《Fermentation》：Effects of Different Inocula Fermentation on Physicochemical, Nutritional and Antioxidant Activities of Non-Alcoholic Finger Millet (Eleusine coracana L.) Beverages
Mmaphuti Abashone Ratau,
Oluwaseun Peter Bamidele,
Victoria Adaora Jideani,
Victor Ntuli and
Shonisani Eugenia Ramashia
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本研究综述了以指谷为基质，通过对比自发发酵、商业发酵剂（Streptococcus thermophilus 和 Lactobacillus bulgaricus）接种及商业Mageu回用发酵等策略，结合发芽预处理，系统评估了对无酒精指谷饮料的微生物生长、发酵动力学、营养品质、抗氧化活性、色泽与质构的影响，为开发营养与功能属性更优的植物基饮料提供了技术与生化基础。
1. 引言
全球对具有健康益处、可替代乳制品的无酒精植物基饮料的兴趣日益增长。这一趋势受到健康意识提高、乳糖不耐受和牛奶过敏、伦理与环境关切，以及植物导向饮食模式的推动。在这一背景下，发酵谷物饮料作为具有文化相关性、营养密集的产品，正获得越来越多的关注，与消费者对清洁标签、无乳制品的功能性食品需求相契合。
同时，肠道菌群失调已成为一个主要的公共卫生问题。低纤维、高脂肪的饮食与有益细菌（如乳杆菌和双歧杆菌）数量减少，以及机会性病原体（包括金黄色葡萄球菌、产气荚膜梭菌和艰难梭菌）丰度增加有关。这些微生物变化与肥胖、炎症性肠病和其他代谢紊乱相关联。源于全谷物的发酵谷物饮料通过提供可发酵底物、生物活性化合物和有益微生物，代表了恢复微生物平衡的一种有前景的饮食策略。
在此趋势下，全球功能性饮料市场预计在2022年至2027年间以7.5%的年复合增长率增长。无酒精谷物基饮料在撒哈拉以南非洲地区尤其突出，因其营养价值、益生菌潜力、可负担性和文化相关性而受到重视。传统上，这类饮料作为代乳食品，或用于管理腹泻、胃肠道不适和肠道感染，在各个年龄段人群中消费。
在撒哈拉以南非洲，谷物饮料大多通过世代相传的自发、家庭级发酵生产。这些过程依赖于谷物、水和器具上天然存在的本土微生物菌群，通常缺乏正式的生产标准。虽然自发发酵可以产生理想的风味和生物活性化合物，但常常导致微生物组成、发酵动力学、营养品质和产品外观不一致。常见问题包括高浊度、不透明色泽、粘度不稳定、酒精异味和保质期短，这可能限制了其超出传统市场的接受度。
主食谷物如玉米、高粱和小米因其高纤维含量以及富含类黄酮、抗氧化剂、B族维生素、维生素E和必需矿物质而被广泛用于发酵。其中，指谷因其在营养组成上的优越性而尤为突出，包括高碳水化合物含量和极高的钙含量，超过了高粱和玉米。这些特性使指谷成为植物基功能性发酵饮料的一种未得到充分利用但极具前景的基质。
指谷的传统加工通常包含发芽处理，通常是与未发芽面粉混合少量使用。发芽可改变淀粉功能性、降低粘度，并产生适合婴幼儿作为代乳食品的低粘度饮料。除了降低粘度，发芽还能增强发酵谷物产品的抗氧化活性、营养品质和风味发展。然而，将发芽指谷作为主要或唯一基质使用的影响，特别是在受控发酵条件下，仍然知之甚少。因此，将发芽强度作为一种有意的发酵策略进行评估，代表了改善功能特性、感官品质和营养价值的一种新方法。
