三种乳酸菌混合发酵对番茄酱营养品质和抗氧化活性的影响

罗丹1,侯爱香1,2,戴奕杰3,童光祥4,李宗军1,2,祝婷5,李珂1,2*

1(湖南农业大学 食品科学技术学院,湖南 长沙,410128)2(食品科学与生物技术湖南省重点实验室,湖南 长沙,410128)3(贵阳学院 生物与环境工程学院,贵州 贵阳,550005)4(天津天伟食品有限公司,天津,301508)5(麻江县明洋食品有限公司,贵州 麻江,557603)

摘 要 番茄酱经传统热加工易致营养损失与风味单一,限制其功能价值。乳酸菌发酵技术为番茄制品升级提供新途径。该研究采用植物乳植杆菌、嗜酸乳杆菌和唾液链球菌嗜热亚种对番茄酱进行0~48 h混合发酵,评估其对营养品质及抗氧化活性的影响。结果显示,发酵终点活菌数达2.2×108 CFU/mL,pH值由4.3降至4.0以下;可溶性固形物含量显著降低,总酸含量提升了9.02 g/kg。虽然维生素C因代谢有所损耗,但总酚、总黄酮含量分别增加了1.82 mg GAE/g DW和0.97 mg RE/g DW,番茄红素含量显著上升13.73 mg/kg,色差值证实色泽改善。抗氧化能力显著提升(P<0.05):DPPH自由基、ABTS阳离子自由基、羟自由基清除能力及铁离子还原抗氧化能力分别提升0.45、0.33、0.50 mg 维生素C当量/g DW及0.25 mg FeSO4/g DW。相关性分析表明总酚(r=0.90)、总黄酮(r=0.93)和番茄红素(r=0.93)与抗氧化指标呈显著正相关(P<0.05),揭示多酚转化与脂溶性色素释放是核心强化机制。综上,3菌种协同通过降解大分子、促进功能成分溶出及重构有机酸体系,同步提升番茄酱酸度、色泽稳定性及生物活性成分富集度,为功能性发酵番茄制品开发提供新策略。

关键词 乳酸菌;发酵;番茄酱;理化特性;抗氧化活性

番茄作为全球广泛栽培的果蔬作物,富含番茄红素、维生素C、多酚及矿物盐等多种生物活性物质[1],其中番茄红素作为强效抗氧化剂,在预防心血管疾病等方面显示出显著潜力,而维生素C与多酚类物质的协同作用进一步增强了其健康功效。番茄酱作为主要加工制品,在传统热加工过程中易导致维生素C等热敏性营养成分的显著损失(降解率常超过40%)[2],同时存在风味物质逸散、功能成分生物利用度不高等问题,严重制约了产品附加值的提升[3]

为突破上述瓶颈,乳酸菌发酵技术为番茄制品升级提供了新路径。与传统发酵乳制品相比,乳酸菌发酵果蔬酱兼具调节肠道菌群、增强免疫及抗氧化等多重功效,且契合植物基食品消费趋势。乳酸菌作为核心发酵剂,其代谢活动可重构产品有机酸谱、释放结合态酚类,并提升脂溶性色素生物可及性[4]。蒋景竹[4]发现,干酪乳杆菌发酵诱导的半乳糖代谢通路可同步增加乳酸产量及特征风味物质;而徐清萍等[1]证实,植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)和嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)复合发酵使番茄酱总酸度提升1.8倍,总酚含量增长27.5%。研究表明,植物乳植杆菌可分泌草酸脱羧酶降解抗营养因子,并通过琥珀酸合成途径增强风味层次感[5];嗜酸乳杆菌的耐酸特性(pH 3.0下存活率>80%)保障发酵后期活菌数稳定性,其代谢产生的乙酸能抑制腐败菌生长[6];唾液链球菌嗜热亚种(Streptococcus salivarius subsp.thermophilus)高产胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)包埋番茄红素,提升其肠道吸收率50%以上,并加速苹果酸-乳酸转化以柔和酸味[7]。然而,现有研究多集中于单菌或传统双菌发酵体系,其在风味复杂度、营养协同增效及功能稳定性等方面仍存在明显局限。特别值得注意的是,针对植物乳植杆菌-嗜酸乳杆菌-唾液链球菌嗜热亚种这一特定三元组合的协同机制研究尚不系统,其如何通过时序性分工与代谢互补实现营养品质与抗氧化活性的协同提升,仍是当前研究的薄弱环节。

