乳酸菌发酵对乳清蛋白蓝莓果汁体系特性的影响

王文琼，孙志勇，黄冬成，张杰龙，张志贤，李颖，顾瑞霞*

1(扬州大学 食品科学与工程学院，江苏 扬州，225127) 2(江苏乳品生物技术与安全控制重点实验室(扬州大学)，江苏 扬州，225127) 3(黑龙江大三源乳品机械有限公司，黑龙江 哈尔滨，150069)

蓝莓可以加工成果汁、饮料、果酱等产品，将蓝莓与乳清蛋白混合，研制蓝莓-乳清蛋白发酵饮料，具有蓝莓和乳清蛋白的双重营养保健功效，有很高的推广价值和实际意义。蓝莓浆中含有大量可溶性物质和果胶物质，但经稀释调配后其饮料体系内所含的果胶物质难以保证液相达到平衡状态，在饮料贮藏和销售过程中会出现沉淀和分层现象，同时蓝莓中的花青素、多酚类物质不稳定，对光、温度、pH等较敏感，影响其在加工贮藏过程感官特性及营养功能的变化。研究发现，蓝莓果汁经过乳酸菌发酵后，花青素含量提高15.38%，酶抑制能力和抗氧化能力显著提高[1]。同时有多项研究发现，经乳酸菌发酵后果蔬制品的抗氧化能力显著增强，这是由于乳酸菌在发酵过程中能够水解一些结合酚，释放游离酚，提高其生物利用率，从而提高抗氧化能力。乳清蛋白经过乳酸菌发酵后会产生大量的功能性多肽，具有抑制血管紧张转化酶(angictensin converting enzyme, ACE)活性、抗氧化等功能。研究表明，蛋白质对花色苷的热稳定性和光稳定性具有一定的保护作用。近年来，有关多酚与蛋白质相互作用的研究很多。蛋白质和多酚类物质可以通过可逆的非共价键(如氢键、范德华力、π-键-疏水、离子)和不可逆共价键相互作用[2]。通过多酚与蛋白的相互作用，可改变蛋白结构使其生物活性增加[3]。另外，花色苷在酸性条件下，能够以黄烊盐阳离子的稳定形式存在。而当pH逐渐升高，花色苷存在形式变为不稳定的查尔酮式，所以提高花色苷的稳定性是目前需要解决的技术难题[4]。

本研究利用乳酸菌对乳清蛋白与蓝莓果汁混合物进行发酵，利用微生物发酵产酸，降低发酵体系pH，提高蓝莓花色苷稳定性，同时利用乳酸菌发酵作用促进蓝莓果浆中活性成分与乳清蛋白对接，产生蛋白-多酚和花色苷复合物，维持发酵体系稳定。研究蓝莓-乳清蛋白体系在嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌以及嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的混合菌种(以下简称混合菌种)分别发酵24、36、48 h后体系的沉淀率、游离氨基含量、色度、pH、总酚、花色苷含量以及主要官能团的变化，旨在以蓝莓、乳清蛋白为原料，了解不同的乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白饮料体系特性的影响，开发高档的发酵饮料, 从而为提高乳清的附加值提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 样品预处理

(1)原料的筛选：选择果实饱满，成熟的蓝莓果(2018 成熟的大兴安岭野生蓝莓51° 55′ N, 124°34′ E)，摘除果柄、枝叶，剔除病虫害、变色、变质等质量不合格的蓝莓果，并用清水清洗干净。

(2)榨汁：将清洗干净的蓝莓果晾干，取晾干后的蓝莓100 g，加水榨汁。

(3)过滤：将蓝莓浆液先用200目纱布单层过滤，再用2层纱布过滤，收集滤液600 mL，分装50 mL。

(4)调配：向过滤完的蓝莓汁中加入去离子水，使得蓝莓与水的比例为1∶5(g∶mL)。

(5)加入乳清粉：向调配液中加入60 g/L的乳清蛋白。

(6)加入60 g/L蔗糖。

(7)调pH：将样品液pH调至7.0。

(8)灭菌：将配制成的蓝莓乳清蛋白饮料置于95 ℃水浴锅灭菌5 min。

(9)接菌发酵：接入保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌(上海昊岳食品科技有限公司提供)以及混合菌种(保加利亚乳杆菌∶嗜热链球菌=1∶1)，接种量为2%(活菌数为7 lg CFU/mL)，样品置于37 ℃恒温箱培养。

