[7]，在一定程度上对玉米面团中淀粉的凝胶结构产生不利影响[8]，出现面团吸水性和持水性较差以及质地过软等问题，且在水洗除酸过程中会引起淀粉的大量流失，导致原料的浪费[9]。若玉米颗粒过大，则发酵液难以与玉米颗粒表面充分接触，延长发酵所需时间[10]。因此，玉米籽粒的破碎度对玉米乳酸菌发酵的速率和效果具有重要影响，利用玉米籽粒破碎度控制发酵过程并以发酵后的玉米制备发酵玉米全粉的方法鲜有报道。
本研究以硬质玉米籽粒为原料，将其破碎后发酵，通过分析破碎度对玉米面团质构特性的影响，确定玉米破碎的滚轮间距，随后优化乳酸菌发酵玉米的工艺条件，并对发酵前后玉米全粉的加工特性进行测定分析，以期为其在加工食品中的进一步应用提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
硬质玉米籽粒：市售；复合乳酸菌固体粉剂（活力为1×1010 cfu/g）：山东中科嘉亿生物工程有限公司；大豆油（一级）：九三食品股份有限公司。
1.2 仪器与设备
电子天平（ME104E）：梅特勒-托力多仪器（上海）有限公司；压胚提升机（YJY-TY）：益加益（湖北）机械设备集团有限公司；磁力加热搅拌器（ZNCL-GS）：上海凌科实业发展有限公司；电热鼓风干燥箱（WGL-125B）：天津市泰斯特仪器有限公司；台式低速离心机（LXJ-2B）：上海安亭科学仪器厂；台式高速冷冻离心机（3-18KS）：德国Sigma 公司；食品物性分析仪（TMSPro）：英国Stable Micro System 公司；高级旋转流变仪（Kinexus）：英国马尔文仪器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 乳酸菌发酵过程中玉米破碎度的选择
1.3.1.1 不同玉米破碎度下发酵玉米全粉的制备
使用压胚提升机对玉米籽粒进行破碎，控制破碎玉米的辊轮间距分别为0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mm，随后进行发酵，发酵条件为发酵时间24 h、发酵温度37 ℃、料液比1∶2.0（g/mL）、乳酸菌接种量（以玉米质量为基准）0.4%（质量分数）。发酵结束后将玉米颗粒用清水漂洗除去酸味，50 ℃烘干后粉碎，过100 目筛制成发酵玉米全粉。
1.3.1.2 面团质构特性的测定
分别称取1.3.1.1 中制备的5 种玉米全粉，以粉水比7∶6（g/mL）制备成面团。在其中取边长为1 cm 的正方体，参照李少辉等[11]的方法，使用食品物性分析仪对玉米面团质构特性进行测定，选用直径75 mm 圆盘挤压探头。测试条件：测试量程100 N，测试前速度0.25 mm/s，测试速度0.25 mm/s，测定后速度1 mm/s，两次下压停留间隔时间6 s，形变60%。测定结果包含硬度、黏附性、内聚性、弹性、胶黏性及咀嚼性。分析破碎度与面团质构特性的相关性后，选择适宜的玉米破碎度进行后续发酵。
1.3.2 发酵工艺单因素试验
采用1.3.1 中选择的破碎度和发酵工艺，对玉米进行复合乳酸菌（嗜酸乳杆菌、乳双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌和干酪乳杆菌）发酵处理，以玉米全粉所制面团黏附性为指标，进行单因素试验，选择用于正交优化的发酵温度（33、35、37、39、41 ℃）、发酵时间（20、22、24、26、28 h）、料液比[1∶1.0、1∶1.5、1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0（g/mL）]以及接种量[0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%（质量分数）]，面团黏附性测定方法与1.3.1.2 中质构特性测定方法一致。
1.3.3 正交试验
在单因素试验基础上，同样以玉米全粉所制面团黏附性为指标进行L9（34）正交试验对发酵工艺条件优化，同时对试验结果进行分析验证，面团黏附性测定方法与1.3.1.2 中质构特性测定方法一致。正交因素水平见表1。
表1 L9（34）正交因素水平
Table 1 Factors and levels of L9（34）orthogonal experiment
因素水平1 2 3 A 发酵时间/h 22 24 26 B 发酵温度/℃33 35 37 C 料液比/（g/mL）1∶1.5 1∶2.0 1∶2.5 D 接种量/%0.3 0.4 0.5
1.3.4 玉米全粉加工性能的测定
1.3.4.1 持水性、持油性测定
