黑果腺肋花楸果汁的酶解制備工藝優(yōu)化及其功能性質

徐 杰,李新光,王建中,王豐俊

(北京林業(yè)大學生物科學與技術學院,林業(yè)食品加工與安全北京市重點實驗室,北京 100083)

黑果腺肋花楸(Aroniamelanocarpa),又稱不老莓、野櫻莓等,是一種原產于北美的小型漿果[1],其果實不僅含有豐富的原花青素、花色苷等多酚類物質,還含有大量的有機酸、碳水化合物、維生素和礦物元素等[2-3],這些生物活性成分的存在使黑果腺肋花楸具有較強的抗氧化活性和潛在的藥用價值[4-6]。2018年9月,中國國家衛(wèi)生健康委員會確定黑果腺肋花楸果可作為新食品原料食用[7],這為其產品的開發(fā)提供了依據。

黑果腺肋花楸果實含有豐富的纖維素和果膠,使其具有較低的出汁率,原花青素等營養(yǎng)成分析出不完全。因此提高出汁率和保留較多的生物活性成分是該果實利用的關鍵問題[8]。果汁的制備方法有多種,如壓榨法、水浴法、離心法、酶解法、超聲波輔助法等[9-10],其中酶解法處理條件溫和,果實營養(yǎng)素損失小,可以有效地提高果實的出汁率和果汁穩(wěn)定性,具有低成本、高度專一、無有機殘留等優(yōu)點[11]。馬艷弘[12]等使用果膠酶和纖維素酶復合酶解無花果,在最優(yōu)條件下出汁率為 75.13%,汁中多酚含量高達 626.79 μg/mL。目前,我國對黑果腺肋花楸的研究主要集中在植株栽培技術的改進和果實營養(yǎng)成分的分析,但對于相關產品如果汁的研究尚淺,缺少酶解制汁工藝和其果汁功能性質方面的研究[13]。

本文旨在針對黑果腺肋花楸果實果膠含量高、取汁困難的特點,使用果膠酶與纖維素酶的復合酶進行酶解實驗,以果實的出汁率和原花青素含量為指標,對酶解效果進行比較。在單因素實驗的基礎上,通過設計響應面試驗優(yōu)化確定果汁的最佳酶解制備條件;同時測定果汁對DPPH自由基的清除效果以及對α-淀粉酶、酪氨酸酶和黃嘌呤氧化酶的抑制作用來評價其功能性質,以期為黑果腺肋花楸食品的研究及保健產品的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑果腺肋花楸果實 采摘自遼寧黑果腺肋花楸繁育基地,于-18 ℃低溫條件下凍藏備用;果膠酶(40 U/mg)、纖維素酶(30 U/mg) 泰興一鳴生物制品有限公司;原花青素標準品(UV≥95%) 購自上海源葉生物科技有限公司;亞硫酸鉀、鄰苯二酚、香草醛、無水甲醇、氯化鉀、醋酸鈉、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 均為分析純 西隴化工股份有限公司;α-淀粉酶、酪氨酸酶、黃嘌呤氧化酶、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 美國Sigma公司。

LK-200B打漿機 北京鑫骉儀器;HW-SY11-K電熱恒溫水浴鍋 北京長風儀器儀表公司;SCIENTZ-12冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;T6紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;HC-2518R高速冷凍離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司;ST-360酶標儀 上?？迫A實驗系統有限公司;SJ-3FpH計 上海瀘西分析儀器。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑果腺肋花楸果汁制備 挑選顆粒飽滿的黑果腺肋花楸果實,去梗、清洗,經蒸汽熱燙2 min預處理后,破碎打漿,得到花楸果漿。向其中添加一定量的纖維素酶和果膠酶,充分攪拌,酶解后于 90 ℃水浴條件下滅酶5 min,待冷卻至室溫后于4000 r/min離心20 min,得到澄清的黑果腺肋花楸果汁備用。

