摘要:为了充分利用野樱莓果渣副产物,变废为宝,该试验选取酵母菌和干酪乳杆菌对野樱莓果渣进行发酵,以总酚含量、SOD酶活性为指标,通过单因素试验和响应面试验确定酵母菌发酵的最优工艺参数为接种量0.40%、发酵温度27.1 ℃、发酵时间12 h、初始糖度17.99%。在酵母菌发酵12 h后,在37 ℃条件下接种干酪乳杆菌,其接种量为0.30%,静置发酵16 h后在20 ℃环境中进行24 h的后发酵,使其产香。在此条件下,发酵液SOD酶活性为325.00 U/mL,总酚含量为1.981 mg/mL,酵母菌数为2.18×108 CFU/mL,干酪乳杆菌数为7.55×107 CFU/mL,总酸含量为3.23 g/dL;抗氧化活性结果表明,当酵素液浓度为60 μg/mL时,DPPH·、·OH和ABTS+·清除率分别为(94.05±0.003)%、(94.11±0.018)%和(99.50±0.002)%,其还原力为VC对照组的81.12%。
关键词:野樱莓;果渣;酵素;发酵;抗氧化活性
中图分类号:TS255.36 """""文献标志码:A """"文章编号:1000-9973(2024)09-0029-09
Optimization of Fermentation Technology of Aronia melanocarpa Pomace
Enzyme and Study on Its Antioxidant Activity
YANG Liu1, DING Xue1, JIANG Zhi-peng1, CHEN Wen-wen1,
CHEN Sheng1, MA Ning1, XU Sheng-yu2, WANG Jing-yi3*
(1.School of Food Science and Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China;
2.Baishan Linyuanchun Ecological Technology Co., Ltd., Baishan 134300, China;
3.Office of Academic Affairs, Changchun University, Changchun 130022, China)
Abstract: In order to fully utilize the by-products of Aronia melanocarpa pomace and turn waste into treasure, yeast and Lactobacillus casei are selected to ferment Aronia melanocarpa pomace. With the total phenol content and SOD enzyme activity as the indexes, the optimal technology parameters for yeast fermentation are determined by single factor test and response surface test as follows: inoculation amount is 0.40%, fermentation temperature is 27.1 ℃, fermentation time is 12 h and initial sugar content is 17.99%. After 12 h of yeast fermentation, Lactobacillus casei is inoculated at 37 ℃with the inoculation amount of 0.30%. After 16 h of static fermentation, 24 h of post fermentation is carried out at 20 ℃ to make it produce aroma. Under these conditions, SOD enzyme activity of fermentation broth is 325.00 U/mL, total phenol content is 1.981 mg/mL, yeast count is 2.18×108 CFU/mL, Lactobacillus casei count is 7.55×107 CFU/mL, and total acid content is 3.23 g/dL. The antioxidant activity results show that when the concentration of enzyme liquid is 60 μg/mL, the scavenging rates on DPPH·, ·OH and ABTS+· are (94.05±0.003)%, (94.11±0.018)% and (99.50±0.002)% respectively, and the reducing power is 81.12% of that of VC control group.
