利用微生物生产改性木薯淀粉：开启工业标准化生产新篇

研究人员针对木薯淀粉发酵生产问题，研究微生物改性木薯淀粉工艺，确定条件并提出流程，具重要意义。

　　

改性木薯淀粉研究：解决生产难题，开拓工业新方向

在食品的世界里，淀粉扮演着极为重要的角色，它不仅是植物储存能量的 “小仓库”，也是众多微生物喜爱的 “碳源美食”。木薯淀粉，凭借其高含量的淀粉，在全球的食品工业中占据着一席之地。在拉丁美洲的巴西和哥伦比亚，它是食品加工的重要原料；在非洲，人们用它制作特色美食 “kum kum”“fufu” 面粉和 lafun。而其中的 sour 木薯淀粉，更是烘焙行业的 “宠儿”，因其独特的膨胀能力，能让烘焙食品变得更加松软可口。

不过，传统的 sour 木薯淀粉生产方式就像一场充满不确定性的 “冒险”。在哥伦比亚，它大多在家里制作，发酵时间从 30 天到 90 天不等，就像一场没有固定规则的游戏。生产过程全靠自然发酵，受温度、pH 值、湿度和微生物群落等环境因素的影响很大。没有严格的无菌操作，产品质量全凭经验判断，就像在黑暗中摸索，缺乏标准化的生产流程，这不仅限制了产量，还难以保证产品质量的稳定。而且，传统的酸水解工艺在生产中会产生不良产物，还需要特殊设备来抵抗酸性和高温，成本高且不环保。

为了改变这种局面，来自哥伦比亚国立大学（Universidad Nacional de Colombia）的 Laura Natalia Chiquiza?Monta?o、Sebastián Ochoa?Giraldo 和 Fernando Orozco?Sánchez 决心探索一条新的道路。他们的研究成果发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section B: Biological Sciences》上，为木薯淀粉的生产带来了新的希望。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：一是微生物培养技术，通过不同的培养条件来研究芽孢杆菌的生长情况；二是酶活性测定技术，利用 DNS（3,5 - 二硝基水杨酸）技术来测定 α- 淀粉酶（α-Amylase）的活性；三是扫描电子显微镜技术，观察淀粉颗粒的形态变化；四是流变学分析技术，使用 Brabender 微粘度淀粉仪获取淀粉的糊化曲线，分析其流变学特性。

下面来看看具体的研究结果：

1. 微生物和底物制备：研究人员发现，紫外线（UV）辐射能有效降低天然淀粉的微生物负荷，且不会显著改变淀粉的流变学特性，就像给淀粉做了一次温和的 “清洁”。在培养芽孢杆菌时，使用棉塞比铝塞更有利于细菌生长，因为棉塞能让更多的气体进入系统，就像给细菌打开了一扇 “氧气窗”。而且，确定了使用 25g/L 的淀粉、培养 24 小时可以获得合适浓度的接种物（starter culture），为后续的发酵做好了充分准备。
2. 改性木薯淀粉生产
   • 微生物生长动力学：在淀粉改性阶段，B. amyloliquefaciens 和 B. vallismortis 这两种芽孢杆菌在培养基中生长良好。B. amyloliquefaciens 在第 18 天细胞浓度达到136×107CFU/mL，B. vallismortis 在第 10 天达到最大浓度52×107CFU/mL，之后细胞浓度开始下降。而对照组在第 10 天才出现微生物负荷的显著增加，这表明经过 UV 处理减少微生物负荷后，能实现这两种芽孢杆菌的选择性生长。
   • α- 淀粉酶活性：B. amyloliquefaciens 在发酵第 16 天产生的 α- 淀粉酶活性最高，达到 62±22 μmol/min?mL 。B. vallismortis 在第 4 天活性最高，为 24±10 μmol/min?mL，之后活性下降。对照组的酶活性则很低，这充分显示了这两种芽孢杆菌在产生 α- 淀粉酶方面的优势。
   • 淀粉颗粒形态：通过扫描电子显微镜观察发现，未改性的淀粉颗粒形状均匀、表面光滑，就像一个个圆润的小珠子。而经过发酵的淀粉颗粒发生了破裂，B. vallismortis 在第 4 天、B. amyloliquefaciens 在第 16 天对淀粉颗粒的降解效果明显，这表明淀粉酶对淀粉颗粒的攻击改变了其形态。
   • 改性淀粉的功能特性：从糊化曲线来看，随着发酵时间的增加，B. vallismortis 和 B. amyloliquefaciens 处理的淀粉粘度都有所下降，且在不同发酵时间的曲线与商业淀粉的曲线有相似之处。这说明发酵改变了淀粉的物理性质，使其更接近商业淀粉的特性。
3. 生物工艺流程图：基于上述研究结果，研究人员提出了一个利用微生物生产改性木薯淀粉的生物工艺流程图。该流程包括微生物菌株的制备、发酵、分离和干燥等环节，还建议使用 UV 辐射减少微生物负荷，以及采用 UV 光干燥或氧化后干燥的方法替代传统的日晒干燥，这将有助于实现生产过程的标准化和工业化。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功建立了适合 B. amyloliquefaciens 和 B. vallismortis 生长的培养条件，实现了降低天然商业淀粉微生物负荷的方法，确定了用于改性木薯淀粉的培养条件和培养基配方。同时，发现发酵使淀粉的颗粒形态和其他性质发生了改变。这个生物工艺流程图为木薯淀粉的工业化生产提供了重要的参考，有望限制有害甚至致病菌株的生长，提高生产效率，保障产品质量。而且，该方法是首次提出的可扩展且适合标准化生产 sour 木薯淀粉的微生物方法，为木薯淀粉生产行业的发展开辟了新的道路，具有重要的科学意义和应用价值。