黑果腺肋花楸酵素自然发酵过程中主要成分与抗氧化活性变化

王思溥，朱 丹 ，牛广财, ，宁志雪，朱立斌，魏文毅，徐瑞航

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江省农产品加工工程技术研究中心，黑龙江大庆 163319；3.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江大庆 163319）

黑果腺肋花楸（Aronia melanocarpaElliott）为蔷薇科腺肋花楸属灌木浆果，富含多酚、黄酮、花青素和多种有机酸、氨基酸及维生素等主要营养成分，具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎抑菌等生理活性功能[1−4]，同时，能够提高人体免疫力，调节血糖血脂，改善肝功能以及防治心血管疾病[5−8]。作为含有丰富生物活性物质的浆果之一，黑果腺肋花楸以其非凡的抗氧化能力著名，其抗氧化指数（Oxygen radical absorbance capacity，ORAC）高达160.2 μmol TE/g，高于接骨木果、蓝莓、黑加仑、越橘、草莓、蔓越莓、葡萄等多种富含多酚的浆果[9]。Kardum 等[10]研究发现，25 位健康女性连续3 个月每日3 次摄入100 mL 黑果腺肋花楸果汁，红细胞中超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione peroxidase，GPx）两种抗氧化酶活力均显著增加（P<0.05），说明其在保护细胞氧化损伤方面具有一定作用，具有良好的抗氧化活性。国家卫健委于2018 年将黑果腺肋花楸果正式列为新食品原料，为其进行精深加工提供了基础和保障。

酵素作为一种功能性发酵产品，含有多种酶、维生素、总多酚和花色苷等生物活性成分。食用酵素的发酵方式分为两种：接菌发酵利用不同的微生物作为起始发酵剂，其发酵过程虽易于调控，但容易出现风味单一及同质化现象；自然发酵不添加任何特殊发酵剂，仅依靠原料中的优势菌群发酵，微生物群落组成不断变化，生成不同代谢产物，经自然发酵后的酵素具有良好的抗氧化性能[11]。自然发酵过程中，酵素中参与发酵的微生物会发生代谢转化，使生化指标及抗氧化活性产生明显变化，其抗氧化活性与营养物质组成及含量的变化密不可分，薛淑龙等[12]报道的竹叶酵素在自然发酵过程中总酚含量持续上升，与DPPH 自由基、ABTS+自由基清除率和还原力均呈极显著正相关（P<0.01）。目前，关于黑果腺肋花楸自然发酵酵素及其在发酵过程中主要成分变化和抗氧化机制的研究鲜有报道，明确自然发酵中主要营养成分和抗氧化活性的动态变化有利于黑果腺肋花楸酵素发酵过程的调控。因此，本研究以黑果腺肋花楸作为原料，探究黑果腺肋花楸酵素在28 ℃条件下恒温自然发酵90 d 过程中还原糖、可溶性固形物、酒精度、总酸、总多酚、总黄酮、花色苷和SOD 酶活力等主要成分与DPPH 自由基、ABTS+自由基和羟自由基清除能力等抗氧化活性的变化规律以及两者之间的相关性，为黑果腺肋花楸酵素自然发酵工艺优化以及提高其产品品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑果腺肋花楸果（2021 年10 月5 日采收于吉林延边朝鲜族自治州图们市水南黑果农场，成熟度良好，可溶性固形物含量8%）延边黑果科技发展有限公司；白砂糖 内蒙古荷丰农业股份有限公司；Pectinex XXL 果胶酶（酶活10000 U/mL）、Celluclast 1.5 L 纤维素酶（酶活10000 U/mL）诺维信生物技术有限公司；福林酚、DPPH、ABTS 上海麦克林生化科技有限公司；总抗氧化能力（O-TAC）试剂盒、SOD 试剂盒 南京建成生物工程研究所；芦丁、没食子酸、葡萄糖 标准品，上海纯优生物科技有限公司；亚硝酸钠、氯化铁、无水碳酸钠、氢氧化钠、硫酸亚铁、氯化钠、冰乙酸、过氧化氢、水杨酸、硝酸铝、磷酸、铁氰化钾、无水醋酸钠、无水乙醇、高硫酸钾、甲醛、盐酸、无水甲醇、三氯乙酸等 分析纯，辽宁泉瑞试剂有限公司。

