蓝莓(Vaccinium spp.)又名都柿、塘果等,富含维生素、蛋白质、微量元素及多种功能活性物质[1],有“浆果之王”的美称[2],同时也是联合国粮农组织公布的五大健康食品之一[3],深受人们喜爱。鲜果是蓝莓的主要消费方式,但由于运输及存储困难,损耗量较大,多被加工为果干、果汁、果酒等,产品线单一。
酵素作为新兴产品,是一种以果蔬作为原料,经过有益菌发酵而产生的发酵食品,含有丰富的维生素、酶、矿物质和次生代谢产物等营养成分[4]。酵素的发酵过程不仅能改善食品风味和延长货架期,还能够增强产品的生物功能性,如促进新陈代谢、调节肠胃功能、提高营养成分吸收能力等[5]。酵素的制作工艺多采用自然发酵,发酵环境复杂、时间长,导致产品品质不稳定,不适合现代化生产,因此探索酵素的人工发酵方式具有重要意义。
蓝莓多酚类是蓝莓中非常重要的化学成分[6],与蓝莓的很多功能活性密切相关。已有研究表明,发酵后的蓝莓多酚在通过表观遗传机制和调节细胞信号通路、调节癌症干细胞发育的癌症化学预防中具有重要作用[7]。刘翼翔等[8]通过细胞抗氧化模型,证明蓝莓酚酸是蓝莓的主要抗氧化物质。梁泽明[9]基于肝癌细胞模型,推测蓝莓多酚是抑制肝癌细胞增殖的主要活性物质。
因此,本研究以蓝莓鲜果为原料,以总酚含量为指标,采用酵母菌、乳酸菌和醋酸菌混菌发酵制备蓝莓酵素。通过正交试验优化混合菌[酵母菌、乳酸菌(植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌)和醋酸菌]的添加比例,并在此基础上进行发酵时间、发酵温度、菌种添加量的单因素试验,结合响应面试验确定蓝莓酵素的最优发酵工艺,以期为蓝莓酵素的进一步开发、工业化生产和生物功能机制研究提供参考。
蓝莓:产自吉林省通化市;酵母菌:安琪酵母股份有限公司;植物乳杆菌、干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌:西安米先尔生物科技有限公司;醋酸菌:济宁祥园生物科技有限公司;果胶酶(30 U/mg)、纤维素酶(200 U/mg)、半纤维素酶(100 U/mg):山东隆科特酶制剂有限公司;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)试剂盒:南京建成生物工程研究所;酵母浸出粉胨葡萄糖(yeast extract peptone dextrose,YPD)培养基、MRS 培养基、酵母膏:北京奥博星生物技术有限责任公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,2′-联氮基-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐[2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS]、没食子酸标准品(纯度≥98.0%)、福林酚试剂:北京索莱宝科技有限公司;无水碳酸钠、碳酸钙:国药集团化学试剂有限公司;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、过硫酸钾:徐州市科翔化学试剂有限责任公司;上述药品及试剂若无说明均为分析纯。
HX-PB9322A 多功能破壁机:佛山市海迅电器有限公司;Abbemat300 自动折光仪:奥地利安东帕有限公司;S433D 氨基酸分析仪:德国赛卡姆公司;HBS-1101ScanX 酶标分析仪:南京德铁实验设备有限公司;DL-CJ-2N 超净工作台:北京东联哈尔仪器制造有限公司;BSC-250 恒温恒湿培养箱:上海博迅实业有限公司;THZ-D 台式恒温振荡器:太仓市实验设备厂;HHM2 恒温水浴锅:江苏新春兰科学仪器有限公司;PHS-3C 台式pH 计:上海仪电科学仪器股份有限公司。
2.1.1 蓝莓酵素生产工艺流程
蓝莓破碎→加酶酶解→调整成分→过滤→灭菌→冷却→菌种活化→接种→发酵。
2.1.2 蓝莓酵素生产工艺操作要点
蓝莓破碎:将蓝莓和超纯水按照质量比1∶1.5 混合后用多功能破壁机破碎。
加酶酶解:在55 ℃条件下添加0.4%酶(按照总质量计算),酶解2.5 h。果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶质量比为2∶1∶1[10]。
调整成分:添加10% 葡萄糖以及3% 脱脂乳粉,混合均匀至完全溶解。
