通过使用植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）和副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）进行发酵，改善了薏米种子的淀粉微观结构、理化性质及消化特性

《International Journal of Biological Macromolecules》：Improvement of starch fine structure, physicochemical properties and digestive characteristics of adlay seeds by fermentation with Lactobacillus plantarum and Lactobacillus paracasei

本研究系统探究了植物乳杆菌与副干酪乳杆菌共发酵对莜麦种子多尺度淀粉结构、物化性质及体外消化特性的协同影响，发现发酵显著降低硬度（1784.26g→813.71g）和咀嚼度（305.62g→73.95g），同时提升抗性淀粉含量（25.44%→32.26%）并减少快速消化淀粉比例，其机制与淀粉晶体形态转变（A型→A+V型）及微孔结构形成相关。

　　

双徐|齐伟杰|谢亚星|程建军|班清峰

中国哈尔滨东北农业大学食品科学学院，150030

摘要

薏米籽（Coix lacryma-jobi L）具有致密的结构、较高的硬度和较强的咀嚼性，导致其口感较差。本研究系统地探讨了与Lactobacillus plantarum和Lactobacillus paracasei共同发酵对薏米籽淀粉多尺度结构、理化性质及体外消化特性的影响。发酵显著改善了薏米籽的质地特性，硬度从1784.26?g下降到813.71?g，咀嚼性从305.62?g下降到73.95?g。与此同时，游离水分含量从93.11%增加到95.75%，体积膨胀率从145.35%增加到197.90%。扫描电子显微镜观察显示，发酵使淀粉颗粒产生了孔隙，薏米籽的横截面变得粗糙，内部空间网络结构得到扩展。X射线衍射和固态¹³C CP/MAS NMR分析证实，发酵过程中淀粉晶体类型从A型转变为A?+?V型，相对结晶度从0?h时的3.23%增加到48?h时的17.12%。高效阴离子交换色谱分析显示，淀粉中A链（DP 6–12）的比例增加，而B链的比例减少。这些结构变化使得抗性淀粉含量从25.44%增加到32.26%，快速消化淀粉含量减少了16.18%。根据动态流变学分析结果，储能模量（G′）和损耗模量（G″）均有所下降，但仍然满足G′?>?G″的条件。总体而言，发酵促进了薏米籽中淀粉的降解和分子重排，提升了食用品质，并为开发基于发酵薏米的功能性食品奠定了理论基础。

引言

薏米籽（Coix lacryma-jobi L.），俗称薏仁，是中国最早被用于医药和食用的植物之一。Coix属植物主要分布于热带、亚热带和温带地区，中国和东南亚国家是其主要产地[1]。在传统中医中，薏米籽是一种常用的草药，具有利尿、祛湿、清热和消脓的药理作用。临床上，它们被用于治疗关节炎、腹泻和脾脏疾病，并表现出多种生物活性[2]。薏米籽富含淀粉，其加工性能与其他谷物相当，因此具有作为健康促进谷物的开发潜力[3]。然而，由于其致密的淀粉结构，在加工过程中存在显著挑战。薏米籽具有坚硬的外果皮，内部的淀粉颗粒形成了由氢键和支链淀粉双螺旋稳定的A型结晶结构。这种结构在热处理过程中大大降低了水分渗透性，有限的水分扩散阻碍了淀粉的均匀糊化，导致传统烹饪方法下的软化效果不佳[4]。值得注意的是，烹饪过程会增加快速消化淀粉的含量[5]，而淀粉结构显著影响薏米籽的品质。

淀粉由通过α-1,4-糖苷键连接的线性葡萄糖链组成，α-1,6-糖苷键作为分支点。淀粉主要由两种类型的分子构成：几乎线性的直链淀粉（含有约10⁴个葡萄糖单元）和高度分支的支链淀粉（其中4–6%的键为α-1,6-糖苷键）。支链淀粉的长侧链可以形成双螺旋结构，进一步组装成层状和生长环，最终形成具有半结晶结构的淀粉颗粒。淀粉颗粒的层次结构决定了它们在食品加工和人体营养中的功能[6]，[7]。因此，修改淀粉结构成为提升薏米籽品质的关键策略，其效果取决于所采用的技术方法。

