格氏乳杆菌发酵红心火龙果果汁的品质

Quality of red pitaya juice fermented by Lactobacillus gasseri

摘要

为探讨格氏乳杆菌L-SS（Lactobacillus gasseri，L-SS）发酵对红心火龙果果汁品质的影响，发掘其在植物基功能饮品开发中的应用潜力，利用流变学测定、理化指标分析、电子舌与电子鼻检测以及气相色谱-质谱联用（GC-MS）等方法，对红心火龙果果汁发酵前后的品质变化进行系统研究。结果表明：1）通过流变学测定发现，发酵前后果汁均呈假塑性流体特性，且发酵显著降低了黏度（P<0.05）；理化指标分析显示，发酵使果汁的 pH下降了0.79，可滴定酸质量浓度增加了16.99 g/L；高效液相色谱测定进一步表明，发酵显著促进了部分有机酸和游离氨基酸的积累，其中乳酸和乙酸质量浓度分别增加1 419.18和162.32 mg/L，甘氨酸质量浓度提高53.97 μg/mL（P<0.05）。2）电子舌与电子鼻分析显示，发酵增强了酸甜和鲜味感，降低了涩味，使整体口感更为协调。3）风味物质分析共检测出26种化合物，发酵显著增加了芳香物质苯乙醇和苯甲醛的含量（分别提升11.8倍和5.7倍，P<0.05），同时降低糠醛与正己醛等刺激性成分含量，使香气更加协调和丰富。综上，格氏乳杆菌L-SS发酵能够显著提升红心火龙果果汁的营养价值和风味品质，为植物基功能饮品的开发提供了理论依据与技术参考。

Abstract

To investigate the effects of Lactobacillus gasseri L-SS fermentation on the quality of red-fleshed dragon fruit juice and explore its potential application in plant-based functional beverage development， a systematic study was conducted on the quality changes of red-fleshed dragon fruit juice before and after fermentation using rheological measurements， physicochemical analysis， electronic tongue and nose detection， and gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS）. The results indicated： 1） Rheological measurements revealed both pre- and post-fermented juices exhibited pseudoplastic fluid characteristics， with fermentation significantly reducing viscosity （P<0.05）； Physicochemical analysis showed fermentation decreased juice pH by 0.79 and increased titratable acidity by 16.99 g/L. High-performance liquid chromatography （HPLC） further indicated that fermentation significantly promoted the accumulation of certain organic acids and free amino acids. Specifically， the mass concentrations of lactic acid and acetic acid increased by 1 419.18 and 162.32 mg/L， respectively， while glycine content rose by 53.97 μg/mL （P<0.05）. 2） The analysis of electronic tongue and nose revealed that fermentation enhanced sourness， sweetness， and umami while reducing astringency， resulting in a more harmonious overall taste profile. 3） A total of 26 compounds were detected in the analysis of flavor compounds. Fermentation significantly increased aromatic compounds phenethyl alcohol and benzaldehyde （11.8 times and 5.7 times， respectively， P<0.05）， while reducing irritant components such as furfural and hexanal， making the aroma more harmonious and tich. In summary， Lactobacillus gasseri L-SS fermentation can significantly enhance the nutritional value and flavor quality of red-fleshed dragon fruit juice， providing theoretical foundations and technical references for developing plant-based functional beverages.

Graphical abstract

关键词

红心火龙果 / 格氏乳杆菌L-SS / 益生菌发酵 / 风味物质 / 感官评价

Key words

Hylocereus polyrhizus / Lactobacillus gasseri / probiotic fermentation / flavor substances / sensory evaluation

随着人们健康意识的提升和对功能性食品需求的增加，益生菌发酵果蔬饮品在饮料市场的地位愈加重要。该类饮品不仅兼具营养价值与口感优势，还具备调节肠道菌群和增强免疫力等多重保健功能。在诸多水果中，火龙果因其独特的营养与功能特性成为理想的发酵基质。益生菌发酵是提升食品功能性、改善风味与保存性的关键技术之一。通过发酵过程，益生菌不仅能产生有益代谢产物，还可增强底物中的营养成分活性、改善肠道健康和促进消化吸收等，对人体健康具有积极作用^［1］。在选择发酵底物时，理想的基质应具备良好的营养结构与适口性。相较于白心火龙果，红心火龙果富含膳食纤维、矿物质、维生素及天然抗氧化物质（如花青素和酚类化合物）^［2-3］。其中，花青素具有改善睡眠和保护视力等重要功能^［4-6］；而红心火龙果及其加工品，正是这些酚类物质在人类饮食中的重要来源^［7-8］。在感官层面，红心火龙果色泽鲜艳、风味更为浓郁，能有效提升发酵饮品的视觉吸引力和口感层次。因此，以红心火龙果为底物开发功能性发酵饮品具有重要价值。

发酵是益生产品的关键生产手段，不仅能使益生菌在饮品中发挥作用，还能通过代谢过程释放和转化功能性成分^［9］。格氏乳杆菌作为一种常见的益生菌，具备强大的乳酸发酵能力，可促进蛋白质降解与氨基酸再合成，提升游离氨基酸与活性小分子含量；还可以提高多酚类等活性物质的生物利用度，产生乳酸、短链脂肪酸和胞外多糖等代谢物，进一步增强营养与健康功效^［10-15］。除此之外，格氏乳杆菌发酵还能重塑饮品的质构与口感，使其更加顺滑柔和，并通过生成芳香代谢物改善香气与整体风味^［16-17］。

前人对于格氏乳杆菌发酵进行了一部分探索。Wu等^［18］研究证明，发酵可有效提高火龙果果汁中总酚含量并能改善其风味，增加乳酸和乙酸等有机酸，促进部分糖类向短链脂肪酸及挥发性芳香化合物的转化。李靓等^［11］和Garcia等^［13］还发现发酵可提高火龙果果汁中多种游离氨基酸和功能性代谢产物的含量，有助于提升其益生潜力。而邓诗源等^［19］和Cinderela等^［20］的研究则显示出格氏乳杆菌在火龙果果汁基质中可稳定存活并持续产酸，适合应用于植物基益生菌饮品。格氏乳杆菌发酵对风味的重塑尤为关键，其在发酵过程中会改变果汁中有机酸、游离氨基酸和挥发性化合物（VOCs）的种类与含量，从而影响酸、甜、鲜、苦、涩等基本味觉以及果香、脂香等复合香气。然而现有研究多集中于发酵后单一理化指标或部分成分的变化，格氏乳杆菌代谢活动如何精准调控红心火龙果果汁的风味，其内在的物质转化机制仍有待阐明。

