黑曲霉發(fā)酵麥胚工藝及醇沉組分理化性質(zhì)研究

趙朋輝，侯銀臣，楊盛茹，李彥瑾，喬 笑，張 寧，王曉飛，廖愛美，潘 龍，黃繼紅,3*

1.河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，小麥生物加工與營養(yǎng)功能河南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001 2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450046 3.許昌學(xué)院 食品與藥學(xué)院，河南 許昌 461000

我國是農(nóng)業(yè)大國，小麥產(chǎn)量穩(wěn)居世界之首。麥胚(胚胎軸和胚芽)占小麥總質(zhì)量的2.5%～3.8%，是小麥深加工主要副產(chǎn)物之一[1]，含有多種生理活性物質(zhì)，如谷胱甘肽、降血壓肽、凝集素、木質(zhì)素、膳食纖維等[2-3]。近年來，隨著對(duì)麥胚深入研究，發(fā)現(xiàn)其在抗氧化方面具有重要作用[4-6]，并且有抗腫瘤[7-8]、提高免疫力[9]、延緩衰老[10]、降血壓[11]等功效。目前我國對(duì)麥胚的綜合利用率較低，由此造成極大的浪費(fèi)。以麥胚為原料進(jìn)行高值化綜合開發(fā)利用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

麥胚在發(fā)酵過程中能產(chǎn)生多種有益物質(zhì)，可改善其生物利用度和功能特性。國外發(fā)酵麥胚相關(guān)研究較多，主要集中于麥胚發(fā)酵提取物的抗癌活性[12-14]、抗氧化活性[15]、抗炎活性[16-17]，以及發(fā)酵麥胚功能食品的研發(fā)[18]等方面。而國內(nèi)此類研究處于起步階段，尤其對(duì)發(fā)酵麥胚抗氧化活性研究較少。黑曲霉是常用于食品發(fā)酵工業(yè)的菌株，安全性較高，在發(fā)酵過程中可產(chǎn)生多種酶及檸檬酸、葡糖酸和五倍子酸等物質(zhì)，且無毒素產(chǎn)生，可改善麥胚營養(yǎng)價(jià)值，提高麥胚利用率[19-20]。作者以麥胚為原料，DPPH自由基清除率為指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，在最優(yōu)發(fā)酵工藝下對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行理化性質(zhì)分析，旨在為后續(xù)麥胚深加工及高值化利用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥胚：河南省鯤華生物技術(shù)有限公司；黑曲霉：實(shí)驗(yàn)室保藏菌種；DPPH：合肥博美生物科技有限責(zé)任公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

ZQZY-CS全溫恒溫培養(yǎng)搖床：上海知楚儀器有限公司；SCIENTZ-10 N冷凍干燥機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司； WPG噴霧干燥機(jī)：上海那艾精密儀器有限公司；SWCJ-2 D超凈工作臺(tái)：浙江凈化設(shè)備有限公司；ME104E電子天平：梅特勒-托利多國際貿(mào)易有限公司；UHT-2高壓殺菌鍋：張家港市騰飛飲料機(jī)械廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

黑曲霉發(fā)酵麥胚工藝流程如圖1所示。

圖1 黑曲霉發(fā)酵麥胚工藝流程Fig.1 Fermentation process of wheat germ by Aspergillus niger

1.3.2 響應(yīng)面工藝優(yōu)化

根據(jù) Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以發(fā)酵時(shí)間、料液比和菌種接種量設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，以DPPH自由基清除率為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)分析，獲得最佳發(fā)酵參數(shù)。

1.3.3 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定

發(fā)酵產(chǎn)物蛋白含量的測(cè)定按照文獻(xiàn)[21]中方法，得到標(biāo)準(zhǔn)蛋白溶液的濃度與吸光度之間存在線性關(guān)系：y=0.533 4x+0.007 3(R2=0.996 8)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出發(fā)酵產(chǎn)物蛋白含量。

1.3.4 抗氧化活性檢測(cè)

將待測(cè)樣品稀釋100倍(即1 mg/mL)。參照文獻(xiàn)[22]的方法測(cè)定DPPH自由基清除能力。

1.3.5 發(fā)酵產(chǎn)物的干燥

分別使用噴霧干燥法(165 ℃，霧化頻率28 Hz)和冷凍干燥法制備發(fā)酵產(chǎn)物。

1.3.6 乳化性的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[22]進(jìn)行乳化性(EAI)測(cè)定。

式中：n為混合物稀釋倍數(shù)；A為稀釋后的混合物的吸光度；ρ為多肽液質(zhì)量濃度，2 mg/mL；φ為混合液油相比，0.25。

1.3.7 乳化穩(wěn)定性的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[22]進(jìn)行乳化穩(wěn)定性(ESI)測(cè)定。

式中：A為稀釋后混合液的吸光度；A10 min為混合液放置10 min后的吸光度。

1.3.8 持油性的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[23]進(jìn)行持油性的測(cè)定。

1.3.9 起泡性的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[22]進(jìn)行起泡性的測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑曲霉發(fā)酵產(chǎn)物抗氧化活性研究

2.1.1 響應(yīng)面優(yōu)化黑曲霉發(fā)酵麥胚工藝

在考察了接種量、料液比、發(fā)酵時(shí)間等單因素的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken design試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，固定發(fā)酵溫度為28 ℃，采用Design Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)三因素三水平的二次旋轉(zhuǎn)回歸響應(yīng)面，并做方差和顯著性分析，結(jié)果見表1與表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Response surface experiments and results

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析Table 2 Variance analysis of response surface test