Key words: Aronia melanocarpa; pomace; enzyme; fermentation; antioxidant activity
收稿日期:2024-03-25
基金项目:吉林省教育厅项目(JJKH20230682KJ);吉林省科技厅项目(20220202082NC)
作者简介:杨柳(1981—),女,副教授,博士,研究方向:农产品加工与贮藏。
*通信作者:王静怡(1989—),女,讲师,硕士,研究方向:有机化学。
野樱莓也称不老莓,主要用于果汁、果酒的生产,而果渣作为加工废弃物多被丢弃,既降低了营养成分的利用率,造成资源浪费,又引起环境污染。据报道,我国每年产生的野樱莓果渣有几百万吨。有研究表明,野樱莓果渣中含有丰富的营养物质,如花青素、原花青素、多酚、黄酮等,其中多酚类物质含量是其他浆果的数倍[1],果渣具有抗氧化、抑菌、抗炎症和保护心脑血管等诸多生理功能[2-4]。
酵素作为一种生物催化剂,参与体内的多种代谢活动[5]。酵素为酶的旧称,不仅用来形容酶,而且用来形容产酶微生物和有关调节因子之间的相互作用[6]。酵素中含有丰富的蛋白酶、超氧化物歧化酶、脂肪酶、花青素、多酚类、维生素、矿物质等营养成分[7-8],具有润肠通便、消炎杀菌、抗氧化、净化血液等功效[9-12]。
干酪乳杆菌具有降血压、防治腹泻、提高免疫力、降低胆固醇等作用,现多被应用于酸乳、保健饮品中[13];酵母菌除了能丰富发酵制品的风味外,还能很好地抑制有害菌的生长,并对人体存在益生功能[14]。
本试验以野樱莓果渣为原料,采用二步发酵法制备野樱莓果渣酵素,并对其抗氧化活性进行研究。此研究对提高野樱莓资源的综合利用率、产品附加值及对吉林省地方经济发展、解决就业、农民创收具有十分重要的意义。
1 材料与设备
1.1 发酵菌种
葡萄酒、果酒专用酵母:湖北安琪酵母股份有限公司;干酪乳杆菌:郑州百益宝生物技术有限公司。
1.2 材料与试剂
酵母膏、蔗糖、碳酸铵、磷酸氢二钾、磷酸钙、硫酸镁、MRS琼脂、MRS肉汤、没食子酸、福林酚、邻苯三酚、三氯乙酸、硫酸亚铁、铁氰化钾、水杨酸、无水乙醇、抗坏血酸、无水碳酸钠(均为分析纯):国药集团化学试剂有限公司。
1.3 试验设备
UV2700紫外可见分光光度计 日本岛津仪器有限公司;HD-E804-55A电热鼓风干燥箱 上海仪电物理光学仪器有限公司;PHS-3C pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;DHP-600电热恒温培养箱 上海坤诚科学仪器有限公司;XFS-280MB高压灭菌锅 上海尚仪仪器设备有限公司;MSD510荧光显微镜 迈时迪(东莞)科技有限公司。
1.4 实验内容与方法
1.4.1 野樱莓果渣酵素的制备
1.4.1.1 工艺流程
图1 果渣酵素制备的工艺流程图
Fig.1 Process flow diagram of preparation of pomace enzyme
1.4.1.2 操作要点
a.酶解
果渣按1∶2.5的料液比(g/mL)加入蒸馏水,按照底物质量分数3%添加纤维素酶与果胶酶,二者质量比为1.3∶1,酶解时间为2 h,酶解温度为50 ℃,酶解pH值为5。
b.调配
参考杨培青[15]的方法,按照质量比向酶解液中补充0.2%酵母膏、0.8%碳酸铵、1.7%磷酸氢二钾、0.02%磷酸钙、0.02%硫酸镁,调节发酵液的pH值至5,再添加蔗糖,通过糖酸一体机对其糖度进行测定,使其达到设定初始糖度。
c.灭菌
将调配好的发酵液进行巴氏杀菌,加热至85 ℃,保温15 s,冷却至室温备用。
d.菌种活化培养
酵母菌用100 mL无菌生理盐水溶解,在30 ℃下水浴30 min,于4 ℃下冷藏保存[16];干酪乳杆菌用MRS培养基在37 ℃下进行二代培养,再在MRS肉汤培养基中静置培养48 h,在4 ℃下冷藏保存。
e.接种
在无菌环境下,保证发酵液充分溶氧,先后接入酵母菌、干酪乳杆菌。
f.发酵
对调配好的果渣酶解液进行静置发酵,测定酵素液总酚含量和SOD酶活性。
1.4.2 酵母菌发酵的单因素试验
由表1可知,以总酚含量和SOD酶活性为指标,分别考察酵母菌发酵时间、发酵温度、初始糖度和接种量4个因素,确定最适酵母菌发酵条件。