基于此,本研究聚焦于上述三元乳酸菌体系,通过系统分析0~48 h发酵过程中番茄酱理化特性、核心营养成分及体外抗氧化活性的动态变化,并深入探讨各指标间的内在关联,旨在揭示三元菌株的协同作用机制,突破现有发酵番茄制品在营养保留、功能强化及菌株协同效率方面的技术瓶颈,为开发新一代高活性益生菌番茄制品提供理论依据与实践路径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番茄酱,湖南农业大学食品科学技术学院;发酵菌种:植物乳植杆菌A01、嗜酸乳杆菌A10、唾液链球菌嗜热亚种A20,实验室保存;MRS培养基、DPPH、ABTS,国药集团化学试剂有限公司;草酸、苹果酸、柠檬酸等标准品,坛墨质检科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

SW-CJ-2D超净工作台,苏州博莱尔净化设备有限公司;cp114电子分析天平,奥豪斯仪器有限公司;SpectraMax ABS Plus酶标仪,美谷分子仪器有限公司;手持pH计,香港希玛仪表集团有限公司;恒温生化培养箱,韶关市广智科技设备有限公司;1260高效液相色谱仪,美国安捷伦(Agilent)公司;便携式色差仪,三恩时科技有限公司;TGL-20M冷冻离心机,英泰仪器有限公司;高压蒸汽灭菌锅,山东新华医疗器械有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 发酵番茄酱的加工工艺流程及操作要点

加工工艺流程为:

玻璃罐→灭菌→加入已灭菌的番茄酱→加入无菌水→搅拌均匀→菌种活化→接种、发酵→成品

番茄酱的制备:从工厂取得已灭菌的番茄酱,玻璃罐灭菌后,每个发酵玻璃罐内称取100 g番茄酱,以料液比2∶1(g∶mL)的比例添加无菌水到番茄酱中,便于发酵,搅拌均匀。

乳酸菌菌悬液制备:分别取实验室保存的植物乳植杆菌、嗜酸乳杆菌和唾液链球菌嗜热亚种,于配制好灭菌后的MRS液体培养基中活化24 h,放入37 ℃培养箱,活化一代:再从中取活化第一代的液体培养基1 mL进行活化二代,培养24 h。随后以6 000 r/min的转速离心15 min,弃去上层清液,用无菌生理盐水洗涤菌体2次后重悬,最终制备得到活菌浓度为108 CFU/mL的菌悬液。

接种、发酵:以不接种的番茄酱作为对照,在前期试验的基础上以1%的接种量添加3种乳酸菌,菌种配比为1∶1∶1,接种到番茄酱中混合发酵,将玻璃罐放置于37 ℃恒温培养箱中静置发酵48 h,每隔6 h取一次样。

1.3.2 理化及微生物指标测定

乳酸菌活菌数测定:依照GB 4789.35—2023《食品安全国家标准 食品微生物学检验 乳酸菌检验》测定;pH值测定:借助手持pH计完成测定;总酸含量测定:参照GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定(含第1号修改单)》测定;有机酸测定:依据GB5009.157—2016《食品安全国家标准 食品中有机酸的测定》测定;可溶性固形物含量测定:按照NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定 折射仪法》测定;颜色参数Lab值测定采用色差仪,总色差ΔE的计算如公式(1)所示:

(1)

1.3.3 生物活性物质测定

总黄酮的测定:采用亚硝酸钠-硝酸铝法,以芦丁当量(rutin equivalent,RE)/g DW表示每克干重样品总黄酮含量。总多酚测定:采用福林酚法[8],以没食子酸当量(gallic acid,GA)/g DW表示每克干重样品总多酚含量;番茄红素测定:采用GB/T 14215—2021《番茄酱罐头质量通则》中的甲醇甲苯法[9];维生素C测定:采用GB 5009.86—2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》。

