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中国精品科技期刊2020

不同乳酸菌发酵对浓缩梨汁营养物质及挥发性风味物质的影响

叶剑, 吴学凤, 穆冬冬, 刘兰花, 李振宏, 陈祥松, 李兴江

叶剑,吴学凤,穆冬冬,等. 不同乳酸菌发酵对浓缩梨汁营养物质及挥发性风味物质的影响[J]. 食品工业科技,2024,45(23):84−93. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023120013.
引用本文: 叶剑,吴学凤,穆冬冬,等. 不同乳酸菌发酵对浓缩梨汁营养物质及挥发性风味物质的影响[J]. 食品工业科技,2024,45(23):84−93. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023120013.
YE Jian, WU Xuefeng, MU Dongdong, et al. Influence of Different Lactic Acid Bacteria Fermentations on the Nutritional Substance and Volatile Flavor Compounds of Concentrated Pear Juice[J]. Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(23): 84−93. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023120013.
Citation: YE Jian, WU Xuefeng, MU Dongdong, et al. Influence of Different Lactic Acid Bacteria Fermentations on the Nutritional Substance and Volatile Flavor Compounds of Concentrated Pear Juice[J]. Science and Technology of Food Industry, 2024, 45(23): 84−93. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2023120013.

不同乳酸菌发酵对浓缩梨汁营养物质及挥发性风味物质的影响

基金项目: 安徽省自然科学基金面上项目(2308085MC112);安徽省重大科技专项(202103b06020019);安徽省重点研发计划项目(202204c06020037);宿州市重大科技项目(2021054)。
详细信息
    作者简介:

    叶剑(1998−),女,硕士,研究方向:食品发酵工程,E-mail:yj202100@163.com

    通讯作者:

    李兴江(1978−),男,博士,教授,研究方向:食品发酵工程及农产品副产物综合利用,E-mail:lixingjiang@hfut.edu.cn

  • 中图分类号: TS255.4

Influence of Different Lactic Acid Bacteria Fermentations on the Nutritional Substance and Volatile Flavor Compounds of Concentrated Pear Juice

  • 摘要: 本研究以植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum,LP)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus,LA)、鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus brevis,LGG)、肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides,LM)为发酵菌种,对砀山酥梨加工产业下脚料浓缩梨汁进行发酵生产酸化剂,研究发酵过程中活性成分、抗氧化能力的变化,并采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术分析挥发性风味物质,以期改善其营养特性及风味品质。研究发现,四株单菌在发酵浓缩梨汁的过程中,LP单菌发酵的活菌数最多(9.7 lg CFU/mL),是最适于发酵浓缩梨汁的菌种。在混菌发酵过程中,总酸随着发酵时间的延长逐渐增加,发酵第4 d,PMF组达到最高(1.22 g/100 mL),而LPF组最低(0.82 g/100 mL)。还原糖、总酚、总黄酮以及蛋白质均随发酵逐渐降低,发酵结束时PAF组各指标均最高,分别为28 g/L、13.54 mg GAE/L、17.46 mg/L、35.39 mg/L。DPPH、ABTS+自由基清除率以及铁离子还原清除能力(FRAP)等抗氧化指标在单菌及混菌发酵中均先上升后下降,且在发酵第2 d达到最大。在不同组别混菌发酵中共检测出94种挥发性风味物质,其中OAV>1的风味物质共有20种。PAF组OAV>1的风味物质为15种,产生了更多的重要风味物质(如2-庚酮、香叶醇和芳樟醇等),对浓缩梨汁发酵酸化剂具有最为积极的影响。综上,本文研究了浓缩梨汁发酵酸化剂的乳酸菌组合,为促进梨产业副产物的高效加工利用提供了一定的理论依据。
    Abstract: In this study, strains of Lactobacillus plantarum (LP), Lactobacillus acidophilus (LA), Lactobacillus brevis (LGG), and Leuconostoc mesenteroides (LM) were used as fermentation strains to produce acidifiers from the concentrated pear juice residue in the distilled pear industry, the changes in active ingredients and antioxidant capacity during fermentation were investigated, and volatile flavour substances were analysed by headspace solid-phase microextraction (SPME)-gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), with a view to improving the nutritional properties and flavour quality. The results showed that among four single bacteria strains in the fermentation process of concentrated pear juice, LP bacteria strain had the highest viable count (9.7 lg CFU/mL), making it the most suitable strain for the fermentation of concentrated pear juice. During mixed bacteria fermentation, the total acid content gradually increased with the extension of fermentation time. On the fourth day of fermentation, the PMF group reached its peak (1.22 g/100 mL), while the LPF group had the lowest level (0.82 g/100 mL). Reducing sugar, total phenolics, total flavonoids, and protein all decreased gradually during fermentation. At the end of fermentation, the PAF group had the highest levels of all indicators, which were 28 g/L, 13.54 mg GAE/L, 17.46 mg/L, and 35.39 mg/L, respectively. Antioxidant indicators such as DPPH radical scavenging activity, ABTS+ radical scavenging activity, and iron ion reduction capacity (FRAP) first increased and then decreased during both single-strain and mixed-strain fermentation, reaching the maximum on the second day of fermentation. A total of 94 volatile flavor compounds were detected in mixed-strain fermentation, of which 20 had an OAV value greater than 1. There were 15 flavor substances with OAV greater than 1 in PAF group, and produced more important flavor substances (such as 2-heptanone, geraniol, and linalool), which had the most positive impact on the acidification agent for concentrated pear juice fermentation. In conclusion, this study examine the lactic acid bacteria combinations for fermenting acidification agents in concentrated pear juice, providing a theoretical basis for promoting efficient processing and utilization of pear industry by-products.
  • 安徽砀山酥梨汁液丰富、口感香甜,富含氨基酸、有机酸及矿物质等多种营养物质,具有生津止渴、润肠通肺的作用,深受消费者喜爱[12]。砀山县作为重要的酥梨生产基地,酥梨加工产业蓬勃发展。酥梨除鲜食以外,主要被加工为梨汁、梨酒、梨膏及梨罐头等产品[34]。在酥梨加工过程中,部分幼果、残次果、挖去的果核等废脚料经济价值低,若不及时处理对环境造成污染[5]。产业利用现有的果汁浓缩生产线对下脚料进行榨汁浓缩,再将浓缩果汁进行乳酸发酵,生产酸化剂,既可以提升副产物经济价值,又可以有效缓解环境处理压力,但是在生产过程中存在浓缩梨汁总酸含量低、营养较差、风味寡淡的问题。其中微生物菌种的选择是提高发酵浓缩梨汁生产酸化剂品质的关键技术[6]

