響應(yīng)面法優(yōu)化鷹嘴豆發(fā)酵納豆工藝

羅倉(cāng)學(xué)，劉曉宇，張?chǎng)?/p>

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，西安 710021)

鷹嘴豆是一種藥食兩用作物，起源于中東地區(qū)和亞洲西部，是世界上種植面積較廣的豆類[1]，在中國(guó)主要分布于新疆、甘肅、寧夏和青海等地[2]。鷹嘴豆相較于大豆油脂含量極低，富含人體所需的18種氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維、維生素及鈣、鐵、鎂等營(yíng)養(yǎng)成分，具有預(yù)防高血壓及動(dòng)脈粥樣硬化，降低膽固醇及血脂、血糖，利尿以及治療失眠等作用[3-7]。目前，我國(guó)已廣泛栽培并將其用作食品原料，但其保健作用的開(kāi)發(fā)還處于研究階段。因此，進(jìn)行鷹嘴豆產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研究有著巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)利用價(jià)值。

納豆是大豆蒸煮后接種納豆芽孢桿菌，在一定條件下發(fā)酵而成的一種傳統(tǒng)豆類發(fā)酵食品。納豆中含有上百種生理活性物質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且含有全部的必需氨基酸[8]。納豆具有溶解血栓，預(yù)防骨質(zhì)疏松，抗菌，抗氧化，抗癌，提高蛋白質(zhì)消化率，調(diào)整腸道功能等保健作用[9]。Sumi H等[10]于1987年從納豆中提取出具有溶栓功能的物質(zhì)并命名為納豆激酶(Nattokinase，NK)，納豆激酶屬于納豆枯草芽孢桿菌絲氨酸蛋白酶，體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)均已證明其具有高效的溶栓活性[11]，不僅可以直接溶解交聯(lián)狀的血栓，還可以催化血纖維蛋白原轉(zhuǎn)化成有活性的血纖維蛋白原溶酶，增加體內(nèi)血栓溶解因子的合成，增強(qiáng)體內(nèi)血栓的溶解活性[12]。

鷹嘴豆盛產(chǎn)于雪域高原，當(dāng)?shù)厝送ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的制粉工藝加工成具有保健作用的粉體食品。目前日本的納豆產(chǎn)品研發(fā)處于世界領(lǐng)先水平，我國(guó)對(duì)納豆發(fā)酵技術(shù)的掌握仍參差不齊。本研究在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上篩選了鷹嘴豆作為發(fā)酵納豆的原料，旨在通過(guò)枯草芽孢桿菌的發(fā)酵，從原料出發(fā)，以納豆激酶活力為指標(biāo)進(jìn)行考核，優(yōu)化鷹嘴豆的發(fā)酵條件，增強(qiáng)鷹嘴豆的保健作用，為鷹嘴豆資源的高價(jià)化利用開(kāi)辟新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鷹嘴豆：來(lái)源于新疆；枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)：本實(shí)驗(yàn)室篩選并保存；磷酸二氫鈉、氯化鈉、磷酸氫二鈉、無(wú)水氯化鈣：均為分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；牛肉膏、蛋白胨、瓊脂粉：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；尿激酶、纖維蛋白原：美國(guó)Sigma公司。

斜面培養(yǎng)基：牛肉膏0.5%、蛋白胨1%、磷酸二氫鉀0.02%、NaCl 0.5%、CaCl20.02%、瓊脂2%。

種子培養(yǎng)基：牛肉膏0.5%、蛋白胨1%、磷酸二氫鉀0.02%、NaCl 0.5%、CaCl20.02%。

1.2 儀器與設(shè)備

YXQ-SG46-280S壓力蒸汽滅菌鍋 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；JA2603B電子天平 上海天美天平儀器有限公司；HWS12型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；MJ-250霉菌培養(yǎng)箱 上海百典儀器設(shè)備有限公司；HZQ-QG全溫振蕩器 哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司；DL-CJ-1N醫(yī)用型潔凈工作臺(tái) 北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司；755B紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司；微量移液器 德國(guó)Eppendorf公司。

