沙棘酵素活性成分研究：不同发酵工艺的比较与优化
一、 研究团队与发表信息
本研究由楼玉珍（金华职业技术大学制药工程学院）、盛贻林（金华职业技术大学制药工程学院）、赵靓（浙江惠宝生物科技有限公司，通讯作者）、朱凯（浙江惠宝生物科技有限公司）和余向文（浙江惠宝生物科技有限公司）共同完成。研究成果以《3种不同发酵工艺制备的沙棘酵素活性成分比较》为题，发表于《食品工业》期刊2025年第46卷第8期。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于食品科学与工程领域，具体聚焦于功能性食品的发酵工艺与活性成分分析。沙棘作为一种药食同源的植物，富含多种生物活性物质，被誉为“维C之王”，具有极高的营养和药用价值。沙棘酵素是沙棘果深加工的高附加值产品之一，因其经过发酵过程能降低原果浆的酸涩味并富集多种有益成分（如有机酸、多酚、多糖等），从而具备促进消化、抗氧化、抗炎等多种保健功能，深受市场欢迎。目前，沙棘酵素的生产存在多种发酵工艺，例如原浆直接发酵、添加辅料发酵以及多菌种分步发酵等。
尽管已有关于沙棘酵素发酵技术的研究，但不同发酵工艺对所产酵素中关键活性成分的具体影响及其差异的系统性比较研究尚不充分。明确不同工艺对最终产品活性成分谱和功能特性的影响，对于优化生产工艺、定向提升产品品质和特定功能具有重要意义。因此，本研究的目的是：以沙棘原浆为主要原料，系统比较三种不同发酵工艺（复合益生菌直接发酵、添加藜麦浆的复合益生菌发酵、添加藜麦浆的先酵母菌后复合益生菌二步发酵）所制备酵素的理化指标、核心活性物质含量及抗氧化活性，旨在揭示不同工艺对沙棘酵素活性成分产生的差异性影响，从而为选择和生产具有特定功能优势的沙棘酵素工艺提供理论依据和数据支持。
三、 详细研究流程与方法
本研究流程清晰，主要包括样品制备、指标测定和数据分析三大阶段。
第一阶段：样品制备与工艺设计 研究设置了三种不同的发酵工艺路线，使用5升玻璃发酵罐，每种工艺制备3000毫升发酵液。 * 工艺路线一（样品1#）： 作为对照组。原料配比为：70%沙棘原浆、20%纯净水、10%低聚异麦芽糖。混合果浆经120℃、15分钟杀菌后，冷却至37℃，按0.1%的接种量接入复合果蔬发酵菌种PE331（包含植物乳杆菌、副干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌），于37℃恒温发酵3个月。 * 工艺路线二（样品2#）： 考察添加藜麦浆的影响。原料配比为：70%沙棘原浆、20%藜麦浆（藜麦粉与纯净水按1:4混合制成）、10%低聚异麦芽糖。后续杀菌、接种（PE331菌种，0.1%）、发酵条件（37℃，3个月）与工艺一完全相同。 * 工艺路线三（样品3#）： 考察二步发酵工艺的影响。原料配比与工艺二相同（即添加了藜麦浆）。杀菌冷却后，首先按0.1%接种量接入酵母菌，于30℃恒温发酵1.5个月；随后，再按0.1%接种量接入相同的复合益生菌PE331，于37℃恒温进行第二步发酵1.5个月，总发酵时长也为3个月。 该阶段的关键在于控制了变量：工艺二与工艺一对比，变量为是否添加藜麦浆；工艺三与工艺二对比，变量为是否采用酵母菌先导的二步发酵法。所有基础原料（沙棘原浆、菌种等）来源一致，保证了结果的可比性。
