Optimizing Culture Medium and Antioxidant Activity of Extracellular Polysaccharides in Liquid Fermentation of Flammulina velutipes
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摘要: 应用响应面分析法考查葡萄糖、蛋白胨、KH2PO4、果蔬汁用量对金针菇液体发酵胞外多糖的影响,分析胞外多糖抗氧化活性。试验结果表明,对金针菇胞外多糖影响大小依次为:蛋白胨> KH2PO4 >果蔬汁>葡萄糖,所确定的最优培养基质量分数为:葡萄糖2.46%,蛋白胨0.5%,KH2PO4 0.1%,果蔬汁15%,在此条件下胞外多糖质量浓度为0.83 mg·mL-1。通过测定金针菇液体发酵胞外多糖的抗氧化活性,证明金针菇胞外多糖对DPPH自由基和ABTS自由基都具有较强的清除作用,当胞外多糖质量浓度大于2 mg·mL-1时,其对DPPH自由基的清除率相比同质量浓度下的Vc要高;当胞外多糖质量浓度大于1.5 mg·mL-1时,其对ABTS自由基的清除率与同质量浓度下的Vc的清除率相近,达到99.87%。Abstract: A response surface experiment was conducted to optimize the fermentation of Flammulina velutipes for the extracellular polysaccharides (EPS). Liquid media with varied amounts of glucose, peptone, KH2PO4, fruit and vegetable juices were used for the experimentation. At end of the process, the antioxidant activity of EPS in each liquid suspension was determined as the criterion for optimization. The results showed that (a) the effect of ingredients in medium on the antioxidant activity ranked as peptone > KH2PO4 > fruit/vegetable juices > glucose; (b) the medium containing 2.46% glucose, 0.5% peptone, 0.1% KH2PO4 and 15% fruit/vegetable juices produced the highest EPS in the suspension at 0.83 mg·mL-1; (c) at concentrations exceeding 2 mg·mL-1, EPS obtained from the fermentation exhibited a strong scavenging effect on DPPH and ABTS free radicals; (d) at a same concentration level, EPS had a greater DPPH free radical scavenging rate than Vc; and, (e) at concentrations higher than 1.5 mg·mL-1, EPS exhibited a scavenging rate on ABTS free radicals similar to Vc, reaching 99.87%.
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金针菇具有促进儿童智力增长[1],预防高血压[2],抗氧化[3],治疗肝脏及消化道疾病等功效[4],是一种理想的保健食品。在目前研究领域通常倾向于利用现代生物技术液体培养金针菇菌丝体,这种技术的应用可以很大程度上缩短培养周期。据相关文献报道,金针菇菌丝体营养价值远高于子实体[5],并且发酵液中包含多糖、氨基酸等有用的代谢产物。食药用菌液态发酵胞外多糖时,发酵液的组成会影响到生产菌的生长速度,生物量的多少以及代谢特征。