植物乳杆菌发酵对果汁品质的影响研究概述

赵沁雨1,兰天1,袁取予1,高晨旭1,鲍诗晗1,王家琪1,孙翔宇2,马婷婷1, 2*

1(西北农林科技大学 食品科学与工程学院,陕西 杨凌,712100)2(西北农林科技大学 葡萄酒学院,陕西 杨凌,712100)

摘 要 “益生菌发酵果蔬汁”是果蔬汁产业的未来发展方向之一。果汁营养丰富,是非常有前途的益生菌载体。植物乳杆菌作为安全且普遍适用的益生菌,在果汁基质中可以大量生存繁殖,并对果汁性质产生独特影响。该文介绍了植物乳杆菌作为益生菌在不同果汁中的生长代谢活性,简述了植物乳杆菌发酵对不同果汁理化性质、营养与功能特性、感官品质的影响以及植物乳杆菌发酵果汁对人体健康的积极作用。利用植物乳杆菌发酵果汁,可以延长其货架期,显著提升其抗氧化能力,多方面改善其综合品质,同时兼具多种益生特性。益生菌发酵果汁是极具发展潜力的创新型食品,具有极佳的营养、功能价值与广阔的市场前景,该文可为益生菌发酵果汁的研究提供参考并为其高值化加工提供理论依据。

关键词 果汁;植物乳杆菌;发酵;理化性质;抗氧化能力;益生特性

植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)是革兰氏阳性菌的一种,属于乳杆菌科(Lactobacillaceae)中的乳杆菌属(Lactobacillus),可在pH值为4.5~9.5的环境中生存,能利用葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、L-山梨糖、乳糖、纤维二糖、木糖、果糖、核糖、葡萄糖酸钠产酸,属于同型发酵类型中的兼性异性发酵群。其被认为是一种安全的益生菌,具有欧洲食品安全局(European Food Safety Authorities, EFSA)的QPS(Qualified Presumption of Safety)资格以及美国食品与药物管理局(US Food and Drug Administration, US FDA)公认的GRAS(Generally Recognized as Safe)资格,主要存在于人类胃肠道中,对人体健康有极大的促进作用,如平衡肠道菌群,预防和治疗肠易激综合征[1]、缓解感冒症状[2]、抗糖尿病[3]和降低胆固醇[4]等。

植物乳杆菌是一种被广泛应用于各种食品的益生菌,其最初被用于发酵乳制品,但随着素食主义在全球范围内越来越流行,同时发酵乳制品的发展因部分人群不适宜饮用而受到限制,如对牛奶蛋白过敏、乳糖不耐症、高胆固醇或由于国家经济发展无法支持其食用发酵乳制品的人群[5]。因此,需要通过探索新的非乳制品基质作为益生菌载体来为消费者提供发酵乳制品的替代品[6]

同时,随着生活水平的提高、生活节奏的加快,人们对疾病防治、健康饮食日益关注,老百姓对饮食的要求逐渐从吃饱吃好发展为要求营养、绿色、健康、便捷。近年来,研究和开发新的功能性食品受到越来越多的重视。水果作为一种健康食品,含有丰富的碳水化合物、膳食纤维、维生素、矿物质、多酚及多种植物化学物质[7],是乳酸发酵的优秀基质。同时,采用益生菌发酵果汁,可以影响和改善果汁的营养品质、感官品质、功能特性、贮藏特性等[8]。此外,发酵果汁也对某些病原微生物有一定抑制作用,同时改善有益细菌的生长,并对许多食源性病原体具有抑制作用[9],目前针对其的研究较少,是一种有待开发并兼具保健功能的创新食品。目前,“益生菌发酵果蔬汁”已成为果蔬汁产业的未来重点发展方向之一。2016年,《果蔬益生菌发酵关键技术与产业化应用》技术荣获国家科技进步二等奖。

因此,本文就使用植物乳杆菌发酵果汁的品质特征进行综述,系统阐述利用植物乳杆菌对不同果汁基质发酵后对其理化、营养、功能特性、感官品质的影响以及植物乳杆菌发酵果汁对人体健康的作用,以期为植物乳杆菌发酵果汁的研究提供理论依据与参考。

1 植物乳杆菌发酵对果汁品质的影响

1.1 植物乳杆菌在不同果汁中的生长代谢活性和贮藏特性

1.1.1 植物乳杆菌在不同果汁中的生长代谢活性

植物乳杆菌是一种适用于果汁发酵的益生菌,而其在果汁中的活力与代谢活性受多种因素的影响,包括食品的固有参数、加工参数、微生物参数以及最终产品中乳酸和乙酸的浓度等[9]。果汁为其提供了适宜的生长环境,主要是由于果汁中富含植物乳杆菌发酵所需底物,其中的抗氧化物质可以促进构建厌氧环境,同时果汁的pH也适宜植物乳杆菌的生存繁殖,给植物乳杆菌提供了适宜的发酵条件,使植物乳杆菌在大部分果汁中的生长符合微生物生长曲线(图1)。

