梁紅敏,郭亞蕓,史紅梅
(山東省葡萄研究院,山東 濟(jì)南 250100)
根據(jù)國際葡萄與葡萄酒組織(International Organisation of Vine and Wine,OIV)2018 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2017年全球用于釀酒的葡萄占比52%,中國的葡萄主要以鮮食為主(占比83%),鮮食是釀酒的7.5倍[1]。鮮食葡萄如巨峰葡萄一般粒大汁甜、營養(yǎng)豐富,廣受消費(fèi)者喜愛,然而由于其皮薄、含糖量高、果實硬度低,極易受機(jī)械損傷以及微生物污染等特點,不易儲存和運(yùn)輸,葡萄產(chǎn)后流通環(huán)節(jié)薄弱,導(dǎo)致我國鮮食葡萄年損耗率達(dá)27%,從而制約了鮮食葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2-6]。目前,我國酵素產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時期,酵素生產(chǎn)水平不斷提高,生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,現(xiàn)在產(chǎn)品出口量增多,正在打開國際市場。將鮮食葡萄制作成酵素產(chǎn)品,不僅能減少我國鮮食葡萄的損耗,并且能夠極大地提高產(chǎn)品的附加值。
在酵素食品行業(yè)里,常用的微生物有乳酸菌類、酵母菌及其復(fù)配菌等。通過選擇不同益生菌發(fā)酵酵素飲料,可以獲得不同營養(yǎng)價值和風(fēng)味的酵素產(chǎn)品。乳酸發(fā)酵是最古老、最經(jīng)濟(jì)的發(fā)酵方法和最有價值的生物技術(shù)方法之一,用于維持或改善水果的營養(yǎng)、感官、安全和保質(zhì)期[7]。楊志鵬等[8]對海棠果酵素中的益生菌菌株進(jìn)行篩選,優(yōu)選出鼠李糖乳桿菌217-3為發(fā)酵菌株。葛瑞宏等[9]選擇益生菌(保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、青春雙歧桿菌)為發(fā)酵菌種制備桂圓酵素,獲得的桂圓酵素原液營養(yǎng)豐富且具有一定的抗氧化活性。馬曉偉等[10]以產(chǎn)乳酸芽孢桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌為發(fā)酵菌株制備火龍果酵素,得到的酵素飲品不僅具有清雅和諧的果香和發(fā)酵香味,而且營養(yǎng)豐富。
本研究以巨峰葡萄為發(fā)酵原料,選擇干酪乳桿菌、植物乳桿菌、副干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌4種乳桿菌分別進(jìn)行發(fā)酵,跟蹤檢測不同乳酸菌發(fā)酵葡萄酵素過程中代謝組分及抗氧化活性的變化,為鮮食葡萄深加工提供數(shù)據(jù)支撐和理論支持。
巨峰葡萄采自山東省葡萄研究院仲宮試驗基地,位于濟(jì)南市歷城區(qū)仲宮鎮(zhèn)臥虎山水庫南岸。
副干酪乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌:中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。
乳酸菌通用培養(yǎng)基(MRS培養(yǎng)基)參照文獻(xiàn)[11]配制。蛋白胨10g、牛肉膏10g、酵母提取物5g、磷酸氫二鉀2 g、檸檬酸氫二銨2g、乙酸鈉5g、葡萄糖20g、吐溫801mL、MnSO40.25 g、MgSO4·7H2O 0.5 g,蒸餾水 1 000 mL,pH6.2~6.4,121℃高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌20 min。固體培養(yǎng)基在液體培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加1.8%瓊脂。
1,1-二苯-2-三硝基苯肼 (1,1-dipheny1-2-picryhydrazyl,DPPH)、2,2'-聯(lián)氮雙(3-乙基-苯并噻唑啉-6-磺酸)[2,2'-azino-bis-(3-ethylbmzothiazoline-6-sulfonic acid,ABTS]、6-羥基-2,5,7,8-四甲基苯并二氫吡喃-2-羧酸(6-hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchroman-2-carboxylicacid,Trolox)、2,4,6-三 (2-吡啶)-1,3,5-三嗪[2,4,6-Tris(2-pyridyl)-5-triazine,TPTZ]、沒食子酸(gallic acid,GAE)標(biāo)準(zhǔn)品、福林酚試劑:美國Sigma公司;氫氧化鈉、鄰苯三酚、福林酚、三氯化鐵、無水乙醇、乙酸鈉、濃鹽酸(均為分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)測試盒:蘇州科銘生物技術(shù)有限公司。