过滤:洁净纱布过滤后分装至50 mL 锥形瓶中,用无菌培养容器封口膜密封(气体可以从锥形瓶中排出,同时有效防止外部杂菌进入)[11]。
灭菌:高压蒸汽灭菌,105 ℃条件下灭菌10 min。
冷却:冷却至室温后转移到超净工作台。
菌种活化:活化酵母菌和乳酸菌。
接种:将冷却至室温的蓝莓果汁按试验要求的接种量添加活化后的酵母菌、乳酸菌以及醋酸菌。
发酵:将锥形瓶放入恒温恒湿培养箱中进行发酵。
2.2.1 酵母菌的活化及活菌数的测定
将1 g 酵母菌溶于9 mL 无菌水,在35 ℃恒温水浴锅中活化30 min[11],吸取1 mL 活化的菌液,依次进行浓度梯度稀释,每个稀释度涂布3 个平板,30 ℃培养48 h 后记录菌数,使菌体浓度达到1×108 CFU/mL。
2.2.2 乳酸菌的活化及活菌数的测定
准确称取1 g 不同种类的乳酸菌(植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌)分别溶于9 mL 无菌水,在35 ℃恒温水浴锅中活化30 min[12],根据GB 4789.35—2023《食品安全国家标准食品微生物学检验乳酸菌检验》中的方法进行乳酸菌计数,使菌体浓度达到1×108 CFU/mL。
2.2.3 醋酸菌活菌数测定
醋酸菌活菌数的测定采用稀释涂布平板法,醋酸菌的培养采用种子培养基[13]。准确称取醋酸菌1.00 g,加入100 mL 无菌水,在200 r/min 的恒温振荡器上摇动30 min 后,吸取1 mL 菌液,依次进行浓度梯度稀释,每个稀释度涂布3 个平板。在32 ℃条件下培养24~48 h[14],使活菌数达1×107 CFU/mL。
2.3.1 没食子酸标准曲线的绘制
参考文献[15]的方法,准确称取没食子酸标准品1.6 mg,加入超纯水5 mL,制备成0.32 mg/mL 的标准溶液,分别在6 个试管中加入精确量取的0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mL 没食子酸标准溶液,然后加入0.1 mL 福林酚试剂,反应3 min 后添加0.3 mL 10%Na2CO3 溶液,用超纯水定容到2.0 mL,摇匀,避光放置1.5 h。测量750 nm 处的吸光度并绘制质量浓度-吸光度曲线(标准曲线Y=0.223 11X-0.015 7,R2=0.996 9)。
2.3.2 样品总酚含量的测定
参考罗泽江等[16]的方法并略作修改。将1 mL 样品溶液在8 000 r/min 条件下离心10 min,取出0.1 mL上清液后加0.1 mL 福林酚试剂,混合均匀反应3 min,加入0.3 mL 10% Na2CO3 溶液,用超纯水定容至2.0 mL,摇匀,避光放置1.5 h,测量750 nm 波长处的吸光度。总酚含量表示为没食子酸当量。
为确定混合菌[酵母菌、醋酸菌、乳酸菌(植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌质量比1∶1∶1)]的添加比例[17],以总酚含量为评分指标,进行三因素三水平的正交试验[18]。正交试验因素与水平见表1。
表1 正交试验因素与水平
Table 1 Orthogonal test factor and level
水平123因素A 酵母菌123 B 乳酸菌123 C 醋酸菌123
固定混合菌[酵母菌、醋酸菌、乳酸菌(植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌质量比1∶1∶1)]的添加比例为2∶1∶1、菌种添加量2%、发酵温度30 ℃、发酵时间48 h。以总酚含量为考察指标,选取发酵时间(24、36、48、60、72 h)、发酵温度(24、27、30、33、36 ℃)、菌种添加量(1%、2%、3%、4%、5%)3 个因素进行单因素试验,发酵结束后测定发酵液总酚含量。
基于单因素试验的结果进行响应面优化设计,选取发酵时间、发酵温度、菌种添加量3 个因素,以发酵液总酚含量为响应值,进行三因素三水平的响应面试验,响应面试验因素与水平见表2。
表2 响应面试验因素与水平
Table 2 Response surface test factor and level
水平-1 01因素A′发酵时间/h 48 60 72 B′发酵温度/℃27 30 33 C′菌种添加量/%123
2.7.1 理化指标的测定
pH 值采用pH 计测定;可溶性固形物(total suspended solid,TSS)含量采用自动折光仪测定。
