牛紅紅,苗欣宇,鄭麗,遲燕平,劉佳彤,高巖松,王景會,李達(dá)
(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,吉林 長春 130033)
納豆是大豆經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵制成的一種發(fā)酵豆制品,具有特殊的風(fēng)味和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及功能性成分。納豆中富含納豆激酶(nattokinase,NK)、異黃酮、維生素以及更易被人體吸收利用的氨基酸、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)納豆具有溶栓、抗腫瘤、預(yù)防骨質(zhì)疏松的保健功效[2-4]。納豆之所以有良好的保健功效,與其在生產(chǎn)過程中大豆基本成分的改變有密切關(guān)系,大豆中的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、異黃酮等在納豆菌的作用下會發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng)[5],在保留原有活性成分的同時(shí)會產(chǎn)生新的活性物質(zhì),如NK、抗氧化肽和抗菌肽等[6-7]。
關(guān)于納豆發(fā)酵過程中,營養(yǎng)及生物活性物質(zhì)的變化,很多學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。如HU等[6]用納豆菌發(fā)酵黑豆,發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中黑豆納豆纖溶酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶活力以及酸溶蛋白、蛋白質(zhì)、氨基酸態(tài)氮含量隨著發(fā)酵時(shí)間的增加顯著增加,而脂肪含量以及兩種糖苷型大豆異黃酮含量降低。徐春明等[4]就納豆芽孢桿菌發(fā)酵黃豆不同發(fā)酵階段總酚和異黃酮含量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)納豆中總酚含量提高了65.21%,但異黃酮含量降低了63.30%。甄珍[8]對5種配方風(fēng)味納豆中部分酶和維生素在貨架期(4℃冷藏14 d)內(nèi)的變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不同配方風(fēng)味納豆活性成分在貨架期內(nèi)變化不同,認(rèn)為貨架期7 d內(nèi)的風(fēng)味納豆活性成分較高。納豆?fàn)I養(yǎng)和活性成分較多,在生產(chǎn)及冷藏過程中會發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng),需要不斷完善納豆各營養(yǎng)和活性物質(zhì)在生產(chǎn)和冷藏期間的變化規(guī)律。本研究以前期篩選出的1株發(fā)酵性能較好的納豆菌和小粒豆進(jìn)行納豆生產(chǎn),研究其在生產(chǎn)和冷藏過程中營養(yǎng)、生物活性成分變化規(guī)律,為合理開發(fā)和應(yīng)用納豆產(chǎn)品提供一定的理論參考。
1.1.1 菌株與材料
納豆菌JLTH-076:吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工所食品微生物團(tuán)隊(duì)保藏(分離菌株樣品來源于吉林省通化市水稻秸稈);小粒豆:市售。
1.1.2 化學(xué)試劑
