紫薯粉發酵工藝優化及抗氧化能力分析

宋 瑩 劉思含 常 霞 侯宇豪 袁洪燕 李高陽,

(1. 湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2. 湖南省農業科學院農產品加工研究所，湖南 長沙 410125)

紫薯為旋花科一年生草本植物，于20世紀90年代從日本引進[1]。主產區為廣東、廣西、湖南、四川、江西[2]，產量一般高于27 t/hm2[3]。紫薯的營養價值高于普通甘薯，富含花青素[4-5]。高水分、皮薄、肉脆的特點使紫薯易受機械損傷、病蟲害侵染而腐爛，不耐運輸和貯藏。近年來，研究[6]多集中于紫薯產品的原料添加與功能物質提取。紫薯粉常被添加到面條、饅頭、面包、餅干等產品中，從而提高產品的營養價值和風味[7]。但因其富含不溶性膳食纖維，產品的口感、蒸煮特性不理想[8]。

發酵作為一種常見的食品加工方式，一直被用來提高食品的營養、風味與口感[9]。發酵可將食物中的大分子物質水解，釋放一些結合態的功能成分[10-11]。郭孝萱等[12]比較了3種真菌對紫薯發酵后總酚、總黃酮、花色苷、抗氧化活性及抗癌性能的變化，發現發酵紫薯總酚含量與抗氧化能力均顯著上升，且抗癌效果較好。Anthony等[13]對玉米和大豆混合粉進行發酵，其產品的蛋白質含量提升。Poonam等[14]研究發現黑米—鷹嘴豆混合粉發酵后的總酚含量和總抗氧化能力均上升，且提高了發酵粉膨化產品品質。紫薯發酵品的研究主要集中于紫薯酒[15]、紫薯醋[16]、紫薯酸奶[17]等，未見有關酵母紫薯發酵粉的研究報道。試驗擬以紫薯為原料，采用低糖酵母發酵，探討發酵條件對紫薯粉抗氧化能力的影響，研制出具有一定功效的發酵紫薯粉，為紫薯的高值轉化提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯：紫羅蘭，湖南市售；

低糖酵母：安琪酵母，安琪酵母股份有限公司；

蘆丁、沒食子酸標準品：成都曼斯特生物科技有限公司；

福林酚：上海源葉生物科技有限公司；

2-2-聯氮-二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)：試劑級，上海瑞永生物科技有限公司；

抗壞血酸：分析純，西隴科學股份有限公司；

過硫酸鉀、碳酸鈉、乙酸鈉：分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；

乙醇、鹽酸、冰乙酸、亞硝酸鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

硝酸鋁：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

氫氧化鈉：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；

所有用水為超純水。

1.2 儀器與設備

紫外—可見分光光度計：UV-1800型，島津儀器(蘇州)有限公司；

高速離心機：Avanti J-26xp型，美國Beckman公司；

恒溫恒濕箱：LHS-250HC-11型，上海一恒科學儀器有限公司；

數控超聲波清洗器：KQ-700DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

精密分析天平：BSA 124S型，廣州市授科儀器科技有限公司；

pH計：pHS-3C型，上海儀電科學儀器股份有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9053A型，上海精宏實驗設備有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HH.S21-Ni6型，北京三二八科學儀器有限公司；

多功能粉碎機：RS-FS1401型,合肥榮事達小家電有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯發酵粉制備工藝流程[18]

鮮紫薯→去皮、切片→粉碎→酵母發酵→紫薯發酵粉

1.3.2 抗氧化能力測定 參照Zeng等[19]的方法，測定ABTS自由基清除率，結果表示為mg VC/100 g。

1.3.3 單因素試驗設計

(1) 酵母添加量：料液比10∶8 (g/mL)，發酵時間16 h，發酵溫度25 ℃，酵母添加量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，考察酵母添加量對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(2) 料液比：酵母添加量1.0%，發酵時間16 h，發酵溫度25 ℃，料液比分別為10∶3，10∶8，10∶13，10∶18，10∶23 (g/mL)，考察料液比對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(3) 發酵時間：酵母添加量1.0%，料液比10∶18 (g/mL)，發酵溫度25 ℃，發酵時間分別為8，16，24，32，40 h，考察發酵時間對紫薯粉抗氧化能力的影響。

(4) 發酵溫度：酵母添加量1.0%，料液比10∶18 (g/mL)，發酵時間16 h，發酵溫度分別為21，25，29，33，37 ℃，考察發酵溫度對紫薯粉抗氧化能力的影響。

