植物乳杆菌发酵对沙棘果汁中苦味物质的转化作用：一项改善风味与提升活性的研究

第一作者与机构 本研究的通讯作者为石河子大学食品学院的张艳副教授，第一作者为同学院的王晨曦。研究团队还包括来自石河子大学的刘阳洲，以及来自西北农林科技大学食品科学与工程学院的李乾弘。该研究成果以《植物乳杆菌发酵对沙棘果汁中苦味物质的转化作用》为题，发表于中文期刊《食品工业科技》（Science and Technology of Food Industry）2024年第45卷第16期，页码为159-167。

学术背景与研究动机 本研究属于食品科学领域，具体聚焦于微生物发酵工程与功能性食品开发。沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）果实营养丰富，富含多种生物活性物质，特别是黄酮类化合物，具有抗氧化、抗炎、增强免疫力等多种健康益处。然而，沙棘果汁具有强烈的苦涩味，这主要源于其富含的异鼠李素糖苷类物质（如异鼠李素-3-O-新橙皮苷），这类物质占沙棘总黄酮的约70%。尽管这些糖苷是主要活性成分，但其苷元形式——异鼠李素的生物活性（如抗氧化能力）和人体生物利用率更高，且不具有涩味。目前市场上为了改善沙棘果汁口感，多采用稀释或与其他果汁复合的方法，但这并非理想方案，可能导致营养成分稀释。

因此，本研究旨在探索一种创新的加工方式，既能去除影响口感的涩味物质，又能提升沙棘果汁的功能活性。其核心科学假设是：利用特定的益生菌——植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵沙棘果汁，通过菌株产生的糖苷水解酶，将苦涩的异鼠李素糖苷转化为无涩味且活性更强的异鼠李素苷元，从而实现“改善口感”与“增强活性”的双重目标，为开发高品质的功能性发酵沙棘食品提供理论基础。

详细研究流程与方法 本研究包含一个系统的、多步骤的实验流程，从菌株筛选到发酵过程监测，再到指标分析与相关性验证。

步骤一：实验材料与菌株准备。 研究选用新疆阿勒泰地区的沙棘鲜果。将沙棘果与纯净水按1:4 (g:mL) 混合打浆过滤，制备沙棘果汁，并用碳酸钠调节pH至6.0-7.0，经95℃灭菌5分钟后备用。实验所用的四株植物乳杆菌（55-18-1, 67-25-2, 67-25-4, 67-20-2）均由石河子大学食品学院微生物实验室提供，分离自母乳及粪便。所有菌株在使用前均在添加了0.5% L-半胱氨酸的MRS液体培养基中于37℃厌氧条件下活化48小时。

步骤二：发酵菌株的初步筛选。 这是研究的关键起点。将四株活化后的植物乳杆菌分别以3.6% (v/v) 的接种量接种到沙棘果汁中，在37℃恒温厌氧箱中发酵48小时。在发酵终点（48小时）取样，通过涂布平板法测定活菌总数，并使用pH计测定发酵液的pH值（反映产酸能力）。同时，以未发酵的果汁作为对照组。筛选标准是：活菌数高、产酸能力强（pH降低明显），并且能够显著提高果汁抗氧化活性的菌株。此步骤旨在从四株候选菌中确定最适合用于沙棘果汁发酵、且具有潜在转化能力的菌株。

