桑枝低聚糖抑制变异链球菌工艺优化及其抗氧化活性

朱巧玲1,2,邹宇晓2,廖森泰2,孙远明1,黎尔纳2*

(1.华南农业大学食品学院,广东 广州 510642;2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,农业农村部功能食品重点实验室,广东省农产品加工重点实验室,广东 广州 510610)

摘 要:为了确定桑枝低聚糖抑制变异链球菌生长的最佳工艺,在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken响应面法优化桑枝低聚糖的酶解工艺,以桑枝多糖为原料,以变异链球菌的抑菌率为指标,考察酶添加量、酶解时间和酶解温度等因素对抑菌率的影响,得到生物酶法制备桑枝低聚糖的优化工艺:β-葡聚糖酶添加量为485 U/mL,酶解时间3.6 h,酶解温度44℃,在此条件下变异链球菌抑菌率为(68.30±3.96)%,与预测值相符,表明优化工艺可行。同质量浓度下桑枝低聚糖对变异链球菌的抑菌率均高于桑枝多糖,证明该酶解工艺能有效提高抑菌活性。桑枝抗氧化活性表明优化工艺后的桑枝低聚糖对DPPH、ABTS+自由基有清除作用,对Fe3+具有还原能力,并且其总抗氧化能力随着质量浓度的升高而增强。

关键词:桑枝低聚糖;变异链球菌;抑菌;抗氧化;响应面分析

桑枝是桑树的枝条,作为传统中药,含有黄酮、多糖、生物碱和氨基酸等活性成分[1]。多糖是桑枝的主要活性物质,由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖等单糖组成,其摩尔比为1.36∶2.68∶0.46∶328.17∶1.53∶21.80∶6.16[2],具有缓解糖尿病、保护肝脏、提高免疫等药理功效[3-5]

多糖的活性与其分子量密切相关,降低分子量可提高其生理活性[6]。酶降解法采用特定酶断裂分子内部的糖苷键,从而降低聚合度及其分子量。与物理降解、化学降解相比,酶降解法反应条件温和、专一性强、反应迅速、无污染。采用酶法降解多糖可降低多糖的分子量,进一步提高其生理活性,使其应用范围更加广泛[7-9]。将大分子多糖酶解为小分子低聚糖已经成为多糖开发利用的热点,吴婷等[10]将葫芦巴多糖酶解得到低聚糖片段,抑菌活性增强;燕麦β-葡聚糖、壳聚糖的抗菌活性同样随着分子量的降低逐渐增强[11-13]

龋病的发生是由于变异链球菌利用蔗糖等产生不溶性葡聚糖,在牙齿表面形成齿垢,在齿垢中使糖发酵产酸,腐蚀牙齿,形成龋齿[14-17]。寻找无毒副作用又具备防龋性能的天然药物已经成为近年来的研究热点。研究表明,低聚糖对病原微生物的生长具有较好的抑制作用[18],高浓度的低聚木糖可以抑制变异链球菌生长[19],壳寡聚糖抑制变异链球菌产酸、产糖和黏附[20]。低聚异麦芽糖无法被变异链球菌利用,降低产酸,且其中的潘糖可有效抑制齿垢的形成[21]。机体在新陈代谢的过程中产生自由基,自由基在口腔内的大量存在会增加口腔疾病(龋齿、牙周病等)发生的风险,并且在疾病发生过程中也起到关键作用[22],添加外源性抗氧化剂可以起到预防口腔疾病的效果[23]

目前,关于桑枝多糖的功能性研究主要有降血糖、降血脂和抗肿瘤等,而对桑枝低聚糖微生态产品研究较少。本试验以桑枝多糖为原材料,采用β-葡聚糖酶制备桑枝低聚糖,考察桑枝低聚糖对变异链球菌抑制的效果,并用响应面法优化酶法制备低聚糖工艺,研究桑枝低聚糖的抗氧化活性,为桑枝低聚糖在口腔保健类产品中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

