陳小偉,程勇杰,范昊安,薛淑龍,蔣立新, 張 婷,王珍珍,毛旸晨,沙如意,*,毛建衛(wèi),*
(1.浙江科技學院生物與化學工程學院,浙江杭州 310023; 2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學與生物加工技術(shù)重點實驗室,浙江杭州 310023; 3.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; 4.杭州醫(yī)學院,浙江杭州 310053)
植物酵素是以一種或多種蔬菜、水果和豆谷類、海藻類、藥食兩用本草類、菌菇類植物等為原料,加(或不加)糖類物質(zhì),經(jīng)加入單種或多種益生菌發(fā)酵(或不加菌依靠植物表面本身保留的微生物發(fā)酵),經(jīng)過低溫長時間發(fā)酵而產(chǎn)生的功能性微生物發(fā)酵產(chǎn)品[1-2]。草莓作為大眾喜歡的水果,營養(yǎng)價值豐富,被譽為“水果皇后”[3],具有保健功能,兼有保護視力,助消化,防止便秘等功效[4]。其本身含有豐富的維生素C、多酚類、黃酮類、花青素等多種功能性成分[5]。
氨基酸是重要的生命物質(zhì),是組成生物體中酶和蛋白質(zhì)的基本單元[6]。植物酵素中含有大量風味氨基酸和人體必需氨基酸,目前對于植物酵素蛋白質(zhì)和氨基酸的研究主要包括蛋白質(zhì)含量檢測[7]、氨基酸分析與功能因子的相關(guān)性[8],因此對植物酵素進行氨基酸分析與蛋白質(zhì)的營養(yǎng)成分評估極有必要[9]。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì),GABA含量異常與人體多種神經(jīng)和精神疾病,如帕金森綜合癥[10]、癲癇[11]、焦慮[12]等有關(guān)[13]。Ge等[14]研究發(fā)現(xiàn)GABA在成人大腦新生成的神經(jīng)元突觸融合中起重要作用,神經(jīng)元活動調(diào)節(jié)成人神經(jīng)發(fā)生,新的神經(jīng)元有助于特定的腦功能。目前還未見關(guān)于植物酵素氨基酸和蛋白質(zhì)營養(yǎng)評價的研究報道,本文對草莓酵素氨基酸和蛋白質(zhì)營養(yǎng)評價的同時,還利用氨基酸味覺閾對草莓酵素的風味進行評估,確定發(fā)酵過程中各種風味氨基酸對味覺的影響。
草莓 采摘于杭州黃爺爺生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司,選擇八分熟的新鮮無病蟲害,個體完整的草莓果實,個體重量為(23.00±6.00) g;發(fā)酵用糖漿和酵素菌液 由浙江省農(nóng)副產(chǎn)品加工重點實驗室提供,采用常溫密閉,避光的自然發(fā)酵方式;考馬斯亮藍G250、重蒸酚 上海長哲生物科技有限公司;混合氨基酸標準溶液(含Asp、Glu、Met、Tyr、Phe等17種氨基酸)、GABA 色譜純,日本和光純業(yè)工業(yè)株式會社;檸檬酸鈉(2H2O)、氫氧化鈉、氯化鈉、茚三酮 優(yōu)級純,國藥集團化學試劑有限公司;丙二醇單甲基醚、無水醋酸鈉、乙醇、冰醋酸 色譜純,阿拉丁試劑有限公司;純凈水 娃哈哈集團。
KQ-300E型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;DZF-6020型真空干燥箱 上海邁源環(huán)境實驗設(shè)備有限公司;PTX-FA210型電子天平 福州華志科學儀器有限公司;JT-DCY-12Y型水浴氮吹儀 杭州聚同電子有限公司;Allegra X-12R型離心機 貝克曼庫爾特有限公司;L-8900型氨基酸分析儀 日本日立公司。
