葡萄属于葡萄科,落叶藤本植物,在我国种植面积广[1]。葡萄除了直接鲜食,还可以制作果汁及酿造葡萄酒。研究表明,葡萄皮中含有大量对人体健康有益的活性成分,包括花色苷类、黄烷醇类、黄酮醇类等[2]。葡萄皮中的花色苷不仅是天然色素,也是天然抗氧化剂和天然防腐剂,具有抗衰老、改善视觉功能等作用[3-4]。此外,葡萄皮中的多酚还具有延缓皮肤衰老、预防心脑血管疾病、降低胆固醇等多种生理活性[5-6]。研究还显示葡萄皮中的多酚类物质及其制备的复合抗氧化剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌等有显著的抑制效果[7]。葡萄皮中的多酚还可以应用于食用油及烤肉产品中,降低油脂氧化及烤肉中多环芳烃的积累[8-9]。然而,作为果汁和酿造行业的副产物,葡萄皮往往被大量废弃,不仅对环境有污染而且造成了资源的浪费。
酵素是一种以天然果蔬或中草药为原料,经过酵母、乳酸菌等混合发酵而成的具有特定功能性成分且对人体健康有益的产品[10]。由于酵母和乳酸菌的生长代谢会产生大量的有机酸、氨基酸、醇类等代谢产物,具有促进消化吸收、增强芳香味、提高产品营养价值等作用,因此广泛用于食用酵素的生产中[11-12]。酵素因富含超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、黄酮类、多酚类、氨基酸等生理活性成分而具有抗氧化、调节免疫与糖脂代谢、抑菌、抗炎等多种生理功能[13-15]。在果蔬酵素产品制备过程中,发酵菌种的选择尤为重要。其中酵母在生长代谢过程中可以产生一些对人体有益的活性物质,而植物乳杆菌在发酵过程中也可以产生大量的有机酸、醇类等物质,具有促进消化的作用,因此常用于果蔬酵素的制备。目前,已有学者利用食品加工副产物百香果皮、凤梨皮等作为原料开发酵素产品,提高了产品的附加值[16-17]。而葡萄皮作为葡萄加工行业的副产物并未得到有效利用,目前关于葡萄皮酵素的研究报道较少。本研究以葡萄皮为原料,加入酵母菌和植物乳杆菌进行混合发酵,并通过优化发酵工艺条件,制备抗氧化能力和有益活性成分均有效提高的酵素产品,以期为提高葡萄的经济效益、促进葡萄产业的可持续发展提供参考。
新鲜成熟的巨峰葡萄、白砂糖:市售;植物乳杆菌:西安米先尔生物科技有限公司;酵母菌:安琪酵母股份有限公司;福林酚:国药集团化学试剂有限公司;1,1-二苯基-2-苦基肼(1,1-diphenyl-2-picrohydrazine,DPPH):美国Sigma 公司;2,2'-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐[2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)ABTS]、芦丁:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;维生素C:北京博奥拓达有限公司;没食子酸:上海麦克林生化科技股份有限公司;SOD 试剂盒:南京建成生物工程研究所。所用化学试剂均为分析纯。
BSP-100 生化培养箱:上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;TU-1901 双光束紫外分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公司;L18-Y933 破壁机:九阳股份有限公司;JY10002 电子分析天平:上海力辰邦西仪器科技有限公司;DH-600 恒温培养箱:北京科伟永兴仪器公司;H1750R 冷冻离心机:湖南湘仪离心机仪器有限公司。
1.3.1 葡萄皮酵素制备工艺
葡萄皮→清洗打浆→调整糖度→巴氏杀菌→接种混合发酵剂→发酵→过滤→酵素。
1.3.2 操作要点
1.3.2.1 原料处理
选择成熟且表皮无腐败的葡萄,去除葡萄梗与葡萄果肉,清洗并沥干水分,将收集的葡萄皮放入破壁机中进行破壁处理,得到葡萄皮浆料。
1.3.2.2 混合发酵菌种制备
酵母菌活化:取适量的酵母菌,按照1∶10(g/mL)的料液比加入35 ℃的无菌水,混合均匀,于30 ℃下培养至对数生长期,5 000 r/min 离心5 min 得到湿菌体,待用。
植物乳杆菌活化:挑取植物乳杆菌单菌落,加入MRS 肉汤培养基中于37 ℃下进行扩大培养,至对数生长期时离心得到湿菌体,待用。
混合发酵菌种制备:将上述活化制备的酵母菌和植物乳杆菌湿菌体以质量比1∶1 混合,待用。
1.3.2.3 葡萄皮酵素制备
取一定量的葡萄皮浆料按照料液比1∶5 (g/mL)与水混合,加入白砂糖调整糖度,加入一定量的混合菌种,发酵一定时间,过滤得到酵素成品。
1.3.3 酵素发酵工艺单因素试验
1.3.3.1 混合发酵菌种接种量的确定