L530R 离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；JA2003 电子分析天平 南北科仪（北京）科技有限公司；SP909S 打浆机 浙江绍兴苏泊尔家居用品有限公司；LB90A 手持糖度计 广州铭睿电子科技有限公司；LRH-70F 恒温培养箱 青岛明博环保科技有限公司；HH-6 恒温水浴锅 常州荣华仪器制造有限公司；UV765PC 紫外分光光度计 渡扬精密仪器（上海）有限公司；pHS-3E 型pH 计 上海习仁科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黑果腺肋花楸自然发酵酵素的制备

1.2.1.1 工艺流程 黑果果实→挑选→破碎→酶解→调整糖度→自然发酵→恒温培养→黑果酵素

操作要点：

a.破碎：按照黑果腺肋花楸果与水1:1 的比例（m:V）添加纯净水，用打浆机打碎并测定其可溶性固形物含量。

b.酶解：纤维素酶与果胶酶的比例为1:2[13]，添加量为纤维素酶3.2 mL/kg，果胶酶6.4 mL/kg；45 ℃恒温水浴酶解3.5 h，酶解后pH 为3.57±0.02。

c.调整糖度：按照黑果腺肋花楸果与白砂糖4:1（m:m）左右的比例添加白砂糖，调整糖度至190 g/L。

d.自然发酵：调整糖度后的黑果腺肋花楸果浆分装于已灭菌的锥形瓶中，瓶口使用带有发酵栓的胶塞密封，置于28 ℃条件下恒温自然发酵90 d[14]。

e.分析测定：每隔10 d 取样一次，将黑果腺肋花楸发酵液混合均匀，常温下4000 r/min 离心15 min后，对上清液进行主要成分与抗氧化活性检测，重复3 次。

1.2.2 黑果腺肋花楸酵素自然发酵过程中主要成分的测定

1.2.2.1 还原糖含量测定 采用3,5-二硝基水杨酸比色法（DNS 显色法）[15]，葡萄糖标准曲线方程为：y=0.6577x−0.0145，R2=0.9975。

1.2.2.2 可溶性固形物（TSS）含量的测定 采用手持糖度计法。

1.2.2.3 酒精度测定 参考GB 5009.225-2016 食品安全国家标准 酒中乙醇浓度的测定的方法，采用密度瓶法测定并计算发酵液酒精度。

1.2.2.4 总酸含量测定 参考GB 12456-2021 食品安全国家标准 食品中总酸的测定的方法，结果以苹果酸计。

1.2.2.5 总多酚含量测定 采用福林酚法进行测定[16]，没食子酸标准曲线方程为：y=0.0237x−0.0068，R2=0.9999。

1.2.2.6 总黄酮含量测定 采用亚硝酸钠-硝酸铝-氢氧化钠比色法进行测定[17]，芦丁标准曲线方程为：y=10.427x+0.0186，R2=0.9978。

1.2.2.7 花色苷含量测定 参考张荣菲等[18]的方法，采用pH 示差法测定花色苷含量。

1.2.2.8 SOD 酶活力测定 参考樊秋元等[19]的试剂盒方法进行测定。

1.2.3 黑果腺肋花楸酵素自然发酵过程中抗氧化活性的测定

1.2.3.1 DPPH 自由基清除能力的测定 参考张琪等[20]的方法配制浓度为0.5 mmol/mL 的DPPH 溶液，将0.5 mL DPPH 溶液与2 mL 稀释后的发酵液混合均匀，37 ℃避光放置20 min，用无水甲醇作空白，在517 nm 测定吸光度A1。将2 mL 无水甲醇与0.5 mL DPPH 溶液混合均匀后，于37 ℃避光放置20 min，测定其吸光度A0。将0.5 mL 无水甲醇与2 mL 稀释后的发酵液混合均匀后，于37 ℃避光放置20 min，测定其吸光度A2，按公式（1）计算。

式中：A1为加发酵液后DPPH 溶液的吸光度；A2为加发酵液，不加DPPH 溶液的吸光度；A0为加无水甲醇后DPPH 溶液的吸光度。

1.2.3.2 ABTS+自由基清除能力的测定 参照宋艺君等[21]的方法配制ABTS 溶液，取20 μL 发酵液，加入2 mL ABTS 反应液，混匀静置10 min，测定其在734 nm 处的吸光度，以不加入样品的ABTS 反应液为空白对照，按公式（2）计算。

