番茄酵素发酵工艺优化及营养成分变化分析

2024-05-29王瑞陈洁如刘亚平李泽珍孙胜狄建兵

中国调味品 2024年4期

王瑞陈洁如刘亚平李泽珍孙胜狄建兵

摘要：以番茄为原料，植物乳杆菌为发酵菌种，超氧化物歧化酶（SOD）和总酸为评价指标，采用单因素试验和Box-Behnken试验优化番茄酵素的发酵工艺，并分析监测番茄酵素发酵过程中营养成分和相关酶活性变化。结果表明，在最佳接种量0.3%、发酵温度37 ℃、初始pH值5.5、发酵时间40 h的条件下，番茄酵素SOD活性达147.63 U/g，总酸含量为48.60 g/kg。发酵过程中，pH值和可溶性固形物含量均随着发酵时间的增加而持续下降，总酸含量持续上升，还原糖、总酚含量及SOD活性、脂肪酶活性均先上升后下降，番茄红素含量先持续下降后上升再下降；同时对各营养成分与酶活性进行相关性分析，结果表明各营养成分之间存在一定相关性。

关键词：番茄酵素；发酵工艺；优化；营养成分

中图分类号：TS205.5 文献标志码：A 文章编号：1000-9973（2024）04-0011-07

Optimization of Tomato Enzyme Fermentation Process and Analysis

of Change of Nutritional Components

WANG Rui1， CHEN Jie-ru1， LIU Ya-ping1， LI Ze-zhen1， SUN Sheng2， DI Jian-bing1*

（1.College of Food Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801，

China; 2.College of Horticulture， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， China）

Abstract： With tomato as the raw material， Lactobacillus plantarum as the fermentation strain， superoxide dismutase （SOD） and total acid as the evaluation indexes， single factor test and Box-Behnken test are used to optimize the fermentation process of tomato enzyme， and the changes of nutritional components and related enzyme activity during the fermentation of tomato enzyme are analyzed and monitored. The results show that under the conditions of the optimum inoculation amount of 0.3%， fermentation temperature of 37 ℃， initial pH value of 5.5 and fermentation time of 40 h， SOD activity of tomato enzyme reaches 147.63 U/g， and the total acid content is 48.60 g/kg. During the fermentation， both pH value and content of soluble solids decrease continuously with the increase of fermentation time， while the total acid content increases continuously. The content of reducing sugar and total phenols， the activity of SOD and lipase all increase firstly and then decrease， while the content of lycopene firstly decreases continuously， and then increases and then decreases again. At the same time， correlation analysis is conducted on various nutritional components and enzyme activity， and the results show that there is a certain correlation among various nutritional components.

Key words： tomato enzyme; fermentation process; optimization; nutritional components

收稿日期：2023-10-09

基金項目：山西省重点研发课题（202102140601015-4）

作者简介：王瑞（1998—），女，硕士研究生，研究方向：农产品加工与贮藏。

*通信作者：狄建兵（1978—），男，副教授，硕士，研究方向：农产品加工与贮藏。

番茄是一种常见的果蔬，原产于南美洲，属于茄科植物，是世界上最常见和广泛种植的蔬菜之一[1]。番茄不仅具有美味可口的口感，而且富含维生素C、维生素A、维生素K和多种矿物质，如钾、镁和叶酸等丰富的营养成分和有益于健康的化合物。此外，番茄中还含有丰富的抗氧化物，如番茄红素、β-胡萝卜素和多酚，具有抗氧化、抗炎、降血脂和抗动脉粥样硬化等益处，有助于预防心脏病和某些癌症[2-4]。

酵素是由多种微生物对新鲜水果、蔬菜、菌菇和中草药等天然原料进行发酵，最终产生的具有功能性的发酵产物。酵素中不仅包含酶本身，而且含有通过酶作用分解而成的小分子营养素，以及多种有机酸、氨基酸、脂类和多酚等[5]，它们在生物体内发挥着重要的功能，在人体代谢过程中起到调节肠道菌群[6-7]、抑菌[8]、解酒护肝[9-10]、减肥、美容养颜、抑制肿瘤[11]等功能。因此，酵素类产品引起了大量学者的重视。吕明珊等[12]用鼠李糖乳杆菌和副干酪乳杆菌对桑葚进行发酵，制备了一种具有良好抗氧化性的酵素。芮蓬等[13]用乳酸菌、醋酸菌对金果梨紫薯酵母发酵液进行混菌发酵制备了金果梨紫薯酵素。

