蘋果酵素天然發酵過程中代謝產物的變化規律

楊小幸，周家春，陳啟明，秦 臻，馬明月，趙黎明,*

蘋果酵素天然發酵過程中代謝產物的變化規律

楊小幸1，周家春1，陳啟明1，秦 臻1，馬明月2，趙黎明1,*

（1.華東理工大學生物工程學院，華東理工大學發酵工業分離提取技術研發中心，生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237；2.重慶郵電大學生物信息學院，重慶 400065）

為研究蘋果酵素天然發酵過程中物質代謝變化，對天然發酵過程中pH值、總酸、有機酸（乳酸、醋酸、蘋果酸）、糖類（蔗糖、葡萄糖、果糖）、乙醇、總酚含量、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除率的變化進行分析。結果表明，發酵過程中pH值從5.05降至3.88，總酸、乳酸含量呈不斷上升趨勢，乙酸質量分數由0.018%升至0.23%，蘋果酸質量濃度在發酵前14 d由初值0.67 g/L上升至2.45 g/L后略微下降；葡萄糖、果糖質量濃度呈先升后降趨勢，且二者均在發酵第21天達到最大值130.6、177.2 g/L，蔗糖質量濃度不斷下降趨于0 g/L；乙醇在發酵14～21 d過程中產生，發酵4周后乙醇體積分數可達6.6%；總酚質量濃度與DPPH自由基清除率呈先升后降趨勢，均在發酵第21天達到最大值為259.4 mg/L、90.9%。

蘋果酵素；天然發酵；代謝物質；DPPH自由基清除率

近年來，隨著人們保健意識的加強，酵素發酵飲料越來越受消費者歡迎。酵素是以植物、動物、菌類等為原料，經多種微生物發酵而產生的、富含多種生物活性成分的微生物發酵產品[1]。已有研究表明酵素具有解酒護肝、促進淋巴細胞增殖等作用[2-3]。酵素產品按生產工藝可分為群種發酵酵素和純種發酵酵素[4]。群種發酵作為一種傳統的發酵方式是將原料置于自然條件下利用原料自身所攜帶的微生物進行發酵，因此又稱為天然發酵。與純種發酵方式相比，天然發酵操作工藝簡單，可較大程度地保留原料中的營養成分，在家庭酵素制作中得到廣泛應用，多數酵素企業采用天然發酵方式制作酵素產品或將其作為酵素產品制作工藝的重要環節之一。天然酵素中的微生物主要有酵母菌、曲霉及乳酸菌[1]，因此發酵周期的控制需要結合發酵過程中多種微生物的基質代謝與產物生成情況綜合考慮。目前對酵素天然發酵過程的研究多集中在抗氧化性能變化[5-8]以及多糖的分離鑒定[9-11]，對發酵過程中代謝產物變化的研究則相對較少。而原料自身利用程度、生成代謝物的種類產量是酵素產品質量指標的關鍵所在，也是判定發酵終點的主要依據。因此研究發酵過程中代謝物質的變化規律很有必要。

蘋果含有糖類、蛋白質、有機酸、維生素及蘋果多酚等營養成分，是日常生活中最常見、消費量最大的水果之一，也是日常飲食中外源性抗氧化物質的主要來源[12]，Kris-Etherton等[13]研究表明富含抗氧化成分的食品在防治自由基引起的疾病方面具有重要的作用。因此選擇蘋果為原料，探究蘋果酵素天然發酵過程中pH值、總酸、有機酸、糖類、總酚含量、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine，DPPH）自由基清除率的變化，以期為天然酵素產品發酵工藝的優化及其綜合性開發提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富士蘋果、白砂糖（一級品） 市售；DPPH、福林-酚（均為分析純）、沒食子酸 阿拉丁化學試劑有限公司；標準品（蔗糖、葡萄糖、果糖、蘋果酸、乳酸、乙酸） 美國Sigma公司；乙腈（色譜純） 上海泰坦科技有限公司。

1.2 儀器與設備

CP214C電子天平 美國Ohaus公司；5810R大容量高速離心機 德國Eppendorf公司；UV-2000紫外分光光度計 尤尼克（上海）儀器有限公司；FE20精密pH計 瑞士Mettler-Toledo公司；高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）系統（配有LC-10ADvp梯度泵、SPD-10Avp檢測器、RID-10A檢測器） 日本Shimadzu公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果酵素的制備