1.4.3 酵母菌发酵的响应面试验
在单因素试验的基础上设计响应面试验,确定酵母菌发酵的最优工艺。
1.4.4 干酪乳杆菌发酵的单因素试验
在无菌环境下,向经酵母菌发酵后的发酵液中接入干酪乳杆菌。由表2可知,以总酚含量和SOD酶活性为指标,分别考察干酪乳杆菌发酵时间、发酵温度和接种量3个因素,确定最适干酪乳杆菌发酵条件。
1.4.5 二次发酵试验
本试验先接种酵母菌,发酵到合适时间,再接种干酪乳杆菌。在保证野樱莓果渣发酵液充分溶氧的条件下,以酵母菌的最优工艺参数进行发酵,发酵时间分别设定为8,12,16 h[15],然后接种干酪乳杆菌,按照干酪乳杆菌发酵单因素试验结果继续发酵至终点。测定酵素液中总酸含量、总酚含量、SOD酶活性、酵母菌数和干酪乳杆菌活菌数,根据各指标的变化综合确定干酪乳杆菌的最佳接入时间。
1.4.6 指标测定
1.4.6.1 总酚的测定
按照GB/T 31740.2—2015《茶制品 第2部分:茶多酚》中的方法进行测定。
1.4.6.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定
按照GB/T 5009.171—2003《保健食品中超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定》中第一种方法进行测定。
1.4.6.3 酵母菌的测定
按照GB 4789.15—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检测 霉菌和酵母计数》中直接镜检计数法进行测定。
1.4.6.4 干酪乳杆菌的测定
按照GB 4789.35—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检测 乳酸菌检验》中的方法进行测定。
1.4.6.5 总酸的测定
按照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》中的方法进行测定。
1.4.7 抗氧化活性测定
1.4.7.1 还原力的测定
参照刘梦培等[17]的方法。
1.4.7.2 DPPH自由基清除能力的测定
参照王佳[18]的方法。
1.4.7.3 羟基自由基清除能力的测定
参照段红梅等[19]的方法。
1.4.7.4 ABTS自由基清除能力的测定
参照刘维兵等[20]的部分方法。
1.5 数据处理
采用SPSS软件进行统计分析,结果用平均值±标准差表示,应用ANOVA分析各组结果间的显著性差异(P<0.05);响应面试验数据采用Design-Expert 8.0.6软件进行处理;采用Origin 2019b软件进行数据图形处理。
2 结果与分析
2.1 酵母菌发酵的单因素试验结果与分析
2.1.1 发酵时间的确定
由图2可知,随着发酵时间的延长,总酚含量和SOD酶活性均呈先上升后下降的趋势。当发酵时间为12 h时,总酚含量和SOD酶活性均达到最高值,分别为(1.96±0.066) mg/mL和(235.00±7.806) U/mL。这可能是由于长时间发酵,使得酵母菌不断生长繁殖,发酵产物有机酸等不断增多,进而抑制酶活力。因此,确定酵母菌最适发酵时间为12 h。
2.1.2 发酵温度的确定
由图3可知,随着发酵温度的升高,总酚含量和SOD酶活性均先上升后下降。当发酵温度为27 ℃时,总酚含量和SOD酶活性均达到最高值,分别为(2.03±0.006) mg/mL和(240.00±3.039) U/mL。之后随着温度的升高,总酚含量和SOD酶活性均降低,这可能是由于过高的温度影响了酵母菌的生长繁殖,进而抑制了果渣酵素的发酵。因此,确定酵母菌最适发酵温度为27 ℃。
2.1.3 初始糖度的确定
由图4可知,随着初始糖度的增加,总酚含量先缓慢上升后下降,而SOD酶活性先上升后下降。当初始糖度为18%时,总酚含量和SOD酶活性均达到最高值,分别为(1.35±0.013) mg/mL和(190.00±1.767) U/mL。这是由于酵母菌在生长繁殖过程中不断消耗糖类物质,适当增加初始糖度会促进酵母菌生长繁殖,进而影响总酚含量和SOD酶活性,但初始糖度过高反而会抑制酵母菌生长繁殖。因此,确定酵母菌最适发酵初始糖度为18%。