图1 植物乳杆菌可发酵果汁类型
Fig.1 Types of Lactobacillus plantarum fermentable juice

植物乳杆菌是益生菌的一种,益生菌被定义为“当提供足够的量给宿主时,会给健康带来益处的活微生物”。因此,细菌的活力和代谢活性是益生菌发酵果汁的重要特征。利用植物乳杆菌(L5)发酵甜柠檬汁时,在发酵的初始阶段,观察到植物乳杆菌的缓慢生长,是由于植物乳杆菌处于对新环境的适应期,而在12 h后发现快速生长,并在发酵36 h后达到(8.52±0.34) lgCFU/mL并趋于稳定[10]。在对发酵石榴汁、发酵蓝莓汁[12]、发酵西瓜汁[13]与发酵苹果汁[14]的研究中,也观察到了一致结论。但在不同果汁基质中,植物乳杆菌表达出的发酵活力并不相同,同样的发酵时间下,其增殖的数量与速率均有差别。如在发酵石榴汁[11]中,30 ℃发酵24 h后,其活菌数就已经达到(11.42±0.16) lgCFU/mL,植物乳杆菌(ACTT 14917)在其中表现出了较高的细胞活性,说明石榴汁可能更适宜与植物乳杆菌的发酵,这可能是由于石榴汁中还原糖含量相较柠檬汁高(同样发酵24 h后,石榴汁与柠檬汁中还原糖含量依次为82.6、12.7 g/L),或为植物乳杆菌在两者中利用的主要碳源不同,石榴汁中可利用碳源为还原糖,而柠檬汁中可利用碳源为柠檬酸与还原糖,涉及到碳源的替换,可能会影响植物乳杆菌繁殖的速度与数量[11]

1.1.2 植物乳杆菌在不同果汁中的贮藏特性

为了确保含益生菌的果汁可带来健康益处,建议在有效期内使益生菌的活细胞最低水平为106~107 CFU/mL[15],因此活菌数也成为衡量益生菌发酵果汁货架期重要的标准之一。一般而言,植物乳杆菌发酵果汁均在低温条件(4 ℃)下贮藏。同样,植物乳杆菌发酵不同果汁的货架期也不同,如植物乳杆菌发酵柠檬汁在4 ℃贮藏28 d后,果汁中的活菌数下降至(7.14±0.21) lgCFU/mL,因此,在发酵甜柠檬汁的情况下,其货架期为4周。同样在4 ℃条件下,对植物乳杆菌发酵石榴汁[11]与柚子汁[16]分别贮藏了3周与3个月后,虽然益生菌数量逐渐降低但仍满足益生菌发酵果汁的要求。同时,有研究表明,在低温贮藏过程中,果汁中的益生菌数量还会继续增加,AMANDA 等[13]发现在发酵西瓜汁中,植物乳杆菌可以在冷藏期间继续增殖并在贮藏1周时间内数量显著增加,说明在发酵西瓜汁中冷藏对植物乳杆菌的活性并无明显影响,但具体机制还有待探究。

植物乳杆菌发酵果汁可以在一定程度上延长果汁的货架期,归因于其对许多致病微生物具有抑制作用[9],主要是由于高酸度环境、植物化学物质和用于发酵的新菌株产生的生物活性代谢物,可以抑制食源性病原体的生长[17],在柠檬汁[12]、石榴汁[18]中均观察到了这一现象。如HASHEMIS等[10]在对发酵柠檬汁的研究中发现,在发酵过程中发酵液相较于大肠杆菌对鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)具有更高的抗菌性能,其抗菌性能增加的原因可能是乳酸在革兰氏阴性病原菌外膜上的相互作用可能会增加通过性,从而使其他抗菌化合物进入细菌内。植物乳杆菌对于发酵果汁这一积极影响可以用于保证发酵果汁在货架期内的食用安全性,也为新型功能性食品的开发提供了思路。

此外,植物乳杆菌在橙汁[19-20]、荔枝汁[21]、梨原汁[22]、芒果-胡萝卜混合果汁[23]、葡萄柚汁[24]、猕猴桃汁[25]、蓝莓汁[26]等多种果汁中表现出了较高的生物活性和适应性,说明植物乳杆菌在果汁发酵中具有普适性,这种良好的适应性可能与它对多种糖类的高发酵能力或果汁本身提供的营养与pH环境有关。在植物乳杆菌发酵果汁的过程中,均体现出了活菌数先缓慢增长后指数增长的趋势,并且经发酵后的果汁贮藏期显著增长,在其货架期内均满足益生菌发酵饮品的要求。但不同的果汁基质所需的发酵时间和发酵条件有所不同,这与所选植物乳杆菌的菌种以及果汁基质中的营养差异较大有关。

1.2 植物乳杆菌发酵对果汁理化性质的影响

植物乳杆菌发酵会对果汁中的糖含量、有机酸、pH、黏度等理化性质产生影响,其在发酵过程中将果汁中的碳水化合物作为主要碳源,发酵同时产生有机酸与其他代谢产物,从而使果汁中的pH值降低、酸度增加、黏度变化。有机酸能与果汁中的香气物质相互作用影响果汁的感官品质,还能够抑制引起果汁腐败的杂菌的生长[27](图2)。

图2 植物乳杆菌发酵果汁对抗氧化、香气及人体健康的影响
Fig.2 Effect of Lactobacillus plantarum fermented fruit juice on
oxidation, aroma and human health

大部分植物乳杆菌在发酵过程中会消耗果汁中的可溶性糖类,使总糖含量降低,并产生代谢产物,但植物乳杆菌在不同果汁基质中由于底物的不同会代谢产生不同产物,使还原糖含量变化无明确规律。在杨立启[28]的不同品种发酵柑橘汁进行的研究中发现,随着发酵进行,还原糖含量会先增大后减小,可能是由于植物乳杆菌在消耗还原糖的同时,可产生糖苷酶以降解蔗糖甚至糖苷类化合物形成还原糖(如葡萄糖和果糖)。随着其快速生长,还原糖被利用消耗,还原糖含量逐渐降低,在其他对发酵柑橘汁[29]的研究中也发现了这一规律。而在对于芒果汁[30]与石榴汁[11,31]的研究中,还原糖则为持续下降,但与总糖下降幅度不同,可能是由于不同基质中植物乳杆菌利用糖类次序不同。并非所有植物乳杆菌发酵都会利用糖类来代谢产生酸,也有小部分通过代谢苹果酸、柠檬酸等产生乳酸,这可能与果汁的糖酸组成以及发酵所用益生菌的特性都有关系[27],发酵后可能会观察到还原糖含量并无变化或升高,如在接骨木汁[32]发酵结束后发现其柠檬酸与苹果酸含量降低,而葡萄糖和果糖含量则不受影响,在梨汁[33]中也得到了相似结论。