基于上述问题，本研究拟将红心火龙果果汁作为发酵基质，选取一株从1月龄母乳喂养的婴幼儿肠道中分离得到的格氏乳杆菌L-SS进行发酵。在优化后的发酵条件（pH=5、接种量0.9%、时间24.6 h、温度36 ℃）下，活菌数达8.996 lg CFU/mL。进一步对发酵前后的火龙果果汁进行理化指标检测、感官评价、有机酸和游离氨基酸测定以及挥发性风味物质分析，旨在揭示格氏乳杆菌L-SS发酵过程中对红心火龙果果汁品质与功能成分转化的调控机制，为其在植物基功能饮品中的应用提供新的理论依据。

1　材料与方法

1.1　材料及试剂

原料：国产皱皮红心火龙果，产地广西百色；格氏乳杆菌L-SS（从1月龄母乳喂养的婴幼儿肠道中分离得到）。

试剂：碳酸氢钠、柠檬酸钠、氢氧化钠均为分析纯AR，购自上海麦克林生化科技股份有限公司；MRS肉汤培养基，购自北京奥博星生物技术有限责任公司；琼脂，购自北京索莱宝科技有限公司；甲醇（色谱级别），购自国药集团化学试剂有限公司；2-甲基-3-庚酮（分析纯），购自美国Sigma-Aldrich公司；富马酸、柠檬酸、马来酸、乙酸、草酸、苹果酸、乳酸（分析纯）以及谷氨酸、天冬氨酸、脯氨酸等游离氨基酸类物质标准品（色谱级别）均购自上海源叶生物科技有限公司。

1.2　仪器及设备

榨汁机，购自美的集团股份有限公司；台式pH计、手持糖度计，购自梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；垂直流洁净工作台，购自苏州安泰空气技术有限公司；立式全自动高压蒸汽灭菌锅，购自施都凯仪器设备有限公司；台式高速冷冻离心机，购自德国SIGMA公司；生物显微镜，购自重庆光电仪器有限公司；恒温培养箱，购自上海精宏实验设备有限公司；恒温振荡器，购自上海旻泉仪器有限公司；色差仪，购自日本柯尼卡美能达；电子舌，购自法国Alpha MOS公司；电子鼻，购自德国Airsence公司；高效液相色谱质谱联用仪、高效液相色谱仪、顶空固相微萃取联合气质联用仪，购自美国安捷伦科技有限公司。

1.3　试验方法

1.3.1　红心火龙果果汁发酵

选取新鲜无病虫害的红心火龙果，去皮切块榨汁，经纱布过滤并用柠檬酸钠/碳酸氢钠调pH为5.0。取甘油保藏的格氏乳杆菌L-SS复苏，经2次传代稳定后，4 ℃、8 000 r/min离心收集菌体，洗涤重悬制得菌液。将菌液以0.9%接种量接入巴氏杀菌（95 ℃ 15 min）后的果汁，在36 ℃下密封发酵约24.6 h。

1.3.2　发酵红心火龙果果汁理化指标的测定

1.3.2.1　pH测定

取发酵后的红心火龙果果汁，使用电子pH计于室温下连续测定3次取平均值^［21］。

1.3.2.2　可滴定酸含量测定

发酵红心火龙果果汁的可滴定酸含量采用电位滴定法^［21］。以氢氧化钠标准溶液为滴定剂，在磁力搅拌条件下进行滴定，通过电位突跃确定终点。可滴定酸含量以乳酸计，结果以g/L表示。测定在室温条件下进行，每个样品连续测定3次，取平均值作为最终结果。

1.3.2.3　可溶性固形物含量测定

使用数显手持糖度计测量可溶性固形物含量，于室温下连续测定3次取平均值^［21］。

1.3.2.4　色度值的测定

使用色度计测定发酵红心火龙果果汁的CIELAB色度值，记录L^*、a^* 和b^* 值。根据公式（1）计算总色差ΔE，用于表示发酵过程中红心火龙果果汁颜色的变化程度。在室温下连续测定3次L^*、a^*、b^* 值。

∆E=\sqrt[]{{\left(L^{*}-L_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(a^{*}-a_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(b^{*}-b_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：L^*为发酵红心火龙果果汁的亮度值；a^*为发酵红心火龙果果汁的红绿色度值；b^*为发酵红心火龙果果汁的黄蓝色度值；L₀为未发酵红心火龙果果汁的亮度值；a₀为未发酵红心火龙果果汁的红绿色度值；b₀为未发酵红心火龙果果汁的黄蓝色度值。

1.3.3　发酵红心火龙果果汁流变性质测定

准确称取发酵火龙果果汁和未发酵火龙果果汁1 mL用于流变学测定。选择直径40 mm的平板，平板间距设置为1 mm，在25 ℃下分别进行黏度-剪切速率扫描。控制剪切速率，使其由1 s^-1逐渐上升到200 s^-1，每5 s测定一次数据，测定剪切力随剪切速率的变化情况，重复3次。剪切速率测定范围0.1~100 s^-1，测定黏度随剪切速率的变化情况，重复3次。

1.3.4　发酵红心火龙果果汁感官评价

挑选10位健康、无感官缺陷、训练有素的食品专业学生（5男5女），组成感官评定小组。在正式评价前，对评价员进行为期一周的感官训练，培训内容包括对基本味觉（甜、酸、苦、咸、鲜）及典型气味物质（如乳酸、柠檬酸、苯乙醇等）的识别与强度判断训练，并通过重复测试确保评价员具备稳定的识别能力和一致性。要求感官测评人员24 h以内禁烟酒和辛辣刺激性食物。感官评定前对参与评价的小组成员说明试验目的、感官评定流程和评分细则，并利用表1的感官评分进行评价。

