《International Journal of Food Properties》：Modification of functional properties of tuber flour and starch by Lactic acid bacteria fermentation
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本文系统性地综述了通过自发或乳酸菌（LAB）发酵改良木薯、马铃薯、甘薯等多种块茎来源的淀粉与面粉。文章深入探讨了发酵对淀粉的溶胀力、糊化特性、结晶度、颗粒形态等关键理化性质的影响，并详细阐述了LAB产生的酶（如α-淀粉酶）和有机酸在改变直链/支链淀粉结构、降低糊化粘度、提高热稳定性等过程中的作用机制。改性后的淀粉/粉在烘焙、面条、功能性食品等领域展现出广阔应用前景。本文为基于本地资源的改性淀粉研究与应用提供了重要参考。
淀粉和块茎面粉
木薯、甘薯、马铃薯、芋头、蒟蒻等块茎是全球许多地区的重要碳水化合物来源，其加工成的淀粉和面粉是食品及非食品工业的常见原料。然而，天然块茎淀粉存在一些功能缺陷，例如溶解度、水吸收能力和稳定性有限。为了解决这些问题，研究人员常采用物理、化学和生物方法对淀粉进行改性。其中，通过发酵进行的生物改性因其过程直接、成本低廉且能显著改善特性而成为一种高效方法。
块茎淀粉主要是由两种多糖组成：直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉是一种由α-(1,4)-D-糖苷键连接的线性聚合物，而支链淀粉则含有分支点α-1,6-D-糖苷键。块茎淀粉通常含有20%至30%的直链淀粉和70%至80%的支链淀粉，这个比例直接影响淀粉的性质。高直链淀粉倾向于形成硬凝胶，而高支链淀粉则形成黏弹凝胶。淀粉颗粒由大约16个环层组成，形成无定形区和结晶区，其结构如图所示。但块茎淀粉易发生回生和脱水收缩，对热和剪切的稳定性也较低，这限制了其工业应用。
通过发酵对块茎淀粉/面粉进行改性
发酵是一种利用微生物（细菌、霉菌或酵母）改变淀粉结构，从而改善其理化及功能特性的生物转化过程。它可以在固态（低水分）或液态（高水分）系统中进行。乳酸菌是淀粉发酵改性中最常用的微生物，它们能产生淀粉酶，将淀粉水解成更短的聚合物或单糖，并进一步转化为有机酸，从而引发淀粉特性的变化。
其改性机制如图所示。发酵从启动开始，可以是自发的，也可以是添加了特定微生物（如Lactobacillus sp.）的。微生物利用淀粉底物，产生α-淀粉酶、葡糖淀粉酶和普鲁兰酶等，水解淀粉分子。进一步的发酵将糖转化为乳酸等有机酸，降低环境pH值。这个过程导致淀粉结晶度降低、溶解度增加、分子量减小，并改变了淀粉分子的表面电荷，从而影响其水结合能力和凝胶化能力。
发酵改性在木薯上的应用就是一个典型例子，其产品被称为改性木薯粉。其原理是通过添加通常为LAB的产酶微生物进行发酵，破坏木薯细胞壁，释放淀粉颗粒。产生的有机酸以及淀粉结构的变化，导致了MOCAF粘度、复水能力、凝胶能力和白度等特性的改变。
发酵改性块茎淀粉/面粉的特性
功能性
发酵通常会改变淀粉和面粉的功能特性，包括溶胀力、溶解度、水吸收能力和凝胶硬度。总体而言，对甘薯粉、芋头粉、蒟蒻粉和白薯粉的发酵通常会导致溶胀力、溶解度和水吸收能力的增加，以及凝胶硬度的降低。这主要是由于微生物活动水解了淀粉，使直链和支链淀粉聚合物变短，更容易吸水，同时亲水的羰基和羟基基团更暴露。
然而，结果也可能因条件和原料而异。例如，对黄甘薯粉和木薯淀粉的发酵则显示溶胀力下降，对某些甘薯粉的发酵显示溶解度下降。溶胀力的下降与淀粉晶体结构的改变有关，而溶解度的下降可能与发酵后淀粉颗粒尺寸增大有关。
糊化特性
糊化特性可通过快速粘度分析仪（RVA）测量。关键参数包括糊化温度、峰值粘度、谷值粘度、崩解值、最终粘度和回生值。发酵改性通常会降低淀粉和面粉的粘度。自发发酵或添加LAB发酵的木薯淀粉、甘薯淀粉、蒟蒻粉等，通常表现出崩解值和回生值的降低。崩解值的降低表明发酵后的淀粉颗粒在烹饪加热时更具抗性。回生值的降低则与发酵后直链淀粉含量降低有关，表明淀粉在冷却阶段的回生趋势减弱，热稳定性提高。