式中：A1为发酵液的吸光度，A0为空白对照的吸光度。

1.2.3.3 羟自由基清除能力的测定 参考李昱鼎[22]的方法稍有改动。在2 mL 稀释后的发酵液中分别加入6 mmol/L FeSO4溶液和6 mmol/L H2O2溶液各2 mL，摇匀后静置10 min，再加入2 mL 6 mmol/L水杨酸溶液，摇匀后37 ℃保温1 h，于510 nm 处测定吸光值 A1。以蒸馏水代替发酵液，测定吸光值A0。以蒸馏水代替水杨酸溶液，测定吸光值A2，按公式（3）计算。

式中：A0为空白的吸光度，A1为发酵液的吸光度，A2为发酵液在体系中的吸光度。

1.2.3.4 总还原力的测定 参照姚沛琳等[23]的方法稍有改动。在1 mL 发酵液中分别加入0.2 moL/L pH6.6 磷酸盐缓冲液和1%铁氰化钾溶液各2.5 mL，50 ℃水浴20 min，加入2.5 mL 10%三氯乙酸溶液，于4000 r/min 离心10 min，取2.5 mL 上清液，加入2.5 mL 蒸馏水和0.2 mL 0.1%的三氯化铁溶液，静置10 min，在700 nm 处测定吸光度。

1.2.3.5 总抗氧化能力的测定 参考樊秋元等[19]的试剂盒方法进行测定。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 黑果腺肋花楸酵素自然发酵过程中主要成分的变化

2.1.1 还原糖含量、TSS 和酒精度的变化 图1 为黑果腺肋花楸自然发酵过程中还原糖含量、TSS 和酒精度的变化。发酵液中的可溶性固形物主要是糖类物质，糖类是微生物利用最广泛的碳源和能源物质，在发酵中被酵母等微生物消耗分解产生酒精和二氧化碳等物质。因此，发酵过程中还原糖和TSS 的变化规律基本一致，两个指标随着发酵的进行总体呈下降趋势，尤其在前20 d 下降非常明显，20 d 后趋于平稳，发酵90 d 时还原糖和TSS 从初始的186.59 g/L和19.0%分别降至4.18 g/L 和7.5%，而酒精度的变化规律正好与前两者相反。酒精度在前20 d 上升较快，在发酵30 d 时酒精度已经达到最高值10.1%vol，之后缓慢下降逐渐趋于稳定，这可能是由于发酵前期酵母菌等产酒精微生物的菌数较高，消耗还原糖速度较快并产生大量酒精，随着发酵的进行，还原糖含量的大幅度减少，中后期可利用的能源物质较少，使酒精度维持稳定，也可能由于产生的乙醇浓度较高，抑制了酵母等微生物的活动[24]，后期酒精度略有下降可能与酒精和发酵液中的酸类物质作用产生酯类物质有关[25]。

图1 黑果腺肋花楸自然发酵过程中还原糖含量、TSS 和酒精度变化Fig.1 Changes of reducing sugar content,TSS and alcohol content during natural fermentation of black chokeberry

2.1.2 总酸含量的变化 图2 为黑果腺肋花楸自然发酵过程中总酸含量的变化规律。总酸含量总体呈波动下降的趋势，从初始的5.87 g/L 降低至3.94 g/L，可能是由于发酵液中的有机酸被氧化分解形成脂类，被微生物作为碳源消耗，导致其含量下降，但总酸含量在发酵第30 d 和第70 d 时略有上升，出现波动的原因可能是由于有机酸的种类和含量在发酵不同阶段发生了变化，也可能是微生物的生长代谢产生了大量的二氧化碳，由于二氧化碳气泡在发酵瓶内不稳定，使得发酵后期酵素液的总酸含量产生轻微上下浮动[26]。

图2 黑果腺肋花楸自然发酵过程中总酸含量变化Fig.2 Changes of total acid content during natural fermentation of black chokeberry

2.1.3 总多酚、总黄酮和花色苷含量的变化 黑果腺肋花楸自然发酵过程中总多酚、总黄酮及花色苷含量变化如图3 所示。总多酚和总黄酮含量均呈先升高后降低趋势，在发酵10 d 时总多酚含量达到最高值4.99 mg/mL，20 d 时总黄酮含量达到最高值269.68 mg/L，相对于未发酵前分别提高了26.01%和27.12%，可能由于发酵前期在高渗透压的环境使多酚和黄酮类物质逐步被溶解释放至发酵液中，同时大分子酚类物质被微生物利用生成小分子酚类物质，使体系的总酚和黄酮含量呈上升趋势。发酵20 d 后总多酚和总黄酮含量持续降低，到90 d 时分别降低至2.84 mg/mL 和166.43 mg/L，可能是由于酚类化合物与有机酸发生反应而生成酚酸类化合物；总黄酮含量的降低可能是由于酵母产生的次级代谢产物如丙酮酸、乙醛等与黄酮类物质反应，生成一些大分子衍生物；也可能是微生物产生的一些酶使其发生降解，导致其水溶性降低，从而使发酵液中总黄酮含量下降[27]。