果汁中的可溶性固形物(total soluble solids, TSS)主要由糖贡献(90%~95%)。然而,果汁中的其他非糖类化合物,如有机酸、色素和氨基酸也参与了TSS的测量[34],这也就导致了不同果汁基质中植物乳杆菌发酵后对TSS的影响不同,在对芒果汁[30,35]、苏雄汁[36]的研究中发现,随着发酵的进行,TSS含量逐渐下降,可能为植物乳杆菌利用基质中大量的可溶性糖进行发酵,使TSS含量下降。而在西瓜汁[13]与芒果-胡萝卜混合果汁[23]发酵过程中,发现TSS含量并未有显著变化,在CAGNO等[37]的研究中也得出了一致结论。其原因可能为微生物对不溶性糖的水解作用促进了TSS含量的平衡[23]或益生菌在糖发酵过程中产生的乳酸对TSS测量结果造成影响[13]

植物乳杆菌发酵普遍导致果汁的pH值降低,酸度增加,但不同的果汁基质会对其发酵过程产生影响,而导致pH值和酸度产生不同趋势的变化。在多数果汁中,植物乳杆菌进行同型发酵产生乳酸,导致pH值降低、酸度增加[11,13-14]。同时,在葡萄柚汁发酵过程中,研究表明是由于产生了短链脂肪酸、乳酸和乙酸而使pH值降低,乙酸可能是通过柠檬酸循环产生的。此外,在甜柠檬汁发酵过程中表现出了酸度降低[10],总酸度从1.9%降低到了1.2%,这归因于柠檬酸含量的显著降低。在整个发酵过程中,柠檬酸含量下降,乳酸含量增加,这可能是由于发酵过程中使用柠檬酸作为甜柠檬汁中主要的可利用碳源来生产乳酸,而产生的乳酸量不足以弥补柠檬酸的下降,因此酸度降低。

植物乳杆菌在发酵过程中其代谢产物还会对果汁其他理化性质造成一定的影响,如黏度的变化可以反映出复杂果汁基质中某些物质组成的变化。如VIVEK等[36]在对发酵苏雄果汁的研究中发现,在发酵8 h后,果汁黏度下降,后期逐渐升高后稳定,与发酵前基本持平,这可能是植物乳杆菌在发酵过程中分泌胞外多糖和有机酸对果汁黏度进行复杂作用的结果,但目前该研究仅针对于单一果汁基质,具体机理还有待探究。

植物乳杆菌对不同果汁基质进行发酵时消耗碳源使总糖降低,生成有机酸使pH值降低,除此之外发酵对果汁其余理化特性带来的影响并无明确规律,因为不同碳源(有机酸或糖类)的消耗,可能会使发酵后果汁的理化特性向不同趋势发展。同时在不同的果汁基质中进行乳酸发酵产生的有机酸可能取决于果汁的糖酸组成和菌株的质量[24,27]

1.3 植物乳杆菌发酵对果汁营养及功能特性的影响

1.3.1 植物乳杆菌发酵对果汁酚类物质的影响

酚类物质是植物体内重要的抗氧化活性成分,其参与形成果汁感官品质,受到多种因素的影响,容易发生降解,导致生物活性降低,从而影响其品质[38]。当植物乳杆菌处于不利环境时所进行的生物代谢会影响果汁中酚类化合物的含量和组成,这个过程靠还原性辅酶的再氧化供能,并取决于果汁的组成和内在因素[19],因此在不同果汁基质中植物乳杆菌发酵对酚类物质的变化产生了不同的影响。在部分果汁基质中,发酵会使酚类物质的含量增加。可能是植物乳杆菌代谢过程中能产生酚酸酯酶、β-半乳糖苷酶等酶类[11],这些酶可释放果汁中的酚类物质,另外乳酸菌发酵创造的酸性环境能减缓酚类物质的氧化,较低的植物乳杆菌发酵液的pH值有利于多酚的稳定性,从而有助于维持乃至提高酚类物质的生物活性[19,31]。在石榴汁[11,31]、芒果汁[30]、柑橘汁[28]中均发现了这一现象。但是在部分果汁基质中,发酵会降低果汁中酚类物质含量,这可能归因于3点,一是其本身容易被氧化分解;二是乳酸菌为解除高浓度多酚对其生长抑制作用而降解酚类物质,不同乳酸菌对不同酚类物质的耐受力和降解能力都有所差异[19];三是植物乳杆菌增强了酚类化合物的代谢[10]。在柠檬汁[10]、苹果汁、蜜梨汁[19]中也可观察到一致规律。