国内在金针菇的液体发酵培养基中较少添加果蔬汁成分,通常选择添加黄豆粉、可溶性淀粉[6]等直接补充基础的碳、氮源,而国外研究则相对注重于液体深层发酵技术[7]。所以在金针菇的液体发酵培养基中添加果蔬汁,可以在保证金针菇生长所需的碳、氮源的同时进一步提供各类其他营养素。本研究所使用的果蔬汁是胡萝卜汁和梨汁,它兼顾了二者的营养成分,其富含胡萝卜素、维生素B1、B2、C及多种氨基酸等,为金针菇菌丝体的生长提供了有力的营养条件。金针菇适合在弱酸性培养基上生长[8],而胡萝卜汁及梨汁的混合果蔬汁也呈弱酸性,符合金针菇菌丝体所需的适宜生长环境。同时果蔬汁材料方便取得,且成本较低,在企业化生产中具有较大优势。本研究应用响应面分析法,以金针菇胞外多糖作为优化响应值,对液体发酵培养基进行优化,测定金针菇发酵液胞外多糖抗氧化能力[9],以期为金针菇液体发酵果蔬培养基技术的企业化生产奠定基础。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 菌种
金针菇菌株:福建农林大学国家菌草工程技术研究中心;每2月传代1次,4℃保藏。
1.1.2 仪器与设备
SW-CJ-2D型超净工作台(苏州净化设备有限公司);AL204型电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司);YXQ-LS-50SⅡ立式压力蒸汽灭菌器(上海博迅实业有限公司);HC-3618R型高速冷冻离心机(安徽中科中佳科学仪器有限公司);101-3A烘箱(广州科域新材料科技有限公司);SKY-2102C立式双层低温摇床(上海苏坤实业有限公司)。
1.1.3 培养基
果蔬汁:胡萝卜汁、梨汁(1:1);种子培养基:葡萄糖20 g·L-1,蛋白胨3 g·L-1,KH2PO4 3 g·L-1,MgSO4·7H2O 1 g·L-1,果蔬汁10 %(V/V),pH自然。
1.2 试验方法
1.2.1 液体菌种的制备
选取经过活化后的金针菇菌种进行液体菌种的制备。在250 mL的三角瓶中装入100 mL的液体培养基,使用一次性接种针勾取0.5 cm2大小的菌种接种于瓶中,重复操作接种5~6次,最后用脱脂棉塞封住三角瓶口,调整旋转式摇床转速为200 r·min-1,在25℃的条件下振荡培养该三角瓶7 d,备用。
1.2.2 培养基优化
在发酵条件单因素试验的基础上,取第一步中振荡培养完成的菌种作为一级菌种,使用一次性接种针接种于100 mL的液体培养基中,接种量为10 %,继续在200 r·min-1的旋转式摇床上25℃的条件下培养7 d,根据响应面分析法中Box-Behnken中心组合设计的原理[10],采用Design-Expert(version 8.0.6)分析软件设计进行4因素3水平的响应面分析试验[11-12],试验因子和水平见表 1,选用胞外多糖作为考查指标,以此来确定各因素对胞外多糖影响的显著性以及液体发酵培养基最佳条件。
表 1 试验因素水平及编码Table 1. Experimental factors and codes因素 编码符号 编码水平 -1 0 1 葡萄糖/% A 1.5 2 2.5 蛋白胨/% B 0.1 0.3 0.5 KH2PO4/% C 0.1 0.3 0.5 果蔬汁/% D 5 10 15 1.2.3 测定方法
胞外粗多糖的测定[13-14]:发酵液4 000 r·min-1离心20 min,抽滤。上述抽滤后的上清液加入2倍冰乙醇,4℃沉淀24 h后,10 000 r·min-1离心20 min,弃去上清液后将沉淀物冷冻干燥后称重,即为胞外多糖的含量。
1.2.4 清除DPPH自由基能力的测定[15]
称取一定量的DPPH,用无水乙醇配制成0.04 mg·mL-1的DPPH溶液。分别取2 mL不同质量浓度的溶液,加入2 mL DPPH溶液,混合均匀,室温放置30 min后,5 000 r·min-1离心10 min。取上清液于517 nm处测吸光值。以Vc作为参照。使用以下公式计算样品对DPPH自由基的清除率:
DPPH自由基的清除率/%=[1-(Ax-Ax0)/A0]×100%
式中Ax为样品与DPPH反应的吸光值;Ax0为用蒸馏水代替DPPH的吸光值;A0为蒸馏水代替样品的吸光值,重复3次。
1.2.5 清除ABTS自由基能力的测定[16]
吸取7 mmoL·L-1的ABTS储备液15 mL和140 mmoL·L-1的K2S2O8溶液264 μL,混匀后,在暗处放置12~16 h。使用前,将混合液用蒸馏水稀释,使其在734 nm波长下的吸光度为0.700,即得到ABTS+工作液。吸取一定体积的样品溶液与ABTS+工作液混合。在波长734 nm处测定吸光值,以蒸馏水作参比,以Vc作为参照。使用以下公式计算样品对ABTS自由基的清除率:
ABTS自由基的清除率/%=[1-(Ax-Ax0)/A0]×100%
式中Ax为样品与ABTS反应的吸光值;A为用蒸馏水代替ABTS的吸光值;A0为蒸馏水代替样品的吸光值。重复3次。
2. 结果与分析
2.1 响应面试验设计优化结果
采用响应面分析中Box-Behnken设计法,以胞外多糖为指标,对金针菇菌丝体生长过程中液体果蔬培养基的各组分进行了优化研究,其试验方案与结果见表 2。第8、12、19、20组试验为试验中心点,用于考查模型的误差。第6组设计中胞外多糖质量浓度最低(0.1 mg·mL-1),第24组设计中胞外多糖质量浓度为最大值(0.71 mg·mL-1)。
表 2 响应面中心组合设计试验及结果Table 2. Response surface central composite design and results组别 因素 胞外多糖/(mg·mL-1) A B C D 1 0 -1 0 -1 0.53 2 0 1 1 0 0.42 3 -1 0 -1 0 0.15 4 1 -1 0 0 0.42 5 1 0 1 0 0.3 6 0 -1 -1 0 0.1 7 1 0 0 -1 0.53 8 0 0 0 0 0.57 9 -1 0 1 0 0.57 10 0 1 0 -1 0.54 11 0 0 -1 1 0.52 12 0 0 0 0 0.51 13 -1 1 0 0 0.48 14 1 0 -1 0 0.53 15 0 0 1 -1 0.49 16 -1 0 0 1 0.46 17 -1 0 0 -1 0.48 18 1 1 0 0 0.39 19 0 0 0 0 0.48 20 0 0 0 0 0.5 21 0 1 -1 0 0.58 22 -1 -1 0 0 0.21 23 0 0 1 1 0.61 24 0 1 0 1 0.74 25 0 0 -1 -1 0.41 26 1 0 0 1 0.62 27 0 -1 1 0 0.53 28 0 0 0 0 0.45 29 0 -1 0 1 0.52 2.1.1 金针菇胞外多糖方差分析结果
采用Design-Expert(version 8.0.6.1)分析软件对表 2中胞外多糖的各项数据进行多项式拟合回归,建立多元二次响应面回归模型:Y=0.5+0.037A+0.07B+0.053C+0.041D-0.075AB-0.16AC+0.027AD-0.15BC+0.052BD+0.0025CD-0.072A2-0.032B2-0.063C2+0.092D2。表 3所示为各因素水平的方差分析结果。对上述回归方程进行观察分析,可以发现各因素对响应值Y影响的显著性,通过F检验进行判定,概率P的值越小( < 0.05),相应变量的显著程度就越高。观察分析表 3数据结果可知,各因素的一次项、AB、AC、BC、A2、C2、D2对胞外多糖具有极显著(P < 0.01)的影响,BD对胞外多糖有显著性影响(P < 0.05)。该模型回归显著(P < 0.0001),模型的R2=0.9517,RAdj2=0.9034,说明该模型拟合程度较好,自变量与响应值之间的线性关系显著,由此可以证明通过响应曲面进行设计优化的金针菇液体发酵果蔬培养基对金针菇胞外多糖有显著影响,该方案可行。
表 3 胞外多糖方差分析结果Table 3. Variance analysis on EPS content方差来源 平方和 自由度 均方和 F P 模型 0.50 14 0.04 19.70 < 0.0001 A-葡萄糖 0.02 1 0.02 8.89 0.0099 B-蛋白胨 0.06 1 0.06 32.39 < 0.0001 C-磷酸二氢钾 0.03 1 0.03 18.22 0.0008 D-果蔬汁 0.02 1 0.02 11.02 0.0051 AB 0.02 1 0.02 12.39 0.0034 AC 0.11 1 0.11 58.18 < 0.0001 AD 0.0030 1 0.0030 1.67 0.2177 BC 0.09 1 0.09 47.93 < 0.0001 BD 0.01 1 0.01 6.07 0.0273 CD 0.00 1 0.00 0.014 0.9083 A2 0.03 1 0.03 18.44 0.0007 B2 0.007 1 0.007 3.62 0.0777 C2 0.03 1 0.03 14.23 0.0021 D2 0.05 1 0.05 30.17 < 0.0001 残差 0.03 14 0.002 失拟项 0.02 10 0.02 0.82 0.6360 纯误差 0.008 4 0.002 总离差 0.53 28 确定系数R-Squared 0.9517 调整系数Adj R-Squared 0.9034 2.1.2 响应曲面分析
