趙敏,王瑜,李立郎,安正斌,解春芝,林靈,楊小生,楊娟*
1(貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng),550025) 2(藥用植物功效與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(貴州醫(yī)科大學(xué)),貴州 貴陽(yáng),550014) 3(貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng),550014) 4(徐州工程學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院,江蘇 徐州,221018)
天麻是我國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材,為蘭科天麻屬植物天麻(Gastrodiaelata)的干燥塊莖[1],主產(chǎn)于貴州、四川、云南等地。天麻中含有天麻素、巴利森苷、對(duì)羥基苯甲醇等活性成分[2],具有增強(qiáng)記憶、改善老年癡呆、抗衰老、鎮(zhèn)靜催眠等功效[3]。天麻的食用方式主要是將鮮天麻炮制成天麻粉,但其不利于人體吸收且天麻本身具有不良的“馬尿臭”氣味[4],難以被消費(fèi)者接受。酵素是以動(dòng)植物、食用菌等為原料,添加或不添加輔料,經(jīng)微生物發(fā)酵制得的含有特定生物活性成分的產(chǎn)品[5]。大量研究表明,酵素具有抗氧化、降脂、解酒、促進(jìn)消化等[6]功效。因此,通過(guò)酵素化工藝處理是天麻深加工的一種途徑。隨著對(duì)天麻的食用安全性的深入研究,2020年貴州已將天麻作為新資源食品開(kāi)展了試點(diǎn)工作。因此,從食品的角度開(kāi)發(fā)天麻具有重要的應(yīng)用前景。而目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)天麻的研究主要關(guān)注于藥理作用,對(duì)于鮮天麻酵素化過(guò)程中風(fēng)味物質(zhì)和抗氧化活性的動(dòng)態(tài)變化研究少有報(bào)道。
因此,本研究以鮮天麻為研究對(duì)象,通過(guò)氨基酸自動(dòng)分析儀、固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜(solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,SPME-GC-MS)聯(lián)用技術(shù)對(duì)天麻酵素化過(guò)程中游離氨基酸和揮發(fā)性物質(zhì)變化進(jìn)行研究,同時(shí)采用試劑盒對(duì)酵素化過(guò)程中的總抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)、DPPH自由基清除能力與超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性進(jìn)行定量分析,以期初步明晰天麻酵素化過(guò)程中的風(fēng)味物質(zhì)及抗氧化活性成分動(dòng)態(tài)變化,為天麻的高值化利用提供依據(jù)。
德江天麻,貴州省德江縣綠通天麻發(fā)展有限公司;發(fā)酵劑,貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制,優(yōu)勢(shì)菌株為酵母菌,乳酸菌,醋酸菌;纖維素酶,南寧龐博生物工程有限公司;磺基水楊酸,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;SOD活性、DPPH自由基清除能力、T-AOC檢測(cè)試劑盒,北京索萊寶科技有限公司。
HP6890/5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀,美國(guó)Agilent公司;固相微萃取裝置,美國(guó)Supelco公司;S433D型全自動(dòng)氨基酸分析儀,德國(guó)Sykam公司;YH-A20002型電子天平,瑞安市英衡電器有限公司;22010型攪拌機(jī),佛山艾詩(shī)凱奇電氣有限公司。
1.3.1 天麻的發(fā)酵工藝
新鮮天麻清洗干凈后打漿,裝入發(fā)酵壇內(nèi)按照其質(zhì)量比1∶1加入沸水(溫度>90 ℃)攪拌熟化,再添加10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的白砂糖,攪拌使白砂糖完全溶化,待溫度降至50~60 ℃時(shí),添加0.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的纖維素酶,待溫度降至30~40 ℃時(shí),最后添加0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的發(fā)酵劑,用保鮮膜密封發(fā)酵壇,在無(wú)氧條件下發(fā)酵10 d后,去掉保鮮膜換成紗布進(jìn)行有氧發(fā)酵,發(fā)酵到第30天,用牛皮紙封口貯藏陳釀,陳釀至60 d結(jié)束發(fā)酵。