花青素是酚类物质中重要的组成成分,其具有抗氧化活性、抗高血糖、抗高脂血症、抗炎和改善肠道微生物等功能[39],植物乳杆菌发酵一般会使果汁中花青素含量上升,如植物乳杆菌在蓝莓汁发酵过程中,使花青素含量增加了15.38%,但其体系内并未引入外源花青素,原因可能为植物乳杆菌发酵过程中进行代谢或生物转化从而产生花青素,将复杂的类黄酮分解成更简单的化合物[12]。在植物乳杆菌发酵桑葚汁[40]与苏雄汁[36]的研究中也得出了相似的结论,但目前对于植物乳杆菌发酵果汁中花青素含量变化研究较少,其变化机理还有待探索。此外,对于黄酮化合物来说,其含量在发酵过程中的变化虽然无显著规律[28-29],但在发酵过程中植物乳杆菌分泌糖苷酶[41],一方面黄酮苷被水解成水不溶的黄酮苷元,另一方面膳食纤维结合的黄酮易水解为水溶性黄酮,可能会对发酵果汁中黄酮类物质的生物利用率有积极作用,有关于此的机理仍有较大探索空间。

总体而言,植物乳杆菌发酵对果汁中总酚含量的影响取决于多种因素,如发酵条件、菌种种类、发酵基质等,使得发酵前后总酚含量变化并无明确规律。花青素含量在特定几种果汁基质中均会升高,这一特性对于开发对应功能性食品有极大意义。而黄酮类物质的含量变化则是一个有争议的话题,其并没有显著规律,可能受环境、基质特性等影响较大。因此,植物乳杆菌发酵对果汁中酚类物质的影响需进行进一步研究探索。

1.3.2 植物乳杆菌发酵对果汁其他营养指标的影响

抗坏血酸是果汁中重要的品质与风味指标,但它是一种不稳定的化合物,在贮存条件下可以迅速分解[42]。关于柑橘汁[20,28]与柠檬汁[10]的部分研究表明,植物乳杆菌发酵后的果汁抗坏血酸含量会显著下降,这可能由于抗坏血酸属于烯醇类化合物,易被氧化形成醌类物质[28]或与植物乳杆菌发酵时产生的抗坏血酸氧化酶的活性增加有关[43],但相较于贮存相同时间的未发酵原汁,发酵后果汁的抗坏血酸含量更高[10]。在多种黄色果汁中均富含类胡萝卜素,以柑橘汁为例,MULTARI等[20]对其发酵前后类胡萝卜素含量进行检测,结果得出植物乳杆菌的发酵显著降低了果汁中的类胡萝卜素含量,由于类胡萝卜素属于高度不饱和的烯醇式结构,可能在发酵过程中进行氧化降解或异构化导致其含量的下降。目前还未有其他研究探索植物乳杆菌发酵对于果汁中类胡萝卜素的影响,因此并未有明确规律与变化机理供以参考。

1.3.3 植物乳杆菌发酵对果汁抗氧化活性的影响

植物乳杆菌发酵对果汁抗氧化活性具有积极影响,主要是由于果汁内含有多种抗氧化活性成分,比如酚类物质、抗坏血酸、类胡萝卜素等。酚类物质是果汁中的抗氧化微量营养素,在大部分研究中,酚类物质与抗氧化活性的变化有着相似的趋势,酚类物质的增加可以提高发酵果汁的抗氧化能力[11-12,31,34]。然而,在酚类物质减少的发酵果汁中,其抗氧化活性也表现出了显著的提高[10,19]。这可能与发酵过程中产生新型酚类衍生物的酚类化合物的游离形式的增加[10]或使用不同抗氧化评价体系时不同果汁中酚类物质的贡献程度高低有关。

众多研究表明,在不同抗氧化评价体系中,经植物乳杆菌发酵后的果汁抗氧化能力均会普遍提升。如植物乳杆菌发酵芒果汁,发酵后其DPPH自由基清除能力显著升高,并且相较于其他菌种发酵的芒果汁,植物乳杆菌发酵芒果汁清除DPPH自由基能力最强[35]。同时在植物乳杆菌发酵柑橘汁中也观察到了同样的现象,发酵后果汁的DPPH自由基清除能力与铁离子还原能力均显著升高[28],发酵后铁离子还原能力增加,可能与总酚含量有关,样品提取物中酚类化合物的存在导致三吡啶三吖嗪[2,4,6-Tris-(2-pyridyl)-s-triazine,TPTZ]-Fe3+配合物还原为TPTZ-Fe2+形式[44]。另外,JIN等[35]对发酵芒果汁进行抗氧化相关性分析后得出,总酚含量与铁离子还原能力、DPPH自由基清除能力、ABTS阳离子自由基清除能力相关性R分别为0.972、0.689、0.165,说明在芒果果汁基质中,总酚含量与铁离子还原能力抗氧化体系呈高度相关性,而对其他抗氧化体系的抗氧化活性贡献不大,也可以侧面解释为什么酚类物质与总抗氧化能力变化趋势在不同基质中无明确一致性。

1.4 植物乳杆菌发酵对果汁感官品质的影响

1.4.1 植物乳杆菌发酵对果汁颜色的影响

果汁的颜色与消费者对味道(甜、酸)的感知有关,进而与整体接受度有关[45],是影响消费者购买的因素之一,同时也是反映果汁新鲜度的重要指标,所以经过植物乳杆菌发酵后果汁的颜色变化是衡量其品质的重要因素。

通过感官评价,我们发现发酵后果汁颜色普遍更易被消费者所接受,向着消费者所喜爱的方向转变,在脐橙、蜜柚、芒果、苹果汁中均发现了这一现象[19]。也有部分研究基于CIELAB颜色系统对果汁的颜色进行了准确的测定,ΔE是在均匀颜色感觉空间中,人眼感觉色差的测试单位,一般来说只有ΔE>3时,消费者才能明显察觉出两者之间的颜色差别[46]。有研究表明,经植物乳杆菌发酵的芒果汁相较于未发酵原汁,其L*b*值增大,a*值减小,ΔE>3,说明芒果汁在发酵后黄色加深,颜色与原汁差异较大并变得更加明亮[47]。同时在发酵西瓜汁[13]与石榴汁[18]中发现植物乳杆菌发酵可以大大延缓果汁的褐变,降低其褐变指数。但也有部分研究发现发酵前后颜色差异不显著[23],可能是由于不同果汁基质中呈色物质的不同性质所致。在不同的果汁基质中,植物乳杆菌发酵对果汁颜色的影响无明确规律,但总体使果汁颜色向积极方向转变,与感官评价结果一致。因此利用植物乳杆菌发酵可能对果汁色差变化和褐变有较好的预防效果,可以进一步探索其机理。