先用自來水沖洗蘋果表面數次，直至去除黏附在蘋果表面的雜物，后用純凈水沖洗蘋果表面并晾干。白砂糖用紫外燈輻照處理45 min，按蘋果與白砂糖質量比2∶1將蘋果和白砂糖加入到已滅菌的玻璃瓶中，封口，放在暗處，室溫（10～20 ℃）發酵28 d。發酵過程中，分別在第2、5、8、11、14、21、28天取樣。取樣時先把玻璃瓶中的物料搖勻，后打開玻璃瓶下方閥門，使酵素液體流出，取得樣品。將所取蘋果酵素樣品離心（4 000 r/min，10 min），待測。

1.3.2 pH值的測定

取離心后的不同發酵天數的蘋果酵素樣品5 mL于10 mL離心管中，使用精密pH計測定各個樣品的pH值。

1.3.3 總酸含量的測定

參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》的方法測定，測定結果以蘋果酸質量濃度（g/100 mL）計。

1.3.4 有機酸含量的測定

有機酸測定參考Molina等[14]方法進行：將發酵不同時間的蘋果酵素離心，經0.45 μm微孔濾膜過濾，采用HPLC法對蘋果酵素中的乳酸、乙酸、蘋果酸進行定量測定，檢測條件：色譜柱ODS-C18柱（25 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為體積分數0.1%磷酸溶液，等度洗脫30 min，樣品進樣量20 μL，流速1.0 mL/min，柱溫25 ℃；檢測波長215 nm。

1.3.5 糖含量的測定

蘋果酵素中的糖類測定參考Ghosh等[15]方法，將發酵不同時間的蘋果酵素離心稀釋后經0.45 μm微孔濾膜過濾，采用HPLC測定。HPLC檢測條件為：NH2P-50 ShodexC-NH2色譜柱，流動相為V（乙腈）∶V（超純水）=70∶30，等度洗脫60 min，進樣量20 μL，流速1.0 mL/min，柱溫35 ℃；示差折光檢測器。

1.3.6 乙醇含量的測定

參照GB/T 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》方法測定。

1.3.7 總酚含量的測定

采用福林-酚法[16]測定蘋果酵素中總酚含量。取0.1 mL 樣品用去離子水1∶1稀釋，與1 mL體積分數50%的福林-酚溶液混合均勻并保持5 min，加入2 mL 7.5 g/100 mL Na2CO3溶液，避光條件下反應30 min，于760 nm波長處測吸光度。蘋果酵素中總酚的含量以1 L酵素液中含有的沒食子酸（gallic acid equivalent，GAE）的質量（mg）計。按照標準曲線線性方程y=5.547x＋0.002 2（R2=0.999 6）計算總酚含量。每個樣品平行測定3 次。

1.3.8 蘋果酵素發酵過程中DPPH自由基清除率的測定

蘋果酵素天然發酵過程中DPPH自由基清除率變化測定參考Brand-Williams等[17]方法。取0.3 mL樣品中加入3.7 mL 10-4mol/L DPPH溶液，常溫下避光反應30 min，于515 nm波長處測定吸光度。0.3 mL無水乙醇和3.7 mL DPPH溶液混合作為空白對照。每個樣品平行測定3 次。DPPH自由基清除率由下列公式計算而得：

式中：A0為對照樣品吸光度；A1為待測樣品吸光度。

1.4 數據統計與分析

使用Sigma Plot 10.0與SPSS 19.0數據處理軟件繪制圖表及數據處理。實驗數據以 ±s表示。使用單因素方差分析、LSD法和Duncan法等多重方法對數據進行比較。

