金耳酵母状孢子多糖双酶法提取工艺及其抗氧化性

刘子骐,李众琪,丁强,王鸿磊*

(中国农业大学烟台研究院,山东 烟台 264670)

摘 要:为提高金耳酵母状孢子多糖得率,在单因素试验的基础上,通过Plackett-Burman试验和正交试验优化金耳酵母状孢子多糖的提取工艺;并通过测定金耳酵母状孢子多糖DPPH自由基和羟自由基清除率对其体外抗氧化活性进行探究。结果表明,金耳酵母状孢子多糖最佳提取工艺条件:纤维素酶200 U/g孢子粉,果胶酶50 U/g孢子粉,酶解时间80 min,酶解温度55℃,酶解pH值为4.5,料液比1∶40(g/mL),在该提取条件下,金耳酵母状孢子多糖得率为(8.41±0.36)% 。体外抗氧化试验表明,金耳酵母状孢子多糖对DPPH自由基和羟自由基的IC50值分别为7.06 mg/mL和19.33 mg/mL。

关键词:金耳酵母状孢子;多糖;双酶法;正交试验;抗氧化

金耳(Naematelia aurantialba)是我国一种珍贵的药食用真菌,隶属于担子菌门、银耳目、银耳耳包革科、耳包革属,因其子实体呈金黄色脑状,故又名脑耳、金木耳、脑状银耳等[1]。金耳主要分布于我国云贵高原,其滋补营养价值优于银耳、黑木耳等胶质菌类[2],并具有化痰止咳、定喘调气、平肝潜阳的功效。金耳子实体不仅含有丰富的营养物质,而且还含有特殊的抗癌活性物质[3-5],金耳多糖是其主要功能成分[6],研究表明金耳多糖具有抗氧化、降血糖、抗肿瘤、降血压、抗血栓等作用[7-11]。目前金耳多糖的获得途径主要有子实体提取、菌丝体发酵和金耳酵母状孢子发酵。金耳是共生真菌,其子实体和菌丝体均为金耳和毛韧革菌的复合体[12-13],因此以子实体或菌丝体为对象提取的多糖为两种菌多糖的混合物,多糖的组成、结构和功能等不稳定[14],限制了金耳多糖的开发利用。金耳担孢子可以萌发产生金耳酵母状孢子,金耳酵母状孢子可以通过出芽的方式大量繁殖[15],金耳酵母状孢子发酵是获得金耳多糖的唯一可行方式。

目前,多糖提取的方法主要有热水浸提法、超声波辅助提取法、酶辅助提取法和酸碱提取法等[16-18]。热水浸提法虽操作简单,但容易因温度过高或时间过长造成多糖降解[19]。酶法提取具有提取条件温和、得率高、耗时短等优点,已广泛用于植物多糖提取[20-23]

本研究以液体发酵获得的金耳酵母状孢子为原料,采用双酶法提取胞内多糖,通过单因素试验、Plackett-Burman试验和正交试验优化金耳酵母状孢子多糖提取工艺,并对其体外抗氧化活性进行探究,旨在为金耳酵母状孢子多糖的提取和利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 菌株

金耳酵母状孢子菌种(EF145),由中国农业大学烟台研究院微生物实验室分离、保存。

1.1.2 试剂

纤维素酶(CAS号:9012-54-8)、果胶酶(CAS号:9032-75-1):上海麦克林生化技术有限公司;无水乙醇、麦芽糖、氯化钾:国药集团化学试剂有限公司;大豆蛋白胨:北京双旋生物培养基制品厂;土豆浸粉:北京索宝莱科技有限公司;VB1:Phytechnology laboratories公司;马铃薯葡萄糖肉汤(potato dextrose broth,PDB):杭州微生物试剂有限公司;马铃薯葡萄糖琼脂(potato dextrose agar,PDA):北京陆桥技术股份有限公司;羟自由基清除能力试剂盒、DPPH自由基清除能力试剂盒:苏州格锐思生物科技有限公司。

1.1.3 培养基

1.1.3.1 马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)

称取45.0 g,溶于1 000 mL水中,经121℃高压灭菌后备用。

1.1.3.2 马铃薯葡萄糖肉汤(PDB)