1.3.5　发酵红心火龙果果汁电子感官分析

1.3.5.1　电子鼻分析

使用电子鼻分析发酵红心火龙果果汁样品的整体香气特征。传感器阵列由10个金属氧化物半导体传感器组成，电阻率用于指示传感器的响应，每个传感器的响应特征如表2所示。

检测前，准确吸取2 mL发酵红心火龙果果汁样品于顶空进样瓶，密封后于室温下静置，平衡30 min，使气味充分挥发。样品采集前，使用清洗气体以600 mL/min气体流速清洗180 s，保证残留挥发物解吸，信号回归基准线。清洗结束进样，样品气体以300 mL/min气体流速采集60 s，取第56~58 s的响应信号作为响应值。每种样品设置3个重复^［21］。

1.3.5.2　电子舌分析

取5 mL发酵红心火龙果果汁，加10 mL超纯水，常温超声15 min。经10 000 r/min离心15 min，取上清液，0.22 μm水系滤膜过滤后定容至100 mL。传感器与参比电极预先活化，每次检测120 s（采集频率1 s/次），间隔以超纯水清洗10 s并平衡30 s。每组样品重复测定3次。

1.3.6　发酵红心火龙果果汁有机酸的测定

发酵红心火龙果果汁在4 ℃下，以8 000 r/min离心5 min，取上清液过0.22 μm水相滤膜置于进样瓶。采用Ultimate AQ-C18色谱柱，设定柱温为30 ℃，流动相为NaH₂PO₄（20 mM， pH 2.6）：V（甲醇）∶V（水）=98∶2，流速为0.7 mL/min，进样量为10 μL，紫外检测器检测波长为210 nm^［22］。

1.3.7　发酵红心火龙果果汁氨基酸的测定

将样品用色谱纯级甲醇稀释100倍，充分混匀后离心，上清液经0.22 μm过滤器滤入HPLC-MS进样瓶中。

色谱条件：色谱仪器为岛津LC-20AD，色谱柱为C18（4.6 mm×250 mm，填料粒径5 μm），设定柱温箱为40 °C，流速为1 mL/min，进样量为10 μL，流动相由两相组成：A相：0.1 mol/L醋酸钠溶液（pH 6.50）-乙腈，V（0.1 mol/L 醋酸钠溶液）∶V（乙腈）=93∶7；B相：水-乙腈，V（水）∶V（乙腈）=20∶80，流动相洗脱梯度程序为：0~11 min，0%B；11~32 min，7%~70%B；32~42 min，100%B，42~60 min，0%B，总运行时间为60 min^［22］。

1.3.8　发酵红心火龙果果汁挥发性风味物质的测定

采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）分析发酵红心火龙果果汁的挥发性化合物。取2 mL样品于含0.5 g NaCl的20 mL顶空瓶中，加入2-甲基-3-庚酮（1.561 μg/mL，1.5 μL）作为内标，在45 ℃平衡15 min后，用已活化的SPME纤维萃取30 min。GC条件：氦气载气（1.0 mL/min），进样口240 ℃，热解吸5 min；升温程序：40 ℃保持2 min→3 ℃/min至85 ℃→1 ℃/min至105 ℃→3 ℃/min至180 ℃→10 ℃/min至230 ℃并保持5 min。MS条件：EI源，70 eV，离子源温度230 ℃，扫描范围35~750 m/z^［22］。

定性分析利用自动质谱退卷积定性系统（AMDIS）解谱，根据峰质谱图、保留时间和保留指数，与美国国家标准技术研究所（NIST）2023标准谱库进行匹配。定量分析采用内标标准曲线法，计算公式为：

C_i=\frac{S_j}{S_i}\times \frac{C_j\times V_j}{V}（2）

式中：C_i 为挥发性物质的浓度，μg/L；C_j 为内标物的浓度，μg/L；V_j 为内标物的体积，μL；S_i 为挥发性物质的峰面积；S_j 为内标物的峰面积；V为发酵红心火龙果果汁样品的取样体积，mL。

1.4　数据处理

使用SPSS Statistics 27对数据进行单因素方差分析，以比较结果间的显著性差异，P<0.05即为显著。使用SIMCA对数据进行正交偏最小二乘判别分析，使用Origin 2023和GraphPad Prism9绘制图表。

2　结果与分析

2.1　发酵红心火龙果果汁理化指标分析

红心火龙果果汁经格氏乳杆菌L-SS发酵后，其理化性质发生了显著变化（表3）。首先，pH从5.173下降至4.383，可滴定酸从12.34显著上升至29.33 g/L，表明发酵过程中乳酸及其他有机酸大量生成，这一变化有利于提升饮品的酸味风味和微生物安全性^［23］。可溶性固形物（°Brix）略微降低，说明部分糖类被格氏乳杆菌分解并转化为酸性代谢产物，这与其他研究中乳酸菌在水果和蔬菜发酵体系中通过糖酵解生成乳酸和乙酸的报道一致^［24］，并且在仙人掌和番茄汁等多种果蔬中均有报道^［25］。在色差方面，L^*、a^* 和b^* 值均有所上升，尤其L^*值从8.187升至11.137，说明发酵后颜色更加鲜亮，这可能与发酵过程中多酚类、类胡萝卜素或天然色素的释放与稳定性增强有关^［26］，色泽改善主要受益于代谢小分子的调节和抗氧化物提升^［27］。格氏乳杆菌L-SS还可以显著提高总酚与黄酮含量（P<0.05），同时增强抗氧化活性，这进一步解释了色泽增强与功能性提升的关联。

2.2　发酵红心火龙果果汁流变性质结果分析

流变特性不仅能反映果汁在加工、储存过程中的流动与变形行为，还可揭示其内部胶体网络结构与稳定性，有助于优化配方设计和控制产品质感^［28］。依据幂律方程ζ=kSⁿ判断流体类型：n<1表现为剪切变稀的假塑性流体，n=1为牛顿流体，n>1为胀塑性流体。拟合结果表明，未发酵红心火龙果果汁（Unfermented red-fleshed dragon fruit juice，URDJ）ζ=0.016 6⋅S^{0.577 2}，n=0.577 2，因此URDJ为典型假塑性流体，剪切速率升高时黏度明显下降；发酵红心火龙果果汁（Fermented red-fleshed dragon fruit juice，FRDJ）ζ=0.001 7⋅S^{0.949 7}，n=0.949 7，则趋近牛顿流体，流变行为更接近线性关系，体系黏性显著减弱。该变化表明，发酵过程中乳酸菌对果胶等黏性大分子的降解破坏了果汁的内部结构，从而降低了体系黏度并增强了流动性，直观反映了乳酸菌发酵对体系流变特性的影响。