1.3 方法

1.3.1 制備種子液

納豆菌經(jīng)斜面培養(yǎng)基活化后接種到種子培養(yǎng)基中，于33 ℃，120 r/min震蕩培養(yǎng)12 h。

1.3.2 納豆發(fā)酵工藝流程

鷹嘴豆→浸泡→蒸煮→接種→發(fā)酵→后熟→納豆。

稱取適量鷹嘴豆清洗干凈，加自來(lái)水至料液比為1∶1(V/W)浸泡過(guò)夜，于120 ℃蒸煮20 min，冷卻至室溫后接種3%納豆菌，于33 ℃靜置發(fā)酵72 h，轉(zhuǎn)入4 ℃冰箱后熟24 h。

1.3.3 納豆激酶活性測(cè)定[13]

尿激酶的標(biāo)準(zhǔn)曲線：配制濃度梯度為5848，2924，1462，731，365.5 IU/mL的尿激酶標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別取20 μL上述標(biāo)準(zhǔn)液點(diǎn)樣至纖維蛋白平板上，于37 ℃孵育16 h后，測(cè)量形成的透明圈的兩條垂直直徑，計(jì)算其面積S=πd2/4。以溶圈面積為橫坐標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)尿激酶活力的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見(jiàn)圖1，得方程y=0.0079x+0.8712，R2=0.9975。

粗酶液的制備：取適量成熟的納豆，加入無(wú)菌生理鹽水(1∶1，V/W)，于4 ℃，120 r/min浸提1 h，提取液按4000 r/min離心20 min，上清液即為粗酶液。取20 μL粗酶液于纖維蛋白平板上點(diǎn)樣，于37 ℃孵育16 h后，測(cè)量溶圈垂直直徑，計(jì)算面積，參照尿激酶標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算樣品粗酶液酶活。

圖1 納豆激酶活性標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of nattokinase activity

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)

1.4.1 接種量對(duì)NK活性的影響

分別取30 g鷹嘴豆進(jìn)行清洗浸泡處理后發(fā)酵納豆。蒸煮時(shí)間20 min，基質(zhì)含水量50%，發(fā)酵溫度33 ℃，發(fā)酵時(shí)間72 h，后熟時(shí)間20 h，以納豆激酶酶活性為指標(biāo)，研究接種量分別為2%，4%，6%，8%，10%對(duì)NK活性的影響。

1.4.2 基質(zhì)含水量對(duì)NK活性的影響

分別取30 g鷹嘴豆進(jìn)行清洗浸泡處理后發(fā)酵納豆。蒸煮時(shí)間20 min，接種量3%，發(fā)酵溫度33 ℃，發(fā)酵時(shí)間72 h，后熟時(shí)間20 h，以納豆激酶酶活性為指標(biāo)，研究基質(zhì)含水量分別為25%，50%，75%，100%，125%對(duì)NK活性的影響。

1.4.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)NK活性的影響

分別取30 g鷹嘴豆進(jìn)行清洗浸泡處理后發(fā)酵納豆。蒸煮時(shí)間20 min，基質(zhì)含水量50%，接種量6%，發(fā)酵溫度33 ℃，后熟時(shí)間24 h，以納豆激酶酶活性為指標(biāo)，研究發(fā)酵時(shí)間分別為24，36，48，72，96 h對(duì)NK活性的影響。

1.4.4 發(fā)酵溫度對(duì)NK活性的影響

分別取30 g鷹嘴豆進(jìn)行清洗浸泡處理后發(fā)酵納豆。蒸煮時(shí)間20 min，基質(zhì)含水量50%，接種量6%，發(fā)酵時(shí)間48 h，后熟時(shí)間20 h，以納豆激酶酶活性為指標(biāo)，研究發(fā)酵溫度分別為28，30，32，34，36 ℃對(duì)NK活性的影響。

1.4.5 后熟時(shí)間對(duì)NK活性的影響

分別取30 g鷹嘴豆進(jìn)行清洗浸泡處理后發(fā)酵納豆。蒸煮時(shí)間20 min，基質(zhì)含水量50%，接種量3%，發(fā)酵溫度33 ℃，發(fā)酵時(shí)間72 h，以納豆激酶酶活性為指標(biāo)，研究后熟時(shí)間分別為12，16，20，24，28 h對(duì)NK活性的影響。