当前市场上番茄加工产品和调味品种类丰富，包括番茄酱、发酵番茄汁、番茄罐头、番茄沙司等，但是，番茄酵素类产品尚为空白。近年来，酵素产品由于其特殊的口味和丰富的营养成分受到了广大消费者的青睐。酵素是生物体内的蛋白质分子，在生物体内的代谢过程中扮演着关键角色，促进了众多生化反应的进行[14]。因此，试验以番茄为原料，采用单因素试验和Box-Behnken试验确定番茄酵素的最佳发酵工艺，并分析监测番茄酵素发酵过程中营养成分及相关酶活性变化，为番茄新功能产品的开发提供了依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

新鮮番茄：千禧圣女果，购于山西省晋中市太谷区御锦新天地生活超市；植物乳杆菌（≥100亿CFU/g）：购于镇江市天益生物科技有限公司。

1.1.2 主要试剂

试验试剂见表1。

1.2 仪器与设备

试验仪器与设备见表2。

1.3 试验方法

1.3.1 番茄酵素制备工艺流程

新鲜番茄→去柄→清洗→沥干→破碎→酶解→杀菌→菌种活化→接种→发酵→过滤→成品。

1.3.2 番茄酵素制备工艺操作要点

番茄预处理：挑选新鲜番茄，去柄、清洗干净，将水分沥干后放入榨汁机中破碎。

酶解：取破碎后的番茄，加入1.2%果胶酶和0.6%纤维素酶在50 ℃水浴条件下酶解150 min。

杀菌：为避免发酵液中的杂菌对菌种发酵过程产生负面影响而导致不良风味的产生，采用巴氏杀菌，在75 ℃条件下杀菌15 min。

菌种活化：取适量的植物乳杆菌干粉，以无菌水溶解，将溶液置于37 ℃水浴锅中活化30 min。

接种发酵：酶解产物杀菌后在无菌条件下接入已活化的植物乳杆菌，放入恒温恒湿培养箱中37 ℃发酵40 h，发酵产物过滤备用。

1.3.3 番茄酵素发酵单因素试验

1.3.3.1 发酵温度

固定发酵时间为40 h、接种量为0.4%、初始pH值为5.5，设置发酵温度分别为22，27，32，37，42，47 ℃，探究不同发酵温度对SOD活性和总酸的影响。

1.3.3.2 发酵时间

固定发酵温度为37 ℃、接种量为0.4%、初始pH值为5.5，设置发酵时间分别为10，20，30，40，50，60 h，探究不同发酵时间对SOD活性和总酸的影响。

1.3.3.3 接种量

固定发酵温度为37 ℃、发酵时间为40 h、初始pH值为5.5，设置接种量分别为0.1%、0.4%、0.7%、1.0%、1.3%、1.6%，探究不同接种量对SOD活性和总酸的影响。

1.3.3.4 初始pH值

固定发酵温度为37 ℃、发酵时间为40 h、接种量为0.4%，设置初始pH值分别为4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，探究不同初始pH值对SOD活性和总酸的影响。

1.3.4 响应面优化试验

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验，选择对番茄酵素影响显著的3个因素，以接种量（A）、发酵温度（B）和初始pH值（C）为自变量，SOD活性（Y）为响应值，进行三因素三水平试验，见表3。

1.3.5 番茄酵素发酵过程中各营养成分及相关酶活性变化

根据优化的最佳工艺条件，调整原料初始pH值为5.5，接入0.3%的植物乳杆菌，在37 ℃下进行番茄酵素的发酵，选择0，12，24，36，48，60 h进行取样，测定pH值、总酸含量、可溶性固形物含量、还原糖含量、总酚含量、番茄红素含量及SOD活性、脂肪酶活性的变化，并进行相关性分析。

1.3.6 测定方法

pH值、总酸含量、可溶性固形物含量的测定：采用ST3100型pH计测定pH值，根据GB 12456—2021规定的方法测定番茄酵素中总酸含量，采用PAL-1型糖度计测定可溶性固形物含量；还原糖含量和总酚含量的测定：参照参考文献[15-16]的方法；SOD活性、脂肪酶活性的测定：采用SOD试剂盒、脂肪酶试剂盒进行测定；番茄红素含量的测定：参考牛晓琴[17]的方法。