2.1.4 接种量的确定
由图5可知,随着酵母菌接种量的增加,总酚含量变化不明显,而SOD酶活性先上升后下降。当酵母菌接种量为0.4%时,发酵液的总酚含量为(1.35±0.049) mg/mL,SOD酶活性达到最高值,为(240.00±3.039) U/mL,这可能是由于大量酵母菌生长,糖和氧被消耗完,发酵液中的营养物质无法满足其生长繁殖需求,菌体活性受到影响,导致SOD酶活性下降。因此,确定酵母菌最适接种量为0.4%。
2.2 响应面试验结果与分析
采用Design-Expert 8.0.6软件的Box-Behnken设计响应面试验,响应面试验因素及水平设计见表3,响应面试验设计及结果见表4。
进行方差分析及显著性检验,结果见表5和表6。
由表5和表6可知,两个回归模型均极显著(P<0.000 1),而失拟项均不显著(Pgt;0.05),同时R2分别为0.994 5和0.982 7,RAdj2分别为0.988 9和0.965 4,说明两个模型与实际拟合度较好,可对试验结果进行很好的描述。
由方差分析结果可知,总酚含量回归模型中A2、B2、C2、D2的P值均lt;0.000 1,影响极显著。AB、BC、CD的P值均lt;0.01,影响高度显著,A、B、C、D、BD的P值均gt;0.05,影响不显著。由F值可知,各因素对酵母菌发酵工艺总酚含量的影响顺序为发酵温度(B)gt;初始糖度(C)gt;接种量(D)gt;发酵时间(A);SOD酶活性回归模型中AB、AC、AD、BC、A2、B2、C2、D2的P值均lt;0.000 1,影响极显著,CD的P值lt;0.01,影响高度显著,A、C、BD的P值均gt;0.05,影响不显著,由F值可知,各因素对酵母菌发酵工艺SOD酶活性的影响顺序为接种量(D)gt;发酵温度(B)gt;发酵时间(A)gt;初始糖度(C)。
由图6可知,等高线图均呈椭圆形,AB、BC、CD间的交互作用对总酚含量的影响较显著,曲面坡度陡峭,AC、AD间的交互作用对总酚含量的影响显著,曲面较陡;由图7可知,等高线图均呈椭圆形,AB、AC、AD、BC间的交互作用对SOD酶活性的影响较显著,曲面坡度陡峭,CD间的交互作用对SOD酶活性的影响显著,曲面较陡峭。
根据响应面软件以总酚含量和SOD酶活性为指标,优化得到最优发酵工艺参数为发酵时间11.97 h、发酵温度27.07 ℃、初始糖度17.99%、酵母菌接种量0.40%,此时总酚含量和SOD酶活性分别为1.99 mg/mL和238.57 U/mL。
考虑实际操作的可行性与方便性,将最优工艺参数转化为发酵时间12 h、发酵温度27 ℃、初始糖度18%、接种量0.4%,在此最优条件下进行3次平行试验,取平均值作为验证结果,总酚含量为1.96 mg/mL,SOD酶活性为237.02 U/mL,该值与预测值基本吻合,说明该模型是合理有效的。
2.3 干酪乳杆菌发酵的单因素试验结果与分析
2.3.1 发酵时间的确定
由图8可知,随着发酵时间的延长,酵素液中总酚含量呈缓慢下降趋势,SOD酶活性呈先上升后下降的趋势。发酵8~24 h,总酚含量由(1.932±0.006) mg/mL下降至(1.839±0.164) mg/mL,下降了4.81%;当发酵时间为16 h时,SOD酶活性达到最高值(295.00±1.767) U/mL。这可能是由于随着发酵时间的延长,产生的有机酸降低了体系的pH值,减缓了酚类物质分解转换的速率,随着发酵代谢产物的增多,抑制了SOD酶活性,部分产物与酚类物质反应,导致其快速减少。因此,确定干酪乳杆菌最适发酵时间为16 h。
2.3.2 发酵温度的确定
由图9可知,随着发酵温度的升高,总酚含量和SOD酶活性均呈先上升后下降的趋势。当发酵温度为37 ℃时,总酚含量和SOD酶活性均达到最高值,分别为(1.98±0.022) mg/mL和(291.25±1.767) U/mL,这可能是由于温度过高抑制了干酪乳杆菌的活性。因此,确定干酪乳杆菌最适发酵温度为37 ℃。
2.3.3 接种量的确定
