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      基于主成分分析和聚類分析的火龍果酵素抗氧化功能評(píng)價(jià)

      2018-05-09 07:34:37,,,
      發(fā)酵科技通訊 2018年1期
      關(guān)鍵詞:酵素火龍果發(fā)酵液

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      (1.杭州醫(yī)學(xué)院,浙江 杭州 310053;2.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院,浙江 紹興 312000;3.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;4.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310023;5.浙江省農(nóng)業(yè)生物資源生化制造協(xié)同創(chuàng)新中心,浙江 杭州 310023)

      食用植物酵素(Edible Plant Jiaosu)[1-6]是以一種或多種新鮮蔬菜、水果和谷豆類、海藻類、食藥兩用本草類、菌菇類等食材為原料,加(或不加)糖類物質(zhì),在較低溫度下,經(jīng)多種有益菌通過較長時(shí)間發(fā)酵而生產(chǎn)的功能性微生物發(fā)酵產(chǎn)品,擁有豐富的代謝產(chǎn)物功能成分、植物本身營養(yǎng)成分和益生菌本身功能成分等,特別是富有小分子功能成分.研究表明:該類產(chǎn)品具有抗衰老、抗菌消炎、凈化血液、增強(qiáng)機(jī)體免疫能力及解毒抗癌等多種保健功能.

      火龍果營養(yǎng)豐富,富含多酚、黃酮、維生素、膳食纖維、蛋白質(zhì)和各種微量元素等,還含有一般水果少有的植物性白蛋白和特有的花青素成分,屬于高維生素、低糖、低脂的“一高兩低”功能食品[7].目前,針對(duì)火龍果酵素的研究報(bào)道極少,已有的研究報(bào)道主要集中在火龍果酵素產(chǎn)品的抗氧化活性和原花青素的測定方面[8-9].筆者跟蹤檢測了火龍果酵素發(fā)酵過程中pH值、總多酚含量變化以及抗氧化活性等指標(biāo)的變化,并對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析,旨在為火龍果酵素的發(fā)酵和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)和理論依據(jù).

      1 材料與方法

      1.1 材料與試劑

      紅心火龍果,浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)殷家漾村漾漾紅果業(yè)專業(yè)合作社;白糖,太古優(yōu)級(jí)白砂糖;酵液,浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制.

      沒食子酸、磷酸二氫鉀、ABTS、三氯乙酸、鐵氰化鉀和三氯化鐵等(以上均為分析純),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;福林酚(分析純),上海長哲生物科技有限公司;過硫酸鉀(分析純),西隴化工股份有限公司.

      1.2 儀器設(shè)備

      XW-80A型微型漩渦混合儀,上海滬西分析儀器廠;PHS-3C型精密酸度計(jì),杭州齊威儀器有限公司;Allegra X-12R型冷凍離心機(jī),美國貝克曼庫爾特有限公司;UV-5500PC型紫外分光光度計(jì),上海市元析儀器有限公司;PTX-FA210型電子天平,福州華志科學(xué)儀器有限公司.

      1. 3 方 法

      1.3.1 火龍果酵素制備

      摘取無腐爛的新鮮火龍果,清洗,干燥脫去表面水分,切塊后按照質(zhì)量比1∶1的比例與白砂糖混合,加入適量酵素菌液,密封,15~25 ℃條件下進(jìn)行發(fā)酵,適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行放氣、攪拌、觀測.取樣時(shí),開啟發(fā)酵罐攪拌裝置進(jìn)行充分混合,然后取樣,樣品經(jīng)10 000 r/min離心10 min后取上清液用于測定.

      1.3.2 發(fā)酵過程中總多酚含量變化

      參照GB/T 31740.2——2015茶多酚[10]的檢測方法,以沒食子酸為標(biāo)品,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.