1.3.4 抗氧化能力测定

1.3.4.1 DPPH自由基清除能力的测定

DPPH自由基清除能力依据文献[10]测定。在0.5 mL稀释番茄酱样品中加入等量DPPH甲醇溶液,混匀后置于室温避光环境反应30 min,随后测定溶液在517 nm处的吸光度。根据维生素C标准曲线计算DPPH自由基清除能力,结果以每克干重样品维生素C当量[(vitamin C equivalent, VCE)/g DW]表示。

1.3.4.2 ABTS阳离子自由基清除能力的测定

ABTS阳离子自由基清除能力同样依据文献[10]。所需ABTS工作液经暗处静置12 h后以乙醇稀释,取0.2 mL样品稀释液与0.8 mL该ABTS稀释液混匀,反应6 min后立即在734 nm下检测吸光度。根据维生素C标准曲线计算ABTS阳离子自由基清除能力,结果以VCE/g DW表示。

1.3.4.3 羟自由基清除能力的测定

采用文献[8]的方法测定并略作修改。依次将1 mL 样品液与1 mL 9 mmol/L硫酸亚铁、1 mL 8.8 mmol/L过氧化氢及1 mL 9 mmol/L水杨酸乙醇溶液混合,37 ℃水浴60 min,于510 nm测吸光度。根据维生素C标准曲线计算羟自由基清除能力,结果以VCE/g DW表示。

1.3.4.4 铁离子还原力(ferric ion reducing antioxidant power,FRAP)的测定

采用陈如扬等[11]的方法并调整。取0.5 mL样品液,依次加入2.5 mL磷酸盐缓冲液(0.2 mol/L)和2.5 mL铁氰化钾溶液(10 mg/mL),50 ℃反应20 min后加入2.5 mL三氯乙酸(100 mg/mL),离心后取上清液2.5 mL,加入0.5 mL氯化铁溶液(1 mg/mL),反应10 min后测定700 nm吸光度。以维生素C制作标准曲线,结果以每克干重样品硫酸亚铁当量(mg FeSO4/g DW)表示。

1.4 数据处理

所有实验均重复3次,结果以“平均值±标准差”表示。采用Origin2024软件进行图表绘制。利用SPSS 26.0软件进行显著性分析和方差分析(analysis of variance,ANOVA),P<0.05表示各组之间差异显著。

2 结果与分析

2.1 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中活菌数的变化

由图1可知,与0 h相比,乳酸菌活菌数在30 h达到峰值,各发酵组之间具有显著差异(P<0.05),活菌数由初始接种量2.83×107 CFU/mL升高至2.2×108 CFU/mL,随后随着时间的延长逐渐降低,但在发酵48 h时仍保留在108 CFU/mL以内。在发酵初期乳酸菌会利用番茄酱基质中的糖类物质,获得充足碳源、氮源和生长因子,使活菌数大幅增加;后期降低并趋于稳定可能是因为糖类物质逐渐被消耗,发酵达到终点,代谢效率下降[12]。使活菌数可以直接体现益生菌发酵产品的发酵效果[13],发酵过程中会把糖转化成酸,另外,这些乳酸菌在发酵时可能产生其他代谢物,比如某些酯类或芳香物质,所以足够的活菌数是发酵过程顺利进行并达到预期酸度、风味和质构的基础[14]

图1 发酵过程中乳酸菌活菌数的变化
Fig.1 Changes in number of viable lactic acid bacteria during fermentation process

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。

2.2 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中理化指标的变化

2.2.1 色差(L,a,b值)

Lab值分别表示颜色的亮度、红绿度和黄蓝度,正值越大表示越亮、越红和越黄。由表1可知,与0 h相比,随着发酵时间的延长,样品的Lab值均有所下降,发酵后番茄酱整体呈现较暗红的色泽,说明番茄酱亮度变暗、红色和黄色鲜艳度减弱,且发酵前后样品组之间具有显著差异(P<0.05)。ΔE可以反映出发酵产品前后的总体色泽差异,其值越小,说明发酵过程所产生的颜色变化比较小;反之则越大[15]。引起颜色差异主要是由于发酵后酱体变得更均匀细腻,细胞结构被破坏,大分子降解,使更多光线反射出来;其次是番茄红素从束缚态释放后,在酸性环境中显色饱和度增强,红色更暗沉浓郁[16],同时顺式异构化改变其光学表现,亮度降低;此外,发酵使β-胡萝卜素等黄色类胡萝卜素的黄调相对更突出。整体色泽从初始的鲜亮红转变为带有黄调的浓郁暗红复合色泽,这一变化反映了乳酸菌发酵对番茄酱物理结构和化学成分的显著影响。

