植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁的理化特性演變與總酚生成動力學分析（三）
2.2可滴定酸含量和總糖含量
植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中可滴定酸含量和總糖含量的變化見圖2。
圖2紅棗汁發(fā)酵過程中可滴定酸含量和總糖含量變化
由圖2可知，發(fā)酵初始階段，可滴定酸含量為0.41%，接入植物乳桿菌后，在紅棗汁發(fā)酵過程中糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乳酸，從而使發(fā)酵紅棗汁的酸度提高。發(fā)酵結(jié)束時，可滴定酸含量增加到1.49%，顯著高于0h未發(fā)酵時的含量。植物乳桿菌在發(fā)酵期間的繁殖和生長均有糖參與代謝，發(fā)酵時間為0～8h時，總糖含量上升，8h后總糖含量呈下降趨勢，這種趨勢的形成與紅棗汁的發(fā)酵環(huán)境密不可分。發(fā)酵前期，紅棗汁中的果糖、葡萄糖被植物乳桿菌利用，這些物質(zhì)作為植物乳桿菌生長的能量來源，被其利用分解，導致總糖含量呈上升趨勢。隨著發(fā)酵的進行，紅棗汁中的糖被酶等物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化，使得后期紅棗汁中的總糖含量不斷減少。發(fā)酵24h時，總糖含量降至0.04mg/mL，低于初期未發(fā)酵時的總糖含量。
2.3總黃酮含量和總酚含量
植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總黃酮含量和總酚含量的變化見圖3。
由圖3可知，發(fā)酵初期，紅棗汁中總黃酮含量為10.74μg/mL，8h時增長至23.91μg/mL，這是由于在發(fā)酵初始階段，紅棗汁中的黃酮類結(jié)合物經(jīng)水解酶的作用逐漸被釋放，使得游離黃酮含量增加，隨后總黃酮含量開始下降，24h時下降至10.91μg/mL，這可能是黃酮類物質(zhì)發(fā)生氧化反應導致其含量減少。發(fā)酵期間總酚含量整體呈上升趨勢。0h時總酚含量為9.88μg/mL在發(fā)酵初始階段，總酚含量緩慢上升，12h后上升速度較快，到發(fā)酵后期，總酚含量基本趨于穩(wěn)定，24h時總酚含量為11.89μg/mL，這與紅棗汁在發(fā)酵過程中植物乳桿菌參與的代謝過程中會生成多種分解大分子物質(zhì)的酶相關(guān)，這些酶可釋放紅棗中的酚類物質(zhì)，從而使總酚含量上升。
2.4發(fā)酵紅棗汁菌體生長和總酚含量變化動力學研究
2.4.1菌體生長和總酚含量變化動力學曲線
紅棗汁發(fā)酵過程中菌體OD值和總酚含量的變化見圖4。
圖4發(fā)酵紅棗汁動力學曲線
由圖4可知，0～12h時植物乳桿菌在發(fā)酵棗汁中處于生長對數(shù)期，菌體繁殖速度快，12h后菌體繁殖速度逐漸減緩，而后趨于平穩(wěn)，植物乳桿菌在發(fā)酵棗汁中的生長周期處于穩(wěn)定期。同時，總酚含量的變化趨勢與菌體生物量的變化趨勢相一致。
2.4.2菌體生長動力學模型的建立
Logistic方程為：
式中：x為菌體的OD值；t為發(fā)酵時間，h;d表示變量x隨時間Ψt的變化率；μm為比生長速率的最大值，h-1;xm為發(fā)酵期間ODmax值。當t=0時，x=x0（初始OD值），將式（1）積分得到：
ODmax值為，使用Origin2021分析軟件對發(fā)酵期間不同時間點的菌體生物量進行非線性擬合，得到x0=0.448 3，μm=0.192 1h-1。
將x0…xm…μm代人式（2），獲得菌體生長動力學模型：
2.4.3總酚含量變化動力學模型的建立
為了探究紅棗汁在植物乳桿菌發(fā)酵期間總酚含量的變化，利用Logistic、Sgompertz和Boltzmann模型對各時間點測得的總酚增加量進行非線性擬合，確定總酚含量變化的最佳動力學模型，3個模型擬合方程及其擬合系數(shù)R2見表1，總酚增加量用Y表示。
表1總酚增加量擬合方程及其相關(guān)系數(shù)
由表1可知，3個模型的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，說明這3個模型均能較好地反映紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的變化。經(jīng)過對比，Boltzmann模型的R2為0.9944，擬合效果最佳，充分證明該模型能更加準確地描述植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總酚含量的變化規(guī)律。因此，確定Boltzmann模型為植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中總酚增加量變化的最優(yōu)動力學模型。
2.4.4動力學模型驗證
模型的相關(guān)系數(shù)R2僅是確定此模型是否適合菌體生長和總酚含量變化擬合的依據(jù)之一，為驗證所建立的兩個動力學模型的準確性，對試驗期間測得的真實值和所建模型計算的理論值進行詳細對比，結(jié)果見圖5和圖6。同時，為全面評估Logistic模型和Boltzmann模型的可靠性，對其進行了方差分析，結(jié)果見表2。
圖5 Logistic模型下菌體生長擬合曲線
圖6 Boltzmann模型下總酚增加量變化擬合曲線
由圖5和圖6可知，Logistic模型和Boltzmann模型計算的理論值與試驗值的吻合度較高。因此，這兩個模型能夠準確地反映菌體生長和總酚增加量的變化規(guī)律，可作為相關(guān)模型加以應用。
表2紅棗汁發(fā)酵動力學模型方差分析
由表2可知，菌體生長模型與總酚增加量變化模型的決定系數(shù)分別為0.9905和0.9944，說明這兩個模型的擬合度較高，也進一步驗證了該模型在預測植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中菌體生物量和總酚增加量變化方面的有效性。
為進一步驗證模型的準確性，對比了植物乳桿菌發(fā)酵紅棗汁過程中指標試驗值與模型計算的理論值，對比結(jié)果見表3。
表3紅棗汁動力學模型理論值與試驗值對比
由表3可知，菌體生長模型和總酚增加量變化模型的理論值和試驗值之間的平均誤差僅為1.26%和3.77%，二者的平均誤差均小于5%，充分證明了模型的擬合度較高，能夠精準地描述紅棗汁發(fā)酵過程中物質(zhì)的動態(tài)變化。
3結(jié)論
本文采用動力學模型對L．plantarumCICC20022發(fā)酵紅棗汁的菌體生長和總酚含量變化過程進行了分析。發(fā)酵期間，紅棗汁中活菌數(shù)最高可達，總糖含量和總黃酮含量均呈先上升后下降的趨勢，可滴定酸含量和總酚含量整體呈上升趨勢。分別采用Logistic模型和Boltzmann模型對紅棗汁發(fā)酵過程中菌體生長和總酚含量變化進行非線性擬合，兩個模型的擬合決定系數(shù)R2均大于0.99，試驗值與模型計算的理論值平均誤差均小于5%，表明擬合模型能夠較好地模擬紅棗汁發(fā)酵過程及描述其發(fā)酵動力學特征，預測紅棗汁發(fā)酵過程中總酚含量的動態(tài)變化，為發(fā)酵紅棗汁的工業(yè)化生產(chǎn)和品質(zhì)控制提供了一定的參考。
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