1.4 数据处理分析

Box-Behnken试验用Design-Expert 10.0.1软件设计与分析，采用Origin 2021、IBM SPSS 26.0软件对所得数据进行绘图和分析，每个处理重复3次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 发酵温度对番茄酵素的影响

发酵温度不仅对微生物的生长代谢速度产生直接影响，而且会对酶催化反应产生影响，进而影响代谢产物的产量[18]。由图1可知，当温度为22 ℃时，SOD活性为126.86 U/g，总酸含量为27.60 g/kg；当发酵温度为37 ℃时，SOD活性和总酸含量显著上升（P<0.05），分别为141.22 U/g和42.30 g/kg，SOD活性增长11.32%，总酸含量增长53.26%。随着温度的继续上升，SOD活性和总酸含量显著下降（P<0.05），在47 ℃时分别降为122.19 U/g和11.4 g/kg。结果表明，温度过低，植物乳杆菌生长受到抑制，代谢产物生长缓慢；温度过高，菌体在短时间内迅速生长，加速了衰老，使SOD活性和总酸含量迅速降低。因此，选择发酵温度为32，37，42 ℃进行下一步响应面优化试验。

2.1.2 发酵时间对番茄酵素的影响

由图2可知，SOD活性在发酵的前30 h呈显著上升趋势（P<0.05），在40 h后缓慢下降。当发酵时间为40 h时，SOD活性最佳，为143.65 U/g，与30 h时差异不显著；发酵至60 h时，SOD活性下降到128.91 U/g；在发酵时间为10～40 h期间，菌种通过不断利用番茄汁中的糖类产生各种酸，特别是乳酸的积累[19]，导致产品的酸度显著上升（P<0.05），在40 h时总酸含量达到44.70 g/kg；随着发酵时间的增加，总酸含量逐渐累积，于60 h时达到最高，为47.70 g/kg。在40 h后，番茄汁中的营养物质被消耗殆尽，菌落的生长、分裂和死亡处于一个动态平衡状态，导致微生物的繁殖速度开始减慢，使总酸含量增长缓慢，SOD活性下降。但总酸含量过高会使产品的口感不协调，因此，确定番茄酵素的最佳发酵时间为40 h。

2.1.3 接种量对番茄酵素的影响

适当的接种量可以加快酵素发酵过程并提高菌种效率，过多或过少的接种量都可能导致不理想的结果[20]。由图3可知，植物乳杆菌接种量为0.1%时，菌种生长速度较慢，SOD活性和总酸含量都较低；接种量在0.4%时，SOD活性达到最大，为135.57 U/g，總酸含量为47.7 g/kg；接种量增加到0.7%时，SOD活性显著下降到131.82 U/g，总酸含量增加到48.00 g/kg，变化不显著；接种量在1.0%～1.6%之间，SOD活性和总酸含量持续下降。接种量过大，菌种利用有限的营养物质大量生长繁殖，造成代谢产物下降。因此，选择接种量为0.1%、0.4%、0.7%进行下一步响应面优化试验。

2.1.4 初始pH值对番茄酵素的影响

微生物的生产和代谢受到环境pH值的影响，不同微生物需要特定的pH值条件。因此，调整发酵液的起始pH值可以优化微生物在其中的生长环境，进而调节产生的酶活性，并对产物的转化率产生影响。由图4可知，初始pH值为4.5时，不在植物乳杆菌最适pH值的生长范围内，此时SOD活性和总酸含量较低；在pH值为5.0时，SOD活性迅速增加到140.59 U/g，增长16.77%；调整pH值为5.5时，总酸含量达到最高，为45.30 g/kg增长10.22%；当pH值高于5.5时，SOD活性和总酸含量显著下降（P<0.05）。较高的pH环境对植物乳杆菌的生长代谢产生抑制，在此范围内不适合菌种生长，故造成代谢产物含量减少。有研究表明[21]，大部分乳酸菌具有适应在酸性条件下（pH值5.5～6.0）生长的能力，与本研究结果相似。综合分析，选择pH值为5，5.5，6进行下一步响应面优化试验。

2.2 响应面优化试验结果

2.2.1 响应面试验结果与方差分析

根据单因素试验结果，采用Box-Behnken试验，选择对番茄酵素影响显著的3个因素，以接种量（A）、发酵温度（B）、初始pH值（C）为自变量，SOD活性（Y）为响应值，设计三因素三水平试验，试验结果及方差分析分别见表4和表5。