图3 黑果腺肋花楸自然发酵过程中总多酚、总黄酮及花色苷含量变化Fig.3 Changes of total polyphenols,total flavonoids and anthocyanins during natural fermentation of black chokeberry

花色苷的变化趋势与总多酚和总黄酮变化不同，随着发酵的进行，花色苷含量不断下降，由初始的668.49 mg/L 降至90 d 时最低值17.26 mg/L，仅为初始值的2.58%，特别是发酵的前20 d 下降尤为明显，此后下降相对缓慢。这与韦仕静[28]报道的桑葚酵素发酵的变化一致，即桑葚酵素发酵过程中花青素持续下降，可能与植物乳杆菌等微生物作用发生生物转化有关。

2.1.4 SOD 酶活力变化 SOD 酶具有清除自由基和过氧化氢等能力，是细胞防御系统中的主要抗氧化酶，图4 为黑果腺肋花楸自然发酵过程中SOD 酶活力变化。SOD 酶活力总体呈先升高后降低趋势，但在整个发酵过程中SOD 酶活力较发酵前均有显著提高（P<0.05），说明发酵体系中具有能够产生SOD酶的微生物，与宋爱伟等[29]的研究中乳酸菌和酵母菌两种菌类都可以使酵素SOD 酶提高的结果一致。因此，发酵过程中SOD 酶活力的升高可能与微生物的增长有关。本实验中前10 d 时SOD 酶活力急剧升高，达到最高值5151.80 U/mL，其活力值为发酵前的3.22 倍，发酵10 d 后开始缓慢降低。贾丽丽等[30]研究发现，SOD 酶活力与生物量变化之间呈现显著正相关（P<0.05）。由此可知，随着发酵体系中微生物的增加，有利于SOD 酶的产生，但是在发酵中后期，不同微生物之间存在竞争或者拮抗关系，抑制了SOD 酶的积累[31]。黑果腺肋花楸酵素自然发酵结束后，SOD 酶活力为2215.54 U/mL，虽然远低于发酵10 d 的结果，但要高于核桃青皮果蔬酵素（1980.25 U/mL）、黑果枸杞酵素（644.45 U/mL）和诺丽酵素（376.426 U/mL）等其他酵素中的SOD 酶活力[32−34]。

图4 黑果腺肋花楸自然发酵过程中SOD 酶活力变化Fig.4 Changes of SOD enzyme activity during natural fermentation of black chokeberry

2.2 黑果腺肋花楸自然发酵过程中抗氧化活性变化

2.2.1 DPPH、ABTS+、羟自由基清除能力变化 图5～图7 分别为黑果腺肋花楸自然发酵过程中DPPH、ABTS+及羟自由基清除能力变化。黑果腺肋花楸发酵液在整个发酵过程中的DPPH 自由基、ABTS+自由基及羟自由基的清除能力均高于初始样品的清除能力（P<0.05），说明采用适度发酵的方法能够有效提高其对自由基的清除能力。

图5 黑果腺肋花楸自然发酵过程中DPPH自由基清除能力变化Fig.5 Changes of DPPH radical scavenging capacity during natural fermentation of black chokeberry

图6 黑果腺肋花楸自然发酵过程中ABTS+自由基清除能力变化Fig.6 Changes of ABTS+ radical scavenging capacity during natural fermentation of black chokeberry

图7 黑果腺肋花楸自然发酵过程中羟自由基清除能力变化Fig.7 Changes of hydroxyl radical scavenging capacity during natural fermentation of black chokeberry