称取28.0 g,溶于1 000 mL水中,经121℃高压灭菌后备用。

1.1.3.3 发酵培养基

称取麦芽糖50.0 g、大豆蛋白胨7.5 g、氯化钾4.0 g、土豆浸粉3.0 g、VB10.2 g,溶于1 000 mL水中,经121℃高压灭菌后备用。

1.2 仪器与设备

BSD-YX2400立式双层摇床:上海博迅实业有限公司;YP1002N电子天平:上海精密科学仪器有限公司;SY-2000旋转蒸发器:上海知信实验仪器技术有限公司;BHS-4数显恒温水浴锅:江阴市保利科研器械有限公司;H2050R离心机:湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;SHA-C水浴恒温振荡器:江苏金坛市金城国胜实验仪器厂;SQP电子分析天平:北京赛多利斯科学仪器有限公司;DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司;Evolution300紫外分光光度计:美国赛默飞世尔科技公司;ELX800全自动酶标仪:美国宝特公司。

1.3 方法

1.3.1 种子液的制备

将保存于-80℃冰箱中的金耳酵母状孢子菌种划线接种于PDA平板上,28℃培养7 d。挑取单菌落接种到PDB培养基中,24℃、150 r/min振荡培养7 d得到种子液。

1.3.2 酵母孢子粉的制备

取10 mL种子液接种于发酵培养基中,24℃、150r/min振荡培养7d。发酵液10000r/min离心10min,弃上清液。将菌体60℃烘干,粉碎,过100目筛,得金耳酵母状孢子粉(简称孢子粉)。

1.3.3 金耳酵母状孢子多糖的酶法提取工艺

称取孢子粉,按料液比1∶80(g/mL)加入蒸馏水,加入纤维素酶200 U/g孢子粉、果胶酶200 U/g孢子粉,于水浴恒温振荡器中45℃反应45 min,反应结束后立即置于90℃水浴锅中灭酶20 min。提取液10 000 r/min离心10 min,弃沉淀。上清液浓缩至黏稠发泡,加入4倍体积无水乙醇,4℃静置12 h,10 000 r/min离心10 min,弃去上清液。沉淀50℃烘干,得金耳酵母状孢子多糖。

1.3.4 金耳酵母状孢子多糖得率测定

将金耳酵母状孢子多糖配制为合适浓度的溶液,采用苯酚硫酸法[24]测定多糖溶液的浓度,计算多糖得率。

1.3.5 单因素试验

参照文献[25]的方法并进行适当修改。在1.3.3提取工艺的基础上,设置纤维素酶添加量为50、100、150、200、250 U/g孢子粉,考察纤维素酶添加量对多糖得率的影响;设置果胶酶添加量为 25、50、100、150、200 U/g孢子粉,考察果胶酶添加量对多糖得率的影响;设置料液比为 1 ∶30、1 ∶40、1 ∶50、1 ∶60、1 ∶70(g/mL),考察料液比对多糖得率的影响;设置酶解pH值为3.5、4.5、5.5、6.5、7.5,考察酶解pH值对多糖得率的影响;设置酶解时间为 40、60、80、100、120 min,考察酶解时间对多糖得率的影响;设置酶解温度为 35、45、55、65、75 ℃,考察酶解温度对多糖得率的影响。

1.3.6 Plackett-Burman试验设计筛选显著因素

在单因素试验的基础上,对纤维素酶添加量、果胶酶添加量、料液比、酶解pH值、酶解时间、酶解温度6个因素进行考察,每个因素设高低两个水平,响应值为多糖得率(α=0.05),筛选出影响多糖得率的显著因素。试验设计见表1。

表1 Plackett-Burman试验因子水平
Table 1 Factors and levels of Plackett-Burman design

因素水平A纤维素酶添加量/(U/g孢子粉)B果胶酶添加量/(U/g孢子粉)F酶解pH值-1 200 50 1∶40 80 45 4.5 C料液比/(g/mL)D酶解时间/min E酶解温度/℃1 250 100 1∶50 100 55 5.5

1.3.7 正交试验设计

根据单因素试验和Plackett-Burman试验设计的结果,选择纤维素酶添加量、酶解温度和料液比作为主要因素,以多糖得率为考察指标,进行L9(34)正交试验,考察所选因素对金耳酵母状孢子多糖得率的影响,正交试验因子水平见表2。

表2 正交试验因子水平
Table 2 Factors and levels of orthogonal test

水平因素A1纤维素酶添加量/(U/g孢子粉)B1料液比/(g/mL) C1酶解温度/℃150 1∶30 35 2 200 1∶40 45 3 250 1∶50 55 1

1.3.8 金耳酵母状孢子多糖抗氧化活性测定

1.3.8.1 DPPH自由基清除能力测定

将多糖配制成 4、6、8、10、12、14、16 mg/mL 的溶液,按试剂盒说明书测定并计算DPPH自由基清除率

1.3.8.2 羟自由基清除能力测定

将多糖配制为 10、12、14、16、18、20 mg/mL 的溶液,按试剂盒说明书测定并计算羟自由基清除率。

1.4 数据处理

每个试验重复3次,结果以平均值±标准差表示。Plackett-Burman试验和正交试验设计与数据分析采用Minitab、SPSS 26和Origin 2021分析处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 纤维素酶添加量对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

