复合酵素的贮藏稳定性及货架期研究

刘恒,范柳萍*,张涛,潘牧

1(江南大学 食品学院,江苏 无锡,214122)2(贵州省农业科学院生物技术研究所,贵州 贵阳,550006)

中华人民共和国轻工行业标准QB/T 5323—2018《植物酵素》中规定食用植物酵素是指以可用于食品加工的植物为主要原料,添加或不添加辅料,经微生物发酵制得的含有特定生物活性成分可供人类食用的酵素产品。其中,复合酵素指的是以两种及以上原料或菌类做成的一类产品,它相对于单一酵素,具有更优异的品质。植物性原料经微生物发酵后,不仅保留了其本身的营养成分,还产生了一些新的活性物质[如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、γ-氨基丁酸等]和香气化合物,使得原料的功能性和风味均有所提升[1]。《植物酵素》中对食用植物酵素的感官品质和理化指标给出了明确的要求,其中感官品质要求复合酵素具有其产品应有的气滋味和色泽,无正常视力可见外来杂质;理化指标包括一般性理化指标和特征性理化指标,其中对pH值、多酚和乙醇含量、微生物细胞数等做出了明确的规定。此外,复合酵素的货架期是反映其质量安全的重要指标。

在工业应用中,为了快速且准确的完成对食品货架期的预测,通常会引入加速保质期实验和Arrhenius方程。其中,加速保质期实验的原理是将食品暴露在高温下,以提高食品的老化速度,缩短保质期测试时间[2]。Arrhenius方程描述了食品的货架期指标变化的反应速率与温度之间的关系,常用于预测食品的货架期[3]。目前越来越多的研究人员通过构建货架期模型来预测酵素产品的货架期,然而,现有的研究多是针对单原料或者单菌种制备酵素的货架期预测,且并未对零级、一级动力学反应进行适配度选择。白琳[4]将杀菌后的蓝莓酵素置于8、25、37 ℃下恒温贮藏,测定了蓝莓酵素的感官品质和理化指标在贮藏过程中的变化,同时引入Arrhenius方程和一级动力学方程构建了蓝莓酵素保质期预测模型,最终得到结论:以SOD活力为评价指标时,蓝莓酵素在常温下的货架期为283 d。曾光[5]将接菌发酵和自然发酵的2种酵素产品分别放置在4、25、37 ℃下恒温贮藏,测定了2种酵素的感官评分、色泽、多酚、黄酮等指标的变化,结合Arrhenius方程以及权重模糊法,建立了酵素相应品质参数的货架期预测模型和品质综合评价计算方法,其中,品质综合评价=感官评分×30%+pH×25%+色差×30%+总酚含量×15%。

本研究通过将巴氏杀菌后的复合酵素放置在不同温度下贮藏,测定了其贮藏过程中感官品质、理化指标、活性成分的变化,根据Arrhenius方程对零级或一级动力学反应进行适配度选择,在此基础上建立货架期模型,并以SOD活力为指标预测复合酵素的货架期,之后在通过实验进行验证,可为复合酵素的工业化应用提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

香蕉、西兰花、枸杞,江苏无锡滨湖区华润万家超市;克鲁弗毕赤酵母菌 XT110,中国典型微生物菌种保藏中心;植物乳植杆菌CICC 21796,中国工业微生物菌种保藏管理中心;纤维素酶、果胶酶、淀粉酶,均为食品级,河南万邦化工科技有限公司;Na2SO3, K2HPO4,均为食品级,郑州优宝嘉食品旗舰店。

1.2 仪器与设备

JM-L50胶体磨,强忠机械科技有限公司;MQD-S2R振荡培养箱,上海旻泉仪器有限公司;ZHJH-C1209C超净工作台,上海智城分析仪器制造有限公司;FE-20型pH计,梅特勒-托利多仪器有限公司;L8紫外可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;LC-20A液相色谱分析仪,日本岛津公司;UltraScan Pro 1166色差仪, Hunterlab。

1.3 复合酵素的制备

将香蕉、西兰花、枸杞和去离子水以质量比1∶1∶1∶10混合,用胶体磨打浆处理后加入纤维素酶、果胶酶和淀粉酶各0.04%(质量分数)酶解并过滤,之后将滤液pH值和可溶性固形物含量(soluble solid content,SSC)分别调节到5.0和15%;在无菌条件下加入0.02%(质量分数)的食品级Na2SO3,并放置在25 ℃下2 h进行灭菌处理;之后在超净工作台中接种6.00 lg CFU/mL的克鲁弗毕赤酵母菌,发酵24 h后在将发酵液的pH值和SSC分别调节为6.5和18%,并接种7.00 lg CFU/mL植物乳植杆菌开始7 d的共发酵。