参考韦璐[12]的方法测定样品的持水性、持油性。准确称取1.000 g 样品置于离心管中，加入20 mL 蒸馏水，沸水浴中加热并搅拌15 min；取出冷却至室温，3 000 r/min 离心15 min，去除上清液，样品的持水性（W，g/g）按公式（1）进行计算。
式中：W1 为样品质量，g；W2 为样品和离心管总质量，g；W3 为沥干水后离心管及样品总质量，g。
准确称取1.000 g 样品置于离心管内，加入20 mL大豆油，沸水浴加热并搅拌20 min；取出离心管冷却至室温，10 000 r/min 离心30 min，去除上清液，样品的持油性（O，g/g）按公式（2）进行计算。
式中：W1 为样品质量，g；W2 为样品和离心管总质量，g；W3 为沥干油后离心管及样品总质量，g。
1.3.4.2 面团质构特性测定
称取10 g 发酵前后的样品，加入10 mL 的蒸馏水制成面团，在其中取边长为1 cm 的正方体，采用1.3.1.2中的方法对其进行质构特性测定。
1.3.4.3 玉米全粉分散液流变特性测定
参照Ribotta 等[13]的方法，利用高级旋转流变仪对发酵前后玉米全粉分散液进行频率扫描，测定其弹性模量（G′）和黏性模量（G″）的变化情况。准确称取10 g玉米全粉，加入20 mL 蒸馏水制成分散液，取适量的分散液，调整夹板间距为2 mm 使分散液结构完整的置于平板上。平衡5 min，使分散液残余应力松弛，采用PU 20 平行板，温度25 ℃，记录频率为0.1～10 Hz 时分散液的模量变化。
1.4 数据处理
数据取3 次重复试验的平均值，以平均值±标准差表示。使用SPSS 19.0 软件进行方差分析，再使用Origin 2019 软件对数据进行分析和绘图，试验指标间以Duncan 法（P＜0.05）进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 原料破碎度对发酵玉米全粉所制面团质构特性的影响
原料破碎度对发酵玉米全粉所制面团质构特性的影响如表2 所示。
表2 原料破碎度对发酵玉米全粉所制面团质构特性的影响
Table 2 Effect of raw material crushing degree on texture properties of dough from fermented corn flour
注：同列不同字母表示差异显著（P＜0.05）。
辊轮间距/mm 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4硬度/N 6.74±0.29b 5.16±0.13c 6.65±0.16b 7.35±0.23b 8.77±0.39a黏附性/（N·mm）0.51±0.02c 0.60±0.02b 0.67±0.04a 0.45±0.02cd 0.39±0.02d内聚性0.11±0.01a 0.12±0.01a 0.09±0.01a 0.11±0.01a 0.10±0.01a弹性/mm 0.88±0.02b 0.91±0.01ab 0.96±0.03a 0.87±0.01b 0.76±0.01c胶黏性/N 0.84±0.01b 0.93±0.02b 1.26±0.06a 0.68±0.02c 0.48±0.04d咀嚼性/mJ 0.74±0.01b 0.84±0.02b 1.21±0.10a 0.59±0.02c 0.36±0.03d
由表2 可知，辊轮间距对发酵玉米全粉所制面团质构特性（除内聚性）整体上存在显著性影响（P＜0.05），在辊轮间距为1.6 mm 时，面团黏附性、弹性、胶黏性和咀嚼性最高，分别为0.67（N·mm）、0.96 mm、1.26 N和1.21 mJ，辊轮间距为1.2 mm 时，面团硬度最低，辊轮间距为1.6 mm 时次之，此时硬度为6.65 N。破碎度影响玉米与发酵液的接触面积[10]，破碎度较低时，接触面积不足，玉米难以充分发酵，而破碎度较高则易使玉米发酵过度，二者均会导致面团质构特性不理想。
不同破碎度的玉米发酵后，其破碎度与面团质构特性的相关性分析结果如表3 所示。
表3 原料破碎度与发酵玉米全粉所制面团质构特性的相关性分析
Table 3 Correlation analysis between raw material crushing degree and texture properties of dough from fermented corn flour
注：*表示存在显著相关，P＜0.05；**表示存在极显著相关，P＜0.01。
变量辊轮间距硬度0.742**黏附性-0.529*内聚性-0.232弹性-0.581*胶黏性-0.533*咀嚼性-0.505