    乳酸菌(lactic acid bacteria,LAB)主要以乳杆菌和乳球菌等细菌为代表,其生长受到pH、温度、生长基质等条件的影响[7],通常被作为益生菌发酵剂广泛应用于食品及饲料工业生产。乳酸菌在发酵过程中能够分解复杂的组分、合成营养物质并改善产品风味,同时可以有效抑制腐败菌的生长代谢,具有改善产品感官特性、延长货架期的作用[89]。大量研究表明,梨汁、苹果汁、蓝莓汁等植物基食品是LAB发酵的理想培养基[10]。不同LAB发酵食品的营养和风味存在巨大差异,例如Liu等[11]使用三种LAB对芒果汁进行发酵,其中嗜酸乳杆菌发酵的芒果汁中亚硝酸盐和类胡萝卜素的含量最低,植物乳杆菌发酵的芒果汁中酒精化合物的含量增加最多,鼠李糖乳杆菌发酵的芒果汁风味最佳,消费者接受度最高。目前对浓缩梨汁的发酵主要以植物乳杆菌为主[1213],关于其他LAB的发酵研究较为缺乏,同时关于LAB发酵后浓缩梨汁中活性成分、抗氧化能力及挥发性风味物质变化的研究仍然很少。

    因此,本实验选择植物乳杆菌(LP)、嗜酸乳杆菌(LA)、鼠李糖乳杆菌(LGG)以及肠膜明串珠菌(LM)对浓缩梨汁进行单菌以及混菌发酵,探索其发酵过程中营养特性以及挥发性风味物质的变化,以比较不同LAB发酵所产生的影响,为浓缩梨汁发酵生产酸化剂提供一定的理论依据,也为实现酥梨产业的提质增效奠定基础。

    浓缩梨汁 安徽梨多宝生物科技股份有限公司;LP、LA、LGG、LM 中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC);MRS培养基 广东环凯微生物科技有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2'-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)、乙酸苯乙酯 上海源叶生物科技有限公司;乙腈、1,3,5-三(2-吡啶基)-2,4,6-三嗪(TPTZ) 阿拉丁;其他常规试剂 均购自国药集团。

    T6紫外分光光度计 北京普析通用有限公司;LDZX-50KBS高压灭菌锅 上海申安公司;ZHJH-C1112B超净工作台 上海智城分析有限公司;iNose型电子鼻 上海昂申智能科技有限公司;LC-MS联用仪、GC-MS联用仪、DB-5MS色谱柱 美国安捷伦公司。

    参考邹文惠等[14]的方法并进行部分修改。菌种以1%的接种量接入灭菌的MRS液体培养基,于37 ℃培养8 h,在OD600 nm下吸光度为0.6±0.05时进行接种发酵。

    浓缩梨汁发酵:将浓缩梨汁调整糖度为10°Brix,分装100 mL于250 mL三角瓶中121 ℃,灭菌30 min,接种不同的LAB,接种量为装液量的10%,混菌接种比例为1:1,于恒温培养箱中37 ℃培养5 d,分别于第0、1、2、3、4、5 d取样检测总酸、糖成分等指标。其中,不添加菌种发酵的浓缩梨汁作空白对照(CK),其他四组分别为植物乳杆菌发酵(LPF)、植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌混合发酵(PAF)、植物乳杆菌和鼠李糖乳杆菌混合发酵(PGF)以及植物乳杆菌和肠膜明串珠菌混合发酵(PMF)。