鉴于自发发酵的不一致性和缺乏标准化的指谷发酵剂，需要采取受控策略。利用已商业化的南部非洲玉米/高粱饮料Mageu进行回用发酵，可以提高发酵一致性并保留感官属性，但其微生物菌群对指谷的影响仍未得到探索，这突显了明确的研究机会。同样，乳制品适应的发酵剂，如保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，已在玉米基体系中得到评估，但在无乳制品指谷基质中仍未经过测试。将发芽与Mageu回用发酵和乳制品发酵剂结合，提供了一个独特的机会，可以系统评估指谷的受控发酵，同时解决自发过程的变异问题，保持关键的感官品质，并增强其功能、营养和商业潜力。
尽管这些方法具有潜力，但它们对指谷发酵的综合影响在很大程度上仍未得到探索。因此，本研究旨在评估利用商业Mageu回用发酵和选定的乳制品发酵剂对（i）无酒精指谷饮料的理化特性，以及（ii）由发芽和未发芽谷物生产的饮料的抗氧化能力和营养状况的影响。通过确定最佳发酵策略，本研究旨在为开发标准化的、营养强化的饮料建立技术和生化基础，以加强粮食安全，并推广指谷作为一种具有文化相关性的功能性食品。
2. 结果
2.1. pH、总可滴定酸度和总可溶性固形物的变化
指谷提取物的发酵在微生物生长、酸化和底物利用方面显示出显著差异，这取决于发芽和发酵剂类型。初始pH值范围为6.07（SB）至6.76（NB），在48小时内下降至4.08（SD）和4.73（NB）。SD表现出快速的酸化，具有最低的pH_min（4.08），表明其酸化和底物利用效率高。SB的酸化更为渐进。在未发芽提取物中，ND的酸化速度快于NB。乳酸积累与酸化趋势平行。SD达到了最高的最终总可滴定酸度（0.25%），而SB和ND达到0.22%，NB则较慢（0.14%）。
底物利用方面，以总可溶性固形物（TSS）衡量，发芽提取物中增强。SD和SB在48小时内保持了较高的TSS值，而非发芽饮料的TSS较低。最大生物量积累在SD和ND中也最高，表明快速的微生物生长与高效的酸化和底物利用紧密相关。
总体而言，这些综合行为表明，SD结合了最快的生长、快速的pH下降、最高的乳酸积累和最大的底物利用，而回用发酵则产生了更缓慢、更渐进的发酵过程。
2.2. 指谷饮料的近似组成
无酒精指谷饮料的近似组成因处理方式不同而有所差异。灰分含量范围为1.32%（ND）至2.12%（NS），发芽谷物制成的饮料灰分略高于非发芽饮料。粗脂肪含量在处理中从4.95%（SB）到5.77%（NB）不等。蛋白质含量在发芽饮料中为3.44%至4.02%，在非发芽饮料中为2.88%至3.25%。粗纤维范围从0.91%（NB）到2.86%（SB）。碳水化合物含量在发酵饮料中为81.59%至85.46%，能量值范围为388至409 kcal/100g，在非发芽饮料中最高。
2.3. 多酚含量和抗氧化能力
无酒精指谷饮料在多酚含量和抗氧化能力方面表现出明显差异。总酚含量在SB的7.79 μg/mL到ND的10.54 μg/mL之间变化。在发芽处理中，乳制品发酵剂发酵的SD具有比回用发酵SB更高的总酚和总黄酮含量。非发芽处理显示出与发芽饮料相当或更高的酚类含量，其中ND记录的总酚含量最高。
抗氧化活性在处理中也不同。DPPH自由基清除活性在ND和NS中最高，而SB的活性最低。ABTS活性在发酵处理中一致较高，但在商业参考饮料CM中最低。总体而言，所有实验发酵饮料的多酚和抗氧化剂值均显著高于商业玉米-高粱参考饮料CM。
2.4. 颜色特性和质构分析
无酒精指谷饮料的颜色特性在不同处理间存在显著差异。亮度（L）值从37.67（SD）到48.54（NS）不等。所有饮料都呈现红色调和黄色调。色度（C）和色调角（h°）在处理间变化。相对于商业参考饮料CM的总色差（ΔE）表明存在可感知但可接受的差异。
质构分析证实，主要实验指谷饮料在硬度、稠度和次峰力方面保持相似，处理间无统计学显著差异。相比之下，商业参考饮料CM显示出显著更高的硬度、稠度和次峰力，表明其质地更坚实、更粘稠、更一致。
2.5. 主成分分析揭示的内在结构分组
