马铃薯(Solanum tuberosum L.)最早生长于南美洲,是继水稻、小麦、玉米之后的世界第四大主粮,富含氨基酸、维生素、矿物质等营养物质,可有效预防营养不良,被称为健康食品[1]。此外,马铃薯中酚类物质丰富,尤其是彩色马铃薯富含酚酸、黄酮醇、黄烷-3-醇和花青素等,是酚类物质的优质来源。有关马铃薯中酚类物质的种类探究并不一致,目前马铃薯中已发现的酚类有绿原酸、新绿原酸、芦丁、香草酸、阿魏酸和对香豆酸等[2-3]。绿原酸是马铃薯中最主要的酚类物质,其次为芦丁及咖啡酸[4]。

食用植物酵素是一种以植物为原料,经微生物发酵制得的含有特定生物活性成分可食用的产品,富含多种活性物质,具有抗氧化、抗菌、抗衰老等多种功能[5]。原料及发酵方式均显著影响植物酵素的品质[6]。原料是食用植物酵素品质的决定性因素之一,其品质的好坏直接关系酵素的营养功能及风味。不同菌种对底物的利用能力不同,不同的接种方式使发酵过程中物质的转化亦不同,从而影响酵素中物质的组成及其品质。本研究以黄玫瑰、红玫瑰和紫玫瑰马铃薯为原料,采用3种不同的发酵方式发酵马铃薯酵素,通过分析比较不同马铃薯酵素的品质,筛选出马铃薯酵素生产的适宜原料品种及发酵方式,以期为彩色马铃薯酵素产品的开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试材:紫玫瑰、红玫瑰和黄玫瑰马铃薯,西北农林科技大学陈勤教授的马铃薯育种团队培育的新品种,采收于2017年10月,选取大小均匀,无腐烂,无霉变,无发芽,无机械损伤的马铃薯,贮藏于4 ℃冷库,备用。

安琪酿酒酵母,德国Erbslöh集团;植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum),西北农林科技大学食品科学与工程学院微生物实验室,接种于甘油管中-80 ℃下长期保存;草酸、酒石酸、苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸,均为色谱纯,上海源叶有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(2, 2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS)、KH2PO4、一水没食子酸、K2S2O8、焦性没食子酸,均为分析纯,国药化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

PHS-3C型精密pH计,上海精密科学仪器有限公司;L5紫外分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;HC-3018R高速冷冻离心机,安徽中科中佳科技仪器有限公司;LC-20A液相色谱仪,日本岛津制作所;WGL-230B鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;SG-350C打浆机,慈溪市坎墩辉豪电器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 发酵工艺流程及操作要点

原料预处理:马铃薯洗净、去皮,切成约1 cm厚的马铃薯片,100 ℃蒸10 min,冷却至室温,马铃薯与水按料液比1∶2(g∶mL)制成马铃薯浆。加入质量分数0.3%的α-淀粉酶,设置液化温度55 ℃,液化时间60 min,90 ℃水浴10 min灭酶。冷却后,加白砂糖调节马铃薯浆的可溶性固形物含量至10 g/100 g,80 ℃保温30 min灭菌,备用。

发酵:根据预试验结果及文献[7-8]的方法,确定发酵方式1:马铃薯浆先接种0.06%(质量分数,下同)安琪酿酒酵母,25 ℃发酵18 h,再按液料比=3∶100(mL∶g)接种植物乳杆菌,36 ℃发酵24 h,30 ℃再继续发酵30 h;发酵方式2:马铃薯浆先接种3%植物乳杆菌,36 ℃发酵24 h,再接种0.06%安琪酿酒酵母,25 ℃发酵18 h,30 ℃再继续发酵30 h;发酵方式3:同时接种0.06%安琪酿酒酵母和液料比=3∶100(mL∶g)植物乳杆菌,30 ℃发酵72 h,共得到9种马铃薯酵素,流程图如图1所示。

1.3.2 理化特性的测定

pH值使用pH计测定;可滴定酸含量测定,采用GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》中的酸碱滴定法;可溶性固形物含量使用糖度计测定;还原糖含量采用3, 5-二硝基水杨酸(3, 5-dinitrosalicylic acid,DNS)法[9]测定;有机酸含量测定,参照李希羽等[10]的方法,略有改动。