TDL-5型高速離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;UV5200紫外可見分光光度計:上海元析儀器有限公司;YXQ-LS-70A型立式壓力蒸汽滅菌器:上海博訊實業(yè)有限公司;BPC-生化培養(yǎng)箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;SW-CJ-ZD雙人單面凈化工作臺:蘇州凈化設(shè)備有限公司;ML204/2型電子天平、FE20pH計:上海梅特勒-托利多儀器有限公司;THZ-C-1型臺式恒溫振蕩器:蘇州培英實驗設(shè)備有限公司。
1.3.1 菌種活化及生長曲線的繪制
菌種活化參照文獻(xiàn)[12]的方法,并略作修改。從安瓿瓶中取出菌種,接入MRS液體培養(yǎng)基中,置于37℃培養(yǎng)24 h,再繼代培養(yǎng)2次后,活化液在4 000 r/min,4℃條件下離心10 min,收集微生物菌體,用0.1%的無菌生理鹽水進(jìn)行洗滌,制成種子液(濃度1×109cfu/mL)。
乳酸菌生長曲線的繪制:將活化后的副干酪乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌種子液分別接入100 mL MRS的液體培養(yǎng)基,接種量為3%,發(fā)酵溫度為37℃,從接種開始計時,每隔2 h分別測量其活菌數(shù),連續(xù)測量20 h。以培養(yǎng)時間為橫坐標(biāo),生物量OD660nm值為縱坐標(biāo),分別繪制副干酪乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌的生長曲線。
1.3.2 葡萄酵素的制備
將葡萄洗凈瀝干,破碎,加入干凈的玻璃壇中,65℃滅菌15 min,冷卻后在無菌操作臺中按1×108cfu/mL接種量分別加入4種乳酸桿菌,進(jìn)行密封發(fā)酵,每天無菌條件下攪拌1次,連續(xù)發(fā)酵15 d,在發(fā)酵的過程中前7 d每天連續(xù)取樣,然后每隔1 d取樣。
1.3.3 發(fā)酵過程中微生物生長的變化
參考Yang等[13]的方法,采用菌落計數(shù)法測定發(fā)酵過程中微生物(乳酸菌)的生長情況。在不同的時間間隔提取發(fā)酵的葡萄酵素樣品,然后立即進(jìn)行微生物培養(yǎng)。在一系列的稀釋過程中,用擴(kuò)散平板法將樣品接種到MRS平板培養(yǎng)基上。接種后,將平板倒置,在37℃培養(yǎng)72 h。然后計算菌落總數(shù),結(jié)果顯示為log10轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。將周圍有透明帶的菌落計數(shù)為總?cè)樗峋?,并記錄每次連續(xù)稀釋時3個平板的平均值。
1.3.4 pH值的測定
pH值由酸度計直接進(jìn)行測定。
1.3.5 總酸的測定
參考GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》對樣品進(jìn)行總酸含量測定,結(jié)果以乳酸(g/L)計。
1.3.6 SOD酶活力的測定
將葡萄酵素液在4000r/min離心10min后,取上清液,根據(jù)SOD測試盒說明書進(jìn)行SOD酶活力的測定。
1.3.7 總酚含量的測定
參考王華等[14]的方法,以沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)品,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。分別對4種不同乳酸菌發(fā)酵樣品,再按照制作標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法進(jìn)行操作。沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為 y=0.000 9x+0.007 9,R2=0.999 1,其中:y 為吸光度,x為沒食子酸濃度(μg/mL)。
1.3.8 對DPPH自由基清除作用的測定
參考 Espín 等[15]的方法,稱取 0.039 4 g DPPH,用無水乙醇定容至100 mL,再用無水乙醇配制成濃度為1×10-4mmol/L的DPPH溶液。取發(fā)酵過程中不同時間間隔的樣品溶液以10 000×g離心5 min,去除發(fā)酵樣品中的不溶性殘渣。取上清液0.5 mL分別加入3.5 mL DPPH乙醇溶液中,避光反應(yīng)2 h,測量其在波長517 nm處的吸光度值(Ai)。取0.5 mL無水乙醇與3.5 mL DPPH溶液反應(yīng),避光反應(yīng)2 h,波長517 nm處測吸光度值(A0),按照下列公式計算自由基清除率。