牛凝血酶(1 000 U/支)、牛纖維蛋白原(純度>85%):沈陽拜英生物技術(shù)有限公司;注射用尿激酶標(biāo)準(zhǔn)品(100 000 IU/瓶):武漢人福藥業(yè)有限責(zé)任公司;L-酪氨酸(分析純):北京鼎國生物技術(shù)有限公司;酪蛋白(生化試劑):Sigma公司;無水葡萄糖、蒽酮(分析純):上海國藥集團(tuán);瓊脂糖(分析純):法國Biowest公司;大豆異黃酮標(biāo)準(zhǔn)品(色譜級):上海源葉生物科技有限公司;乙腈、乙酸(色譜級):美國默克公司。
1.1.3 培養(yǎng)基
改良LB液體培養(yǎng)基:蛋白胨10g/L、酵母浸粉3g/L、氯化鈉 10 g/L、葡萄糖 3 g/L,pH6.0~6.2,121℃高壓滅菌20 min。
改良LB固體培養(yǎng)基:改良LB液體培養(yǎng)基添加16 g/L瓊脂粉。
高壓蒸汽滅菌鍋(MLS-3780):日本Sanyo公司;冷凍離心機(jī)(3K15):美國Sigma公司;紫外可見光分光光度計(jì)(Cary300):美國Varian公司;凱氏定氮儀(2 300 k):丹麥FOSS公司;全溫振蕩培養(yǎng)箱(HZQX100)、電熱恒溫培養(yǎng)箱(DHP-9272):上海一恒科技有限公司;超級潔凈工作臺(DL-CJ-2ND):北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司;液相色譜儀(ACQUITY UPLC H-Class,帶紫外檢測器):美國Waters公司。
1.3.1 發(fā)酵液制備
將甘油管保藏的JLTH-075菌株,在固體LB培養(yǎng)基上,37℃劃線培養(yǎng)18 h;挑取單菌落至改良LB液體培養(yǎng)基中,37℃、180 r/min搖瓶培養(yǎng)18 h。接菌量5%,將活化好的菌液轉(zhuǎn)接于液體培養(yǎng)基中,37℃、180 r/min培養(yǎng)4 h,得到二次活化菌液。
將二次活化菌液,在10 000 r/min,4℃離心15 min,棄去上清液,用超純水復(fù)溶菌體,即為發(fā)酵納豆用菌液(活菌數(shù):6.2×107CFU/mL)。
1.3.2 樣品制備
小粒豆浸泡16 h后,100℃蒸煮2 h,冷卻至30℃左右,在無菌條件下按5%接菌量,接入1.3.1制備的發(fā)酵菌液,37℃發(fā)酵18 h,置于4℃冰箱冷藏。在不同時(shí)間點(diǎn)取樣后立即測定活菌數(shù)、NK活力、氨基酸態(tài)氮,其余樣品在-80℃預(yù)凍,冷凍干燥,粉碎后過80目篩,-20℃保存?zhèn)溆?。L1~L8分別代表不同時(shí)期的樣品,詳見表1。
表1 樣品編號Table 1 Number of different samples
1.3.3 粗蛋白含量測定
采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》[9]方法測定。
1.3.4 可溶性總糖測定
采用蒽酮-濃硫酸比色法[10]。
1.3.5 脂肪含量分析
按照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測定》[11]方法測定。
1.3.6 活菌數(shù)測定
采用稀釋平板法測定菌落總數(shù)。
1.3.7 納豆激酶活力測定
按照瓊脂糖-纖維蛋白平板法測定納豆激酶活性[12],并作改進(jìn)。37℃、1 min內(nèi)水解纖維蛋白產(chǎn)生0.01 mm2透明圈所需酶量定義為1 IU。將注射用尿激酶用生理鹽水配制成 2 000、1 000、500、250、100 IU/mL 尿激酶標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別取30 μL在纖維蛋白平板上點(diǎn)樣,37℃恒溫培養(yǎng)18 h。以尿激酶標(biāo)準(zhǔn)品酶活對數(shù)值為橫坐標(biāo)(x),以透明圈兩垂直直徑乘積對數(shù)為縱坐標(biāo)(y),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到回歸方程為y=226.46x-124.88,相關(guān)系數(shù)R2=0.998 7。