纤维素酶添加量对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图1。

图1 纤维素酶添加量对多糖得率的影响
Fig.1 Effect of cellulose additions on the yield of polysaccharides

由图1可以看出,在一定范围内,纤维素酶添加量的增加能提高多糖得率。在纤维素酶添加量为200 U/g孢子粉时,多糖得率达到最大值,当纤维素酶添加量继续增加时,多糖得率反而降低。纤维素酶可以破坏细胞壁,加速多糖的溶出[26],故在一定范围内,酶添加量越高多糖得率越高。当酶添加量达到一定值后,酶解反应体系达到饱和状态,多糖得率不再增加。酶之间可能发生相互附着[27],抑制了酶活性,且随着酶用量的继续增加,过量的酶阻碍了多糖向溶剂溶出[28],或多糖被酶分解[29],使得多糖得率降低。因此最佳纤维素酶添加量为200 U/g孢子粉。

2.1.2 果胶酶添加量对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

果胶素酶添加量对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图2。

图2 果胶酶添加量对多糖得率的影响
Fig.2 Effect of pectinase additions on the yield of polysaccharides

由图2可知,随着果胶酶添加量的增加,多糖得率先增加后降低。在添加量为50 U/g孢子粉时,多糖得率达到最大值,继续增加果胶酶添加量,多糖得率缓慢降低。果胶酶可以酶解细胞中的果胶类物质[30],促进多糖的溶出,故在一定范围内,酶添加量越高多糖得率越高。当酶添加量达到一定值时,酶解反应体系达到饱和状态,多糖得率未有明显增加。因此最佳果胶酶添加量为50 U/g孢子粉。

2.1.3 料液比对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

料液比对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图3。

图3 料液比对多糖得率的影响
Fig.3 Effect of solid liquid ratios on the yield of polysaccharides

由图3可以看出,多糖得率随着提取溶剂的增加,先升高后略有降低。在料液比为1∶40(g/mL)时,多糖得率达到最大。原因是随着溶剂添加量的增加,多糖与溶剂接触更加充分,从而促进了多糖向溶剂溶出。但当溶剂过多时,会使底物和酶浓度降低,导致酶解反应速度降低,使多糖得率变化趋于平缓并略有降低[31]。因此最佳料液比为1∶40(g/mL)。

2.1.4 酶解时间对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

酶解时间对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图4。

图4 酶解时间对多糖得率的影响
Fig.4 Effect of enzymolysis time on the yield of polysaccharides

由图4可以看出,在一定时间范围内,多糖得率随提取酶解时间的延长而增加,之后趋于平缓。因此,考虑时间成本,确定最佳酶解时间为80 min。

2.1.5 酶解温度对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

酶解温度对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图5。

图5 酶解温度对多糖得率的影响
Fig.5 Effect of enzymolysis temperatures on the yield of polysaccharides

由图5可以看出,随着酶解温度的升高,多糖得率先升高后降低。这是由于温度过低时,酶活性弱,随着温度升高,酶活性增强,酶解反应速率增大,且多糖的溶解和扩散速率加快。当酶解温度过高时,酶蛋白变性失活,使多糖得率降低。因此最佳酶解温度为45℃。

2.1.6 酶解pH值对金耳酵母状孢子多糖得率的影响

酶解pH值对金耳酵母状孢子多糖得率的影响见图6。

图6 酶解pH值对多糖得率的影响
Fig.6 Effect of enzymolysis pH on the yield of polysaccharides

由图6可知,在pH4.5的条件下,多糖得率最高。因为在最适pH值下酶的活性最好,低于或高于这一pH值均会破坏酶活性,阻碍酶解反应进行。因此最佳酶解pH值为4.5。

2.2 Plackett-Burman试验结果分析

利用Minitab对试验数据进行显著性分析,表征影响因素次数的帕拉图见图7。

图7 Plackett-Burman试验帕拉图
Fig.7 The Pareto chart of Plackett-Burman test

由图7可知,各因素对多糖得率影响的显著性顺序:E(酶解温度)>A(纤维素酶添加量)>C(料液比)>B(果胶酶添加量)>D(酶解时间)>F(酶解pH值),其中E(酶解温度)、A(纤维素酶添加量)和C(料液比)对多糖得率具有显著性影响,其p值分别为0.003、0.015和0.022。故选择E(酶解温度)、A(纤维素酶添加量)和C(料液比)3个因素进行正交试验设计。