桑枝多糖(桑枝经80℃水浸提3次每次2 h,减压抽滤,浓缩,4倍体积无水乙醇醇沉,4℃静置过夜,离心分离所得粗多糖,苯酚硫酸法检测多糖含量约为70%);脑-心浸萃液态培养基(brain heart infusion,BHI):广东环凯微生物科技有限公司;果胶酶(1 000 U/mg)、纤维素酶(400 U/mg)、β-葡聚糖酶(50 U/mg)、β-甘露聚糖酶(50U/mg)、木聚糖酶(6000U/mg)、糖化酶(100U/mg):广州市齐云生物技术有限公司;变异链球菌ATCC25175:广东省微生物研究所菌种保藏中心;总抗氧化能力检测试剂盒 [2,2′-连氮基-双-(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)(2,2′-azino-bis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid,ABTS)法]、总抗氧化能力检测试剂盒[铁离子还原抗氧化力(ferric reducing antioxidant power,FRAP)法]:上海碧云天生物技术有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical,DPPH)自由基清除能力试剂盒:苏州格锐思生物科技有限公司;试验试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

BP211D型电子分析天平:德国赛多利斯公司;THZ-D台式恒温振荡器:江苏省华美生化仪器厂;HWS26型电热恒温水浴锅、DHP-9082电热恒温培养箱:上海一恒科学仪器有限公司;SW-CJ-2FD洁净工作台:苏州安泰空气技术有限公司;synergyH1型酶标仪:美国Biotek公司;YQX-II厌氧培养箱:海南隽誉科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 变异链球菌菌液的制备

取-80℃保存的变异链球菌ATCC25175接种于BHI液体培养基中,37 ℃厌氧(80% N2、10% CO2、10% H2)培养24 h,经鉴定及涂片检查为纯培养后,挑取单菌落接种于BHI液体培养基中培养24 h,调整菌悬液浓度约107CFU/mL,备用。

1.3.2 活菌总数与抑菌率测定

变异链球菌活菌数量的测定:稀释倒平板法,参考GB4789.2—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》[24]。接种1%菌液,37℃厌氧培养24h,以BHI液体培养基为阴性对照组,将阴性对照组活菌总数设置为100%,变异链球菌抑菌率计算公式如下。

1.3.3 不同酶制备桑枝低聚糖抑制变异链球菌生长的影响

参考贾俊强等[25]对蛹虫草多糖的酶解工艺并加以适当修改,分别添加不同种类的酶(果胶酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶、β-甘露聚糖酶、木聚糖酶、糖化酶)到桑枝多糖溶液中,调节至酶添加量为1 000 U/mL,50℃水浴加热3 h,沸水浴10 min灭酶,冷却离心(4 000 r/min,10 min)后取上清液即为桑枝低聚糖样品,121℃高压灭菌20 min,4℃储存备用。预试验结果表明3 mg/mL桑枝多糖对变异链球菌的抑菌率接近半数抑菌率,因此选择质量浓度为3 mg/mL进行后续酶解工艺优化研究。分别添加不同酶酶解后的桑枝低聚糖、商品化低聚糖(低聚半乳糖、低聚异麦芽糖)、桑枝多糖至BHI液体培养基中,使其终质量浓度为3 mg/mL。接种1%菌液,37℃厌氧培养24 h,计算抑菌率。

1.3.4 单因素试验

1.3.4.1 酶添加量对抑菌率的影响

在桑枝低聚糖终质量浓度为3.00 mg/mL的条件下,分别添加β-葡聚糖酶使酶添加量至200、400、600、800、1 000 U/mL,50℃水浴加热3 h。考察酶添加量影响抑菌率的程度。

1.3.4.2 酶解温度对抑菌率的影响

在桑枝低聚糖终质量浓度为3.00 mg/mL的条件下,添加β-葡聚糖酶至400 U/mL,分别置于温度为30、40、50、60、70 ℃水浴加热 3 h。考察酶解温度影响抑菌率的程度。

1.3.4.3 酶解时间对抑菌率的影响

在桑枝低聚糖终质量浓度为3.00 mg/mL的条件下,添加β-葡聚糖酶至400 U/mL,40℃分别水浴加热1、2、3、4、5、6 h。考察酶解时间影响抑菌率的程度。

1.3.5 响应面试验

综合单因素试验的结果,以酶添加量(A)、酶解温度(B)、酶解时间(C)为自变量,以变异链球菌抑菌率为响应值,采用Box-Behnken响应面设计法对酶解条件在三因素三水平上进行工艺参数的优化。试验因素与水平设计见表1。