不过也有例外，例如对某些芋头粉、木薯粉和甘薯淀粉的发酵，可能导致崩解值和回生值的增加。这可能是由于发酵导致淀粉颗粒破裂，释放出大量直链淀粉，从而增加了回生倾向。不同的环境条件（温度、时间、微生物浓度）会显著影响糊化特性。
颗粒形态
天然淀粉颗粒表面光滑，形状为圆形或椭圆形，并具有双折射特性。发酵改性通常会改变淀粉颗粒的形态。对木薯淀粉、甘薯淀粉、马铃薯淀粉等多种块茎淀粉的发酵，无论是自发的还是添加了L. plantarum、S. cerevisiae等菌种的，都可能导致颗粒表面变得粗糙、出现裂纹、空腔和孔洞。扫描电镜（SEM）观察显示，经L. plantarum发酵的马铃薯淀粉颗粒从光滑的圆形/椭圆形变为有孔且粗糙的表面。这些变化是由于发酵过程中微生物产生的酶对淀粉颗粒的攻击造成的。
发酵还可能引起颗粒膨胀，并伴随双折射图案的减少或消失，这在甘薯粉和木薯淀粉中均有观察到。颗粒膨胀是由于颗粒吸收了水分，而双折射的消失则与水进入颗粒、破坏其有序结构有关。但也有研究（如对甘薯淀粉的自发发酵）发现，发酵并未引起淀粉形态和双折射图案的显著变化，说明淀粉结构在特定条件下可能保持稳定。
结晶度与热特性
淀粉的结晶类型可分为A型（主要为谷物）、B型（主要为块茎）和C型（A与B型的混合，如豆类和甘薯）。发酵改性通常会影响淀粉的结晶度。对木薯淀粉、甘薯淀粉的自发发酵或添加L. plantarum的发酵，通常会导致相对结晶度的降低，但XRD衍射图谱类型（通常为B型或C型）可能保持不变。结晶度降低是由于发酵过程中直链和支链淀粉链被切断，使颗粒结构更趋于无定形。
然而，也有不同的结果。例如，用L. plantarum发酵马铃薯淀粉，其结晶度指数反而增加了1.9%。这可能是由于酸性环境中，小分子之间形成了新的氢键，增加了结晶区域。此外，也有研究（如对甘薯淀粉的自发发酵）发现结晶度指数没有显著变化。这些差异受块茎品种、生长环境、发酵时间和所用微生物种类等多种因素影响。
在热特性方面，发酵会影响淀粉的糊化特性。对木薯淀粉和芋头粉的发酵研究表明，其糊化温度和糊化焓（ΔH）可能增加。糊化温度升高表明淀粉的热稳定性和晶体规整性提高，而ΔH的增加可能与无定形区链的断裂及新氢键的形成有关。但也有研究指出，发酵对某些淀粉（如木薯淀粉）的热特性没有显著影响，这可能与产生的有机酸不足以破坏淀粉链有关。
发酵改性块茎淀粉/面粉的应用
发酵改性后的淀粉和面粉在食品工业中有着广泛的应用前景。在面包和蛋糕中，发酵可以提高面团的扩展性，增加产品体积、风味和保质期，同时降低麸质含量，适用于无麸质产品。在面条制作中，使用发酵过的甘薯粉、木薯粉等可以降低烹煮损失和吸水率，同时提高面条的延伸性和弹性。在肉制品（如香肠、肉丸）中，发酵木薯粉可以作为黏合剂和填充剂，提高产品的持水能力和乳化稳定性，从而改善多汁性和质地。
发酵淀粉还能产生益生元化合物，如低聚糖和抗性淀粉，可添加到功能性饮料和即食汤中。发酵不仅增加了饮料中益生菌的活性，还改善了产品的稳定性和风味。例如，发酵甘薯粉可以减少酸奶的脱水收缩，并保持其感官特性。此外，发酵还能通过降解植酸来提高铁、钙、锌等必需矿物质的生物可利用性，并通过释放酚类化合物来增强产品的抗氧化活性。由于其高抗性淀粉含量及对降低血糖反应的潜在作用，发酵面粉也有望成为糖尿病饮食的功能性食品原料。
结论与未来研究
通过发酵对块茎面粉和淀粉进行改性，可以有效改善其理化特性。总的来说，发酵通常能提高淀粉的溶胀力、溶解度、水吸收能力，并降低糊化粘度，改变颗粒形态。然而，改性的具体结果受淀粉类型、发酵时间、所用微生物和环境因素等多种变量的影响，因此结果可能不尽相同。发酵改性的淀粉和面粉在改善食品营养品质、质地、风味和保质期方面具有巨大潜力，广泛应用于烘焙、面条、肉制品、饮料等领域。未来研究应关注开发稳定、高效的发酵技术，使用可控发酵和特定发酵剂，并探索其在代谢性疾病功能性食品以及生物塑料、复合材料等非食品领域的应用潜力。