1.2.1 草莓酵素的制備 采用程勇杰[8]等的方法。用滅菌好冷卻后的無菌水輕洗草莓樣品表面,常溫下自然瀝干。瀝干后去蒂直接切成薄片,按草莓和糖液(w∶w=3∶4)30 kg快速加入高壓蒸汽滅菌過的發(fā)酵罐,加入10%(v/v)的酵素菌液(菌體濃度:1×105CFU/mL),密閉、25 ℃室溫避光發(fā)酵。實驗3次平行。定時取一定量發(fā)酵液,在6000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min,取上層清液于-85 ℃超低溫冰箱保存待測。樣品發(fā)酵取樣時間分別為10、20、30、50、75、110、140、155 d。
1.2.2 蛋白質(zhì)含量測定 采用考馬斯亮藍G250法[15]測定發(fā)酵液中蛋白質(zhì)含量。準確稱取考馬斯亮藍G250試劑100 mg,溶于50 mL 95%乙醇,加入85%(w/v)磷酸,用水稀釋至1000 mL備用,利用牛血清白蛋白制備標準曲線,線性方程y=0.0055x+0.064,R2=0.9994。實驗前取出冷凍后的草莓酵素,與30 ℃水浴30 min,取200 μL草莓酵素,加水至1000 μL,然后加入5 mL配制好的考馬斯亮藍G250溶液,混勻,靜置反應(yīng)10 min,以去離子水做空白對照,在595 nm波長下測定吸光度,計算蛋白質(zhì)含量。
1.2.3 樣品前處理和氨基酸分析 用酸水解法進行樣品處理[16]:取冷凍后于30 ℃水浴30 min后的草莓酵素1 mL于水解管中,加入HCl∶H2O=1∶1(v/v)的HCl溶液10 mL,重蒸酚175 μL,振蕩混勻,在冰水浴中冷卻5 min后吹入氮氣保護,于110 ℃數(shù)顯恒溫鼓風干燥箱中水解22 h。水解液經(jīng)冷卻,過濾、沖洗、定容至50 mL容量瓶中。再取2 mL濾液,45 ℃真空干燥,完畢后,加入1 mL去離子水同條件再次烘干,加入1 mL 0.02 mol/L檸檬酸鈉緩沖液,過0.22 μm微孔濾膜,等待上機進樣。
氨基酸分析儀操作條件參照GB 5009.124-2016[17],流動相:檸檬酸鈉緩沖溶液,控制流速:0.4 mL/min;進樣量:20 μL;分離柱柱溫:57 ℃;反應(yīng)柱柱溫:135 ℃;檢測波長:脯氨酸檢測波長440 nm,其它氨基酸檢測波長570 nm。以峰面積作為檢測結(jié)果,采用外標法計算氨基酸濃度。
1.2.4 氨基酸營養(yǎng)價值與風味評價 采用1973年FAO/WHO建議的氨基酸評分標準進行評價[18-20],評價范圍包括氨基酸評分(Amino acid score,AAS)、氨基酸比值(ratio of amino acid,RAA)、氨基酸比值系數(shù)(ratio coefficient of amino acid,RC)、比值系數(shù)分(score of ratio coefficient of amino acid,SRC)。具體計算方法如下,
氨基酸得分(AAS)(%)=[某必需氨基酸含量(g/100 g粗蛋白)]/[FAO/WHO模式中該必需氨基酸含量(g/100 g粗蛋白)]×100
氨基酸比值(RAA)(%)=[某必需氨基酸含量(g/100 g粗蛋白)]/[模式中該必需氨基酸含量(g/100 g粗蛋白)]×100
SRC=100-CV×100
氨基酸風味成分按照氨基酸含量用味覺閥值比[21]來分析,評價指標為含量閥值比(ratio of content and taste threshold,RCT)。
本實驗對各個時間點不同參數(shù)進行測定,實驗重復(fù)次數(shù)n=3,氨基酸含量取3次實驗平均值,氨基酸組成評價與蛋白質(zhì)營養(yǎng)評價以“平均值±標準偏差”表示。蛋白質(zhì)、必需氨基酸和GABA含量變化采用Origin 8.6繪圖,氨基酸聚類分析采用SPSS 18.0處理。