将发酵结束后的复合酵素进行65 ℃、30 min的巴氏杀菌处理,并分别放置在4、25、37 ℃下恒温贮藏,每隔1周进行取样,用于测定其品质的变化。

1.4 复合酵素在贮藏期间颜色参数的变化

1.4.1 复合酵素色差的测定

用色差仪来测定复合酵素在贮藏期间的色泽变化,用CIE-L*a*b*系统表示,其中L*代表亮度值,a*代表红色/绿色值;b*代表黄色/蓝色值。样品的总色差变化(ΔE)根据公式(1)计算[6]:

(1)

复合酵素在贮藏期间的色度(C*)和色调(h*)根据公式(2)、公式(3)计算[7]:

(2)

(3)

1.4.2 复合酵素褐变指数的测定

参照WANG等[8]的方法并略有修改。取2 mL复合酵素液与95%(体积分数)的乙醇等体积混合,在4 000 r/min离心15 min后取上清液,在420 nm处测定吸光值即为其褐变指数。试验以95%乙醇为空白对照。

1.5 复合酵素感官评价

基于ZHANG等[9]的方法并略有修改。从江南大学本科生和研究生中挑选了24名评审员(男12名,女12名),年龄18～35岁。在进行感官分析之前,对评审员进行了评级方法、术语、属性和感官特征的培训。将不同贮藏条件的复合酵素(50 mL)随机放入透明玻璃瓶中,瓶内随机3位数编码,无特殊含义。评审员根据表1中的评分标准对复合酵素进行评分,将其分为4个部分:色泽、组织状态、口感和气味。感官得分是各部分得分的总和。

表1 感官评分标准Table 1 Sensory scoring criteria

1.6 复合酵素在贮藏期间pH和总酸的变化

使用pH计测定pH值;总酸含量采用GB 12456—2021《食品中总酸的测定 酸碱指示剂滴定法》进行测定。

1.7 复合酵素在贮藏期间SSC和糖酸比的变化

SSC通过阿贝折光仪来进行测定。复合酵素的糖酸比根据公式(4)测得:

(4)

1.8 复合酵素在贮藏期间总酚含量的变化

采用福林酚法来测定总酚含量,具体操作参照文献[1]并略有修改。称取0.100 g没食子酸标准品,加少量水溶解,转移至1 000 mL容量瓶中,定容并摇匀,得到1 mg/mL的没食子酸标准溶液。分别吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL标准溶液于比色管中,先加入0.5 mL的福林酚试剂,混合均匀后再加入2 mL的7.5%(质量分数)Na2CO3溶液,并将比色管置于70 ℃水浴中加热30 min,冷却后用去离子水将溶液定容至10 mL,并在750 nm处测定其吸光值。以浓度为横坐标,吸光值为纵坐标建立标准曲线。同时,取适量样液按照上述操作测定吸光值,通过标准曲线即可得到样品中的总酚含量。

1.9 复合酵素在贮藏期间SOD活力和抗坏血酸的变化

采用邻苯三酚自氧化法来测定SOD活力,具体操作参照GB/T 5009.171—2003《保健食品中超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定》。采用配备有Waters Atlantis C18反相柱(150 mm,4.6 mm×3 μm)高效液相色谱仪来分析复合酵素中抗坏血酸的含量,具体操作参照文献[10]并略有修改。总的来说,选择0.01%(体积分数)硫酸溶液作为流动相并等梯度洗脱,流速0.7 mL/min。柱温25 ℃,检测波长245 nm。将样品通过0.22 μm的水膜过滤以用于测定,进样量10 μL。用外标法进行定量分析,从而得到样品中的抗坏血酸含量。

1.10 复合酵素货架期模型的构建

货架期模型的建立基于数学建模的思想[8],以复合酵素为研究对象,根据其在贮藏期间的理化指标、生物活性物质和感官品质的变化,将零级和一级反应动力学结合Arrhenius方程,建立货架期模型,对该复合酵素的货架期进行预测。如公式(5)～公式(9)所示:

零级反应动力学模型:C=C0+kt

(5)

一级反应动力学模型:C=C0ekt

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:C0,特征指数的初值;C,td后的特征指标值;k和k0,反应速率常数;Ea,活化能,J/mol;R,摩尔气体常数,8.314 4 J/(K·mol);T,绝对温度,K;t,复合酵素饮料的储存时间,d。