      1.3.3 發(fā)酵過程中抗氧化能力變化

      1) ABTS自由基清除能力.參照Nikolaos[11]的方法,略作改動(dòng).稱取6.62 mg過硫酸鉀和38.41 mg ABTS,用PBS(5 mmol/L,pH為7.4)定容至10 mL,室溫下黑暗處反應(yīng)12~16 h,使用前用上述PBS緩沖液適當(dāng)稀釋,使其在734 nm下吸光度為0.70±0.02.取10 μL樣品,加入PBS緩沖溶液至300 μL,加入上述稀釋液5 mL,混勻,30 ℃下反應(yīng)1 h.以去離子水為參比溶液,于734 nm下測定吸光度.ABTS自由基清除能力的計(jì)算公式為

      式中:A0為空白對(duì)照液的吸光度;A1為樣品測定管的吸光度;A2為樣品本底管的吸光度.

      2) 還原力.取140 μL樣品,加磷酸緩沖液(0.2 mol/L,pH 6.6)至5 mL,與5 mL 1 g/L的鐵氰化鉀混合均勻后,50 ℃下反應(yīng)30 min,加入5 mL10 g/L的三氯乙酸,混合均勻,靜置10 min,取5 mL上清液,與5 mL去離子水和1 mL 0.1 g/L的三氯化鐵充分混合,以去離子水為參比溶液,在700 nm下測定[12-13].

      1.3.4 發(fā)酵過程中pH變化

      發(fā)酵過程中pH利用pH計(jì)進(jìn)行測定.

      1.3.5 數(shù)據(jù)處理

      實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件,對(duì)火龍果酵素發(fā)酵過程中總多酚含量、pH變化、ABTS自由基清除能力和還原力等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析(Principal component analysis)和系統(tǒng)聚類分析(Hierarchical cluster analysis,HCA),P<0.05[14].

      2 結(jié)果與分析

      2.1 發(fā)酵過程中總多酚含量變化

      以方程y=0.0 097x+0.019,R2=0.9 996為標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算火龍果酵素發(fā)酵過程中17 個(gè)時(shí)間點(diǎn)總多酚含量,方程中:y代表吸光度,x代表沒食子酸等價(jià)物(μg/mL).火龍果酵素發(fā)酵過程中總多酚含量的變化見圖1,從圖1可以看出:發(fā)酵過程中火龍果酵素發(fā)酵液中總多酚的含量整體上呈增加的趨勢,發(fā)酵487 d,從發(fā)酵初始的360.14 μg/mL增加至486.25 μg/mL,增加了35.02%.

      圖1 火龍果酵素發(fā)酵過程中總多酚含量變化Fig.1 Changes of total polyphenols content in the fermentation of Pitaya Jiaosu

      2.2 發(fā)酵過程中抗氧化能力變化

      2.2.1 發(fā)酵過程中ABTS自由基清除能力變化

      ABTS自由基清除能力實(shí)驗(yàn)中常用ABTS與過硫酸鉀反應(yīng)生成ABTS·+,ABTS·+可以溶于水溶液和有機(jī)溶液,可以用來測定水溶性可脂溶性抗氧化物的抗氧化能力[15].火龍果酵素發(fā)酵過程中發(fā)酵液對(duì)ABTS自由基清除能力的變化見圖2,從圖2可以看出:隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,火龍果酵素發(fā)酵液對(duì)ABTS自由基清除能力呈明顯增加的趨勢,經(jīng)487 d的發(fā)酵,清除能力從發(fā)酵初期的25.37%增加至47.43%,增加了86.95%.研究表明:大部分的天然抗氧化物是酚類物質(zhì)[14],火龍果中富含原兒茶酸、香草酸、咖啡酸和丁香酸等多酚類物質(zhì)[16],發(fā)酵過程中,發(fā)酵液的ABTS自由基清除能力的增強(qiáng)可能與發(fā)酵液中多酚含量的變化有關(guān).

