植物乳杆菌发酵豆薯的营养及挥发性成分变化.pdf
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1、食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.17.010基金项目:福州大学科研启动项目(GXRC-20031);南昌大学食品科学与技术国家重点实验室开放基金(SKLF-KF-202020)作者简介:俞曼玲(1999),女(汉),硕士,研究方向:食品科学与工程。*通信作者:施晓丹(1990),女(汉),副教授,博士,研究方向:生物活性物质的结构与功能。植物乳杆菌发酵豆薯的营养及挥发性成分变化俞曼玲1,黄晶晶1,韩金志1,汪少芸1,施晓丹1,2*(1.福州大学 生物科学与工程学院,福建 福州 350108;2.南昌
2、大学 食品科学与技术国家重点实验室,江西 南昌 330047)摘要:该文以鲜榨豆薯汁为植物乳杆菌 FZU122 发酵基质,探究发酵时间(0、24、48、72 h)对豆薯汁基本理化指标、游离单糖、游离氨基酸、有机酸和挥发性成分的影响。结果表明:pH 值随发酵时间的延长显著下降。发酵 48 h 后,豆薯汁中总还原糖浓度显著变化,葡萄糖和果糖为主要的单糖成分。总游离氨基酸的含量在发酵后出现波动,其中苦味氨基酸含量下降,甜味氨基酸含量上升。气相色谱-质谱联用技术检测发现,醇类物质为发酵豆薯汁的主要香气组分,原有的醛类物质发酵后未被检出。发酵后总有机酸含量升高,苹果酸和乳酸为豆薯中两种主要酸类物质。关键
3、词:豆薯汁;益生菌发酵;还原糖;挥发性成分;有机酸Changes of Nutrients and Volatile Components of Jicama during Fermentation byLactobacillus plantarumYU Manling1,HUANG Jingjing1,HAN Jinzhi1,WANG Shaoyun1,SHI Xiaodan1,2*(1.College of Biological Science and Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,Fujian,China;2.State Key
4、Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,Jiangxi,China)粤遭泽贼则葬糟贼:The fresh jicama juice was fermented with Lactobacillus plantarum FZU122 for 0,24,48 h and 72 h,and the basic physiochemical indicators and the content of free monosaccharides,free amino acids,organi
5、cacids,and volatile components were determined.The results showed that the pH value of the jicama juicechanged significantly after fermentation.After 48 h of fermentation,the concentration of total reducing sugar inthe jicama juice decreasedsignificantly,and glucose and fructose were two main monosa
6、ccharides.The content oftotal free amino acids fluctuated during the fermentation process.Specifically,the content of bitter amino acidsreduced,while that of sweet amino acids increased.The results of gas chromatography-mass spectrometry showedthat alcohols were the main aroma components of the ferm