1.2.2 單因素實驗設計

1.2.2.1 復合酶比例對酶解效果的影響 控制加酶量0.05%,酶解溫度45 ℃,酶解時間3.5 h,考察復合酶(果膠酶∶纖維素酶)質量比(2∶5、3∶5、4∶5、5∶5、6∶5)對出汁率和果汁原花青素含量的影響。

1.2.2.2 加酶量對酶解效果的影響 控制復合酶質量比為4∶5,酶解溫度45 ℃,酶解時間3.5 h,考察加酶量(0.000%、0.025%、0.050%、0.075%和0.100%)對出汁率和果汁原花青素含量的影響。

1.2.2.3 酶解溫度對酶解效果的影響 控制復合酶比例為4∶5,加酶量0.05%,酶解時間3.5 h,考察酶解溫度(35、40、45、50和55 ℃)對出汁率和果汁原花青素含量的影響。

1.2.2.4 酶解時間對酶解效果的影響 控制復合酶質量比為4∶5,加酶量0.05%,酶解溫度45 ℃,考察酶解時間(2.5、3.0、3.5、4.0和4.5 h)對出汁率和果汁原花青素含量的影響。

1.2.3 響應面優(yōu)化試驗 在單因素實驗的基礎上,以果汁原花青素含量為考察指標,復合酶(果膠酶∶纖維素酶)質量比、加酶量、酶解時間和酶解溫度為實驗變量,進行響應面優(yōu)化實驗[14],實驗因素和水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface methodology

1.2.4 出汁率測定 稱量花楸果漿質量和離心后的澄清果汁質量,按照式(1)計算出汁率。

式(1)

1.2.5 原花青素含量的測定

1.2.5.1 標準曲線的制作 準確吸取不同濃度(0、80、160、240、320和400 μg/mL)的原花青素標準溶液1 mL,分別加入A(1%的香草醛甲醇溶液)、B(4%的鹽酸-甲醇溶液)顯色劑各2.5 mL,渦旋混勻,30 ℃水浴0.5 h,冷卻,于500 nm處測其吸光值,繪制原花青素標準曲線[15]。其線性回歸方程為：y=1.0986x+0.001(R2=0.9995)。

1.2.5.2 果汁中原花青素含量的測定 準確吸取1 mL果汁于試管中,分別加入A(1%的香草醛甲醇溶液)、B(4%的鹽酸-甲醇溶液)顯色劑各2.5 mL,渦旋混勻,30 ℃水浴0.5 h,冷卻,測定波長500 nm處的吸光值。以吸光值為Y值,根據標準曲線計算果汁中原花青素的含量。原花青素含量計算公式如式(2)。

式(2)

式中:C為原花青素標準溶液濃度,mg/mL;V為果汁體積,mL;N為稀釋倍數;M為黑果腺肋花楸果實質量,g。

1.2.6 黑果腺肋花楸酶解果汁功能性質測定

1.2.6.1 DPPH自由基清除率的測定 用去離子水將凍干后的黑果腺肋花楸果汁以及抗壞血酸配制成濃度分別為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mg/mL的樣品溶液。在具塞試管中依次加入1.5 mL不同濃度的樣品溶液、蒸餾水和 0.2 mmol/L DPPH無水乙醇溶液?；靹蚝笥谑覝叵卤芄夥磻?0 min,測定517 nm波長吸光值A1;無水乙醇溶液代替 DPPH無水乙醇溶液,測定吸光值A2;蒸餾水代替樣品,測定吸光值A0;以等體積的蒸餾水和無水乙醇混合液進行空白調零實驗[16]。DPPH自由基清除率的計算公式如式(3)。

式(3)