第二阶段：理化指标与活性物质测定 发酵结束后，对三个样品进行系统的检测分析。 1. 理化指标测定： 采用国家标准方法测定pH值（GB/T 10468）、总酸（以乳酸计，GB 12456）和乙醇含量（GB/T 12143）。有机酸含量也以乳酸计进行测定。 2. 活性物质含量测定： 研究选取了多种具有重要生理功能的活性成分进行定量分析。 * 总酚（茶多酚）： 参照GB/T 31740.2标准方法测定。多酚是重要的抗氧化和抗炎物质。 * 粗多糖： 按SN/T 4260标准，采用苯酚-硫酸法测定。多糖具有免疫调节、抗疲劳等多种功能。 * 游离氨基酸总量： 按GB 5009.124国家标准方法测定。氨基酸是风味和营养的基础。 * γ-氨基丁酸（GABA）： 按QB/T 5633.7行业标准附录方法测定。GABA具有镇静神经、改善睡眠、降血压等作用。 * 超氧化物歧化酶（SOD）活性： 参照GB/T 5009.171保健食品测定方法。SOD是关键的抗氧化酶。 3. 抗氧化活性测定： 采用DPPH（1,1-二苯基-2-三硝基苯肼）自由基清除实验来评估样品的体外抗氧化能力。测定不同浓度样品对DPPH自由基的清除率，通过拟合剂量-效应曲线计算半数清除浓度（EC50）。EC50值越小，表明清除自由基的能力越强，抗氧化活性越高。同时以沙棘原浆作为参照基准。
第三阶段：数据分析 对测定得到的各项数据（pH、总酸、活性物质含量、EC50值等）进行整理、比较和分析。通过直接对比三个样品在各指标上的数值差异，并结合发酵工艺的特点，分析工艺差异如何导致成分和活性的变化。研究将各样品活性物质含量与行业标准（QB/T 5323《植物酵素》）中的指标进行对比，以评估产品的优越性。最后，综合所有结果，得出关于不同发酵工艺优劣的结论。
四、 主要研究结果与分析
本研究获得了详实的实验数据，清晰揭示了三种发酵工艺对沙棘酵素品质影响的差异。
1. 理化指标结果： 三种工艺所得酵素的pH值（2.85-3.05）、总酸含量（2.78-2.94 g/100g）和有机酸含量（1.1×10³ - 1.2×10³ mg/kg）均较为接近，说明基础发酵进程和酸度形成主体相似。然而，乙醇含量表现出显著差异：采用二步发酵的3#样品乙醇含量（0.450 g/100g）远高于1#（0.056 g/100g）和2#样品（0.058 g/100g）。这直接归因于工艺三中第一步使用了酵母菌发酵，酵母菌将糖分转化为乙醇的能力较强。
2. 活性物质含量结果： * 总酚（茶多酚）： 三个样品的多酚含量均远高于《植物酵素》标准。其中，二步发酵的3#样品多酚含量最高，达到标准值的35倍以上，且是1#和2#样品的1.5倍以上。这表明先酵母菌后益生菌的二步发酵工艺能更有效地保留或促进多酚类物质的积累。文中引用文献指出，酵母菌发酵可能有助于减缓多酚的氧化。 * 粗多糖： 所有样品粗多糖含量也高于标准。关键发现是：添加了藜麦浆的2#和3#样品，其粗多糖含量约为未添加的1#样品的2倍，而2#与3#之间差异不大。这明确证明外源添加藜麦浆能显著提升酵素中的粗多糖含量，藜麦本身富含的多糖贡献了主要增量。二步发酵工艺本身对最终粗多糖含量影响不显著。 * 游离氨基酸总量： 发酵后各样品均含有游离氨基酸，且含量高于标准。但二步发酵的3#样品氨基酸总量（69.1 mg/100g）显著低于1#（161 mg/100g）和2#样品（156 mg/100g）。分析认为，这可能是因为在第一步酵母菌发酵阶段，酵母菌生长消耗了较多的氨基酸作为氮源。 * γ-氨基丁酸（GABA）： 三个样品的GABA含量（76.6-96.3 mg/kg）均极显著高于标准（0.03 mg/kg）。虽然绝对含量相差不大，但GABA占总氨基酸的比例在3#样品中高达13.94%，约是1#（4.87%）和2#样品（4.91%）的3倍。这说明二步发酵工艺能更有效地富集GABA，使其在氨基酸组成中占比更高，这对于开发具有安神、降压等特定功能的产品具有指导意义。 * 超氧化物歧化酶（SOD）活性： 所有样品SOD活性（7.60×10⁵ - 1.04×10⁶ U/L）均远高于标准（15 U/L），且三者间活性水平接近。表明沙棘酵素是SOD的良好来源，但本研究中的三种工艺对其活性影响差异不显著。