將研磨均勻的納豆5.00g用50mL生理鹽水,37℃、180 r/min,振蕩提取30 min,4℃,14 000 r/min離心10 min,取上清液,得到納豆激酶粗酶液。其余與尿激酶標(biāo)準(zhǔn)曲線方法相同,根據(jù)回歸方程計(jì)算NK活力。
1.3.8 蛋白酶測定
參照SB/T10317—1999《蛋白酶活力測定法》[13]測定。
1.3.9 氨基酸態(tài)氮分析
采用GB 5009.235—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中氨基酸態(tài)氮的測定》[14]測定。
1.3.10 樣品中大豆異黃酮含量測定
參照馬玉榮等[15]的方法。
1.3.10.1 色譜條件
色譜柱:C18 柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm);流動相:A為0.1%乙酸乙腈;B為0.1%乙酸水,梯度洗脫,見表2;檢測波長260 nm;流速0.5 mL/min;柱溫25℃;進(jìn)樣體積:35 μL。
表2 流動相梯度洗脫程序Table 2 Elution program of mobile phase
1.3.10.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制
分別稱取5.0 mg大豆苷、黃豆黃苷、染料木苷、大豆苷元、黃豆黃素、染料木素標(biāo)準(zhǔn)品用60%甲醇定容至10 mL,即為0.5 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲備液。取1 mL儲備液用60%甲醇定容至10 mL,得到濃度為0.05 mg/mL中間液。分別取中間液 50、100、200、300、1 000 μL 用10%甲醇定容至10 mL,得到濃度分別為0.25、0.50、1.00、1.50、5.00 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)工作液。依次進(jìn)樣,以峰面積為縱坐標(biāo)(y),濃度為橫坐標(biāo)(x)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.3.10.3 樣品前處理
分別稱取0.500 0 g樣品于具塞試管內(nèi),加入90%甲醇溶液10 mL,60℃超聲輔助提取30 min,渦旋振蕩30 s,繼續(xù)超聲輔助提取30 min,取上清液1 mL,10 000 r/min離心5 min,過0.22 μm濾膜,上機(jī)測定。根據(jù)保留時(shí)間定性,以標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算樣品異黃酮的含量。
每組試驗(yàn)3次平行,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析,以p<0.05為差異顯著。
不同樣品蛋白質(zhì)、脂肪和可溶性總糖變化見表3。
表3 不同樣品蛋白質(zhì)、脂肪和可溶性總糖變化Table 3 Changes of protein,fat and total soluble sugar different samples
小粒豆蛋白質(zhì)含量在(40.76±0.15)%~(42.24±0.68)%之間,其中浸泡后蛋白質(zhì)含量最低為(40.76±0.15)%,因?yàn)榻輹斐梢恍┧苄缘鞍踪|(zhì)流出[16]。蒸煮之后蛋白質(zhì)含量較原料及浸泡小粒豆含量顯著增加,由于蒸煮過程中酚類物質(zhì)大量流出、可溶性總糖含量降低等因素,使得蛋白質(zhì)含量相對提高[17]。納豆蛋白質(zhì)較小粒豆蛋白質(zhì)含量顯著增加(p<0.05),平均提高2.9%,其中以冷藏3 d時(shí)含量最高為(44.81±0.01)%,蛋白質(zhì)含量在冷藏期間小幅度變化。納豆蛋白質(zhì)含量提高,與HU等[6]、BARIMALAA等[17]的研究結(jié)論一致。