      圖2 火龍果酵素發(fā)酵過程中ABTS自由基清除能力變化Fig.2 Changes of ABTS radical scavenging ability in the fermentation of Pitaya Jiaosu

      2.2.2 發(fā)酵過程中還原力變化

      還原力的測定主要是基于電子的轉(zhuǎn)移方法,抗氧化物通過轉(zhuǎn)移電子使Fe3+被還原,再向反應(yīng)液中加入FeCl3,生成的藍(lán)色物質(zhì)在700 nm處有最大吸收,通過測定吸光度來評(píng)價(jià)還原力的大小.吸光度高反應(yīng)抗氧化物的還原力強(qiáng)[15].火龍果酵素發(fā)酵過程中還原力的變化見圖3,從圖3可以看出:火龍果酵素發(fā)酵過程中還原力變化較慢,經(jīng)487 d發(fā)酵,吸光度從發(fā)酵初期的0.373增加到0.488,增加了30.83%,說明發(fā)酵過程中還原力增強(qiáng).

      圖3 火龍果酵素發(fā)酵過程中還原力變化Fig.3 Changes of reducing power in the fermentation of Pitaya Jiaosu

      2.3 發(fā)酵過程中pH變化

      火龍果酵素發(fā)酵過程中pH的變化見圖4,由圖4可知:火龍果酵素發(fā)酵過程中,發(fā)酵初期pH值最高,為4.28,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,pH值逐漸降低,發(fā)酵至255~295 d,pH值最低,為3.94,隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,發(fā)酵至300 d后,pH值又緩慢升高,發(fā)酵至393~487 d,pH值穩(wěn)定在4.08左右.發(fā)酵過程中pH的變化可能與發(fā)酵過程中酵母菌、醋酸菌和乳酸菌等菌種代謝生成乳酸[17]、醋酸和琥珀酸酸性物質(zhì)有關(guān).

      圖4 火龍果酵素發(fā)酵過程中pH變化Fig.4 Changes of pH in the fermentation of Pitaya Jiaosu

      2.4 統(tǒng)計(jì)分析

      2.4.1 火龍果酵素發(fā)酵過程中發(fā)酵液各指標(biāo)間相關(guān)性分析

      采用SPSS 18.0軟件對(duì)火龍果酵素發(fā)酵過程中抗氧化能力(ABTS自由基清除能力和還原力)、總多酚和pH等評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果見表1.

      表1各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

      Table1Correlationcoefficientsof4indices

      TPC1)ABTS2)RP3)pHTPC1.0000.7784)0.9294)-0.077ABTS1.0000.8654)-0.578RP1.000-0.146pH1.000

      注:1) TPC為總多酚含量;2) ABTS為ABTS自由基清除能力;3) RP為還原力;4) 表示p<0.001.

      從表1中可以看出:火龍果酵素發(fā)酵過程中,總多酚與ABTS自由基清除能力和還原力之間具有極顯著的正相關(guān)性(p<0.001);ABTS自由基清除能力與還原力之間呈極顯著的正相關(guān)性(p<0.001),而總多酚、ABTS自由基清除能力、還原力與pH之間存在負(fù)相關(guān)性.由各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析可知,部分指標(biāo)間存在著信息重疊,有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步簡化以明確主要的綜合指標(biāo).

      2.4.2 主成分分析

      由各指標(biāo)相關(guān)性分析可知:火龍果酵素發(fā)酵過程中總多酚含量、ABTS自由基清除能力、還原力及pH 4 個(gè)抗氧化評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在著相互重疊和相互干擾的狀態(tài),因此需要選擇彼此不相關(guān)的新指標(biāo)來代替原來有相關(guān)性的指標(biāo),消除多重共線性,以達(dá)到綜合評(píng)價(jià)的目的.將17 個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的火龍果酵素發(fā)酵液的總多酚含量、ABTS自由基清除能力、還原力和pH值等4 個(gè)參數(shù)依次輸入SPSS軟件進(jìn)行主成分分析,為了克服各個(gè)不同量綱變量的影響,先對(duì)各變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后,再對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,主成分的特征值見表2,各成分特征值的碎石圖見圖5.