表1 乳酸菌混合发酵对番茄酱色泽的影响
Table 1 Effect of lactic acid bacteria mixed fermentation on color of tomato paste

发酵时间/hLΔLaΔabΔbΔE037.52±0.39a—31.57±0.39a—18.4±0.58a——635.77±0.23b1.7530.33±045ab1.2417.24±0.42bc1.162.441235.27±0.22bc2.2528.37±0.37bc3.2016.94±0.17c1.464.171834.95±0.31cd2.5726.85±0.13c4.7216.86±0.24c1.545.592434.51±0.13d3.0126.73±0.31c4.8416.81±0.21c1.595.913035.22±0.27bcd2.3027.59±0.26c3.9817.35±0.25abc1.054.713634.92±0.23cd2.6027.19±0.41c4.3816.93±0.23c1.475.304235.17±0.21bcd2.3527.77±0.45c3.8018.24±0.24ab0.164.474835.62±0.23bc1.9028.53±0.32bc3.0417.05±0.26c1.353.83

注:“—”表示无数据;不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。

2.2.2 pH值和总酸含量的变化

由图2-A可知,pH值在0~24 h内下降幅度最大,随后逐渐趋于稳定,从4.32(P<0.05)下降至4.00(P<0.05);图2-B中番茄酱总酸含量随着发酵时间逐渐升高,在48 h时产酸效果最好,pH值的下降可以说明乳酸菌发酵过程中酸性物质的产生,总酸含量升高,由12.25 g/kg升高至21.27 g/kg,且0 h与发酵后相比,都具有显著差异(P<0.05)。乳酸菌发酵番茄酱过程中会产生乳酸、乙酸等有机酸,从而导致总酸含量上升,有机酸种类与产量的差异又取决于乳酸菌菌株的不同,植物乳植杆菌不仅表现出优于嗜酸乳杆菌和唾液链球菌嗜热亚种的产酸能力,还能通过快速消耗氧气,营造厌氧环境,从而更有利于以它和嗜酸乳杆菌为主导的产酸过程[17];植物乳植杆菌可高效降解番茄细胞壁多糖,释放更多可发酵糖从而扩大产酸底物基质[18];而嗜酸乳杆菌具有强耐酸能力,在低pH环境下仍可以代谢残余糖分产酸[19]

A-pH值;B-总酸含量

图2 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中pH值和总酸的变化
Fig.2 Changes of pH and total acid during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.2.3 可溶性固形物含量的变化

可溶性固形物含量与发酵产品品质密切相关,有助于增强发酵产品的口感和品质。由图3可知,番茄酱的可溶性固形物含量随着时间的延长逐渐降低,若固形物下降过多可能会影响产品稠度,番茄酱从发酵前25.8 °Brix下降到20.7 °Brix,具有显著差异(P<0.05),说明乳酸菌发酵番茄酱后其可溶性固形物含量显著降低,番茄酱组织状态浓稠度降低,在6 h时下降最为明显,这表明在番茄酱中,糖类物质被大量消耗,其过程主要由植物乳植杆菌和唾液链球菌嗜热亚种主导:植物乳植杆菌和唾液链球菌嗜热亚种通过同型发酵糖酵解或己糖二磷酸途径[20],以番茄酱中的葡萄糖等可发酵糖为主要碳源,将其转化为乳酸;同时,植物乳植杆菌还通过异型发酵药代动力学途径消耗葡萄糖,生成乳酸、乙酸和CO2[21]

图3 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中可溶性固形物含量的变化
Fig.3 Changes of the soluble solid during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.3 乳酸菌混合发酵番茄酱生物活性成分的变化