2.7.2 氨基酸含量测定
氨基酸含量的测定使用氨基酸分析仪进行。准确地将1 mL 液体样品放入20 mL 厌氧水解管中,添加等量的6 mol/L 的HCL,在厌氧水解管中充高纯氮30 s,封口后拧紧螺盖,在110 ℃条件下的恒温干燥箱中水解22 h,取出冷却后混匀,先用滤纸过滤,再取0.5 mL滤液氮吹至干,添加3 mL 的样品稀释液,用0.22µm的滤膜进行过滤,然后将其放入氨基酸分析仪中检测。
2.7.3 抗氧化活性测定
2.7.3.1 DPPH 自由基清除能力测定
移取50µL 的液体样品加入到200µL 0.04% 的DPPH 溶液中,混匀,在37 ℃黑暗条件下反应1 h,反应完全后取离心(8 000 r/min、8 min)后的上清液180µL 加入96 孔板中,检测517 nm 处的吸光度AS;移取50µL 的液体样品加入到200µL 甲醇中,测定517 nm 处的吸光度AC;移取50µL 甲醇加入到200µL 0.04%的DPPH 溶液中,测定517 nm 处的吸光度A0。每个样品重复3 次,取平均值。DPPH 自由基清除率(R,%)计算公式如下。
2.7.3.2 ABTS+自由基清除能力测定
ABTS+自由基清除能力参考吴双从等[19]的方法进行测定。
2.7.3.3 总酚含量的测定
总酚含量测定参考2.3.2 中方法。
2.7.3.4 SOD 酶活力的测定
SOD 酶活力的测定采用SOD 试剂盒,严格按照操作步骤进行。
试验均进行3 次重复。采用Excel 2016 进行数据统计分析和图形绘制,Design-Expert 13 进行Box-Behnken 分析。
以总酚含量为评价指标,进行混合菌添加比例优化正交试验并对结果进行方差分析,结果见表3。
表3 混合菌添加比例的正交设计结果
Table 3 Results of orthogonal design for addition proportion of mixed bacteria
试验号1 2 3 4 56 7 89 K1 K2 K3 k1 k2 k3R菌株比例A 酵母菌1 1 1 2 2 2 3 3 3 2.539 6 2.865 2 2.775 2 0.846 5 0.955 1 0.925 1 0.108 5 B 乳酸菌1 2 3 1 2 3 1 2 3 3.013 8 2.674 2 2.492 0 1.004 6 0.891 4 0.830 7 0.173 9 C 醋酸菌1 2 3 2 3 1 3 1 2 2.792 7 2.654 9 2.723 5 0.930 9 0.885 0 0.910 8 0.045 9总酚含量/(mg/mL)0.985 3 0.797 2 0.757 1 1.013 7 0.960 6 0.891 0 1.014 8 0.916 4 0.844 0
由表3 可知,正交试验结果中,A3B1C3 组合的总酚含量最高,根据k 值,混合菌添加比例的理论最优组合为A2B1C1,进行3 次重复验证试验。在相同条件下,A2B1C1 条件下的总酚含量为1.074 0 mg/mL,高于A3B1C3 条件下的总酚含量1.014 8 mg/mL。因此,确定酵母菌、乳酸菌、醋酸菌的最佳添加比例组合为A2B1C1,即混合菌添加比例为酵母菌∶乳酸菌∶醋酸菌=2∶1∶1(质量比)。
3.2.1 发酵时间对总酚含量的影响
发酵时间对总酚含量的影响见图1。
图1 发酵时间对总酚含量的影响
Fig.1 Effect of fermentation time on total phenolic content
由图1 可知,随着发酵时间的延长,总酚含量逐渐增加,在60 h 达到峰值后下降,这可能是由于发酵时间过长会使总酚氧化分解,最终导致60 h 后总酚含量的下降,故选择发酵时间48、60、72 h 进行后续响应面试验。
3.2.2 发酵温度对总酚含量的影响
发酵温度对总酚含量的影响见图2。
图2 发酵温度对总酚含量的影响
Fig.2 Effect of fermentation temperature on total phenolic content
由图2 可知,发酵温度24~30 ℃时,总酚含量急剧上升,30~36 ℃时,总酚含量缓慢下降。这一趋势变化可能是由于较低的发酵温度下发酵速度慢,总酚合成少;随着发酵温度持续升高,酶的活性受到高温抑制,因此新陈代谢有所减缓[20],使总酚合成速率下降。故选择发酵温度27、30、33 ℃进行后续响应面试验。
