植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁的總酚變化動力學(xué)研究

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.08.028

引文格式：，等.植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁的總酚變化動力學(xué)研究[J].中國調(diào)味品，2025，50（8）：203-208. ZHANGLH，CHENYL，LISF，etal.Studyonkineticsof totalphenolchangesiredjujubejuicefermentedbyLactobacillus plantarum[J].China Condiment，2025，50（8） ：203-208.

Abstract： In order to explore the changes of content of total phenols and their kinetics characteristics during the fermentation of red jujube juice，L. plantarum CICC 2Oo22 is utilized to ferment red jujube juice. The changes in viable bacterial count and physicochemical components of red jujube juice during fermentation are analyzed. Kinetics models for the changes in bacterial biomass and content of total phenols are established，and the feasibility of the model is verified. The results indicate that L . plantarum CICC 20022 exhibits good proliferation ability during fermentation，and the viable bacterial count reaches the peak value of 8.66lgCFU/mL at 12h of fermentation. The titratable acid content shows an upward trend， while the total sugar content shows an opposite trend. At 24h of fermentation，the total sugar content decreases to 0.04mg/mL . The content of total flavonoids increases firstly and then decreases. At 8 h of fermentation，the content of total flavonoids is 23.91μg/mL ，and at 24h of fermentation，the content of total flavonoids decreases to 10.91μg/mI . The content of total phenols shows an overall upward trend. The average errors between the experimental values and theoretical values of the kinetics model of bacterial biomass established by Logistic equation and the kinetics model of total phenol content changes established by Boltzmann equation are both less than 5% ，indicating that the constructed models can well reflect the kinetics characteristics of red jujube juice during fermentation.

Key words：red jujube juice; Lactobacillus plantarum ； total phenols; kinetics

紅棗作為藥食兼?zhèn)涞墓罚缓瑺I養(yǎng)，是我國獨特的保健食品資源之一[1-2]，其因含有糖類、黃酮類、多酚類等活性成分，具有調(diào)和氣血、定志安神的功效 ?[3-4] 。隨著健康飲食觀念深入人心，植物基發(fā)酵飲品因其獨特的營養(yǎng)成分深受素食主義者和乳糖不耐受人群的喜愛[5]。相關(guān)研究表明[6-9]，采用L．plantarum CICC 2O022發(fā)酵紅棗汁既豐富了其口感和風(fēng)味，又釋放了紅棗中的功能性成分，提升了健康益處。

目前，關(guān)于紅棗發(fā)酵產(chǎn)品深加工的研究主要聚焦于菌種選擇、處理方式、發(fā)酵技術(shù)、風(fēng)味特性等領(lǐng)域[10-13]卜智斌等[14]研究了駿棗醋發(fā)酵過程中品質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后棗醋中總酚含量逐漸減少而總抗氧化能力增強(qiáng)。高昕瑜等[15]對冷藏期間發(fā)酵棗汁的品質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明冷藏過程中發(fā)酵棗汁的總酚含量升高。Mahmoudi等[16]利用發(fā)酵法生產(chǎn)一種以紅棗提取物為基礎(chǔ)的益生菌飲料，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的紅棗提取物中酚類物質(zhì)含量顯著提高。多酚類物質(zhì)作為紅棗中重要的生物活性成分之一，其在發(fā)酵過程中的變化會影響紅棗汁的營養(yǎng)品質(zhì)和抗氧化能力 [17-18] 。因此，深人探究發(fā)酵過程中總酚含量的變化規(guī)律及其動力學(xué)特性具有重要意義。動力學(xué)模型是一種有效的數(shù)學(xué)工具，能夠?qū)t棗汁發(fā)酵過程中微生物的生長和代謝產(chǎn)物的變化進(jìn)行較好的預(yù)測[19-20]。然而，目前針對紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的變化及其動力學(xué)特性的研究尚不充分。

本研究以植物乳桿菌（L．plantarumCICC20022）為發(fā)酵菌種，對紅棗汁進(jìn)行發(fā)酵處理，測定發(fā)酵過程中活菌數(shù)及總糖含量、總黃酮含量、總酚含量等理化指標(biāo)，并構(gòu)建菌體生長與總酚含量變化的動力學(xué)模型，旨在預(yù)測其動態(tài)變化趨勢，以期為發(fā)酵紅棗汁的品質(zhì)控制提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1. 1 材料與試劑