2.3.1 番茄红素含量的变化

由图4可知,相比于未发酵时,番茄红素含量有所上升,且随着发酵的进行呈现先上升后下降趋势,与0 h相比,不同时间段番茄酱发酵具有显著性差异(P<0.05),番茄红素在发酵24、36 h时具有良好的发酵效果。番茄红素是一种强抗氧化色素,其淬灭单线态氧化自由基的能力更强,比β-胡萝卜素高2倍,是α-生育酚的100倍[16],还可以降低某些癌症,如乳腺癌、消化道癌、前列腺癌的发病几率,也可以预防心血管疾病以及增强人体免疫力和抗衰老。通过乳酸菌发酵,番茄红素含量有所上升可能是因为植物乳植杆菌的酶解能力最强,能分泌果胶酶、纤维素酶破坏细胞壁,释放包埋在其中的番茄红素-蛋白复合物,使结合态的番茄红素分解为游离态,提高其生物利用度;而嗜酸乳杆菌在后期低pH环境下继续作用;唾液链球菌嗜热亚种虽然自身酶活性弱,但可通过产酸为其他菌创造发酵环境[22];同时番茄红素分子结构中有多个共轭双键,这虽是其强抗氧化性的基础,但它也对光、热、氧气等因素高度敏感,易发生氧化和异构化而降解。在发酵后期,随着发酵时间延长,这种固有的化学不稳定性会更明显地表现出来。

图4 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中番茄红素含量的变化
Fig.4 Changes of lycopene content during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.3.2 维生素C含量的变化

维生素C是番茄的主要生物活性物质之一,但由于番茄酱在前期制作过程中易受到光照、温度等因素的影响,其含量会有所下降。由图5可知,维生素C的含量随着发酵时间的延长不断下降,且各个发酵时间段之间具有显著差异(P<0.05),在0~24 h以内其含量显著下降(P<0.05),由15.58 mg/100 g下降至11.13 mg/100 g;随后发酵至48 h时,与0 h相比,其维生素C含量下降了7.42 mg/100 g,具有显著差异。这一现象是发酵环境和乳酸菌代谢活动协同作用的结果,可能是因为维生素C主要受到发酵温度、低pH值的影响,使其分子结构中含有的连烯二醇极不稳定[23],因而很容易发生氧化反应而损失;发酵初期搅拌、物料转移引入的溶解氧也会加速氧化分解[24];维生素C作为小分子营养物质,可能被乳酸菌直接吸收,用于细胞生长和相关代谢活动,从而导致含量的直接消耗。维生素C对嗜酸乳杆菌产生的β-葡萄糖苷酶具有显著的激活效应[25]。在本研究的发酵体系中,维生素C很可能扮演了类似的酶激活剂角色,其在激活β-葡萄糖苷酶的过程中被消耗,进而强化了菌株对番茄基质的酶解能力。因此,可以将发酵时间段控制在24 h以内,最大限度保证其含量不会大幅度损失,从而保留其营养价值。

图5 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中维生素C含量的变化
Fig.5 Changes of vitamin C content during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.3.3 有机酸含量的变化

对于大多数果蔬类产品来说,酸味是一种主要的感官品质,主要受有机酸积累的影响,有机酸赋予了产品独特的风味和口感。由图6可知,与0 h时相比,通过3种乳酸菌发酵后的番茄酱有机酸含量总体呈上升趋势,且番茄酱发酵前后有机酸含量呈显著差异(P<0.05),其中以乳酸增加最为明显,从0.43 g/kg(0 h)增加至4.85 g/kg(48 h);乙酸含量从0.49 g/kg(0 h)增加至2.70 g/kg(48 h);草酸、酒石酸、琥珀酸含量整体变化不大,苹果酸、柠檬酸含量有所下降,可能是因为在发酵过程中部分有机酸转化为了乳酸和乙酸。草酸、酒石酸、柠檬酸、苹果酸属于发酵基质中的原始有机酸,被3种乳酸菌直接作为碳源消耗,乳酸、乙酸、琥珀酸是乳酸菌代谢的主要终产物,其积累量与菌种类型和发酵条件密切相关[26]。具体而言,唾液链球菌嗜热亚种在发酵初期利用柠檬酸代谢产生了大量的丙酮酸,这些丙酮酸并非仅作为终产物积累,而是被植物乳植杆菌有效利用,作为其生长因子显著促进了植物乳植杆菌的生物量积累,这与前人研究中复合发酵可显著提升活菌数的结论一致。与此同时,植物乳植杆菌展现出了对番茄基质中草酸的有效降解能力,解除了该成分对嗜酸乳杆菌生长的潜在抑制。由唾液链球菌嗜热亚种和植物乳植杆菌共同创造的这一适宜微生物环境中,嗜酸乳杆菌得以充分发挥其强劲的产酸能力,主导了乳酸的后期积累,从而显著降低了发酵体系的pH值。通过监测发酵过程中有机酸的动态变化,揭示了植物乳植杆菌、嗜酸乳杆菌与唾液链球菌嗜热亚种三元体系在番茄酱发酵中独特的协同互惠关系。

