基于乳酸菌和酵母开发新型功能性发酵枸杞饮品

《EUROPEAN FOOD RESEARCH AND TECHNOLOGY》：Development of novel functional fermented goji-based beverages using lactic acid bacteria and yeasts

　　

摘要

枸杞果实（Lycium barbarum L.）因其含有有机酸、多酚和类胡萝卜素等生物活性化合物而被认为具有健康益处。本研究旨在利用乳酸菌（植物乳植杆菌，Lactiplantibacillus plantarum）和酵母（酿酒酵母，Saccharomyces cerevisiae），以纯培养和共培养两种方式开发并表征新型功能性发酵枸杞果汁饮品。所有受试菌株均在枸杞汁中表现出良好的生长性能，在整个15天发酵期间保持高活力，酵母的微生物计数维持在7 log CFU mL^?1以上，乳酸菌维持在8 log CFU mL^?1以上。植物乳植杆菌使酸度和酚类含量显著增加（分别为0.32%–0.79%和4.84–5.77 mg没食子酸L^?1），从而增强了发酵饮品的抗氧化能力；而酵母发酵则以糖分的急剧下降为特征（1.43–2.19 mg 100 mL^?1）。类胡萝卜素化合物主要在酵母纯培养发酵中增加（最高可达约150 mg L^?1），而在其他发酵处理中保持显著较低水平，数值大致介于12至30 mg L^?1之间。挥发性物质分析鉴定出24种化合物，主要以乙酸、辛酸乙酯和癸酸乙酯为主。饮品的化学组成影响了感官特性，导致甜度降低并产生明显的酸味，尤其在植物乳植杆菌发酵的果汁中表现突出。虽然本研究成功制备了一种新型功能性枸杞基发酵饮品，但感官分析显示仍有改进空间。这表明通过针对性的产品优化，这些创新饮品具有很大的发展潜力，特别是在满足消费者对新型功能性无酒精发酵饮品日益增长的兴趣方面。

基于乳酸菌与酵母开发新型功能性发酵枸杞饮品的研究解读

**研究背景与目的**

近年来，食品生产与消费趋势发生了深刻变革，消费者对能够增进健康与福祉的食品和饮品需求日益增长。发酵作为最古老的食品加工技术之一，不仅能延长食品保藏期，还能改善其营养、功能和感官特性，因而在新型产品开发中展现出巨大潜力。以水果和蔬菜为基质的发酵饮品因其富含维生素、矿物质、膳食纤维和抗氧化化合物而备受关注，契合了市场对功能性、低醇及健康促进型饮品的需求。乳酸菌被广泛应用于无醇发酵饮品的生产，其中植物乳植杆菌凭借其适应性和技术优势成为蔬菜发酵中应用最广泛的菌种之一；而酿酒酵母传统上主要用于通过糖-醇转化生产葡萄酒、啤酒和苹果酒等含醇饮品。然而，大量消费者对源自酵母发酵的低糖或无醇水果产品有明确需求，且乳酸菌与酵母的混合发酵有望通过增强风味复杂性、增加微生物和代谢多样性以及潜在的协同健康益处来提升饮品品质。

枸杞果实含有有机酸、多酚和类胡萝卜素等多种活性化合物，具有多重健康益处。然而，鲜枸杞含水量高、果皮和细胞壁脆弱，易受机械损伤而加速生理过程退化，导致营养和生物活性价值降低，因此枸杞主要以干制形式消费。枸杞果汁因其易保藏、口感良好和健康益处而受到关注，但其市场竞争力仍然有限，亟需创新的加工策略以增强其功能和感官特性。虽然已有研究分别探讨了利用乳酸菌发酵枸杞汁制备益生菌饮品以及利用酵母发酵制备类酒饮品，但截至目前，尚未有研究系统评估乳酸菌与酵母联合发酵在低乙醇枸杞发酵饮品生产中的应用。鉴于混合发酵的潜在协同效应，本研究旨在利用植物乳植杆菌和酿酒酵母，通过纯培养和共培养两种方式开发并表征基于枸杞果汁的新型功能性发酵饮品。