7、ented jicama juice,while aldehydes were not detectedafter fermentation.The content of total organic acids increased after fermentation,and malic acid and lactic acidwere two majoracidsinjicama.运藻赠 憎燥则凿泽:jicama juice;fermentation with probiotics;reducing sugar;volatile components;organic acids引文格式:俞曼
8、玲,黄晶晶,韩金志,等.植物乳杆菌发酵豆薯的营养及挥发性成分变化J.食品研究与开发,2023,44(17):61-67.YUManling,HUANGJingjing,HANJinzhi,etal.ChangesofNutrientsand Volatile Components of Jicamaduring FermentationbyLactobacillus plantarumJ.Food Research and Development,2023,44(17):61-67.果蔬汁富含维生素、膳食纤维等营养物质,其清爽的口感深受人们喜爱。许多果汁在维持一氧化氮水平、抑制血小板聚集1以及
9、预防心血管疾病等方面至关重要。益生菌是指活的微生物,当摄取足够数量时,对宿主健康有益2。近年来,利用乳酸菌发酵新鲜果蔬汁成为食品行业的研究热点之一。果蔬汁可为乳酸菌基础研究61食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期发酵提供适宜的生长环境。乳酸菌发酵能够使果蔬及其衍生食品的贮藏和食用特性得到更好地维持和改善,对活性物质的降低以及抗氧化活性的维持也有辅助作用3。植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)来源于果蔬和自然发酵果蔬食品,能够利用葡萄糖、麦芽糖、果糖和木糖等碳源产酸而不产气,应用在发酵乳制品和植物源食品中,能够促进肠道菌群平衡和人体胃肠道健康4-7。
10、王红梅等8的研究发现,在两种水果汁基质中,植物乳杆菌的生长代谢有所不同。崔树茂等9的研究表明植物乳杆菌 CCFM8661 发酵苹果汁具有排铅功能。胡萝卜汁、大蒜汁、生姜汁等经植物乳杆菌 581发酵,其营养价值、感官品质、食用和贮藏性能均得到改善10。发酵果汁能够改善人体益生菌的生长,对病原体微生物存在抑制作用11。豆薯Pachyrhizus erosus(Linn.)Urb.又名凉薯、地瓜、土瓜等,属于豆薯属草质缠绕藤本植物12。原产亚热带,在我国长江以南普遍栽培,是我国华南和西南地区主要根菜之一。豆薯块根肥大呈圆形,外皮浅黄,肉白脆甜,水分多,富含糖分、蛋白质和维生素 C,可以生食,在我国南
11、方地区常作为蔬菜食用12。豆薯具有生津止渴、抗氧化13和抗癌等功效14。与木薯等其他类似的根茎作物相比,豆薯蛋白质含量高出数倍15。目前对豆薯深加工产品的研究较少,已有的产品包括豆薯酸奶、果酒和罐头等。康红艳等16以凉薯为原料研制凉薯酸奶,丰富了凉薯的用途和酸奶产品的种类。豆薯块根雪白清甜多汁,张华玲等17认为它是一种果酒发酵的好原料。谭沙等18利用酶法制备的豆薯饮料呈淡黄色,口感清爽酸甜,保留了凉薯的独特风味。本研究以豆薯为原料,利用植物乳杆菌 FZU122 发酵新鲜豆薯汁,测定不同发酵阶段豆薯汁的基本理化指标、游离单糖、游离氨基酸、有机酸,以及挥发性成分以阐明植物乳杆菌发酵过程中豆薯汁的营
12、养成分变化规律。本研究旨在为开发益生菌发酵豆薯汁产品提供参考。1材料与方法1.1材料与试剂新鲜豆薯:市售。植物乳杆菌 FZU122:福州大学生物科学与工程学院。MRS 培养基:广东环凯微生物科技有限公司;牛血清蛋白、考马斯亮蓝 G-250:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;单糖标品(岩藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和果糖):上海麦克林生化科技有限公司;2-辛醇:德国 Dr.Ehrensorfer 公司;42 种游离氨基酸混合标准品:德国曼默博尔公司;8 种有机酸混合标准物质(酒石酸、甲酸、苹果酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、丁二酸、丙酸):北京北方伟业计量技术研究院。所有化学试剂均