根據(jù)相關(guān)報(bào)道,大豆發(fā)酵后蛋白質(zhì)增加主要原因有以下幾方面:(1)由于納豆菌大量繁殖,積累了大量菌體蛋白[7],以及納豆菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量蛋白酶積累的蛋白質(zhì);(2)可能是因?yàn)槠渌煞纸到夂笾匦陆M合,發(fā)酵產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量增加[7];(3)由于發(fā)酵后豆子中可溶性總糖降低,蛋白質(zhì)所占比例提高[18]。
納豆中脂類物質(zhì)是風(fēng)味形成的重要物質(zhì)。脂肪中一些游離脂肪酸不僅是營養(yǎng)成分,也是風(fēng)味形成的前體物質(zhì),使納豆口感酥軟的同時(shí)也具有一定的保健功效[19]。由表3可知,小粒豆經(jīng)浸泡、蒸煮之后,脂肪含量先降后升,納豆中脂肪含量較發(fā)酵前平均提高約2.6%,隨著冷藏時(shí)間的延長,脂肪含量在(22.58±0.17)%~(22.97±0.07)%之間小幅度波動,冷藏1 d時(shí)脂肪含量最高為(22.88±0.27)%。HU 等[6]發(fā)現(xiàn)黑豆經(jīng)納豆菌發(fā)酵后,脂肪含量略有下降但與原料豆差別不大,與本結(jié)果稍有不同。分析納豆脂肪含量升高的原因,發(fā)酵過程中小粒豆可溶性總糖含量減少,使納豆中脂肪的相對含量提高[18]。
原料豆、浸泡和蒸煮之后可溶性總糖含量在(8.49±0.22)%~(8.82±0.84)%之間,差異不顯著(p>0.05),發(fā)酵后急劇下降,含量為(4.42±0.10)%~(4.81±0.04)%,約為發(fā)酵前的53%,冷藏期間可溶性總糖含量變化不大,之間差異不顯著(p>0.05)。發(fā)酵后可溶性總糖顯著下降是因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中,納豆菌大量生長,可溶性總糖作為碳源被納豆菌充分利用[20]。
冷藏過程中活菌數(shù)及納豆激酶變化見圖1。
圖1 冷藏過程中活菌數(shù)及納豆激酶變化Fig.1 Changes in the number of live bacteria and the activity of NK during cold storage
由圖1可知,隨著冷藏時(shí)間的延長,活菌數(shù)緩慢下降,冷藏 0 d時(shí)活菌數(shù)最高為(9.5±0.60)×108CFU/g,整個(gè)冷藏期間在(1.1±0.61)×107CFU/g~(9.5±0.60)×108CFU/g之間,波動不大。NK活力在冷藏過程中前3 d迅速增加,第3天時(shí)NK活力達(dá)到高峰為(3 875±105)IU/g,然后開始下降,冷藏6 d時(shí)NK趨于穩(wěn)定,為(2 287±29)IU/g?;罹鷶?shù)與NK活力在冷藏階段生長趨勢并不一致,說明NK的合成與納豆菌體生長并不完全耦合[2]?;罹鷶?shù)在冷藏期間下降,因?yàn)榘l(fā)酵完成后,納豆菌已經(jīng)過了對數(shù)生長期,并且納豆菌最適生長溫度為37℃左右,冷藏溫度已經(jīng)不適宜繼續(xù)生長繁殖,菌體數(shù)量下降。NK活力在冷藏前3 d迅速增加,因?yàn)镹K的合成模式是延續(xù)合成型,雖然納豆菌數(shù)量出現(xiàn)了下降趨勢,但是NK仍然可在納豆菌生長指數(shù)期以后的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)合成積累[21],冷藏后期NK活力下降,可能是納豆激酶降解引起的[2]。已報(bào)道的商業(yè)化納豆產(chǎn)品中NK活力范圍一般在800 IU/g~4 000 IU/g[22],本研究所制備納豆中NK活力滿足商業(yè)化納豆要求。
冷藏過程中蛋白酶和納豆激酶酶活變化見圖2。
圖2 冷藏過程中蛋白酶及納豆激酶變化Fig.2 Changes of protease and NK during cold storage