    活菌数测定:根据国家标准GB 4789.2-2022《食品微生物学检验 菌落总数测定》中的平板计数法计算活菌数[15]

    总酸的测定参照吉晋波[16]的方法,取5 mL培养液与35 mL蒸馏水于烧杯中,用标准NaOH溶液(0.05 mol/L)进行滴定,以pH8.2为终点,测定结果以乳酸含量表示(g乳酸/100 mL)。检测还原糖采用3,5-二硝基水杨酸法[17],将培养液离心(8000 r/min,10 min)稀释4倍后取适量于试管中,先加去离子水至1 mL,再加1 mL DNS,沸水浴5 min后定容至10 mL,在540 nm处测吸光度,结果用无水葡萄糖的量来表示(g/L)。

    使用安捷伦高效液相色谱系统与配备的质谱联用系统(LC-MS)对发酵过程中产品的糖成分(葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖)进行检测分析[18]。首先配制质量浓度为0.1 g/mL的混合标曲,并将其稀释为0.02、0.04、0.06、0.08 g/mL标准浓度的标液,上机检测。在检测前用50%的乙醇除蛋白和色素。色谱分离柱采用ACQUITY BEH Amide(2.1 mm×150 mm,1.7 μm),流动相为含体积分数0.1%氨水的水溶液(A)以及乙腈(B),流速为0.2 mL/min进行梯度洗脱(0~10 min,A22%~45%,10~10.2 min,A45%~22%,10.2~15 min,A相保持在22%),柱温40 ℃,进样量为25 μL。质谱仪采用电喷雾电离(ESI)在正离子和负离子模式下工作,喷雾电压3200 V,蒸发温度400 ℃,离子传输温度500 ℃,鞘气50 arb,扫描范围为50~750 m/z。

    总酚、总黄酮的测定参照Wang等[19]的方法,分别为福林酚比色法(取0.5 mL浓缩梨汁加入2.5 mL福林酚试剂,反应3 min后加入2 mL 7.5%的Na2CO3溶液,再加蒸馏水至25 mL,于暗处反应60 min后在760 nm处测吸光度)以及AlCl3比色法(取1 mL浓缩梨汁分别加入0.3 mL 5%的NaNO2溶液,静置6 min后加入0.3 mL 10%的Al(NO33溶液,反应5 min后加入2 mL 2 mol/L的NaOH溶液,最后定容于10 mL,于510 nm下测定吸光度)。蛋白质的测定采用考马斯亮蓝法[20],取1 mL浓缩梨汁,先加2 mL考马斯亮蓝G-250溶液,后用蒸馏水定容至4 mL,在室温下反应10 min即可于595 nm处测吸光度。

    0.2 mL的浓缩梨汁与0.2 mmol/L的DPPH溶液(70%乙醇)混合,避光静置15~30 min,于517 nm处测定吸光度,以VC做阳性对照[21]。计算公式为:

    DPPH自由基清除率(%)=(1A1A0)×100

    式中,A0为空白对照吸光度,A1为样品吸光度。

    2.45 mmol/L的过硫酸钾与7 mmol/L的ABTS溶液1:1混合制成ABTS原液,于室温黑暗中静置12~16 h,用70%的乙醇溶液稀释直至用分光光度计在734 nm处吸光度为0.7±0.02[21]。取3.2 mL稀释液加入0.8 mL样品混合,室温反应6 min,在734 nm处测定吸光度,以VC做阳性对照,计算公式同DPPH自由基清除率。

    配制300 mmol/L的醋酸盐缓冲液(pH3.6),100 mmol/L的TPTZ溶液以及20 mmol/L的FeCl3溶液以10:1:1的比例混合,避光37 ℃反应10 min,制备FRAP工作液[21]。取0.15 mL样品与2.85 mL FRAP工作液混匀,避光静置30 min,于593 nm处测定吸光度,结果用Fe2+标准溶液表示,单位为mmol Trolox//L。

    参考Lan等[22]的方法稍作修改。取3 mL样品于20 mL顶空瓶中,在25 ℃下平衡10 min,随后立即上机检测。检测参数:载气:300 mL/min,检测时间120 s,响应值100~102 s;持续3 s进行结果分析。电子鼻传感器对应的化合物见表1

    表  1  电子鼻传感器对应的化合物
    Table  1.  Electronic nasal sensors correspond to the compounds
    传感器对应化合物
    R1芳烃化合物
    R2氮氧化合物
    R3氨,芳香成分
    R4氢化物
    R5烯烃,芳族,极性分子
    R6烷类
    R7无机硫化合物
    R8醇类,醛酮类化合物
    R9芳烃化合物,硫的有机化合物
    R10烷类和脂肪族
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    根据Ji等[23]的方法并修改检测挥发性风味物质。取8 mL样品于20 mL顶空瓶中,加入2.55 g NaCl以及5 μL乙酸苯乙酯(稀释1000倍,浓度为1.03 mg/mL)内标。50 ℃水浴平衡10 min,再吸附30 min,后立即将萃取头插入GC进样口解析5 min后进行GC-MS分析。

