紫薯粉發(fā)酵工藝優(yōu)化及抗氧化能力分析

宋 瑩 劉思含 常 霞 侯宇豪 袁洪燕 李高陽,

(1. 湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長沙 410125)

紫薯為旋花科一年生草本植物，于20世紀90年代從日本引進[1]。主產(chǎn)區(qū)為廣東、廣西、湖南、四川、江西[2]，產(chǎn)量一般高于27 t/hm2[3]。紫薯的營養(yǎng)價值高于普通甘薯，富含花青素[4-5]。高水分、皮薄、肉脆的特點使紫薯易受機械損傷、病蟲害侵染而腐爛，不耐運輸和貯藏。近年來，研究[6]多集中于紫薯產(chǎn)品的原料添加與功能物質(zhì)提取。紫薯粉常被添加到面條、饅頭、面包、餅干等產(chǎn)品中，從而提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值和風味[7]。但因其富含不溶性膳食纖維，產(chǎn)品的口感、蒸煮特性不理想[8]。

發(fā)酵作為一種常見的食品加工方式，一直被用來提高食品的營養(yǎng)、風味與口感[9]。發(fā)酵可將食物中的大分子物質(zhì)水解，釋放一些結合態(tài)的功能成分[10-11]。郭孝萱等[12]比較了3種真菌對紫薯發(fā)酵后總酚、總黃酮、花色苷、抗氧化活性及抗癌性能的變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵紫薯總酚含量與抗氧化能力均顯著上升，且抗癌效果較好。Anthony等[13]對玉米和大豆混合粉進行發(fā)酵，其產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量提升。Poonam等[14]研究發(fā)現(xiàn)黑米—鷹嘴豆混合粉發(fā)酵后的總酚含量和總抗氧化能力均上升，且提高了發(fā)酵粉膨化產(chǎn)品品質(zhì)。紫薯發(fā)酵品的研究主要集中于紫薯酒[15]、紫薯醋[16]、紫薯酸奶[17]等，未見有關酵母紫薯發(fā)酵粉的研究報道。試驗擬以紫薯為原料，采用低糖酵母發(fā)酵，探討發(fā)酵條件對紫薯粉抗氧化能力的影響，研制出具有一定功效的發(fā)酵紫薯粉，為紫薯的高值轉(zhuǎn)化提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯：紫羅蘭，湖南市售；

低糖酵母：安琪酵母，安琪酵母股份有限公司；

蘆丁、沒食子酸標準品：成都曼斯特生物科技有限公司；

福林酚：上海源葉生物科技有限公司；

2-2-聯(lián)氮-二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)：試劑級，上海瑞永生物科技有限公司；

抗壞血酸：分析純，西隴科學股份有限公司；

過硫酸鉀、碳酸鈉、乙酸鈉：分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；

乙醇、鹽酸、冰乙酸、亞硝酸鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

硝酸鋁：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

氫氧化鈉：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；

所有用水為超純水。

1.2 儀器與設備

紫外—可見分光光度計：UV-1800型，島津儀器(蘇州)有限公司；

高速離心機：Avanti J-26xp型，美國Beckman公司；

恒溫恒濕箱：LHS-250HC-11型，上海一恒科學儀器有限公司；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ-700DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

精密分析天平：BSA 124S型，廣州市授科儀器科技有限公司；

pH計：pHS-3C型，上海儀電科學儀器股份有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9053A型，上海精宏實驗設備有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HH.S21-Ni6型，北京三二八科學儀器有限公司；

多功能粉碎機：RS-FS1401型,合肥榮事達小家電有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯發(fā)酵粉制備工藝流程[18]

鮮紫薯→去皮、切片→粉碎→酵母發(fā)酵→紫薯發(fā)酵粉

1.3.2 抗氧化能力測定 參照Zeng等[19]的方法，測定ABTS自由基清除率，結果表示為mg VC/100 g。

1.3.3 單因素試驗設計

(1) 酵母添加量：料液比10∶8 (g/mL)，發(fā)酵時間16 h，發(fā)酵溫度25 ℃，酵母添加量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，考察酵母添加量對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(2) 料液比：酵母添加量1.0%，發(fā)酵時間16 h，發(fā)酵溫度25 ℃，料液比分別為10∶3，10∶8，10∶13，10∶18，10∶23 (g/mL)，考察料液比對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(3) 發(fā)酵時間：酵母添加量1.0%，料液比10∶18 (g/mL)，發(fā)酵溫度25 ℃，發(fā)酵時間分別為8，16，24，32，40 h，考察發(fā)酵時間對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(4) 發(fā)酵溫度：酵母添加量1.0%，料液比10∶18 (g/mL)，發(fā)酵時間16 h，發(fā)酵溫度分別為21，25，29，33，37 ℃，考察發(fā)酵溫度對紫薯粉抗氧化能力的影響。

1.3.4 響應面試驗設計 在單因素試驗的基礎上，以酵母添加量、料液比、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度為影響因素，以抗氧化能力為試驗指標，設計四因素三水平響應面試驗優(yōu)化紫薯粉的發(fā)酵工藝。