由表4可知，SOD活性（Y）与接种量（A）、发酵温度（B）、初始pH值（C）的回归方程为Y=135.73－4.31A+0.38B+0.20C－3.05AB+2.19AC+1.47BC－7.48A2－7.40B2－3.12C2。

由表5可知，该模型的F值=44.25且P值<0.000 1，差异极显著，失拟项的P值=0.711 8>0.05，差异不显著；相关决定系数R2=0.982 7，校正系数RAdj2=0.960 5，RPred2=0.906 7，PAdeq=20.460，各因素对SOD活性的影响结果与模型预测值具有良好的一致性，可以对植物乳杆菌发酵番茄酵素的工艺条件进行分析和预测。不同发酵因素对SOD活性的影响大小为接种量（A）>发酵温度（B）>初始pH值（C），一次项A、交互项AB和二次项A2、B2、C2对SOD活性的影响极显著（P<0.01），交互项AC的影响显著（P<0.05），其他因素均不显著（P>0.05）。

2.2.2 响应面各因素的交互作用及等高线图

3D响应面图和等高线图可明显地展示各因素交互作用对番茄酵素中SOD活性的影响程度。若响应面图陡峭坡度越大，说明各因素对番茄酵素SOD活性的影响越大；而等高线呈椭圆形或马鞍形，说明各因素对SOD活性的影响显著[22]。

由图5中a和b可知，随着各试验因素的增加，SOD活性均先上升后下降且3D图坡度较陡，说明AB与AC间的交互作用显著；同时，AB的陡峭程度大于AC，与方差分析结果一致。由图5中c可知，SOD活性随着番茄酵素发酵温度的升高先上升后下降，随着初始pH值的升高变化较缓慢，两者交互作用不显著（P>0.05）。

2.2.3 番茄酵素发酵最佳工艺验证试验

根据Design-Expert 10.0.1软件分析得到番茄酵素的最佳优化工艺条件为接种量0.31%、发酵温度37.42 ℃、初始pH值5.47。依据实际操作情况将工艺调整为接种量0.3%、发酵温度37 ℃、初始pH值5.5，此条件下SOD活性达147.63 U/g，与理论预测值接近，说明该模型对植物乳杆菌发酵番茄酵素的工艺优化具有可靠性。

2.3 番茄酵素发酵过程中营养成分及相关酶活性的变化

2.3.1 发酵过程中pH值、总酸含量、可溶性固形物含量和还原糖含量的变化

由图6可知，在0～24 h，由于植物乳杆菌利用糖分进行代谢并生成酸类产物，pH值显著下降（P<0.05），由初始的5.47下降到3.82，总酸含量显著上升（P<0.05），由10.50 g/kg上升到46.80 g/kg；可溶性固形物含量由8.87%下降到8.70%；同时由于一些小分子糖被溶解出来，还原糖含量由35.40 g/kg增加到40.35 g/kg。在24～60 h时，微生物持续利用碳源产生营养物质，pH值显著下降到3.58，总酸含量增加到65.10 g/kg，可溶性固形物含量和还原糖含量分别减少到7.93%，31.98 g/kg。

2.3.2 发酵过程中总酚含量的变化

总酚是指在样液中存在的所有酚类物质的总和，这些物质通常具有抗氧化性。通过监测总酚的含量，可以判断番茄酵素在发酵过程中抗氧化性的变化情况。由图7可知，总酚含量呈先上升后下降的趋势，在36 h時达到最大值537.98 μg/mL，比发酵前提高了5.44%；在36～48 h时，总酚含量急剧下降（P<0.05），减少到525.09 μg/mL；延长发酵时间至60 h，总酚含量缓慢减少为523.61 μg/mL，变化不明显（P>0.05）。植物乳杆菌通过发酵作用使植物细胞破裂并激活各种水解酶，结合态分子被水解成单体酚，进而增加总酚含量；在发酵后期，总酚含量下降可能是由于吸附、沉淀、氧化降解等因素的影响[23]。