圖1是不同發(fā)酵時間發(fā)酵液中可溶性蛋白質(zhì)含量變化趨勢,在發(fā)酵的前20 d,幾乎檢測不到蛋白質(zhì)。在20~30 d,蛋白質(zhì)含量迅速上升,在此時間范圍內(nèi),充足的糖分和原料本身的營養(yǎng)物質(zhì),使微生物大量繁殖代謝生成蛋白質(zhì),同時原料中的蛋白質(zhì)隨著發(fā)酵的進行,也會浸漬到發(fā)酵液中。在30~75 d,蛋白含量呈緩慢增加的趨勢,至75 d含量達到最高,為137.68 μg/mL,隨后蛋白質(zhì)含量有所下降,在第110 d降至103.03 μg/mL,然后再呈緩慢增加的趨勢。袁周率等[7]通過對糙米酵素發(fā)酵前后糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸等研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵前后可溶性糖從4.62%降至4.34%,蛋白質(zhì)含量從0.51%升至0.58%。陳燕飛[22]指出,微生物在低滲透壓食品中容易生長,在高滲透壓下易于脫水死亡,只有少數(shù)酵母可耐受高滲透壓環(huán)境。故發(fā)酵前期,微生物在高濃度糖漿造成極高的滲透壓下難以生長繁殖,發(fā)酵液中可溶性蛋白質(zhì)含量較少。隨著反應(yīng)時間的延長,草莓本身的水分滲出,充足的糖分和原料本身的營養(yǎng)物質(zhì),微生物開始快速利用豐富的碳源生長繁殖。蔣增良[23]通過研究樹莓發(fā)酵過程中蛋白質(zhì)的含量變化發(fā)現(xiàn),發(fā)酵前64 d,蛋白質(zhì)含量一直呈現(xiàn)上升趨勢,在0~40 d增長了近兩倍,增長速率最快。后期由于微生物對糖類物質(zhì)的利用和次級代謝產(chǎn)物的積累導(dǎo)致部分微生物和細胞分解成小分子物質(zhì),蛋白質(zhì)含量下降。110 d后,發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)含量輕微上升,可能是微生物對原料本身進行分解,導(dǎo)致原料蛋白質(zhì)逐漸溶出或菌體自溶所致。
圖1 不同發(fā)酵時間草莓酵素發(fā)酵液中的可溶性蛋白質(zhì)含量Fig.1 Soluble protein content in strawberry jiaosu at different fermentation times
2.2.1 發(fā)酵過程中氨基酸組分變化 為考察自動氨基酸分析儀檢測方法的線性關(guān)系,準確配制了濃度分別為2、5、20、50和100 nmol/mL的17種氨基酸和GABA混合標準溶液。圖2為18種氨基酸(含GABA)的標準圖譜,一通道(570 nm)下氨基酸在32 min內(nèi)全部分離出,GABA出峰時間為21.55 min;二通道(440 nm)脯氨酸(Pro)在8 min前出峰完全。結(jié)果表明18種氨基酸分離效果良好。以峰面積為縱坐標,各種氨基酸濃度為自變量繪制標準曲線,線性關(guān)系良好,各相關(guān)系數(shù)均大于0.99,如表1所示。
圖2 標準混合氨基酸圖譜Fig.2 Chromatogram of standard amino acids
表1 氨基酸標準曲線Table 1 Standard curves of amino acids
采用外標法分析和計算不同發(fā)酵時間的草莓酵素樣品中氨基酸含量,結(jié)果表明在發(fā)酵過程中檢出的氨基酸包括天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)、纈氨酸(Val)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、GABA、賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)和脯氨酸(Pro),其中含量最高的2種氨基酸分別為Glu和Asp,而甲硫氨酸(Met)、苯丙氨酸(Phe)和組氨酸(His)未檢出。由于采用強酸對樣品中的蛋白質(zhì)和多肽水解時,水解過程中色氨酸(Trp)遭到破壞[24],因此在本方法下,草莓酵素中的Trp均未被檢測到。
