劉 鑫,朱 丹,牛廣財(cái)*,魏文毅,張 琪,樊秋元
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 食品學(xué)院,黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)
藍(lán)莓(Vaccinium spp.)又名越橘、藍(lán)漿果,屬杜鵑花科越橘屬多年灌木果樹[1],有較強(qiáng)的保健功效,常被譽(yù)為“水果之王”[2]。果實(shí)中不僅含脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素及諸多微量元素[3]等營養(yǎng)成分,花青素、多酚類物質(zhì)、黃酮類物質(zhì)及熊果酸含量也很高[4]。具有保護(hù)視力、抗氧化、治療心腦血管疾病、增強(qiáng)記憶力等保健功能[5-8]。
酵素是指使用酵母菌、乳酸菌和醋酸菌等有益微生物發(fā)酵果蔬及可食性藥材而得到的固體或者液體食品,富含大量的脂肪酶、淀粉酶、超氧化物歧化酶、乳酸、醋酸及少量乙醇等代謝產(chǎn)物[9-10]。通常酵素產(chǎn)品含有氨基酸、維生素、β-胡蘿卜素、功能性低聚糖、有機(jī)酸和多酚等多種營養(yǎng)成分[11-14]。益生菌的代謝反應(yīng)直接影響酵素產(chǎn)品的品質(zhì),故對(duì)益生菌的選擇及其發(fā)酵方式的研究具有重要意義,目前已從自然發(fā)酵的酵素中分離出乳酸菌[15]、酵母菌[16-17]、醋酸菌[18]等多種益生菌,杜麗平等[19]采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的變性梯度凝膠電泳(polymerase chain reaction-denatured gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE)技術(shù)分析木瓜酵素自然發(fā)酵過程微生物的變化規(guī)律,研究認(rèn)為植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)、釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和畢赤酵母(Pichia pastoris)為發(fā)酵優(yōu)勢(shì)菌種。果蔬等經(jīng)過益生菌的發(fā)酵含有蛋白酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、脂肪酶、淀粉酶等多種功效酶,蛋白酶可降解食物中蛋白質(zhì)利于人體吸收,并對(duì)人體中凋亡的細(xì)胞具有清除的作用[20]。超氧化物歧化酶是體內(nèi)天然的超氧自由基清除因子,具有抗衰老、抗氧化的多種保健功能。劉敏等[21]對(duì)多種蔬菜水果為原料制備的酵素產(chǎn)品進(jìn)行了研究,結(jié)果表明蛋白酶活力、纖維素酶活力、脂肪酶活力均比較高,并具有良好的抗氧化性。楊培青等[22]對(duì)藍(lán)莓果渣酵素的工藝進(jìn)行了研究,經(jīng)干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)與酵母菌復(fù)合發(fā)酵獲得了酵素產(chǎn)品,使資源得到了有效利用。戰(zhàn)偉偉等[23]以藍(lán)靛果、椰子為原料,經(jīng)雙歧桿菌(Bifidobacterium)與酵母菌發(fā)酵后得到了一種新型的復(fù)合酵素。本研究以藍(lán)莓為原料,植物乳桿菌(L.plantarum)與酵母菌作為發(fā)酵菌種制備藍(lán)莓酵素,以蛋白酶活力及SOD酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo),探究藍(lán)莓酵素最佳的制備工藝條件,以期為改進(jìn)藍(lán)莓酵素的加工工藝提供理論依據(jù),對(duì)藍(lán)莓資源的高效利用具有重要的意義。
藍(lán)莓:黑龍江省大慶市農(nóng)貿(mào)市場;安琪牌葡萄酒專用高活性干酵母:安琪酵母股份有限公司;植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum):中科院微生物研究所;白砂糖:黑龍江北方糖業(yè)股份有限公司;SOD酶活力檢測(cè)試劑盒:南京建成生物工程研究所;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、三氯乙酸(均為分析純):天津市大茂化學(xué)試劑廠;干酪素(分析純):天津市化學(xué)試劑供銷公司;L-酪氨酸(分析純):北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;福林酚試劑、酚酞(均為分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;Pectinex XXL果膠酶(酶活10 000 U/mL):諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司。
WS108型手持糖度計(jì):上海測(cè)維光電技術(shù)有限公司;HWS24電熱恒溫水浴鍋:上海一恒科技有限公司;EX324電子分析天平:奧豪斯儀器(上海)有限公司;TD5Z低速平衡離心機(jī):金壇市城西春蘭試驗(yàn)儀器廠;UV-1100紫外可見分光光度計(jì):上海凌析達(dá)儀器有限公司;HR7633打漿機(jī):飛利浦家庭電器(珠海)有限公司;MLS-3780高壓蒸汽滅菌鍋:杭州亞旭生物科技有限公司;DRP-9082電熱恒溫培養(yǎng)箱:上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;
1.3.1 藍(lán)莓酵素加工工藝流程及操作要點(diǎn)