13、为分析纯。1.2仪器与设备LDZF-50L-III 立式高压灭菌锅:上海申安医疗器械厂;ST3100pH 计:奥豪斯仪器(常州)有限公司;A300氨基酸自动分析仪:德国曼默博尔公司;5977A 气相色谱-质谱联用仪:美国安捷伦科技有限公司;PDMS 固相微萃取头、57330-U SPME 手动进样柄:美国 Supelco 公司;反相 C18 柱(250 mm 伊 4.60 mm,5 滋m):美国 Phe原nomenex 公司;Dionex-6000 离子交换色谱仪:美国戴安公司;LC-20A 高效液相色谱仪:日本岛津公司。1.3方法1.3.1发酵豆薯汁的制备操作要点将新鲜豆薯用自来水洗净、沥干
14、水分后切成大小均匀的小块,放入榨汁机中榨汁。用 200 目滤袋将滤浆过滤得到新鲜豆薯汁后,将豆薯汁倒入发酵罐中进行灭菌处理。冷却至室温,按照 1伊108CFU/mL 接种量接入植物乳杆菌 FZU122 生理盐水菌悬液(OD600nm为0.40.5),在 37益条件下恒温静置发酵。每隔 24h 取样 1次,测定 pH 值,同时保存于-20 益冰箱中用于后续分析。1.3.2指标测定采用 pH 计测定 pH 值;以牛血清蛋白为标准品,采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量19;采用 3,5-二硝基水杨酸法测定总还原糖含量。1.3.3游离单糖组成测定采用 Dionex-6000 离子交换色谱仪进行单糖组成测定
15、20-21。样品经 15 000 r/min 离心 10 min 后,收集上清液,过 0.22 滋m 滤膜;取适量上清液经超纯水稀释1 000 倍后,采用离子交换色谱系统,并使用脉冲安培检测器进行分析。柱温:30 益。进样体积设为 25 滋L;仪器部件温度:25 益。流动相:A 相(20 mmol/L NaOH 溶液);B 相(H2O)。采用 A 相进行等浓度洗脱,流动相流速为 0.5 mL/min。1.3.4游离氨基酸含量的测定先将样品在 10 000 r/min 离心 10 min,取上清液与10%磺基水杨酸以 4 颐 1(体积比)混合均匀,过 0.45 滋m滤膜,于 28 益冷藏 24
16、h;取出,15 000 r/min 离心15 min,取上层清液再以 15 000 r/min 转速离心 5 min。取上清液与样品稀释液按 1颐9(体积比)混合,过 0.22滋m滤膜后,收集于 2 mL 自动进样瓶。1.3.5挥发性组分的测定采用顶空固相微萃取法结合气相色谱-质谱联用技术对植物乳杆菌发酵豆薯汁的香气组分进行分析。色谱条件22-23:柱型采用 DB-Wax 色谱柱(30 m伊250 滋m伊0.25 滋m);进样口温度为 250 益;升温程序:初始温度40 益保留 8 min,以 4 益/min 的速率升至 150 益,再以20 益/min 的速率升至 250 益,保持 5 mi
17、n;载气(He)流速 1 mL/min,手动不分流进样。质谱条件:电子轰击离子源;电子能量 70 eV;离子源温度 230 益;接口温度250 益;四极杆温度 150 益;质量扫描范围 m/z 30500。样品处理:取 5 mL 发酵豆薯汁样品于 20 mL 样品基础研究62食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期表 1不同发酵时间豆薯汁 pH 值、总还原糖含量和总游离蛋白质含量变化Table 1Changes in pH,reducing sugar,and free protein ofjicama juice fermented for different time p
18、eriods瓶中,分别加入 1 g 氯化钠和 10 滋L 2-辛醇内标溶液,浓度为 10 mg/L。加入转子,样品瓶先在水浴磁力搅拌器 40 益、600 r/min 条件下温育 20 min 后插入固相微萃取针,压出萃取纤维,使其固定在距离液面 0.51.0 cm处,吸附萃取 30 min 后收回萃取纤维,拔出萃取针并插入气相色谱-质谱联用仪中进样分析。将气相色谱-质谱联用仪中美国国家标准与技术研究院(NationalInstitute of Standards and Technology,NIST)11 和 NIST17 质谱数据库、匹配度和保留时间与标准谱图对照,再对各物质进行检索。选择
19、相似度指数大于 80 的物质作为有效的香气成分。每次检测时加入相同量的内标物2-辛醇进行定量分析,选择匹配度等于或者大于80,同时对其进行定性分析,根据面积归一化法对香气成分对应峰进行定量。根据下列公式计算挥发性物质含量。M=V1伊C/V2式中:M 为挥发性成分含量,mg/L;V1为挥发性物质峰面积;C 为内标物浓度,mg/L;V2为内标物峰面积。1.3.6有机酸浓度的测定参考 Tu 等24的方法测定样品有机酸浓度,将样品15 000 r/min 离心 5 min,过 0.22 滋m 滤膜,将样品经超纯水稀释 10 倍后,使用 LC-20A 高效液相色谱仪进行检测。色谱条件:流动相为磷酸二氢钠