从图1中可以看出，URDJ和FRDJ样品的黏度均随剪切速率增加而显著下降（P<0.05），呈现出明显的剪切变稀特性，表明两者均为假塑性流体。相较于URDJ，FRDJ在整个剪切速率范围内的黏度均明显降低，说明发酵过程破坏了原有的结构网络（如果胶-多糖-蛋白复合结构），使体系内部摩阻作用减弱，流动性增强。高剪切速率下两者黏度趋于稳定，表明结构基本被破坏，黏度主要受分子间流体摩擦主导。因此，发酵显著削弱了火龙果果汁的黏性，提高了其流动性能，与前文假塑性分析结果一致。

2.3　发酵红心火龙果果汁的感官分析

2.3.1　发酵红心火龙果果汁感官评价

成立感官品评小组对URDJ和FRDJ进行感官评价（图2）。发酵红心火龙果果汁在“发酵风味”“口感滋味”“总体接受度”方面评分均高于未发酵果汁，说明乳酸菌发酵赋予了果汁更加丰富和协调的风味特征，提升了整体感官吸引力。虽然在外观颜色和组织状态方面，URDJ表现更优，这可能与发酵过程中pH变化及酶促反应对色泽和质构的影响有关，但上述变化并未降低其整体感官接受度。相反，发酵在一定程度上丰富了饮品的风味层次和口感体验，表明发酵处理是提升果汁功能性和感官品质的有效途径。后续将结合电子舌与电子鼻技术，对其风味特征进行进一步客观分析。

2.3.2　电子鼻分析

电子鼻是一种模拟人类嗅觉系统的分析工具，广泛应用于食品风味品质评估中，能够快速、客观且无损地检测复杂样品中的挥发性成分^［29］。电子鼻结合多变量统计分析（如主成分分析）可有效识别果蔬发酵过程中气味轮廓的变化，是风味评价和品质控制的重要手段^［30］。

发酵前后果汁在挥发性成分上存在一定差异（图3）。PCA结果（PC1 73.1%，PC2 14.3%，累计87.4%）表明电子鼻可区分URDJ与FRDJ，但两者仍有部分重叠，差异主要体现在少数特征气体上。传感器结果显示，FRDJ在W1W（无机硫化物、萜烯类）、W2S（醇、醛酮类）、W5S（氮氧化物）、W1S（甲基类）上响应增强，其中W1W和W5S最为明显，但整体变化幅度有限。此类现象可能说明格氏乳杆菌L-SS发酵对红心火龙果果汁风味的影响较温和，未造成显著的风味重构，而是带来了细微但可能有益的风味调整。这种温和的风味调节方式在感官要求较高的产品中具有明显优势，能够在较好保留果汁原有风味特征的基础上，实现其功能性的提升。

2.3.3　电子舌分析

电子舌通过多通道传感器对酸、甜、苦、咸和鲜等味觉进行定量分析，并结合PCA实现样品区分^［31］。不同的化学传感器组成分别对应酸味化合物（AHS）、甜味化合物（ANS）、苦味化合物（SCS）、咸味化合物（CTS）、鲜味化合物（NMS）和复合化合物（PKS、CPS）。

URDJ与FRDJ在PC1、PC2上呈现一定分离，累计贡献率78.7%，说明发酵显著改变果汁味觉结构（图4（a））。FRDJ在酸、甜、鲜和苦等维度上响应增强，体现出有机酸代谢、蛋白质分解及氨基酸释放等作用；而涩味（CPS）降低，说明乳酸菌可能降解或转化了多酚类物质，使口感更顺滑柔和，减少了刺激性和干涩感，这也解释了感官评价中FRDJ在“口感滋味” “总体接受度”上的优势（图4（b））。这种风味结构的重构趋势与前人研究类似，格氏乳杆菌发酵促进火龙果果汁中乳酸与乙酸等有机酸生成，从而增强酸味与鲜味的层次感，并通过多酚类物质的转化降低涩感^［32］，从仪器检测与感官评价来看，发酵为开发具有优良感官品质和功能特性的果蔬发酵饮品提供了可行路径。

2.4　发酵红心火龙果果汁的有机酸组成分析

有机酸在果蔬汁发酵过程中不仅决定产品的酸度，还影响风味层次、口感协调性和感官接受度。有机酸如乳酸、柠檬酸、苹果酸和乙酸等，在发酵中不仅作为代谢产物调控pH，还通过影响酯类释放与芳香化合物形成，显著提升饮品的风味表现与感官复杂性^［33］，同时抑制有害菌的生长，延长产品货架期^［34］。FRDJ样品中新生成的乳酸（1 419.18 mg/L）和乙酸（162.32 mg/L）显著高于URDJ中未检测水平（P<0.05），富马酸含量也明显提升，而原有的苹果酸、柠檬酸和琥珀酸则有所下降，反映出有机酸结构从果酸型向发酵酸型的转换（表4），说明格氏乳杆菌的代谢由果酸型向发酵酸型转变。乳酸主要通过糖酵解产生，而乙酸则来自柠檬酸裂解及混合酸发酵途径^［35］，苹果酸和柠檬酸的显著消耗与苹果酸脱羧作用密切相关，该反应将苹果酸转化为乳酸和CO₂，实现脱酸与能量再生^［36］。研究表明乳杆菌在酸性环境下可利用柠檬酸作为共代谢底物，促进乙酸生成与酸耐性提升^［37］。因此，FRDJ样品中有机酸组成的变化反映了糖酵解、苹果酸脱羧和柠檬酸裂解等代谢途径的协同作用，从而重塑了果汁的风味基础，使其酸感更加温和且层次更为丰富。

聚类热图也显示出URDJ与FRDJ样品在多个有机酸上的表达模式差异，表明发酵过程对有机酸组成的系统性调控（图5）。相关研究表明，在乳酸菌发酵过程中，乳酸、乙酸和相关有机酸的提升能够丰富芳香物质的种类，是改善口感、提升整体风味的关键因素^［38］。PCA图清晰地将FRDJ样品与乳酸、乙酸等变量聚类在一起，进一步印证发酵改变了有机酸的主导成分（图6（a））。而乳酸、乙酸的相对浓度升高与苹果酸、柠檬酸的减少形成鲜明对比，佐证有机酸代谢的动态平衡（图6（b））。因此，发酵过程中有机酸谱的重构不仅赋予红心火龙果果汁更具层次感的风味结构，也为产品的感官接受度提升和功能化价值提供了分子机制支撑。