由图 1-A、B、D分析可知,葡萄糖和蛋白胨、葡萄糖和KH2PO4、蛋白胨和KH2PO4两者之间相互作用的等高线均为椭圆形,交互作用极显著(P < 0.01)。随着葡萄糖和蛋白胨、葡萄糖和KH2PO4、蛋白胨和KH2PO4用量的增加,金针菇发酵液中的胞外多糖量也随之逐渐增大,然而随着各自两者用量的进一步增加,金针菇发酵液中胞外多糖量则同步减少;由图 1E分析可知,蛋白胨和果蔬汁两者之间交互作用显著(P < 0.05);由图 1-C、F分析可知,二维等高线未成椭圆形,说明葡萄糖和果蔬汁、KH2PO4和果蔬汁两者之间交互作用不显著。
2.1.3 模型验证
对模型进行进一步的验证试验以确定预测结果是否具有准确性。通过优化设计后的金针菇果蔬培养基组成为:葡萄糖2.46 %,蛋白胨0.5 %,KH2PO4 0.1 %,果蔬汁15 %。以此组成为最佳发酵条件,进行3次重复试验,所得到的金针菇发酵液胞外多糖质量浓度平均值为0.83 mg·mL-1,与预测值0.81 mg·mL-1相近。因此可以表明本次研究所得到的数学模型在一定程度上可以较好地预测改变金针菇发酵液培养条件对发酵液中胞外多糖量的影响趋势。
2.2 胞外多糖抗氧化性
2.2.1 清除DPPH自由基能力
根据DPPH自由基清除试验,从图 2可以看出,金针菇胞外多糖有显著的清除DPPH自由基的作用,随着金针菇胞外多糖质量浓度的升高,对DPPH自由基的清除作用近乎呈线性增强,当金针菇胞外多糖的质量浓度增加至2.5 mg·mL-1时,其DPPH自由基的清除率达到85.77 %,而相应质量浓度下的Vc对DPPH自由基的清除率只能达到80.11 %,同时从图上还可以看出当胞外多糖质量浓度超过2 mg·mL-1时,其对DPPH自由基的清除率比同质量浓度下的Vc要高。
2.2.2 清除ABTS自由基能力
由图 3可知,金针菇胞外多糖对ABTS自由基的清除作用与质量浓度正相关,随着金针菇胞外多糖质量浓度的升高,清除作用也随之增强,当金针菇胞外多糖的质量浓度为1.5 mg·mL-1时,ABTS自由基的清除率达到99.87%,与同质量浓度下Vc清除ABTS自由基能力相近,表明金针菇发酵液胞外多糖具有较强的ABTS自由基清除能力。
3. 讨论与结论
在20世纪40年代中期抗生素工业呈现蓬勃发展,由此带来了微生物领域的科技革新,其中食用菌的液体发酵技术也随之不断发展。在菌株的培养过程中,培养基一般都需要包括碳源、氮源、无机盐和维生素等基本营养物质。通过对金针菇菌丝营养特性的研究可以明显发现速效性和迟效性的碳源或氮源,以及无机盐和维生素等都会对菌丝发酵液胞外多糖的含量产生影响。大量流行病学的证据都表明,人们可以通过增加果蔬物质的摄入量来减少某些疾病的发生率以及随之而来的死亡率,这都是由于果蔬中包含的抗氧化活性物质在起作用的原因[17-18]。研究发现,真菌多糖能够有效清除机体内的自由基,抑制脂质过氧化作用,进而起到延缓衰老的作用[19]。金针菇果蔬发酵液不仅富集真菌多糖,还含有果蔬中的多种氨基酸、矿物质元素,集天然的色和香味、保健、营养为一体,符合人们的需要,具有较好的市场前景。
应用响应面分析法考察葡萄糖、蛋白胨、KH2PO4、果蔬汁用量对金针菇液体发酵胞外多糖的影响,最终优化得到胞外多糖量最佳配方为葡萄糖2.46 %,蛋白胨0.5 %,KH2PO4 0.1 %,果蔬汁15 %,在此条件下胞外多糖为0.83 mg·mL-1。由研究结果可以看出果蔬汁的加入对金针菇发酵液胞外多糖含量都具有明显的促进作用,而且果蔬汁原材料取材方便,价格低廉,在大规模发酵工业生产中具有极大优势,降低生产成本的同时提高了所得产品数量。在后续的研究中可以考虑尝试其他品种的果蔬进行混合试验,以得出果蔬汁最优组合。
