豌豆蛋白强化、高压均质与益生菌发酵对桃-葡萄汁饮料营养、技术功能、感官及体外消化特性的影响

《Fermentation》：Effects of Pea Protein Fortification, High-Pressure Homogenization and Probiotic Fermentation on the Nutritional, Technofunctional, Sensory and In Vitro Digestive Properties of a Peach–Grape Juice Beverage

　　

：本研究对一种蛋白质强化的桃-葡萄饮料进行了表征，重点研究了发酵和蛋白质粒径对蛋白质消化率以及矿物质和抗氧化剂生物可及性（bioaccessibility）的影响。饮料配方中添加3.5%的豌豆蛋白分离物（pea protein isolate, PPI），直接加入桃-葡萄汁（peach-and-grape juice, PGJ）中，或先经高压均质（high-pressure homogenization, HPH）处理后再加入。所得饮料（PGJ + PPI和PGJ + PPIHPH）在乳酸发酵48小时前后均进行了评估。HPH显著降低了PPI的粒径，同时增加了多酚含量（11.27%）和抗氧化活性（ABTS：11.09%；FRAP：12.83%）。发酵后检测到谷氨酰胺（1.32 ± 0.23 mg/g干重）的生成，乳酸含量增加（61.44 ± 0.83 mg/g干重），必需氨基酸苯丙氨酸和缬氨酸的水平亦有所提高。发酵和HPH均增加了易生物可及的水解蛋白组分（分别为13.27%和11.94%），但两者均未显著影响矿物质或抗氧化剂的生物可及性。研究人员通过活菌计数评估了发酵及模拟胃肠消化过程中的益生菌活力，定量结果用于确定活力保留的程度。然而，发酵饮料的消费者接受度较低。总体而言，蛋白质强化和发酵改善了选定的营养和体外消化特性，尽管发酵对感官接受度产生了不利影响。这些发现强调了在开发发酵型、蛋白质强化的植物基饮料时，需在营养与功能改善和消费者接受度之间取得平衡。

论文解读文章

一、研究背景与意义

受生态和环境健康关切驱动，植物基饮食模式日益受到关注。植物基食品富含膳食纤维、矿物质、抗氧化剂等营养成分，但往往存在蛋白质含量和品质方面的营养局限性。蛋白质是维持机体结构和功能所必需的大量营养素，食品工业正日益聚焦于开发富含蛋白质的植物基产品以改善其营养组成。水果基饮料因其天然含有可发酵糖、有机酸和酚类化合物，成为蛋白质强化的理想载体。然而，将蛋白质掺入酸性水果基质中可能面临溶解度、稳定性和感官特性等方面的技术挑战。

在消化过程研究中，消化率（digestibility）指蛋白质在胃肠消化中被分解的程度，而生物可及性（bioaccessibility）指从食物基质中释放并可能被肠道吸收的营养素或化合物组分。植物基蛋白与动物蛋白相比可能存在消化率限制，且蛋白质粒径和结构可影响其消化率。高压均质（high-pressure homogenization, HPH）作为一种加工技术，可改变这些特性，有望改善蛋白质分散性、溶解性和消化酶可及性。发酵则被公认具有改善食品营养和技术特性的潜力，微生物酶可影响矿物质螯合化合物，微生物代谢可产生或转化具有抗氧化等生物活性的化合物。然而，蛋白质掺入结合HPH处理及后续发酵对桃-葡萄饮料中营养素消化率和生物可及性的综合影响尚缺乏充分表征。因此，本研究旨在评估高压均质化蛋白掺入桃-葡萄汁及后续发酵对蛋白质消化率、矿物质和抗氧化剂生物可及性的影响，同时评估蛋白质强化桃-葡萄饮料的营养、微生物、理化及感官接受度。