1.3.4 響應面試驗設計 在單因素試驗的基礎上，以酵母添加量、料液比、發酵時間、發酵溫度為影響因素，以抗氧化能力為試驗指標，設計四因素三水平響應面試驗優化紫薯粉的發酵工藝。

1.3.5 總酚、總黃酮、花青素含量的測定

(1) 總酚：參照郭孝萱等[12]的方法略做改動。取發酵紫薯粉溶于80%乙醇，取0.5 mL待測樣品溶液于10.0 mL 容量瓶中，加0.5 mL去離子水，搖勻。加入0.5 mL 福林試劑，充分搖勻，1 min后加20% Na2CO3溶液1.5 mL，混勻，用去離子水定容至10.0 mL，70 ℃水浴10 min，冷卻后于760 nm下測定吸光值。以沒食子酸為標準品，繪制GAE標準曲線[20]，線性回歸方程為y=13.37x-0.003(R2=0.996)，結果表示為mg GAE(沒食子酸)/100 g。

(2) 總黃酮：參照郭孝萱等[12]的方法略做改動，取發酵紫薯粉溶于80%乙醇，取1.0 mL待測樣品溶液于10.0 mL 容量瓶中，加入70%乙醇至5 mL，加入5% NaNO2溶液0.3 mL，搖勻靜置5 min；再加入10% Al(NO3)3溶液0.3 mL，搖勻靜置6 min；加入1 mol/L NaOH溶液2 mL；混勻后，用70%乙醇定容至10 mL，靜置30 min后，于510 nm下測定吸光值。以蘆丁為標準品，繪制蘆丁標準曲線[21]，線性回歸方程為y=0.711x+0.015(R2=0.996)，結果表示為mg 蘆丁/100 g。

(3) 花青素含量：參照張毅等[22-25]的方法稍作改動。分別取發酵紫薯粉和未發酵紫薯粉1 g，放入密封容器中，按料液比1∶25 (g/mL)加入70%的乙醇溶液(pH為6)，50 ℃下超聲萃取30 min，4 000 r/min離心20 min，取上清液備用。采用pH示差法，測定溶液在510，700 nm下的吸光值。按式(1)、(2)計算花青素含量。

A=(A510-A700)pH 1.0-(A510-A700)pH 4.5，

(1)

(2)

式中：

A——吸光值；

C——花青素含量，mg/100 g；

M——矢車菊素-3-葡萄糖苷的分子量，449.2；

DF——稀釋倍數；

V——樣液體積，mL；

m——樣品質量，g；

ε——矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數，29 600；

L——光程，1 cm。

1.3.6 發酵紫薯粉和未發酵紫薯粉花青素熱穩定性的測定 參照文獻[22]的方法略作修改，取20 mL樣液置于試管中，分別于50，70，90 ℃水浴鍋中，每隔1 h取出冷卻，測定花青素含量。

1.3.7 發酵紫薯粉與未發酵紫薯粉花青素對pH穩定性的測定 參照文獻[22]的方法略作修改，取7 mL樣液，分成7份，分別加入pH為4，5，6，7，8，9，10的去離子水中，搖勻，放置1 h后測定其花青素含量。

1.3.8 數據處理 采用Origin 95進行作圖，采用Design-Expert 8.0.6進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

由圖1可知，紫薯發酵粉的抗氧化能力隨酵母添加量的增加先升高后降低，當接種量為1%時，抗氧化能力最佳，超過1%后，抗氧化能力逐漸下降，可能是由于接種量過大造成的[26]。紫薯發酵粉的抗氧化能力隨料液比的上升持續上升并趨于平緩，說明在一定范圍內，料液比的增加有利于抗氧化物質的大量溶出。紫薯發酵粉的抗氧化能力隨發酵時間的增加先上升后快速下降，當發酵時間為16 h時，抗氧化能力出現峰值。Wang等[27-28]研究發現發酵后多酚與黃酮的含量在發酵前期增加明顯，發酵成熟期后下降，可能是發酵后期微生物開始分解酚類化合物來維持生命活動，導致抗氧化能力下降。紫薯發酵粉的抗氧化能力隨發酵溫度的升高逐漸降低，當發酵溫度為25 ℃時，抗氧化能力最強。

圖1 發酵條件對發酵紫薯粉抗氧化能力的影響Figure 1 Effects of different fermentation conditions on antioxidant capacity of fermented purple potato powder

2.2 響應面法優化設計

2.2.1 試驗設計與結果分析 根據單因素試驗的結果，采用四因素三水平的響應曲面分析方法進行發酵條件的優化，試驗因素水平表見表1，試驗設計與結果見表2。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對響應面試驗結果進行分析，得到以紫薯粉抗氧化能力為響應值的二次項回歸方程：