1.4.2 植物乳杆菌发酵对果汁香气的影响

益生菌的发酵作用可以改变果汁中挥发性风味物质的组成,赋予果汁良好的风味,从而对果汁的感官品质产生影响[28]。基于先前的研究[11,25],关于果汁中的挥发性成分有几个重要结论:(1)醇由于具有花香属性而在风味中起着积极的作用;(2)不理想的醛在果汁中是不受欢迎的化合物;(3)酮可以提供几种积极的香气属性;(4)酯在果汁的果香中起着重要作用;(5)萜烯类化合物呈现特殊的香气,是水果特征香气主要贡献者。

在大部分果汁基质中,植物乳杆菌发酵后会使其醇类、酯类、酮类物质含量或种类增加,使醛类物质的相对含量显著减少,在石榴汁[11]、胡柚汁[48]、苹果浆[49]中均发现了一致规律,这使得果汁中甜果香气与发酵产生的花香更为平衡,产生了更多的积极香气,而使得不受欢迎的香气成分减少,如醛类物质是一种不稳定的化合物,在微生物发酵环境下易被还原为醇或氧化为酸,这可能是发酵后醇类物质含量上升而醛类物质含量下降的原因。此外,对于某一类香气物质占主导的果汁基质,其香气变化也有一定规律。如柑橘汁挥发性物质主要以烯类为主,其中以柠檬烯为代表物质,给果汁贡献了橘子的特征香气,在植物乳杆菌发酵的柑橘汁中发现,发酵后烯类物质明显含量升高,但柠檬烯含量发生了一定程度的降低,β-月桂烯(香脂香气)、β-萜品烯(柠檬香气)和β-榄香烯(茴香香味)均有所提高[28]。同时,植物乳杆菌发酵果汁的香气还受其他因素影响,如发酵时间。罗心欣等[25]采用植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌对猕猴桃果汁进行发酵,经过测定发现,初步形成发酵香气约在8 h,发酵12 h时香气成分变化明显,是产生香气物质的关键时间点,而发酵后期是生成发酵猕猴桃汁风味的关键阶段。

总体来说,植物乳杆菌发酵对果汁香气成分的作用,主要是酯类、醇类和酮类物质的增加以及醛类物质的减少,同时该作用也受到多重因素的影响,如果汁本身的复杂香气、植物乳杆菌在不同基质中产生的代谢产物、发酵时间等。根据众多研究可以得出,酯类、酮类、醇类、醛类等物质对于平衡发酵后果汁的风味有极大作用,同时与原汁相比,植物乳杆菌发酵后果汁的风味更加丰富、浓郁、独特,对果汁整体品质有积极作用。

2 植物乳杆菌发酵果汁对人体健康的影响

利用植物乳杆菌发酵果汁,不仅会对果汁的理化、营养、功能及感官特性产生影响,还会使发酵后果汁具有许多与调节健康有关的特性,如维持机体代谢健康、维护机体胃肠道健康、抑制炎症等。

在三高、肥胖逐渐低龄化的今天,如何无副作用的维持机体稳态,已然成为当下的研究热点,而益生菌发酵果汁因其独特的保健作用也被越来越多的人关注。ZHONG等[26]的研究表明发酵蓝莓汁可以在不影响小鼠能量摄入的前提下,显著降低高脂饮食喂养小鼠中的脂肪积累和低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol, LDL-C)水平,显著改善高脂小鼠的高脂血症和胰岛素抵抗,并显著增添了肠道菌群的群落丰富性和多样性,改变了肠道菌群的结构,同时可调节参与脂质和葡萄糖代谢的肝脏mRNA和蛋白质表达水平。这项研究推断出,发酵蓝莓汁可以用作预防现代流行病(即肥胖和胰岛素抵抗)的功能性食品。此外,在FILANNINO等[18]对发酵石榴汁的研究中发现,植物乳杆菌PJ-C2显著抑制IL-6和TNFα的合成,可能是石榴汁中的大分子物质分解成为具有抗过敏能力的小分子物质[50],对机体免疫调节有积极作用。

3 总结与展望

植物乳杆菌作为可用于果汁发酵的益生菌,在多种果汁中表达出了较高的生物活性与适应性,经植物乳杆菌发酵后,果汁中残糖减少,pH值降低,酚类物质变化无明确规律、在部分基质中会降低其抗坏血酸与类胡萝卜素含量,但对发酵后果汁的抗氧化活性有积极影响,同时也会提升其感官评分,赋予果汁更加积极的香气,并表现出多种对人体健康的益处,为果汁加工提供了新的思路与方法。

但目前针对植物乳杆菌发酵果汁中花青素、抗坏血酸、类胡萝卜素等营养物质的研究较少,并且其变化的具体机理尚不清晰,因此需要进一步的深入研究与探索。而关于植物乳杆菌发酵果汁对健康方面的作用,则需要进行更多的动物或临床试验去证实发掘其影响与机制。