确定白砂糖添加量8%,发酵温度30 ℃、发酵时间36 h 的条件下,设置混合发酵菌种接种量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,发酵结束后测定酵素产品中SOD 酶活力,其测定方法参照SOD 试剂盒说明书进行。
1.3.3.2 白砂糖添加量的确定
确定混合发酵菌种接种量0.6%、发酵温度30 ℃、发酵时间为36 h 的条件下,设置白砂糖添加量为4%、6%、8%、10%、12%,发酵结束后测定酵素产品中SOD酶活力,其测定方法参照SOD 试剂盒说明书进行。
1.3.3.3 发酵温度的确定
确定混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量10%、发酵时间36 h 的条件下,设置发酵温度为25、30、35、40、45 ℃,发酵结束后测定酵素产品中SOD 酶活力,其测定方法参照SOD 试剂盒说明书进行。
1.3.3.4 发酵时间的确定
确定混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量10%、发酵温度35 ℃的条件下,设置发酵时间为12、24、36、48、60 h,发酵结束后测定酵素产品中SOD 酶活力,其测定方法参照SOD 试剂盒说明书进行。
1.3.4 酵素发酵工艺正交试验
在单因素试验的基础上,以混合发酵菌种接种量、白砂糖添加量、发酵时间、发酵温度为因素进行四因素三水平正交试验,因素与水平见表1。
表1 酵素发酵工艺条件优化正交试验因素与水平
Table 1 Orthogonal test factor level of fermentation process optimization
水平1 2 3 A 混合发酵菌种接种量/%0.4 0.6 0.8 B 白砂糖添加量/%8 10 12 C 发酵温度/℃30 35 40 D 发酵时间/h 12 24 36
1.3.5 总黄酮含量测定
利用亚硝酸钠-硝酸铝法测定总黄酮含量。取250 μL 不同浓度的芦丁标准品溶液或样品溶液,加入75 μL 0.5% NaNO2 溶液混匀后,避光静置5 min,再加入150 μL 10% Al(NO3)3·6H2O 溶液,混匀后,室温避光静置反应5 min,最后加入500 μL 1 mol/L NaOH 溶液混匀后,在λ=510 nm 处测定反应液吸光度,根据不同芦丁标准品浓度与对应吸光度绘制标准曲线,计算样品总黄酮含量[18]。
1.3.6 总酚含量的测定
参照Cheng 等[19]方法测定酵素中总酚含量。取500 μL 样品与250 μL 50% 福林酚试剂混合后,反应5 min,再加入500 μL 5% 碳酸钠溶液,避光反应1 h,于765 nm 处测定吸光度。以不同浓度没食子酸(gallate,GAE)标准溶液x 为横坐标,以吸光度y 为纵坐标作标准曲线,总酚含量以mg 没食子酸/100 mL 表示。
1.3.7 DPPH 自由基清除率的测定
分别取2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mg/mL 发酵前后 的 酵 素 样 品 溶 液 100 μL,分 别 加 入 100 μL 0.1 mmol/L DPPH-无水乙醇溶液混匀,于暗处反应30 min,在517 nm 下测定吸光度A1。对照组用无水乙醇代替DPPH,测定其吸光度为A2。以VC 作为阳性对照,空白组用蒸馏水代替酵素样品溶液,测定吸光度A0。每个浓度重复测定3 次,按照下式计算样品溶液对DPPH 自由基清除率(X,%)[20]。
1.3.8 ABTS+自由基清除率的测定
分别取2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0 mg/mL 发酵前后的酵素样品溶液40 μL,分别加入120 μL ABTS 工作液,充分混匀在室温下静置6 min,于734 nm 下测定吸光度A1。对照组用无水乙醇代替ABTS 工作液,测定其吸光度为A2。以VC 作为阳性对照,空白组用蒸馏水代替酵素样品溶液,测定吸光度A0。每个浓度重复测定3 次,按照下式计算样品溶液对ABTS+自由基清除率(Y,%)[21]。
所有试验重复3 次,结果以平均值±标准差表示。用GraphPad Prism 9.0 软件作图并进行数据分析。
2.1.1 混合发酵菌种接种量对酵素中SOD 酶活力的影响
混合发酵菌种接种量对酵素中SOD 酶活力的影响见图1。
图1 混合发酵菌种接种量对酵素中SOD 酶活力的影响
Fig.1 Effect of mixed fermentation strains inoculation amount on SOD activity in grape skin enzyme
