水果酵素发酵过程γ-氨基丁酸含量变化的研究

2020-11-27 04:45朱会霞孙金旭姜艳超
山东化工 2020年21期
关键词:氨基丁酸巴利酵素

朱会霞, 孙金旭, 高 越, 王 茜 ,姜艳超

(衡水学院,河北 衡水 053000)

1 前言

在辞海中,酵素是酶的旧称[1]。但近年来,酵素的概念又有了新的变化[2]。根据中国生物发酵产业协会发布的《酵素分类导则》规定,酵素是由各种植物(包括各种果蔬、植物根和叶)、菌菇及动物组织等为原料,经乳酸杆菌、德巴利酵母、醋酸菌和芽孢杆菌等多种微生物复合发酵而成的制品[3]。酵素发酵过程中还会产生多种功能性成分[4],如γ-氨基丁酸、β-胡萝卜素、氨基酸、功能性低聚糖等成分,进入人体后各自发挥相应的生理功能。特别是γ-氨基丁酸作为有特殊生理功效的非蛋白质氨基酸对人体尤为重要,根据中国生物发酵产业协会发布的《食用植物酵素》规定,酵素中γ-氨基丁酸的含量已经成为酵素行业的一个评价标准[5]。因此本研究对于提高酵素的品质是非常必要的,具有重要的意义。

日本、美国都将γ-氨基丁酸列入食品序列并确认其为安全物质,2009年我国卫生部允许γ-氨基丁酸在食品生产加工中适量添加使用,γ-氨基丁酸是许多降血压食品的主成分之一[10]。哺乳动物体内含有的γ-氨基丁酸能够促进血管扩张,降低血压,对心血管疾病的治疗有着重要功效[11]。研究发现γ-氨基丁酸能够缓解焦虑、抑郁并且还能舒缓心情[12];能促进脑细胞代谢,同时还能改善脑细胞代谢活动,恢复脑细胞功能,从而起到改善睡眠、提高记忆力的作用[13]。综上所述,γ-氨基丁酸是一种食品级的、天然存在并对人体和动物具有多种功效的安全物质。本文将通过改变酵素生产工艺中的发酵条件进行分析,确定不同条件对γ-氨基丁酸含量及酵素品质的影响。实验结果将优化水果酵素生产的工艺条件,提高酵素的品质和口感,为后续酵素的工业化生产奠定基础,也将为其他水果酵素进行同类研究提供经验和技术支持。

2 材料与方法

2.1 实验菌种和原辅料

德巴利酵母、植物乳杆菌、醋酸菌等均由衡水学院发酵工程实验室保藏。试验材料包含枸杞、树莓、冰片糖、单晶冰糖、低聚果糖、黄砂糖等。其中枸杞购于衡水桃城区衡杞枸杞种植专业合作社,树莓购于河北长益生物科技有限公司,单晶冰糖、冰片糖、黄砂糖和低聚果糖购于衡水市桃城区新兴糖酒销售部。

2.2 试验方法

酵素的制备:选取枸杞、树莓两种鲜水果,枸杞15 kg,树莓5 kg,清洗、除梗后破碎混合,加入辅料糖和复合的三种菌种后发酵。调配:发酵结束后的枸杞复合酵素需要过滤,然后进行合理调配。灌装:500nm微滤,在无菌条件下灌装。

2.3 γ-氨基丁酸测定法

按照T/CBFIA 08003—2017规定的方法,制作标准曲线、测定酵素γ-氨基丁酸含量并记录实验数据[14,15]。

2.4 最佳发酵温度和时间的确定

枸杞、树莓两种鲜水果清洗后按3:1的比例破碎混合,加入占水果重量30%的黄砂糖和占水果重量1%的复合菌种,在24℃、27℃、30℃、33℃、36℃温度下分别发酵,每月测定不同发酵温度和发酵时间的酵素中γ-氨基丁酸的量,共测定12个月,同时进行感官鉴评,综合确定最优发酵温度及最优发酵时间。