操作要點(diǎn):
(1)酶解
藍(lán)莓清洗破碎之后經(jīng)Pectinex XXL果膠酶酶解,果膠酶添加量為1.6 mL/kg,置于50℃水浴中酶解2 h。
(2)調(diào)糖
在藍(lán)莓果汁中直接添加白砂糖調(diào)整糖度,在室溫條件下利用手持糖度儀進(jìn)行糖度測(cè)定,調(diào)整糖度至18%。
(3)菌種活化
酵母菌活化:將安琪牌活性干酵母用10倍蒸餾水溶解,30~35℃恒溫水浴鍋中活化30 min備用;植物乳桿菌活化:將斜面保藏的植物乳桿菌在MRS肉湯培養(yǎng)基中活化,兩次繼代培養(yǎng)后,37℃條件下靜置培養(yǎng)48 h,備用。
(4)殺菌
采用巴氏殺菌的方式對(duì)藍(lán)莓果汁進(jìn)行殺菌,85℃殺菌15 min后冷卻至室溫。
(5)接種
向處理后的藍(lán)莓果汁中,按試驗(yàn)要求的比例接入活化后的植物乳桿菌或酵母菌。
(6)發(fā)酵
接種后的藍(lán)莓果汁,在試驗(yàn)要求的溫度和時(shí)間等條件下進(jìn)行靜置發(fā)酵,發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定蛋白酶活力與SOD酶活力。
1.3.2 植物乳桿菌發(fā)酵單因素試驗(yàn)
(1)發(fā)酵時(shí)間的確定
調(diào)整發(fā)酵初始糖度為18%,殺菌冷卻后接入3%的植物乳桿菌,37 ℃條件下發(fā)酵1 d、2 d、3 d、4 d,測(cè)定蛋白酶活力與SOD酶活力確定植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素的最佳發(fā)酵時(shí)間。
(2)發(fā)酵溫度的確定
將發(fā)酵初始糖度調(diào)整為18%,藍(lán)莓殺菌處理后接入3%的植物乳桿菌,發(fā)酵溫度確定為33℃、35℃、37℃、39℃、41℃,發(fā)酵時(shí)間為2 d,根據(jù)蛋白酶與SOD酶活力大小確定植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素的最佳發(fā)酵溫度。
(3)接種量的確定
將發(fā)酵初始糖度調(diào)節(jié)為18%,分別接入2%、3%、4%、5%、6%的植物乳桿菌,37℃條件下發(fā)酵2 d,測(cè)定蛋白酶與SOD酶活力,根據(jù)酶活力大小確定植物乳桿菌最佳的接種量。
1.3.3 植物乳桿菌發(fā)酵正交試驗(yàn)
在植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度以及接種量3個(gè)因素為考察對(duì)象,以蛋白酶活力與SOD酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素的最佳工藝條件。