表1 响应面分析因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface methodology

水平 因素A酶添加量/(U/mL)B酶解温度/℃C酶解时间/h-1 200 30 2 0 400 40 3 1 600 50 4

1.3.6 不同质量浓度对桑枝低聚糖抑菌率的影响

将桑枝多糖、桑枝低聚糖分别添加到BHI液体培养基中,采用二倍稀释法稀释为6个浓度梯度,使质量终浓度分别达到 0.75、1.50、3.00、6.00、12.00、24.00 mg/mL。接种1%菌液,37℃厌氧培养24 h,计算抑菌率。

1.3.7 桑枝低聚糖的抗氧化活性的测定

1.3.7.1 DPPH法

DPPH自由基有单电子,在517 nm处有强吸收,醇溶液呈紫色,当自由基清除剂存在时,与单电子配对使其吸收逐渐消失,呈现颜色较浅,吸光值越低。按照DPPH自由基清除能力试剂盒说明,将150 μL的样品溶液加入到150 μL工作液中避光30 min,12 000 r/min离心5min,测定517nm处吸光度,记为A测定,以150μL 80%甲醇溶液和150 μL样品溶液反应,测吸光度,记为A对照,以150μL80%甲醇溶液和150μL工作液反应,测吸光度,记为A空白。按下式计算DPPH自由基清除率和清除能力。以同浓度的VC和低聚异麦芽糖溶液作为阳性对照。

1.3.7.2 ABTS法

ABTS在氧化剂的作用下会氧化成绿色的ABTS+自由基,在抗氧化物存在时ABTS+自由基的形成受到抑制,测定其在734 nm的吸光度即可测定并计算出样品的总抗氧化能力。按照总抗氧化能力检测试剂盒(ABTS法)测定,将 10 μL 样品溶液加入到 200 μL ABTS 工作液中,室温孵育6 min后测定A734,以0.15 mmol/L~1.5 mmol/L Trolox标准溶液浓度为纵坐标,反应后溶液的A734为纵坐标绘制标准曲线,根据标准曲线计算出样品的总抗氧化能力,总抗氧化能力用Trolox当量表示。以同浓度的VC和低聚异麦芽糖溶液作为阳性对照。

1.3.7.3 FRAP法

酸性条件下抗氧化物可以还原Fe3+-三吡啶三吖嗪(ferric-tripyridy ltriazine,Fe3+-TPTZ) 产生蓝色的Fe2+-TPTZ,在593 nm测定蓝色的Fe2+-TPTZ的吸光值即可获得样品中的总抗氧化能力。按照总抗氧化能力检测试剂盒(FRAP)测定,将5 μL样品溶液加入到180 μL FRAP工作液中,37℃孵育5 min后测定 A593,以0.15 mmol/L~1.5 mmol/L FeSO4标准溶液浓度为纵坐标,反应后溶液的A793为纵坐标绘制标准曲线,根据标准曲线计算出样品的总抗氧化能力,总抗氧化能力用FeSO4当量表示。以同浓度的VC和低聚异麦芽糖溶液作为阳性对照。

1.4 数据处理

试验数据为3次重复平均值。采用GraphPadPrism7、Design Expert12.0和SPSS 22.0进行数据统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同种类酶对变异链球菌抑菌率的影响

采用不同酶制得的桑枝低聚糖、商品化低聚糖(低聚异麦芽糖和低聚半乳糖)、桑枝多糖对变异链球菌抑菌率的影响如图1所示。

图1 不同种类酶对桑枝低聚糖抑制变异链球菌的影响
Fig.1 The effect of different enzymes on the inhibition rate of Streptococcus mutans

不同字母表示差异显著(P<0.05)。

不同酶制备的低聚糖抑菌率从高到低排序为β-葡聚糖酶酶解产物>低聚异麦芽糖>低聚半乳糖>木聚糖酶酶解产物>桑枝多糖>果胶酶酶解产物>糖化酶酶解产物>纤维素酶酶解产物>甘露聚糖酶酶解产物。结果表明β-葡聚糖酶的酶解产物对变异链球菌的抑制效果较好,其对变异链球菌的抑菌率为(49.06±3.81)%,和其他酶解产物(除低聚半乳糖外)相比,抑菌率显著提升(P<0.05),与低聚半乳糖的抑菌率相比无显著性差异(P>0.05)。不同酶的作用位点有所不同,酶解获得的产物存在差异。可能是因为β-葡聚糖酶特异性地切断桑枝多糖的 β-1,3-糖苷键、β-1,4-糖苷键,得到分子量较小的低聚糖片段,可以更快穿透菌体的细胞膜,增大细胞内部渗透压导致细菌死亡[29],从而具有更高的抑菌活性。因此选择β-葡聚糖酶进行后续酶解研究。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 酶添加量对抑菌率的影响

