宋 瑩 劉思含 常 霞 侯宇豪 袁洪燕 李高陽,
(1. 湖南大學(xué)研究生院隆平分院,湖南 長沙 410125;2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jì)90年代從日本引進(jìn)[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(fēng)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(fēng)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(jié)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(jìn)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(guān)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。
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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(xué)試劑有限公司;
硝酸鋁:分析純,天津市科密歐化學(xué)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。
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(xué)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(xué)儀器股份有限公司;
電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DHG-9053A型,上海精宏實驗設(shè)備有限公司;
電熱恒溫水浴鍋:HH.S21-Ni6型,北京三二八科學(xué)儀器有限公司;
多功能粉碎機:RS-FS1401型,合肥榮事達(dá)小家電有限公司。
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(jié)果表示為mg VC/100 g。
1.3.3 單因素試驗設(shè)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(yīng)面試驗設(shè)計 在單因素試驗的基礎(chǔ)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(biāo),設(shè)計四因素三水平響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)品,繪制GAE標(biāo)準(zhǔn)曲線[20],線性回歸方程為y=13.37x-0.003(R2=0.996),結(jié)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(biāo)準(zhǔn)品,繪制蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線[21],線性回歸方程為y=0.711x+0.015(R2=0.996),結(jié)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?zé)岱€(wěn)定性的測定 參照文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jìn)行作圖,采用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面分析。
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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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
2.2.1 試驗設(shè)計與結(jié)果分析 根據(jù)單因素試驗的結(jié)果,采用四因素三水平的響應(yīng)曲面分析方法進(jìn)行發(fā)酵條件的優(yōu)化,試驗因素水平表見表1,試驗設(shè)計與結(jié)果見表2。
利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應(yīng)面試驗結(jié)果進(jìn)行分析,得到以紫薯粉抗氧化能力為響應(yīng)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(jié)果一致。
2.2.3 最佳工藝參數(shù) 進(jìn)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(yù)測值相差0.56%,證明該模型可靠。
表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計及結(jié)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
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??偡雍康奶岣呖赡苁怯捎谖⑸锼a(chǎn)酶將酚酸從聚合物上釋放所致[29]??傸S酮含量的升高可能與黃酮類物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化有關(guān),與Chen等[30]的結(jié)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(guān)。
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(jié)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。
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(lán)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(yīng)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
試驗結(jié)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?zé)岱€(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(jié)構(gòu)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(jìn)一步研究。