1.2 色度分析

测定蓝莓-乳清蛋白混合体系发酵24、36、48 h后颜色变化。使用Minolta Chroma Meter CR-400比色计(Minolta Ltd.，Milton Keynes，UK)。L*值表示亮度，a*值表示红色-绿色，b*值表示黄色-蓝色。将样品装入比色皿中并放置在白色校准板(L*、a*、b*)的前面[5]。ΔL*、Δa*、Δb*均为发酵后的L*、a*、b*与发酵前的L*、a*、b*的差值。

1.3 沉淀率测定

精确量取配制的饮料于离心管中，3 500 r/min下离心5 min，弃去上层液体，测量离心率，确定沉淀率，根据斯托克原理，进行蛋白质稳定性测定，利用公式(1)计算沉淀物含量[6]。

(1)

1.4 游离氨基含量测定

采用邻苯二甲醛(o-phthalaldehyde, OPA)方法，100 mL OPA试剂含：50 mL浓度为0.1 mol/L硼酸盐缓冲液，5 mL质量分数为20%的十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate, SDS)溶液，80 mg OPA(溶于2 mL甲醇)，200 μL β-巯基乙醇。取样品液100 μL和3 mL OPA试剂混合，室温避光反应5 min后，于340 nm处测其吸光值。以L-亮氨酸为标准物，绘制出L-亮氨酸浓度(0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0 mmol/L)与吸光值之间的标准曲线回归方程，测定样品的吸光值，利用标准曲线方程计算样品中的游离氨基浓度[7]。

1.5 总酚含量测定

采用福林-肖卡比色法。移取 0.3 mL 提取液于试管中，先加入 0.3 mL 福林酚试剂，充分混匀并静置 5 min，加入 3 mL 75 g/L Na2CO3溶液，混匀后静置 5 min，加 6.4 mL 去离子水定容至10 mL，50 ℃避光水浴 5 min，于波长750 nm 处测定吸光值。以没食子酸(0.025～0.25 mg/mL)为标品，绘制标准曲线，结果用没食子酸当量表示(mg/100 g 提取样)[8]。

1.6 花色苷含量测定

采用pH示差法。取1 mL提取液于2支试管中，分别用pH 1.0的KCl(0.025 mol/L)和pH 4.5的 CH3COONa (0.4 mol/L)缓冲液稀释 6倍，平衡 20 min 后分别测定各稀释样液的A520 nm和A700 nm值，以去离子水作为空白调零，结果用矢车菊素-3-葡萄糖苷当量表示(mg/100g 提取样)[9]。

1.7 傅里叶红外光谱分析

样品冷冻干燥后，采用红外光谱分析结构变化。红外光谱采用SPECTRUM ONE B FTIR spectrometer光谱谱仪(Thermo Electron Co.)。

2 结果与分析

2.1 不同乳酸菌对乳清蛋白蓝莓果汁发酵体系色度的影响

由图1可知，发酵24、36、48 h的蓝莓-乳清蛋白发酵体系ΔL*比相同条件下的乳清蛋白在发酵24、36、48 h的ΔL*增加，说明加入蓝莓发酵后亮度增加。发酵后的蓝莓-乳清蛋白液的Δa*显著增加，说明红度增加。而Δb*显著降低(P<0.05)，表明黄度降低。接入嗜热链球菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵36 h时ΔL*与Δa*最高，Δb*在发酵24、36、48 h均小于0，而在24 h时达到最小，黄度显著减少，而继续发酵达到36 h时黄度增加，发酵48 h时黄度继续增加，但黄度与发酵前相比显著降低(P<0.05)，即颜色向蓝色偏移，说明随着发酵时间的延长，花色苷的结构发生变化。研究显示，花色苷的结构在溶液介质中随着pH改变会有4种变化。这4种结构变化在固定的 pH 值溶液介质中存在着一定平衡关系：蓝色或紫色的醌式(脱水)碱、无色的甲醇假碱和查尔酮、红色的花烊正离子(AH+)[10]。即接入嗜热链球菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵48 h后花色苷的结构向着蓝色或紫色的醌式(脱水)碱方向转化。另外，花色苷及多酚在发酵过程中结构的变化也与乳清蛋白的相互作用有关。