β-葡聚糖酶添加量制备桑枝低聚糖对变异链球菌抑菌率的影响见图2。

图2 酶添加量对变异链球菌抑菌率的影响
Fig.2 The effect of enzyme addition on the inhibition rate of Streptococcus mutans

桑枝低聚糖的抑菌率随酶添加量的增加呈现先升高后降低的趋势,在酶添加量为400 U/mL时抑菌率达到最大值(53.40±4.16)%,当酶添加量大于400 U/mL时抑菌率随之降低。在一定的底物浓度下,酶添加量较少时,酶尚未被饱和,酶添加量增加,酶解效率随之升高[30],生成的低聚糖增加,抑菌率随之升高。酶添加量逐渐增加至一定程度,过量的酶将多糖水解为更小的片段,使其抑菌活性降低。因此选择400U/mL为酶添加量最佳值。

2.2.2 酶解温度对抑菌率的影响

不同酶解温度制备的桑枝低聚糖对变异链球菌抑菌率的影响如图3所示。

图3 酶解温度对变异链球菌抑菌率的影响
Fig.3 The effect of enzymolysis temperature on the inhibition rate of Streptococcus mutans

温度从30℃升到40℃,抑菌率增加;温度高于40℃后,抑菌率降低。在40℃时抑菌率最高,为(61.34±3.05)%。由于酶的活性与反应温度有关,酶在最适温度发挥最大活性,超过其最适温度,结构变性,酶活力减弱,酶解程度降低。β-葡聚糖酶的最适温度范围为40℃~62℃[31],因此选择40℃为酶解温度最佳值。

2.2.3 酶解时间对抑菌率的影响

不同酶解时间制备的桑枝低聚糖对变异链球菌抑菌率的影响见图4。

图4 酶解时间对变异链球菌抑菌率的影响
Fig.4 The effect of enzymolysis time on the inhibition rate of Streptococcus mutans

桑枝低聚糖的抑菌率随着酶解时间的延长而呈现先上升后慢速下降的趋势,在3 h时达到最高值(61.85±3.39)%。可能是随着时间的延长,β-葡聚糖酶与糖链有更多的作用机会,生成更多的桑枝低聚糖,提高抑菌率。酶解时间过长,过度降解,酶解产物结构改变[32],抑菌活性降低,从而降低了抑菌率。因此选择3 h为酶解时间最佳值。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 试验设计结果

在单因素试验的基础上,选定酶添加量400 U/mL、酶解温度40℃、酶解时间3 h为响应面Box-Behnken试验的中心点,采用Design-Expert 12.0软件,对Box-Behnken试验结果进行方差分析和多元线性回归二项式拟合,响应面试验设计及结果如表2所示。

表2 Box-Behnken试验设计及响应值
Table 2 Design and response value of Box-Behnken experiment

试验号 A酶添加量 B酶解温度 C酶解时间 抑菌率/%1 0 1-1 47.97 2 59.78 3 -1 0 1 57.07 4 1 0-1 49.45 1 1 0 5 62.48 6 0 0 0 62.73 0 0 0 7-1 1 45.51 8 1 0 1 61.75 0 62.98 10 -1 -1 0 40.10 11 0 -1 -1 37.88 12 0 1 1 61.75 13 -1 1 0 50.68 14 0 0 0 61.50 15 1 -1 0 46.49 16 -1 0 -1 46.25 17 0 0 0 63.71 9 0 0 0

2.3.2 模型的建立与统计分析

回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析
Table 3 Variance analysis of regression model

