王純瑋,白英
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特,010018)
開(kāi)菲爾(Kefir)起源于俄羅斯北高加索地區(qū),是一種酸性、黏性、低酒精含量的乳制品飲料,被稱(chēng)為“發(fā)酵牛奶中的香檳”和“奇怪的”發(fā)酵牛奶[1]。開(kāi)菲爾是由開(kāi)菲爾粒(Kefir grains)發(fā)酵而成的,開(kāi)菲爾粒是含有乳酸菌、醋酸菌和酵母菌的復(fù)雜微生物共生混合物,為直徑1~15 mm的凝膠狀淺黃色或白色顆粒[2]。發(fā)酵過(guò)程中,酵母菌可產(chǎn)生少量的CO2,使開(kāi)菲爾在普通酸奶產(chǎn)品中的味道和風(fēng)味顯著不同。
開(kāi)菲爾胞外多糖(Kefiran)含有大約等量的D-葡萄糖和D-半乳糖,是一種黏合劑,起到固定微生物的作用,與各種微生物形成了開(kāi)菲爾粒結(jié)構(gòu)的骨架[3],并保護(hù)開(kāi)菲爾粒免受外部微生物的危害。其還具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎、減少血清膽固醇水平和調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)[4]等功能特性。開(kāi)菲爾胞外多糖作為一種具有生物活性的新型多糖,引起了食品研究人員的廣泛關(guān)注,目前其已應(yīng)用于食品和制藥行業(yè)[5]。
目前有關(guān)開(kāi)菲爾胞外多糖的報(bào)道主要是從開(kāi)菲爾粒中提取并進(jìn)行研究,而鮮少有對(duì)開(kāi)菲爾發(fā)酵乳中的多糖進(jìn)行研究。故本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)開(kāi)菲爾粒中胞外多糖(Kefiran-G)和開(kāi)菲爾發(fā)酵乳中胞外多糖(Kefiran)進(jìn)行提取,并對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)比分析了2種多糖的結(jié)構(gòu)、絮凝活性、乳化性和抗氧化活性,為開(kāi)菲爾胞外多糖的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供必要的研究基礎(chǔ)。
開(kāi)菲爾粒,錫林郭勒盟牧民家庭;脫脂乳粉,丹麥Arla Foods乳品公司;抗壞血酸,深圳樂(lè)芙生物科技有限公司;2,2′-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)[2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid), ABTS],上海翌圣生物科技有限公司;正十六烷、溴化鉀(光譜純),上海麥克林生化科技有限公司;其他所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。
T6-新世紀(jì)紫外-可見(jiàn)分光光度儀,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;HC-2T18R型冷凍高速離心機(jī),日本Hitachi公司;DW-86L338A型凍干機(jī)(-80 ℃),青島海爾特種電器有限公司;TM4000掃描電鏡,日本株式會(huì)社日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所;IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀,日本島津公司。
1.3.1 培養(yǎng)條件
開(kāi)菲爾粒用無(wú)菌生理鹽水沖洗后以5%的接種量接種于無(wú)菌冷卻的脫脂乳培養(yǎng)基中,并取在28 ℃下連續(xù)培養(yǎng)至pH穩(wěn)定后的開(kāi)菲爾粒及開(kāi)菲爾發(fā)酵液為實(shí)驗(yàn)原料。
1.3.2 培養(yǎng)基的配制
脫脂乳培養(yǎng)基:將脫脂乳粉與蒸餾水以料液比1∶10(g∶mL)制成脫脂乳培養(yǎng)基,110 ℃滅菌10 min。
1.3.3 開(kāi)菲爾發(fā)酵乳中Kefiran的提取工藝
單因素試驗(yàn):向上清液中加入95%乙醇,體積分別為上清液體積的1、2、3、4、5倍;乙醇體積分?jǐn)?shù)分別為75%、80%、85%、90%、95%、100%和醇沉?xí)r間為6、12、18、24、30、36、42 h的條件下進(jìn)行提取。
正交試驗(yàn):在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以提取率為指標(biāo),乙醇體積、乙醇體積分?jǐn)?shù)和醇沉?xí)r間為3個(gè)因素進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)。提取率按公式(1)計(jì)算:
(1)
式中:ρ,從標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算出提取液中多糖的量,mg/mL;m,同體積發(fā)酵液凍干后的質(zhì)量,g;V,Kefiran提取液總體積,mL。