1-乳清蛋白+嗜热链球菌；2-乳清蛋白+保加利亚乳杆菌；3-乳清蛋白+嗜热链球菌+保加利亚乳杆菌；4-乳清蛋白+蓝莓+嗜热链球菌；5-乳清蛋白+蓝莓+保加利亚乳杆菌；6-乳清蛋白+蓝莓+嗜热链球菌+保加利亚乳杆菌 a-ΔL*;b-Δa*;c-Δb*

接入保加利亚乳杆菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵36 h时，ΔL*显著低于发酵24和48 h (P<0.05)，即发酵36 h蓝莓-乳清蛋白发酵体系亮度显著低于发酵24和48 h，而发酵24和48 h的蓝莓-乳清蛋白发酵体系亮度差异不显著。在发酵24 h时Δa*值为11.59，红度与发酵前相比显著增加，发酵36 h时，Δa*值继续增加，红色继续加深，发酵48 h时Δa*值达到14.21。Δb*在发酵24、36、48 h均小于0，而在36 h时达到最小，黄度显著降低，而继续发酵达到48 h时黄度显著增加，但黄度与发酵前相比仍有显著降低。接入混合菌种的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵36 h时，ΔL*值为20.26，显著高于发酵24和48 h，即此时的蓝莓-乳清蛋白发酵体系色度最亮[11]。

2.2 蓝莓-乳清蛋白发酵体系发酵过程中pH的变化

接种前样品pH均调为7.0。由表1可知，经嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、混合菌种分别发酵后，各样品pH显著降低。其中，接入嗜热链球菌和接入混合菌种的蓝莓-乳清蛋白饮料在发酵24 h与36、48 h的pH没有显著变化，而接入保加利亚乳杆菌的蓝莓乳清蛋白饮料在发酵24、36、48 h，pH显著下降，原因是蓝莓本身含有的多种有机酸在发酵的过程中不断溶出，乳酸菌自身代谢产生大量的乳酸、苹果酸等，使得pH不断降低，随着时间的延长，产酸量不断积累，pH下降[12]。当pH降至5.5时嗜热链球菌的生长速率减慢[13]，从表1中看出，发酵至24 h，饮料的pH已降低趋于稳定的4.12。混合菌种发酵时，由于嗜热链球菌产酸较快，在发酵到24 h时，饮料的pH已降低趋于稳定的4.21；而单一的保加利亚乳杆菌产酸较慢，在发酵24 h后pH仍在显著下降。当发酵48 h时， pH与接种嗜热链球菌的样品差异不显著(P>0.05)。

表1 蓝莓-乳清蛋白发酵体系发酵过程中pH的变化

2.3 不同乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白发酵体系沉淀率的影响

由图2可知，接入嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、混合菌种的乳清蛋白样品和蓝莓-乳清蛋白发酵体系都是在发酵36 h时沉淀率最高，发酵48 h时沉淀率最低。

1-乳清蛋白；2-乳清蛋白+蓝莓；3-乳清蛋白+嗜热链球菌；4-乳清蛋白+保加利亚乳杆菌；5-乳清蛋白+嗜热链球菌+保加利亚乳杆菌；6-乳清蛋白+蓝莓+嗜热链球菌；7-乳清蛋白+蓝莓+保加利亚乳杆菌；8-乳清蛋白+蓝莓+嗜热链球菌+保加利亚乳杆菌(下同)

多酚与蛋白质可以发生不可逆的共价结合与可逆的非共价结合，部分结合物下沉形成沉淀，使得沉淀率提高。当沉淀发生可逆反应分解时，沉淀率重新降低，因此经嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌和混合菌种发酵的乳清蛋白样品和蓝莓-乳清蛋白发酵体系都是在发酵36 h时沉淀率升高，在48 h时又降低。