二、研究设计与技术方法

研究人员采用商业巴氏杀菌有机桃-葡萄汁（PGJ）为基质，选用豌豆蛋白分离物（PPI，蛋白质含量81.7%）进行强化，以3.5%（w/w）比例添加，确保蛋白质提供饮料能量值的12%，满足欧盟法规（EC）No. 1924/2006中"蛋白质来源"标签要求。部分PPI经100 MPa高压均质处理一个循环后冻干（PPI_HPH）。采用商业益生菌培养物Lyofast SYNBIO^? 100（含鼠李糖乳酪杆菌Lacticaseibacillus rhamnosus IMC 501和副干酪乳酪杆菌Lacticaseibacillus paracasei IMC 502），以2×10⁷ CFU/mL浓度接种，37 °C发酵48小时。主要技术方法包括：激光衍射粒径分析、凯氏定氮法蛋白质含量测定、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）矿物质定量、Folin–Ciocalteu法总多酚含量（TPC）测定、FRAP和ABTS法抗氧化活性（AOX）评估、¹H-NMR波谱法有机酸和游离氨基酸鉴定定量、INFOGEST标准化静态体外消化模拟、邻苯二甲醛（OPA）法蛋白水解度测定，以及26名半 trained 感官评价小组成员的感官评估。

三、研究结果

3.1 HPH处理对PPI粒径的影响

未经处理的PPI呈多峰分布，平均体积粒径为34.21 ± 0.16 μm；经HPH处理的PPI_HPH呈双峰分布，以较小颗粒为主，平均体积粒径降至0.71 ± 0.02 μm。HPH处理显著减小了蛋白质粒径（<10 μm），通过减轻疏水相互作用并促进蛋白质周围水化层形成，改善了蛋白质稳定性。结果表明HPH处理PPI可增强其在PGJ中的整合，形成更均匀的饮料。

3.2 发酵和蛋白质HPH对化学组成及感官接受度的影响

3.2.1 水分和灰分含量

未发酵饮料水分含量为83.21 ± 0.14至83.76 ± 0.16 g/100 mL，发酵后增至84.00 ± 0.13至84.72 ± 0.19 g/100 mL。发酵可能通过微生物酶水解复杂碳水化合物等有机物，增加与水相互作用的表面积，从而改善水分吸收和保留。发酵和HPH处理均不影响灰分含量（0.41 ± 0.02 g/100 mL）。

3.2.2 蛋白质含量

四种饮料平均蛋白质含量为2.48 ± 0.13 g/100 mL，相当于最终饮料总能量的15%，符合"蛋白质来源"营养声明要求。发酵和HPH处理均未显著影响蛋白质含量。

3.2.3 矿物质组成

饮料中钾（K）和钠（Na）含量占主导，分别为73.0 ± 2.79和68.49 ± 3.60 mg/100 g鲜重，其次为钙（Ca）11.02 ± 0.82和镁（Mg）7.74 ± 0.31 mg/100 g鲜重。四种饮料间各矿物质含量无显著差异。值得注意的是，钠含量比文献报道的桃-葡萄汁高约十倍，主要归因于PPI贡献（每100 g PPI含1.6 g钠，3.5%添加量贡献约56 mg钠）。

3.2.4 多酚组成和抗氧化特性

添加PPI后TPC为9.54 ± 0.41 mg GAE/100 mL鲜重，发酵未增加多酚含量。然而，添加PPI_HPH显著将TPC提高至10.62 ± 0.02 mg GAE/100 mL鲜重。抗氧化活性方面，未均质PPI饮料的ABTS和FRAP分别为28.56 ± 0.19和12.50 ± 0.43 mg TEAC/100 mL鲜重，HPH处理后显著增至31.73 ± 0.88（ABTS）和14.11 ± 0.29（FRAP）mg TEAC/100 mL鲜重。发酵未改善抗氧化功能。HPH可能改变蛋白质结构，暴露更多抗氧化功能基团。

3.2.5 游离氨基酸组成

发酵前后饮料均检出四种必需氨基酸（异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸）。未发酵饮料检出11种氨基酸，发酵后检出12种，新增谷氨酰胺（1.32 ± 0.23 mg/g干重）。发酵显著增加了苯丙氨酸（0.21 ± 0.03 mg/g干重）和缬氨酸（0.24 ± 0.02 mg/g干重）含量。脯氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的显著增加与发酵食品的苦味特征相关。