和田駿棗：采自新疆和田地區(qū)；L.plantarumCICC20022：中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心;纖維素酶 （5000U/g） ！果膠酶 ?100 000U/g? ：江蘇銳陽生物科技有限公司；NaCl、HCl、NaOH（均為分析純）：天津市大茂化學(xué)試劑廠；沒食子酸：上海晶純生化科技股份有限公司；福林酚試劑：北京索萊寶科技有限公司；蘆丁（純度 598% ）：上海生物技術(shù)有限公司；葡萄糖：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；無水乙醇：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；MRS培養(yǎng)基：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1. 2 儀器與設(shè)備

HC-3618R型高速冷凍離心機(jī)安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；HH-S4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；BPH-9272型精密恒溫培養(yǎng)箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-IBV型超凈工作臺上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司；LDZX-50KBS型立式壓力蒸汽滅菌器上海申安醫(yī)療器械廠；FE28型pH計瑞士梅特勒-托利多公司；KQ-700DE型數(shù)控超聲波清洗機(jī)昆山市超聲儀器有限公司；TU-1810型紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；78-2型雙向磁力加熱攪拌器常州國華電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 菌種活化

將L．plantarum CICC20022以 1% 接種至MRS肉湯培養(yǎng)基中，培養(yǎng)兩代 。將菌液離心中 $＼mathrm { 6 0 0 0 ＼ r / m i n . 4 ＼mathrm { ～ ＼textC ～ } . 1 0 ＼ m i n ） }$ ，保留菌沉淀，用無菌水洗滌后得到菌懸液，活菌數(shù)為 ，備用。

1.3.2 發(fā)酵紅棗汁制備

和田駿棗經(jīng)清洗、去核和切塊后，按紅棗：水為 1：6 打漿混合，采用文獻(xiàn)[21]中報道的方法，混合酶（果膠酶和纖維素酶的質(zhì)量比為 ζ₁：ζ₂） 酶解處理 （45^°C.4h） ，過濾，離心取上清液。經(jīng)高溫滅菌 （121^°C，15min） 后冷卻，將1.3.1中的菌懸液按 3% 接種至紅棗汁中，于 發(fā)酵 24h ，每 取樣測定，以 ^0h 未發(fā)酵紅棗汁樣品為對照組。

1.3.3 活菌數(shù)和理化指標(biāo)測定

1.3.3.1 活菌數(shù)測定

參照國標(biāo)GB4789.35—2016中的方法進(jìn)行測定。

1. 3.3.2 可滴定酸含量測定

參考石彬等[22的方法并略作修改。精確吸取 5mL 發(fā)酵紅棗汁樣品至 25mL 離心管中，加水稀釋至刻度線后搖勻。取一定量的樣液，加入酚酞指示劑 5～10 滴，用 0.1mol/L 的 ΔNaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。可滴定酸含量計算公式如下：

可滴定酸含量（%）=cXuXk

式中： c 為 ΔNaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度， mol/L ;k為折算系數(shù) 0.090：v 為消耗 ΔNaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL; v₀ 為滴定用樣液的體積， mL v₁ 為試樣的體積，mL；25為樣品提取液的總體積， mL 。

1.3.3.3 總糖含量測定

參照于梅等[23]的方法。以葡萄糖質(zhì)量濃度 （μg/mL） 為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線： y=1.5846x+ 0.199 8，R²=0.991 9 。按照繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法測定樣

品在 490nm 處的吸光度，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線得到發(fā)酵紅棗汁的總糖含量。