1.3.5 總酚、總黃酮、花青素含量的測定

(1) 總酚：參照郭孝萱等[12]的方法略做改動。取發(fā)酵紫薯粉溶于80%乙醇，取0.5 mL待測樣品溶液于10.0 mL 容量瓶中，加0.5 mL去離子水，搖勻。加入0.5 mL 福林試劑，充分搖勻，1 min后加20% Na2CO3溶液1.5 mL，混勻，用去離子水定容至10.0 mL，70 ℃水浴10 min，冷卻后于760 nm下測定吸光值。以沒食子酸為標準品，繪制GAE標準曲線[20]，線性回歸方程為y=13.37x-0.003(R2=0.996)，結果表示為mg GAE(沒食子酸)/100 g。

(2) 總黃酮：參照郭孝萱等[12]的方法略做改動，取發(fā)酵紫薯粉溶于80%乙醇，取1.0 mL待測樣品溶液于10.0 mL 容量瓶中，加入70%乙醇至5 mL，加入5% NaNO2溶液0.3 mL，搖勻靜置5 min；再加入10% Al(NO3)3溶液0.3 mL，搖勻靜置6 min；加入1 mol/L NaOH溶液2 mL；混勻后，用70%乙醇定容至10 mL，靜置30 min后，于510 nm下測定吸光值。以蘆丁為標準品，繪制蘆丁標準曲線[21]，線性回歸方程為y=0.711x+0.015(R2=0.996)，結果表示為mg 蘆丁/100 g。

(3) 花青素含量：參照張毅等[22-25]的方法稍作改動。分別取發(fā)酵紫薯粉和未發(fā)酵紫薯粉1 g，放入密封容器中，按料液比1∶25 (g/mL)加入70%的乙醇溶液(pH為6)，50 ℃下超聲萃取30 min，4 000 r/min離心20 min，取上清液備用。采用pH示差法，測定溶液在510，700 nm下的吸光值。按式(1)、(2)計算花青素含量。

A=(A510-A700)pH 1.0-(A510-A700)pH 4.5，

(1)

(2)

式中：

A——吸光值；

C——花青素含量，mg/100 g；

M——矢車菊素-3-葡萄糖苷的分子量，449.2；

DF——稀釋倍數(shù)；

V——樣液體積，mL；

m——樣品質(zhì)量，g；

ε——矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)，29 600；

L——光程，1 cm。

1.3.6 發(fā)酵紫薯粉和未發(fā)酵紫薯粉花青素熱穩(wěn)定性的測定 參照文獻[22]的方法略作修改，取20 mL樣液置于試管中，分別于50，70，90 ℃水浴鍋中，每隔1 h取出冷卻，測定花青素含量。

1.3.7 發(fā)酵紫薯粉與未發(fā)酵紫薯粉花青素對pH穩(wěn)定性的測定 參照文獻[22]的方法略作修改，取7 mL樣液，分成7份，分別加入pH為4，5，6，7，8，9，10的去離子水中，搖勻，放置1 h后測定其花青素含量。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 95進行作圖，采用Design-Expert 8.0.6進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

由圖1可知，紫薯發(fā)酵粉的抗氧化能力隨酵母添加量的增加先升高后降低，當接種量為1%時，抗氧化能力最佳，超過1%后，抗氧化能力逐漸下降，可能是由于接種量過大造成的[26]。紫薯發(fā)酵粉的抗氧化能力隨料液比的上升持續(xù)上升并趨于平緩，說明在一定范圍內(nèi)，料液比的增加有利于抗氧化物質(zhì)的大量溶出。紫薯發(fā)酵粉的抗氧化能力隨發(fā)酵時間的增加先上升后快速下降，當發(fā)酵時間為16 h時，抗氧化能力出現(xiàn)峰值。Wang等[27-28]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后多酚與黃酮的含量在發(fā)酵前期增加明顯，發(fā)酵成熟期后下降，可能是發(fā)酵后期微生物開始分解酚類化合物來維持生命活動，導致抗氧化能力下降。紫薯發(fā)酵粉的抗氧化能力隨發(fā)酵溫度的升高逐漸降低，當發(fā)酵溫度為25 ℃時，抗氧化能力最強。

圖1 發(fā)酵條件對發(fā)酵紫薯粉抗氧化能力的影響Figure 1 Effects of different fermentation conditions on antioxidant capacity of fermented purple potato powder

2.2 響應面法優(yōu)化設計

2.2.1 試驗設計與結果分析 根據(jù)單因素試驗的結果，采用四因素三水平的響應曲面分析方法進行發(fā)酵條件的優(yōu)化，試驗因素水平表見表1，試驗設計與結果見表2。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應面試驗結果進行分析，得到以紫薯粉抗氧化能力為響應值的二次項回歸方程：

Y=396.89-12.86A+6.17B-26.18C-34.65D+8.78AB-31.27AC+3.47AD+18.15BC-27.73BD-26.31CD-40.41A2-10.82B2-90.71C2-67.33D2。

(3)