以水溶性維生素E類(Trolox)為標(biāo)準(zhǔn)品,以不同Trolox濃度對清除率繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果以每升(L)發(fā)酵樣品中 Trolox(μmol)的量表示[17]。DPPH 乙醇體系標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為y=0.403 4x+1.444 7,R2=0.999 2。
1.3.9 對ABTS+自由基清除作用的測定
參考MARFIL等[16]的方法配制ABTS反應(yīng)儲備液,使用時用無水乙醇將其稀釋至吸光度值為0.70±0.02,取發(fā)酵過程中不同時間間隔的樣品溶液以10 000×g離心5 min,去除發(fā)酵樣品中的不溶性殘渣,取上清液200 μL分別加入6.0 mL ABTS工作液中,避光反應(yīng)30 min,以乙醇溶劑作空白對照,測量其在波長734 nm處的吸光度值(Ai)。取200 μL無水乙醇與6.0 mL ABTS工作液反應(yīng),避光反應(yīng)30 min,波長734 nm處測吸光度值(A0),按照下列公式計算自由基清除率。
以Trolox(水溶性維生素E類)為標(biāo)準(zhǔn)品,以不同Trolox濃度對清除率繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果以每升(L)發(fā)酵樣品中 Trolox(μmol)的量表示[17]。ABTS 乙醇體系標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為y=0.168 4x-0.146,R2=0.999 6。
1.3.10 鐵離子還原能力(ferric reducing antioxidant power,F(xiàn)RAP)測定
參考Suárez B等[18]的方法,略作修改,取發(fā)酵過程中不同時間間隔的樣品溶液以10 000×g離心5 min,去除發(fā)酵樣品中的不溶性殘渣,取上清液200 μL分別加入4.0 mL TPTZ工作液(由0.1 mol/L醋酸鹽緩沖液25 mL,10 mmol/L TPTZ 溶液 2.5 mL,20 mmol/L FeCl3溶液2.5 mL組成)?;靹蚝?7℃反應(yīng)10 min,波長593 nm測定吸光度值。
以水溶性維生素E類(Trolox)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),以不同Trolox濃度對吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果以每升發(fā)酵樣品中Trolox(μmol)的量表示。標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為 y=0.002 1x+0.176,R2=0.999 6。
試驗結(jié)果為平行試驗的平均值表示。采用Origin 8.6軟件處理數(shù)據(jù)、作圖。
4種乳酸菌經(jīng)過3代活化的生長曲線見圖1。
圖1 不同乳酸菌的生長曲線Fig.1 Growth curve of different lactic acid bacterial strains
由圖1可知,在0~2 h,4種乳桿菌在發(fā)酵溫度為37℃的恒溫培養(yǎng)條件下,增長速度相對平緩,這是由于剛剛進(jìn)入新的培養(yǎng)液,菌種需要一段適應(yīng)的過程,此段時期屬于延滯期;通過延滯期的調(diào)整,菌體適應(yīng)生長環(huán)境后,進(jìn)入對數(shù)生長期,此階段菌體數(shù)目呈幾何增長,不同乳桿菌處于對數(shù)生長期時間長短不同,副干酪乳桿菌與植物乳桿菌在2 h~12 h處于對數(shù)生長期,干酪乳桿菌在2 h~10 h處于對數(shù)生長期,鼠李糖乳桿菌在2 h~16 h處于對數(shù)生長期;隨著時間的延長,不同乳桿菌分別進(jìn)入穩(wěn)定期。因此,在后續(xù)的試驗中,對于副干酪乳桿菌與植物乳桿菌選定培養(yǎng)12 h作為接入發(fā)酵液的時間,干酪乳桿菌選定培養(yǎng)時間為10 h,鼠李糖乳桿菌選定為16 h。
在發(fā)酵過程中,微生物的生長可以為發(fā)酵的特性提供重要的信息。以發(fā)酵時間為橫坐標(biāo),活菌數(shù)的對數(shù)值為縱坐標(biāo),繪制微生物總數(shù)的變化曲線,如圖2所示。