1.11 数据分析

各组实验重复3次,采用SPSS 26.0进行统计分析,P<0.05表示结果差异显著;Origin 2021软件进行作图处理。

2 结果与分析

2.1 不同温度下贮藏时间对复合酵素感官品质的影响

2.1.1 颜色参数在贮藏期间的变化

除了水果饮料的营养价值之外,颜色是影响消费者偏好的最重要因素之一。复合酵素在贮藏期间(4、25、37 ℃)的L*、a*、b*、ΔE、C*、h*值如图1所示,L*和a*值呈现降低的趋势,而b*、ΔE、C*、h*值则逐渐增加。说明在贮藏过程中,复合酵素的亮度变暗,而黄色略有加深。这可能是由于复合酵素在贮藏过程中的褐变现象所引起的。

ΔE值是衡量色值差异的量度,如图1-d所示,复合酵素在4 ℃保存时,其颜色变化不大,但温度越高,颜色变化越明显(P<0.05)。复合酵素的C*和h*值也随温度和时间的延长有着显著的增高(P<0.05),这也为描述复合酵素的颜色变化提供参考。C*值是某种颜色的强度,当此变量取值接近0时,有中性色(灰色),当它逐渐增大时,代表其颜色强度变大[11],而h*值增加则表明复合酵素的黄色有增加的趋势,这与b*值的结果相对应。可以看出,复合酵素的稳定性在储存过程中逐渐降低,温度对ΔE值有着显著的影响。可能的原因是高温增加了色素沉积,导致可见的颜色变化[12],这表明高温不利于复合酵素的贮藏。综上,在低温下贮藏可以延缓复合酵素的颜色变化,减缓其品质的下降。

2.1.2 褐变指数在贮藏期间的变化

果蔬汁饮料在贮藏过程中通常会发生褐变反应,这会直接影响饮料的品质。如图2所示,随着贮藏时间的延长,4、25、37 ℃贮藏的复合酵素的褐变指数均呈上升趋势,褐变指数由最初的0.833±0.016分别上升至0.913±0.019、0.948±0.018和1.107±0.017。表明褐变指数与温度和时间存在着正相关关系。

复合酵素中的褐变主要分为酶褐变和非酶褐变,而该复合酵素中褐变的主要原因是非酶褐变,主要是由其中美拉德反应等造成的[13]。此外,抗坏血酸和多酚的降解也会导致褐变[14]。37 ℃贮藏饮料的褐变指数显著高于其他温度下的褐变指数(P<0.05)。这是因为高温会加速复合酵素中抗坏血酸的降解和酚类的氧化聚合,导致褐变程度增加[15]。所以,我们猜测前期褐变指数增加缓慢可能是由于多酚和抗坏血酸的大量存在,而随着后面两者的降低,褐变指数也迅速升高。

a-L*;b-a*;c-b*;d-ΔE;e-C*;f-h*图1 不同贮藏温度下复合酵素的颜色参数L*、a*、b*、ΔE、C*、h*的变化Fig.1 Change of color parameters L*, a*, b*, ΔE, C*,and h* of complex Jiaosu at different storage temperatures

图2 不同贮藏温度下复合酵素的褐变指数的变化Fig.2 Change of browning index of complex Jiaosu at different storage temperatures

2.1.3 复合酵素在贮藏期间的感官分析

通过数字化评分的方式描述了复合酵素在贮藏期间感官品质的变化。从表2可以看出,无论复合酵素在何种温度下贮藏,随着时间的延长,复合酵素的感官品质均呈现出不同程度的下降趋势。在较高的温度(37 ℃)下,复合酵素的感官品质劣化加速并导致感官评分迅速下降,而在4、25 ℃下感官品质变化较慢,尤其是4 ℃时复合酵素的感官评分由最初的100.00±0.00缓慢下降至85.44±0.56,相较于其他温度,稳定性较好,说明低温贮藏条件有利于保持复合酵素的感官品质。

表2 复合酵素在贮藏期间感官评分的变化 单位:分

2.2 不同温度下贮藏时间对复合酵素理化品质的影响

2.2.1 pH和总酸的分析

复合酵素的pH值和总酸是评价其体系的重要指标,他们的变化可以很大程度上影响复合酵素的品质。在3种不同的贮藏温度下测得的pH值和总酸如图3所示。不同温度下贮藏的复合酵素pH值随着贮藏时间的延长呈下降的趋势,pH值在贮藏56 d后由最初的3.96逐渐稳定至3.27～3.48。而总酸随着贮藏时间的延长而逐渐增长,且温度越高增长幅度越大。总酸在贮藏56 d后由最初的0.46%逐渐稳定至0.58%～0.76%。复合酵素pH值下降的主要原因是有机物分解产生乙酸和乳酸等酸性物质[16]。并且,随着储存温度的升高,pH值下降速度加快。这可能是因为高温会更大程度的破坏体系稳定性,从而加速其中大分子物质的降解。抗坏血酸在贮藏过程中的氧化降解也会导致饮料pH的降低和总酸的增长[17]。IHSAN MABOOD[18]用胡萝卜、柠檬和生姜制备的饮料,在储存期间pH值从3.91降低到3.37。PUREWAL等[17]研究了储存时间对即食Kinnow-Amla饮料的总酸的影响,结果发现,随着温度和时间的延长,pH值和总酸分别出现下降和上升的趋势,这也与我们的研究一致。