2.5 辅料糖的确定

分别加入黄砂糖、单晶冰糖、低聚果糖、冰片糖等四种辅料糖,参照上一步实验结果在33℃温度下发酵8个月,然后测出γ-氨基丁酸的量,确定最优的辅料糖。

2.6 单因素试验

德巴利酵母加入量确定:分别加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的德巴利酵母,参照上述实验条件确定出德巴利酵母最优添加量。

植物乳杆菌加入量:分别加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的植物乳杆菌,参照上述实验条件确定植物乳杆菌的最优添加量。

醋酸菌加入量:分别加入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%和3.5%的醋酸菌,参照上述实验条件确定出醋酸菌的最优添加量。

2.7 正交试验法

为进一步明确酵素菌种最佳配比,优化正交试验进行分析。

表1 枸杞酵素菌种优化正交表

2.8 品评试验法

采取嗅觉、视觉、味觉等感官评鉴方式对不同配比的样液进行评鉴。

表2 枸杞酵素感官鉴评表

2.9 酸度测定法

按照T/CBFIA 08003—2017规定的方法,测定总酸度并记录实验数据。

2.10 固形物成分比例测定法

使用阿贝折光仪对样品进行测量,读数,计算样品固形物成分比例并记录。

3 结果与讨论

3.1 γ-氨基丁酸标准曲线

由图1标准曲线可知y = 0.112x-0.127、R2= 0.999,该标准曲线的线性较好适于后续试验。

3.2 发酵时间及发酵温度的确定

由图2可知,发酵初期,γ-氨基丁酸的含量随发酵时间的延长和温度的升高而增多,在30℃和33℃进行发酵时,从第6个月开始γ-氨基丁酸的含量随发酵时间的増长而下降。在36℃发酵时,γ-氨基丁酸的含量要比33℃时要低得多,在第8个月后随着发酵时间的增长而迅速降低,低于24℃条件下的γ-氨基丁酸的含量。因此最佳的发酵温度为33℃,发酵时长为6-10个月。

图2 时间及温度对γ-氨基丁酸含量的影响

从感官评鉴分值来看(图3),水果酵素会随发酵时间的增长而变得香气浓郁、酸甜适口。在24℃和27℃下发酵制成的酵素感官评分分值相差不多,24℃条件下的酵素分值较低但后期分值增长较快。30℃和33℃条件下制成的酵素分值相近,33℃时分值略高,8个月后分值变化都不大。而在36℃条件下制成的酵素因温度过高而导致口感不佳,分值低于30℃时的分值而高于27℃时的分值。可知最优的发酵温度为33℃,发酵时长为8-12个月。

图3 发酵时间及温度对感官评鉴的影响

从以上分析可得,γ-氨基丁酸含量在33℃下发酵第6个月时最高。而感官评分则在33℃发酵8~12个月分值变化不大。综合以上两个指标及成本考虑,最佳温度是33℃,最佳时间是8个月。

3.3 辅料糖的确定

由图4可知,当添加冰片糖时,γ-氨基丁酸的含量最高,为55.38 mg/L其次是黄砂糖、低聚果糖和单晶冰糖。黄砂糖也叫做金砂糖,是富含一定营养元素的砂糖,除了蔗糖外还有很多天然矿物质及微量元素。单晶冰糖除蔗糖外几乎不含其他成分。低聚果糖是由蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖等几种糖混合组成的,精制的食品级低聚果糖几乎不含微量元素和矿物质成分。冰片糖内除蔗糖外还富含多种维生素、天然酸类、抗氧化物质、矿物质和色素调节物质,维生素以胡萝卜素、烟酸和叶酸为主,矿物质则主要为锌、镁、铜等元素。枸杞复合酵素发酵过程是几种微生物协调互补、相互协作的代谢繁殖模式,而冰片糖中含有的多种碳源、生长因子和微量元素,有利于本实验中复合菌种的发酵,促进菌种生长繁殖,并且充分利用菌种间的协同作用进而使得植物乳杆菌产γ-氨基丁酸的量较高。由此分析可知应以冰片糖作为辅料糖最佳。