注:* 表示差异显著,P<0.05;** 表示差异极显著,P<0.01。

来源 平方和 自由度 均方 F值模型 1241.00 9 137.89 88.17 A 68.27 1 68.27 43.66 B 315.00 1 315.00 201.43 C 247.87 1 247.87 158.50 AB 1.84 1 1.84 1.17 AC 0.547 6 1 0.547 6 0.350 2 BC 9.46 1 9.46 6.05 A2 68.47 1 68.47 43.78 B2 370.86 1 370.86 237.15 C2 106.00 1 106.00 67.78失拟项 8.36 3 2.79 4.31误差 2.59 4 0.646 5总和 1 251.95 16 P值<0.000 1 0.000 3<0.000 1<0.000 1 0.314 5 0.572 6 0.043 5 0.000 3<0.000 1<0.000 1 0.096 0显著性***************

通过优化得到二次回归方程:抑菌率=62.68+2.921 25A+6.275B+5.566 25C+0.677 5AB+0.37AC+1.537 5BC-4.032 5A2-9.385B2-5.017 5C2。由表3可知,模型的P值<0.000 1,说明模型高度显著,可信度高;模型R2=0.991 3,校正R2=0.980 0,模型可以很好地模拟和验证试验结果,失拟项为0.096 0>0.05,变异系数为2.32%,拟合度较好,置信度较高,模型可以预测实际试验值。因此可以选择该模型来分析桑枝低聚糖对变异链球菌抑菌率的变化。BC对响应值有显著影响,A、B、C、A2、B2、C2对响应值有极显著影响。从 F 值可知,各因素对抑制率的影响程度:酶解温度>酶解时间>酶添加量。

2.3.3 响应面分析

β-葡聚糖酶添加量、酶解温度、酶解时间3个因素交互作用对桑枝低聚糖抑菌率的影响见图5~图7。

图5 酶解温度和酶添加量的交互作用对抑菌率影响的响应面图和等高线图
Fig.5 Response surface and contour plots of the interaction effect between enzyme addition and enzymolysis temperature on inhibition of Steptococcus mutans

图6 酶添加量和酶解时间的交互作用对抑菌率影响的响应面图和等高线图
Fig.6 Response surface and contour plots of the interaction effect between enzyme addition and enzymolysis time on inhibition of Steptococcus mutans

图7 酶解时间和酶解温度的交互作用对抑菌率影响的响应面图和等高线图
Fig.7 Response surface and contour plots of the interaction effect between enzymolysis time and enzymolysis temperature on inhibition of Steptococcus mutans

响应面图的曲线弯曲程度说明研究因素对抑菌率的影响程度,等高线呈椭圆形说明研究因素之间的交互作用显著。由响应面可知,曲面的弯曲程度较大,说明酶添加量、酶解温度和酶解时间的交互作用对抑菌率的影响较大。由图5可知,固定酶解时间为3 h时,随着酶解温度和酶添加量的增加,桑枝低聚糖的抑菌率逐渐升高;酶解温度和酶添加量增加到一定值后,抑菌率呈现下降的趋势。由图6可知,固定酶解温度为40℃时,抑菌率随着酶解时间与酶添加量的增加先升高后降低。由图7可知,固定酶添加量为400 U/mL时,酶解温度和酶解时间增加,抑菌率随之先升高后降低。因此,酶解温度和酶添加量之间存在较明显的交互作用,酶解时间与酶添加量之间的交互作用不显著,而酶解时间与酶解温度存在显著的交互作用。

2.3.4 验证试验

经过预测分析,得到最佳酶解工艺条件:酶添加量484.951 U/mL,酶解温度44.011℃,酶解时间3.631 h,抑制率预测值为66.319%;结合实际条件,将酶解条件修正为酶添加量为485 U/mL、酶解温度为44℃、酶解时间为3.6 h,试验验证得到实际抑制率为(68.30±3.96)%,与预测值相符。因此,该模型较好地预测了桑枝低聚糖对变异链球菌的抑菌率,可信度较高。

2.4 质量浓度对桑枝低聚糖抑制变异链球菌生长的影响

不同质量浓度桑枝低聚糖对变异链球菌的抑菌率见图8。

图8 不同浓度桑枝多糖对变异链球菌抑菌率的影响
Fig.8 The effect of different concentrations of Ramulus mori polysaccharides on the inhibition rate of Streptococcus mutans