式中,A1為DPPH溶液+樣品溶液吸光值;A2為樣品溶液+無水乙醇吸光值;A0為DPPH溶液+蒸餾水吸光值。

1.2.6.2α-淀粉酶活性抑制的測定 用去離子水將凍干后的黑果腺肋花楸果汁和阿卡波糖配制成濃度分別為 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mg/mL的樣品溶液。在具塞試管中按照表2依次加入試劑,于37 ℃水浴30 min,加入2 mL DNS溶液后沸水浴10 min,冷卻至室溫,取出0.5 mL反應液加入4.5 mL蒸餾水,混合均勻,于540 nm測其吸光值[17]。α-淀粉酶抑制率計算公式如式(4)所示。

式(4)

式中,A0為樣品管的吸光度值;A1為對照管1的吸光度值;A2為對照管2吸光度值。

表2 實驗操作表Table 2 Experimental operation table

1.2.6.3 酪氨酸酶活性抑制的測定 分別稱取適量的左旋多巴(L-DOPA)和酪氨酸酶溶于磷酸鹽緩沖液(0.2 mol/L,pH6.8)中,配制成1.0 mg/mL的L-DOPA和150 U/mL的酪氨酸酶溶液。將凍干后的果汁配制成濃度為10、20、30、40、50、60 mg/mL的樣品溶液。抗壞血酸作為陽性對照物,配制成相應濃度進行實驗[18],酪氨酸酶活性抑制測定方法如表3。

表3 實驗操作表Table 3 Experimental operation table

30 ℃水浴反應10 min后,加入0.2 mL酪氨酸酶溶液,混合均勻,靜置1 min,在475 nm波長下測定其吸光值。酪氨酸酶抑制率計算公式如式(5)所示。

式(5)

式中:A1、A2、A3、A4分別代表表中1、2、3、4反應體系的吸光度值。

1.2.6.4 黃嘌呤氧化酶活性抑制的測定 分別稱取適量的黃嘌呤氧化酶和黃嘌呤溶于磷酸鹽緩沖液(0.07 mol/L,pH7.5)中,配制成0.1 U/mL的黃嘌呤氧化酶溶液和150 μmol/mL的黃嘌呤溶液。將凍干后的果汁配制成濃度為 10、20、30、40、50、60 mg/mL的樣品溶液。采用別嘌呤醇作為陽性對照物,配制成相應濃度進行試驗。向酶標板孔中準確加入60 μL磷酸鹽緩沖液,50 μL樣品溶液,50 μL黃嘌呤氧化酶溶液,平行振蕩酶標板,25 ℃反應15 min,加入60 μL黃嘌呤,混合均勻[19],靜置5 min后于295 nm波長下測定其吸光值A2。以等量的90%乙醇代替樣品溶液作為對照組(A1),以等量的磷酸鹽緩沖液代替酶溶液作為樣品空白組(A3),以90%的乙醇和磷酸鹽緩沖液分別代替樣品溶液和酶液作為空白組(A0)。黃嘌呤氧化酶抑制率計算公式如式(6)

式(6)

式中:A1為對照組的吸光值;A0為空白組的吸光值;A3為樣品空白組的吸光值;A2為實驗組的吸光值。

1.3 數據處理

所有實驗均至少測定3次,選取平均值。采用Microsoft Excel 2013、Design-Expert 8.0和SPSS Statistics 22.0軟件對數據進行整理分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 復合酶(果膠酶∶纖維素酶)比例對酶解效果的影響 由圖1可知,復合酶比例處于2∶5～4∶5之間時,出汁率和果汁原花青素含量均顯著提高(P<0.05),當復合酶質量比為4∶5時,出汁率最高達76.11%。超過這一比例后,果實出汁率和原花青素含量有所下降,可能是因為纖維素酶添加量的減少導致黑果腺肋花楸果實細胞壁中纖維素降解不完全,細胞組織沒有完全軟化,細胞液化不徹底[20],這也不利于原花青素的溶出,導致其含量有所降低。