      表2主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

      Table2Theeigenvalue,contributionrateandthecumulativecontributionrateofprincipalcomponents

      主成分特征值貢獻(xiàn)率/%累積貢獻(xiàn)率/%12.83370.82270.82221.06026.48997.31030.0862.14199.45240.0220.548100.000

      圖5 碎石圖Fig.5 Scree plot

      表2中給出了主成分的特征值,前兩個(gè)特征值均大于1,且前兩個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到原始信息的97.31%.從圖5可以看出:前兩個(gè)主成分的斜率陡峭,第三個(gè)主成分的斜率變緩,因此可以確定主成分的個(gè)數(shù)為2,使用這些成分在很大程度上減少了原始數(shù)據(jù)指標(biāo)的復(fù)雜性,僅丟失了2.69%的信息.第一主成分主要綜合了總多酚含量、ABTS自由基清除能力和還原力3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),且3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)間具有正相關(guān)性;第二主成分主要綜合了pH指標(biāo),且與其他3 個(gè)指標(biāo)間具有負(fù)相關(guān)性;與上述相關(guān)性分析結(jié)果相一致.利用2 個(gè)新變量來代替原來的4 個(gè)變量,新的變量分別用PC1,PC2表示,4 個(gè)指標(biāo)總多酚含量、ABTS自由基清除能力、還原力及pH經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變量分別以ZTPC,ZABTS,ZRP和ZpH表示,它們之間的線性關(guān)系為

      PC1=0.573×ZTPC+0.564×ZABTS+0.540×ZRP-0.248×ZpH

      PC2=-0.203×ZTPC+0.201×ZABTS+0.343×ZRP+0.878×ZpH

      2.4.3 綜合評(píng)價(jià)

      以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總特征值之和的比例作為權(quán)重,經(jīng)線性加權(quán)求和得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(Comprehensive evaluation index,CEI)為

      不同發(fā)酵時(shí)間點(diǎn)的火龍果酵素抗氧化評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表3和圖6.

      表3抗氧化綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

      Table3Comprehensiveevaluationindexofantioxidantcapacity

      編號(hào)發(fā)酵時(shí)間/dPC1PC2綜合得分120-2.5950.784-1.675241-1.2480.721-0.712362-1.7050.764-1.0334102-1.2270.450-0.7705114-0.6260.538-0.3096137-1.6350.430-1.0737156-0.4110.306-0.21681740.0710.1960.1059214-0.960-1.054-0.98610235-0.670-1.295-0.84111255-0.484-1.608-0.790122750.093-1.360-0.303133592.5370.3921.953143931.3520.0581.000154261.8600.3791.457164562.8090.2372.109174872.8380.0622.082

      圖6 抗氧化綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.6 Comprehensive evaluation index of antioxidant capacity

      從圖6可以看出:發(fā)酵至456 d以后,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到最高值且趨于穩(wěn)定,說明在此時(shí)間范圍內(nèi)火龍果酵素的抗氧化能力較優(yōu).

      2.4.4 聚類分析

      對(duì)火龍果酵素發(fā)酵過程中各指標(biāo)進(jìn)行因子分析,經(jīng)旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣見表4.首先利用主成分法提取因子,再利用Varimax最大方差法旋轉(zhuǎn),經(jīng)3 次迭代收斂,從旋轉(zhuǎn)后的因子與原始變量的相關(guān)矩陣可以看出,第一主成分與3 個(gè)變量的相關(guān)較高,這3 個(gè)變量是ABTS自由基清除能力、還原力和總多酚的含量,第二主成分與pH的相關(guān)性更高.第一個(gè)因子主要概括了火龍果酵素發(fā)酵液中抗氧化成分及抗氧化能力情況,可以命名為抗氧化因子,第二因子是火龍果酵素發(fā)酵的環(huán)境,可以命名為環(huán)境因子.

      表4 旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣1)

      注:1) 提取方法為主成分分析法;旋轉(zhuǎn)方法為方差最大正交旋轉(zhuǎn).