2.3.3 发酵过程中SOD活性的变化

SOD是细胞防御系统中主要的抗氧化酶之一。SOD的作用包括预防氧化损伤、延缓衰老过程、减少紫外线辐射对皮肤的损伤、消炎，并且有一定的抗癌效果[24]。由图8可知，在0 h时，SOD活性最低，为110.52 U/g，发酵时间为36 h时，SOD活性较发酵前显著增加42.72%（P<0.05），为157.73 U/g，由于发酵时间增加，发酵液中的微生物数量可能逐渐增加，有利于SOD活性的释放；发酵时间延长到60 h时，在发酵过程中菌种与发酵环境中底物之间存在竞争关系，可能导致其他酶活性提高[25]，从而导致SOD活性显著下降到141.36 U/g（P<0.05）。

2.3.4 发酵过程中脂肪酶活性的变化

脂肪酶是具有重要作用的酶类，具备将复杂的大分子分解为更简单小分子物质的能力，对促进人体消化吸收和新陈代谢具有重要影响，因此，在保健品和减肥食品领域应用广泛。由图9可知，脂肪酶活性随着发酵时间的延长先上升后下降，但整体变化幅度不大。在发酵前期0～12 h阶段，脂肪酶活性仅从0.40 U/g增加到0.46 U/g；发酵时间为36 h时，脂肪酶活性达到最高，为0.53 U/g，可能是前期发酵液环境适合脂肪酶微生物的增长，导致脂肪酶活性逐渐增强；在36～60 h时，脂肪酶活性显著下降到0.46 U/g（P<0.05），可能是由于发酵脂肪时间过长、pH较低使发酵液变酸，从而降低了脂肪酶活力。

2.3.5 发酵过程中番茄红素含量的变化

番茄红素是番茄中含量最高的类胡萝卜素成分，占类胡萝卜素总量的90%。由图10可知，番茄红素在0～24 h由55.11 μg/mL下降到36.21 μg/mL，下降了52.20%，番茄红素容易受光照和温度等条件的影响而氧化，所以在短时间内番茄红素含量下降；发酵至36 h时，番茄红素含量增加到47.66 μg/mL，增长了31.62%时，有研究表明[26]，番茄制品中番茄红素的含量可以通过发酵而增加，发酵过程中，菌种会释放一些酶类，这些酶可以分解番茄组织细胞，使番茄红素得到释放；36～48 h可能由于发酵时间过长，番茄红素被降解，其含量下降。

2.3.6 发酵过程中各营养成分及酶活性的相关性分析

由表6可知，在番茄酵素发酵过程中，pH值与可溶性固形物含量和番茄红素含量呈极显著正相关（P<0.01），与总酸含量、总酚含量、SOD活性呈极显著负相关（P<0.01），而与脂肪酶活性呈显著负相关（P<0.05），说明pH值对各营养成分的影响较大；总酸含量与可溶性固形物含量、番茄红素含量呈极显著负相关（P<0.01），说明糖代谢生成了酸类物质，研究表明[27]，番茄红素在酸性条件下稳定性较弱，酸度越高，番茄红素含量越低，总酸含量与总酚含量、SOD活性呈极显著正相关（P<0.01）；可溶性固形物含量与还原糖含量呈极显著正相关（P<0.01）；总酚含量与SOD活性、脂肪酶活性呈极显著正相关（P<0.01）；SOD活性与脂肪酶活性呈极显著正相关（P<0.01），与番茄红素含量呈极显著负相关（P<0.01）。由此可知，在番茄酵素发酵过程中各理化指标会对营养成分及相关酶活性产生一定影响，各指标之间存在相关性。

3 结论

本试验以新鲜番茄为原材料，SOD活性和总酸含量为评价指标，并以单因素试验结合Box-Behnken试验优化番茄酵素的发酵工艺，结果表明，在接种量0.3%、发酵温度37 ℃、初始pH值5.5、发酵时间40 h的条件下，番茄酵素SOD活性最佳，高达147.63 U/g，总酸含量为48.60 g/kg。在此基础上，延长发酵时间为60 h，并对发酵过程中的各营养成分及相关酶活性变化进行分析监测，pH值和可溶性固形物含量持续下降，总酸含量持续上升，还原糖含量在24 h时达到最大值后持续下降；总酚含量、SOD活性和脂肪酶活性均在36 h时达到最大值后持续下降；番茄红素含量不稳定，发酵过程中受工艺条件等各种因素的影响呈波动式变化，发酵至60 h时含量显著降低；同时对各营养成分及相关酶活性进行相关性分析，结果表明它们相互之间产生一定的影响，各营养成分与酶活之间存在相关性。本试验结果可为番茄新功能产品的开发提供一定的依据。

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