開(kāi)菲爾發(fā)酵乳中Kefiran的提取工藝如下:
發(fā)酵液取上清液10 mL→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→乙醇沉淀(4 ℃)→離心(10 000 r/min,30 min)→沉淀復(fù)溶→sevag法除蛋白質(zhì)→旋蒸除有機(jī)溶劑→透析12 h(4 ℃)→冷凍干燥
1.3.4 開(kāi)菲爾粒中Kefiran-G的提取工藝
單因素試驗(yàn):料液比為1∶5、1∶10、1∶20、1∶40、1∶80(g∶mL),提取溫度為60、70、80、90、100 ℃和提取時(shí)間為15、30、60、120、240 min的條件下進(jìn)行提取。開(kāi)菲爾粒中Kefiran-G的提取工藝如下:
取開(kāi)菲爾粒1 g→水浴加熱→離心(9 200 r/min,15 min,4 ℃)→加入預(yù)冷無(wú)水乙醇,醇沉24 h(-20 ℃)→離心(10 000 r/min,20 min,4 ℃)→沉淀復(fù)溶→sevag法除蛋白質(zhì)→旋蒸除有機(jī)溶劑→透析12 h(4 ℃)→冷凍干燥
正交試驗(yàn):在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以提取率為指標(biāo),料液比、提取溫度和提取時(shí)間為3個(gè)因素進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)。提取率計(jì)算如公式(2)所示:
(2)
式中:ρ,從標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算出提取液中多糖的量,mg/mL;m,開(kāi)菲爾粒的質(zhì)量,g;V,Kefiran-G提取液總體積,mL。
1.3.5 結(jié)構(gòu)測(cè)定
1.3.5.1 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定
將樣品用導(dǎo)電雙面膠帶固定在樣品臺(tái)上,吹掉多余的粉末,用掃描電鏡觀察胞外多糖的表面結(jié)構(gòu)。
1.3.5.2 紅外光譜測(cè)定
將樣品與溴化鉀按1∶100(質(zhì)量比)的比例研磨使其混合均勻,壓片成薄片。于4 000~400 cm-1下掃描,掃描64次,分辨率為4 cm-1。
1.3.6 理化性質(zhì)測(cè)定
1.3.6.1 乳化性測(cè)定
參照WANG等[6]的方法,取0.5 mg凍干Kefiran、Kefiran-G、黃原膠和瓜爾豆膠,分別溶于0.5 mL去離子水中,水浴煮沸20 min,冷卻至室溫后加入磷酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)至2 mL,加入0.5 mL十六烷,渦旋10 min后立即在波長(zhǎng)540 nm處讀取溶液的吸光度,記為A0。每個(gè)溶液樣品按順序室溫孵育30、60和90 min,并記錄在540 nm處的吸光度At。樣品的乳化能力計(jì)算如公式(3)所示:
(3)
式中:A0,0 min時(shí)的吸光度;At,分別在30、60和90 min時(shí)的吸光度。
1.3.6.2 絮凝活性測(cè)定
參照HAN等[7]的方法并略有修改。取2 g/L高嶺土懸浮液100 mL和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%CaCl2混合,在混合液中加入2 mL不同質(zhì)量濃度(0.4~0.9 mg/mL)的Kefiran、Kefiran-G、黃原膠和瓜爾豆膠,渦旋振蕩3 min后于室溫下靜置10 min,測(cè)量在550 nm處的吸光度。絮凝活性計(jì)算如公式(4)所示:
(4)
式中:A,樣品懸浮液吸光度;A0,空白對(duì)照組吸光度。
1.3.7 抗氧化特性測(cè)定·OH清除能力參照文獻(xiàn)[8]的方法;總還原力的測(cè)定參照文獻(xiàn)[9]的方法;ABTS陽(yáng)離子自由基清除能力的測(cè)定參照文獻(xiàn)[10]的方法。
用Excel 2010、Origin 2019b和SPSS 26進(jìn)行作圖與數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用單因素方差分析法進(jìn)行顯著性差異分析,當(dāng)P<0.05時(shí),表示差異顯著。
由圖1可知,隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng),開(kāi)菲爾發(fā)酵乳的pH值和Kefiran產(chǎn)量出現(xiàn)明顯的變化。脫脂乳培養(yǎng)基的初始pH值為6.58,接種開(kāi)菲爾粒后,pH值在發(fā)酵過(guò)程中呈下降趨勢(shì),在0~36 h內(nèi)pH值下降較快,40~84 h下降速度減緩,84 h后pH值達(dá)到3.6,基本趨于平穩(wěn)。
圖1 開(kāi)菲爾發(fā)酵過(guò)程中pH 值和Kefiran含量的變化Fig.1 Changes of pH value and Kefiran content during Kefir fermentation