图6 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中有机酸含量的变化
Fig.6 Changes of organic acid contents during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.3.4 总酚和总黄酮含量的变化

番茄酱中含有番茄红素、多酚和黄酮等生物活性成分,由图7-A可知,与0 h相比,其总酚含量在各发酵时间段都具有显著差异(P<0.05),在48 h时可达到6.44 mg GAE/g DW,比未发酵时(4.61 mg GAE/g DW)上升了1.82 mg GAE/g DW;图2-B中,与未发酵组0 h(6.12 mg RE/g DW)相比,总黄酮含量在42 h可达到7.09 mg RE/g DW,提高了0.97 mg RE/g DW,而其余各发酵时间段无显著变化(P>0.05);总酚总黄酮含量随发酵时间有所上升,表明乳酸菌发酵番茄酱可提升其总酚总黄酮的含量。由于乳酸菌代谢增强了酶的活性,将复杂的结合态酚类物质水解成游离形式。植物乳植杆菌可分泌β-葡萄糖苷酶水解酚类物质糖苷键,将不溶性膳食纤维释放为可溶的游离酚,同样也释放不溶性的膳食黄酮为水溶性的黄酮苷,产生的果胶酶和纤维素酶破坏番茄细胞壁的果胶-纤维素网络,释放包埋的酚类和黄酮类物质[16];唾液链球菌嗜热亚种分泌葡聚糖酶降解细胞壁多糖骨架,扩大酶解通道[22];嗜酸乳杆菌能在低pH值下激活酯酶去水解酚酸酯键。因此,总体上发酵后番茄酱的总酚总黄酮含量显著高于发酵前。

A-总酚;B-总黄酮

图7 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中总酚、总黄酮含量的变化
Fig.7 Changes of total polyphenol and total flavonoids content during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.4 乳酸菌混合发酵番茄酱体外抗氧化活性的变化

通过测定番茄酱发酵前后的DPPH自由基清除能力、ABTS阳离子自由基清除能力、羟自由基清除能力和FRAP,来综合评价其抗氧化活性。由图8可知,番茄酱样品具有清除自由基的能力,与0 h相比,发酵后番茄酱DPPH自由基、ABTS自由基阳离子、羟自由基清除能力和FRAP分别上升了0.45、0.33、0.50 mg VCE/g DW及0.25 mg FeSO4/g DW。综合来看,发酵后的番茄酱抗氧化活性提升,且发酵42 h时比其他组的自由基清除能力更高。乳酸菌在发酵过程中产生的代谢产物(如有机酸)促进了酚类物质的释放与转化,这可能是番茄酱自由基清除能力增强的主要原因。此外,酚类物质还可通过提供氢原子或单电子以螯合金属离子,进而清除自由基,发挥其抗氧化作用。番茄中具有丰富的酚类物质,同时乳酸菌对其进行发酵的过程中也会释放多种生物活性成分,包括多酚黄酮,从而提高抗氧化能力,因此发酵番茄酱的抗氧化能力总体高于未发酵时。

A-DPPH自由基清除能力;B-ABTS阳离子自由基清除能力;C-羟自由基清除能力;D-FRAP

图8 乳酸菌混合发酵番茄酱前后中抗氧化活性的变化
Fig.8 Changes in antioxidant activity before and after lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