通过测定金针菇果蔬培养基发酵液胞外多糖的抗氧化活性,结果发现金针菇胞外多糖对DPPH自由基和ABTS自由基都具有较强的清除作用,当胞外多糖>2 mg·mL-1时,其对DPPH自由基的清除率比同质量浓度下的Vc要高;当胞外多糖>1.5 mg·mL-1时,其对ABTS自由基的清除率与同质量浓度下的Vc的清除率相近,达到99.87 %。这使得果蔬培养基发酵液胞外多糖在营养保健方面存在着显著优势,人体对胞外多糖的摄取将有利于体内抗氧化体系的构建,同时能起到延缓衰老的作用。因而加大金针菇胞外多糖的工厂化生产具有极大的市场空间。现阶段金针菇胞外多糖的研究还较为粗浅,后续可以针对其结构特性等加大研究力度,增加提取率,完善提取工艺以适应工厂化生产。
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表 1 试验因素水平及编码
Table 1 Experimental factors and codes
因素 编码符号 编码水平 -1 0 1 葡萄糖/% A 1.5 2 2.5 蛋白胨/% B 0.1 0.3 0.5 KH2PO4/% C 0.1 0.3 0.5 果蔬汁/% D 5 10 15 表 2 响应面中心组合设计试验及结果
Table 2 Response surface central composite design and results
组别 因素 胞外多糖/(mg·mL-1) A B C D 1 0 -1 0 -1 0.53 2 0 1 1 0 0.42 3 -1 0 -1 0 0.15 4 1 -1 0 0 0.42 5 1 0 1 0 0.3 6 0 -1 -1 0 0.1 7 1 0 0 -1 0.53 8 0 0 0 0 0.57 9 -1 0 1 0 0.57 10 0 1 0 -1 0.54 11 0 0 -1 1 0.52 12 0 0 0 0 0.51 13 -1 1 0 0 0.48 14 1 0 -1 0 0.53 15 0 0 1 -1 0.49 16 -1 0 0 1 0.46 17 -1 0 0 -1 0.48 18 1 1 0 0 0.39 19 0 0 0 0 0.48 20 0 0 0 0 0.5 21 0 1 -1 0 0.58 22 -1 -1 0 0 0.21 23 0 0 1 1 0.61 24 0 1 0 1 0.74 25 0 0 -1 -1 0.41 26 1 0 0 1 0.62 27 0 -1 1 0 0.53 28 0 0 0 0 0.45 29 0 -1 0 1 0.52 表 3 胞外多糖方差分析结果
Table 3 Variance analysis on EPS content
方差来源 平方和 自由度 均方和 F P 模型 0.50 14 0.04 19.70 < 0.0001 A-葡萄糖 0.02 1 0.02 8.89 0.0099 B-蛋白胨 0.06 1 0.06 32.39 < 0.0001 C-磷酸二氢钾 0.03 1 0.03 18.22 0.0008 D-果蔬汁 0.02 1 0.02 11.02 0.0051 AB 0.02 1 0.02 12.39 0.0034 AC 0.11 1 0.11 58.18 < 0.0001 AD 0.0030 1 0.0030 1.67 0.2177 BC 0.09 1 0.09 47.93 < 0.0001 BD 0.01 1 0.01 6.07 0.0273 CD 0.00 1 0.00 0.014 0.9083 A2 0.03 1 0.03 18.44 0.0007 B2 0.007 1 0.007 3.62 0.0777 C2 0.03 1 0.03 14.23 0.0021 D2 0.05 1 0.05 30.17 < 0.0001 残差 0.03 14 0.002 失拟项 0.02 10 0.02 0.82 0.6360 纯误差 0.008 4 0.002 总离差 0.53 28 确定系数R-Squared 0.9517 调整系数Adj R-Squared 0.9034 -
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期刊类型引用(3)
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2. 姚丽云,林进妹,郑霖华,潘裕添. 金针菇粗多糖组成及其抗氧化活性的探究. 闽南师范大学学报(自然科学版). 2018(02): 64-72 . 百度学术
3. 刘启燕,戚俊,周洪英,孙波,吴洪丽. 食用菌液体菌种工厂化生产应用现状及发展浅析. 食用菌. 2018(06): 8-10+22 . 百度学术
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