3. 抗氧化活性结果（核心功能验证）： DPPH自由基清除实验提供了关键的功能性数据。剂量-效应曲线显示所有样品的清除率与浓度呈良好线性关系。 * EC50值比较： 沙棘原浆的EC50为1.06×10⁻² g/mL。1#（复合益生菌直接发酵）酵素的EC50为1.05×10⁻² g/mL，与原浆几乎相同，说明此工艺未显著提升抗氧化能力。2#（添加藜麦浆复合发酵）酵素的EC50最低，为0.46×10⁻² g/mL，抗氧化能力最强，是原浆的2.28倍。3#（二步发酵）酵素的EC50为0.70×10⁻² g/mL，抗氧化能力强于原浆和1#样品，是原浆的1.53倍，但弱于2#样品。 * 结果逻辑： 这些数据将成分分析与功能活性直接关联。虽然3#样品的多酚含量最高，但其综合抗氧化能力（以EC50衡量）却不及2#样品。这提示，沙棘酵素的整体抗氧化活性并非由单一成分（如多酚）决定，而是多种活性物质（如多糖、多酚等）协同作用的结果。添加藜麦浆显著提高了粗多糖含量，而2#样品可能形成了多酚与多糖等方面更优的协同增效组合，从而表现出最强的自由基清除能力。
五、 研究结论与价值
本研究系统比较了三种沙棘酵素发酵工艺，得出以下明确结论： 1. 三种工艺生产的沙棘酵素在基础理化性质（pH、总酸）上相近，但二步发酵会引入更高的乙醇含量。 2. 所有工艺生产的酵素，其多项活性物质（茶多酚、粗多糖、游离氨基酸、GABA、SOD）含量均大幅超过行业标准，证实了沙棘酵素的高营养价值。 3. 工艺差异导致活性成分谱不同：添加藜麦浆能有效提高酵素中的粗多糖含量；采用酵母菌启动的二步发酵工艺则能显著提升茶多酚含量和GABA在氨基酸中的占比，但会降低总氨基酸含量并提高乙醇产量。 4. 在抗氧化活性方面，添加藜麦浆并结合复合益生菌单步发酵（工艺二）制备的沙棘酵素表现最强，其DPPH自由基清除能力约为沙棘原浆的2.3倍。
本研究的科学价值在于： 通过严谨的对照实验，定量化揭示了不同发酵工艺（辅料添加、菌种顺序）对沙棘酵素复杂成分体系的具体影响规律，深化了对发酵工艺-成分谱-功能活性之间构效关系的理解。 应用价值在于： 为沙棘酵素生产商提供了直接、可操作的工艺选择依据。若以获取高抗氧化活性产品为目标，优先推荐“添加藜麦浆的复合益生菌发酵”工艺；若希望产品富含茶多酚或高比例GABA，则可考虑“添加藜麦浆的二步发酵”工艺，但需注意控制乙醇含量并接受总氨基酸略低的情况。这实现了从“经验发酵”到“定向设计发酵”的指导跨越。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
本研究所有实验均依据或参照国家或行业标准方法进行，如GB、QB/T、SN/T等，保证了检测结果的可靠性与权威性。文中对部分结果进行了机理解释（如酵母菌消耗氨基酸导致总氨基酸下降，酵母菌可能减缓多酚氧化），并引用了相关文献支持，增强了论述的科学性。此外，研究将自制酵素的各项指标与《植物酵素》（QB/T 5323-2018）行业标准进行了对比，有力地证明了所研制沙棘酵素产品在活性成分含量上的优越性，为其市场竞争力提供了数据支撑。