此外,在發(fā)酵過(guò)程中Kefiran含量在0.5~0.7 mg/mL波動(dòng)。Kefiran的含量在發(fā)酵初期略有減少,可能是由于微生物生長(zhǎng)過(guò)程需要消耗糖類(lèi)物質(zhì)。從第12 h開(kāi)始Kefiran含量開(kāi)始增加,微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中為避免酸類(lèi)物質(zhì)對(duì)其的抑制作用,會(huì)產(chǎn)生更多Kefiran以保護(hù)自身。Kefiran含量在72 h后下降,可能是由于多糖水解酶將其水解所致[11]。開(kāi)菲爾發(fā)酵72 h時(shí),pH值為3.65,并且此時(shí)Kefiran的含量最大,故將發(fā)酵72 h判定為發(fā)酵終點(diǎn),在此時(shí)進(jìn)行Kefiran的提取。
2.2.1 單因素試驗(yàn)
以乙醇體積分?jǐn)?shù)、醇沉?xí)r間、乙醇體積作為影響因素,以Kefiran提取率作為衡量指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)Kefiran進(jìn)行提取,3個(gè)因素均對(duì)Kefiran的提取率有顯著影響(P<0.05)。最終確定Kefiran最優(yōu)單因素提取工藝為乙醇體積分?jǐn)?shù)為95%,醇沉24 h,乙醇體積為2倍。此條件下得到的Kefiran提取率達(dá)到最高值分別為(2.25±0.33)%,(2.25±0.22)%,(2.79±0.19)%。單因素結(jié)果如圖2所示。
a-乙醇體積分?jǐn)?shù);b-醇沉?xí)r間;c-乙醇體積圖2 乙醇體積分?jǐn)?shù)、醇沉?xí)r間、乙醇體積對(duì)Kefiran提取率的影響Fig.2 Effects of ethanol concentration, ethanol precipitation time and ethanol volume on the extraction yield of Kefiran注:不同小寫(xiě)字母表示同一樣品不同濃度間具有顯著差異(P<0.05)
2.2.2 正交試驗(yàn)
提取Kefiran的正交設(shè)計(jì)因素水平表及正交試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1與表2。由表可知,3個(gè)因素的主次順序?yàn)锳>C>B。從9組處理中找出最優(yōu)水平組合為第9組,即A3B3C2,且提取率達(dá)到4.38%,而正交優(yōu)化最佳水平組合為A3B2C3,提取率達(dá)(4.05±0.08)%。
表1 L9(33)正交設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Factors and levels table of orthogonal test
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment
經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,第9組處理的提取率優(yōu)于正交優(yōu)化水平組合,得到最佳工藝條件為:乙醇體積3倍、乙醇體積分?jǐn)?shù)95%、醇沉?xí)r間36 h。
2.3.1 單因素試驗(yàn)
以料液比、提取時(shí)間和提取溫度作為影響因素,以Kefiran-G提取率作為衡量指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)Kefiran-G進(jìn)行提取,3個(gè)因素均對(duì)Kefiran-G的提取率有顯著影響(P<0.05)。最終確定的Kefiran-G最優(yōu)單因素提取工藝為料液比1∶10,提取時(shí)間60 min,提取溫度90 ℃。此條件下得到的Kefiran-G提取率達(dá)到最高值分別為(8.71±0.42)%,(5.14±0.29)%,(6.71±0.58)%。單因素結(jié)果如圖3所示。
a-料液比;b-提取時(shí)間;c-提取溫度圖3 料液比、提取時(shí)間、提取溫度對(duì)Kefiran-G提取率的影響Fig.3 Effects of solid-liquid radio, extraction time and extraction temperature on the extraction yield of Kefiran-G
2.3.2 正交試驗(yàn)
提取Kefiran-G的正交設(shè)計(jì)因素水平表及正交試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3與表4。
表3 L9(33)正交設(shè)計(jì)因素水平表Table 3 Factors and levels table of orthogonal test
表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of orthogonal experiment