近年来，人们越来越关注种子消化特性与淀粉结构之间的关联。一些研究专注于通过高压蒸汽技术改善谷物的质地，探讨了淀粉分子排列对大米质地、水分分布和微观结构的影响[4]。高压蒸汽破坏了淀粉-蛋白质框架，促进了水分的均匀分布，从而使谷物质地更加柔软。同时，也有研究探讨了发芽和碾磨联合处理对糙米质地和淀粉消化性的影响，结果表明这种联合处理显著改善了糙米的质地并提高了其消化性[8]。磁场辅助发芽技术也被用于改善糙米的质地[9]。磁场通过激活水解酶来促进发芽过程，进一步改善了大米质地。然而，这些技术的应用存在成本高和操作要求严格等挑战。因此，寻找有效的薏米籽淀粉结构改良方法成为当前谷物和油料加工行业亟待解决的问题。

发酵技术被广泛认可为能够提升谷物的独特质地、风味和生物活性[10]，[11]，[12]。例如，使用Lactobacillus plantarum进行预发酵可以改善旱大麦面的品质[13]。与Lactobacillus plantarum和Saccharomyces cerevisiae共同发酵可以提升旱大麦的营养价值和风味[14]。在发酵过程中，微生物利用碳水化合物产生有机酸等代谢物，这些代谢物通过改变无定形层的厚度、增加相对结晶度和增强氢键来修饰淀粉的多尺度结构[15]。这些结构变化阻碍了消化酶与底物之间的相互作用，从而降低了淀粉的消化速率。与其他改良方法相比，发酵具有综合优势。例如，高压处理需要能够达到数百兆帕的设备，这可能会对大米的风味和可接受性产生不利影响[4]。酶处理高度依赖于外源酶的催化作用，通常需要高温或特定pH条件才能激活[16]。作为温和的生物过程，发酵规避了这些限制。Lactobacillus plantarum具有与碳水化合物代谢相关的基因，可以利用淀粉作为生长和繁殖的碳源，并迅速降解淀粉产生乳酸，从而显著降低发酵系统的pH值。酸性环境调节了无定形层的厚度、相对结晶度和淀粉的分子间氢键作用，进而改变了淀粉的结构，改善了其理化性质，最终提高了最终食品的品质[17]。Lactobacillus paracasei具有较强的耐酸性，在持续发酵过程中能够稳定地产生酸，并对碳水化合物和氨基酸进行强烈的代谢[18]，[19]。与Lactobacillus plantarum共培养时，Lactobacillus paracasei可以利用Lactobacillus plantarum产生的简单糖类和中间代谢物，实现更完全的底物转化，提高整体发酵效率[20]。基于此，使用Lactobacillus plantarum和Lactobacillus paracasei的协同发酵可以有效破坏薏米籽的致密结构，通过微生物活性实现均匀的质地软化和淀粉结构改良[21]。然而，发酵过程中淀粉层次结构的变化与种子性质之间的关系仍需进一步研究。

因此，本研究旨在探讨发酵技术对薏米籽理化性质、结构特性和淀粉结构改良的影响，并明确了薏米籽消化特性与淀粉结构之间的关联。这些发现可能为薏米籽加工中的质地改良提供实用方法。

材料

本研究使用的薏米籽（Coix lacryma-jobi L）购自亳州松生堂制药公司，其中淀粉含量为56.7%，蛋白质含量为15.3%，脂肪含量为9.5%。Lactobacillus plantarum（BIO-PROX? P83）和Lactobacillus paracasei（BIO5452）购自Puls International Trading Co.（天津，中国）。α-淀粉酶（290?U/mL）和葡糖淀粉酶（50?U/mL）购自北京Solarbio科技有限公司。这些试剂应储存在4?°C的冰箱中。

发酵薏米籽

质地特性

表1显示了不同发酵时间下薏米籽的质地特性。硬度、弹性、粘性和咀嚼性呈显著下降趋势（P?Lactobacillus plantarum和Lactobacillus paracasei消耗碳水化合物产生有机酸和酶，这导致淀粉颗粒的孔隙率增加和水分含量提高

结论

本研究考察了发酵过程中薏米籽淀粉的结构变化，并阐明了相应理化性质和消化特性的改变。长时间发酵导致薏米籽的硬度和弹性降低，破碎度和体积膨胀率增加。淀粉颗粒的横截面微观结构从光滑变为粗糙，内部空间网络扩大，促进了自由水分的扩散。

作者贡献声明

双徐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学，数据管理，概念构思。齐伟杰：实验设计，数据分析。谢亚星：概念构思。程建军：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取。班清峰：撰写 – 审稿与编辑，数据管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明与本文所述工作无利益冲突。