1.3.3.4總黃酮含量測定

參考譚榮華等[24]的方法并稍作修改。取發(fā)酵紅棗汁樣品 5mL ，離心 （4°C，6 000r/min，10min） ，取上清液備用。取上清液 1mL ，加入 30%z 醇補(bǔ)至 6mL 后混合均勻，超聲提取 （40^°C.30min） ，加人 5% （204號 NaNO₂ 溶液和 10% Al（ NO₃）₃ 溶液各 1mL ，然后加入 10% NaOH溶液 10mL ，需注意每次加入試劑均需搖勻靜置6min ，最后加入 30% 乙醇至 25mL ，振蕩搖勻靜置 15min 在 510nm 處測定吸光度。以蘆丁質(zhì)量濃度 （μg/mL） 為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線： y=0.0021x+ 0.023 4，R²=0.996 2 ，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到總黃酮含量。

1.3.3.5總酚含量測定

參照Turkyilmaz等[25]的方法并稍作修改。取發(fā)酵紅棗汁樣品 5mL ，離心 ，取1mL 上清液與無水乙醇混合，超聲提取 （40^°C.30min） ，先加入去離子水 5mL ，再加入福林酚試劑 0.5mL 和15% （204號 Na₂CO₃ 溶液 1mL ，振蕩搖勻靜置，避光反應(yīng) 35min 再用去離子水定容至 25mL ，在 760nm 處測定吸光度。以沒食子酸質(zhì)量濃度 （μg/mL） 為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線： y=0. 042 7x+0. 039 9，R²=0. 994 4 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到總酚含量。

1.3.4 動力學(xué)研究

為探究菌體生物量和總酚含量在發(fā)酵過程中的變化趨勢及其相關(guān)性，以 ^1h 為間隔點，對發(fā)酵紅棗汁中菌體生物量和總酚含量進(jìn)行測定，建立二者的動力學(xué)模型并進(jìn)行驗證，以此預(yù)測菌體生長狀況及總酚含量在發(fā)酵過程中的變化。

1.3.4.1 菌體生物量測定

將發(fā)酵紅棗汁樣品按一定比例稀釋，在 600nm 處測定菌體生物量。將測得的吸光度與稀釋倍數(shù)相乘即為菌體光密度（OD值）[26]。

1.3.4.2 菌體生長動力學(xué)模型

菌體生長變化量可以采用多種模型進(jìn)行描述，其中Logistic方程是典型的“S\"形曲線，普遍適用于擬合各種菌體的生長過程[27]。因此，可以用Logistic方程對紅棗汁發(fā)酵過程中菌體生長趨勢進(jìn)行研究。

1.3.4.3總酚含量變化動力學(xué)模型

為探索紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的變化趨勢，擬采用Logistic方程、Sgompertz方程和Boltzmann 方程[28建立總酚含量變化的動力學(xué)模型，比較模型的相關(guān)系數(shù) R² ，取 R² 最大的模型為總酚含量變化的動力學(xué)模型。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2021和IBMSPSS25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，采用Origin2021進(jìn)行繪圖和動力學(xué)模型建立，每組試驗重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 活菌數(shù)

發(fā)酵紅棗汁中植物乳桿菌的活菌數(shù)變化見圖1。

圖1紅棗汁發(fā)酵過程中活菌數(shù)變化 Fig.1 Changes of viable bacterial count of red jujube juiceduringfermentation

注：不同小寫字母表示差異顯著 （Plt;0.05） ，下圖同。

由圖1可知，發(fā)酵 0～12h 時，植物乳桿菌的活菌數(shù)呈對數(shù)增長，生長繁殖速度快，活菌數(shù)迅速增加至8.66lgCFU/mL 。發(fā)酵 ^12h 后，活菌數(shù)先下降，之后植物乳桿菌在發(fā)酵紅棗汁中進(jìn)入穩(wěn)定期，這一變化趨勢可能是由于發(fā)酵后期紅棗汁中的氮源等營養(yǎng)物質(zhì)被消耗殆盡，同時代謝產(chǎn)物不斷積累，導(dǎo)致紅棗汁的 ΔpH 值發(fā)生改變，使發(fā)酵環(huán)境逐漸偏離最優(yōu)狀態(tài)，從而抑制了植物乳桿菌的生長[29]

2.2 可滴定酸含量和總糖含量

植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中可滴定酸含量和總糖含量的變化見圖2。

圖2紅棗汁發(fā)酵過程中可滴定酸含量和總糖含量變化 Fig.2 Changes of titratable acid content and total sugar contentofredjujubejuiceduringfermentation