由表4可知,3個(gè)因素的主次關(guān)系為C>B>A。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,各因素不同水平的最佳配比為A1B3C3。即提取時(shí)間120 min、提取溫度100 ℃、料液比1∶5(g∶mL),提取率為(5.10± 0.38)%。此條件下得到的Kefiran-G提取率最高。
圖4 Kefiran和Kefiran-G的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of Kefiran and Kefiran-G
Kefiran和Kefiran-G的三維微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異(圖5),發(fā)酵乳中Kefiran表面光滑具有薄膜特點(diǎn),結(jié)構(gòu)疏松,間或呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);開(kāi)菲爾粒中Kefiran-G的表面結(jié)構(gòu)緊致光滑,也具有薄膜特點(diǎn)且邊緣為不規(guī)則的枝狀結(jié)構(gòu)。有研究表明,緊致光滑的表面結(jié)構(gòu)和枝狀結(jié)構(gòu)對(duì)于改善各種食品的流變特性至關(guān)重要[18]。而Kefiran-G的枝狀結(jié)構(gòu)末端有許多大小形狀相似的球形結(jié)構(gòu)黏附其上,發(fā)現(xiàn)其外觀神似于神經(jīng)元突觸,猜想其具有捕獲菌種、蛋白質(zhì)及其他物質(zhì)的能力,進(jìn)而形成開(kāi)菲爾粒,后期可由此對(duì)開(kāi)菲爾粒的成粒機(jī)制做進(jìn)一步研究。
a-Kefiran;b-Kefiran-G圖5 Kefiran和Kefiran-G的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of Kefiran and Kefiran-G
據(jù)MANNINA等[19]的研究可知,微生物多糖和植物膠具有乳化作用,如瓜爾豆膠和黃原膠等,特別是微生物源的黃原膠,因其具有較高的乳化活性而在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。多糖的乳化能力可以用多糖在溶液中保持乳狀液狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短評(píng)判。本文將Kefiran、Kefiran-G與黃原膠、瓜爾豆膠商品多糖進(jìn)行了比較。結(jié)果表明(表5),Kefiran在30和60 min時(shí)的乳化保留率分別為56.42%和51.68%。Kefiran-G在30和60 min時(shí)的乳化保留率分別為57.17%和48.26%。瓜爾豆膠的乳化保留率分別為41.66%和30.31%,黃原膠乳化保留率分別為46.52%和40.11%。Kefiran和Kefiran-G的乳化活性高于瓜爾豆膠,略高于黃原膠。由于Kefiran和Kefiran-G是由具有公認(rèn)為安全(Generally Recognized As Safe,GRAS)分類(lèi)的菌株產(chǎn)生的,因此,Kefiran和Kefiran-G可作為乳化劑應(yīng)用于食品行業(yè),而Kefiran的乳化活性在30~60 min內(nèi)僅下降4.74%,說(shuō)明Kefiran在溶液中保持乳狀液狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng),因此具有比Kefiran-G更好的乳化穩(wěn)定性。
表5 Kefiran的乳化活性Table 5 Emulsifying activity of Kefiran
生物絮凝劑是微生物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的,是安全、可生物降解的。WANG等[3]從新疆開(kāi)菲爾粒中分離到1株產(chǎn)胞外多糖的腸膜明串珠菌XR1,其胞外多糖與黃原膠和瓜爾豆膠相比具有良好的絮凝性能。所以選取黃原膠和瓜爾豆膠為對(duì)照,比較不同來(lái)源開(kāi)菲爾胞外多糖的絮凝活性。圖6顯示,4種樣品的絮凝活性均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),即絮凝活性隨著多糖濃度的增加而增加,到達(dá)最高凈化點(diǎn)后開(kāi)始下降。這可能是由于只有絮凝劑周?chē)念w粒才能參與絮凝反應(yīng),因此過(guò)量的絮凝劑被吸附而導(dǎo)致顆粒不穩(wěn)定[7]。本研究確定了Kefiran、Kefiran-G、黃原膠和瓜爾豆膠的最佳絮凝質(zhì)量濃度分別為0.6、0.7、0.5、0.6 mg/mL。其中Kefiran-G在質(zhì)量濃度0.4~0.9 mg/mL絮凝活性均較高,Kefiran-G的絮凝活性高于瓜爾豆膠和黃原膠,但Kefiran的絮凝活性低于瓜爾豆膠和黃原膠。Kefiran-G的絮凝活性顯著高于Kefiran,其原因可能是由于兩者的微觀結(jié)構(gòu)不同,從圖5可看到,與Kefiran的相比,Kefiran-G的枝狀末端突起較明顯,增大了與其他物質(zhì)接觸的表面積,有利于其吸附大分子物質(zhì),進(jìn)而具有較好的絮凝性能。由于Kefiran-G有很高的絮凝活性且表面帶有很多活性基團(tuán),其結(jié)構(gòu)中豐富的羥基、羧基、糖苷鍵等活性基團(tuán)又可以提供大量的吸附位[20]。LIN等[21]研究了膳食纖維的吸附作用,因其分子表面帶有很多活性基團(tuán),可吸附螯合膽固醇、膽汁酸以及腸道內(nèi)的有毒物質(zhì)(內(nèi)源性毒素)、化學(xué)藥品和有毒醫(yī)藥品(外源性毒素)等有機(jī)化合物。由此可推斷Kefiran-G可能也具有這些功能,后續(xù)可對(duì)此進(jìn)行研究。