3.2.3 菌种添加量对总酚含量的影响
菌种添加量对总酚含量的影响见图3。
图3 菌种添加量对总酚含量的影响
Fig.3 Effect of strain addition on total phenolic content
由图3 可知,在菌种添加量为2%时,总酚含量达到峰值,随着菌种添加量的继续增加,总酚含量减少,这可能是由于菌种添加量过高,菌体代谢消耗的营养物质过多,导致发酵产物减少[21],故选择菌种添加量1%、2%、3%进行后续响应面试验。
3.3.1 响应面试验设计与方差分析结果
响应面试验设计结果见表4。
表4 响应面试验设计结果
Table 4 Response surface test design results
试验号1234567891 0 11 12 13 14 15 16 17 A′发酵时间/h 60 48 48 60 60 60 72 60 60 60 72 72 72 60 48 60 48 B′发酵温度/℃33 30 30 27 30 30 30 27 30 33 33 30 27 30 33 30 27 C′菌种添加量/%11312233232122222 Y 总酚含量/(mg/mL)0.953 5 0.854 6 0.961 7 0.866 5 1.069 8 1.064 2 1.023 2 0.981 7 1.052 7 0.965 5 1.027 9 0.893 6 0.980 1 1.084 7 0.959 7 1.096 7 0.918 8
运用Desigin-Expert 13 软件对表4 数据进行多元拟合分析,建立二次回归模型,获得酵素中总酚含量与主要因素间的回归方程:Y=1.07+0.022 5A′+0.019 9B′+0.039 2C′+0.001 7A′B′-0.006 9A′C′-0.025 8B′C′-0.060 5A′2-0.039 5B′2-0.090 3C′2。
对模型进行方差分析,结果见表5。
表5 回归模型方差分析结果
Table 5 Analysis of variance results of regression model
注:**表示影响极显著(P<0.01);*表示影响显著(P<0.05)。
来源模型A′B′C′A′B′A′C′B′C′A′2 B′2 C′2残差失拟项纯误差总和平方和0.084 5 0.004 1 0.003 2 0.012 3 0.000 0 0.000 2 0.002 7 0.015 4 0.006 6 0.034 4 0.002 7 0.001 3 0.001 5 0.087 2自由度91111111117341 6均方0.009 4 0.004 1 0.003 2 0.012 3 0.000 0 0.000 2 0.002 7 0.015 4 0.006 6 0.034 4 0.000 4 0.000 4 0.000 4 F 值24.08 10.39 8.16 31.61 0.030 5 0.485 2 6.83 39.57 16.85 88.18 1.15 P 值0.000 2 0.014 6 0.024 4 0.000 8 0.866 2 0.508 5 0.034 7 0.000 4 0.004 5<0.000 1 0.431 3显著性**** *********
由表5 可知,模型F=24.80,P<0.01,表明该模型所得方程与试验数据具有较高的拟合度;失拟项P=0.431 3>0.05,表明试验误差不显著;R2=0.968 7,表明用该模型获得预测值与试验测定数值之间吻合度较高,能准确预测蓝莓酵素发酵过程中发酵时间、发酵温度和菌种添加量对总酚含量的影响。由F 值可知,3 个因素对蓝莓酵素总酚含量影响的程度为C′>A′>B′,即菌种添加量>发酵时间>发酵温度。由P 值可知,回归模型中一次项A′、B′和交互项B′C′对结果影响显著(P<0.05),一次项C′和二次项A′2、B′2、C′2 对结果影响极显著(P<0.01),其他因素影响不显著(P>0.05)。表明各因素对总酚含量影响不同,调整不同因素将达到不同的发酵效果。
3.3.2 响应面图和等高线图分析
响应面图和等高线图能直观反映交互作用对响应值的影响程度,曲面的陡峭程度和等高线的密集程度与影响程度表现为正相关,且等高线越接近椭圆,两个因素的交互作用越强。发酵时间、发酵温度和菌种添加量间交互作用对总酚含量的响应面及等高线见图4。