由圖2可知，發(fā)酵初始階段，可滴定酸含量為0.41% ，接入植物乳桿菌后，在紅棗汁發(fā)酵過程中糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乳酸，從而使發(fā)酵紅棗汁的酸度提高[30-31]。發(fā)酵結(jié)束時，可滴定酸含量增加到 1.49% ，顯著高于 ^0h 未發(fā)酵時的含量。植物乳桿菌在發(fā)酵期間的繁殖和生長均有糖參與代謝，發(fā)酵時間為 0～8h 時，總糖含量上升， ^8h 后總糖含量呈下降趨勢，這種趨勢的形成與紅棗汁的發(fā)酵環(huán)境密不可分。發(fā)酵前期，紅棗汁中的果糖、葡萄糖被植物乳桿菌利用，這些物質(zhì)作為植物乳桿菌生長的能量來源，被其利用分解，導(dǎo)致總糖含量呈上升趨勢[32]]隨著發(fā)酵的進(jìn)行，紅棗汁中的糖被酶等物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化，使得后期紅棗汁中的總糖含量不斷減少[33]。發(fā)酵24h 時，總糖含量降至 0. 04mg/mL ，低于初期未發(fā)酵時的總糖含量。

2.3總黃酮含量和總酚含量

植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總黃酮含量和總酚含量的變化見圖3。

由圖3可知，發(fā)酵初期，紅棗汁中總黃酮含量為10.74μg/mL，8h 時增長至 23.91μg/mL ，這是由于在發(fā)酵初始階段，紅棗汁中的黃酮類結(jié)合物經(jīng)水解酶的作用逐漸被釋放，使得游離黃酮含量增加[34]，隨后總黃酮含量開始下降， 24h 時下降至 10.91μg/mL ，這可能是黃酮類物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致其含量減少[35]。發(fā)酵期間總酚含量整體呈上升趨勢。 ^0h 時總酚含量為 9.88μg/mL 在發(fā)酵初始階段，總酚含量緩慢上升， 12h 后上升速度較快，到發(fā)酵后期，總酚含量基本趨于穩(wěn)定， 24h 時總酚含量為 11.89μg/mL ，這與紅棗汁在發(fā)酵過程中植物乳桿菌參與的代謝過程中會生成多種分解大分子物質(zhì)的酶相關(guān)，這些酶可釋放紅棗中的酚類物質(zhì)，從而使總酚含量上升[36-37]

2.4發(fā)酵紅棗汁菌體生長和總酚含量變化動力學(xué)研究2.4.1菌體生長和總酚含量變化動力學(xué)曲線

紅棗汁發(fā)酵過程中菌體OD值和總酚含量的變化見圖4。

圖4發(fā)酵紅棗汁動力學(xué)曲線

Fig.4Kineticscurvesof fermented red jujubejuice

由圖4可知， 0～12h 時植物乳桿菌在發(fā)酵棗汁中處于生長對數(shù)期，菌體繁殖速度快， 12h 后菌體繁殖速度逐漸減緩，而后趨于平穩(wěn)，植物乳桿菌在發(fā)酵棗汁中的生長周期處于穩(wěn)定期。同時，總酚含量的變化趨勢與菌體生物量的變化趨勢相一致。

2.4.2菌體生長動力學(xué)模型的建立

Logistic方程[27]為：

式中： x 為菌體的OD值； t 為發(fā)酵時間， h;d 表示變量 x 隨時間 Ψ_t 的變化率； μ_m 為比生長速率的最大值， h^-1;x_m 為發(fā)酵期間 OD_max 值。當(dāng) t=0 時， x=x₀ （初始OD值），將式（1）積分得到：

OD_max 值為 ，使用Origin2021分析軟件對發(fā)酵期間不同時間點的菌體生物量進(jìn)行非線性擬合，得到 x₀=0.448 3，μ_m=0.192 1h^-1 。