      進(jìn)一步對(duì)不同發(fā)酵時(shí)間火龍果酵素的4 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析,采用類間平均鏈鎖法(Between groups linkage),依據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)間的歐氏距離的平方進(jìn)行聚類.聚類分析結(jié)果見圖7,圖7中編號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)酵時(shí)間見表3.

      從圖7中可以看出:系統(tǒng)樹狀圖直觀的顯示了聚類的整個(gè)過程,而且x軸方向給出了各類別之間的相對(duì)距離大小.在類間距離為10時(shí),17 個(gè)不同發(fā)酵時(shí)間的火龍果酵素樣品可以分為3 類,聚為3 類,因子的分散點(diǎn)圖見圖8,從圖8可以看出:第一類聚集了1~8 個(gè)時(shí)間點(diǎn),即20~174 d,聚集了發(fā)酵過程中總多酚、pH、ABTS自由基清除能力和還原力變化較明顯的階段,這個(gè)階段,火龍果酵素的抗氧化能力相對(duì)較低,發(fā)酵液的pH較高;第二類聚集了9~12 個(gè)時(shí)間點(diǎn),即214~275 d,聚集了發(fā)酵過程中總多酚、pH和還原力變化較平緩的階段,這個(gè)階段,火龍果酵素的抗氧化能力、發(fā)酵液的pH相對(duì)較低;第三類聚集了13~17 個(gè)時(shí)間點(diǎn),即359~487 d,聚集了發(fā)酵過程中火龍果酵素的抗氧化能力、發(fā)酵液的pH相對(duì)較高,此階段,火龍果酵素的抗氧化能力呈緩慢增加的趨勢,延長發(fā)酵時(shí)間有利于提升火龍果酵素的抗氧化能力.

      圖7 聚類分析系統(tǒng)樹狀圖Fig.7 Hierarchical dendrogram

      圖8 因子得分散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of factor score

      3 結(jié) 論

      對(duì)火龍果酵素發(fā)酵過程中發(fā)酵液的總多酚含量、ABTS自由基清除能力、還原力和pH值進(jìn)行跟蹤檢測,并采用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析,探討發(fā)酵時(shí)間對(duì)火龍果酵素抗氧化功能的影響,結(jié)果表明:隨著發(fā)酵時(shí)間的延長,發(fā)酵液中總多酚含量、ABTS自由基清除能力和還原力整體上呈增加的趨勢,火龍果酵素發(fā)酵液的pH呈緩慢降低的趨勢,從4.28降到4.08.董銀卯等[8]研究表明:火龍果酵素具有清除超氧陰離子自由基、DPPH自由基和羥基自由基的能力以及抗氧化活性;蔣增良等[2]對(duì)樹莓等酵素中總多酚含量與ABTS自由基清除實(shí)驗(yàn)、還原力測定等體外抗氧化評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果表明:總多酚的含量與ABTS自由基清除實(shí)驗(yàn)、還原力等顯著正相關(guān).火龍果酵素發(fā)酵過程中,不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)酵液的總多酚含量與ABTS自由基清除能力、還原力的分析結(jié)果顯示:火龍果酵素中總多酚含量與ABTS自由基清除能力、還原力呈極顯著的相關(guān)性.通過主成分分析和聚類分析對(duì)火龍果酵素的抗氧化功能進(jìn)行評(píng)價(jià),主成分分析結(jié)果表明:可以從總多酚含量、ABTS自由基清除能力、還原力和pH等4 個(gè)指標(biāo)中提取出2 個(gè)主成分,第一主成分/因子主要與總酚含量、ABTS清除率和還原力相關(guān);第二主成分主要與pH相關(guān);發(fā)酵至456 d以后,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到最高值且趨于穩(wěn)定,說明在此時(shí)間范圍內(nèi)火龍果酵素的品質(zhì)達(dá)優(yōu).聚類分析結(jié)果表明:在類間距離為10時(shí),聚類分析可將發(fā)酵過程分為3 類,即因子顯著變化期、平緩期和緩慢增長期.

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