接种嗜热链球菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时沉淀率相比于发酵前显著提高，发酵36 h时沉淀率继续提高，发酵48 h时沉淀率显著降低。接种保加利亚乳杆菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时沉淀率相比于发酵前低，发酵36 h时沉淀率显著提高，发酵48 h时沉淀率显著降低，发酵48 h与发酵前相比沉淀率更低。接种混合菌种的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时沉淀率相比于发酵前低，发酵36 h时沉淀率显著提高，发酵48 h时沉淀率显著降低(P<0.05)。在发酵24、36、48 h时，接种保加利亚乳杆菌的样品沉淀率比接种嗜热链球菌和混合菌种都低，沉淀量降低约60%。乳酸菌在发酵过程中产生胞外多糖, 研究发现多糖会通过吸附多个蛋白使得蛋白间发生聚合甚至沉淀[14]。胞外多糖多聚物作为增稠剂、胶凝剂增加了蓝莓-乳清蛋白饮料的黏度，乳酸菌饮料黏度越大,沉淀率明显上升, 稳定性显著下降[15]。嗜热链球菌所分泌的胞外多糖较多，而保加利亚乳杆菌所分泌的胞外多糖较少[16],但是保加利亚乳杆菌产生的代谢产物能够促进嗜热链球菌的生长和胞外多糖的分泌。另外，乳酸菌在发酵过程中可以将黄酮苷转化为糖基配体，糖基配体可以与蛋白络合形成沉淀[17]。混合菌发酵蓝莓-乳清蛋白体系36 h时沉淀率最高，之后随着蛋白质的降解，沉淀率降低。因此，蓝莓-乳清蛋白汁混合体系经保加利亚乳杆菌发酵48 h时沉淀量最低，产品体系相对稳定。

2.4 不同乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白发酵体系游离氨基含量的影响

由图3可知，发酵48 h的游离氨基含量显著高于发酵24和36 h。无论发酵24、36或48 h，乳清蛋白与蓝莓果汁的混合样品发酵后的游离氨基含量显著高于不添加蓝莓果汁的样品，由于蓝莓中含有蛋白质，嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌和混合菌种能够将蛋白水解，使得游离氨基含量上升[18]。

图3 不同乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白发酵体系游离氨基含量的影响

乳清蛋白或蓝莓-乳清蛋白发酵体系，加入保加利亚乳杆菌发酵后产生的游离氨基含量显著高于加入嗜热链球菌和混合菌种(P<0.05)。目前研究显示嗜热乳杆菌CRL804、德氏乳杆菌保加利亚种CRL656和嗜热链球菌CRL636以及它们的混合菌种发酵乳清浓缩蛋白，其中德氏乳杆菌保加利亚种CRL656表现出较高降解乳清蛋白的能力[19]，产生大量的游离氨基。蓝莓的添加，对于乳清蛋白蓝莓嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌发酵体系中游离氨基含量影响较小。因此，蓝莓的加入不影响对于乳清蛋白发酵体系中游离氨基变化。而保加利亚乳杆菌发酵体系中游离氨基含量高于嗜热链球菌。

2.5 不同乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白发酵体系总酚及花色苷含量的影响

花色苷属多酚类物质，是一种水溶色素，以多糖形式出现， 花色苷具有黄酮类化合物的 C6—C3—C6碳结构， 即 2个芳香环和 1个含氧杂环，它的配基花色素与各种糖结合形成不同的配糖体。多酚物质具有广泛的生物活性， 包括抗氧化、抗辐射、清除自由基、抗突变、抗衰老、抗肿瘤、抗病毒、促血管舒张、抗菌等作用[20]。