圖6 Kefiran、Kefiran-G、黃原膠和瓜爾豆膠的絮凝活性Fig.6 Flocculating capacity of Kefiran, Kefiran-G,xanthan gum and guar gum
由圖7可知,3種抗氧化能力均隨Kefiran和Kefiran-G濃度的增加而增加,但Kefiran和Kefiran-G的抗氧化能力有所不同。
在多糖質(zhì)量濃度為1~9 mg/mL時(shí),Kefiran的·OH清除能力高于Kefiran-G,當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)7 mg/mL時(shí),Kefiran的·OH清除能力顯著高于Kefiran-G(P<0.05),但均低于抗壞血酸。當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)9 mg/mL時(shí),Kefiran與Kefiran-G的·OH清除率分別為(48.81±1.75)%和(23.38±1.43)%。多糖中的羧基能夠絡(luò)合金屬離子如Fe2+等,從而抑制生成·OH,而多糖中的羥基和羧基又可作為氫供體,提供氫原子與·OH反應(yīng)從而清除·OH。
總還原力是評(píng)價(jià)樣品抗氧化活性的重要指標(biāo),還原能力測(cè)定通過(guò)鐵氰化鉀還原方法測(cè)量抗氧化劑的給電子能力[22]。在質(zhì)量濃度5~40 mg/mL,Kefiran的總還原力高于Kefiran-G,在質(zhì)量濃度為40 mg/mL時(shí),兩者的總還原力分別達(dá)到(0.15±0.02)和(0.12±0.01)(圖7-b)。
ABTS陽(yáng)離子自由基是帶正電荷的自由基,其清除主要原理是電子的轉(zhuǎn)移[23]。當(dāng)多糖的質(zhì)量濃度為1~9 mg/mL,Kefiran的ABTS陽(yáng)離子自由基清除率高于Kefiran-G。當(dāng)質(zhì)量濃度在3~5 mg/mL時(shí),Kefiran的ABTS陽(yáng)離子自由基清除率高于抗壞血酸。當(dāng)質(zhì)量濃度為9 mg/mL時(shí),Kefiran與Kefiran-G的ABTS陽(yáng)離子自由基清除率分別為(81.44±0.80)%和(38.34±2.53)%。
a-·OH清除活性;b-總還原力;c-ABTS陽(yáng)離子自由基清除活性圖7 不同來(lái)源開(kāi)菲爾胞外多糖對(duì)·OH清除活性、總還原力、ABTS陽(yáng)離子自由基清除活性的影響Fig.7 Effects of different sources on the hydroxyl radical scavenging activity, reducing power,ABTS radical scavenging activity of Kefiran注:小寫(xiě)字母表示不同組間同一樣品之間的顯著性差異(P<0.05);大寫(xiě)字母表示不同樣品同一組內(nèi)的顯著性差異(P<0.05)
結(jié)合所有抗氧化結(jié)果可知,Kefiran的抗氧化活性強(qiáng)于Kefiran-G,原因是由于2種胞外多糖在結(jié)構(gòu)上存在差異,還可能是由于2種多糖的提取方式存在不同,提取Kefiran-G是采用了水浴加熱的方式,高溫可能破壞多糖結(jié)構(gòu)從而影響多糖的生物活性。
開(kāi)菲爾胞外多糖是1種具有不同生物學(xué)和功能性質(zhì)的益生菌胞外多糖,引起了眾多研究者的關(guān)注。過(guò)去的研究主要集中于開(kāi)菲爾粒中Kefiran-G的結(jié)構(gòu)表征及其豐富的功能特性。本研究對(duì)比了2種原料提取的開(kāi)菲爾胞外多糖在結(jié)構(gòu)、理化特性及抗氧化活性上的差異。結(jié)果表明,開(kāi)菲爾粒中的胞外多糖(Kefiran-G)的含量及提取率均優(yōu)于開(kāi)菲爾發(fā)酵乳中的胞外多糖(Kefiran),且Kefiran-G因其邊緣的枝狀結(jié)構(gòu)以及枝狀結(jié)構(gòu)末端黏附的球狀結(jié)構(gòu),具有良好的乳化活性和絮凝活性;Kefiran相較Kefiran-G具有良好的抗氧化活性。后期通過(guò)結(jié)構(gòu)測(cè)定,進(jìn)一步研究2種來(lái)源胞外多糖的構(gòu)效關(guān)系,為開(kāi)菲爾胞外多糖更好地用于食品和醫(yī)藥工業(yè)提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。