2.5　发酵红心火龙果果汁游离氨基酸的结果分析

游离氨基酸（Free amino acids，FAA）既是重要的风味活性物质，也可通过代谢通路参与香气形成与营养调控。其中，鲜味氨基酸如谷氨酸（Glutamic acid，GLU）、天冬氨酸（Aspartic acid，ASP）赋予体系鲜味特征；甜味氨基酸如甘氨酸（Glycine，GLY）和苏氨酸（Threonine，THR）可柔化整体风味；而苦味或涩味氨基酸如酪氨酸（Tyrosine，TYR）和组氨酸（Histidine，HIS）对感官接受度具有双向调节作用。乳酸菌发酵可显著促进蛋白质降解及氨基酸再合成，从而重塑FAA谱^［39］。

如表5所示，FRDJ中谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸（Alanine，ALA）、脯氨酸（Proline，PRO）等多数FAA含量显著高于URDJ，其中GLU由64.19升至160.00 μg/mL，增幅超过300%（P<0.05）。图7和图8进一步表明，FRDJ在鲜味、甜味及苦味FAA水平均呈明显上升趋势，说明发酵过程在增强鲜味与柔和口感的同时，降低了风味单调性与刺激性，使果汁口感更加鲜润、层次更加丰富。

2.6　发酵红心火龙果果汁挥发性风味物质的结果分析

挥发性风味物质（VOCs）是决定果汁香气和风味特征的关键因子，其在发酵过程中发生的变化直接影响产品的感官品质和消费者接受度^［40］。如表6所示，共检测出红心火龙果果汁中26种带风味的挥发性风味化合物，涵盖醛类、酮类和酯类等6大类别。

发酵显著改变了红心火龙果果汁的香气组成，使其从青涩刺激转向果香、脂香和复合香气结构。醛类（4种）在FRDJ中显著减少（P<0.05），如反-2-辛烯醛、正己醛等刺激性成分降低；酮类（3种）、酯类（2种）、酸类（5种）在FRDJ中增加，分别赋予果香、甜果香、柠檬香、奶香及油脂香；醇类最为丰富（10种），苯乙醇、正己醇等赋予脂香、花香和酒香，是发酵后香气提升的主要来源。发酵显著改变了红心火龙果果汁的香气组成，机制与乳酸菌的多重代谢途径有关。研究表明，乳酸菌通过Ehrlich途径将氨基酸转化为醛、醇和酯，使苯乙醇、正己醇等具有果香与花香的成分显著增加^［41］（P<0.05）。同时，丙酮酸代谢产生的2，3-丁二酮和3-羟基-2-丁酮赋予奶香与甜香^［42］，而乙酰辅酶A与醇的酯化反应生成的酯类则贡献了果香与脂香^［43］。综上，发酵通过糖酵解、氨基酸降解和脂肪酸代谢共同驱动了火龙果果汁香气由青涩向复合果香的转变。杂环类化合物如2-甲基吡嗪（坚果香）、2-乙酰基-5-甲基噻吩（蜂蜜焦糖香）仅在FRDJ中检出，体现乳酸菌特有的风味优化作用。整体上，苯乙醇、正己醇和乙酸等成分在复合香气构建中作用突出，而刺激性醛类含量下降，显著改善了果汁的香气愉悦度。

为探索挥发性化合物的差异，OPLS-DA模型显示，FRDJ与URDJ样本在主成分 T［1］ 和正交成分Orthogonal-T［1］方向上实现了明显分离，表明2组在VOCs组成上存在实质性差异（图9（a））。随后对模型进行200次置换检验，结果如图9（b）所示，R²=0.525，Q²=-0.885，表明模型未发生过拟合，具有良好的稳定性和预测可靠性，因此可用于后续差异挥发性化合物的筛选。图9（c）基于VOCs丰度揭示了不同样本间香气谱的系统性差异。与URDJ相比，发酵组FRDJ中苯甲醛（ald1）、苯乙醇（alc2）和正己醇（alc3）等挥发性成分呈现较高丰度，表明发酵过程显著促进了香气物质的积累与重构。该结果与OPLS-DA模型对样本差异的判别结论高度一致。

为了明确造成样品间香气差异的来源，投影变量重要度（VIP）分析被应用于解析关键的差异性挥发性化合物。VIP>1的变量被认为对区分组间样本具有显著贡献，因此常作为潜在差异标志物的筛选依据^［44］。在所提取的风味变量中，如图9（d）所示，VIP>1的物质，说明它们在URDJ与FRDJ之间具有显著区分作用。其中，十四醇（alc1）、丁酸沉香酯（e2）、月桂酸（ac5）等挥发性化合物排名靠前，说明它们是区分发酵与未发酵样品的关键香气成分。图9（e）展示各类香气组分的相对丰度对比，FRDJ组中醇类（如苯乙醇、正己醇）、酸类（如乙酸、庚酸）、杂环类（如2-甲基吡嗪）显著增加（P<0.05），替代URDJ中主导的醛类（如苯甲醛、反-2-辛烯醛）与部分酮类，使香气更趋温和、果香突出。因此红心火龙果果汁经格氏乳杆菌L-SS发酵在香气结构上实现了种类扩展、关键成分替代与风味层次优化，这为其品质提升与风味产品开发提供了坚实的分子基础。