1.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取影響較大的3個(gè)因素：接種量(因素A)、發(fā)酵溫度(因素B)、發(fā)酵時(shí)間(因素C)，以NK活性為指標(biāo)，采用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行3因素3水平的設(shè)計(jì)并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳發(fā)酵工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 接種量對(duì)NK活性的影響

接種量對(duì)NK活性的影響見(jiàn)圖2。

圖2 接種量對(duì)NK活性的影響Fig.2 Effect of inoculation amount on NK activity

由圖2可知，隨著接種量的增大，NK活性呈現(xiàn)先增大再降低的趨勢(shì)，這是由于接種量過(guò)小時(shí)，菌體無(wú)法在發(fā)酵液內(nèi)充分生長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵完全；接種量較大，菌種生長(zhǎng)繁殖較快，從而有利于產(chǎn)酶。而接種量繼續(xù)增加，大于6%時(shí)，并沒(méi)有遵循以上規(guī)律。分析原因，可能是由于接種量過(guò)大時(shí)，細(xì)胞繁殖速度過(guò)快，營(yíng)養(yǎng)成分迅速耗竭，同時(shí)細(xì)胞快速生長(zhǎng)導(dǎo)致初級(jí)代謝旺盛，次級(jí)代謝被抑制，從而導(dǎo)致NK產(chǎn)量下降。接種量為6%時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)速率適中，既能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的大量積累，又能使次級(jí)代謝過(guò)程順利進(jìn)行，因此納豆激酶活力達(dá)到最大。因此，最佳接種量為6%。

2.1.2 基質(zhì)含水量對(duì)NK活性的影響

基質(zhì)含水量對(duì)NK活性的影響見(jiàn)圖3。

圖3 基質(zhì)含水量對(duì)NK活性的影響Fig.3 Effect of substrate water content on NK activity

由圖3可知，基質(zhì)含水量對(duì)鷹嘴豆發(fā)酵后納豆激酶活性有較大影響，當(dāng)基質(zhì)含水量達(dá)50%時(shí)，納豆激酶活力達(dá)最高值?；|(zhì)含水量過(guò)小，納豆菌難以充分生長(zhǎng)，酶產(chǎn)量下降；基質(zhì)含水量過(guò)大，基質(zhì)表面則會(huì)形成一層液態(tài)膜，造成環(huán)境供氧不足，不利于納豆菌的生長(zhǎng)代謝，導(dǎo)致酶產(chǎn)量較低。因此，最佳基質(zhì)含水量為50%。

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)NK活性的影響

發(fā)酵時(shí)間對(duì)NK活性的影響見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)NK活性的影響Fig.4 Effect of fermentation time on NK activity

由圖4可知，NK酶活性隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)由低到高再到低的變化趨勢(shì)；在發(fā)酵24～48 h的過(guò)程中，NK酶活呈升高趨勢(shì)；發(fā)酵時(shí)間為48 h時(shí)，NK活力達(dá)到最高；發(fā)酵時(shí)間超過(guò)48 h后，鷹嘴豆基質(zhì)中剩余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足以維持納豆菌的代謝，同時(shí)次級(jí)代謝產(chǎn)物中副產(chǎn)物逐漸增多，抑制了NK的生產(chǎn)，從而導(dǎo)致NK活性降低。因此，最佳發(fā)酵時(shí)間為48 h。

2.1.4 發(fā)酵溫度對(duì)NK活性的影響

發(fā)酵溫度對(duì)NK活性的影響見(jiàn)圖5。

圖5 發(fā)酵溫度對(duì)NK活性的影響Fig.5 Effect of fermentation temperature on NK activity

由圖5可知，隨著發(fā)酵溫度的增大，納豆激酶活性先增大后減小，發(fā)酵溫度為34 ℃，時(shí)納豆激酶活性最高；當(dāng)發(fā)酵溫度大于34 ℃時(shí)，鷹嘴豆的活力則逐漸減弱。微生物的生長(zhǎng)及代謝過(guò)程都需要適宜的溫度，NK的合成反應(yīng)在最適溫度時(shí)，則NK合成過(guò)程中的酶活力最高，一旦超過(guò)最適溫度，酶的活力就會(huì)下降，NK產(chǎn)量會(huì)相應(yīng)降低，NK活力就降低。同時(shí)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致納豆色澤暗淡，形態(tài)癟軟。因此，最佳發(fā)酵溫度為34 ℃。