Y=396.89-12.86A+6.17B-26.18C-34.65D+8.78AB-31.27AC+3.47AD+18.15BC-27.73BD-26.31CD-40.41A2-10.82B2-90.71C2-67.33D2。

(3)

表1 因素和水平表Table 1 Factors and the levels of table

2.2.2 試驗因素間的交互作用 由圖2可知，發酵時間與酵母添加量對紫薯粉抗氧化能力的交互作用顯著，在酵母添加量一定時，抗氧化能力隨著發酵時間增加先增加而后減小，與2.2.1分析結果一致。

2.2.3 最佳工藝參數 進一步分析回歸方程，得到紫薯粉的最優工藝參數為：酵母添加量0.95%，料液比10∶調整各因素為酵母添加量0.95%，料液比10∶22 (g/mL)，發酵時間16 h，溫度23 ℃，此時的抗氧化能力為404.94 mg VC/100 g，與預測值相差0.56%，證明該模型可靠。

表2 響應面優化試驗設計及結果Table 2 Response surface optimization test design and results

表3 方差分析表?Table 3 Regression equation analysis of variance table

2.3 22.06 (g/mL)，發酵時間16.12 h，溫度23.28 ℃，此時的抗氧化能力理論值為407.237 mg VC/100 g。結合實際，發酵前后紫薯粉總酚、總黃酮、花青素含量和抗氧化能力的變化

由表4可知，經低糖酵母發酵后的紫薯粉總酚(123.85 mg GAE/100 g)、總黃酮含量(610.64 mg蘆丁/100 g)均高于未發酵紫薯的。總酚含量的提高可能是由于微生物所產酶將酚酸從聚合物上釋放所致[29]。總黃酮含量的升高可能與黃酮類物質的生物轉化有關，與Chen等[30]的結論一致。發酵前后紫薯粉中花青素含量變化不明顯，說明微生物發酵對花青素含量的影響不大。因此，發酵后紫薯粉的抗氧化能力提高，主要與樣品中的多酚和黃酮類物質含量的上升有關。

2.4 發酵對花青素熱穩定性的影響

由圖3可知，發酵紫薯粉與未發酵紫薯粉的花青素含量均隨溫度的增加而減少；且在同一溫度下，花青素含量隨時間的增加不斷減少，其中未發酵紫薯粉的花青素含量下降較明顯，與周翠等[23，31]的研究結論相似。說明發酵紫薯粉花青素的熱穩定性優于未發酵紫薯粉的。

2.5 發酵對紫薯粉pH穩定性的影響

由圖4可知，不同pH下，發酵紫薯粉與未發酵紫薯粉的花青素穩定性差別不大，未發酵紫薯粉花青素在pH 6 左右較為穩定,而發酵紫薯粉花青素在pH 5左右更為穩定。綜上，酸性條件下紫薯粉的花青素更穩定，與藍莓果渣[24]、篤斯越桔[32]的一致。

圖2 發酵條件交互作用的響應面圖和等高線圖Figure 2 Response surface and contour plots of fermentation conditions interaction

表4 未發酵和發酵紫薯粉的總酚、總黃酮、花青素含量和抗氧化能力Table 4 Total phenol, total flavonoids, anthocyanin content and antioxidant capacity of unfermented and fermented purple sweetpotato powder

圖3 溫度對紫薯粉花青素的影響Figure 3 Effect of temperature on anthocyanin in fermented purple sweetpotato powder

圖4 pH對花青素含量的影響Figure 4 Effect of pH on anthocyanin content

3 結論

試驗結果表明，紫薯發酵粉制備的最佳工藝條件為低糖酵母添加量0.95%，料液比10∶22 (g/mL)，發酵時間16 h，發酵溫度23 ℃，此時的抗氧化能力為404.94 mg VC/100 g，較發酵前(305.94 mg VC/100 g)顯著提升。發酵后的多酚含量上升至123.85 mg GAE/100 g，總黃酮含量上升至610.64 mg 蘆丁/100 g，花青素含量下降至26.99 mg/100 g，但發酵紫薯粉的花青素熱穩定性優于未發酵的。低糖酵母發酵可明顯提高紫薯粉的抗氧化活性，發酵后的紫薯粉更適于熱加工處理。后續可研究發酵對紫薯粉結構與組成的影響及紫薯發酵粉的品質特性。此外，試驗發現低糖酵母發酵提高了紫薯發酵粉的黃酮含量，可能是低糖酵母提高了黃酮類物質的轉換率，其轉化機理有待進一步研究。