随着健康中国战略的提出与人民健康意识的提升,创新型功能性食品受到越来越多的关注。其中发酵食品更是以天然、健康、营养而广受消费者的喜爱,将营养物质丰富的果汁与益生菌相结合,兼顾营养与健康,是一种新型健康食品。但益生菌发酵果汁目前还未被广泛用于生产,同时由于植物乳杆菌在不同果汁基质中适应性不同,导致其生物活性不同,同样其他益生菌也存在相同情况,因此确定出每一种益生菌最适宜发酵的果汁基质有利于最大程度发挥果汁基质中营养物质与益生菌的益生作用,从而促进益生菌发酵果汁的高值化加工。随着精准营养概念的普及,不同人群对于食品的不同需求应被市场所重视,不同益生菌发酵果汁的综合品质不同,因此适用人群也不同。针对于此,企业可以研究开发更加丰富的非乳制品益生菌产品,以达到个性化、精准化的最佳营养需求,市场前景辽阔。

参考文献

[1] LE B, YANG S H.Efficacy of Lactobacillus plantarum in prevention of inflammatory bowel disease[J].Toxicology Reports, 2018, 5(3):314-317.

[2] AHRÉN I L, BERGGREN A, TEIXEIRA C, et al.Evaluation of the efficacy of Lactobacillus plantarum HEAL9 and Lactobacillus paracasei 8700:2 on aspects of common cold infections in children attending day care:A randomised, doubleblind, placebocontrolled clinical study[J].European Journal of Nutrition, 2020, 59(1):409-417.

[3] BAJPAI V K, MAJUMDER R, RATHER I A, et al.Molecular characterization of Lactobacillus plantarum YML016 with anti-diabetic, anti-melanogenic and anti-viral efficacy[J].National Academy Science Letters, 2018, 41(5):301-305.

[4] FUENTES M C, TERESA L, CARRIN J M, et al.Cholesterol-lowering efficacy of Lactobacillus plantarum CECT 7527, 7528 and 7529 in hypercholesterolaemic adults[J].British Journal of Nutrition, 2013, 109(10):1 866-1 872.

[5] SZUTOWSKA J.Functional properties of lactic acid bacteria in fermented fruit and vegetable juices:A systematic literature review[J].European Food Research and Technology, 2020, 246(3):357-372.

[6] VALEROCASES V, CERDBERNAD D, PASTOR J, et al.Non-dairy fermented beverages as potential carriers to ensure probiotics, prebiotics, and bioactive compounds arrival to the gut and their health benefits[J].Nutrients, 2020, 12(6).DOI:10.3390/nu12061666.

[7] SEPTEMBRE-MALATERRE A, REMIZE F, POUCHERET P.Fruits and vegetables, as a source of nutritional compounds and phytochemicals:Changes in bioactive compounds during lactic fermentation[J].Food Research International, 2018, 104:86-99.

[8] 朱珺, 钱永清, 孙盛, 等.一株具有益生特性的植物乳杆菌及其在发酵果蔬汁中的应用[J].食品与发酵工业, 2019, 45(20):197-201.

ZHU J, QIAN Y Q, SUN S, et al.A probiotic Lactobacillus plantarum for vegetable and fruits juice fermentation[J].Food and Fermentation Industries, 2019, 45(20):197-201.

[9] PATEL A.Probiotic fruit and vegetable juices-recent advances and future perspective[J].International Food Research Journal, 2016, 24(5):1 850-1 857.

[10] HASHEMI S M B, KHANEGHAH A M, BARBA F J, et al.Fermented sweet lemon juice (Citrus limetta) using Lactobacillus plantarum LS5:Chemical composition, antioxidant and antibacterial activities[J].Journal of Functional Foods, 2017, 38:409-414.

[11] MANTZOURANI I, KAZAKOS S, TERPOU A, et al.Potential of the probiotic Lactobacillus Plantarum ATCC 14917 strain to produce functional fermented pomegranate juice[J].Foods, 2018, 8(1).DOI:10.3390/foods8010004.

[12] ZHANG Y, LIU W P, WEI Z H, et al.Enhancement of functional characteristics of blueberry juice fermented by Lactobacillus plantarum[J].LWT, 2021,139:110 590.

[13] AMANDA E, CHOO W S.Effect of refrigerated storage on the physicochemical characteristics and viability of Lactobacillus plantarum in fermented watermelon juice with or without supplementation with inulin or fructooligosaccharide[J].Journal of Food Processing and Preservation, 2018, 42(12):e13 831.

[14] ROBERTSA D, REYES V, BONILLA F, et al.Viability of Lactobacillus plantarum NCIMB 8826 in fermented apple juice under simulated gastric and intestinal conditions[J].LWT,2018, 97:144-150.

[15] SHORI A B.Influence of food matrix on the viability of probiotic bacteria:A reviewbased on dairy and non-dairy beverages[J].Food bioscience, 2016, 13:1-8.

[16] 范俊华, 肖志剑, 张文.植物乳杆菌发酵柚子汁复合饮料的研制[J].食品与发酵工业, 2017, 43(3):140-143.

FAN J H, XIAO Z J, ZHANG W.Development of Lactobacillus plantarum fermented grapefruit compound beverage[J].Food and Fermentation Industries, 2017, 43(3):140-143.

[17] MUHIALDINA B J, KADUM H, ZAREI M, et al.Effects of metabolite changes during lacto-fermentation on the biological activity and consumer acceptability for dragon fruit juice[J].LWT, 2020, 121:108 992.

[18] FILANNINO P, AZZI L, CAVOSKI I, et al.Exploitation of the health-promoting and sensory properties of organic pomegranate (Punica granatum L.) juice through lactic acid fermentation[J].International Journal of Food Microbiology, 2013, 163(2-3):184-192.