3　讨 论

3.1　格氏乳杆菌L-SS发酵对红心火龙果果汁理化指标和流变性能的影响

本研究结果显示，格氏乳杆菌L-SS能在火龙果果汁体系中良好生长并引起显著的理化性质变化。发酵过程中，格氏乳杆菌L-SS在火龙果果汁基质中表现出良好的适应性和活性代谢能力，其强产酸特性导致体系pH显著下降（P<0.05）、可滴定酸升高，反映出菌株能够高效利用果汁中的可发酵碳源，通过乳酸发酵途径积累乳酸与乙酸等有机酸，从而重塑果汁酸度平衡和风味基础。酸度的调节不仅改善了果汁的鲜味与清爽感，也可能为后续芳香物质的生成提供酸性环境，从代谢层面促进风味前体物质的转化。色泽变化方面，发酵显著提升了果汁的视觉品质，这一现象可能与菌体代谢产物对天然色素的保护作用及酚类化合物的氧化还原反应有关。乳酸菌发酵可通过降低氧化还原电位、促进抗氧化物积累，从而减少花青素或甜菜红素等敏感色素的降解，增强体系色泽稳定性^［26］；另一方面还受益于代谢小分子的调节和抗氧化物提升^［27］。流变性能分析表明，体系由假塑性流体向近似牛顿流体转变，发酵改变了果汁内部胶体与多糖网络结构。格氏乳杆菌可能通过分泌多糖水解酶、酸性代谢物或胞外多糖（EPS）作用于果胶与可溶性多糖结构，使其部分解聚并减少分子间缠结与水化作用，从而导致黏度下降、流动性增强^［45］。总体而言，格氏乳杆菌L-SS通过酸度调控和多糖降解等代谢途径，优化了果汁的理化稳定性与流动性能，为后续工业化灌装与流体输送提供了工艺优势

3.2　格氏乳杆菌L-SS发酵对红心火龙果果汁风味结构和感官特性的影响

本研究结果表明，格氏乳杆菌L-SS发酵显著调节了火龙果果汁的风味感知结构。电子鼻分析中，发酵后样品在W1W（无机硫化物、萜烯类）、W5S（氮氧化合物）信号增强，说明菌株代谢产物对风味的调节较温和，以平衡与细微改良为主^［46］。电子舌结果显示，发酵样品酸味、鲜味、苦味和咸味均高于未发酵样品，体现出有机酸代谢增强、蛋白降解产物等作用；同时涩味显著降低（P<0.05），表明乳酸菌能降解或转化多酚类物质，使果汁更顺滑柔和。感官评价也印证了FRDJ在口感和接受度上的优势，这也解释了感官评价中FRDJ在“口感滋味”“总体接受度”上的高评价，这种风味结构的重构趋势与前人研究类似^［32］。

3.3　格氏乳杆菌L-SS发酵对火龙果果汁挥发性风味物质的影响

本研究进一步揭示，格氏乳杆菌L-SS发酵显著改变了火龙果果汁的挥发性化合物谱，有机酸谱由果酸型向发酵酸型转变，乳酸、乙酸等显著增加（P<0.05），提升了酸甜协调感并降低涩味。类似的研究指出乳酸菌发酵过程中有机酸积累是风味改善的核心代谢基础^［38］。氨基酸代谢分析显示，谷氨酸、甘氨酸等鲜味和甜味氨基酸显著积累，说明乳酸菌诱导的氨基酸代谢通路活跃。GC-MS结果进一步表明，发酵样品中苯乙醇、乙酸等赋香物质显著上升（P<0.05），而正己醛等刺激性醛类显著减少，同时杂环化合物如2-甲基吡嗪与2-乙酰基-5-甲基噻吩增加。这些变化体现了乳酸菌发酵中普遍存在的“醛类下降、醇酯类上升”的香气优化规律，也验证了其在去除青涩气味、提升香气愉悦度方面的积极作用^［10］。因此，本研究从代谢与风味角度揭示了格氏乳杆菌L-SS通过多通路代谢重塑果汁香气成分的机制，为理解果蔬发酵饮品的香气形成规律提供了试验依据与理论支撑。

4　结 论

本研究表明，格氏乳杆菌L-SS发酵能够显著改善红心火龙果果汁的理化特性和感官品质。发酵不仅增强了酸度，还改善了体系流变性能，使果汁由典型假塑性向接近牛顿流体转变，表现出更佳的流动性和加工适应性。同时，发酵过程促进了鲜味与甜味氨基酸及多种芳香物质的生成，抑制了部分刺激性成分，使风味更为协调丰富。电子感官与人工感官分析均证实，格氏乳杆菌L-SS有效提升了果汁的酸甜鲜感和整体接受度。综上，格氏乳杆菌L-SS在提升红心火龙果果汁营养功能与风味品质方面具有显著优势，为其在植物基功能饮品的开发与应用提供了理论依据和实践参考。未来可进一步从代谢组学、转录组学等多维角度深入解析格氏乳杆菌在发酵过程中的代谢调控机制及风味物质形成路径，揭示其关键代谢网络与信号通路。同时，还需探索不同果蔬基质及复合菌种的协同发酵效应以实现产品功能性、感官品质与工业化可行性的综合提升。

参考文献

[1] Park I， Mannaa M.Fermented foods as functional systems： Microbial communities and metabolites influencing gut health and systemic outcomes［J］.Foods，2025，14（13）：4182

[2] 刘妍， 郭艳峰， 李晓璐， 谭贵良.三种水果果皮中花青素含量测定及其稳定性分析［J］.保鲜与加工，2017，17（4）：89-93

[3] Liu Y， Guo Y F， Li X L， Tan G L. Determination of anthocyanin content and stability analysis in peels of three fruits［J］. Preservation and Processing， 2017， 17（4）： 89-93 （in Chinese）

[4] 张翔. 不同品种红肉火龙果果汁综合品质的差异及加工关键技术研究［D］. 锦州：锦州医科大学， 2023

[5] Zhang X. Study on the differences in comprehensive quality and key processing technologies of juices from different varieties of red-fleshed pitaya［D］. Jinzhou： Jinzhou Medical University， 2023 （in Chinese）

[6] 周笑犁， 莫瑞， 肖娜， 杜斌， 林栋， 雷娅. 红肉与白肉火龙果常规营养成分及抗氧化活性比较分析［J］. 食品工业科技， 2018， 39（21）： 248-251，319

[7] Zhou X L， Mo R， Xiao N， Du B， Lin D， Lei Y. Comparative analysis of conventional nutrients and antioxidant activity between red-fleshed and white-fleshed pitaya ［J］. Science and Technology of Food Industry， 2018， 39（21）： 248-251，319 （in Chinese）

[8] 李涛， 王明月， 杜海群， 杨春亮. 红肉火龙果与白肉火龙果的品质分析［J］. 保鲜与加工， 2015， 15（4）： 59-61，65

[9] Li T， Wang M Y， Du H Q， Yang C L. Quality analysis of red-fleshed and white-fleshed pitaya ［J］. Preservation and Processing， 2015， 15（4）： 59-61，65 （in Chinese）