如圖2所示,蛋白酶活力和NK活力在冷藏期間變化趨勢基本一致,冷藏時(shí)間在0~3 d之間,蛋白酶活力和NK活力都迅速增加,在第3天時(shí)兩種酶活力均達(dá)到最高值,蛋白酶活力為(919.75±24.71)U/g,3 d 后酶活開始下降。NK屬于絲氨酸蛋白酶,是蛋白酶的一種,因此其活力變化趨勢與蛋白酶一致。同時(shí)結(jié)合圖1來看,蛋白酶和菌體總數(shù)的變化不耦合,也是因?yàn)榇蠖鄶?shù)蛋白酶是在納豆菌指數(shù)生長階段之后產(chǎn)生的[7],這也進(jìn)一步說明了當(dāng)納豆菌體數(shù)呈下降趨勢時(shí),蛋白酶和NK仍然可以繼續(xù)合成,同時(shí)從酶活力方面考慮,不宜冷藏太久食用。
不同處理氨基酸態(tài)氮含量變化見圖3。
圖3 不同樣品氨基酸態(tài)氮含量比較Fig.3 Comparison of amino acid nitrogen content in different samples
氨基酸態(tài)氮可以為釀造產(chǎn)品賦予豐富的味覺特征,而且可以為發(fā)酵過程中微生物的生長提供氮源,促進(jìn)發(fā)酵作用[23-24]。納豆風(fēng)味與氨基酸態(tài)氮含量直接相關(guān),其含量是納豆生產(chǎn)工藝和品質(zhì)控制的關(guān)鍵點(diǎn)[25]。從圖3可知,小粒豆經(jīng)過浸泡和蒸煮之后,氨基酸態(tài)含量顯著下降,從(0.28±0.01)g/100 g下降到(0.08±0.09)g/100 g,降幅為70%,主要是因?yàn)榻?、蒸煮這些加工方式會造成部分氨基酸態(tài)氮流失。發(fā)酵之后氨基酸態(tài)氮含量較發(fā)酵之前顯著提高,在冷藏期間,前3 d氨基酸態(tài)含量顯著增加(p<0.05),第 3天時(shí)最高為(0.57±0.05)g/100 g,之后緩慢下降。氨基酸態(tài)氮含量變化趨勢與圖2蛋白酶活力變化一致,說明氨基酸態(tài)氮是納豆菌產(chǎn)生的蛋白酶降解大分子蛋白產(chǎn)物,同時(shí)從氨基酸態(tài)氮含量變化來看,隨著冷藏時(shí)間的延長納豆的口感和風(fēng)味會下降,最佳食用時(shí)間是3 d左右。
在研究大豆異黃酮的生物功能活性時(shí),除了根據(jù)大豆異黃酮的總量,還要依據(jù)苷元型大豆異黃酮的含量來判斷,因此分析小粒豆經(jīng)過加工后苷元型和糖苷之間的變化對于評價(jià)納豆功能性有重要意義。
2.5.1 樣品中大豆異黃酮總量變化
不同處理異黃酮總量見圖4。
如圖4所示,納豆生產(chǎn)過程中,大豆異黃酮含量變化顯著(p<0.05)。蒸煮后樣品中大豆異黃酮含量迅速增加,從原料豆的(1 523.15±54.28)mg/kg提高到(5 037.04±455.99)mg/kg,是原料豆的3倍多,發(fā)酵之后,總量又迅速下降,整個(gè)冷藏階段大豆異黃酮含量小范圍波動。小粒豆加熱后大豆異黃酮總量提高的原因:第一,由于大豆異黃酮對熱比較敏感,加熱處理可導(dǎo)致大豆中丙二酰基型異黃酮含量降低,而苷元型和糖苷型含量增加[26];第二,因?yàn)檎糁笾蟠蠖股攀忱w維發(fā)生降解和斷裂,結(jié)構(gòu)變得疏松,使一些原來與脂肪、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)結(jié)合的大豆異黃酮轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài),大豆異黃酮提取率提高了,其真正含量并沒有明顯變化[27]。徐春明等[4]、HU等[6]研究發(fā)現(xiàn)原料豆經(jīng)蒸煮后,由于高溫作用破壞大豆異黃酮導(dǎo)致其含量下降,與本試驗(yàn)結(jié)論不一致,有待于進(jìn)一步研究。冷藏階段異黃酮含量下降可能是由于納豆菌的生理活動引起的[4]。
圖4 不同樣品異大豆黃酮總量比較Fig.4 Comparison of soybean isoflavone content in different samples