圖1 復合酶比例對出汁率和果汁原花青素含量的影響Fig.1 Effect of compound enzyme ratio on juice yield and proanthocyanidin content in the juice注:同一指標標記不同字母表示 差異顯著(P<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 加酶量對酶解效果的影響 由圖2可知,隨著加酶量的增加,黑果腺肋花楸出汁率和原花青素的含量顯著提高(P<0.05),當加酶量大于0.050%時,黑果腺肋花楸果實中的可溶性固形物基本完全溶出,出汁率無明顯變化(P>0.05)。酶的濃度過高會使果膠酶和纖維素酶顆粒在果漿中達到飽和而凝結,果漿通道被堵塞,使得黑果腺肋花楸果汁的提取更加困難[21]。同時,當加酶量超過最佳值后，加酶量繼續(xù)增加,果汁中原花青素的溶出變化也不再顯著,這是因為酶與底物接觸面積過剩,繼續(xù)添加也將造成酶制劑的浪費。綜合考慮選擇復合酶的加酶量為0.050%。

圖2 加酶量對出汁率和果汁原花青素含量的影響Fig.2 Effect of enzyme amount on juice yield and proanthocyanidin content in the juice

2.1.3 溫度對酶解效果的影響 隨著溫度的增加,黑果腺肋花楸果實出汁率和果汁原花青素含量均呈現出先增加后下降的趨勢。45 ℃時,出汁率最高為74.54%,原花青素的含量也達到最大值,與其它酶解溫度的效果具有顯著差異(P<0.05)。這是因為生物酶的活性具有最適宜的溫度,同時適當提高溫度可以使細胞壁的滲透性增強并增加酶作用底物的分子熱能,從而獲得更高的出汁率,更利于原花青素等生物活性成分從果肉細胞組織中溶出。

圖3 酶解溫度對出汁率和果汁原花青素含量的影響Fig.3 Effect of enzymolysis temperature on juice yield and proanthocyanidin content of the juice

2.1.4 酶解時間對酶解效果的影響 由圖4可知,在2.5～3.5 h之間,出汁率和原花青素含量增加幅度較大,且不同酶解時間的指標之間具有顯著性差異(P<0.05)。當酶解時間為3.5 h時,酶解效果的各項指標達到最大值。隨后,出汁率基本不再提高,而原花青素含量有所下降,這可能是因為隨著酶解時間的延長,部分原花青素發(fā)生了氧化。

圖4 酶解時間對出汁率和果汁原花青素含量的影響Fig.4 Effect of enzymolysis time on juice yield and proanthocyanidin content in the juice

2.2 響應面分析法優(yōu)化結果及分析

2.2.1 回歸模型建立與顯著性分析 依據單因素的實驗結果,選取復合酶(果膠酶∶纖維素酶)比例、加酶量、酶解溫度、酶解時間為試驗因素,以果汁中原花青素含量為響應面值,確定黑果腺肋花楸果汁酶解制備的最佳條件。響應面試驗結果見表4。

表4 響應面試驗設計及結果Table 4 Design and results of response surface methodology

表5 原花青素含量的回歸方程方差分析表Table 5 Regression equation variance analysisTable for proanthocyanidin content

注:*代表P<0.05顯著水平,**代表P<0.01極顯著水平。

運用Design Expert 8.0軟件對酶解響應面實驗得到的數據進行回歸分析,得到果汁中原花青素含量的二次多項回歸模型為:

Y=1676.07-21.54A-9.19B+39.38C+113.05D-149.42AB-68.18AC-29.93AD+136.96BC-44.22BD+0.38CD-144.82A2-205.14B2-220.71C2-286.56D2