圖2 不同乳酸菌發(fā)酵過程中菌落總數(shù)的變化Fig.2 Changes of total bacterial count during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖2可知,4種乳酸菌在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中經(jīng)過活化培養(yǎng)后按1×108cfu/mL接種量接種到發(fā)酵液中,第1天測定4種乳酸菌數(shù)量明顯降低,這是由于將乳酸菌接種到新的壞境中需要一個適應(yīng)過程,從第2天開始,不同乳酸菌數(shù)量迅速增加,干酪乳桿菌、植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌在第4天達(dá)到最大值,其后略有下降,在5d~13d達(dá)到穩(wěn)定。副干酪乳桿菌在第5天達(dá)到最大值,其后略有下降,在6d~13d達(dá)到穩(wěn)定。在13d后4種乳酸菌數(shù)量都降低,可能是由于發(fā)酵過程中pH值的變化,pH值不斷降低,在一定程度上能夠抑制微生物的生長[19]。
在乳酸菌發(fā)酵過程中,pH值和總酸可間接反映乳酸菌在發(fā)酵液中的生長狀況以及乳酸菌作為飲料發(fā)酵菌種的潛質(zhì)[20]。因此pH值和總酸是乳酸菌發(fā)酵特性的重要指標(biāo)。不同乳酸菌發(fā)酵對pH值和總酸變化的影響見圖3。
圖3 不同乳酸菌發(fā)酵過程中pH值和總酸的變化Fig.3 Changes in pH and total acid during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖3(a)可知,發(fā)酵液最初pH值約為4.10。在15 d內(nèi),隨著發(fā)酵時間的延長,4種乳酸菌在發(fā)酵過程中pH值變化規(guī)律一致,均呈下降趨勢;其中,在發(fā)酵第15天時干酪乳桿菌、植物乳桿菌發(fā)酵液的pH值最低,分別為3.01和3.04。由圖3(b)可知,初始總酸含量約為2.50 g/L,在15 d的發(fā)酵時間內(nèi),隨著發(fā)酵時間的延長,4種乳酸菌在發(fā)酵過程中總酸含量變化趨勢一致,均呈增加趨勢,在0~7 d這種增加趨勢尤為明顯,7 d~15 d,總酸含量較為穩(wěn)定。不同菌種的產(chǎn)酸能力不同,這4種乳酸菌在葡萄發(fā)酵液中的產(chǎn)酸能力大小依次為干酪乳桿菌﹥植物乳桿菌﹥副干酪乳桿菌﹥鼠李糖乳桿菌,這與圖3不同乳酸菌pH值的變化相符合,干酪乳桿菌發(fā)酵15 d時總酸含量最大,達(dá)到8.40 g/L。陳曉維等[21]用不同乳酸菌發(fā)酵冬瓜汁也得到相似結(jié)果。pH值和總酸含量的變化可能是由于乳酸菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸濃度增加,尤其是乳酸的產(chǎn)生。
不同乳酸菌發(fā)酵對總酚含量變化的影響見圖4。
圖4 不同乳酸菌發(fā)酵過程中總酚含量的變化Fig.4 Changes in total phenol content during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖4可知,總酚含量在發(fā)酵前約為2.63 mg/mL。在15 d的發(fā)酵時間內(nèi),隨著發(fā)酵時間的延長,不同乳酸菌在發(fā)酵過程中總酚含量變化趨勢一致,均呈先增加后減少的趨勢,干酪乳桿菌、副干酪乳桿菌和鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵第7天總酚含量達(dá)到最大,分別為3.53、3.49 mg/mL和3.59 mg/mL,植物乳桿菌在發(fā)酵第9天達(dá)到最大,為3.62 mg/mL。有研究表明,微生物的轉(zhuǎn)化以及一些化合物解聚作用能夠解釋在發(fā)酵過程中總酚含量的增加[22],另外,在發(fā)酵過程中,一定濃度的酚類物質(zhì)又可以起到抑菌作用,而乳酸菌為了保持生長會降解酚類,這一活動可能會導(dǎo)致總酚含量的降低[23]。
SOD是最重要的抗氧化酶之一,一些乳酸菌能在發(fā)酵過程中產(chǎn)生SOD,提高系統(tǒng)的抗氧化活性。不同乳酸菌發(fā)酵對SOD酶活力變化的影響見圖5。
圖5 不同乳酸菌發(fā)酵過程中SOD酶活力的變化Fig.5 Changes in SOD activity during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖5可知,在發(fā)酵過程中,隨著發(fā)酵時間的延長,不同乳酸菌在發(fā)酵過程中SOD酶活力變化趨勢一致,均呈先增加后減少的趨勢,干酪乳桿菌在發(fā)酵第6天SOD酶活力達(dá)到最大,為284.57 U/mL,副干酪乳桿菌在發(fā)酵第7天達(dá)到最大,為274.26 U/mL,植物乳桿菌和鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵第9天達(dá)到最大,分別為262.22 U/mL和272.33 U/mL。有研究表明,發(fā)酵期超氧化物歧化酶(SOD)活性的增加可能與菌株的生長有關(guān),SOD是一種胞內(nèi)酶,可通過微生物的細(xì)胞裂解而釋放[24]。SOD活性的降低可能是在發(fā)酵溫度條件下SOD本身的不穩(wěn)定性引起的,也有可能是由于乳酸菌的生長受環(huán)境(例如pH值、壓力)變化的影響,進(jìn)而影響SOD 酶活力[25]。