由图1 可知,随着混合发酵菌种接种量的增加,酵素中SOD 酶活力逐渐提高,当接种量为0.6%时,酵素中SOD 酶活力最高,达到53.80 U/mL,而随着接种量的进一步增加,酵素中的SOD 酶活力呈现缓慢下降的趋势,这可能是由于菌种接种量过大时,菌体自身生长代谢过快,营养物质和氧气的消耗量提高,不利于后续的发酵。因此,选择混合发酵菌种接种量0.4%、0.6%、0.8%进行后续正交试验。
2.1.2 白砂糖添加量对酵素中SOD 酶活力的影响
白砂糖添加量对酵素中SOD 酶活力的影响见图2。
图2 白砂糖添加量对酵素中SOD 酶活力的影响
Fig.2 Effect of sugar addition amount on SOD activity in grape skin enzyme
由图2 可知,不同白砂糖添加量对酵素中SOD 酶活力有较大影响。随着白砂糖添加量的增加,酵素中SOD 酶活力呈现先上升后下降的趋势,这与蔡宁等[16]研究的百香果皮酵素中糖含量对SOD 酶活力影响的趋势一致。这是由于白砂糖添加量较低时,菌种能够利用的碳源不足,发酵速度缓慢,而白砂糖含量过高时,发酵液菌种所处的环境渗透压高,也不利于其生长。当白砂糖添加量为10% 时,酵素中SOD 酶活力最高,为59.85 U/mL。因此,选择白砂糖添加量8%、10%、12%进行后续正交试验。
2.1.3 发酵温度对酵素中SOD 酶活力的影响
发酵温度对酵素中SOD 酶活力的影响见图3。
图3 发酵温度对酵素中SOD 酶活力的影响
Fig.3 Effect of fermentation temperature on SOD activity in grape skin enzyme
由图3 可知,随着发酵温度的升高,酵素中SOD酶活力呈现先升高后下降的趋势,这是由于发酵温度较低时,酵母菌和植物乳杆菌的代谢速率较慢,导致发酵不完全,而较高的温度又会抑制菌种的生长代谢以及发酵过程中相关酶的活性,从而导致SOD 酶活力下降[22]。在发酵温度为35 ℃时,酵素中SOD 的酶活力最高,为56.90 U/mL,因此选择发酵温度30、35、40 ℃进行后续正交试验。
2.1.4 发酵时间对酵素中SOD 酶活力的影响
发酵时间对酵素中SOD 酶活力的影响见图4。
图4 发酵时间对酵素中SOD 酶活力的影响
Fig.4 Effect of fermentation time on SOD activity in grape skin enzyme
由图4 可知,随着发酵时间的延长,酵素中SOD酶活力呈现先上升后下降的趋势。这是由于开始阶段,基质中的营养成分充足,发酵时间的延长有助于菌种生长繁殖使得酵素中的SOD 酶活力提高,而发酵时间过长会使基质中的营养成分逐渐被消耗从而导致微生物生长代谢以及发酵速度减慢,最终使酵素中的SOD 酶活力下降[23]。当发酵时间为24 h 时,酵素中的SOD 酶活力最高为52.35 U/mL,因此,选择发酵时间12、24、36 h 进行后续正交试验。
酵素发酵工艺优化正交试验结果与分析见表2。
表2 酵素发酵工艺优化正交试验结果与分析
Table 2 Results and analysis of orthogonal tests for enzyme fermentation process optimization
试验号1 2 3 4 5 6 7 8 9 k1 k2 k3 R A1 1 1 2 2 2 3 3 3 50.97 53.67 44.01 9.66 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 49.71 47.37 51.57 4.20 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 49.14 53.82 45.68 8.14 D1 2 3 3 1 2 2 3 1 47.06 49.89 51.70 4.64 SOD 酶活力/(U/mL)48.24±0.47 53.41±1.14 51.27±1.05 60.25±0.98 45.13±1.04 55.62±0.91 40.65±1.22 43.57±1.45 47.81±0.93
由表2 可知,4 个因素对酵素中SOD 酶活力影响的主次顺序为A>C>D>B,即混合发酵菌种接种量>发酵温度>发酵时间>白砂糖添加量。最优发酵工艺参数为A2B3C2D3,即混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量12%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h。
发酵工艺优化正交试验方差分析结果见表3。
表3 正交试验方差分析
Table 3 Analysis of variance for orthogonal tests
注:P<0.01 表示影响极显著。
方差来源A B C D误差平方和446.980 79.614 300.401 98.335 19.959自由度2 2 2 2 1 8均方223.490 39.807 150.200 49.168 1.109 F 值201.552 35.900 135.457 44.341 P 值<0.001<0.001<0.001<0.001