2.5 乳酸菌混合发酵番茄酱对其理化因素和抗氧化指标的相关性分析

由图9可知,乳酸菌发酵番茄酱时,微生物生长会驱动pH、总酸、有机酸等理化指标发生变化,而这些理化环境又会通过影响酚类、黄酮、维生素C、番茄红素等抗氧化物质的含量与稳定性,进而对其抗氧化活性进行调节;与此同时,上述变化还会协同作用于色泽等感官品质。从相关性分析来看,活菌数与pH值呈显著负相关,与总酸呈显著正相关,这是由于乳酸菌发酵时通过糖酵解将糖类分解为乳酸,使得总酸含量升高、pH值下降,且活菌数的增加会强化该代谢过程,也有研究表明乳酸菌发酵胡萝卜汁,随发酵时间延长,乳酸菌产乳酸,其总酸含量上升[27],与本研究番茄酱中pH值和总酸呈强负相关逻辑一致,说明产酸是影响体系酸碱环境的核心因素;乳酸与总酸呈显著正相关,草酸、酒石酸等与总酸也有正相关趋势,体现出发酵体系中有机酸谱随乳酸菌代谢发生复杂互作。在乳酸菌发酵苹果枸杞汁的研究中,总酸增加会促使可溶性固形物参与发酵反应被消耗,可能导致可溶性固形物含量降低[28];而总酸可影响物质色泽稳定性,高酸环境下色泽亮度L值变化趋势与本研究对应,体现总酸对体系成分转化、色泽呈现的调控作用。在发酵食品色泽研究里,红绿度、黄蓝度常因类胡萝卜素、多酚等色素物质共同变化关联紧密。比如益生菌发酵草莓汁,色素降解、转化过程中,a(红色趋向)和b(黄色趋向)会同步改变,反映番茄酱发酵中色泽物质整体代谢规律。

图9 乳酸菌混合发酵番茄酱过程中理化和抗氧化指标的相关性分析
Fig.9 Correlation analysis of physicochemical and antioxidant activity during lactic acid bacteria mixed fermentation of tomato paste

总酚、总黄酮、番茄红素类物质是强抗氧化剂,在乳酸菌发酵体系中,总酚、总黄酮、维生素C、番茄红素等与抗氧化指标(DPPH自由基、ABTS阳离子自由基、羟自由基清除能力等)呈显著正相关,pH值与抗氧化指标多呈负相关,总酸与之呈正相关,一方面酸性环境可抑制氧化酶活性,减少抗氧化物质降解,另一方面乳酸菌代谢产生的酸类本身也有一定抗氧化性,总酸升高会间接提升抗氧化水平。此外,色泽指标(Lab)与总酚、番茄红素等抗氧化物质呈显著正相关,这是因为番茄红素是红色的主要来源,总酚等也会影响色泽稳定性,乳酸菌发酵过程中抗氧化物质的保留或合成会维持色泽鲜亮,而若发酵过度导致抗氧化物质流失,色泽会变差,这也与pH值呈负相关相印证,即pH值过低可能破坏色素结构。各指标间的相关性充分反映了发酵代谢的整体性与复杂性。乳酸菌发酵过程中,一方面其代谢活动会促使原料中抗氧化成分的释放、转化[29],比如乳酸菌产生的酶可分解大分子物质,使结合态的抗氧化成分(像总酚、黄酮等)游离出来,提升其含量,而总酚总黄酮是番茄酱发酵体系抗氧化活性的最主要贡献者,可增强抗氧化能力;另一方面,乳酸菌自身代谢产物(如某些肽类、有机酸等)也具备抗氧化性,协同原料中的抗氧化物质发挥作用。综上所述,乳酸菌发酵可通过提升番茄酱中番茄红素、黄酮类化合物和多酚类化合物的含量来提高体外抗氧化活性。