20、溶液(0.01mol/L,pH2.7)过 0.22 滋m 滤膜,超声处理 20 min 后备用;色谱柱为反相 C18 柱(250 mm伊4.60 mm,5 滋m),柱温25 益;使用紫外检测器,检测波长为 210 nm;进样量为20 滋L,流动相流速为 0.8 mL/min。1.4数据处理数据采用 GraghPad prism 9、OriginPro 2018 作图。采用 Excel 2010,SPSS Statistics 对数据进行分析,不同字母表示差异显著(P0.05)。2结果与分析2.1发酵豆薯汁理化指标测定结果采用植物乳杆菌对豆薯汁进行发酵,观察其 pH值、总还原糖和游离蛋白质含量变
21、化,其结果见表 1。由表 1 可以得出,随着发酵时间的延长,相较于未发酵的豆薯汁,发酵豆薯汁的 pH 值在发酵 24 h 后下降明显,2472 h 时,pH 值逐渐下降,表明植物乳杆菌能够在豆薯汁中代谢产酸。豆薯汁中的总还原糖含量显著变化(P0.05)。这可能是因为在发酵过程中,植物乳杆菌能够利用豆薯汁中与能量代谢相关的碳源物质来促进细胞生长、合成碳骨架以及能量补给,因此总还原糖含量明显下降。发酵 72 h 的豆薯汁总还原糖含量明显上升,可能是植物乳杆菌在代谢过程中产生了少量还原糖。发酵后,豆薯汁中的总游离蛋白质含量先减少后增加并趋于平缓。总游离蛋白质含量先下降可能是由于部分游离蛋白质降解为小
22、分子肽形式,而后略微增加可能是菌体蛋白所导致。因此,植物乳杆菌FZU122 对发酵豆薯汁的蛋白质含量整体无明显影响。2.2发酵豆薯汁游离单糖组成变化采用离子交换色谱仪测定发酵豆薯汁中游离单糖组成,结果如图 1 所示。发酵豆薯汁中主要有葡萄糖和果糖两种游离单糖。由图 1 可知,随着发酵时间的延长,在 048 h 内,总游离单糖含量呈现先增加后减少的趋势,出现这种现象的原因在于发酵初期,植物乳杆菌将更多的多糖转化为还原糖25。在 2448 h 时,总游离单糖含量下降。产生这种现象可能是由于豆薯汁能为发酵体系中的微生物提供充足的能量,使植物乳杆菌利用碳源的速度加快,导致发酵体系中总体游离单糖含量呈现
23、下降趋势。在整个发酵过程中,葡萄糖与果糖的比例整体呈现下降趋势,依次为 1.78依0.16、1.48依0.07、1.45依0.04和 1.44依0.03。这可能是因为在碳源充足的情况下,植物乳杆菌优先利用葡萄糖,使得葡萄糖含量在发酵48 h 时呈现下降趋势。而葡萄糖与果糖的比例下降表明植物乳杆菌会利用果糖等碳源物质。而植物乳杆菌发酵时间/hpH 值总还原糖含量/(mg/mL)总游离蛋白质含量/(mg/mL)05.86依0.00a10.96依0.17a0.137依0.001a243.94依0.00b10.24依0.20b0.125依0.002b483.60依0.00c6.01依0.44d0.13
24、4依0.001a723.53依0.00d7.64依0.15c0.132依0.004ab注:同列不同字母表示差异显著(P0.05)。图 1不同发酵时间豆薯汁中游离单糖组成Fig.1Changes in content of free monosaccharides in jicamajuice fermented for different time periods基础研究63食品研究与开发圆园23 年 9 月第 44 卷第 17 期由图 2 可知,在 4 组豆薯汁中共检测出 20 种氨基酸。游离氨基酸组成被分为 3 组,其中 0 h 为第 1 组,24 h 和 48 h 为第 2 组,72 h
25、 为第 3 组。结果表明,在整个发酵过程中,豆薯汁中的总游离氨基酸含量依次为1.84、1.19、1.48 mg/mL 和 1.25 mg/mL。与总游离蛋白质含量变化趋势不同,豆薯汁中的游离氨基酸组成经植物乳杆菌发酵会发生明显的变化。发酵 72 h 前,图 2中大部分游离氨基酸的含量呈下降趋势27。根据所测定数据,在 20 种氨基酸中天冬酰胺含量最高,并由图2 可知,其含量呈现先明显下降后逐渐上升然后趋于稳定的变化趋势。在发酵 24 h 后存在于原豆薯汁中的丝氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸和精氨酸均未被检测出,孙承锋等28的研究表明,缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸和精氨酸具有苦味。随
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