有机酸标准溶液的配制:分别称取适量的有机酸标准品(精确到0.000 1 mg/mL),用超纯水溶解定容,稀释配制成适宜浓度梯度的标准溶液,0.22 μm滤膜过滤后备用。

样品处理:取发酵结束后的酵素液5 939×g离心10 min,取上清液过0.22 μm滤膜,备用。

液相色谱条件:色谱柱为Wondasil C18色谱柱(4.6 mm×250 mm,5 μm);检测器为紫外检测器;检测波长210 nm;流动相,0.01 mol/L的KH2PO4-H3PO4缓冲溶液(pH 2.7),过0.45 μm水系滤膜,超声波脱气15 min;流速0.9 mL/min;柱温30 ℃;进样量10 μL。

1.3.3 活性物质含量的测定

总酚含量测定参照陈壁等[11]的方法;花色苷含量测定参照陈景秋等[12]的方法;超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性测定参照GB/T 5009.171—2003《保健食品中超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定》中的第一法。

1.3.4 抗氧化能力的测定

ABTS阳离子自由基清除能力测定:参考RE等[13]的方法,略有改动;使用前用无水乙醇将ABTS阳离子自由基储备液稀释至吸光度为(0.7±0.02),于试管中依次加入20 μL样液与2 mL ABTS阳离子自由基工作液,混匀,30 ℃水浴6 min后,734 nm处测定吸光度A1,蒸馏水代替样液测定吸光度A0,清除率按公式(1)计算。

ABTS阳离子自由基

(1)

·OH清除能力测定:分别取样液、9 mmol/L FeSO4溶液、9 mmol/L H2O2及9 mmol/L水杨酸-乙醇溶液各1 mL于试管中,混匀,37 ℃保温30 min,510 nm处测定吸光值A1,蒸馏水代替样液测定吸光值A0,蒸馏水代替水杨酸-乙醇溶液测定吸光值A2,清除率按公式(2)计算。

·OH清除率

(2)

DPPH自由基清除能力及铁离子还原力测定:参照陈壁等[11]的方法。

1.3.5 感官评价

10名受过专业培训的男女各一半组成感官评价小组,按照表2评价标准评价。

采用加权法计算总分作为最终感官评分,感官评价的色泽、香气、滋味和整体满意度4个感官指标的权重系数分别为0.2、0.3、0.3、0.2,总分记为X(X=0.2X1+0.3X2+0.3X3+0.2X4)。各酵素液样品随机编号,评价员品评每个样品后以清水漱口[14-16]。

1.4 数据处理

每个指标至少重复测定3次。数据采用Excel、Origin 8.0和SPSS 20.0进行处理、作图和差异显著性分析,P<0.05表示差异显著,结果均表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同彩色马铃薯品种及发酵方式对酵素理化特性的影响

食用植物酵素的pH、可溶性固形物、还原糖等受所接种酵母影响,同时也影响着酵素的口感、抗氧化能力等。表3所示,同一品种马铃薯,分别经3种发酵方式各自所得酵素的pH值、可滴定酸及还原糖含量均差异显著(P<0.05)。发酵方式2所得马铃薯酵素的pH值最低,但是品种间差异不显著,可滴定酸含量最高,可能开始的前24 h为乳酸发酵,植物乳杆菌利用了大部分碳源,接种酵母菌后,可利用的碳源较少,因此所得酵素中总酸含量较高;发酵方式2酵素中可溶性固形物和还原糖含量均显著高于同品种的其他2种发酵方式(P<0.05);发酵方式1所得酵素的可滴定酸含量显著低于另外2种发酵方式(P<0.05)。

植物酵素的口感、稳定性、pH值等受有机酸含量的影响,通过改变pH可以调控微生物的代谢,且有机酸具有调控血糖和血脂、帮助消化等功效[17-18],也是酚类物质的前体物质[19]。9种马铃薯酵素中的有机酸含量见表4。