2.1.5 后熟時(shí)間對(duì)NK活性的影響

后熟能使納豆在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)進(jìn)行平衡，同時(shí)減少納豆中的不良風(fēng)味，并使納豆風(fēng)味變得更加濃郁。后熟時(shí)間對(duì)NK活性的影響見(jiàn)圖6。

圖6 后熟時(shí)間對(duì)NK活性的影響Fig.6 Effect of ripening time on NK activity

由圖6可知，隨著后熟時(shí)間的增大，納豆激酶的活性呈現(xiàn)先增大后緩慢下降的趨勢(shì)，可能是由于隨著后熟時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)生了特殊的活性物質(zhì)，抑制了納豆激酶的活性，導(dǎo)致NK活性降低，也可能是納豆激酶發(fā)生了轉(zhuǎn)化或降解作用。因此，后熟的適宜時(shí)間選擇20 h。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：基質(zhì)含水量為50%，后熟時(shí)間為20 h，選取接種量(A)、發(fā)酵溫度(B)、發(fā)酵時(shí)間(C)對(duì)納豆激酶活性影響較大的因素作為考察因素，以納豆激酶活性(Y)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鷹嘴豆的發(fā)酵工藝條件進(jìn)行響應(yīng)面分析，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。獲得多元二次項(xiàng)回歸方程為：Y=977.9+16.06A-4.64B-1.25C+8.55AB+8.46AC+1.95BC-211.31A2-91.63B2-15.43C2。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Design and results of response surface experiments

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 2 Variance analysis of response surface experimental results

圖7 發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間和接種量的 交互作用對(duì)NK活性影響的響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface diagram of the effect of fermentation temperature, fermentation time and inoculation amount on NK activity

由圖7可知，發(fā)酵溫度和接種量、發(fā)酵時(shí)間和接種量、發(fā)酵時(shí)間和發(fā)酵溫度之間都有一定的交互作用，最佳預(yù)測(cè)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)。因此，該二階模型具有良好的擬合度，能真實(shí)描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間與鷹嘴豆納豆的NK活性有顯著的相關(guān)性，表現(xiàn)為曲面較陡，其中接種量對(duì)鷹嘴豆納豆的NK活性影響最大。結(jié)合等高線的疏密程度可知，接種量與發(fā)酵溫度的交互作用影響更顯著，接種量與發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度與發(fā)酵時(shí)間兩兩之間有一定的交互作用，但交互作用的影響不如接種量與發(fā)酵溫度的交互作用影響顯著。

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)的最優(yōu)分析，得到鷹嘴豆發(fā)酵的最佳工藝條件：接種量為6.04%，發(fā)酵溫度為33.98 ℃，發(fā)酵時(shí)間為47.61 h，模型預(yù)測(cè)納豆激酶活性為978.274 IU/g?？紤]實(shí)際操作中的條件限制，將工藝條件調(diào)整為接種量6%，發(fā)酵溫度34 ℃，發(fā)酵時(shí)間48 h。為增加可信度，在最佳工藝條件下進(jìn)行3次平行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，得到納豆激酶活性平均值為986.324 IU/g，與理論預(yù)測(cè)值接近。表明該模型準(zhǔn)確可靠，利用該模型在鷹嘴豆納豆生產(chǎn)實(shí)踐中是可行的。

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化了鷹嘴豆發(fā)酵納豆的工藝。以接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間3個(gè)因素作為自變量做3水平3因素的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，得到因素與響應(yīng)值之間的擬合方程為Y=977.9+16.06A-4.64B-1.25C+8.55AB+8.46AC+1.95BC-211.31A2-91.63B2-15.43C2。獲得鷹嘴豆發(fā)酵納豆的最佳工藝參數(shù)為：接種量6%，發(fā)酵溫度34 ℃，發(fā)酵時(shí)間48 h，在此條件下納豆激酶活性高達(dá)986.324 IU/g，為研發(fā)優(yōu)質(zhì)納豆食品、提高納豆中的納豆激酶活性提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。