由图4可知，接入保加利亚乳杆菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系发酵24、36、48 h时，多酚含量都显著高于接入嗜热链球菌和混合菌种。接入嗜热链球菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时与发酵前相比，多酚含量无显著差异，在发酵36 h时，多酚含量显著降低，发酵48 h时多酚含量显著上升，但含量仍低于发酵前。接入保加利亚乳杆菌的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时与发酵前相比，多酚含量显著增加，在发酵36 h时，多酚含量显著降低，但含量仍高于发酵前，发酵48 h时多酚含量显著上升。接入混合菌种的蓝莓-乳清蛋白发酵体系在发酵24 h时与发酵前相比，多酚含量降低，在发酵36 h时，多酚含量显著降低，发酵48 h时多酚含量显著上升，但含量仍低于发酵前。由图2可知，在发酵36 h时，嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌和混合菌种发酵后产生的沉淀相对于发酵24和48 h时多。蛋白质与多酚相互作用会引起蛋白质结构的改变，导致蛋白质疏水-亲水性的相应变化以及溶解度的改变[21]。由于多酚与蛋白质会发生相互作用而产生沉淀，所以多酚含量降低。由图3可知，发酵48 h时，蛋白质水解，转变为游离氨基酸。多酚可与蛋白质发生结合，且相互作用较弱，而在某些外界条件下，可与邻近的分子产生共价键结合[22]，因此蛋白质与多酚结合的沉淀会出现分解，所以多酚含量在发酵48 h上升。由嗜热链球菌发酵48 h时的蓝莓-乳清蛋白发酵体系花色苷含量小于发酵36 h时花色苷含量，发酵36 h时的乳清蛋白蓝莓果汁发酵体系花色苷含量小于发酵24 h时花色苷含量。主要是随着时间的推移，接入的嗜热链球菌利用了蓝莓-乳清蛋白发酵体系中的糖，使得体系含糖量降低，而相对较高的含糖量对花色苷有稳定保护作用[23-24]，较高的糖浓度下，果汁的水份活度降低，进而影响花色苷转化为假碱式结构的速率[25-26]。接入保加利亚乳杆菌发酵后的蓝莓-乳清蛋白发酵体系花色苷含量在36 h时达到最高。另外，在36 h时，蓝莓-乳清蛋白发酵体系pH显著下降(表1)， 而较低pH对花色苷有稳定保护作用[27]。较低的水份活度及pH对花色苷有稳定保护作用[28]。接入保加利亚乳杆菌发酵后的乳清蛋白蓝莓果汁发酵体系花色苷含量在48 h时显著下降，由于蔗糖被保加利亚乳杆菌利用含量变低，蔗糖对花色苷有稳定保护作用，所以48 h时花色苷降低。蔗糖浓度增加，蓝莓花色苷的稳定性增强[29]。而混合菌种发酵后的乳清蛋白蓝莓果汁发酵体系花色苷含量在发酵36 h时达到最低，因为保加利亚乳杆菌产生的代谢产物能够促进嗜热链球菌的生长和胞外多糖的分泌，而保加利亚乳杆菌本身产生胞外多糖较少，嗜热链球菌产生胞外多糖较多，乳酸菌胞外多糖能够不同程度地降低花色苷含量[30]。

图4 不同乳酸菌对蓝莓-乳清蛋白发酵体系中总酚及花色苷的含量的影响

由此可见，保加利亚乳杆菌发酵蓝莓-乳清蛋白体系24 h时，与混合菌种发酵24 h相比花色苷含量差异不显著(P>0.05)，而发酵到36 h时，保加利亚乳杆菌单独发酵花色苷含量显著高于混合菌种发酵(P<0.05)。因此，保加利亚乳杆菌发酵蓝莓-乳清蛋白体系在36 h时有助于花色苷含量的保持。

2.6 FTIR结果分析

图5 乳酸菌发酵蓝莓-乳清蛋白体系红外光谱变化

蓝莓-乳清蛋白体系中有羟基、甲氧基等特征基团，这些基团也是花色苷类物质的特征基团。蓝莓-乳清蛋白发酵体系中酰胺带的峰形发生明显变化，可能是花色苷类物质与蛋白结合，导致蛋白结构发生变化[31]。乳清蛋白在混合菌发酵后，酰胺键和羟基峰显著增加，说明保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌有促进乳清蛋白水解作用。乳清蛋白体系在加入蓝莓后经过混合菌发酵，酰胺键和羟基峰显著降低，主要是蛋白的酰胺键和蓝莓花色苷及多酚中的羟基发生相互作用导致。另外，由图5可知，保加利亚乳杆菌单独发酵乳清蛋白蓝莓体系，羟基峰显著增加，再加入嗜热链球菌混合发酵后，羟基峰显著降低。由此可知，保加利亚乳杆菌有促进蛋白水解作用，而嗜热链球菌有促进乳清蛋白多肽与蓝莓汁中花色苷及多酚类物质结合的作用。

3 结论

本研究选用保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌及其混合菌种对蓝莓-乳清蛋白混合体系进行发酵，发酵过程中体系颜色产生明显变化。混合菌种发酵36 h后颜色变化最小，最接近于发酵前蓝莓-乳清体系的紫红色。单独采用保加利亚乳杆菌发酵蓝莓乳清蛋白体系48 h时产生的沉淀率最低，游离氨基含量最高。同时接种保加利亚乳杆菌的蓝莓-乳清体系中在发酵24 h时多酚含量最高。因此，蓝莓-乳清蛋白体系中酚类化合物的稳定性与发酵菌种和发酵时间相关。红外光谱结果表明，经不同乳酸菌发酵后的蓝莓-乳清蛋白发酵体系中酰胺带的峰形发生明显变化主要是蓝莓-乳清发酵体系中花色苷类物质与蛋白结合导致蛋白结构发生了变化。综合以上各因素，蓝莓-乳清蛋白体系在保加利亚乳杆菌发酵24～48 h之间，有助于产品颜色、稳定性和活性成分的保持。