[10] 黄春兰， 许文婷， 莫子燕， 陆强， 黄燕萍. 红心火龙果皮花青素提取工艺优化及花青素组成分析［J］. 食品科技， 2023， 48（9）： 183-191

[11] Huang C L， Xu W T， Mo Z Y， Lu Q， Huang Y P. Optimization of extraction process and analysis of anthocyanin composition from red heart dragon peel［J］. Food Science and Technology， 2023， 48（9）： 183-191 （in Chinese）

[12] 周寿旭， 肖文婧， 吴欣宜， 郭效瑛. 火龙果保健食品开发研究进展［J］. 农产品加工， 2024（20）： 88-92，97

[13] Zhou S X， Xiao W J， Wu X Y， Guo X Y. Research progress on the development of dragon fruit health food［J］. Agricultural Product Processing， 2024（20）： 88-92，97 （in Chinese）

[14] 赵英兰， 何宇雨， 李晶， 刘悦， 李晓静. 火龙果综合加工的研究进展［J］. 粮食与食品工业， 2022， 29（4）： 30-32

[15] Zhao Y L， He Y Y， Li J， Liu Y， Li X J. Research progress on comprehensive processing of dragon fruit［J］. Grain and Food Industry， 2022， 29（4）： 30-32 （in Chinese）

[16] Palencia-Argel M， Rodríguez-Villamil H， Bernal-Castro C， Díaz-Moreno C， Fuenmayor C A. Probiotics in anthocyanin-rich fruit beverages： Research and development for novel synbiotic products ［J］.Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2024，64（1）：110-126

[17] Muhialdin B， Kadum H， Zarei M， Hussin A S M. Effects of metabolite changes during lacto-fermentation on the biological activity and consumer acceptability for dragon fruit juice［J］. LWT-Food Science and Technology， 2020， 121： 108992

[18] 李靓， 朱涵彬， 李长滨， 张顺阁， 潘春梅， 岳晓禹. 火龙果饮品加工应用研究进展［J］. 饮料工业， 2021， 24（1）： 75-78

[19] Li L， Zhu H B， Li C B， Zhang S G， Pan C M， Yue X Y. Research progress on processing and application of dragon fruit beverage［J］. Beverage Industry， 2021， 24（1）： 75-78 （in Chinese）

[20] 万梦喜. 乳酸菌发酵红肉火龙果浆的热稳定性和模拟结肠发酵特性［D］.广州：广州大学，2023

[21] Wan M X. Thermal stability and simulated colonic fermentation characteristics of red-fleshed pitaya pulp fermented by lactic acid bacteria［D］. Guangzhou： Guangzhou University， 2023 （in Chinese）

[22] Garcia C， Remize F. Lactic acid fermentation of fruit and vegetable juices and smoothies： innovation and health aspects［M］. In：Ray R C， Paramithiotis S， De Carvalho Azevedo V A， eds. Lactic Acid Bacteria in Food Biotechnology. Boca Raton： CRC Press， 2022

[23] Li-Xin H. Study on the lactic acid fermentation of dragon fruit juice［J］. Modern Food Science and Technology， 2011， 27（3）： 310-312

[24] Fitratullah A， Maruddin F， Yuliati F， Prahesti K， Taufik M. Addition of red dragon fruit on yogurt： effect on lactic acid content， pH， and the inhibition of Escherichia coli growth ［J］. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2019， 343： 012034

[25] Xing Z， Fu X， Huang H， Xu Y， Wei L， Shan C， Du Y. Recent advances in Lactobacillus plantarum fermentation in modifying fruit-based products： Flavor property， bioactivity， and practical production applications ［J］. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety， 2025， 24（2）： e70160

[26] Cui S， Zhao N， Lu W， Zhao F， Zheng S， Wang W， Chen W. Effect of different Lactobacillus species on volatile and nonvolatile flavor compounds in juices fermentation［J］. Food Science & Nutrition， 2019， 7： 2214-2223

[27] Wu C， Li T， Qi J， Jiang T， Xu H， Lei H. Effects of lactic acid fermentation-based biotransformation on phenolic profiles， antioxidant capacity and flavor volatiles of apple juice ［J］. LWT-Food Science and Technology， 2020， 122： 109064

[28] 邓诗源， 黄烁翔， 刘丰玮， 张睿豪， 陈东廷， 王舶乔， 惠月， 吴丽， 李叶凤. 益生菌发酵火龙果饮料工艺优化及抗氧化活性研究［J］. 重庆工商大学学报：自然科学版， 2025， 42（2）： 18-25

[29] Deng S Y， Huang S X， Liu F W， Zhang R H， Chen D T， Wang H Q， Hui Y， Wu L， Li Y F. Optimization of probiotic fermentation technology and antioxidant activity of dragon fruit beverage［J］. Journal of Chongqing Technology and Business University ：Natural Science Edition， 2025， 42（2）： 18-25 （in Chinese）

[30] Cinderela N K D， Nocianitri K， Hatiningsih S. Pengaruh konsentrasi sukrosa terhadap karakteristik minuman probiotik sari buah naga merah （Hylocereus polyrhizus） terfermentasi dengan isolat Lactobacillus sp F213 ［J］. Jurnal Ilmu dan Teknologi Pangan （ITEPA）， 2022， 11（2）： 238-247

[31] Yang L， Zhao Y， Zhou Y， Zhao Q， Yuan S， Ma C， Dong L， Luo Y， Hu X， Chen F， Li D. Study on physicochemical properties， antioxidant activity and flavor quality in the fermentation of a plant-based beverage by different lactic acid bacteria ［J］. Foods， 2025， 14（21）： 3761

[32] He Y， Qin H， Wen J， Cao W， Yan Y， Sun Y， Yuan P， Sun B， Fan S， Lu W， Li C. Characterization of key compounds of organic acids and aroma volatiles in fruits of different Actinidia arguta resources based on HPLC and HS-GC-IMS ［J］. Foods， 2023， 12（19）： 3615