图4 发酵时间、发酵温度和菌种添加量间交互作用对总酚含量的响应面及等高线
Fig.4 Response surface and contour diagram of interaction among fermentation time,fermentation temperature,and strain addition on total phenolic content
由图4 可知,B′C′交互作用的等高线图较密集,表明其交互作用对总酚含量的影响显著,这与方差分析结果相一致。
3.3.3 验证性试验
Design-Expert 13 软件优化处理后,对二次多元回归模型进行分析并求解,以总酚含量为评价指标,得到蓝莓酵素的最佳发酵工艺条件为菌种添加量2.18%、发酵温度30.59 ℃、发酵时间62.13 h,在此条件下,总酚含量预测值为1.079 16 mg/mL。根据实际情况和可操作性,修正发酵工艺条件为菌种添加量2%、发酵温度31 ℃、发酵时间62 h,在此条件下进行3 次平行试验。在该条件下获得蓝莓酵素,所含总酚含量为1.061 5 mg/mL,与预测值相近,表明该模型可用于优化蓝莓酵素的发酵工艺。
蓝莓酵素产品品质指标测定结果见表6。
表6 蓝莓酵素产品品质指标测定结果
Table 6 Determination results of quality indexes of blueberry enzyme products
指标蓝莓果汁蓝莓酵素QB/T 5323—2018《植物酵素》pH 值3.990 0±0.005 8 3.780 0±0.015 3≤4.5 TSS含量/%16.320±0.035 5.930±0.010游离氨基酸含量/(µg/mL)887.00±2.52 634.00±4.58≥330甜味类氨基酸含量/(µg/mL)254.00±1.15 284.00±3.06芳香族类氨基酸含量/(µg/mL)29.00±1.53 51.00±2.08总酚含量/(mg/mL)0.714 2±0.007 9 1.061 5±0.004 2≥0.5 SOD 酶活力/(U/mL)50.08±0.16 67.30±0.33≥0.015 DPPH 自由基清除率/%93.78±0.36 95.13±0.30 ABTS+自由基清除率/%97.68±0.55 98.74±0.42 0.85含0.90 0.95 1.00 1.10总酚量/(mg/mL)1.05
由表6 可知,制得的蓝莓酵素各指标均符合QB/T5323—2018《植物酵素》中关于食用植物酵素的标准。蓝莓酵素中游离氨基酸含量相比于未发酵的蓝莓果汁下降28.52%,但芳香族类氨基酸和甜味类氨基酸含量分别上升75.86% 和11.81%,这可能是氨基酸自身氧化降解以及酵母菌利用糖类和氨基酸进行无氧发酵转化导致的[22]。抗氧化指标DPPH 自由基清除率、ABTS+自由基清除率、SOD 酶活力、总酚含量分别上升了1.44%、1.09%、34.38%、48.63%,说明经过发酵能够提高蓝莓酵素抗氧化性能[23]。
本文采用正交试验和响应面试验优化蓝莓酵素发酵工艺。首先通过正交试验确定酵母菌:乳酸菌:醋酸菌的添加比例为2∶1∶1(质量比),在此基础上进行发酵时间、发酵温度、菌种添加量的单因素试验并结合响应面试验确定蓝莓酵素的最优发酵工艺条件为发酵温度31 ℃、发酵时间62 h、菌种添加量2%,该条件下得到的蓝莓酵素总酚含量达1.061 5 mg/mL,与发酵之前相比提升了48.63%,且抗氧化指标DPPH 自由基清除率、ABTS+自由基清除率、SOD 酶活力分别上升了1.44%、1.09%、34.38%,说明通过混合菌发酵,可以制备总酚含量较高的蓝莓酵素产品,且随着发酵的进行,总酚含量及其抗氧化性能得到提升。同时,此工艺下制备的蓝莓酵素色泽透亮,有清香味,口感好。此外蓝莓酵素相比于未发酵的蓝莓果汁,游离氨基酸含量下降28.52%,但芳香族类氨基酸和甜味类氨基酸含量分别上升75.86% 和11.81%,说明经过发酵能够增强蓝莓酵素鲜甜可口的特性,这表明酵素清香宜人、鲜甜可口的特性与其高含量的芳香族类氨基酸和甜味氨基酸有关。本研究为推动本地蓝莓的深加工提供新方法。今后的研究中,还可以深入研究蓝莓酵素的发酵过程酶活性、抗氧化活性以及活性成分的变化,为蓝莓酵素的工业化生产提供理论依据。
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