2 結果與分析

2.1 蘋果酵素天然發酵過程中pH值、總酸含量變化

圖1 天然發酵過程中pH值、總酸變化Fig. 1 Changes in pH value and total titratable acidity during natural fermentation

pH值的變化可以反映發酵過程是否正常，而酸度是衡量酵素成熟度的主要指標，同時也是反映植物酵素質量品質的重要理化指標，蘋果酵素發酵過程中pH值、總酸隨發酵時間的變化結果如圖1所示。pH值在14 d內由初始值5.02±0.05迅速下降至3.69±0.02。總酸含量呈逐漸上升趨勢，且在14 d內上升速率較快，后期趨于平緩，質量濃度由初值（0.06±0.008）g/100 mL上升至（0.51±0.02）g/100 mL。這是由于發酵過程中乙酸、乳酸等有機酸含量增加所致[18]。由此說明蘋果酵素在14 d內發酵迅速。蔣增良等[5-6]探究發現葡萄酵素與藍莓酵素天然發酵過程中的pH值均在前8 d內快速下降，之后隨著發酵時間的延長，pH值變化不明顯，發酵8 周后，葡萄酵素pH值為4.70，藍莓酵素pH值為4.48，說明葡萄酵素與藍莓酵素在前8 d內發酵迅速。由此可見，酵素產品在天然發酵過程中的發酵速度與發酵用原料的種類有關。可能是由于不同原料所攜帶的微生物種類和數量不同，所形成的自然環境會有所差別，而影響發酵速度。

2.2 蘋果酵素天然發酵過程中乳酸、乙酸、蘋果酸含量變化

有機酸是蘋果中的天然產物，其種類和含量嚴重影響產品的風味，而在天然發酵過程中有機酸的種類和數量會發生變化，因此有機酸是發酵制品的重要指標之一[19]。天然蘋果酵素發酵過程中乙酸、乳酸及蘋果酸變化如圖2所示。隨著發酵時間的延長，乳酸質量分數由最初值0.004%上升至0.023%，乙酸含量則呈顯著上升趨勢，質量分數由初值0.018%上升至0.23%，而且從發酵14 d后上升速度較快。這是由于發酵前14 d酵素體系內的醋酸菌只能利用葡萄糖、果糖代謝生成乙酸，而14 d后，由于酵母菌的代謝產生的乙醇含量越來越多，醋酸菌在有葡萄糖、果糖和乙醇的條件下開始大量生成乙酸等代謝產物[20]。蘋果酸在發酵14 d上升至（2.45±0.18）g/L后略有下降。蘋果酸是蘋果中所含的主要有機酸之一，發酵前期會在高滲透壓下從蘋果中溶至酵素液中，從而使蘋果酸含量上升；隨著發酵時間延長，蘋果酸會被體系中少量的乳酸菌通過蘋果酸發酵途徑代謝生成乳酸，使蘋果酸含量下降[19]。

圖2 天然發酵過程中蘋果酸、乳酸、乙酸含量變化Fig. 2 Changes in malic acid, lactic acid, acetic acid production during natural fermentation

2.3 天然蘋果酵素發酵過程中糖類含量變化

圖3 天然發酵過程中蔗糖、葡萄糖、果糖含量變化Fig. 3 Changes in sucrose, glucose and fructose production during natural fermentation

糖類作為天然發酵過程主要碳源，其含量是研究蘋果酵素過程微生物代謝變化的核心指標之一。蘋果酵素發酵過程中，果糖、葡萄糖、蔗糖隨發酵時間變化結果如圖3所示。在發酵21 d內，隨著發酵時間的延長，發酵液中果糖與葡萄糖含量逐漸增高，而后逐漸下降，且質量濃度在發酵第21天達到最高值（177.2±0.6）、（130.6±12.9）g/L；蔗糖質量濃度隨著發酵時間的延長不斷下降，且在發酵第28天從初始值（443.2±9.1）g/L降低趨于0g/L。這一過程中的變化趨勢可能是發酵過程中蔗糖會被微生物直接代謝利用或被水解酶水解生成果糖和葡萄糖，導致蔗糖含量不斷下降[20]。發酵21 d內果糖、葡萄糖含量上升是因為蔗糖水解的生成速率大于二者的消耗速率；發酵21 d后，可能是因為隨著發酵時間的延長，蘋果酵素中的菌種結構發生變化，酵母菌等優勢菌種會優先利用蘋果酵素中的果糖、葡萄糖代謝成乙醇，而使二者含量降低。