[19] 卢嘉懿, 李汴生, 李印, 等.植物乳杆菌发酵不同果蔬汁的品质分析[J].食品工业, 2018, 39(12):142-147.

LU J Y, LI B S, LI Y, et al.Quality analysis of Lactobacillus plantarum fermented fruit and vegetable juices[J].The Food Industry, 2018, 39(12):142-147.

[20] MULTARI S, CARAFA I, BARP L, et al.Effects of Lactobacillus spp.on the phytochemical composition of juices from two varieties of Citrus sinensis L.Osbeck:‘Tarocco’ and ‘Washington navel’[J].LWT - Food Science and Technology, 2020, 125:109 205.

[21] 卢嘉懿, 张驰, 李汴生, 等.乳酸菌发酵对荔枝汁中γ-氨基丁酸含量的影响[J].食品与发酵工业, 2018, 44(12):97-102.

LU J Y, ZHANG C, LI B S, et al.γ-Aminobutyric acid production in lychee juice fermented by lactic acid bacterium[J].Food and Fermentation Industries, 2018, 44(12):97-102.

[22] 周印, 刘梦阳, 赵婧琦, 等.植物乳杆菌发酵梨原汁饮料的研究[J].食品研究与开发, 2020, 41(8):105-111.

ZHOU Y, LIU M Y, ZHAO J Q, et al.Study on the fermentation of pear juice by Lactobacillus plantarum[J].Food Research and Development, 2020, 41(8):105-111.

[23] OLIVEIRA P M D, JU′NIOR B R D C L, MARTINS E M F, et al.Mango and carrot mixed juice:A new matrix for the vehicleof probiotic lactobacilli[J]. Journal of Food Science and Technology, 2021, 58(1):98-109.

[24] TRAN A M, NGUYEN T B, NGUYEN V D, et al.Changes in bitterness, antioxidant activity and total phenolic content of grapefruit juice fermented by Lactobacillus and Bifidobacterium strains[J].Acta Alimentaria, 2020, 49(1):103-110.

[25] 罗心欣, 成雨阳, 王周利, 等.益生菌发酵猕猴桃汁工艺优化及香气成分动态解析[J].食品科学, 2019, 40(12):168-175.

LUO X X, CHENG Y Y, WANG Z L, et al.Process optimization the development of fermented kiwifruit juice with probiotics and dynamic analysis of aroma composition[J].Food Science, 2019, 40(12):168-175.

[26] ZHONG H, ABDULLAH, DENG L L, et al.Probiotic-fermented blueberry juice prevents obesity and hyperglycemia in high fat diet-fed mice in association with modulating the gut microbiota[J].Food & Function, 2020, 11:9 192-9 207.

[27] 仵白敏. 复合益生菌发酵葡萄汁工艺优化与营养特性研究[D].北京:中国农业科学院,2020.

WU B M.Study on optimization of grape juice fermentation process with combined probiotics and its nutritional properties[D].Beijing:Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2020.

[28] 杨立启. 益生菌发酵柑橘全果汁中抗氧化活性和挥发性物质研究[D].杭州:浙江工业大学, 2019.

YANG L Q.Changes in antioxidant activity and volatile compounds during the probiotic fermentation of citrus juice[D].Hangzhou:Zhejiang University of Technology, 2019.

[29] 杨立启, 季坚, 黄海婵, 等.植物乳杆菌Lactobacillus plantarum 15对不同品种柑橘全果汁的发酵及其挥发性物质分析[J].食品与发酵工业, 2019, 45(8):203-209.

YANG L Q, JI J, HUANG H C, et al.Volatile compounds in citrus juices fermented with Lactobacillus plantarum strain 15[J].Food and Fermentation Industries, 2019, 45(8):203-209.

[30] JIN X F, CHEN W X, CHEN H M, et al.Combination of Lactobacillus plantarum and Saccharomyces cerevisiae DV10 as starter culture to produce mango slurry:Microbiological, chemical parameters and antioxidant activity[J].Molecules, 2019, 24(23):4 349.

[31] MANTZOURANI I, TERPOU A, ALEXOPOULOS A, et al.Production of a potentially synbiotic pomegranate beverage by fermentation with Lactobacillus plantarum ATCC 14917 adsorbed on a prebiotic carrier[J].Applied Biochemistry and Biotechnology, 2019, 188(4):1 096-1 107.

[32] CIRLINI M, RICCI A, GALAVERNA G, et al.Application of lactic acid fermentation to elderberry juice:Changes in acidic and glucidic fractions[J].LWT, 2020, 118:108 779.

[33] YANG X X, ZHOU J C, FAN L Q, et al.Antioxidant properties of a vegetable-fruit beverage fermented with two Lactobacillus plantarum strains[J].Food science and biotechnology, 2018, 27(6):1 719-1 726.

[34] VERMA L R, JOSHI V K.Postharvest Technology of Fruits and Vegetables:Handling, Processing, Fermentation, and Waste Management[M].India:Indus Publishing Company, 2000.

[35] JIN X X, CHEN W X, CHEN H M, et al.Comparative evaluation of the antioxidant capacities and organic acid and volatile contents of mango slurries fermented with six different probiotic microorganisms[J].Journal of Food Science, 2018, 83(12):3 059-3 068.

[36] VIVEK K, MISHR S, PRADHAN R C, et al.Effect of probiotification with Lactobacillus plantarum MCC 2974 on quality of Sohiong juice[J].LWT, 2019, 108:55-60.

[37] CAGNO R D, MINERVINI G, RIZZELLO C G, et al.Effect of lactic acid fermentation on antioxidant, texture, color and sensory properties of red and green smoothies[J].Food Microbiology, 2011, 28(5):1 062-1 071.