對得到的回歸方程進行方差分析,分析結果如表5。

如表5所示,原花青素含量的回歸方程的擬合度達到了極顯著水平(P<0.0001);失擬項不顯著,擬合的模型方程效果較好,實驗受其他外來因素的影響較小,該模型成立有效[22]。模型中A影響顯著(P<0.05),C、D的影響達到了極顯著的水平(P<0.01),各因素對花楸汁中原花青素含量的影響程度由大到小依次為:加酶量(D)>酶解時間(C)>果膠酶:纖維素酶(A)>酶解溫度(B);交互項BD的影響顯著(P<0.05),AB、AC、BC的影響達到了極顯著的水平(P<0.01),這表明酶解溫度與加酶量、果膠酶∶纖維素酶比例與酶解溫度、果膠酶∶纖維素酶比例與酶解時間、溫度與酶解時間對花楸果汁中原花青素含量均具有交互作用。二次項A2、B2、C2、D2的影響極顯著(P<0.01)。

2.2.2 響應面分析及優(yōu)化 根據回歸模型,將其中的任兩個水平固定在零水平,得到另外的兩個因素的交互作用的響應面圖以及其對應的等高線圖,這反映了各個因素的交互作用對花楸果汁原花青素含量的影響。各個因素的交互作用見圖5。

響應面圖的陡峭程度可以反映出兩個因素交互作用的強弱。對比各響應面圖可知,AB(果膠酶∶纖維素酶-酶解溫度)、BC(酶解溫度-酶解時間)的交互作用最為明顯,即對果汁汁中原花青素含量的影響最大;AC(果膠酶∶纖維素酶-酶解時間)的交互作用次之;而BD(酶解溫度-加酶量)曲線相對比較平緩,交互作用較弱。對回歸方程進行分析,得到黑果腺肋花楸果汁中原花青素含量的最優(yōu)酶解制備工藝條件為:果膠酶∶纖維素酶比例為3.85∶5,酶解溫度45.28 ℃,酶解時間3.57 h,加酶量0.06%,此條件下花楸果汁中原花青素含量的預測值為1691.42 mg/100 g。根據實際情況對酶解的工藝條件進行修正為果膠酶∶纖維素酶4∶5,酶解溫度45 ℃,酶解時間3.5 h,加酶量0.06%,在此條件下進行重復驗證實驗,得到果汁中原花青素含量為(1679.85±6.11) mg/100 g,與理論預測值的相對誤差為0.684%;同時在此條件下測得黑果腺肋花楸果實出汁率為78.65%±1.05%。

2.3 黑果腺類花楸果汁功能性質分析

2.3.1 加酶與無酶處理果汁的DPPH自由基清除率 由圖6可知,加酶處理和無酶處理制備的黑果腺肋花楸果汁均有較強的DPPH·清除能力,且隨著濃度的增加清除能力增強。加酶處理的果汁清除DPPH·的能力優(yōu)于不加酶處理的果汁,其半數抑制濃度為0.232 mg/mL,這是因為酶制劑的使用破壞了細胞結構,釋放出更多的原花青素等抗氧化物質。濃度大于0.4 mg/mL時,清除率增長速度減緩,即抗氧化活性成分與DPPH的電子結合接近飽和。當濃度為0.5 mg/mL時,使用復合酶酶解的果汁(68.16%)的清除能力大于抗壞血酸(65.13%)。

圖5 各因素對果汁中原花青素含量的影響的響應面圖Fig.5 Response surface plots for the effects of various factors on on proanthocyanidin content in the juice

圖6 黑果腺肋花楸果汁濃度 對DPPH自由基清除能力的影響Fig.6 Effect of Aronia melancarpa juice concentration on DPPH free radical scavenging ability

2.3.2 加酶與無酶處理果汁對α-淀粉酶活性的抑制效果α-淀粉酶抑制劑可以阻斷淀粉等轉變成寡糖和糊精的過程,最終達到降低血糖的目的[23]。

由圖7可知,兩種不同處理下制得的黑果腺肋花楸果汁均有較強的α-淀粉酶抑制能力,并且隨著濃度的增加抑制能力有所增強(P<0.05),但低于阿卡波糖(一線降血糖藥物)的抑制能力。在等濃度下,加酶處理的果汁α-淀粉酶的抑制率始終高于無酶處理的果汁,且其半數抑制濃度僅為2.326 mg/mL,這是因為加入復合酶后,細胞破壁,促進了抑酶因子的釋放。這些活性成分可與α-淀粉酶活性中心部位結合[24],抑制其活性的發(fā)揮,阻礙雙糖的降解,有效地控制餐后血糖的含量。