不同发酵方式所得马铃薯酵素的有机酸含量由高到低依次为:发酵方式2、发酵方式3、发酵方式1;不同品种马铃薯酵素有机酸含量由高到低依次为:红玫瑰、紫玫瑰、黄玫瑰,且有机酸与可滴定酸含量的变化趋势基本一致,但是因仅测定了7种有机酸,所以部分有机酸总量与可滴定酸含量趋势不一致。红玫瑰马铃薯采用发酵方式2所得酵素的有机酸含量最高,为24.07 mg/mL,调控血糖和血脂的功能可能优于其他马铃薯酵素[17]。

测定的7种有机酸中,含量由高到低依次为乳酸柠檬酸、琥珀酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、草酸。7种有机酸中乳酸含量最高,且在发酵方式1与3所得紫玫瑰与红玫瑰马铃薯酵素的乳酸含量均显著高于黄玫瑰马铃薯酵素(P<0.05),因此紫玫瑰和红玫瑰马铃薯浆更利于植物乳杆菌的生长,且乳酸含量高与乳酸菌的代谢特性有关,苹果酸、酒石酸、柠檬酸、琥珀酸等均可被乳酸菌利用或者催化生成乳酸及其他产物,导致乳酸含量高,其他有机酸含量降低[20-22]。

柠檬酸含量仅次于乳酸,马铃薯酵素中柠檬酸部分来自原料,部分来自酵母的有氧代谢,同一品种马铃薯用发酵方式2所得酵素的柠檬酸含量显著低于发酵方式1与3(P<0.05),可能是发酵方式1与3中的酵母菌代谢速率高于发酵方式2,生成更多的柠檬酸;用发酵方式3发酵的酵素,马铃薯品种对其柠檬酸含量影响显著,所得酵素柠檬酸含量由高到低依次为:黄玫瑰、红玫瑰、紫玫瑰。

红玫瑰和紫玫瑰马铃薯酵素的琥珀酸含量均高于黄玫瑰马铃薯酵素。测定的7种有机酸中草酸含量最低。同一种发酵方式下,红玫瑰和紫玫瑰马铃薯酵素的草酸含量显著低于黄玫瑰(P<0.05);同一品种马铃薯,发酵方式2与3所得马铃薯酵素的草酸含量显著高于发酵方式1所得酵素(P<0.05)。

2.2 不同彩色马铃薯品种及发酵方式对酵素中活性物质含量的影响

总酚、花色苷及SOD是酵素液中重要的活性成分,与酵素的抗氧化能力息息相关。多酚因其B环上30～40个二羟基以及黄酮类C环上的没食子酸酯而成为优良的抗氧化物质,这些结构在螯合金属离子时发挥重要作用[23]。图2可知,同一发酵方式下不同品种马铃薯酵素的总酚含量由高到低依次为:紫玫瑰>红玫瑰>黄玫瑰。同一品种马铃薯,在3种发酵方式下所得酵素的总酚含量差异显著,发酵方式1所得酵素的总酚含量均显著高于发酵方式2与发酵方式3所得酵素(P<0.05)。发酵方式1所得紫玫瑰马铃薯酵素的总酚含量最高,为34.03 mg/100 mL,发酵方式3所得黄玫瑰马铃薯酵素的总酚含量最低,为11.02 mg/100 mL。因此以紫玫瑰马铃薯为原料,发酵方式1所得的酵素中总酚含量高。

花色苷是彩色马铃薯颜色的重要来源,不同马铃薯品种酵素的花色苷含量由高到低依次为:紫玫瑰、红玫瑰、黄玫瑰,紫玫瑰鲜薯中含有较多的花色苷,发酵后所得酵素中花色苷含量高于红玫瑰和黄玫瑰。发酵方式3所得紫玫瑰马铃薯酵素的花色苷含量最高,为26.40 mg/L,发酵方式1所得黄玫瑰马铃薯酵素的花色苷含量最低。3种发酵方式所得酵素中花色苷含量差异显著(P<0.05),同一品种不同发酵方式花色苷含量由高到低依次为:发酵方式3、发酵方式2、发酵方式1。以紫玫瑰马铃薯为原料,经发酵方式3所得酵素的花色苷含量最高。