    色谱柱采用DB-5MS(30 mm×250 μm,0.25 μm),升温程序为:45 ℃保持3 min,以12 ℃/min升到110 ℃,保持3 min,以5 ℃/min升到150 ℃,保持2 min,载气为高纯度He(纯度大于99.999%),气体流量:1 mL/min。

    未知化合物与NIST数据库进行对照鉴定,取质谱匹配度大于80%的物质进行定性,再根据内标的浓度与峰面积,定量计算相应的物质含量,计算公式为:

    =×

    OAV值即香气成分的质量浓度与其感官阈值的比值。OAV≥1时认为该风味组分对浓缩梨汁发酵产品的风味具有一定的影响,OAV大于10认为该香气组分对产品整体风味特征的形成贡献极大[24]。OAV计算公式如下:

    OAV=CiOTi

    式中:Ci为挥发性化合物质量浓度(μg/L);OTi为挥发性化合物阈值(μg/g)。

    所有实验重复三次,最终结果用其平均值±标准差(SD)表示。使用Origin 2021对数据进行系统地整理及可视化分析,利用SIMCA14.1软件包对数据进行PCA分析,此外,采用欧易在线云平台(www.oebiotech.com)绘制挥发性风味物质的热图。使用Tukey test来处理各数据间的显著差异(P<0.05)。

    图1所示,四株LAB在浓缩梨汁中的生长状况良好,活菌数均在7.3 lg CFU/mL以上。在第0 d至第2 d,四株菌的活菌数均呈上升趋势,并且在第2 d时LP、LGG以及LM的活菌数均达到最大,其中LP的活菌数最高,达到9.7 lg CFU/mL,高于其他几株菌。LA在第3 d的时候生长最为活跃,活菌数增加至9.37 lg CFU/mL。这表明相对于其他三株菌,LA达到生长对数期的时间相对较长。在第3 d至第5 d,四株LAB的活菌数都呈下降趋势,LAB能利用浓缩梨汁中的营养物质并产生大量的酸,但过酸的环境会抑制菌种的生长[25]。结果表明,LAB能够作为发酵浓缩梨汁的良好发酵剂,其中LP发酵的活菌数优于其他三株菌。因此,在后续实验中按照如下菌种搭配进行发酵对比研究:植物乳杆菌发酵(LPF),植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌混合发酵(PAF),植物乳杆菌和鼠李糖乳杆菌混合发酵(PGF),植物乳杆菌和肠膜明串珠菌混合发酵(PMF),以探究混菌发酵能否进一步改善浓缩梨汁发酵产品品质。

    图  1  浓缩梨汁发酵过程中活菌数的变化
    Figure  1.  Changes of live cell count during the fermentation process of concentrated pear juice

    根据图2A所示,在第0 d至第2 d,四组样品中的总酸均显著增加。在发酵第4 d,混菌发酵三组的总酸均达到最高,其中最高值为1.22 g/100 mL,而LPF组则在第3 d达到最高,为0.88 g/100 mL,之后呈现下降趋势,发酵第5 d,PMF的总酸含量最高,为1.13 g/100 mL,LPF组总酸含量最低,为0.81 g/100 mL,这说明LP与LA、LGG、LM共同利用浓缩梨汁中的营养成分产酸,从而使总酸的含量增加已有研究表明,酸能和醇类在一定条件下发生酯化反应生成酯类,而酯类是梨产品中一类重要的挥发性风味物质,因此酸含量的增多能丰富产品的风味[26]

    图  2  浓缩梨汁发酵过程中总酸(A)、还原糖(B)的变化及LPF(C)、PAF(D)、PGF(E)、PMF(F)组糖成分的变化
    Figure  2.  Changes in total acidity (A) and reducing sugars (B) and sugar composition of LPF (C), PAF (D), PGF (E) and PMF (F) groups during fermentation of concentrated pear juice

    图2B中可以看到,LAB发酵浓缩梨汁中还原糖呈显著下降的趋势(P<0.05),至发酵第5 d,PMF组下降了43.7%,PAF组仅下降了26.5%。在发酵第4 d,除LPF组外,还原糖含量相比第3 d略有增加,这是由于在蔗糖酶的作用下降解蔗糖甚至糖苷类化合物形成还原糖[27]。从图2C~2F中可以注意到,浓缩梨汁中主要含有葡萄糖和果糖两种还原糖,占总糖的90%以上,而麦芽糖、蔗糖以及乳糖的含量都很低,并且随着发酵时间的延长,五种糖含量都呈下降的趋势。在本研究中,葡萄糖和果糖的含量在发酵初期显著下降,表明它们是LAB主要利用的糖类,在先前的报道中也得出了类似的结论[2829]