步骤三：选定菌株的发酵过程动态监测。 基于初步筛选结果，选定性能最优的菌株（植物乳杆菌67-25-2）进行深入的发酵动力学研究。将该菌株以3.6% (v/v) 的接种量接种于沙棘果汁，在相同条件下进行长达80小时的发酵。在发酵过程中的0、12、24、36、42、54、62、80小时这八个时间点分别取样。对这些样品系统检测多项指标，以揭示发酵过程中的动态变化规律。检测指标包括：1) 总酚含量：采用福林-酚比色法，以没食子酸为标准品，在765 nm波长下测定吸光度，通过标准曲线计算总酚含量（以没食子酸当量计，mg GAE/L）。2) 抗氧化活性：采用两种常用方法评估。ABTS⁺自由基清除率测定：将样品与ABTS⁺工作液反应后，在734 nm波长下测吸光度计算清除率。DPPH自由基清除率测定：将样品与DPPH甲醇溶液反应后，在517 nm波长下测吸光度计算清除率。3) 目标苦味物质及其苷元的含量变化：这是研究的核心分析。采用高效液相色谱法（HPLC）定量检测发酵过程中异鼠李素-3-O-新橙皮苷（主要的涩味物质）及其苷元异鼠李素的含量。色谱条件为：TC-C18色谱柱，流动相为含0.1%甲酸的乙腈-水溶液梯度洗脱，检测波长280 nm。通过外标法，利用异鼠李素-3-O-新橙皮苷和异鼠李素的标准曲线计算其在样品中的浓度（mmol/L）。4) 感官评价：发酵结束后，邀请10名经过培训的评价员（5男5女），对发酵前后的沙棘果汁从色泽、风味、形态三个方面进行感官评分，评分标准分为四个等级。

步骤四：数据分析与相关性研究。 所有实验数据均为三次平行实验的平均值±标准差。研究运用了多种统计分析方法：使用IBM SPSS Statistics 26软件进行方差分析，采用Tukey显著性差异检验比较不同组间或不同时间点数据的差异（p<0.05视为差异显著）。更重要的是，研究运用皮尔逊（Pearson）相关法，分析了发酵后果汁中总酚含量、异鼠李素含量与两种抗氧化活性指标（DPPH和ABTS⁺自由基清除率）之间的相关性，以探究物质变化与功能提升之间的内在联系。数据绘图使用Origin 2018和R 4.2.0软件完成。

主要研究结果 研究取得了系统且相互印证的成果，清晰地展示了植物乳杆菌发酵对沙棘果汁的转化作用。

结果一：最优发酵菌株的筛选结果。 经过48小时发酵，四株植物乳杆菌均能在沙棘果汁中良好生长。其中，植物乳杆菌67-25-2表现出最优异的性能：其活菌数达到2.32 × 10⁸ CFU/mL，显著高于其他三株菌（p<0.05），且远超过益生菌发挥功能所需的1×10⁸ CFU/mL阈值。同时，该菌株的产酸能力也最强，能将果汁pH从初始的6.0-7.0显著降至3.0左右（p<0.05），而其他菌株仅能降至3.5左右。强产酸能力有助于抑制杂菌，保障发酵产品的安全性。基于活菌数和产酸能力这两项关键指标，研究选定植物乳杆菌67-25-2进行后续深入研究。

结果二：发酵过程中总酚含量与抗氧化活性的动态变化。 使用植物乳杆菌67-25-2发酵沙棘果汁，总酚含量呈现先上升后下降的趋势。在发酵62小时达到峰值，为598.9 mg GAE/L，显著高于未发酵组的501.5 mg GAE/L（p<0.05）。发酵初期总酚含量的增加，可能是由于乳酸菌产生的水解酶（如β-葡萄糖苷酶）破坏了植物细胞壁或水解了酚类物质的结合态，从而释放出更多的游离酚类。发酵后期（62小时后）的下降，可能与酚类物质被菌体进一步代谢有关。与此趋势相对应，果汁的抗氧化活性（ABTS⁺和DPPH自由基清除率）也呈现出相似的变化规律，均在发酵62小时达到最高值，分别为67.5%和61.8%，显著高于未发酵组。这一结果初步表明，发酵过程提升了沙棘果汁的抗氧化能力，且这种提升可能与酚类物质总量的增加有关。

结果三：目标苦味物质与活性苷元的转化结果。 这是本研究最核心的发现。HPLC定量分析显示，在植物乳杆菌67-25-2发酵过程中，沙棘果汁中主要的涩味物质——异鼠李素-3-O-新橙皮苷的含量持续显著下降（p<0.05）。与此同时，其对应的苷元——异鼠李素的含量则显著上升（p<0.05），同样在发酵62小时达到最大值。具体数据为：异鼠李素含量从发酵前的0.079 mmol/L增加至0.17 mmol/L（增加了0.091 mmol/L），而异鼠李素-3-O-新橙皮苷的浓度则减少了0.056 mmol/L。这一“此消彼长”的明确对应关系，直接证明了植物乳杆菌67-25-2能够通过其分泌的糖苷水解酶（如β-葡萄糖苷酶），将苦涩的糖苷结合态黄酮（异鼠李素-3-O-新橙皮苷）水解，释放出游离态的、无涩味的黄酮苷元（异鼠李素）。异鼠李素增加量大于糖苷减少量，提示发酵过程中可能还有其他异鼠李素糖苷被水解。