圖7 黑果腺肋花楸果汁濃度對α-淀粉酶活性的影響Fig.7 Effect of Aronia melancarpa juice concentration on activity of α-amylase

2.3.3 加酶與無酶處理果汁對酪氨酸酶活性的抑制效果 酪氨酸酶抑制劑具有抑制酪氨酸酶活性的功效,進而減少黑色素的合成[25]。

以L-多巴為底物,通過酪氨酸酶的催化反應,測定黑果腺肋花楸果汁的酪氨酸酶活性抑制率。由圖8可知,隨著濃度的增加,黑果腺肋花楸果汁對酪氨酸酶抑制能力顯著增強(P<0.05),但低于等濃度抗壞血酸標準品。研究表明,從天然植物中提取得到的類黃酮具有極高的酪氨酸酶抑制能力,且無安全隱患[26]。黑果腺肋花楸果汁中含有豐富的原花青素等類黃酮成分,具有抑制酪氨酸酶活性的功效。加酶處理的果汁抑制能力(IC50=22.587 mg/mL)始終高于無酶處理的果汁(IC50=61.450 mg/mL),即復合酶酶解使果汁的抑制能力增強。

圖8 黑果腺肋花楸果汁對酪氨酸酶活性的影響Fig.8 Effect of Aronia melancarpa juice concentration on activity of tyrosinase

2.3.4 加酶與無酶處理果汁對黃嘌呤氧化酶活性的抑制效果 黃嘌呤氧化酶抑制劑可以有效的抑制黃嘌呤氧化酶活性,減少尿酸的生成,降低高尿酸血癥和痛風的發(fā)病率[27]。

由圖9可知,隨著濃度的增加,不同處理方式下制備的黑果腺肋花楸果汁對黃嘌呤氧化酶的抑制能力逐漸提高,且具有顯著性差異(P<0.05)。加酶處理制備的果汁黃嘌呤氧化酶抑制能力的IC50值為30.722 mg/mL,無酶處理的果汁IC50值為51.549 mg/mL,這說明酶處理使果汁對黃嘌呤氧化酶的抑制能力增強。在加酶處理果汁濃度為30 mg/mL時,其對黃嘌呤氧化酶活性的抑制率(50.11%)與等濃度的別嘌呤醇標準品(53.27%)差異不顯著,可以作為輔助降尿酸的功能食品。

圖9 黑果腺肋花楸果汁對黃嘌呤氧化酶活性的影響Fig.9 Effect of Aronia melancarpa juice concentration on activity of xanthine oxidase

3 結論

采用復合酶酶解法制備黑果腺肋花楸果汁,并通過單因素試驗及建立響應面模型優(yōu)化得到了黑果腺肋花楸果汁酶解制備的最佳工藝參數即果膠酶∶纖維素酶為4∶5,溫度45 ℃,時間3.5 h,加酶量0.06%,在此條件下,果汁中原花青素含量為(1679.85±6.11) mg/100 g,果實出汁率為78.65%±1.05%。

黑果腺肋花楸果汁具有較強的DPPH自由基清除能力,同時對α-淀粉酶、酪氨酸酶和黃嘌呤氧化酶均表現出較強的抑制能力,復合酶酶解使果汁中活性成分含量顯著提高,從而加強了酶解型果汁的功能效果。這些研究結果表明黑果腺肋花楸果汁可能具有抗氧化、控制餐后血糖、祛斑美白和防治痛風的功效,本文為黑果腺肋花楸果汁成為功能性食品的開發(fā)利用提供了一定的理論依據。