    图3中可以得到,与未发酵的相比,发酵期间各组的总酚、总黄酮以及蛋白质的含量都有不同的程度的下降。如图3A所示,未发酵前的总酚含量在18.02 mg GAE/L,发酵第5 d,LPF组总酚含量下降了34.8%,而PAF组、PGF组及PMF组分别下降了21.8%、27.5%及37.2%,其中PAF组总酚含量下降最少。总酚含量下降的原因是部分蛋白水解酶将复杂酚类物质水解成结构简单的酚类物质,而这些简单的酚类物质更容易被氧化[3031]。在图3B中,总黄酮的变化和总酚的变化具有相似性,都呈显著的下降趋势(P<0.05),在乳酸菌发酵过程中形成了糖苷酶,分解黄酮的糖苷键后形成游离型黄酮从而导致总黄酮含量下降[32]。在发酵结束后,LPF组总黄酮含量最低,PAF组的总黄酮含量最高,为17.46 mg/L。不同组别中总酚、黄酮的含量不同是因为微生物组成及结构的变化会导致代谢途径丰度的差异,从而导致不同发酵组总酚、总黄酮的含量有所差异[33]。在发酵后期,总酚、黄酮含量略有增加是因为不同LAB产生酶来分解植物细胞壁来释放生物活性化合物[3]。如图3C,经过发酵后,PMF组的蛋白质含量减少了50.1%,而PAF组仅减少了35.7%。蛋白质含量降低的原因是LAB分泌蛋白酶使蛋白质氧化或降解[34]

    图  3  浓缩梨汁发酵过程中总酚(A)、总黄酮(B)以及蛋白质(C)含量的变化
    Figure  3.  Changes in the contents of total phenol (A), total flavonol (B) and protein (C) during the fermentation process of concentrated pear juice

    图4可知,在发酵过程中,浓缩梨汁的抗氧化活性呈现先增加后降低的趋势。与未发酵的相比,混菌发酵后各组DPPH自由基清除率均显著升高(P<0.05),并且PAF组DPPH自由基清除在发酵第2 d达到最高,为91.2%(图4A)。在发酵结束时,各组的ABTS+自由基清除率相比未发酵组均显著降低(P<0.05),其中LPF组的ABTS+自由基清除率最低,为65.13%(图4B)。对于Fe3+还原能力,各组基本在发酵第2 d达到最大,但是各发酵组之间没有显著差异(P>0.05)(图4C)。研究表明,在酚类物质减少的发酵果汁中,抗氧化能力也可能会增加,这与本文的结果一致,其原因是在发酵过程中产生游离形式的新型酚类衍生物例如原儿茶素、槲皮葡萄糖苷的增加[3536]。抗氧化能力的结果表明,单菌和混菌发酵均能提高其抗氧化能力,并且混菌发酵PAF组对浓缩梨汁发酵产品的抗氧化能力增强的作用大于其他组。

    图  4  浓缩梨汁发酵过程DPPH(A)、ABTS+(B)自由基清除能力以及FRAP(C)的变化
    注:不同小写字母表示组内差异显著(P<0.05),图6A同。
    Figure  4.  Changes in DPPH (A), ABTS+ (B) free radical scavenging capacity, and FRAP (C) during the fermentation process of concentrated pear juice

    由电子鼻气味特征雷达图5A可以看出,10个传感器对不同发酵组浓缩梨汁的挥发性风味物质的响应值不同,其中R8、R9传感器的响应值最高,说明发酵后浓缩梨汁挥发性风味物质主要含有醇类、醛酮类及芳烃类化合。采用PCA处理电子鼻数据,如图5B,其中两个主成分的累计贡献率达到98.4%,这表明主成分能较准确地反映样品原始指标信息。依据PC1(82.5%),发酵样品和未发酵样品形成了两种显著不同的聚类,且不同发酵组之间都可以进行区分,这表明不同LAB发酵浓缩梨汁对其挥发性物质有一定的影响。

    图  5  不同乳酸菌发酵浓缩梨汁电子鼻的气味特征雷达图(A)和PCA分析(B)
    Figure  5.  Odour profile radargram (A) and PCA analysis (B) of concentrated pear juice E-nose fermented with different lactic acid bacteria

    图6C中的热图分析可知,在发酵样品中共检测到94种共有的挥发性风味物质,其中醇类23种、酯类17种、醛类13种、酮类13种、酸类8种、酚类4种、呋喃类2种、萜烯类9种及其他杂环类5种。不同的LAB发酵所得的挥发性风味物质的组成和含量都有一定的差异,如图6A所示,LPF、PAF、PMF与未发酵组相比,总挥发性化合物含量是显著升高的(P<0.05),并且PAF组的挥发性风味物质含量最高,为6.09 mg/L,而PGF组和未发酵组没有显著差异(P>0.05)。此外,PGF组的总挥发性化合物的含量较低,而另外两组混菌发酵则表现出较高的挥发性化合物含量。大部分的研究表明,使用不同的菌株混合培养在改善食品的风味方面有不同的作用[3738]。如图6B中所示,发酵后的样品被分成了两类,一类是由LPF及PAF组成,它们含有醇类和酯类比例较高;另一类由PMF及PGF组成,含有醛类和醇类比例较高。并且在发酵后,醇类、酯类、醛类以及萜烯类物质均显著增加,而酸类物质在发酵后显著降低(P<0.05)。其中,醇类、酯类及萜烯类是梨加工产品中重要的风味物质。