樣品的取樣時(shí)間分別為:0 d(加發(fā)酵劑前);7 d(發(fā)酵液開(kāi)始澄清);10 d(無(wú)氧發(fā)酵結(jié)束);20 d(形成菌膜);30 d(菌膜穩(wěn)定,完成發(fā)酵);60 d(貯藏陳釀階段)。每個(gè)階段取樣后,將樣品置于-80 ℃的超低溫冰箱內(nèi)保存待測(cè)。
1.3.2 游離氨基酸含量的測(cè)定
采用氨基酸自動(dòng)分析儀進(jìn)行檢測(cè),準(zhǔn)確稱(chēng)取1.022 g 磺基水楊酸至100 mL容量瓶中并定容,配制成1%的磺基水楊酸溶液;取不同樣品1 mL分別加入9 mL磺基水楊酸溶液,振蕩均勻,10 000 r/min離心15 min,上清液經(jīng)0.22 μm水系濾膜過(guò)濾后上機(jī)檢測(cè)。
1.3.3 揮發(fā)性成分的測(cè)定
萃取方法:取樣品5 mL置于固相微萃取儀采樣瓶中,插入裝有2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS StableFlex纖維頭的手動(dòng)進(jìn)樣器,在60 ℃的平板加熱條件下頂空萃取60 min后,移出萃取頭并立即插入氣相色譜儀進(jìn)樣口(溫度250 ℃)中,熱解析進(jìn)樣。
氣相色譜條件:色譜柱為Agilent HP-5MS(60 m×0.25 mm,0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱,初始溫度42 ℃ (保留2 min),以3.5 ℃/min升溫至189 ℃,再以8 ℃/min升溫至310 ℃,運(yùn)行時(shí)間:67.13 min;汽化室溫度250 ℃;載氣為高純He(99.999%);柱前壓111 212.43 pa,載氣流量1.0 mL/min,分流比10∶1,溶劑延遲時(shí)間1 min。
質(zhì)譜條件:離子源為EI源;離子源溫度230 ℃;四極桿溫度150 ℃;電子能量70 eV;發(fā)射電流34.6 μA; 倍增器電壓1 671 V;接口溫度280 ℃;質(zhì)量范圍29~500 amu。對(duì)總離子流圖中的各峰經(jīng)質(zhì)譜計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索及核對(duì)Nist 17和Wiley 275標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖,確定X種揮發(fā)性化學(xué)成分,用峰面積歸一化法測(cè)定各化學(xué)成分的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.3.4 抗氧化活性的測(cè)定
T-AOC、DPPH自由基清除能力、SOD活性均采用試劑盒進(jìn)行檢測(cè)。
T-AOC按公式(1)計(jì)算,以Fe2+終濃度為橫坐標(biāo),以不同濃度Fe2+對(duì)應(yīng)的吸光度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,所得標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=5.104 8X+0.004 4,R2=0.999 8,線性較好,可用于后期實(shí)驗(yàn)。
(1)
式中:V1為反應(yīng)總體積,1.02 mL;V2為反應(yīng)中樣品體積,0.03 mL;X為標(biāo)準(zhǔn)曲線中的函數(shù)變量。
DPPH自由基清除率按公式(2)計(jì)算:
(2)
式中:A0、A1、A2分別為空白管、對(duì)照管和測(cè)定管于515 nm處測(cè)定的吸光值。
SOD活性按公式(3)~公式(6)計(jì)算:
ΔA1=A1-A2
(3)
ΔA0=A10-A20
(4)
(5)
(6)
式中:A1、A2、A10、A20分別為測(cè)定管、對(duì)照管、空白管1和空白管2于560 nm處測(cè)定的吸光值;F為樣品稀釋倍數(shù)。
1.3.5 數(shù)據(jù)處理
使用Excel 2018對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄用和計(jì)算,采用Data Analysis對(duì)氣質(zhì)聯(lián)用的峰面積進(jìn)行積分與提取,Origin 9.0軟件作圖。
2.1.1 天麻酵素化過(guò)程中游離氨基酸含量與組成分析
由表1可知,天麻酵素化過(guò)程中氨基酸的總含量(total content of amino acids,TAA)呈先下降后上升的趨勢(shì),可能是發(fā)酵前期酵母菌利用葡萄糖和氨基酸進(jìn)行無(wú)氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酒精以及氨基酸自身的氧化降解,導(dǎo)致氨基酸含量降低;發(fā)酵后期氨基酸含量上升,可能是微生物細(xì)胞中的氨基酸溶出造成[7]。必需氨基酸(essential amino acids,EAA)影響食物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織提出氨基酸以EAA/TAA約40.00%為佳[8],天麻汁的EAA/TAA為18.26%,經(jīng)陳釀后天麻酵素中的EAA/TAA可達(dá)到50.76%,比天麻汁增加2.7倍,說(shuō)明天麻汁酵素化處理后營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高。