2.3 正交试验结果

正交试验结果见表3。

表3 正交试验结果
Table 3 Results of orthogonal test

编号 A1 B1 C1 X 多糖得率/% 1 1 1 1 1 7.54±0.29 2 1 2 2 2 7.93±0.22 3 1 3 3 3 7.90±0.27 4 2 1 2 3 8.17±0.18 5 2 2 3 1 8.35±0.24 6 2 3 1 2 7.90±0.30 7 3 1 3 2 8.12±0.25 8 3 2 1 3 7.99±0.18 9 3 3 2 1 8.23±0.23 K1 7.08 7.22 7.10 K2 7.40 7.35 7.37 K3 7.37 7.28 7.38 R 0.320 0.133 0.287

对试验结果进行方差分析,结果见表4。

表4 方差分析结果
Table 4 Results of analysis of variance

注:*表示影响显著(p≤0.05)。

因素 偏差平方和 自由度 均方 F值 显著性A1 0.228 2 0.114 45.960 *B1 0.032 2 0.016 6.529 C1 0.188 2 0.094 38.009 *误差 0.005 2 0.002

由表3、表4分析可知,各因素对金耳酵母状孢子多糖得率的影响顺序为A1(纤维素酶添加量)>C1(酶解温度)>B1(料液比)。方差分析结果表明,A1和C1对多糖得率具有显著影响,确定金耳酵母状孢子多糖最佳提取工艺为A12B12C13,即纤维素酶添加量200 U/g孢子粉,果胶酶添加量50 U/g孢子粉,酶解温度55℃,料液比1∶40(g/mL),酶解pH值为4.5,酶解时间80 min,该条件下多糖得率为(8.35±0.24)% 。为验证正交试验的合理性,根据正交试验得到的最优组合,进行3次平行试验,测得多糖得率为(8.41±0.36)% ,表明该工艺具有良好的重现性。

2.4 金耳酵母状孢子多糖体外抗氧化活性测定

2.4.1 金耳酵母状孢子多糖对DPPH自由基的清除作用

DPPH自由基有单电子,其醇溶液呈紫色,在517nm波长处有最大吸收峰。当自由基清除剂存在时,与DPPH单电子配对而使溶液紫色变浅,DPPH溶液变色程度反映了自由基清除剂的清除能力。这一反应已被广泛用于测试化合物自由基清除能力和评价食品、植物提取物的抗氧化活性[32]。金耳酵母状孢子多糖浓度对DPPH自由基清除作用的影响见图8。

图8 金耳酵母状孢子多糖对DPPH自由基的清除作用
Fig.8 DPPH radical scavenging activity of polysaccharide

由图8可以看出,金耳酵母状孢子多糖对DPPH自由基具有一定的清除能力,其DPPH自由基清除率与多糖浓度呈正相关,当多糖浓度为16 mg/mL时DPPH自由基清除率达到(76.76±0.62)% ,对DPPH自由基的IC50为 7.06 mg/mL。

2.4.2 金耳酵母状孢子多糖对羟自由基的清除作用

H2O2和Fe2+混合可生成具有较高反应活性的羟自由基,水杨酸钠可捕捉羟自由基并产生深色物质,该物质在510 nm处有最大吸收。金耳酵母状孢子多糖浓度对羟自由基清除作用的影响见图9。

图9 金耳酵母状孢子多糖对羟自由基的清除作用
Fig.9 Hydroxyl radical scavenging activity of polysaccharide

由图9可以看出,金耳酵母状孢子多糖具有一定的羟自由基清除能力,且多糖浓度与羟自由基清除能力呈正相关,但达到一定浓度后,清除能力增加有所变缓,原因可能是随着浓度的增加,多糖分子之间互相产生排斥,对于自由基的捕获能力下降,所以清除能力增加趋势放缓[33]。当金耳酵母状孢子多糖浓度为20 mg/mL时,羟自由基清除率达到(50.33±0.47)% ,金耳酵母状孢子多糖对羟自由基的IC50为19.33mg/mL。