    图  6  不同乳酸菌发酵浓缩梨汁TVOCs含量(A)和不同类别VOC的含量热图(B)及挥发性风味物质的热图(C)
    注:图中**表示发酵组与CK组风味物质的含量差异显著(P<0.05)。
    Figure  6.  Heat maps of TVOCs content (A) and content of different categories of VOCs (B) and volatile flavouring substances (C) in concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria

    在发酵样品中,醇类物质的含量最高,占总物质含量的45.57%,其次是酯类(14.37%)、醛类(6.7%)和萜烯类(5.57%),其他挥发性物质的含量均小于3%。醇类具有明显的花香味特征,不仅赋予食物令人愉快的味道,少量的醇还可作为其他香气的良好溶剂[39],是梨中一类重要的风味物质。与未发酵的相比,发酵浓缩梨汁中的2-乙基己醇、芳樟醇明显增加,赋予了浓缩梨汁甜味和花香味。此外,还出现15种新的醇类,例如正己醇、正庚醇、正辛醇、2-甲基丁醇等。其中正己醇是一类重要的风味化合物,并且其含量随着发酵时间的增加而积累,为发酵产品提供了果味和甜味[40]

    酯类在提供果香和花香方面发挥了很大的作用[41]。在本研究中,LAB发酵促进了酯类物质的产生。经发酵后,PAF组中所含酯类的浓度最高,且新增了乙酸甲酯、甲酸庚酯、乳酸乙酯等具有水果香、花香以及奶油香味的酯类。此外,在原有的酯类化合物中,大部分的酯类化合物出现了不同程度的减少,如乙酸庚酯,这减少了浓缩梨汁中的草本味道以及不成熟水果的气味[42]

    醛类化合物也是构成果蔬汁特征风味的重要物质之一[43]。与未发酵浓缩梨汁相比,发酵后新增了5种醛类化合物,单菌LP和混菌发酵体系中均新增苯甲醛、苯乙醛及对甲基苯甲醛,具有花香、樱桃香及甜味。除此以外,混菌发酵体系中还新增了具有柑橘香及草本香的庚醛及癸醛。

    萜烯类化合物是水果中的重要挥发性化合物[44]。样品中共检出6种萜烯类化合物,其中芳樟醇、大马士酮、α-松油醇在发酵梨膏中的含量要显著高于未发酵,并且在PAF组中的含量最高,使发酵浓缩梨汁具有玫瑰香、柠檬香。同时,仅在LPF组和PAF组中检出得香叶醇,赋予浓缩梨汁令人愉悦的玫瑰香味。

    为阐明未发酵组以及发酵组的风味差异,以94种挥发性风味物质作为因变量,不同菌种发酵作为自变量,通过PLS-DA分析,可以实现4组不同LAB发酵样品的有效区分,结果见图7。本次分析中的自变量拟合指数(Rx2)为0.68,因变量拟合指数(Ry2)为0.95,模型预测指数(Q2)为0.721,如图7A所示,未发酵与发酵组分别位于不同的象限,彼此分离较好,无明显重叠,说明样品发酵前后风味差异明显,PMF组与LPF组在第三象限有明显交叉,这表明经LP与PM发酵的样品风味差异不明显。为进一步验证PLS-DA模型的可靠性,采用200次置换检验,如图7BQ2回归线与纵轴的相交点小于0,说明模型不存在过拟合,模型验证有效,认为该结果可用于本研究的鉴别分析。为了进一步分析不同风味物质对发酵样品的贡献率,根据P<0.05且VIP>1的标准,筛选出23种差异风味物质,其中醇类9种、酯类4种、酮类3种、醛类3种、酸类3种及酚类1种。

    图  7  不同乳酸菌发酵浓缩梨汁的OPLS-DA分析(A)以及模型验证结果(B)
    Figure  7.  OPLS-DA analysis (A) and model validation results (B) of concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria

    由于食品的风味测定的复杂性,各成分对整体的贡献不完全一致,有些相互作用可能要结合风味化合物,因此引入OAV值来判定样品的风味特征是有必要的。根据文献报道的香气组分的属性和阈值的描述[39,45],计算差异风味物质的OAV。如表2所示,OAV>1的共有20种风味物质。在未发酵样品中,戊酸乙酯、2-乙基己醇、β-大马酮、己酸乙酯的OAV大于10,这些物质对产品的香气有巨大的贡献;在LPF组中,香叶醇、芳樟醇、戊酸乙酯、β-大马酮的OAV值均大于10,它们赋予产品强烈的玫瑰花香及甜香,可能是LPF组中的关键风味组分;在PAF组中,多具有花香和果香的2-庚酮、β-大马酮、芳樟醇及香叶醇可能是关键风味组分,其中2-庚酮具有典型的梨和苹果香气;PGF组中,OAV>20的化合物有己酸乙酯、戊酸乙酯和癸醛,它们使产品的花香减弱、果香增加;在PMF组中,具有柑橘味的癸醛的OAV最高。总的来说,不同LAB菌种发酵浓缩梨汁的产品风味有一定的差异,但主要是以果香和花香为主。