[38] HERTOG M G L, HOLLMAN P C H, KATAN M B.Content of potentially anticarcinogenic flavonoids of 28 vegetables and 9 fruits commonly consumed in the Netherlands[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1992, 40(12):2 379-2 383.

[39] KRGA I, MILENKOVI D.Anthocyanins:From sources and bioavailability to cardiovascular-health benefits and molecular mechanisms of action[J].Journal of agricultural and food chemistry, 2019, 67(7):1 771-1 783.

[40] KWAW E, MA Y, TCHABO W, et al.Effect of Lactobacillus strains on phenolic profile, color attributes and antioxidant activities of lactic-acid-fermented mulberry juice[J].Food Chemistry, 2018, 250:148-154.

[41] 李志华. 产β-葡萄糖苷酶乳酸菌菌株的特性研究[D].延吉:延边大学, 2014.

LI Z H.Study on the characteristics of glucosidase lactic acid bacteria strains producing β-Glucosidase[D].Yanji:Yanbian University, 2014.

[42] BURDURLU H S, KOCA N, KARADENIZ F.Degradation of vitamin C in citrus juice concentrates during storage[J].Journal of Food Engineering, 2006, 74(2):211-216.

[43] ADETUYI F O, IBRAHIM T A.Effect of fermentation time on the phenolic, flavonoid and vitamin C contents and antioxidant activities of okra (Abelmoschus esculentus) seeds[J].Nigerian Food Journal, 2014, 32(2):128-137.

[44] VADIVEL V, STUETZ W, SCHERBAUM V, et al.Total free phenolic content and health relevant functionality of Indian wild legume grains:Effect of indigenous processing methods[J].Journal of Food Composition and Analysis, 2011, 24(7):935-943.

[45] WEI S T, OU L C, LUO M R, et al.Optimisation of food expectations using product colour and appearance[J].Food Quality and Preference, 2012, 23(1):49-62.

[46] FRANCIS F J, CLYDESDALE F M.Food Colorimetry:Theory and Applications[M].India:AVI Publishing, 1975.

[47] 刘秋豆, 胡凯, 陈亚淑, 等.益生菌芒果饮料加工和发酵过程中理化性质变化规律[J].武汉:华中农业大学学报, 2019, 38(3):89-96.

LIU Q D, HU K, CHEN Y S, et al.Changes in physicochemical properties of probiotic mango beverage during processing and fermentation[J].Wuhan:Journal of Huazhong Agricultural University, 2019, 38(3):89-96.

[48] 束文秀, 吴祖芳, 刘连亮, 等.胡柚汁益生菌发酵挥发性风味特征[J].食品科学, 2018, 39(4):59-65.

SHU W X, WU Z F, LIU L L, et al.Volatile flavor compounds of fermented grapefruit juice with probiotics[J].Food Science, 2018, 39(4):59-65.

[49] 任婷婷, 岳田利, 魏欣, 等.益生菌发酵苹果浆工艺优化及发酵前后挥发性风味成分分析[J].食品科学, 2019, 40(8):87-93.

REN T T, YUE T L, WEI X, et al.Process optimization for production of fermented apple pulp with probiotics and analysis of volatile flavor components before and after fermentation[J].Food Science, 2019, 40(8):87-93.

[50] 刘方方. 发酵石榴汁抗氧化性和抗过敏性研究[D].扬州:扬州大学,2014.

LIU F F.Antioxidant and anti allergic properties of fermented pomegranate juice[D].Yangzhou:Yangzhou University, 2014.

Research progress on the effect of Lactobacillus plantarum fermentation on juice quality

ZHAO Qinyu1,LAN Tian1,YUAN Quyu1,GAO Chenxu1,BAO Shihan1,WANG Jiaqi1,SUN Xiangyu1,MA Tingting1,2*

1(College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)2(College of Enology, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

ABSTRACT Probiotics fermented fruit and vegetable juice is one of the future development directions of the fruit and vegetable juice industry. Fruit juice is rich in nutrients and is a very promising carrier of probiotics. As a safe and universally applicable probiotic, Lactobacillus plantarum can survive and multiply in large quantities in the juice matrix, and has a unique impact on the properties of fruit juice. This paper reviews the growth and metabolic activities of L. plantarum as a probiotic in different fruit juices and the effects of L. plantarum fermentation on the physicochemical properties, nutritional and functional properties, sensory qualities of different fruit juices, as well as the positive effects of L. plantarum fermentation on human health. Using L. plantarum fermentation can extend the shelf life of juice, significantly enhance its antioxidant capacity, improve its comprehensive quality in many ways, and have multiple probiotic properties at the same time. Probiotic fermented juice is an innovative food with great development potential. It has excellent nutrition, functional value and broad market prospects. This review is expected to provide a reference for the research of probiotic fermented juice and provide a theoretical basis for its high-value processing.

Key words fruit juice;Lactobacillus plantarum;fermentation;physicochemical properties;antioxidant capacity;probiotic properties

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.027995

引用格式:赵沁雨,兰天,袁取予,等.植物乳杆菌发酵对果汁品质的影响研究概述[J].食品与发酵工业,2021,47(16):300-307.ZHAO Qinyu,LAN Tian,YUAN Quyu, et al.Research progress on the effect of Lactobacillus plantarum fermentation on juice quality[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(16):300-307.

第一作者:本科生(马婷婷副教授为通讯作者,E-mail:matingting@nwafu.edu.cn)

基金项目:大学生科研创新项目(S202010712582)

收稿日期:2021-05-13,改回日期:2021-05-23