结果四：感官评价与相关性分析结果。 感官评价结果显示，经过植物乳杆菌67-25-2发酵后的沙棘果汁，其涩味得到明显改善，感官评分从发酵前的75分提高至85分。评价认为发酵后的果汁“具果汁特有的风味，无涩味，色泽橙红，组织均匀”。这从消费者接受度的角度证实了发酵工艺在改善口感方面的有效性。皮尔逊相关性分析为上述变化提供了统计学支持：总酚含量与DPPH、ABTS⁺自由基清除率均呈极显著正相关（相关系数分别为0.863和0.931，p<0.01）。更重要的是，异鼠李素含量与ABTS⁺自由基清除率呈极显著正相关（相关系数0.937，p<0.01），与DPPH自由基清除率呈显著正相关（相关系数0.770，p<0.05）。这些数据强有力地说明，发酵后果汁抗氧化活性的增强，不仅与总酚含量的增加有关，更与具有高活性的异鼠李素苷元的特异性增加密切相关。

研究结论与价值 本研究得出明确结论：植物乳杆菌67-25-2能够有效发酵沙棘果汁。发酵过程显著（p<0.05）降低了沙棘中主要的涩味物质异鼠李素-3-O-新橙皮苷的含量，并通过糖苷水解作用将其转化为生物活性更强的黄酮苷元——异鼠李素。这一转化过程同时显著（p<0.05）提高了果汁的总酚含量和抗氧化活性，并在发酵62小时达到最佳效果。最终，发酵果汁的感官品质得到改善，活菌数达到益生菌应用水平。

本研究的科学价值在于：首次系统验证了特定植物乳杆菌菌株（67-25-2）在转化沙棘果汁关键苦味物质、同步提升其功能活性方面的具体效果和动态过程，揭示了微生物发酵改善沙棘风味与提升其营养价值的生化机制（即糖苷水解）。其应用价值重大：为开发兼具良好口感、高活性成分（异鼠李素苷元）和益生菌功能的创新型沙棘发酵饮品提供了坚实的理论依据和可行的技术路径，突破了传统稀释法改善口感的局限，实现了沙棘资源的高值化利用。

研究亮点 1. 目标明确，直击产业痛点：研究精准针对制约沙棘产品市场接受度的核心问题——苦涩味，并创新性地提出通过益生菌发酵进行“生物转化”而非简单“物理掩盖”的解决方案。 2. 机制清晰，证据链完整：研究不仅观察了宏观指标（感官、总酚、抗氧化），更通过HPLC精准定量了目标底物（异鼠李素糖苷）和产物（异鼠李素）的此消彼长，直接证明了转化作用的发生，并结合相关性分析阐明了活性提升的物质基础，形成了从现象到机制的证据闭环。 3. 功能与风味兼顾：研究成功实现了“去涩增活”的双重目标，即去除了不良风味物质，又将其转化为活性更高的有益成分，并引入了益生菌，使产品潜在的健康益处倍增。 4. 工艺参数具体化：研究确定了最优菌株（植物乳杆菌67-25-2）和最佳发酵时间（62小时），为后续的中试放大和生产应用提供了关键工艺参数。

其他有价值的内容 研究在讨论部分还进行了深入分析，指出植物乳杆菌可能通过产生β-半乳糖苷酶等多种水解酶来催化去糖苷化反应。同时，研究也提及发酵过程中酚类物质的变化可能不仅限于异鼠李素糖苷的转化，还可能涉及其他酚类成分的修饰（如将咖啡酸转化为二氢咖啡酸），这些都可能共同贡献于抗氧化活性的提升。此外，研究引用了其他学者的工作，指出混菌发酵（如植物乳杆菌与酵母菌）可能产生优于单菌发酵的效果，这为未来的研究指明了方向。