图4 辅料糖种类对γ-氨基丁酸含量的影响

3.4 单因素试验

(1)德巴利酵母加入量的确定

由图5可知,德巴利酵母的加入量在0.5%-2.0%范围时,γ-氨基丁酸的含量与德巴利酵母加入量成正比,当加入量到达2.0%,γ-氨基丁酸的含量达到最高值53.5 mg/L。在随后的三个浓度中,γ-氨基丁酸的含量则随着加入量的增多而减少。由此可知最优加入量应处于1.0%-3.0%之间。

图5 德巴利酵母加入量对γ-氨基丁酸含量的影响

(2)植物乳杆菌加入量的确定

由图6可知,当植物乳杆菌加入量加入量为1.0%时,γ-氨基丁酸的含量最多,达到54.8 mg/L。当植物乳杆菌加入量在1.5%-3.5%范围时,γ-氨基丁酸的含量则会随着植物乳杆菌加入量的增多而逐渐减少。由此可知最优加入量范围为0.5%-1.5%。

图6 植物乳杆菌加入量对γ-氨基丁酸含量的影响

(3)醋酸菌加入量的确定

由图7可知,当醋酸菌加入量为1.0%时,γ-氨基丁酸的含量最多,达到56.1 mg/L。当醋酸菌加入量在1.5%-3.5%范围内时,γ-氨基丁酸的含量则会随着醋酸菌加入量的增多而逐渐减少。由此可知最优加入量的范围为0.5%-1.5%。

图7 醋酸菌加入量对γ-氨基丁酸含量的影响

3.5 菌种正交试验结果

水果酵素菌种选择植物乳杆菌、醋酸菌、德巴利酵母三种,不同的菌种配比γ-氨基丁酸的含量不同(表3)。

表3 酵素菌种试验结果

由表3可知,不同配比菌种的添加根据R值对比各因素的影响大小,结果为B>A>C(植物乳杆菌>德巴利酵母>醋酸菌),植物乳杆菌对γ-氨基丁酸的含量影响最大,其次是德巴利酵母、醋酸菌。分析K值能够得出几种菌种的最优组合是A2B3C2,即德巴利酵母的加入量应为2.0%,植物乳杆菌的加入量为1.5%,醋酸菌的加入量应为1.0%。但A2B3C2组合并未在正交实验中出现,因此需进行验证实验。验证实验证实A2B3C2组合的γ-氨基丁酸含量为71.35 mg/L,高于正交实验中最高量68.72 mg/L,说明正交实验得到的最优组合确为γ-氨基丁酸含量最高的菌种配比。由表4方差分析结果可得,植物乳杆菌对复合酵素的影响最为显著,德巴利酵母和醋酸菌两种菌种对γ-氨基丁酸的含量几乎没有影响。

表4 因素方差分析

3.6 产品指标

根据T/CBFIA 08003—2017,取50 ml样品于干燥洁净的样品杯中,置于非直射日光下,用目测观察外观及色泽,鼻嗅其气味。制得的水果酵素外观颜色为黄棕色,色泽艳丽,香气浓郁,产品均匀,爽口柔和。

根据T/CBFIA 08003—2017,可溶固形物(20℃折光计法)成分比例为21%;总酸(以柠檬酸计)成分比例为0.7%。

4 结论

现代的果蔬酵素发酵流程,是将新鲜的水果以及蔬菜经过洗净、破碎后添加相应辅料,在特定温度下发酵,最后检测调配灌装。故研究生产工艺要从发酵时间、发酵温度、辅料糖种类及菌种比例的确定等关键因素进行研究。通过设置不同的发酵温度和时间,依据γ-氨基丁酸含量、感官评分确定发酵温度为33℃、发酵时间为8个月,最佳的辅料糖为冰片糖。正交实验确定德巴利酵母、植物乳杆菌和醋酸菌的加入量分别为2.0%、1.5%和1.0%。在此条件下,γ-氨基丁酸含量达到71.35mg/L,水果酵素色泽艳丽、具有枸杞和树莓特有的香气。

本研究提高了γ-氨基丁酸的含量和酵素的品质,为后续工业化生产奠定了基础,同时也为其他水果酵素进行同类研究提供经验和技术支持。

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