3.2.6 有机酸组成

发酵显著降低了抗坏血酸、柠檬酸、富马酸、苹果酸和奎宁酸浓度。苹果酸降幅最大，从36.72 ± 1.73 mg/g干重降至检测限以下。乳酸含量发酵后增加六十余倍，从2.67 ± 0.22增至61.44 ± 0.83 mg/g干重。琥珀酸在未发酵果汁中不存在，发酵后检出。有机酸组成变化通常导致发酵食品pH降低，与更强烈的酸味相关。

3.2.7 接受度评价

感官评价显示，评价者偏好未发酵饮料（接受度44%），发酵饮料接受度降至20%（PGJ + PPI_F）和8%（PGJ + PPI_HPH_F）。未发酵未均质饮料外观接受度最高（84%）。HPH处理改善了未发酵饮料的质地，降低了颗粒感。发酵饮料的风味特征被描述为带有泥土和粉末感，降低了风味评分。

3.3 发酵和蛋白质HPH对体外消化相关特性的影响

3.3.1 蛋白质水解

模拟胃消化阶段后，生物可及蛋白量为3-5%。小肠消化阶段蛋白质水解遵循分数转化行为。发酵使PGJ + PPI的水解后易生物可及蛋白（NH_{2TCA, hydro}）最终浓度从35.68 ± 0.51%增至40.41 ± 0.50%，增加13.27%。HPH处理PPI也使该值增加11.94%（PGJ + PPI_HPH为39.94 ± 0.39%）。当蛋白已经HPH处理时，发酵未进一步显著改善蛋白消化率。

3.3.2 体外胃肠消化后矿物质含量

HPH处理和发酵均未显著影响矿物质生物可及性。钾是唯一在HPH处理PPI配方中生物可及性改善的矿物质，从PGJ + PPI的59.21 ± 6.79%增至PGJ + PPI_HPH的79.57 ± 6.10%，且不受后续发酵影响。

3.3.3 体外胃肠消化后TPC和AOX回收率

HPH和发酵均未导致消化后TPC或AOX的显著差异。消化后TPC回收率为84.51 ± 0.52%，ABTS为96.49 ± 0.24%，FRAP为58.79 ± 2.02%。消化过程可释放酚类化合物，但蛋白质-多酚相互作用和碱性条件可能影响其释放和转化。

3.3.4 桃-葡萄饮料中益生菌体外胃肠消化后的存活

发酵使益生菌浓度增加2.6个对数周期（从6.5增至9.1 log CFU/mL），高于此前未强化PGJ的研究，蛋白质作为氮源可能促进了益生菌生长。消化过程未显著降低益生菌存活（8.7 log CFU/mL）。发酵后10⁹ CFU/mL的活菌数满足可声明益生菌效应的浓度要求（10⁶-10⁷ CFU/mL或g）。

四、讨论与结论

讨论部分指出，HPH处理PPI可减小粒径50倍，提供更均匀的饮料，同时提高多酚含量（11.27%）和抗氧化活性（ABTS增加11.09%，FRAP增加12.83%），并改善蛋白质消化率（NH_{2TCA, hydro}最终浓度增加11.94%）。益生菌发酵增加了乳酸（61.44 ± 0.83 mg/g干重）和谷氨酰胺（1.32 ± 0.23 mg/g干重）等目标化合物，并释放苯丙氨酸和缬氨酸两种必需氨基酸。发酵后蛋白质消化略有改善，尤其在PGJ + PPI中（NH_{2TCA, hydro}最终浓度增加11.27%）。益生菌群落在37 °C发酵48小时后增加约2.6个对数周期，并在体外消化后存活。然而，发酵饮料的感官接受度降低，可能归因于发酵产生的代谢产物，包括有机酸（如乳酸）和游离氨基酸。HPH配方在质地方面获得较高感官评分。

研究结论：该研究证实了将PPI与PGJ结合配制蛋白质强化植物基饮料的可行性，并阐明了发酵和PPI粒径对蛋白质消化及矿物质和抗氧化化合物提取率的影响。这一方法有助于开发兼具蛋白质来源和益生菌益处的植物基饮料，为新型功能性植物基饮料的配方设计提供了重要见解，需在营养与功能改善和消费者接受度之间取得平衡。未来研究应进一步理解配方和加工对蛋白质消化和相关化合物提取率的影响，优化感官特性并评估消费者接受度。