由表3 可知，发酵玉米全粉所制面团的硬度与辊轮间距呈极显著正相关（P＜0.01），黏附性、弹性和胶黏性与辊轮间距呈显著负相关（P＜0.05），结合表2 的结论，辊轮间距为1.6 mm 时，玉米全粉面团黏附性、弹性、胶黏性和咀嚼性达到峰值，且此时硬度较低，故本研究选择1.6 mm 辊轮间距破碎玉米进行后续发酵。
2.2 玉米发酵条件优化结果
2.2.1 不同发酵条件对玉米全粉所制面团黏附性的影响
不同发酵条件下玉米全粉所制面团的黏附性变化情况如图1 所示。
图1 不同发酵条件对玉米全粉所制面团黏附性的影响
Fig.1 Effect of different fermentation conditions on the adhesiveness of dough from fermented corn flour
A.发酵温度；B.发酵时间；C.料液比；D.接种量。不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。
由图1 可知，在发酵温度35 ℃时，面团黏附性达到最大值0.89 N·mm。乳酸菌发酵可以提高玉米面团黏附性[8]，发酵温度在乳酸菌的生长繁殖和产酶过程中起重要作用[14]，当发酵温度低于35 ℃时，过低的温度会减缓乳酸菌的生长速度[15]，导致面团黏附性较低。而过高的发酵温度同样不利于乳酸菌的生长代谢[16]，当发酵温度高于35 ℃时，高温降低了发酵速度，玉米全粉所制面团黏附性逐渐下降。因此，选择发酵温度33、35、37 ℃进行后续试验。
由图1B 可知，发酵24 h 的玉米全粉所制面团黏附性较高，当发酵时间低于24 h，由于发酵尚不完全，致使玉米全粉所制面团黏附性较低。当发酵时间高于24 h，长时间的发酵使乳酸菌代谢物大量累积，降低了体系的pH 值[17]，引起体系不稳定，导致玉米全粉所制面团黏附性逐渐下降。因此，选择发酵时间22、24、26 h 进行后续试验。
由图1C 可知，料液比为1∶2.0（g/mL）时，玉米全粉所制面团的黏附性较高。由于料液比影响发酵体系的溶氧量，且发酵使用的乳酸菌均是厌氧或微需氧菌，当溶剂添加量过高时，发酵体系溶氧量较高，修饰淀粉和蛋白质分子的酶在乳酸菌内无法较好地表达[18]，玉米不能被充分发酵，导致玉米全粉所制面团的黏附性逐渐下降。当溶剂添加量过低时，虽然有利于为乳酸菌提供厌氧环境，但同时也使乳酸菌代谢产物在发酵体系中过度累积[19]，不利于发酵的进行，导致玉米全粉所制面团黏附性较低。因此，选择料液比1∶1.5、1∶2.0、1∶2.5（g/mL）进行后续试验。
由图1D 可知，接种量为0.4% 时，发酵玉米全粉所制面团黏附性最高，当接种量低于0.4%时，发酵体系中乳酸菌对玉米的发酵尚不充分，随着接种量的增加，玉米全粉所制面团黏附性逐渐升高。当接种量高于0.4%时，发酵液中过高的乳酸菌浓度不利于发酵过程中菌体的生长[20]，且发酵过程中淀粉的水解物可能被乳酸菌过多地消耗[21]，导致玉米全粉所制面团黏附性逐渐下降。因此，选择接种量0.3%、0.4%、0.5% 进行后续试验。
2.2.2 正交试验结果
正交试验结果和方差分析结果分别见表4 和表5。
表4 正交试验结果
Table 4 Results of orthogonal experiment
因素序号1 2 3 4 5 6 7 A 1 1 1 2 2 2 3 B 1 2 3 1 2 3 1 C 1 2 3 2 3 1 3 D 1 2 3 3 1 2 2黏附性/（N·mm）0.440 4 0.701 5 0.725 5 0.509 6 0.447 5 0.496 7 0.710 2
续表4 正交试验结果
Continue table 4 Results of orthogonal experiment
序号因素8 9 K1 A3 3 B2 3 C1 2 D3 1黏附性/（N·mm）0.482 8 0.466 7 K2 K3 R 0.62 0.49 0.55 0.14 0.55 0.54 0.56 0.02 0.47 0.56 0.63 0.16 0.45 0.64 0.57 0.18
表5 方差分析结果
Table 5 Results of variance analysis
注：*表示影响显著（P＜0.05）。
因素发酵时间发酵温度料液比接种量误差偏差平方和0.03 0.01 0.04 0.05 0.02自由度显著性2 2 2 2 2 F 值29 1 36 53临界值19 19 19 19* **
由表4 可知，以发酵玉米全粉所制面团黏附性为评价指标，各因素影响主次顺序依次为D＞C＞A＞B，即接种量＞料液比＞发酵时间＞发酵温度，理论最佳组合为A1B3C3D2。由表5 可知，发酵时间、料液比和接种量对玉米全粉所制面团黏附性的影响显著，在理论最佳因素水平下进行验证试验，发酵玉米全粉所制面团黏附性为0.733 1 N·mm，高于正交设计组合中黏附性最大值，因此，乳酸菌发酵玉米颗粒最佳工艺条件为发酵时间22 h、发酵温度37 ℃、料液比1∶2.5（g/mL）、接种量0.4%。