表2是草莓酵素發(fā)酵過程中各氨基酸組分含量變化情況,在發(fā)酵第10 d,發(fā)酵液中總氨基酸(不含GABA)含量較低,僅為0.288 mg/mL。發(fā)酵至10~30 d,總氨基酸含量迅速升至0.471 mg/mL。在發(fā)酵第30~140 d,總氨基酸含量呈總體平穩(wěn)并緩慢增加。在草莓酵素發(fā)酵過程中,含量最高的2種氨基酸分別為Glu和Asp,發(fā)酵至第10 d,2種氨基酸的含量為0.101和0.105 mg/mL,分占總氨基酸含量的35.43%和36.65%,兩者總和接近總氨基酸含量的3/4,而兩種氨基酸在后續(xù)的發(fā)酵過程中含量無明顯變化。在人體內(nèi),Glu可與血氨結(jié)合形成谷氨酰胺,有利于肝臟的解毒功能,同時也可活躍人體的腦組織代謝,而Asp可緩解骨骼和牙齒的損害。一般而言,在草莓酵素發(fā)酵過程中Cys含量較為穩(wěn)定,而Tyr在發(fā)酵第30 d才被檢測到,其它檢測到的氨基酸均呈先上升,再趨于穩(wěn)定的趨勢。姜遠茂[25]等對哈達和豐香等4種草莓的氨基酸含量分析,發(fā)現(xiàn)四種草莓中Asp和Glu含量均最高,這也與草莓酵素發(fā)酵過程中觀察到的主要氨基酸結(jié)果相一致。石彥國[26]等也指出草莓原料中Asp含量高達176 mg/100 g,因此發(fā)酵液中的Glu、Asp可能與草莓原料本身的溶出有關(guān)。袁周率[7]通過對糙米酵素發(fā)酵前后氨基酸含量研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵后部分氨基酸含量有所上升,其中Ala上升了17.74%。
表2 草莓酵素發(fā)酵過程中氨基酸含量變化(mg/mL)Table 2 Change of amino acid content in ferment of strawberry jiaosu(mg/mL)
2.2.2 發(fā)酵過程氨基酸種類特性的聚類分析 對草莓酵素不同發(fā)酵時間氨基酸的聚類分析結(jié)果如圖3所示,其中1~8分別代表發(fā)酵時間為10、20、30、50、75、110、140和155 d。由圖3可知,根據(jù)發(fā)酵時間,可將氨基酸聚類為四類。即第1類:10 d,第2類:20 d,第3類:30、50、75 d,第4類是110、140、155 d。聚類分析的結(jié)果代表著不同發(fā)酵時間,氨基酸含量從極低到緩慢增加,再到趨于穩(wěn)定的總趨勢,與利用氨基酸分析儀得到的不同發(fā)酵時間氨基酸變化趨勢結(jié)果相一致。
圖3 草莓酵素發(fā)酵過程中氨基酸變化時間特征聚類圖Fig.3 Characteristic clustering of amino acid change in different fermentation times of strawberry jiaosu
2.2.3 草莓酵素發(fā)酵過程中GABA的變化 如圖4所示,發(fā)酵前20 d,GABA含量明顯上升,在發(fā)酵第20 d含量達到最高,為23.48 mg/L,隨之,含量急劇下降,在發(fā)酵第50 d,濃度降到2.27 mg/L。隨后又呈緩慢上升的趨勢,發(fā)酵至155 d的含量與第10 d含量相接近。這有可能是發(fā)酵前期,在微生物分泌的蛋白酶作用下將蛋白質(zhì)水解,造成游離氨基酸如Glu等增多,而微生物(如乳酸菌)分泌的Glu脫羧酶催化谷氨酸合成GABA導(dǎo)致其濃度增加[27]。
圖4 發(fā)酵過程中GABA含量變化Fig.4 Changes in GABA content during fermentation