DPPH自由基是較穩(wěn)定的自由基,與其他測定抗氧化能力的方法相比,DPPH自由基清除法可以短時間內(nèi)評價抗氧化活性。不同乳酸菌在發(fā)酵過程中DPPH自由基清除率的變化見圖6。
圖6 不同乳酸菌發(fā)酵過程中DPPH自由基清除能力變化Fig.6 Changes in DPPH radical scavenging activity during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖6可知,在發(fā)酵期內(nèi),不同乳酸菌在發(fā)酵過程中DPPH自由基清除能力均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。副干酪乳桿菌、干酪乳桿菌和鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵第7天達(dá)到最大,分別為158.34、162.98 μmol Trolox/L和164.09 μmol Trolox/L。植物乳桿菌在發(fā)酵第9天達(dá)到最大,為164.08 μmol Trolox/L。結(jié)合圖4中總酚含量的變化曲線圖,有研究認(rèn)為酚類物質(zhì)可以提供出一個氫離子,并通過共振雜化而穩(wěn)定,影響自由基清除率[26]。
ABTS+自由基清除能力是評價體外抗氧化能力應(yīng)用較為廣泛,也是較為簡單的方法。不同乳酸菌在發(fā)酵過程中ABTS+自由基清除能力的變化見圖7。
圖7 不同乳酸菌發(fā)酵過程中ABTS+自由基清除能力的變化Fig.7 Changes in ABTS+radical scavenging activity during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖7可知,在發(fā)酵期內(nèi),不同乳酸菌在發(fā)酵過程中ABTS+自由基清除能力變化曲線與DPPH自由基清除率的變化曲線相似,均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。副干酪乳桿菌與鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵第7天達(dá)到最大,分別為 334.35、338.53 μmol Trolox/L。干酪乳桿菌與植物乳桿菌在發(fā)酵第9天達(dá)到最大,分別為41.44、346.97 μmol Trolox/L。
抗氧化物質(zhì)可以通過自身的還原作用破壞自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),并給出電子清除自由基,還原力是物質(zhì)提供電子的能力,物質(zhì)的還原能力與多種抗氧化機(jī)制有關(guān)。不同乳酸菌在發(fā)酵過程中還原力的變化見圖8。
圖8 不同乳酸菌發(fā)酵過程中還原力的變化Fig.8 Changes in reducing power during fermentation by different lactic acid bacterial strains
由圖8可知,在發(fā)酵期內(nèi),不同乳酸菌在發(fā)酵過程中鐵還原能力變化均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。干酪乳桿菌在發(fā)酵第6天達(dá)到最大,為220.19μmolTrolox/L、副干酪乳桿菌在發(fā)酵第7天達(dá)到最大,為219.87μmolTrolox/L。鼠李糖乳桿菌與植物乳桿菌在發(fā)酵第9天達(dá)到最大,分別為224.636μmolTrolox/L和222.41μmolTrolox/L。這4種不同乳酸菌發(fā)酵葡萄酵素抗氧化能力測定指標(biāo)DPPH自由基、ABTS+自由基和FRAP變化趨勢大致相同,在6 d~9 d達(dá)到最大值,這與Yang等[13]對乳酸菌發(fā)酵蔬菜水果混合飲料抗氧化性能分析相一致。
本試驗以巨峰葡萄為原料,通過比較4種不同乳酸菌發(fā)酵葡萄酵素過程中pH值、總酸、菌落總數(shù)、總酚、SOD酶活力以及抗氧化活性的動態(tài)變化,得出結(jié)論:本試驗選擇的4種乳酸菌均能在發(fā)酵過程中較好的生長且均能產(chǎn)酸,總酸含量變化趨勢一致,均呈增加趨勢,不同菌種的產(chǎn)酸能力不同,這4種乳酸菌在葡萄發(fā)酵液中的產(chǎn)酸能力大小依次為干酪乳桿菌﹥植物乳桿菌﹥副干酪乳桿菌﹥鼠李糖乳桿菌。不同乳酸菌在發(fā)酵過程中總酚含量、SOD酶活力變化均呈先增加后減少的趨勢,抗氧化性測定指標(biāo)DPPH自由基清除能力、ABTS+自由基清除能力和FRAP變化趨勢與總酚變化趨勢大致相同,表明抗氧化活性的大小與總酚含量具有一定的相關(guān)性,這4種乳酸菌均能用于葡萄酵素的發(fā)酵。