桑枝多糖与桑枝低聚糖对变异链球菌均表现出明显的抑制作用,且浓度与其抑菌活性呈正相关,随着浓度的升高,抑菌率也随之升高,同质量浓度下桑枝低聚糖的抑菌率均高于桑枝多糖。质量浓度超过6 mg/mL后,随着浓度的升高,抑制率趋于平缓。在适宜浓度下,多糖与低聚糖溶液浓度升高,抑菌活性物质含量增多,对菌体细胞壁与细胞膜的破坏作用越强,抑菌效果随之增强。浓度过高,培养基渗透压过高,大部分细菌均脱水死亡,抑菌率趋于100%。质量浓度为3 mg/mL时,桑枝多糖和桑枝低聚糖对变异链球菌的抑菌率分别为(40.52±4.38)%和(68.91±3.82)%。结果表明采用优化后的酶解工艺制备桑枝低聚糖,对变异链球菌的抑菌率提高。

2.5 桑枝低聚糖的抗氧化活性

2.5.1 清除DPPH自由基能力

不同浓度桑枝低聚糖、桑枝多糖、低聚异麦芽糖与VC标准品的DPPH自由基清除能力如图9所示。

图9 桑枝低聚糖的清除DPPH自由基能力
Fig.9 The ability of Ramulus mori oligosaccharides to scavenge DPPH free radicals

在0.75 mg/mL~24 mg/mL的质量浓度范围内,桑枝低聚糖的DPPH自由基清除能力随着低聚糖质量浓度的升高而逐渐增强,存在明显的量效关系。在质量浓度为6 mg/mL时,逐渐趋于平缓。桑枝低聚糖的DPPH自由基清除能力在质量浓度为6 mg/mL时达到(302.76±12.60)μg Trolox/mL。相同质量浓度下DPPH自由基清除能力:VC>桑枝低聚糖>桑枝多糖>低聚异麦芽糖。

2.5.2 清除ABTS+自由基能力

不同浓度桑枝低聚糖、桑枝多糖、低聚异麦芽糖与VC标准品对ABTS+自由基的清除能力如图10所示。

图10 桑枝低聚糖的清除ABTS+自由基能力
Fig.10 The ability of Ramulus mori oligosaccharides to scavenge ABTS+free radicals

在检测浓度范围内,随着浓度的增加,清除率逐渐增强。桑枝低聚糖的质量浓度在12 mg/mL后清除率增加缓慢,在质量浓度为12 mg/mL时,其ABTS+自由基清除率为(5.70±0.56)mmol/L Trolox,桑枝多糖的ABTS+自由基清除率为(1.28±0.49)mmol/L Trolox,低聚异麦芽糖对ABTS+自由基的清除能力较弱,在质量浓度为12 mg/mL时,其ABTS+自由基清除率仅为(0.18±0.03)mmol/L Trolox。相同质量浓度下 ABTS+自由基清除能力:VC>桑枝低聚糖>桑枝多糖>低聚异麦芽糖。

2.5.3 对Fe3+的还原能力

不同浓度桑枝低聚糖、桑枝多糖、低聚异麦芽糖与VC标准品对Fe3+的还原能力如图11所示。

图11 桑枝低聚糖的Fe3+还原能力
Fig.11 The ability of Ramulus mori oligosaccharides to reduce Fe3+

在检测浓度范围内,随着浓度的增加,还原能力逐渐增强,在质量浓度为24 mg/mL时,桑枝低聚糖的Fe3+还原能力为(63.24±3.66)mmol/L FeSO4,桑枝多糖的 Fe3+还原能力为(26.34±0.43)mmol/L FeSO4,低聚异麦芽糖对Fe3+的还原能力较弱,仅为(3.34±0.50)mmol/L FeSO4。相同质量浓度下Fe3+的还原能力:VC>桑枝低聚糖>桑枝多糖>低聚异麦芽糖。

综上,桑枝低聚糖对DPPH自由基、ABTS+自由基具有不同程度的清除能力,对Fe3+具有较好的还原能力。并且总抗氧化能力随桑枝低聚糖浓度的升高而增强,在一定浓度范围内呈量效关系,较桑枝多糖有明显提升,且强于低聚异麦芽糖。多糖的抗氧化活性与糖链上游离羟基相关,酶解后的低聚糖糖链缩短,暴露的游离羟基增多,可结合的自由基增多,抗氧化活性增强[33]。人体在新陈代谢的过程中会产生大量自由基,对组织细胞DNA造成损伤,诱发各种慢性疾病。口腔中存在大量自由基易引发龋齿、牙周病、咀嚼肌疾病等,清除口腔内自由基有利于预防口腔疾病,所以桑枝低聚糖有望应用于口腔保健用品。