表1 發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation technology optimization
1.3.4 藍(lán)莓酵素的發(fā)酵方式
通過探究酵母菌與植物乳桿菌復(fù)合菌種的發(fā)酵,研究確定乳酸發(fā)酵與酵母發(fā)酵的先后順序,通過以下三種方式進(jìn)行,測(cè)定發(fā)酵液的蛋白酶與SOD酶活力,依據(jù)酶活力高低選取最佳發(fā)酵方式。
發(fā)酵方式1:先進(jìn)行乳酸發(fā)酵,接入4%的植物乳桿菌,在39℃條件下發(fā)酵1d,后接入0.15%的酵母菌,28℃條件下發(fā)酵3 d。
發(fā)酵方式2:先接入0.15%的酵母菌,28℃條件下發(fā)酵3 d,后進(jìn)行乳酸發(fā)酵,接入4%的植物乳桿菌,在39℃條件下發(fā)酵1 d。
發(fā)酵方式3:同時(shí)接入4%植物乳桿菌與0.15%酵母菌,在34℃條件下發(fā)酵4 d。
1.3.5 檢測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法:
蛋白酶活力測(cè)定方法參照SB/T 10317—1999《蛋白酶活力測(cè)定法》,采用福林酚法測(cè)定蛋白酶活力;SOD酶活力的測(cè)定:藍(lán)莓酵素液離心取上清液,根據(jù)SOD酶試劑盒說明書進(jìn)行酶活力的測(cè)定;可溶性固形物含量的測(cè)定:采用折光計(jì)法;總酸的測(cè)定參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測(cè)定》;總花色苷含量的測(cè)定:花色苷pH=1時(shí)在波長520nm處有最大吸收峰,利用花色苷結(jié)構(gòu)特性,在pH=4.5時(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴闋柾问蕉鵁o吸收峰,采用pH示差法測(cè)定藍(lán)莓酵素中總花色苷含量[24]。
大腸菌群數(shù)測(cè)定:參照GB 4789.3—2010《大腸菌群計(jì)數(shù)》;金黃色葡萄球菌數(shù)測(cè)定:參照GB 4789.10—2010《金黃色葡萄球菌檢驗(yàn)》;菌落總數(shù)測(cè)定:參照GB 4789.2—2010《食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測(cè)定》。
2.1.1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)酶活力的影響
由圖1可知,發(fā)酵前,藍(lán)莓鮮果中自帶的SOD酶酶活為21.92 U/g,蛋白酶活力為13.37 U/mL。隨著發(fā)酵時(shí)間的進(jìn)行,SOD酶活力不斷增加,且發(fā)酵的第1天SOD酶活力上升速率很大,第2天酶活力達(dá)到最大值86.01 U/g;發(fā)酵進(jìn)行到第3天,由于發(fā)酵液中總酸不斷上升,抑制了植物乳桿菌的生長及功效酶活力,SOD酶活力有明顯下降趨勢(shì)。隨著發(fā)酵的進(jìn)行,蛋白酶活力不斷上升,在發(fā)酵的第2天蛋白酶活力達(dá)到最高值31.28 U/mL;隨著發(fā)酵時(shí)間延長,由于發(fā)酵產(chǎn)物的影響,蛋白酶的活力出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。因此,植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素的最適發(fā)酵時(shí)間為2 d。

圖1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)藍(lán)莓酵素蛋白酶活力與SOD酶活力的影響Fig.1 Effect of fermentation time on protease activity and SOD activity of blueberry enzyme
2.1.2 發(fā)酵溫度對(duì)酶活力的影響
由圖2可知,隨發(fā)酵溫度增加,SOD酶活力呈緩步上升的趨勢(shì),39℃條件下,SOD酶活力達(dá)到最大值58.28 U/g;發(fā)酵溫度高于39℃,不利于植物乳桿菌生長,SOD酶活力降低。發(fā)酵溫度33℃時(shí),溫度過低不利于乳酸發(fā)酵產(chǎn)生蛋白酶;發(fā)酵溫度>37℃,蛋白酶活力顯著上升,在39℃時(shí),蛋白酶活力達(dá)到最高值39.44 U/mL,發(fā)酵溫度>39℃,由于溫度過高,蛋白酶活力下降。植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素的最適發(fā)酵溫度為39℃。

圖2 發(fā)酵溫度對(duì)藍(lán)莓酵素蛋白酶活力與SOD酶活力的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on protease activity and SOD activity of blueberry enzyme
2.1.3 接種量對(duì)酶活力的影響
由圖3可知,接種量增加到3%,SOD酶活力達(dá)到最大值86.01 U/g;隨著接種量的不斷增加,植物乳桿菌繁殖速率過快,發(fā)酵液營養(yǎng)物質(zhì)消耗過快,且有機(jī)酸含量過高,使得SOD酶活力降低。蛋白酶活力隨接種量的不斷增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),接種量達(dá)到4%時(shí),蛋白酶活力達(dá)到最高值24.48 U/mL,接種量>4%,蛋白酶活力稍有下降而后趨于穩(wěn)定。根據(jù)兩種功效酶綜合活力高低,植物乳桿菌的最適接種量為3%。

圖3 接種量對(duì)藍(lán)莓酵素蛋白酶活力與SOD酶活力的影響Fig.3 Effect of inoculum on protease activity and SOD activity of blueberry enzyme
由表2極差R值可知,植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素,蛋白酶活力與SOD酶活力高低的影響因素主次順序均為C>A>B,由表3可知,以蛋白酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)酵時(shí)間對(duì)蛋白酶活力的影響顯著(P<0.05),發(fā)酵溫度及接種量對(duì)蛋白酶活力的影響不顯著(P>0.05);由表4可知,以SOD酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)酵時(shí)間對(duì)SOD酶活力的影響極顯著(P<0.01),接種量對(duì)SOD酶活力的影響顯著(P<0.05),發(fā)酵溫度對(duì)SOD酶活力無顯著性影響(P>0.05)。根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化的結(jié)果可知,最優(yōu)發(fā)酵工藝條件組合為A3B2C1,即發(fā)酵時(shí)間為1 d,接種量為4%,發(fā)酵溫度為39℃。在此最佳條件下,蛋白酶活力與SOD酶活力分別為39.44 U/mL和84.17 U/g。