    表  2  不同乳酸菌发酵浓缩梨汁的差异风味物质的OAV分析
    Table  2.  OAV analysis of differential flavor substances in concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria
    化合物名称CAS阈值
    (μg/g)
    OAV香气描述
    CKLPFPAFPGFPMF
    糠醇98-00-04.5nd1.94±1.20nd1.74±0.99nd杏仁香、焦香
    香叶醇106-24-10.01nd10.65±27.3214.92±2.78ndnd甜香、玫瑰香
    α-松油醇10482-56-19.18nd1.27±0.211.47±1.011.00±0.091.05±0.42清香、丁香味
    芳樟醇78-70-60.0063.22±1.6028.65±11.2329.20±11.7419.79±21.6610.37±2.69甜花香
    异戊酸503-74-20.1444ndndndnd7.01±0.93刺激性气味
    香叶基丙酮3796-70-10.03131ndndnd12.19±2.76nd木兰香、甜玫瑰香
    2-乙基己醇104-76-70.317.24±4.6726.77±6.3519.88±2.21ndnd甜味、淡花香
    戊酸乙酯539-82-20.0267837.95±12.1119.98±6.98nd49.40±10.76nd苹果香
    癸醛112-31-20.0026ndnd22.26±6.3628.90±13.7643.93±19.09柑橘香
    2,6-二叔丁基苯酚128-39-20.25.19±2.536.43±0.866.92±1.182.29±0.514.39±1.02苯酚味
    正己醇111-27-34nd3.64±0.713.51±1.011.95±0.073.77±0.87水果香
    乙酸乙酯141-78-633.96±1.08ndndndnd菠萝味
    丁酸乙酯105-54-40.41.06±0.787.74±0.88112.29±0.083.48±1.223.63±1.00菠萝味
    2-庚酮110-43-00.25nd26.75±1.3731.07±7.239.22±2.9823.76±4.74类似梨的水果香
    β-大马酮23726-93-40.0132.68±11.2727.59±16.7765.94±29.8734.81±5.8727.13±21.48玫瑰香
    苯甲醛100-52-70.75nd7.15±0.839.13±1.764.85±0.966.06±1.09苦杏仁味
    己酸乙酯123-66-00.2520.51±12.1143.39±10.2847.65±7.2229.03±11.0639.21±7.52水果香
    4-萜烯醇562-74-31.22.28±0.7718.65±3.4321.98±7.9716.25±3.6319.16±2.66青草香、木质香
    1-辛烯-3-醇3391-86-40.00612nd19.33±7.9110.49±1.12ndnd草药香、薰衣草味
    苯乙醇60-12-80.479nd13.85±2.1815.20±1.7514.29±2.339.08±3.74蜂蜜香、奶油味
    注:nd表示该物质未检出,无法计算OAV。
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    LAB发酵能够显著改善浓缩梨汁的香气,同时混菌发酵具有更为积极的影响。在单菌发酵中,LP发酵的活菌数最高,可达9.7 lg CFU/mL,在浓缩梨汁中的生长情况较其他三株菌更为活跃。在发酵第0 d至第5 d,四个发酵组中葡萄糖和果糖均为主要的碳源,还原糖、总酚、黄酮及蛋白质均逐渐下降,总酸均逐渐上升,而抗氧化活性(DPPH、ABTS自由基清除率及FRAP)则均先上升后下降。发酵结束时,PAF组还原糖、总酚、黄酮及蛋白质最高,PMF组总酸最高,PAF、PGF、PMF组的DPPH自由基清除率则显著高于LPF组。发酵后各组的风味物质主要以醇类和酯类为主,新增了甲酸庚酯、2-庚酮等具有典型梨香的物质,同时不同组风味物质的组成存在很大的差异。其中,PAF组醇类和酯类含量最高,PGF组酸类和醛类含量最高。PAF组中2-庚酮等物质对浓缩梨汁风味的贡献显著高于其他三组,是较优的发酵组合,具有更大的研究和开发价值。研究结果为浓缩梨汁发酵制备高品质酸化剂提供了菌种借鉴,对果蔬废弃下脚料的综合利用及产业的提质增效具有重要意义。

  • 图  1   浓缩梨汁发酵过程中活菌数的变化

    Figure  1.   Changes of live cell count during the fermentation process of concentrated pear juice

    图  2   浓缩梨汁发酵过程中总酸(A)、还原糖(B)的变化及LPF(C)、PAF(D)、PGF(E)、PMF(F)组糖成分的变化

    Figure  2.   Changes in total acidity (A) and reducing sugars (B) and sugar composition of LPF (C), PAF (D), PGF (E) and PMF (F) groups during fermentation of concentrated pear juice