主成分分析用于评估处理间的多变量关系。主成分解释了总方差的76.86%。第一主成分代表了分离的主要轴，与颜色和组成属性相关，将发酵处理与商业参考饮料CM明显区分开来。发酵处理与矿物质和抗氧化相关变量相关联，而CM与较高的铁含量和亮度值相关联。第二主成分捕获了与发酵行为相关的变异。回用发酵处理在第二主成分上得分最高，而自发发酵处理与负向的、酸化相关的方向强烈关联。
总体而言，主成分分析表明，发酵主导了组成和功能的分化，而发酵剂的选择调节了发酵动力学。在这个框架内，发芽回用发酵展现出相对平衡的多变量特征，而乳制品发酵剂处理提供了更大的过程稳定性但分化较小。CM在所有发酵产品中保持独特，反映了根本不同的品质特征。
3. 讨论
指谷饮料的发酵显示，底物发芽和发酵剂选择深刻地塑造了微生物生长、酸化动力学、底物利用和最终饮料品质。发芽通过内源性淀粉酶、蛋白酶和植酸酶增强了可发酵性，促进了糖的释放、部分蛋白质水解、纤维溶解和矿物质生物利用度的提高。各处理中适度的生物量增加突出表明，发酵更多地依赖于代谢效率，而不是微生物增殖。
这些模式反映了发芽和微生物代谢之间的相互作用。发芽产生的内源酶释放出简单的糖、氨基酸和部分水解的纤维，这些可作为乳酸菌易于代谢的底物。乳酸菌的代谢特性驱动了快速酸化，也调节了底物利用，并稳定或转化酚类化合物为抗氧化活性形式。发芽和微生物酶活性共同作用，增强了蛋白质利用率、纤维溶解、矿物质生物可及性和功能性抗氧化剂表达，同时控制了酸化动力学并限制了依赖增殖的变异性。
发芽系统，特别是SD，支持快速酸化，在发酵前24小时内pH值低于4.5，同时伴随着总可滴定酸度的升高，这可能有助于抑制腐败微生物的生长。SD表现出最快的酸化和最高的底物利用，反映了微生物代谢与碳水化合物转化之间的紧密耦合，而不是广泛的细胞增殖。相比之下，SB显示出更渐进的酸化轨迹，这与通过回用发酵建立的混合微生物群落一致，在适度的微生物生长同时维持代谢活性。在非发芽提取物中，ND的酸化速度快于NB，表明尽管生长趋势相似，但代谢效率更高。总的来说，这些结果证实发芽增强了底物的可发酵性，而发酵剂类型调节了发酵动力学和轨迹。
底物利用反映了发酵动力学。发芽饮料在整个发酵过程中保持了较高的总可溶性固形物，表明淀粉溶解增强和微生物代谢高效，即使在生物量积累不明显的情况下也是如此。非发芽饮料表现出较低的总可溶性固形物，可能反映了有限的酶分解和较慢的底物消耗。这些模式表明，发芽和发酵剂选择优化了碳水化合物的可利用性和微生物性能，而回用发酵提供了受控的、渐进的酸化，可能保留了感官和功能品质。
指谷饮料的近似组成受底物和发酵策略的强烈影响，其中蛋白质保留成为一个关键特征。发芽处理通常含有比非发芽处理更高的蛋白质，表明发芽通过酶介导的氨基酸动员和抗营养因子的减少增强了蛋白质可利用性。粗纤维在发芽处理中也得到富集，反映了发芽和发酵过程中多糖溶解的表观增加。脂肪和碳水化合物含量在不同处理间大致相似，尽管自发发酵显示出略高的脂肪和较低的碳水化合物，这可能是由于可变的微生物代谢。能量值大体相当，非发芽饮料略高于发芽饮料，这主要反映了碳水化合物含量的差异而非蛋白质。这些发现突出了营养组成的权衡：发芽增强了蛋白质和纤维，而非发芽基质保持了略高的能量。使用确定的发酵剂进行受控发酵有助于一致地保留蛋白质，而自发发酵可能引入脂肪和碳水化合物水平的变异性。
矿物质组成也受底物和发酵策略的影响。发芽饮料SB和SD含有较高的钙和钾水平，但缺乏可检测的硅，这与发芽过程中植酸盐水解一致。铁和锰在处理中含量适中，而氯在商业参考饮料CM中升高，这是由于使用了工业处理水。这些发现表明，发芽饮料在矿物质方面具有优势，特别是钙和钾，而非发芽饮料则保留了蛋白质含量。