SOD是酵素中重要的抗氧化物质,可清除体内的超氧阴离子,有效保护细胞不受自由基伤害。酵素中的SOD一部分来自原料,一部分由酵母菌和植物乳杆菌代谢产生。图3可知,不同发酵方式发酵的酵素中SOD活性由高到低为:发酵方式2、发酵方式3、发酵方式1,且均高于李亚辉等[24]用乳酸菌发酵山药果蔬的SOD活性。发酵方式2所得红玫瑰马铃薯酵素的SOD活性最高,为1 013.43 U/mL,发酵方式1所得黄玫瑰马铃薯酵素的SOD活性最低,为355.11 U/mL。因此,以红玫瑰马铃薯为原料,经发酵方式2所得酵素的SOD活性最高,可能具有良好的抗氧化功效。

2.3 不同彩色马铃薯品种及发酵方式对酵素体外抗氧化能力的影响

酵素中含有丰富的抗氧化类物质,可加速自由基的清除,保护细胞免受氧化损伤,促进机体新陈代谢。图4为不同品种马铃薯及发酵方式对酵素抗氧化能力的影响,同种发酵方式下,不同品种马铃薯酵素除了对DPPH自由基清除率影响不显著,对ABTS阳离子自由基清除率、·OH清除率和铁离子还原力由高到低均为:紫玫瑰、红玫瑰、黄玫瑰。

图4-a可知,发酵方式1所得紫玫瑰马铃薯酵素的ABTS阳离子自由基清除率最高,为74.51%;发酵方式2所得黄玫瑰马铃薯酵素的ABTS阳离子自由基清除率最低,为18.26%。马铃薯酵素ABTS阳离子自由基清除率与总酚含量之间的差异相似,这与蒋增良[25]的研究结果一致,说明总酚含量可能影响ABTS阳离子自由基清除率。以紫玫瑰马铃薯为原料,经发酵方式1所得酵素的ABTS阳离子自由基清除率最高。

·OH是机体内最活泼的自由基,能与活细胞内大部分还原性生物大分子发生作用,对人体产生的危害最大[26]。图4-b可知,发酵方式3所得紫玫瑰马铃薯酵素的·OH清除率最高,为78.97%,发酵方式1所得黄玫瑰马铃薯酵素的·OH清除率最低,为64.44%。同一品种马铃薯,3种发酵方式下所得酵素的·OH清除率由高到低为:发酵方式3、发酵方式2、发酵方式1。综上,以紫玫瑰马铃薯为原料,经发酵方式3所得酵素的·OH清除率最高。

图4-c可得,9种马铃薯酵素的DPPH自由基清除率均达90%以上,且品种及发酵方式间均无显著差异,说明马铃薯酵素均具有良好的清除DPPH自由基的能力。

图4-d可得,发酵方式1所得紫玫瑰马铃薯酵素的铁离子还原力最高,黄玫瑰马铃薯酵素的还原力最低。3种发酵方式所得紫玫瑰酵素的还原力由高到低依次为:发酵方式1、发酵方式3、发酵方式2,发酵方式间差异显著(P<0.05)。

本研究采用4种常用的方法对马铃薯酵素抗氧化能力进行较为全面的研究,不同发酵方式对比研究发现,发酵方式1马铃薯酵素的ABTS阳离子自由基清除率和铁离子还原力最高,发酵方式3酵素的·OH清除率最高,DPPH自由基清除率均在90%以上,发酵方式1铁离子还原力最高。

2.4 不同马铃薯品种及发酵方式对酵素感官评价的影响

图5为9种马铃薯酵素的感官评分。紫玫瑰2的色泽评分较高,可能与紫色马铃薯颜色鲜艳有关。同一品种不同发酵方式整体感官评价由高到低为发酵方式3、发酵方式1、发酵方式2,紫玫瑰马铃薯酵素的整体可接受度及综合评分最高,更易令人接受,且紫玫瑰马铃薯用发酵方式3所得酵素的整体可接受度最高。