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行二次回歸分析得到回歸方程：Y=80.63+7.90A+0.37B+1.77C+0.29AB-2.75AC-0.59BC-14.12A2-3.89B2-1.35C2。

由表2可知，回歸方程顯著，失擬檢驗(yàn)項(xiàng)不顯著，說明回歸方程理想，用于擬合3個(gè)因素與發(fā)酵麥胚清除DPPH自由基之間的關(guān)系是可行的，試驗(yàn)誤差小，可以用該模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。因素A、B、C，交互項(xiàng)中的AB、AC、BC及A2、B2、C2對(duì)DPPH自由基清除率都有一定影響，這表明各因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，而是呈二次關(guān)系，且3個(gè)因素之間存在交互作用。

2.1.2 響應(yīng)面試驗(yàn)的交互因素分析

控制單個(gè)因素不變，分析其他因素的交互作用對(duì)抗氧化活性影響。采用軟件處理數(shù)據(jù)得到任意兩因素的響應(yīng)面圖，如圖2所示。

由圖2可知，所有響應(yīng)面交互圖呈凸起狀，坡度越大表明DPPH自由基清除率的變化越快，即更為顯著。這說明接種量和料液比、發(fā)酵時(shí)間和接種量、料液比和發(fā)酵時(shí)間之間的交互作用都對(duì)抗氧化活性有顯著性影響。

2.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

響應(yīng)面優(yōu)化得到的最優(yōu)因素組合：料液比1∶ 10、接種量5.48%、發(fā)酵時(shí)間76.88 h。在最優(yōu)條件下以DPPH自由基清除率為指標(biāo)檢測(cè)抗氧化活性，重復(fù)3次試驗(yàn)，發(fā)酵液對(duì)DPPH自由基清除率平均達(dá)到81.94%，即表示麥胚經(jīng)黑曲霉發(fā)酵后抗氧化活性明顯增強(qiáng)，說明響應(yīng)面優(yōu)化條件可靠。

2.2 黑曲霉發(fā)酵麥胚醇沉組分理化性質(zhì)研究

2.2.1 干燥方式對(duì)醇沉組分乳化特性的影響

由圖3可知，冷凍干燥法所得產(chǎn)物乳化性高于噴霧干燥法，兩者所得產(chǎn)物乳化性均在pH 10時(shí)最佳；隨著pH值的增大，噴霧干燥法和冷凍干燥法所得發(fā)酵產(chǎn)物乳化穩(wěn)定性呈現(xiàn)截然不同的效果，由噴霧干燥法所得的產(chǎn)物隨著pH值的增加其乳化穩(wěn)定性逐漸減小，而冷凍干燥法所得產(chǎn)物隨pH值的增加其乳化穩(wěn)定性逐漸增大。但冷凍干燥法所得產(chǎn)物乳化性在pH值為4～8之間明顯高于噴霧干燥法，一般來說，蛋白質(zhì)在中性環(huán)境下相對(duì)較穩(wěn)定，因此，要求乳化性較高時(shí)可采用冷凍干燥法處理。

圖3 干燥方式對(duì)醇沉組分乳化性、乳化穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effects of different drying methods on emulsification and emulsification stability of alcohol precipitation components

2.2.2 干燥方式對(duì)醇沉組分持油性的影響

由圖4可知，噴霧干燥法和冷凍干燥法所得產(chǎn)物持油率與pH值不存在線性關(guān)系，噴霧干燥法所得產(chǎn)物當(dāng)pH值為4時(shí)，持油率最高，持油性最好，冷凍干燥法所得產(chǎn)物pH值為8時(shí)達(dá)到最高。

圖4 干燥方式對(duì)醇沉組分持油性的影響Fig.4 Effects of different drying methods on oil holding capacity of alcohol precipitation components

2.2.3 干燥方式對(duì)醇沉組分起泡性的影響

由圖5可知，冷凍干燥法所得產(chǎn)物隨著pH值的增加，起泡性逐漸降低，起泡效果也越來越差，在pH值為2時(shí)，起泡性最好，為49.39%；噴霧干燥法所得產(chǎn)物隨著pH值的增加，起泡性較不穩(wěn)定，pH值為4時(shí)達(dá)到最大值94.31%，隨著pH增加，起泡性逐漸減小，起泡效果越來越差?？傮w來說，噴霧干燥法所得產(chǎn)物起泡性優(yōu)于冷凍干燥法。

圖5 干燥方式對(duì)醇沉組分起泡性的影響Fig.5 Effects of different drying methods on foaming properties of alcohol precipitation components

3 結(jié)論

響應(yīng)面結(jié)果表明: 黑曲霉發(fā)酵麥胚最優(yōu)組合為發(fā)酵溫度28 ℃、發(fā)酵時(shí)間76.88 h、料液比1∶ 10、接種量5.48%，此條件下DPPH自由基清除率為81.94%，說明黑曲霉發(fā)酵麥胚具有較好的抗氧化能力。噴霧干燥法和冷凍干燥法所得發(fā)酵產(chǎn)物理化性質(zhì)研究結(jié)果表明：對(duì)乳化性、起泡性要求較高時(shí)可采取冷凍干燥法處理，兩種干燥方式對(duì)持油性的影響不存在線性關(guān)系，應(yīng)視具體情況選擇。本研究對(duì)麥胚發(fā)酵工藝做出優(yōu)化，并對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物抗氧化性以及不同干燥方式處理發(fā)酵麥胚醇沉組分的理化性質(zhì)進(jìn)行探討，為麥胚高值化綜合開發(fā)利用提供試驗(yàn)依據(jù)。