**主要技术方法**

研究人员从西班牙埃斯特雷马杜拉自治区CICYTEX试验田（位于Valle del Jerte，卡塞雷斯省）采集商业成熟度的新鲜枸杞果实，经冷冻保存后制备果汁，并将其稀释至总可溶性固形物含量为2%，随后采用600 MPa高压处理4分钟以灭活大部分天然微生物。研究人员将从发酵食品中分离的植物乳植杆菌和酿酒酵母菌株分别以纯培养和1:1混合共培养方式接种于枸杞汁中，于20°C静态发酵15天，共获得三种发酵饮品：植物乳植杆菌纯种发酵（GBJL）、酿酒酵母纯种发酵（GBJS）及双菌共发酵（GBJLS）。研究采用平板计数法监测微生物活力，通过自动滴定仪和折光仪测定pH、总酸度和总可溶性固形物，运用高效液相色谱（HPLC）分析糖类和有机酸组成，采用Folin-Ciocalteu法和DPPH法分别测定总酚含量和抗氧化活性，利用超高效液相色谱（UHPLC）分析类胡萝卜素和单体酚类化合物，通过顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）分析挥发性有机化合物，并由10名受过训练的品尝员进行描述性感官分析，最后采用主成分分析（PCA）和热图聚类对多变量数据进行降维和可视化。

**研究结果**

**微生物生长分析：** 所有受试菌株在枸杞汁中均表现出良好的生长能力。植物乳植杆菌在纯培养和共培养中均能在15天发酵期间维持接近8 log CFU/mL的活菌数，表明枸杞汁提供了充足的营养以支持乳酸菌的生长和存活，这对发酵饮品的益生菌潜力具有重要意义。酿酒酵母在纯培养中于第7天后显著增长并保持稳定；然而在共培养体系（GBJLS）中，酵母数量在整个发酵过程中显著下降，表明乳酸菌的存在对酿酒酵母的生长产生了一定的抑制作用。

**发酵过程中理化性质的变化：** 总酸度在涉及植物乳植杆菌的发酵中于前2天迅速显著增加，其中GBJL最高，其次为GBJLS；相应地，所有发酵处理的pH值均出现下降，以接种乳酸菌的样品下降更为明显。总可溶性固形物在酿酒酵母参与的发酵中（GBJS和GBJLS）前2天急剧下降，而GBJL下降较缓，未发酵对照（GBJ）保持稳定，这与酵母对糖分的快速消耗以及乳酸菌发酵中有机酸的产生有关。

**还原糖与有机酸组成：** 发酵显著降低了所有处理组的总糖含量，其中共发酵（GBJLS）降幅最大，仅剩1.43 g L^?1；酿酒酵母纯培养（GBJS）降至2.19 g L^?1。涉及酿酒酵母的发酵中葡萄糖消耗最为彻底，发酵结束时已无法检出。在有机酸方面，植物乳植杆菌参与的发酵（GBJL和GBJLS）总有机酸含量显著高于其他处理，主要归因于该菌产生的乳酸；GBJS中有机酸以柠檬酸和苹果酸为主。值得注意的是，抗坏血酸在所有接种发酵中均显著下降。

**总酚与单体酚类化合物含量：** 植物乳植杆菌纯种发酵（GBJL）的总酚含量显著高于其他处理，而GBJS和GBJLS与对照相比无显著变化。单体酚分析显示，植物乳植杆菌发酵显著增加了总羟基肉桂酸和黄酮醇的含量；共发酵（GBJLS）还表现出最高的黄烷-3-醇浓度。酚类物质的增加可能与发酵过程中pH降低对酚酸的稳定化作用有关。

**抗氧化活性：** 所有接种发酵的枸杞汁DPPH自由基清除能力均显著高于未发酵对照。GBJL表现出最高的抗氧化活性（1.88 mM Trolox），其次为GBJLS（1.40 mM Trolox）和GBJS（1.21 mM Trolox），而GBJ仅为0.78 mM Trolox。这一趋势与总酚含量的测定结果一致，表明植物乳植杆菌发酵通过促进活性化合物的溶解和积累显著增强了枸杞汁的抗氧化能力。