2.3.1 草莓酵素中必需氨基酸含量 如圖5所示,在草莓酵素發(fā)酵過程中必需氨基酸含量不斷上升,在發(fā)酵第10 d僅為0.024 mg/mL,發(fā)酵第30 d上升至第10 d的2倍。經(jīng)過155 d的發(fā)酵,必需氨基酸含量上升至0.104 mg/mL,相比發(fā)酵第10 d提高了3.33倍。呂春茂等[28]發(fā)現(xiàn)蘋果渣發(fā)酵后必需氨基酸含量從0.87 mg/mL增加到5.33 mg/mL,從某種意義上來講,必需氨基酸含量與營養(yǎng)價值具有一定的相關(guān)性。
圖5 草莓酵素發(fā)酵過程中必需氨基酸含量變化曲線Fig.5 Changes of the essential amino acid content in the fermentation process of strawberry jiaosu
2.3.2 草莓酵素中必需氨基酸組成評價 對于營養(yǎng)價值較高的蛋白質(zhì),首先要求必需氨基酸種類齊全,其次氨基酸之間的比例也同樣重要。合適的比例才能與人體需求相符合,必需氨基酸吸收更完全,營養(yǎng)價值更高[29]。將草莓發(fā)酵液中必需氨基酸與FAO/WHO模式氨基酸譜進行對比,從而得出氨基酸得分,結(jié)果見表3。
表3 草莓酵素中必需氨基酸組成評價Table 3 Composition evaluation of essential amino acid in strawberry jiaosu
其中AAS值越接近于1,蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值越高;AAS值小于1或大于1,分別表示為蛋白質(zhì)營養(yǎng)不足或營養(yǎng)過剩[30]。
由于在發(fā)酵的前20 d,蛋白質(zhì)含量較低,低于考馬斯亮藍法檢測蛋白質(zhì)的濃度極限,因此未對發(fā)酵10 d和20 d的發(fā)酵液進行營養(yǎng)評估。發(fā)酵第30 d后,除Met外,其它8種必需氨基酸評分均>1,屬于較為嚴重的營養(yǎng)過剩,特別是Thr和Cys。在草莓酵素發(fā)酵過程中總氨基酸含量增加(如表2),總蛋白質(zhì)含量卻相對穩(wěn)定(如圖1),同時必需氨基酸所占總氨基酸比例增加,導(dǎo)致各種氨基酸得分相應(yīng)地增加。
2.3.3 草莓酵素蛋白質(zhì)的營養(yǎng)評價 氨基酸比值[31]定義為一定量食物中氨基酸的含量相當于模式氨基酸的倍數(shù)。RC用于判定限制氨基酸和計算限制氨基酸的強化量,可用模式氨基酸相當量的一份樣品中氨基酸的比值來表示。如果樣品中氨基酸的組成與模式氨基酸模式相等,則RC等于1,同理,當RC>1,則表示相應(yīng)氨基酸相對過剩,RC<1時表示相應(yīng)氨基酸相對不足。SRC主要用于蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值的評價。理論上,SRC值越接近于100,蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值越高。
對不同發(fā)酵時間草莓酵素RAA、RC和SRC進行計算,結(jié)果如表4所示,第一限制氨基酸為酪氨酸(Tyr)+苯丙氨酸(Phe)。發(fā)酵30 d后,SRC值均高于55,尤其是發(fā)酵50 d后,在穩(wěn)定的微環(huán)境和較為穩(wěn)定的菌種活性條件下下,SRC值呈逐漸增加的趨勢。在整個發(fā)酵過程蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值由高到低依次是:155 d>140 d>110 d>30 d>75 d>50 d,這一結(jié)果與氨基酸聚類分析的第3類和第4類相一致。
表4 草莓酵素蛋白質(zhì)的營養(yǎng)評價Table 4 Nutritional evaluation of proteins of strawberry jiaosu