表1 因素和水平表Table 1 Factors and the levels of table

2.2.2 試驗因素間的交互作用 由圖2可知，發(fā)酵時間與酵母添加量對紫薯粉抗氧化能力的交互作用顯著，在酵母添加量一定時，抗氧化能力隨著發(fā)酵時間增加先增加而后減小，與2.2.1分析結果一致。

2.2.3 最佳工藝參數(shù) 進一步分析回歸方程，得到紫薯粉的最優(yōu)工藝參數(shù)為：酵母添加量0.95%，料液比10∶調(diào)整各因素為酵母添加量0.95%，料液比10∶22 (g/mL)，發(fā)酵時間16 h，溫度23 ℃，此時的抗氧化能力為404.94 mg VC/100 g，與預測值相差0.56%，證明該模型可靠。

表2 響應面優(yōu)化試驗設計及結果Table 2 Response surface optimization test design and results

表3 方差分析表?Table 3 Regression equation analysis of variance table

2.3 22.06 (g/mL)，發(fā)酵時間16.12 h，溫度23.28 ℃，此時的抗氧化能力理論值為407.237 mg VC/100 g。結合實際，發(fā)酵前后紫薯粉總酚、總黃酮、花青素含量和抗氧化能力的變化

由表4可知，經(jīng)低糖酵母發(fā)酵后的紫薯粉總酚(123.85 mg GAE/100 g)、總黃酮含量(610.64 mg蘆丁/100 g)均高于未發(fā)酵紫薯的。總酚含量的提高可能是由于微生物所產(chǎn)酶將酚酸從聚合物上釋放所致[29]。總黃酮含量的升高可能與黃酮類物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化有關，與Chen等[30]的結論一致。發(fā)酵前后紫薯粉中花青素含量變化不明顯，說明微生物發(fā)酵對花青素含量的影響不大。因此，發(fā)酵后紫薯粉的抗氧化能力提高，主要與樣品中的多酚和黃酮類物質(zhì)含量的上升有關。

2.4 發(fā)酵對花青素熱穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，發(fā)酵紫薯粉與未發(fā)酵紫薯粉的花青素含量均隨溫度的增加而減少；且在同一溫度下，花青素含量隨時間的增加不斷減少，其中未發(fā)酵紫薯粉的花青素含量下降較明顯，與周翠等[23，31]的研究結論相似。說明發(fā)酵紫薯粉花青素的熱穩(wěn)定性優(yōu)于未發(fā)酵紫薯粉的。

2.5 發(fā)酵對紫薯粉pH穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，不同pH下，發(fā)酵紫薯粉與未發(fā)酵紫薯粉的花青素穩(wěn)定性差別不大，未發(fā)酵紫薯粉花青素在pH 6 左右較為穩(wěn)定,而發(fā)酵紫薯粉花青素在pH 5左右更為穩(wěn)定。綜上，酸性條件下紫薯粉的花青素更穩(wěn)定，與藍莓果渣[24]、篤斯越桔[32]的一致。

圖2 發(fā)酵條件交互作用的響應面圖和等高線圖Figure 2 Response surface and contour plots of fermentation conditions interaction

表4 未發(fā)酵和發(fā)酵紫薯粉的總酚、總黃酮、花青素含量和抗氧化能力Table 4 Total phenol, total flavonoids, anthocyanin content and antioxidant capacity of unfermented and fermented purple sweetpotato powder

圖3 溫度對紫薯粉花青素的影響Figure 3 Effect of temperature on anthocyanin in fermented purple sweetpotato powder

圖4 pH對花青素含量的影響Figure 4 Effect of pH on anthocyanin content

3 結論

試驗結果表明，紫薯發(fā)酵粉制備的最佳工藝條件為低糖酵母添加量0.95%，料液比10∶22 (g/mL)，發(fā)酵時間16 h，發(fā)酵溫度23 ℃，此時的抗氧化能力為404.94 mg VC/100 g，較發(fā)酵前(305.94 mg VC/100 g)顯著提升。發(fā)酵后的多酚含量上升至123.85 mg GAE/100 g，總黃酮含量上升至610.64 mg 蘆丁/100 g，花青素含量下降至26.99 mg/100 g，但發(fā)酵紫薯粉的花青素熱穩(wěn)定性優(yōu)于未發(fā)酵的。低糖酵母發(fā)酵可明顯提高紫薯粉的抗氧化活性，發(fā)酵后的紫薯粉更適于熱加工處理。后續(xù)可研究發(fā)酵對紫薯粉結構與組成的影響及紫薯發(fā)酵粉的品質(zhì)特性。此外，試驗發(fā)現(xiàn)低糖酵母發(fā)酵提高了紫薯發(fā)酵粉的黃酮含量，可能是低糖酵母提高了黃酮類物質(zhì)的轉(zhuǎn)換率，其轉(zhuǎn)化機理有待進一步研究。