图3 不同贮藏温度下复合酵素的pH值和总酸的变化Fig.3 Change of pH and total acids of complex Jiaosu at different storage temperatures

2.2.2 SSC和糖酸比的分析

SSC是以果蔬汁为基质的饮料的一个特性指标,与饮料的品质息息相关。如图4-a所示,4、25、37 ℃下贮藏的复合酵素的SSC均呈现显著降低的趋势(P<0.05)。在3个温度下的贮藏期达56 d时,复合酵素的SSC与贮藏前(9.86%)相比,分别降低至9.17%、8.61%、8.28%。这种现象可能是由于复合酵素中某些物质之间发生了美拉德反应[19],使得其中的一些可溶性化合物变为不溶性物质,降低了复合酵素的稳定性。此外,复合酵素中的一些营养成分在贮藏过程中会发生分解,这也会在一定程度上导致SSC含量的下降,从而降低了体系的营养和稳定性[8]。并且,温度的升高在一定程度上会加速这些转化,所以,将复合酵素放置在4 ℃下贮藏,可以最大限度地保留SSC的含量。

糖酸比可以影响复合酵素的口味,而食品生产中常通过调节该比值来控制其口感。糖酸比还会影响复合酵素的品质和保质期等。如图4-b所示,在贮藏过程中,复合酵素的糖酸比呈现降低的趋势,在贮藏期达56 d时,4、25、37 ℃贮藏的复合酵素饮料的糖酸比分别降低至15.78、13.27、10.86。因此,4 ℃下贮藏的复合酵素具有更高的稳定性,更好地保持了其品质属性。

a-SSC;b-糖酸比图4 不同贮藏温度下复合酵素的SSC和糖酸比的变化Fig.4 Change of SSC and sugar acid ratio of complex Jiaosu at different storage temperatures

2.3 不同温度下贮藏时间对复合酵素活性成分的影响

2.3.1 总酚含量的分析

酚类化合物是衡量复合酵素营养品质的重要指标。如图5所示,4、25、37 ℃贮藏的复合酵素的总酚含量在第1周内均出现小幅度增长,之后随着时间的延长而逐渐降低。张正伟[6]在杨梅酒的贮藏前期也观察到了总酚含量的增长,并推测可能是由于结合酚与其他大分子间的化学键随时间发生断裂,释放出更多的酚羟基基团导致的。ZHANG等[20]对蔓越莓汁进行喷雾干燥,之后放置在25 ℃贮藏,贮藏期间也观察到了类似的现象,他们认为这可能是由于共轭多酚的水解。

随着贮藏时间的延长,复合酵素中的总酚含量出现不同程度的降低。在4、25、37 ℃时,总酚含量分别下降了31.35%、38.20%、42.43%。比较3种贮藏温度,4 ℃更有利于复合酵素中多酚的最大保留。ESCOBAR-ORTIZ等[21]分析了在4、25、35、45、80 ℃下储存45 d的芙蓉花提取物中酚类物质的变化,结果也发现了总酚含量类似的下降趋势。此外,氧气浓度也会直接影响多酚的保留,所以,在贮藏过程中,应尽量选择隔氧性较好的包装材料,从而有效保护多酚不被氧化。

图5 不同贮藏温度下复合酵素的总酚含量的变化Fig.5 Change of total phenols content of complex Jiaosu at different storage temperatures

2.3.2 SOD活力和抗坏血酸含量的分析

SOD活力是影响复合酵素品质的重要指标。如图6-a所示,SOD活性在不同贮藏温度下均有一定的损失,贮藏期达56 d时,4、25、37 ℃下的SOD活力较贮藏前[(24.75±0.58) U/mL]分别降低至(19.17±0.24)、(17.99±0.25)、(15.70±0.27) U/mL。温度越高,SOD活力的损失越严重。因此,温度是影响SOD活力的主要因素之一。WANG等[8]将在板栗玫瑰饮料的储存中也发现相似的SOD活力变化趋势。