表2 發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation technology optimization

表3 以蛋白酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments results using protease activity as evaluation index

表4 以SOD酶活力為評(píng)價(jià)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiments results using SOD activity as evaluation index

圖4 不同發(fā)酵方式對(duì)蛋白酶及SOD酶活力的影響Fig.4 Effects of different fermentation methods on protease and SOD activity
由圖4可知,發(fā)酵方式1蛋白酶活力最低,而SOD酶活力較高,由植物乳桿菌發(fā)酵藍(lán)莓酵素單因素試驗(yàn)可知乳酸發(fā)酵可顯著提升SOD酶活力,顯著高于蛋白酶活力上升效果,故先進(jìn)行乳酸發(fā)酵樣品SOD酶活力較高,然而乳酸發(fā)酵對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消耗較快不利于酵母菌發(fā)酵的進(jìn)行,導(dǎo)致蛋白酶活力較低;發(fā)酵方式2蛋白酶活力明顯高于發(fā)酵方式1,而SOD酶活力略低于發(fā)酵方式1,這是由于先進(jìn)行的酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生了酒精(此時(shí)酒精度為1.68%vol),一定程度上抑制了植物乳桿菌的生長代謝,致使蛋白酶活力與SOD酶活力較低。發(fā)酵方式3中酵母菌與乳酸菌共同發(fā)酵,兩種菌種很可能形成了一種共生機(jī)制,酵母菌分泌出的蛋白酶、脂肪酶及營養(yǎng)因子可促進(jìn)乳酸發(fā)酵的進(jìn)行;而乳酸菌代謝的乳酸鹽等物質(zhì)可作為能源物質(zhì)為酵母菌所用[25],故發(fā)酵方式3即酵母菌與乳酸菌共同發(fā)酵是最佳的發(fā)酵方式。與單獨(dú)植物乳桿菌發(fā)酵的藍(lán)莓酵素蛋白酶活力(39.44 U/mL)和SOD酶活力(84.17 U/g)相比,復(fù)合菌種發(fā)酵的藍(lán)莓酵素蛋白酶活力為55.76 U/mL,SOD酶活力81.27 U/g。說明復(fù)合菌種發(fā)酵的蛋白酶活力明顯高于植物乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵的樣品,SOD酶活力略低于植物乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵。因此,復(fù)合菌種發(fā)酵藍(lán)莓酵素的兩種功效酶綜合活力高于植物乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵。
2.4.1 感官指標(biāo)
色澤:紫紅色,色澤均勻有光澤;口味:細(xì)膩綿柔,微酸不刺激;香氣:有藍(lán)莓獨(dú)特香味,同時(shí)伴有發(fā)酵香氣;組織狀態(tài):液態(tài),均勻無結(jié)塊,無沉淀及懸浮物。雜質(zhì):無外來雜質(zhì)。
2.4.2 理化指標(biāo)
可溶性固形物含量為6.0%,總酸含量為7.24 g/L,總花色苷含量為3.06 mg/g,SOD酶活力81.27 U/g,蛋白酶活力55.76 U/mL。
2.4.3 微生物指標(biāo)
細(xì)菌總數(shù)為≤10CFU/mL,大腸桿菌總數(shù)<3MPN/100mL,致病菌未檢出。
研究結(jié)果表明,植物乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵與復(fù)合菌種發(fā)酵均可顯著提高藍(lán)莓酵素中蛋白酶與SOD酶的活力。經(jīng)植物乳桿菌單獨(dú)發(fā)酵的最優(yōu)工藝為發(fā)酵時(shí)間為1d,接種量為4%,發(fā)酵溫度為39℃,該條件下藍(lán)莓酵素的蛋白酶活力及SOD酶活力分別為39.44U/mL和84.17U/g。采用同時(shí)接入4%植物乳桿菌與0.15%酵母菌,在34℃條件下發(fā)酵4 d,藍(lán)莓酵素的蛋白酶活力與SOD酶活力最高,分別達(dá)到了55.76 U/mL和81.27 U/g。綜上所述,復(fù)合菌種發(fā)酵是制備藍(lán)莓酵素的最佳方式。
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