2.3 复合乳酸菌发酵对玉米全粉加工性能的影响
2.3.1 发酵对玉米全粉持水性、持油性的影响
发酵前后玉米全粉持水性、持油性变化情况如图2 所示。
图2 发酵对玉米全粉持水性、持油性的影响
Fig.2 Effect of fermentation on corn flour's water-holding capacity and oil-holding capacity
同一指标不同字母表示差异显著（P＜0.05）。
由图2 可知，经过复合乳酸菌发酵后，玉米全粉的持水性和持油性均发生显著变化（P＜0.05），其中持水性提升22.44%，持油性降低18.09%。持水性和持油性可以间接地反映产品分子内部的相互作用程度[22]。发酵处理过程中，玉米全粉的内部结构发生部分降解而变得疏松，表面羧基、羟基等亲水基团暴露[23]，更易与水分子结合，从而提高玉米全粉的持水性，减小其与油脂的接触面积，导致玉米全粉持油性降低[24]。
2.3.2 发酵对玉米全粉所制面团质构特性的影响
发酵前后玉米全粉所制面团质构特性的变化如表6 所示。
表6 发酵对玉米全粉所制面团质构特性的影响
Table 6 Effect of fermentation on texture properties of dough from the fermented corn flour
注：同列*表示差异显著，P＜0.05；**表示差异极显著，P＜0.01。
原料玉米全粉发酵玉米全粉硬度/N 1.96±0.02 1.86±0.03*黏附性/（N·mm）1.64±0.04 2.39±0.03**内聚性0.30±0.03 0.40±0.01**弹性/mm 2.13±0.08 2.75±0.06*胶黏性/N 0.53±0.02 0.76±0.02**咀嚼性/mJ 1.10±0.06 2.23±0.05**
由表6 可知，经发酵处理后，玉米全粉所制面团的黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和咀嚼性分别上升45.73%、33.33%、29.11%、43.40% 和102.73%，硬度下降5.10%。原因可能是发酵过程中产生的蛋白酶破坏了包裹在玉米淀粉外的蛋白质结构，使淀粉颗粒暴露出来，进而淀粉被适度水解，增加了玉米全粉的亲水性[1]，使玉米全粉易吸水形成面团，且水解在一定程度上抑制玉米淀粉的老化[8]，降低面团的凝胶硬度，改善其质构特性。Afoakwa 等[25]在其固态发酵玉米粉的研究中也发现，发酵过程可以提高玉米面团的质构特性，与本研究结果一致。
2.3.3 发酵对玉米全粉分散液流变特性的影响
发酵前后玉米全粉分散液流变特性的变化情况如图3 所示。
图3 发酵对玉米全粉分散液流变特性的影响
Fig.3 Effect of fermentation on rheological properties of fermented corn flour's dispersion
由图3 可知，随频率的增加，发酵前后玉米全粉分散液的G′和G″均呈增大趋势，且发酵玉米全粉分散液的G′和G″均明显高于未发酵的玉米全粉。两种分散液的tan δ 始终小于1，tan δ 是G″与G′的比值，tan δ＜1在一定程度上可以表征样品以弹性为主的类固体特性[26]。可能是由于乳酸菌发酵过程产生淀粉酶，促使玉米全粉中的淀粉发生水解，部分支链淀粉断裂产生较小的淀粉分子[27]，导致淀粉颗粒受损，提高其膨润力[28]，玉米全粉更易与水结合，从而提高了分散液的G′和G″。
3 结论
以1.6 mm 的辊轮间距破碎玉米可以有效控制乳酸菌发酵过程，玉米发酵最优工艺条件为发酵时间22 h、发酵温度37 ℃、料液比1∶2.5（g/mL）、接种量为0.4%，该工艺发酵玉米全粉所制面团黏附性为0.733 1 N·mm。结果表明，发酵处理显著提升玉米全粉的持水性；玉米全粉所制面团的黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和咀嚼性分别显著提高45.73%、33.33%、29.11%、43.40% 和102.73%，硬度显著降低。此外，乳酸菌发酵可以提高玉米全粉分散液的弹性模量和黏性模量。此研究为玉米全粉的品质改善与应用提供了理论依据和技术支持。
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