表1 天麻酵素化過(guò)程中氨基酸質(zhì)量變化
滋味活度值(taste activity value,TAV)[9]表示氨基酸含量與其味覺(jué)閾值比值。TAV>1時(shí),則該氨基酸對(duì)樣品的滋味有貢獻(xiàn),TAV與氨基酸滋味的貢獻(xiàn)呈正比,當(dāng)TAV<1時(shí),該氨基酸對(duì)樣品的滋味沒(méi)有貢獻(xiàn)。由表2可知,天麻汁中絲氨酸(Ser)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、組氨酸(His)、天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、賴(lài)氨酸(Lys)、纈氨酸(Val)、精氨酸(Arg)的TAV均>1,說(shuō)明這9種氨基酸對(duì)天麻汁的滋味貢獻(xiàn)較大,其中谷氨酸(17.10)和精氨酸(4.88)的TAV最大,Glu可提供強(qiáng)烈的鮮味,Arg具有苦澀味[10],天麻汁以鮮味和苦味為主,此時(shí)呈現(xiàn)一定的鮮甜味和苦澀味,滋味不佳。經(jīng)陳釀后,苦味氨基酸中精氨酸的TAV下降,甜味氨基酸中Ala和His的TAV上升,甜味和鮮味是天麻酵素的主要呈味氨基酸,此時(shí)鮮甜味濃郁、苦味淡薄,滋味更佳。
表2 天麻酵素化過(guò)程中游離氨基酸的TAV變化
2.1.2 天麻酵素化過(guò)程中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)分析
由表3可知,天麻汁(發(fā)酵0 d)共檢出26種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),其中醇類(lèi)5種,相對(duì)含量為8.30%;醛酮類(lèi)和酯類(lèi)均為4種,含量分別為6.40%、3.90%;烷烴類(lèi)種類(lèi)最多為8種,含量可達(dá)3.61%;萜烯類(lèi)種類(lèi)最少為1種,相對(duì)含量為2.81%;醚類(lèi)2種,醚類(lèi)含量最高為74.18%。醚類(lèi)在天麻汁中的含量最大,是天麻汁的主要揮發(fā)性物質(zhì),醚類(lèi)一般具有煙熏、刺鼻、異味等氣味[11],可能是造成天麻汁馬尿臭氣味、雜味的原因。
表3 天麻酵素化過(guò)程中揮發(fā)性成分的變化 單位:%(相對(duì)含量)
天麻酵素化過(guò)程中(發(fā)酵7~30 d)共檢測(cè)出46種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),其中醇類(lèi)5種、醛酮類(lèi)和酚類(lèi)均為3種、酯類(lèi)最多為27種、烷烴類(lèi)4種、萜烯類(lèi)2種、酸類(lèi)1種。其中醇類(lèi)在酵素化過(guò)程中呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),在發(fā)酵20 d相對(duì)含量最高為89.61%。 醇類(lèi)主要來(lái)源于酵母菌等微生物酒精發(fā)酵,對(duì)食品的風(fēng)味有較大的影響,是助香劑也是形成其他風(fēng)味物質(zhì)的前體,少量高級(jí)醇可以使酒體醇甜,香氣豐滿[12]。如乙醇可以賦予食品蘋(píng)果甜香的風(fēng)味特征[13]。苯乙醇具有玫瑰花香和茉莉花香等多種風(fēng)味,給人以柔和愉悅的感覺(jué)[14]。酯類(lèi)物質(zhì)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),發(fā)酵7 d時(shí)相對(duì)含量最高為18.84%,其中乙酸乙酯、山梨酸乙酯、9-十八酸乙酯、3-苯基丙酸乙酯、苯甲酸乙酯逐漸增加,乙酸異戊酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯先增加后下降。酯類(lèi)是發(fā)酵過(guò)程中酸跟醇發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的,賦予天麻酵素獨(dú)特的香味[15]。如9-十八酸乙酯有淡淡的花味,辛酸乙酯具有類(lèi)似白蘭地的香氣[16],苯甲酸乙酯具有濃烈的花香,并帶有水果的清香氣味,癸酸乙酯具有似葡萄的水果香氣[17]。因此,這些酯類(lèi)作為天麻酵素中酯類(lèi)物質(zhì)的骨架成分,對(duì)天麻酵素的品質(zhì)和香氣起著決定性作用。醛酮類(lèi)是由酵母菌代謝產(chǎn)生,風(fēng)味閾值較低,但是醛酮類(lèi)物質(zhì)的香氣能夠作用于感官使得天麻酵素的香氣提升。萜烯類(lèi)主要來(lái)源于植物原料,對(duì)天麻酵素的風(fēng)味具有改善作用。醚類(lèi)、烷烴類(lèi)在發(fā)酵過(guò)程中含量雖然較低,但是豐富了天麻酵素的風(fēng)味層面。與天麻汁相比,經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵后的天麻酵素花果香濃郁、口感柔和且未出現(xiàn)馬尿臭等不良風(fēng)味。說(shuō)明酵素化技術(shù)可以顯著改善天麻本身具有的不良風(fēng)味。