2.3.4 氨基酸風味成分分析 天然氨基酸主要為L構(gòu)型,而眾多的L型氨基酸是食品中新鮮口感的主要貢獻成分,如谷氨酸鹽作為食品調(diào)味劑已被人們使用多年。在草莓酵素發(fā)酵過程中,分解產(chǎn)生的氨基酸和本身的游離氨基酸是影響草莓酵素風味的主要因素。依據(jù)氨基酸的味覺強度,大致可將氨基酸分為鮮味氨基酸(Asp、Glu、Lys)、甜味氨基酸(Thr、Ser、Gly、Ala、His、Pro)、苦味氨基酸(Val、Met、Ile、Leu、Arg)和芳香族氨基酸(Cys、Tyr、Phe)[19]。
表5為草莓酵素4種不同風味氨基酸在發(fā)酵過程中含量的變化趨勢,隨著發(fā)酵時間的延長,鮮味氨基酸含量趨于穩(wěn)定;甜味氨基酸、芳香族氨基酸和苦味氨基酸含量不斷升高。尤其是苦味氨基酸,在發(fā)酵后期其含量是其它風味氨基酸的幾十甚至上百倍。忽略在草莓酵素發(fā)酵過程中添加的糖類物質(zhì)對風味的影響,單純從氨基酸含量上來看,在發(fā)酵前期,影響草莓酵素風味的物質(zhì)為鮮味氨基酸和苦味氨基酸;在發(fā)酵后期,主要是苦味氨基酸占據(jù)絕對優(yōu)勢。
表5 發(fā)酵過程中不同風味氨基酸含量Table 5 Contents of different flavors of amino acids during fermentation
然而風味氨基酸的含量與對酵素風味貢獻并不一定呈嚴格的正相關(guān)性,這主要是由于不同氨基酸的味覺閥值不同,氨基酸濃度與味覺閥值的對比稱為RCT[32]。RCT<1,氨基酸對風味無貢獻;只有當RCT≥1時,氨基酸才對風味有貢獻。且RCT值越大,相應(yīng)氨基酸對食品的風味貢獻越大。表6計算了草莓酵素在發(fā)酵過程中各種風味氨基酸的含量閥值比,在發(fā)酵過程中,除Asp和Glu兩種鮮味氨基酸的RCT值大于1,其它15種氨基酸對發(fā)酵液的風味均無明顯的貢獻,說明Asp和Glu兩種氨基酸對草莓酵素發(fā)酵液的風味有主要貢獻。然而在發(fā)酵過程中,Asp和Glu的含量變化趨勢并不明顯,而且由表2可知2種氨基酸的含量在整個發(fā)酵過程中變化也不明顯。因此,從氨基酸角度講,隨著發(fā)酵時間的延長,草莓酵素的苦味、甜味、芳香等風味變化不明顯,主要還是以鮮味為主要風味。當然,原料成分、微生物代謝產(chǎn)物的影響也可能會造成草莓酵素發(fā)酵液口感的變化。
表6 草莓酵素中各種風味氨基酸的含量閥值比(RCT)Table 6 Threshold content ratio of each flavor amino acid in strawberry jiaosu(RCT)
對草莓酵素蛋白質(zhì)和氨基酸含量及營養(yǎng)價值進行分析,結(jié)果表明,蛋白質(zhì)含量在發(fā)酵前期明顯增加,發(fā)酵至75 d含量達到最高,為137.68 μg/mL,隨后緩慢降低,但相比發(fā)酵前有顯著提升(p<0.05)??偘被岷颗c必需氨基酸含量也有較明顯提高,說明一定時間的發(fā)酵能提高酵素中蛋白質(zhì)和氨基酸的含量,且提高程度較明顯。GABA含量在發(fā)酵前20 d經(jīng)過急劇變化后,再經(jīng)過一定時間的發(fā)酵,GABA含量與發(fā)酵前并無明顯差異,說明發(fā)酵對GABA的消耗再后期可以得到彌補。草莓酵素中氨基酸較為齊全,營養(yǎng)豐富,在整個發(fā)酵過程中,SRC值始終高于55,且數(shù)值處于上升趨勢。由此可見,適當?shù)难娱L發(fā)酵時間可有效提高草莓酵素的營養(yǎng)均衡度。就氨基酸呈味發(fā)酵過程中只有Asp和Glu兩種鮮味氨基酸的RCT值大于1,對味覺有影響,但由于其它成分如有機酸和其它活性物質(zhì)的影響,發(fā)酵過程中氨基酸含量的變化對味覺的影響不大。