將 x₀…x_m…μ_m 代人式（2），獲得菌體生長動力學(xué)模型：

2.4.3總酚含量變化動力學(xué)模型的建立

為了探究紅棗汁在植物乳桿菌發(fā)酵期間總酚含量的變化，利用 Logistic、Sgompertz 和 Boltzmann 模型[28]對各時間點測得的總酚增加量進(jìn)行非線性擬合，確定總酚含量變化的最佳動力學(xué)模型，3個模型擬合方程及其擬合系數(shù) R² 見表1，總酚增加量用 Y 表示。

表1總酚增加量擬合方程及其相關(guān)系數(shù)

Table1 Fitting equations of total phenol increase amount and the correlation coefficients

由表1可知，3個模型的相關(guān)系數(shù) R² 均大于0.99，說明這3個模型均能較好地反映紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的變化[38]。經(jīng)過對比，Boltzmann 模型的 R² 為0.9944，擬合效果最佳，充分證明該模型能更加準(zhǔn)確地描述植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總酚含量的變化規(guī)律。因此，確定Boltzmann模型為植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總酚增加量變化的最優(yōu)動力學(xué)模型。

2.4.4動力學(xué)模型驗證

模型的相關(guān)系數(shù) R² 僅是確定此模型是否適合菌體生長和總酚含量變化擬合的依據(jù)之一，為驗證所建立的兩個動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，對試驗期間測得的真實值和所建模型計算的理論值進(jìn)行詳細(xì)對比，結(jié)果見圖5和圖6。同時，為全面評估Logistic模型和Boltzmann模型的可靠性，對其進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表2。

圖5Logistic模型下菌體生長擬合曲線 Fig.5Fittingcurveof bacterial growth underLogistic model

圖6Boltzmann模型下總酚增加量變化擬合曲線 Fig.6Fittingcurve of total phenol increase amount changeunderBoltzmann model

由圖5和圖6可知，Logistic模型和Boltzmann模型計算的理論值與試驗值的吻合度較高。因此，這兩個模型能夠準(zhǔn)確地反映菌體生長和總酚增加量的變化規(guī)律，可作為相關(guān)模型加以應(yīng)用。

表2紅棗汁發(fā)酵動力學(xué)模型方差分析

Table2Varianceanalysisof thekineticsmodels for the fermentation of red jujube juice

由表2可知，菌體生長模型與總酚增加量變化模型的決定系數(shù)分別為0.9905和0.9944，說明這兩個模型的擬合度較高，也進(jìn)一步驗證了該模型在預(yù)測植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中菌體生物量和總酚增加量變化方面的有效性[39]

為進(jìn)一步驗證模型的準(zhǔn)確性，對比了植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中指標(biāo)試驗值與模型計算的理論值，對比結(jié)果見表3。

表3紅棗汁動力學(xué)模型理論值與試驗值對比

Table3 Comparison of theoretical and experimental values of kinetics modelsof red jujube juice

由表3可知，菌體生長模型和總酚增加量變化模型的理論值和試驗值之間的平均誤差僅為1. 26% 和3.77% ，二者的平均誤差均小于 5% ，充分證明了模型的擬合度較高，能夠精準(zhǔn)地描述紅棗汁發(fā)酵過程中物質(zhì)的動態(tài)變化。

3結(jié)論

本文采用動力學(xué)模型對L．plantarumCICC20022發(fā)酵紅棗汁的菌體生長和總酚含量變化過程進(jìn)行了分析。發(fā)酵期間，紅棗汁中活菌數(shù)最高可達(dá) ，總糖含量和總黃酮含量均呈先上升后下降的趨勢，可滴定酸含量和總酚含量整體呈上升趨勢。分別采用Logistic模型和Boltzmann模型對紅棗汁發(fā)酵過程中菌體生長和總酚含量變化進(jìn)行非線性擬合，兩個模型的擬合決定系數(shù) R² 均大于0.99，試驗值與模型計算的理論值平均誤差均小于 5% ，表明擬合模型能夠較好地模擬紅棗汁發(fā)酵過程及描述其發(fā)酵動力學(xué)特征，預(yù)測紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的動態(tài)變化，為發(fā)酵紅棗汁的工業(yè)化生產(chǎn)和品質(zhì)控制提供了一定的參考。

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