3 结论

本试验采用响应面法优化了桑枝低聚糖的酶解制备工艺。首先研究不同酶制备的桑枝低聚糖对变异链球菌的抑制率,再以抑菌率为指标,考察酶添加量、酶解温度、酶解时间对桑枝低聚糖抑菌率的影响,采用Box-Behnken响应面法优化桑枝低聚糖的制备工艺,并且探究了桑枝低聚糖的抗氧化能力。得到最佳制备工艺:β-葡聚糖酶添加量为485 U/mL,酶解时间3.6 h,酶解温度44℃,在此条件下变异链球菌的抑制率为(68.30±3.96)%。各因素对桑枝低聚糖抑菌率的影响程度:酶解温度>酶解时间>酶添加量。

在此制备工艺下的桑枝低聚糖对DPPH、ABTS+自由基均有清除作用,其总抗氧化能力随着质量浓度的升高而增强,并且桑枝低聚糖的抗氧化活性均高于同质量浓度的商品化低聚糖。本试验探究了桑枝低聚糖对变异链球菌的抑制效果,为进一步提高蚕桑资源的综合利用提供技术参考。

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A Strategy for the Optimized Preparation of Ramulus mori Oligosaccharides with Anti-Streptococcus mutans and Its Antioxidant Activities

ZHU Qiao-ling1,2,ZOU Yu-xiao2,LIAO Sen-tai2,SUN Yuan-ming1,LI Er-na2*
(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China;2.Sericultural&Agri-Food Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Key Laboratory of Functional Foods,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing,Guangzhou 510610,Guangdong,China)

Abstract:Based on single factor experiments,the Box-Behnken response surface method was used to optimize enzymatic hydrolysis-based preparation of Ramulus mori oligosaccharides having the ability to inhibit the growth of Streptococcus mutans.The influence of enzyme addition,enzymolysis time,and enzymolysis temperature on the rate of S.mutans inhibition was investigated by using Ramulus mori polysaccharides as the raw material.The following parameters were used to optimize the preparation of Ramulus mori oligosaccharides using the enzymatic method:enzyme,β-glucanase;enzyme concentration,485 U/mL;enzymolysis time,3.6 h;enzymolysis temperature,44 ℃.Under these conditions,the S.mutans growth was inhibited at a rate of(68.30±3.96)%,which was consistent with the predicted value,indicating that this optimization process was feasible.The rate at which Ramulus mori oligosaccharides inhibited the growth of S.mutans was higher than that observed upon using Ramulus mori polysaccharides at the same mass concentration,indicating that the enzymatic hydrolysis step effectively improved the antibacterial activity of Ramulus mori oligosaccharides.Assessment of the antioxidant activity showed that Ramulus mori oligosaccharides prepared using the optimized method could scavenge DPPH,ABTS+free radicals and reduct Fe3+.The total antioxidant capacity increased with an increase in mass concentration.

Key words:Ramulus mori oligosaccharides;Streptococcus mutans;antibacterial;antioxidant;response surface analysis

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2022.10.012

基金项目:广西科技计划项目(桂科AB21196040);国家自然科学基金(31801525);财政部和农业农村部:国家现代农业产业技术体系;广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金(2021KJ124);科技创新战略专项资金(高水平农科院建设)(R2018QD-082、R2018PY-JG001)

作者简介:朱巧玲(1998—),女(汉),硕士研究生,研究方向:食品微生物。

*通信作者:黎尔纳(1988—),男,副研究员,博士,研究方向:病原微生物。

引文格式:

朱巧玲,邹宇晓,廖森泰,等.桑枝低聚糖抑制变异链球菌工艺优化及其抗氧化活性[J].食品研究与开发,2022,43(10):85-94.

ZHU Qiaoling,ZOU Yuxiao,LIAO Sentai,et al.A Strategy for the Optimized Preparation of Ramulus mori Oligosaccharides with Anti-Streptococcus mutans and Its Antioxidant Activities[J].Food Research and Development,2022,43(10):85-94.

加工编辑:张楠

收稿日期:2021-04-02