[33] Zhao M， Mu Y， Shi Z， Wang X， Liu W， Zhou Y， Yi H， Zhang L， Zhang Z. Effects of different lactic acid bacteria on the physicochemical properties， functional characteristics and metabolic characteristics of fermented hawthorn juice［J］. Food Chemistry， 2024， 470： 142672

[34] Xu Y， Hlaing M M， Glagovskaia O， Augustin M A， Terefe N S. Fermentation by probiotic Lactobacillus gasseri strains enhances the carotenoid and fibre contents of carrot juice［J］. Foods， 2020， 9（12）： 1803

[35] Wang H， He X， Li J， Wu J， Jiang S， Xue H， Zhang J， Jha R， Wang R. Lactic acid bacteria fermentation improves physicochemical properties， bioactivity， and metabolic profiles of Opuntia ficus-indica fruit juice ［J］. Food Chemistry， 2024， 453： 139646

[36] Peng Y， He H， Li Y， Zhao J， Wang B， Wei Y， Yu J， Chen Q， Wang D. Fermentation of enzymatical feijoa fruit juice by probiotic bacteria： Nutritional composition， bioactive phenolics， and antioxidant activities ［J］. Journal of Food Measurement and Characterization， 2024， 18： 8564-8576

[37] Zheng Z， Wei L， Zhu M， Qian Z， Liu J， Zhang L， Xu Y. Effect of lactic acid bacteria co-fermentation on antioxidant activity and metabolomic profiles of a juice made from wolfberry and longan［J］. Food Research International， 2023， 174 Pt 1： 113547

[38] Markovinovic A B， Bosiljkov T， Janči T， Kostić M， Dedović N， Lučić E， Bavrka K， Pavlić B， Bursać Kovačević D. Characterization of antioxidant bioactive compounds and rheological， color and sensory properties in 3D-Printed fruit snacks ［J］.Foods， 2024， 13（11）： 1623

[39] Lu L， Hu Z， Hu X. Electronic tongue and electronic nose for food quality and safety［J］. Food Research International， 2022， 162（Pt B）： 112214

[40] Seesaard T， Wongchoosuk C. Recent progress in electronic noses for fermented foods and beverages applications［J］. Fermentation， 2022， 8（7）： 302

[41] Nam S H， Lee J， Kim E， Koo J W， Shin Y， Hwang T M. Electronic tongue for the simple and rapid determination of taste and odor compounds in water［J］. Chemosphere， 2023， 338： 139511

[42] Lee S K. Analysis of quality characteristics of apple fermented liquor according to brewing method and flavor characteristics through electronic tongue and electronic nose［J］. Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society， 2024， 25（7）： 178-186

[43] Liu Y， Xi H， Fu Y， Li P， Sun S， Zong Y. Effects of organic acids on the release of fruity esters in water： An insight at the molecular level［J］. Molecules， 2022， 27（9）： 2942

[44] Yuan Y H， Mu D D， Guo L， Wu X F， Chen X S， Li X J. From flavor to function： A review of fermented fruit drinks， their microbial profiles and health benefits ［J］. Food Research International， 2024， 196： 115095

[45] Silva L F， Sunakozawa T N， Monteiro D A， Casella T， Conti A C， Todorov S D， Barretto Penna A L. Potential of cheese-associated lactic acid bacteria to metabolize citrate and produce organic acids and acetoin［J］. Metabolites， 2023， 13（11）： 1244

[46] Eicher C， Tran T， Munier E， Coulon J， Favier M， Alexandre H， Reguant C， Grandvalet C. Influence of pH on Oenococcus oeni metabolism： Can the slowdown of citrate consumption improve its acid tolerance［J］. Food Research International， 2024， 179： 114027

[47] Liu Y， Ling W， Li Y， Zhou Y， Li J， Chen S， Zhou J， Yang F. Inoculation of Lactobacillus parafarraginis enhances silage quality， microbial community structure， and metabolic profiles in hybrid Pennisetum ［J］. BMC Plant Biology， 2025， 25（1）： 325

[48] Li J， Xu H， Li H， Xie Y， Ding K， Xu S， Wang Z， Wang R， Yi C， Ding S. Co-fermentation of Lactiplantibacillus and Streptococcusccus enriches the key-contribution volatile and non-volatile components of jujube juice ［J］. Food Research International， 2024， 196： 115093

[49] Zhao Y， Liu R， Mu Y， Lv M， Xing J， Zheng L， Aihaiti A， Wang L. Study on the mechanisms of flavor compound changes during the lactic fermentation process of peach and apricot mixed juice［J］. Foods， 2024， 13（23）： 3835

[50] Rajendran S， Silcock P， Bremer P. Flavour volatiles of fermented vegetable and fruit substrates： A review［J］. Molecules， 2023， 28（7）： 3236

[51] Xue B， You Y， Du M， Ibrahim A， Suo H， Zhang F， Zheng J. Metagenomic analysis of Lactobacillus plantarum DACN768 inoculation effects on volatile flavor compounds， microbial succession， and flavor metabolic network in suansun ［J］. Food Research International， 2025， 199： 115382

[52] Zhao X， Ge Y， Yu X， Liu C， Li H， Wang X， Yao S. Fermentation characteristics of fermented milk with Streptococcus thermophilus CICC 6063 and Lactobacillus helveticus CICC 6064 and volatile compound dynamic profiles during fermentation and storage［J］. Molecules， 2024， 29（6）： 1257

[53] Zhang S， Shang Z， Liu Z， Hu X， Yi J. Flavor production in fermented chayote inoculated with lactic acid bacteria strains： Genomics and metabolomics based analysis［J］. Food Research International， 2023， 163： 112224

[54] Das P P， Kumar A， Mohammed M， Bhati K， Babu K R， Bhandari K P， Sundaram R M， Ghazi I A. Comparative metabolites analysis of resistant， susceptible and wild rice species in response to bacterial blight disease［J］.BMC Plant Biology， 2025， 25（1）：1-23

[55] Labsi N， Benkahla Y， Boutra A， Ammouri A. Heat and flow properties of a temperature dependent viscoplastic fluid including viscous dissipation［J］. Journal of Food Process Engineering， 2013， 36： 450-461

[56] Qiu S， Gao L， Wang J. Classification and regression of ELM， LVQ and SVM for E-nose data of strawberry juice ［J］.Journal of Food Engineering， 2015， 144，77-85

基金资助

北京市乡村振兴科技项目(20221230-01)