由图10可知,随着干酪乳杆菌接种量的增加,总酚含量和SOD酶活性均呈先上升后下降的趋势。当干酪乳杆菌接种量为3%时,总酚含量和SOD酶活性均达到最高值,分别为(1.84±0.002) mg/mL和(271.25±0.678) U/mL。这可能是由于随着干酪乳杆菌接种量的增加,发酵液中的营养物质不足以满足菌种的生长繁殖需求,且初始发酵产生的有机酸等物质抑制了酶活性,使得酚类物质分解聚合更加频繁。因此,确定干酪乳杆菌发酵最适接种量为3%。
2.4 二步发酵法干酪乳杆菌接种时间的结果与分析
由表7可知,在酵母菌发酵8~12 h后接种干酪乳杆菌至发酵结束,酵素液的pH值由初始值5.02下降至4.48,其余指标均呈上升趋势,其中总酸含量相较初始值1.92 g/dL增加了68.22%,总酚含量相较初始值1.870 mg/mL增加了5.94%,SOD酶活性相较初始值306.25 U/mL增加了6.12%,酵母菌数为2.18×108 CFU/mL,干酪乳杆菌数为7.55×107 CFU/mL。在酵母菌发酵16 h后接种干酪乳杆菌至发酵结束,除酵母菌数外,总酸含量、总酚含量、SOD酶活性、干酪乳杆菌数与发酵12 h相比均有所下降。其原因可能是前期酵母菌发酵过程中消耗大量营养物质,进而导致后接入的干酪乳杆菌可利用的物质减少。且酵母菌发酵会产生乙醇,若发酵时间过长会导致乙醇浓度过高进而抑制干酪乳杆菌的生长,因此干酪乳杆菌活菌数、总酸含量、总酚含量、SOD酶活性均呈现下降趋势。综合考虑,干酪乳杆菌在发酵12 h后37 ℃条件下进行接种效果最佳。经发酵后得到酵素液中总酸含量为3.23 g/dL,总酚含量为1.981 mg/mL,SOD酶活性为325.00 U/mL,酵母菌数为2.18×108 CFU/mL,干酪乳杆菌数为7.55×107 CFU/mL。
2.5 抗氧化试验结果与分析
2.5.1 还原力的测定
由图11可知,随着野樱莓果渣酵素液浓度的增加,其吸光值增大,即还原力增大。不同浓度梯度的野樱莓果渣酵素液和VC均具有一定的还原能力。当酵素液浓度为60 μg/mL时,野樱莓果渣酵素液的吸光度为0.726±0.007,VC对照组的吸光度为0.895±0.002,此时野樱莓果渣酵素液的还原力为VC对照组的81.12%。
2.5.2 DPPH自由基清除率的测定
由图12可知,随着野樱莓果渣酵素液浓度的增加,其对DPPH自由基的清除率逐渐增大。当野樱莓果渣酵素液浓度为60 μg/mL时,野樱莓果渣酵素液对DPPH自由基的清除率为(94.05±0.003)%,是VC对照组的97.44%。
2.5.3 羟基自由基清除率的测定
由图13可知,随着野樱莓果渣酵素液浓度的增加,其对羟基自由基的清除率先逐渐增大后趋于平缓。当野樱莓果渣酵素液浓度在60 μg/mL时,野樱莓果渣酵素液对羟基自由基的清除率为(94.11±0.018)%,对照组VC对羟基自由基的清除率为(20.27±0.003)%。此时野樱莓果渣酵素液对羟基自由基的清除率为VC对照组的4.64倍。
2.5.4 ABTS自由基清除率的测定
由图14可知,随着野樱莓果渣酵素液浓度的增加,其对ABTS自由基的清除率逐渐增大。当野樱莓果渣酵素液浓度为60 μg/mL时,野樱莓果渣酵素液对ABTS自由基的清除率为(99.50±0.002)%,是VC对照组的99.58%。
3 结论
采用酵母菌和干酪乳杆菌对野樱莓果渣进行发酵,通过单因素试验和响应面试验确定酵母菌发酵的最优工艺参数为接种量0.40%、发酵温度27.1 ℃、发酵时间12 h、初始糖度17.99%。在酵母菌发酵12 h后,在37 ℃条件下接种干酪乳杆菌,其接种量为0.30%,静置发酵16 h后在20 ℃条件下进行24 h的后发酵,使发酵液产香。在此条件下,发酵液SOD酶活性为325.00 U/mL,总酚含量为1.981 mg/mL,酵母菌数为2.18×108 CFU/mL,干酪乳杆菌数为7.55×107 CFU/mL,总酸含量为3.23 g/dL;抗氧化活性结果表明,当野樱莓果渣酵素液浓度为60 μg/mL时,DPPH·、·OH和ABTS+·清除率分别为(94.05±0.003)%、(94.11±0.018)%和(99.50±0.002)%,其还原力为VC对照组的81.12%。
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