如图6-b所示,复合酵素的抗坏血酸含量在贮藏过程中发生了一定程度的降解。4、25、37 ℃下的抗坏血酸含量相比于贮藏前分别降低了33.10%、52.11%、77.93%。一般认为,这种降低趋势主要是复合酵素体系中抗坏血酸的氧化降解造成的,并且这种降解在有氧和无氧条件下都可以发生[22],此外,复合酵素中存在的金属离子可能也会导致抗坏血酸的损失[23]。高温也会加剧抗坏血酸的降解[10],可能是较高的温度促进了其氧化降解的过程。总的来说,在储存期间,温度和溶解氧浓度在决定饮料中抗坏血酸降解量方面起着重要作用。

此外,WANG等[8]发现复合酵素饮料中抗坏血酸含量越高,SOD活性也越不容易损失。根据我们的研究结果,随着贮藏时间的增加,复合酵素饮料中的抗坏血酸含量发生了一定量的损失,并且随着抗坏血酸含量的下降,SOD活性下降速度也加快。所以,较高的抗坏血酸含量以及较低的温度可能有利于SOD活性的保留。

a-SOD活力;b-抗坏血酸含量图6 不同贮藏温度下复合酵素的SOD活力和 抗坏血酸含量的变化Fig.6 Change of SOD activity and ascorbic acid content of complex Jiaosu at different storage temperatures

2.4 复合酵素的货架期

2.4.1 货架期模型的构建与预测

SOD作为复合酵素中的一种关键性功效酶,与其品质直接相关。因此,SOD活性往往成为判断复合酵素货架期的关键。QB/T 5323—2018对SOD活力和保存时间都有着明确的规定,其中,SOD活力要求在15 U/L以上,且保存时间不少于180 d。根据前文分析,SOD活力在贮藏期间显著降低,因此,以SOD活性作为评价指标判断复合酵素的货架期。白琳[4]以SOD活力为指标监测蓝莓酵素的货架期,得到蓝莓酵素在25 ℃贮藏时的货架期为283 d。然而,在酵素的工业应用中,若直接通过测定SOD活力的变化来判断酵素的货架期,会耗费大量的人力和物力,建立可靠的预测模型具有非常重要的意义。本研究使用动力学模型和Arrhenius方程来对该复合酵素的货架期进行分析和预测。如表3所示,零级反应的R2平均值较高,说明对于SOD活力而言,零级反应方程可以更好的拟合其在不同贮藏条件下随时间的变化。根据表3中不同贮藏温度下的动力学常数k值,从而得出lnk值。并根据Arrhenius方程,以lnk为纵坐标,-1/T(T为绝对温度)为横坐标,得出该复合酵素在不同贮藏温度下的线性回归方程:y=1 109.9x+1.715 4,R2为0.940 3。根据该方程的斜率和截距计算得出Ea值和K0值(表4)。在将Ea值和K0值代入零级反应货架期模型方程,得到在该复合酵素在25 ℃下的货架期为184 d。

表3 不同贮藏温度下复合酵素饮料SOD活力的 反应速率常数和测定系数Table 3 Reaction rate constant and determination coefficient of SOD activity in complex Jiaosu during storage at different temperatures

表4 基于SOD活力的Arrhenius方程Table 4 Arrhenius equation based on SOD activity

2.4.2 货架期模型的验证与分析

为了验证所构建的预测模型的准确性,我们将复合酵素饮料分别放置在10、20、25 ℃下储存,并且以SOD活力为评价指标,验证该模型的准确性.如表5所示,复合酵素在不同温度下贮藏时,货架期预测值与实测值的相对误差均在5%以下,所以,此模型具有较高的准确性。对于酵素的工业化发展具有重要的意义。

表5 复合酵素货架期的验证及误差Table 5 Validation and relative error of shelf life of complex Jiaosu

3 结论与讨论

本研究对复合酵素在贮藏期间的稳定性进行了考察,探究了不同时间和温度对复合酵素品质的影响,并建立了一个可靠的货架期预测模型。结果发现,复合酵素在不同温度下贮藏时,pH值、SSC和糖酸比均显著下降,SOD活力、抗坏血酸等活性成分损失严重,且抗坏血酸对SOD活力具有一定的保护作用。ΔE和褐变指数也随温度和时间的延长而显著提高,因此,4 ℃贮藏的复合酵素具有最高的稳定性。此外,以SOD活力为指标构建复合酵素的货架期模型时,零级反应动力学与Arrhenius方程更为适配,这样得到的模型也较为可靠。后续的研究应尝试施加不同的处理方式(充氮、更换包装材料等)去延长复合酵素的货架期,为开发更高品质的复合酵素奠定基础。