3 结论

不同发酵方式对马铃薯酵素的pH值、可滴定酸及还原糖含量均影响显著。发酵方式2所得酵素的可滴定酸和可溶性固形物含量显著高于另外2种发酵方式所得酵素,而pH值显著低于另外2种发酵方式所得酵素。马铃薯酵素测定的7种有机酸含量由高到低依次为:乳酸、柠檬酸、琥珀酸、酒石酸、苹果酸、乙酸、草酸。发酵方式2乳酸含量最高,更利于乳酸菌的生长,其中红玫瑰马铃薯采用发酵方式2所得酵素的有机酸总含量最高。相同发酵方式下,马铃薯品种对酵素的总酚、花色苷含量及SOD活性均有显著影响,紫色马铃薯酵素的总酚和花色苷含量最高,红玫瑰次之,黄玫瑰最低。发酵方式1所得的紫玫瑰酵素总酚含量最高,发酵方式3所得紫玫瑰马铃薯酵素的花色苷含量最高,发酵方式2所得红玫瑰马铃薯酵素的SOD活性最高。所有马铃薯酵素均有一定的体外抗氧化能力,不同品种之间ABTS阳离子自由基、·OH清除能力及还原力由高到低依次为:紫玫瑰、红玫瑰、黄玫瑰。不同发酵条件下,以发酵方式1所得马铃薯酵素的ABTS阳离子自由基和铁离子还原力最高,发酵方式3所得酵素的·OH清除率最高。对9种马铃薯酵素进行感官评价,得出紫玫瑰马铃薯用发酵方式3所得酵素在色泽、香气、滋味及总体可接受度方面评分最高。

红玫瑰马铃薯采用发酵方式2所得酵素有机酸含量高;紫玫瑰马铃薯酵素抗氧化能力优于其他品种,更适宜于加工成功能性酵素产品;发酵方式3所得紫玫瑰马铃薯酵素感官评价最高,产品接受度最好。综合抗氧化能力与感官指标,紫玫瑰马铃薯采用发酵方式3发酵的马铃薯酵素更优。本研究通过对不同品种彩色马铃薯通过不同发酵方式制成酵素,综合分析酵素的理化特性、活性物质含量及体外抗氧化能力,为马铃薯酵素的生产利用提供理论依据。

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Effects of colored potato varieties and fermentation methods on ferment quality and antioxidant properties

SHI Xue, LI Min, CHEN Qin, REN Yamei*

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

ABSTRACT In order to develop new colored potato products and promote the development of the potato processing industry. Yellow rose, red rose, and purple rose potatoes were used as test materials to explore the effects of colored potato varieties and fermentation methods on the physicochemical property of ferment, active ingredient content, in vitro antioxidant capacity ,and sensory organs. The results showed that the content of organic acids measured in descending order was lactic acid>citric acid>succinic acid>tartaric acid>malic acid>acetic acid>oxalic acid. The total organic acid content of the ferment obtained from fermentation method 2 of red rose potato was the highest, which was 24.07 mg/mL. Among the nine kinds of potato ferment, the purple rose potato ferment obtained by fermentation method 1 had the highest total phenol content (34.03 mg/100 mL). The red rose ferment obtained by fermentation method 2 had the highest superoxide dismutase (SOD) activity (1 013.43 U/mL). The Purple rose ferment obtained from fermentation mode 3 had the highest anthocyanin content (26.40 mg/L). Under the same fermentation method, the ABTS cationic radical, ·OH scavenging ability and iron-reducing ability of ferment obtained from different varieties of potato fermentation were purple rose>red rose>yellow rose. The purple rose potato ferment obtained from fermentation method 3 had the highest comprehensive sensory evaluation. Comprehensive evaluation, the purple rose ferment obtained by fermentation mode 3 has good antioxidant capacity and sensory quality, and is suitable for processing into potato ferment.

Key words colored potato; ferment; active substance; antioxidant activity; organic acid content

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032467

引用格式：石雪,李敏,陈勤,等.彩色马铃薯品种与发酵方式对其酵素品质及抗氧化特性的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(9):120-127.SHI Xue, LI Min, CHEN Qin, et al.Effects of colored potato varieties and fermentation methods on ferment quality and antioxidant properties[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(9):120-127.

第一作者：硕士研究生(任亚梅副教授为通信作者,E-mail:715189648@qq.com)

基金项目：杨凌示范区产学研用协同创新重大项目(2018CXY-17)

收稿日期：2022-05-27,改回日期:2022-07-14