    图  3   浓缩梨汁发酵过程中总酚(A)、总黄酮(B)以及蛋白质(C)含量的变化

    Figure  3.   Changes in the contents of total phenol (A), total flavonol (B) and protein (C) during the fermentation process of concentrated pear juice

    图  4   浓缩梨汁发酵过程DPPH(A)、ABTS+(B)自由基清除能力以及FRAP(C)的变化

    注:不同小写字母表示组内差异显著(P<0.05),图6A同。

    Figure  4.   Changes in DPPH (A), ABTS+ (B) free radical scavenging capacity, and FRAP (C) during the fermentation process of concentrated pear juice

    图  5   不同乳酸菌发酵浓缩梨汁电子鼻的气味特征雷达图(A)和PCA分析(B)

    Figure  5.   Odour profile radargram (A) and PCA analysis (B) of concentrated pear juice E-nose fermented with different lactic acid bacteria

    图  6   不同乳酸菌发酵浓缩梨汁TVOCs含量(A)和不同类别VOC的含量热图(B)及挥发性风味物质的热图(C)

    注:图中**表示发酵组与CK组风味物质的含量差异显著(P<0.05)。

    Figure  6.   Heat maps of TVOCs content (A) and content of different categories of VOCs (B) and volatile flavouring substances (C) in concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria

    图  7   不同乳酸菌发酵浓缩梨汁的OPLS-DA分析(A)以及模型验证结果(B)

    Figure  7.   OPLS-DA analysis (A) and model validation results (B) of concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria

    表  1   电子鼻传感器对应的化合物

    Table  1   Electronic nasal sensors correspond to the compounds

    传感器对应化合物
    R1芳烃化合物
    R2氮氧化合物
    R3氨,芳香成分
    R4氢化物
    R5烯烃,芳族,极性分子
    R6烷类
    R7无机硫化合物
    R8醇类,醛酮类化合物
    R9芳烃化合物,硫的有机化合物
    R10烷类和脂肪族
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    表  2   不同乳酸菌发酵浓缩梨汁的差异风味物质的OAV分析

    Table  2   OAV analysis of differential flavor substances in concentrated pear juice fermented with different lactic acid bacteria

    化合物名称CAS阈值
    (μg/g)
    OAV香气描述
    CKLPFPAFPGFPMF
    糠醇98-00-04.5nd1.94±1.20nd1.74±0.99nd杏仁香、焦香
    香叶醇106-24-10.01nd10.65±27.3214.92±2.78ndnd甜香、玫瑰香
    α-松油醇10482-56-19.18nd1.27±0.211.47±1.011.00±0.091.05±0.42清香、丁香味
    芳樟醇78-70-60.0063.22±1.6028.65±11.2329.20±11.7419.79±21.6610.37±2.69甜花香
    异戊酸503-74-20.1444ndndndnd7.01±0.93刺激性气味
    香叶基丙酮3796-70-10.03131ndndnd12.19±2.76nd木兰香、甜玫瑰香
    2-乙基己醇104-76-70.317.24±4.6726.77±6.3519.88±2.21ndnd甜味、淡花香
    戊酸乙酯539-82-20.0267837.95±12.1119.98±6.98nd49.40±10.76nd苹果香
    癸醛112-31-20.0026ndnd22.26±6.3628.90±13.7643.93±19.09柑橘香
    2,6-二叔丁基苯酚128-39-20.25.19±2.536.43±0.866.92±1.182.29±0.514.39±1.02苯酚味
    正己醇111-27-34nd3.64±0.713.51±1.011.95±0.073.77±0.87水果香
    乙酸乙酯141-78-633.96±1.08ndndndnd菠萝味
    丁酸乙酯105-54-40.41.06±0.787.74±0.88112.29±0.083.48±1.223.63±1.00菠萝味
    2-庚酮110-43-00.25nd26.75±1.3731.07±7.239.22±2.9823.76±4.74类似梨的水果香
    β-大马酮23726-93-40.0132.68±11.2727.59±16.7765.94±29.8734.81±5.8727.13±21.48玫瑰香
    苯甲醛100-52-70.75nd7.15±0.839.13±1.764.85±0.966.06±1.09苦杏仁味
    己酸乙酯123-66-00.2520.51±12.1143.39±10.2847.65±7.2229.03±11.0639.21±7.52水果香
    4-萜烯醇562-74-31.22.28±0.7718.65±3.4321.98±7.9716.25±3.6319.16±2.66青草香、木质香
    1-辛烯-3-醇3391-86-40.00612nd19.33±7.9110.49±1.12ndnd草药香、薰衣草味
    苯乙醇60-12-80.479nd13.85±2.1815.20±1.7514.29±2.339.08±3.74蜂蜜香、奶油味
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-03
  • 网络出版日期:  2024-09-25
  • 刊出日期:  2024-11-30

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