酚类含量和抗氧化能力明显受到底物类型和发酵策略的影响。与典型的发芽诱导总酚含量增加不同，非发芽指谷饮料比发芽对应物保留了更高的酚类、黄酮类化合物和DPPH活性。乳酸菌可能保留了完整谷物中结合的酚类，而发芽的水解作用增加了氧化损失。发芽处理表现出略低的酚类水平，但保持了中等的抗氧化活性，表明发芽和发酵可以选择性地调节抗氧化途径，而不是简单地增加总酚含量。在发芽饮料中，回用发酵并未最大化自由基清除能力，而SD支持更高的ABTS活性，这表明受控发酵下的微生物代谢可以影响特定的抗氧化机制。总体而言，这些模式展示了酚类保留与功能性抗氧化剂表达之间的权衡，非发芽基质有利于更高的自由基清除能力，而发芽与发酵类型的结合则以更具针对性的方式调节功能活性。商业参考饮料在所有酚类和抗氧化活性检测中持续显示出最低值，突显了实验性指谷饮料的优势。
色泽和质地受底物和发酵的影响。SB和SD比NB和ND颜色更深，可能是由于发芽和发酵过程中的酶促褐变和酚类物质相互作用。酶（如多酚氧化酶）的激活促进了醌类化合物的形成，然后聚合成棕色色素。此外，通过α-淀粉酶和蛋白酶作用，游离氨基酸和还原糖的增加可以增强美拉德反应。随后的加热处理会进一步加深颜色。发酵过程中的乳酸菌酸化饮料，可能通过使多酚氧化酶失活，加强了颜色。微生物对结合色素的水解也可能增加了可提取色素，导致SB和NS的色度更高。所有实验饮料都呈现红黄色调，而CM则更浅、更均匀。在SB、SD、NB、ND和NS之间，包括硬度、稠度和次峰力在内的质地参数具有可比性。α-淀粉酶和蛋白酶水解淀粉和蛋白质成可溶性糊精和肽。乳酸菌产生的胞外多糖可能调节了粘度，软化了感知到的硬度和次峰力。CM由于涉及均质和稳定剂的工业加工而显示出更高的值，增强了质地。这些结果表明，发芽和发酵剂类型对感官质地和颜色的影响有限，而商业产品提供了一个工业基准。这些因素可以被视为积极的属性，因为消费者日常接触的澄清饮料（如软饮料）通常是口感顺滑、酒体轻盈且易于吞咽的；澄清的指谷饮料同样提供了更柔软的质地和减少的颗粒感，增强了整体的适口性。
主成分分析表明，与发酵相关的组成变化是指谷饮料间多变量变异的主要来源，解释了沿第一主成分的主导分离，并清楚地区分了发酵处理与商业参考饮料。发酵样品与矿物质和抗氧化相关变量相关联，而CM与较高的铁含量和亮度值相关联。发芽处理与非发芽处理之间的差异相对较小，沿第一主成分有大量重叠，表明发酵效应在塑造整体组成特征方面超过了底物预处理。
沿第二主成分的变异反映了发酵行为的差异。酸化动力学变量与最低pH和能量值相对，表明从快速酸化到更温和发酵反应的梯度。回用发酵处理位于该轴的最远端，与更大的代谢灵活性一致，而乳制品发酵剂处理则更靠近原点聚集，反映了更受控的发酵行为。自发发酵与酸化动力学显示出最强的关联，突出了与不受控微生物活动相关的变异性。
综上所述，主成分分析表明，发酵主导了组成和功能分化，而发酵剂选择调节了发酵动力学。在此框架内，发芽回用发酵表现出相对平衡的多变量特征，结合了有利的组成属性和温和的发酵行为，而乳制品发酵剂处理提供了更大的过程稳定性但分化较小。CM与所有发酵产品保持不同，反映了根本不同的品质特征。
4. 结论
发芽和发酵剂选择以交互方式塑造了指谷饮料的营养、功能和发酵性能，为开发安全、营养密集的产品奠定了坚实基础。主成分分析确定发酵驱动的组成变化是变异的主要来源，清楚地将使用确定发酵剂的指谷饮料与商业Mageu区分开来。乳制品发酵剂发酵确保了快速、可预测的酸化与高效的底物利用，而回用发酵则在增强功能属性的同时提供了更平衡的发酵动力学。发芽改善了纤维和矿物质的利用率，而非发芽配方则保留了略高的能量，突显了营养与功能之间的权衡。通过系统分析这些处理在组成、功能和发酵特性方面的差异，本研究建立了一个技术和生化基准，可以指导后续的评估和产品开发。总体而言，指谷饮料在关键营养和功能指标上优于商业高粱和玉米基Mageu，验证了指谷作为非洲功能性食品开发的稳健平台。未来的研究可以在此基础上，优化配方、改良微生物菌株，并评估更广泛的质量属性，以开发面向市场的应用产品。