2.4 蘋果酵素天然發酵過程中乙醇含量變化

表1 天然發酵過程中乙醇含量變化Table 1 Change in alcohol production during natural fermentation

由于蘋果表面會附帶有酵母菌等真菌[21]，在對蘋果原料預清洗過程中，由于未對蘋果進行滅菌操作，因此蘋果表明會殘留部分酵母菌，天然發酵過程中酵母菌會利用糖代謝生成乙醇等代謝產物。而乙醇含量高低會直接影響液體產品風味口感及質量，因此乙醇是發酵飲料中一個重要指標之一。蘋果酵素天然發酵過程中乙醇含量變化如表1所示，發酵前14 d，發酵液中并未檢測出乙醇，隨著發酵時間延長，乙醇體積分數呈上升趨勢，且在第28天達到（6.60±1.27）%。Goh等[22]研究表明，當糖質量濃度高于110 g/L，微生物的生長受到抑制。由于發酵初期，蔗糖質量濃度遠高于110 g/L，而高質量濃度蔗糖會抑制酵母菌等微生物的生長代謝。隨發酵時間延長，當蔗糖質量濃度低于110 g/L時，酵母菌等微生物利用果糖、葡萄糖生成乙醇[23]。由圖3可知，發酵第14天、21天，蔗糖質量濃度分別為197、3.7 g/L，因此可以推測在發酵14～21 d過程中，當蔗糖質量濃度降低至110 g/L以下時，酵母菌等微生物代謝糖生成乙醇。Ghosh等[15]報道印度大米飲料天然發酵過程中酵母菌、霉菌等需氧微生物的數量呈先升后降趨勢，雙歧桿菌、乳桿菌等厭氧微生物的數量呈不斷上升趨勢。葡萄糖、果糖等游離糖的存在有利于乳酸菌等厭氧微生物的生長。因此通過天然發酵過程中糖類、有機酸及乙醇含量的變化，可推測蘋果酵素天然發酵過程中微生物群落結構也會發生改變，但天然發酵過程中具體微生物種類和數量的變化需進一步研究。

2.5 蘋果酵素天然發酵過程中總酚含量變化

蘋果中酚類物質種類豐富，是蘋果中主要抗氧化物質。蘋果酵素天然發酵過程中總酚含量變化如圖4所示。隨著發酵時間的延長，總酚含量呈先上升后下降趨勢，發酵第21天達到最大值（259.4±3.6）mg/L，且具有顯著性差異（P＜0.05）。因此，發酵過程可以顯著提高蘋果酵素中的總酚含量。除蘋果酵素外，已有報道表明在藍莓酵素、葡萄酵素天然發酵過程中總酚含量呈逐漸上升趨勢，發酵結束后二者的總酚質量濃度分別為1.74、2.31 mg/mL[5-6]。葉盼等[24]研究也表明蘋果汁乳酸菌發酵過程中總酚含量呈先降低再升高后緩慢降低的趨勢且在發酵第9天其質量濃度達到最高值103.1 mg/L。由此說明，原料種類與發酵體系中的微生物種類均影響發酵過程中酚類物質的積累。總酚含量增加的原因可能是由于體系內高糖濃度所形成的高滲透壓體系，使蘋果中的酚類物質溶出。此外，Chu Shengche等[25]研究表明發酵過程中微生物會把復雜的大分子酚類物質轉換成小分子物質，使酚類含量增加。Ghosh等[26]研究表明乳酸菌產生的酶類及有機酸使大米中酚類物質溶出并呈游離態，導致發酵過程中總酚含量上升。Di Cagno等[27]指出一定濃度的酚類物質會產生抑菌作用，而體系中的優勢菌種為維持自身生長會產生降解酚類的物質，使總酚含量降低。因此，發酵過程總酚含量的變化，不僅與發酵原料及發酵條件有關，也與微生物的作用相關。

圖4 天然發酵過程中總酚含量變化Fig. 4 Changes in total phenolic compounds during natural fermentation

2.6 蘋果酵素天然發酵過程中DPPH自由基清除率變化

圖5 天然發酵過程中DPPH自由基清除率變化Fig. 5 Changes in DPPH radical scavenging ability during natural fermentation