随着发酵的进行，DPPH 自由基清除能力和ABTS+自由基清除能力总体上均呈先上升后下降的趋势，DPPH 自由基清除率于40 d 达到最大值65.78%，ABTS+自由基清除率于50 d 达到最高值85.06%，两种自由基清除能力变化规律大致相同，这可能与发酵前期发酵液中较高的多酚、黄酮等抗氧化活成分和SOD 酶活性有关，后期DPPH 自由基清除能力逐渐减弱很可能与发酵液中微生物代谢过程中分解或消耗具有清除能力的物质有关[35]。与前两种自由基清除能力变化有所不同，随着发酵的进行，羟基自由基清除能力均持续升高，于70 d 达到最高值94.22%，可能是由于微生物代谢的结果；70 d 后基本稳定，该结果与苏龙等[36]的研究结果一致。黑果腺肋花楸自然发酵过程中，DPPH 自由基清除率、ABTS+自由基清除率和羟自由基清除率的变化趋势不一致，这与唐敏等[37]对桑葚酵素的研究结果一致，可能由于发酵过程中的微生物利用的原料成分和代谢产物不同。

2.2.2 总抗氧化能力和总还原力的变化 黑果腺肋花楸自然发酵过程中总抗氧化能力和总还原力的变化如图8 所示。在整个发酵过程中，总抗氧化能力和总还原力均显著高于初始样品（P<0.05）。总抗氧化能力随着发酵的进行，呈现先升高后降低趋势，发酵前初始样品的总抗氧化能力为540.82 U/mL，发酵前30 d 持续上升达到最高值750.48 U/mL，之后随着发酵的进行而持续下降，于90 d 时降至561.17 U/mL，这与樊秋元等[19]研究中黑加仑酵素的总抗氧化能力在发酵96 h 时达到最大值844.83 U/mL 之后下降的结果一致；说明黑果腺肋花楸酵素在适度的发酵时间内有利于总抗氧化能力的增长，发酵时间的过度延长会导致总抗氧化能力逐渐降低。总还原力在发酵第10 d 时达到最高值1.014，从第10 d 开始持续波动下降，其变化与总多酚和总黄酮含量变化趋势相似，可以初步判断发酵液总还原力的变化与总多酚和总黄酮的变化有关。

图8 黑果腺肋花楸自然发酵过程中总抗氧化能力和总还原力的变化Fig.8 Changes of total antioxidant capacity and total reducing power during natural fermentation of black chokeberry

2.3 黑果腺肋花楸自然发酵过程中主要成分与抗氧化相关性分析

黑果腺肋花楸自然发酵过程中主要成分与抗氧化活性相关性分析结果如表1 所示。还原糖和TSS与DPPH 自由基、ABTS+自由基和羟自由基清除能力呈显著的负相关（P<0.05）。酒精度与DPPH 自由基、ABTS+自由基、羟自由基清除能力3 种自由基清除能力呈显著正相关（P<0.05），相关系数为0.656～0.849。总酸和花色苷与羟自由基清除能力呈极显著负相关（P<0.01），相关系数分别为−0.919 和−0.969。总多酚和总黄酮与总抗氧化能力和总还原力呈显著正相关（P<0.05），这与魏雪琴等[38]研究的红枣酵素总抗氧化能力与总黄酮和总多酚含量呈显著正相关的结果相一致。SOD 与DPPH 自由基和ABTS+自由基清除能力呈显著正相关（P<0.05），并与总还原力和总抗氧化能力呈极显著正相关（P<0.01），表明SOD对黑果腺肋花楸酵素的抗氧化活性影响很大，这与张海燕等[39]的研究结果一致。

表1 黑果腺肋花楸自然发酵过程中主要成分与抗氧化活性相关性分析Table 1 Correlation analysis of main components and antioxidant activity during natural fermentation of black chokeberry

3 结论

黑果腺肋花楸自然发酵过程中，其还原糖、TSS、总酸、花色苷含量总体呈下降趋势，酒精度持续上升后逐渐趋于稳定，总多酚、总黄酮和SOD 酶活力均呈先升高后降低的趋势。与初始样品相比，发酵液的抗氧化能力均显著升高（P<0.05）。相关性分析表明，酒精度、总多酚、总黄酮、SOD 与其抗氧化活性总体呈显著正相关（P<0.05），还原糖、TSS 和总酸与抗氧化活性总体呈显著负相关（P<0.05）。黑果腺肋花楸自然发酵过程中代谢产物含量的变化规律，可以在一定程度上反映其发酵液中主要成分和生物活性物质的积累情况。后续将在此基础上，深入研究黑果腺肋花楸自然发酵中微生物菌群与上述代谢产物的关系，为进一步了解黑果腺肋花楸酵素抗氧化机制以及发酵过程的调控提供更多指导和参考。