由表3 可知,混合发酵菌种接种量、白砂糖添加量、发酵温度、发酵时间均对SOD 酶活力有极显著影响(P<0.01)。为验证正交优化工艺条件,在混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量12%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h 的条件下进行验证试验,发酵得到的酵素中SOD 酶活力为(62.34±0.67) U/mL,结果可靠。
在混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量12%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h 条件下进行发酵制得酵素,分别测定发酵前后葡萄皮基质中总黄酮和总酚含量。其中芦丁标准曲线回归方程为y=0.000 9x+0.202 3,相关系数R2 为0.995 6,没食子酸标准曲线回归方程为Y=0.001 1X+0.139 6,R2=0.995 5,线性均较好。测得发酵前后基质中总酚和总黄酮含量见表4。
表4 发酵前后基质中总多酚和总黄酮含量
Table 4 Total polyphenols and flavonoids contents in substrate before and after fermentation
样品发酵前发酵后总酚含量/(mg 没食子酸 / 100 mL)132.41±4.25 205.62±5.18总黄酮含量/(mg 芦丁/100 mL)75.23±1.36 96.47±1.21
由表4 可知,发酵后酵素中的总酚含量明显增加,增加量为55.29%。有研究表明植物乳杆菌在发酵过程中会去除与酚类化合物结合的糖类等成分,使细胞壁中的结合态酚类化合物游离出来,从而导致总酚含量增加[24]。此外,发酵前后酵素基质中总黄酮含量也明显提高,增加量为28.23%,此结果与段晓宇等[11]研究结果一致。
基于发酵后酵素中总酚与总黄酮含量均明显提高,进一步测定了酵素发酵前后对DPPH 自由基的清除率,结果见图5。
图5 酵素样品对DPPH 自由基的清除率的影响
Fig.5 Effect of enzyme samples on the DPPH radical scavenging rate
由图5 可知,相同浓度下,发酵前后酵素对DPPH自由基清除率均小于阳性对照VC,其中发酵后酵素对DPPH 自由基清除率均明显高于发酵前样品,在浓度为10.0 mg/mL 时,发酵前样品对DPPH 自由基清除率为53.35%,发酵后样品对DPPH 自由基清除率为73.15%,表明发酵有助于提高酵素对DPPH 自由基的清除率,此结果与王思溥等[25]研究结果一致。
测定酵素发酵前后对ABTS+自由基的清除率,结果见图6。
图6 酵素样品对ABTS+自由基清除率的影响
Fig.6 Effect of enzyme samples on ABTS+ radical scavenging rate
由图6 可知,相同浓度下,发酵前后酵素对ABTS+自由基的清除率均小于阳性对照VC,其中发酵后酵素对ABTS+自由基清除率均明显高于发酵前样品,在浓度为8.0 mg/mL 时,发酵前样品对ABTS+自由基清除率为59.25%,发酵后样品的ABTS+自由基清除率为77.85%,其对ABTS+自由基清除率提高了18.60%,表明发酵有助于提高酵素对ABTS+自由基的清除率。该结果与李江等[26]研究结果一致,其结果表明发酵后霍山石斛酵素对ABTS+自由基清除率提高了31.1%,出现该结果的原因与酵素中增加的总酚、总黄酮以及SOD 酶活力有关。
通过单因素和正交试验,确定葡萄皮酵素最佳发酵工艺条件为酵母菌、植物乳杆菌混合发酵菌种接种量0.6%、白砂糖添加量12%、发酵温度35 ℃、发酵时间36 h,在此条件下发酵得到的酵素中SOD 酶活力为(62.34±0.67)U/mL。与未发酵相比,发酵后酵素中的总酚含量和总黄酮含量明显增加,增加量分别为55.29%、28.23%。此外,葡萄皮酵素在一定的浓度下表现较好的抗氧化活性,并呈现浓度依赖效应,其对DPPH 自由基和ABTS+自由基的清除率相比发酵前均明显提高,表明发酵有助于提高葡萄皮酵素的抗氧化能力。本研究对葡萄皮副产物的深加工与利用具有重要的指导意义,对葡萄产业的可持续发展提供参考。后续将在此研究的基础上,深入探究葡萄皮在制备酵素过程中主要酚类物质含量和种类的变化规律,为进一步阐明葡萄皮酵素抗氧化作用的物质基础和分子机制提供理论依据。
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