2.5.2 樣品中糖苷型和苷元型大豆異黃酮變化
不同處理苷元型和糖苷型大豆異黃酮含量見圖5。
圖5 不同樣品糖苷型和苷元型大豆異黃酮含量變化Fig.5 Changes in total contents of glucosides isoflavone and aglycone soybean isoflavone in different samples
小粒豆在發(fā)酵前后苷元型和糖苷型大豆異黃酮含量比例變化較大(p<0.05)。在整個(gè)生產(chǎn)過程中,生物活性較高的苷元型大豆異黃酮含量占總黃酮含量比例在發(fā)酵前平均僅為6.2%,發(fā)酵后提高到平均27.6%,在生產(chǎn)及冷藏過程中,苷元型大豆異黃酮所占比例呈現(xiàn)先升后降的趨勢。雖然蒸煮后小粒豆大豆異黃酮總量最高,但苷元型大豆異黃酮含量較低為(352.66±17.95)mg/kg,僅為大豆異黃酮總量的7.00%。完成發(fā)酵之后,苷元型大豆異黃酮含量增加。冷藏3 d~6 d時(shí)苷元型含量最高為(468.44±61.89)mg/kg~(556.47±68.37)mg/kg之間,差異不顯著(p>0.05),第3天時(shí)苷元型含量最高為(556.47±68.37)mg/kg,約占異黃酮總量的33.5%。很多研究表明,大豆在發(fā)酵過程中,微生物迅速繁殖,產(chǎn)生的β-葡萄糖苷酶可將糖苷型大豆異黃酮轉(zhuǎn)化成苷元型大豆異黃酮,或者發(fā)生酸水解作用,使苷元型大豆異黃酮含量顯著提高[28]。納豆在發(fā)酵過程中大豆異黃酮構(gòu)成發(fā)生變化,更具生物活性的苷元型大豆異黃酮比例提高,同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,納豆冷藏至3 d~6 d時(shí)納豆中苷元型大豆異黃酮比例最高,食用保健效果最佳。
本研究以納豆菌為菌種、以小粒豆為原料進(jìn)行發(fā)酵,得到具有營養(yǎng)保健功效的納豆。對納豆中營養(yǎng)及活性性成分在生產(chǎn)過程及冷藏期間各項(xiàng)指標(biāo)變化進(jìn)行測定。結(jié)果表明,納豆中蛋白質(zhì)含量以冷藏3d時(shí)蛋白質(zhì)含量最高為(44.81±0.01)%,冷藏期間納豆蛋白質(zhì)小幅度變化;脂肪在冷藏1 d時(shí)含量最高為(22.88±0.27)%;可溶性總糖是發(fā)酵前小粒豆含量的53%,冷藏期間可溶性總糖含量較穩(wěn)定;納豆活菌數(shù)在冷藏0 d時(shí)數(shù)量最高為(9.5±0.60)×108CFU/g;納豆 NK 活力、蛋白酶活力、氨基酸態(tài)氮含量均在冷藏3 d時(shí)含量最高,分別為(3 875±105)IU/g、(919.75±24.71)U/g 和(0.57±0.05)g/100 g,并且隨著冷藏時(shí)間的延長,均表現(xiàn)出下降趨勢;大豆異黃酮總量較原料豆含量差異不顯著(p>0.05),而活性高的苷元型大豆異黃酮占總黃酮比例均較原料豆有所提高,在冷藏3 d時(shí),苷元型含量最高為(556.47±68.37)mg/kg,是大豆異黃酮總量的33.5%。綜上,納豆的營養(yǎng)和功能性相比小粒豆明顯提高,并且NK活力可滿足商業(yè)納豆要求,但是隨著冷藏時(shí)間的延長,大部分營養(yǎng)及生物活性物質(zhì)含量下降,因此選擇合理的冷藏時(shí)間及食用時(shí)間,才能保證發(fā)揮納豆最佳的營養(yǎng)保健功效。綜合評價(jià)認(rèn)為3 d內(nèi)納豆可保持較高的活性,但是關(guān)于納豆其它營養(yǎng)成分以及不同工藝生產(chǎn)的納豆,最佳冷藏時(shí)間的確定,有待于進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)結(jié)果可以為納豆生產(chǎn)、工藝優(yōu)化以及質(zhì)量控制奠定基礎(chǔ)。