天麻酵素經(jīng)陳釀后(發(fā)酵60 d)共檢測(cè)出49種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),其中醇類(lèi)7種,相對(duì)含量最高可達(dá)66.86%;醛酮類(lèi)、萜烯類(lèi)、酸類(lèi)均為2種,相對(duì)含量分別為0.89%、 0.27%、0.20%;酚類(lèi)4種,相對(duì)含量為2.09%; 酯類(lèi)種類(lèi)最多為20種,相對(duì)含量可達(dá)28.10%, 其中乙酸乙酯的相對(duì)含量最高為11.80%;烷烴類(lèi)8種,相對(duì)含量為0.57%;醚類(lèi)1種,相對(duì)含量為0.44%。相比于發(fā)酵后的天麻酵素,經(jīng)陳釀后醇類(lèi)、醛酮類(lèi)、萜烯類(lèi)、醚類(lèi)含量降低,其中醇類(lèi)可以生成醛酮類(lèi),而醛酮類(lèi)物質(zhì)與有機(jī)酸發(fā)生酯化反應(yīng),生成大量酯類(lèi)[18],酯類(lèi)的變化與尹小慶等[19]在研究小米辣鲊?yán)苯钒l(fā)酵過(guò)程中風(fēng)味物質(zhì)的變化一致。因此,經(jīng)陳釀后,酒精度適當(dāng)降低,芳香味更加突出。
2.2.1 天麻酵素化過(guò)程中T-AOC分析
T-AOC是評(píng)價(jià)樣品中的各種抗氧化物質(zhì)和抗氧化酶等構(gòu)成總抗氧化水平的重要指標(biāo)[20]。如圖1所示,T-AOC的含量在發(fā)酵前期呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),在發(fā)酵20 d達(dá)到最低為2.52 μmol/mL;發(fā)酵后期不斷上升,在陳釀階段達(dá)到最高為5.87 μmol/mL,相比于天麻汁上升了0.7倍。這可能是發(fā)酵前期樣品中含有較多的游離羧基與Fe2+形成螯合物,而減少自由基的形成;在發(fā)酵后期微生物酶解一些中性和酸性氨基酸,自由基含量增加[21]。
圖1 天麻酵素化過(guò)程中T-AOC的變化
2.2.2 天麻酵素化過(guò)程中DPPH自由基清除能力分析
DPPH自由基清除率廣泛運(yùn)用于測(cè)定自由基清除能力。由圖2可知,DPPH自由基清除率在整個(gè)酵素化過(guò)程中不斷上升,天麻汁的DPPH自由基清除率只有62.36%,陳釀階段樣品中DPPH自由基清除率最高可達(dá)99.37%,這可能是酵素化過(guò)程中,蛋白質(zhì)在水解酶的作用下水解導(dǎo)致一些具有抗氧化性的氨基酸殘基暴露,DPPH自由基清除率升高[22]。
圖2 天麻酵素化過(guò)程中DPPH的變化
2.2.3 天麻酵素化過(guò)程中SOD活性分析
圖3 天麻酵素化過(guò)程SOD活性的變化
在天麻酵素化過(guò)程中,總氨基酸的含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),陳釀結(jié)束后為1 971.79 mg/100g,天麻汁的EAA/TAA為18.26%,經(jīng)發(fā)酵陳釀后天麻酵素中的EAA/TAA達(dá)到50.76%,相比于天麻汁增加了2.7倍,在呈味氨基酸中,天麻汁以鮮味和苦味為主,經(jīng)陳釀后,天麻酵素以鮮味和甜味為主。天麻汁主要香氣物質(zhì)為醚類(lèi),發(fā)酵期間,醇類(lèi)在發(fā)酵20 d 達(dá)到最大值為89.61%,醚類(lèi)物質(zhì)被微生物降解,馬尿臭味消失,其主要香氣物質(zhì)為醇類(lèi)和酯類(lèi),陳釀階段,酯類(lèi)物質(zhì)的相對(duì)含量達(dá)到最高,說(shuō)明陳釀對(duì)香味的形成具有至關(guān)重要的作用。T-AOC、DPPH自由基清除能力與SOD活性在發(fā)酵過(guò)程中整體均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì),在陳釀結(jié)束后達(dá)到最大值,分別為5.87 μmol/mL、 99.37%與25.72 U/mL,其中SOD活性相比于天麻汁增加了25倍。
天麻是傳統(tǒng)的藥食同源類(lèi)藥物。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)天麻的研究主要關(guān)注于天麻的藥理作用,而對(duì)天麻酵素的開(kāi)發(fā)與研究的報(bào)道較少。因此,本論文初步探討了天麻在不同酵素化階段風(fēng)味物質(zhì)和抗氧化活性的動(dòng)態(tài)變化,后期將對(duì)天麻酵素中的功能性成分進(jìn)行研究,并結(jié)合改善小鼠睡眠實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步深入研究天麻發(fā)酵過(guò)程中的目標(biāo)代謝產(chǎn)物,明晰天麻酵素的藥理活性以及作用機(jī)制,為促進(jìn)天麻的發(fā)展提供理論支撐。