金耳作为一种异质性的珍稀食用菌,其多糖抗氧化性方面的研究并不多。薛蓓等[34]的研究表明金耳子实体多糖在0.8 mg/mL时DPPH自由基的清除率最高,为(62.23±1.45)% 。邓超等[35]的研究显示金耳菌丝体发酵液多糖在1 mg/mL时DPPH自由基清除率最高,为41.62% 。而本研究显示金耳酵母状孢子多糖在浓度为4 mg/mL时的DPPH清除率为(37.52±0.76)% ,低于上述研究成果;当多糖浓度升高至16 mg/mL时其DPPH清除率高达(76.76±0.62)% ,高于上述研究的最大值,羟自由基清除率也表现出相似的规律。其原因可能是研究对象是子实体多糖或菌丝体发酵多糖,而子实体或菌丝体均由毛韧革菌菌丝和金耳菌丝共同组成,以此为对象提取的多糖为毛韧革菌多糖和金耳多糖(主要是胞外多糖)的混合物[34-35],且有研究表明毛韧革菌多糖具有较强的体外抗氧化性[36]。本研究的对象是金耳酵母状孢子的胞内多糖,其结构和性质与胞外多糖以及毛韧革菌多糖有一定区别,故表现出不同的抗氧化特征。也有研究显示金耳子实体多糖的主要组分对DPPH自由基没有清除作用[37]。不同研究结果差别较大,可能是由于金耳子实体来源、多糖提取方法等不同导致,且金耳多糖为不同多糖组分的混合物,各多糖组分的抗氧化作用也不同[7]

3 结论

本文选取金耳酵母状孢子为试验对象,探究纤维素酶添加量、果胶酶添加量、料液比、酶解时间、酶解温度、酶解pH值对金耳酵母状孢子多糖得率的影响,进行了单因素试验,并设计Plackett-Burman试验联用正交试验优化得到金耳酵母状孢子多糖提取最佳工艺:纤维素酶添加量200 U/g孢子粉,果胶酶添加量50 U/g孢子粉,酶解时间80 min,酶解温度55℃,酶解pH值为 4.5,料液比 1∶40(g/mL),该条件下多糖得率为(8.41±0.36)% 。体外抗氧化试验表明,金耳酵母状孢子粗多糖具有一定的清除DPPH自由基和羟自由基的活性,其对DPPH自由基和羟自由基的IC50值分别为7.06 mg/mL和19.33 mg/mL,当多糖浓度升高至16 mg/mL时其DPPH清除率高达(76.76±0.62)% 。因此采用酶法提取多糖具有用时短、得率高,以及多糖活性高等优点。该研究优化了金耳酵母状孢子多糖的提取工艺,探讨了金耳酵母状孢子多糖的抗氧化性,为金耳酵母状孢子多糖的开发和应用提供了一定的技术支持。

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Dual-enzymatic Extraction Process and Antioxidant Activity of Polysaccharide from Yeast-Like Conidia of Naematelia aurantialba

LIU Zi-qi,LI Zhong-qi,DING Qiang,WANG Hong-lei*
(Yantai Institute of China Agricultural University,Yantai 264670,Shandong,China)

Abstract:The polysaccharide was extracted from the yeast-like conidia of Naematelia aurantialba.The extraction process was optimized by the Plackett-Burman design and orthogonal test on the basis of single factor tests.The antioxidant capacity of polysaccharide in vitro was evaluated based on DPPH and hydroxyl radical scavenging activities.The results showed that the optimum extraction conditions were cellulase addition of 200 U/g of yeast-like conidia powder,pectinase addition of 50 U/g of yeast-like conidia powder,and enzymolysis at 55℃,pH4.5,and solid-to-liquid ratio of 1∶40(g/mL)for 80 min.Under these conditions,the yield of polysaccharide was(8.41±0.36)% .The IC50values of the extracted polysaccharide for DPPH and hydroxyl radical scavenging were 7.06 mg/mL and 19.33 mg/mL,respectively.

Key words:yeast-like conidia of Naematelia aurantialba;polysaccharides;dual-enzymatic;orthogonal test;antioxidant

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.11.019

基金项目:山东省现代农业产业技术体系食用菌产业体系烟台综合试验站(SDAIT-07-14);中国农业大学烟台研究院校级课题(U2021008)

作者简介:刘子骐(2002—),女(汉),在读本科生,研究方向:水产养殖学。

*通信作者:王鸿磊(1977—),男(汉),副教授,硕士,研究方向:食用菌栽培育种及活性成分。

引文格式:

刘子骐,李众琪,丁强,等.金耳酵母状孢子多糖双酶法提取工艺及其抗氧化性[J].食品研究与开发,2023,44(11):129-135,187.

LIU Ziqi,LI Zhongqi,DING Qiang,et al.Dual-enzymatic Extraction Process and Antioxidant Activity of Polysaccharide from Yeast-Like Conidia of Naematelia aurantialba[J].Food Research and Development,2023,44(11):129-135,187.

加工编辑:孟琬星

收稿日期:2022-12-08