**类胡萝卜素化合物：** 发酵使所有分析的类胡萝卜素组分较未发酵果汁显著增加，其中酿酒酵母纯种发酵（GBJS）的效果最为突出。枸杞中的主要类胡萝卜素——玉米黄质，在GBJS中高达138.1 mg L^?1，而未发酵果汁仅为10.7 mg L^?1。乳酸菌发酵（无论纯培养还是共培养）中类胡萝卜素的增幅相对有限。

**挥发性有机化合物分析：** GC-MS共鉴定出24种挥发性化合物，酯类是主要的挥发性物质家族，其次为醇类和醛类。酿酒酵母纯种发酵（GBJS）的酯类含量最高（34.0 mg mL^?1），其次为共发酵（GBJLS，15.4 mg mL^?1）。辛酸乙酯是酵母参与发酵中的主要酯类化合物，癸酸乙酯、己酸乙酯、乙酸异戊酯和壬酸乙酯等与热带和甜香气息相关的酯类仅在酵母发酵果汁中检出。醛类化合物在发酵后几乎无法检出，表明其被微生物大量代谢转化。乙醇和异戊醇是主要的醇类化合物，仅存在于酿酒酵母发酵的果汁中；未发酵果汁和植物乳植杆菌发酵果汁中几乎无醇类物质检出。热图聚类分析显示，未发酵果汁和植物乳植杆菌发酵果汁聚为一类，而酵母主导了混合发酵中挥发性成分的最终组成。

**主成分分析：** PCA将数据降至4个主成分，累计解释97.63%的总方差。PC1（41.09%）与对香豆酸、柠檬酸、苹果酸及辣椒红素和玉米黄质正相关；PC2（28.63%）与槲皮素-3-芸香糖苷和抗氧化活性正相关，与果糖和蔗糖含量负相关。样品投影显示三个独立聚类：GBJS位于PC1和PC2的正象限，以高水平的对香豆酸、柠檬酸、苹果酸、类胡萝卜素和抗氧化活性为特征；GBJ以高糖含量为特征；GBJL和GBJLS聚为一类，以较高绿原酸、槲皮素-3-芸香糖苷和抗氧化活性为特征。

**感官分析：** 在总体评价方面，未发酵与发酵饮品之间无显著差异，评分均处于量表中段（4.2–5.1），这可能与低醇和无醇发酵饮品尚处于市场接受度增长阶段有关。色泽和质地的可接受性在各样品间无显著差异。与发酵相关的酸味和酸香主要在植物乳植杆菌发酵的果汁中被感知，其中GBJL的酸味强度最高，这与乳酸菌积累有机酸的性质一致。甜味感知在未发酵果汁中显著最高，反映了发酵过程中糖分消耗和有机酸积累对感官特征的直接影响。

**讨论与结论**

本研究系统证实了枸杞汁可作为植物乳植杆菌和酿酒酵母生长的适宜基质，两种微生物均能在15天发酵期内维持高活力。共培养条件下乳酸菌对酵母存在部分抑制作用，这为混合发酵中微生物互作机制提供了实验依据。就功能性而言，植物乳植杆菌是酸化和有机酸产生的主要驱动力，赋予饮品最高的抗氧化活性和总酚含量；而酿酒酵母则是糖分消耗——尤其是葡萄糖利用——和挥发性酯类与醇类合成的主要贡献者，同时显著提升类胡萝卜素水平尤其是玉米黄质的含量。感官评价表明，产品在消费者接受度方面仍有提升空间，尤其需要关注酸味的平衡。因此，发酵起始菌种的选择应当依据目标功能定向而定：若追求富含益生菌且具有最大抗氧化能力的饮品，植物乳植杆菌为优选；若目标为低糖、高玉米黄质且具备复杂香气特征的产品，则酿酒酵母更为理想；双菌共发酵则提供了一种兼顾高抗氧化水平和酵母主导香气特征的均衡方案。该研究通过控制发酵时间——尤其是关键的前2天——和选择特定微生物，成功实现了枸杞基饮品功能特性和感官品质的定向调控，为新型功能性无醇发酵饮品的开发提供了有价值的技术参考，也为后续产品优化和消费者教育指明了方向。