3 结论

本研究通过系统探讨植物乳植杆菌、唾液链球菌嗜热亚种与嗜酸乳杆菌三元体系发酵对番茄酱品质的影响,得出以下结论:乳酸菌混合发酵能有效改善番茄酱的营养品质与抗氧化能力,其pH值、色差、维生素C、可溶性固形物、酒石酸、苹果酸和柠檬酸含量下降;总酸、番茄红素含量、活菌数显著增加;总酚与总黄酮含量分别显著提升1.82 mg GAE/g DW与0.97 mg RE/g DW,DPPH自由基、ABTS阳离子自由基和羟自由基清除能力分别增强0.45、0.33、0.50 mg VCE/g DW,FRAP值提高0.25 mg FeSO4/g DW。相关性分析进一步表明,乳酸菌活菌数与上述功能成分积累及抗氧化活性呈强正相关(R2>0.9),证实菌体代谢是驱动品质提升的核心因素。综上,本研究将为开发功能性发酵番茄产品筛选适宜乳酸菌,以期改善产品品质,并为满足特定发酵需求的菌种选择提供理论参考。未来研究可采用微生物组或代谢组学分析技术揭示三元菌种的代谢机制,以及评估该发酵产物在模拟消化环境中的活性保持率及体外益生功效,为功能食品开发提供更充分的科学依据。

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Effects of mixed fermentation with three lactic acid bacteria on nutritional quality and antioxidant activity of tomato paste

LUO Dan1, HOU Aixiang1,2, DAI Yijie3, TONG Guangxiang4,LI Zongjun1,2, ZHU Ting5, LI Ke1,2*

1(College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)2(Hunan Provincial Key Laboratory of Food Science and Biotechnology, Changsha 410128, China)3(College of Biology and Environmental Engineering, Guiyang University, Guiyang 550005, China)4(Tianjin Tianwei Food Co.Ltd., Tianjin 301508, China)5(Miaoyang Food Co.Ltd., Majiang County, Majiang 557603, China)

ABSTRACT Traditional thermal processing of tomato paste often leads to nutrient loss and flavor simplification, limiting its functional value.Lactic acid bacteria (LAB) fermentation offers a novel approach for upgrading tomato products.This study assessed the impact of mixed LAB fermentation (0-48 h) using Lactiplantibacillus plantarum, Lactobacillus acidophilus, and Streptococcus salivarius subsp.thermophilus on the nutritional quality and antioxidant activity of tomato paste.Results demonstrated a final viable count of 2.2×108 CFU/mL.The pH decreased from an initial 4.3 to below 4.0.Soluble solids significantly decreased, while total acid content increased by 9.02 g/kg.Although vitamin C content decreased due to microbial metabolism, significant increases occurred in total phenols (1.82 mg GAE/g DW), total flavonoids (0.97 mg RE/g DW), and lycopene (13.73 mg/kg).Color difference analysis confirmed improved color.Fermentation significantly enhanced antioxidant capacity (P<0.05), evidenced by increased scavenging activity for DPPH [0.45 mg vitamin C equivalent (VCE)/g DW], ABTS (0.33 mg VCE/g DW), hydroxyl radicals (0.50 mg VCE/g DW), and a higher ferric ion reducing antioxidant power value (0.25 mg FeSO4/g DW).Correlation analysis revealed significant positive relationships (P<0.05) between antioxidant indices and total phenols (r=0.90), total flavonoids (r=0.93), and lycopene (r=0.93).These findings indicates that the conversion of polyphenols and the release of lipid-soluble pigments were the core mechanisms for antioxidant enhancement.In conclusion, the combined activity of the three LAB strains degraded macromolecules, promoted the dissolution of functional components, and reconstituted the organic acid profile.This process simultaneously increased acidity, improved color stability, and enriched bioactive compounds in the tomato paste.The study provides a new strategy for developing functional fermented tomato products.

Key words lactic acid bacteria; fermentation; tomato paste; physicochemical property; antioxidant activity

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.044853

引用格式:罗丹,侯爱香,戴奕杰,等.三种乳酸菌混合发酵对番茄酱营养品质和抗氧化活性的影响[J].食品与发酵工业,2026,52(14):307-315.

LUO Dan,HOU Aixiang,DAI Yijie, et al.Effects of mixed fermentation with three lactic acid bacteria on nutritional quality and antioxidant activity of tomato paste[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(14):307-315.

第一作者:硕士研究生(李珂高级实验师为通信作者,E-mail:leeke14@163.com)

基金项目:贵阳学院引进人才启动资金科研项目(GYU-KY-(2025));传统发酵食品源微生物功能挖掘与应用项目(黔科协发(2025)21号)

收稿日期:2025-10-17,改回日期:2025-11-25