由圖5可知，蘋果酵素DPPH自由基清除率在前8 d從（42.7±3.9）%上升到（85.3±0.3）%，之后略有上升，且在發酵第21天達到最高，清除率為（90.9±2.2）%，且具有顯著性差異（P＜0.05）。因此，發酵過程可提高蘋果酵素的DPPH自由基清除能力。相關研究表明不同的發酵過程可以不同程度地提高發酵產品的DPPH自由基清除能力。葉盼等[24]研究蘋果汁發酵過程中DPPH自由基清除率呈先上升后下降趨勢，在發酵第9天達到最高值，比未發酵蘋果汁高出35.3%。葡萄酵素與藍莓酵素在天然發酵過程中DPPH自由基清除能力分別提高了12.5%、3.6%[5-6]。發酵過程中導致蘋果酵素DPPH自由基清除能力增加的原因較復雜。Karaman等[28]曾報道酚類物質能很容易地給出1 個氫離子，并通過共振雜化而穩定，這是具有高自由基清除能力的主要原因，且酚類物質的增加很可能是DPPH自由基清除能力提高的重要原因。

3 結 論

本研究表明蘋果酵素天然發酵過程中乳酸、乙酸含量逐漸增加，蘋果酸、葡萄糖、果糖、總酚含量、DPPH自由基清除率呈先上升后下降趨勢，且均在發酵第21天達到最大值。發酵14～21 d過程中乙醇生成且呈上升趨勢，發酵第28天乙醇體積分數可達（6.6±1.9）%。以上代謝產物不僅豐富了蘋果酵素中的營養物質的種類及含量，而且它們在發酵過程中所呈現出的變化規律可清晰地反映出天然發酵過程中營養物質的利用程度及生物活性物質的積累水平。因此可根據發酵過程中有機酸、糖類、總酚等生物活性物質的積累量以及乙醇等風味物質的含量變化來確定天然發酵過程的發酵周期，為天然發酵酵素產品的生產和開發提供一定的技術支撐和理論指導。

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Changes in Metabolites during Natural Fermentation of Apple into Enzyme Drink

YANG Xiaoxing1, ZHOU Jiachun1, CHEN Qiming1, QIN Zhen1, MA Mingyue2, ZHAO Liming1,*
(1. State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, R&D Center of Separation and Extraction Technology in Fermentation Industry,School of Biotechnology, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China;2. School of Bioinformatics, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

The objective of this work was to analyze the changes in metabolites during the natural fermentation of apple into an enzyme drink. The pH value, total titrable acid, organic acids (lactic acid, acetic acid, and malic acid), sugars (sucrose,glucose, and fructose), alcohol, total phenolic content and 1,1-diphenyl-2-picryl-hydrazyl (DPPH) radical scavenging ability were investigated. Results showed that pH value decreased from 5.05 to 3.88 while total titratable acidity and lactic acid increased gradually during the fermentation process. Acetic acid was accumulated from 0.018% to 0.23% during the process;malic acid increased from 0.67 g/L to 2.45 g/L during the first 14 days and then decreased slightly. Glucose and fructose increased until reaching their maximum of 130.6 and 177.2 g/L on the 21thday and then decreased, while sucrose kept decreasing to almost 0 g/L during the whole fermentation process. Alcohol was produced from the 14thto 21thday, reaching 6.6% on the 28thday. Both total phenolic content and DPPH radical scavenging ability increased continuously to their maximum values (259.4 mg/L, 90.9 %) on the 21stday followed by a decrease.

fermented apple drink rich in enzyme; natural fermentation process; metabolites; DPPH radical scavenging ability

DOI∶10.7506/spkx1002-6630-201724003

TS201.3

A

1002-6630（2017）24-0015-05

楊小幸, 周家春, 陳啟明, 等. 蘋果酵素天然發酵過程中代謝產物的變化規律[J]. 食品科學, 2017, 38(24): 15-19.

10.7506/spkx1002-6630-201724003. http://www.spkx.net.cn

YANG Xiaoxing, ZHOU Jiachun, CHEN Qiming, et al. Changes in metabolites during natural fermentation of apple into enzyme drink[J]. Food Science, 2017, 38(24)∶ 15-19. (in Chinese with English abstract) DOI∶10.7506/spkx1002-6630-201724003. http∶//www.spkx.net.cn

2017-03-07

國家自然科學基金面上項目（31371725）；重慶郵電大學科研啟動基金項目（A2016-87）；

中央高校基本科研業務費專項（222201717026）

楊小幸（1991—），女，碩士研究生，研究方向為食品加工技術。E-mail：1391750551@qq.com

*通信作者：趙黎明（1977—），男，教授，博士，研究方向為食品加工技術。E-mail：zhaoliming@ecust.edu.cn