池玉閩,賈利蓉,鄧莎,王書語,向燕,何培君,董怡
(四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610065)
豆豉是一種以黑豆或黃豆為原料發(fā)酵制成的風味調(diào)味品,是中國四大傳統(tǒng)發(fā)酵豆制品之一[1]。潼川豆豉是源于四川省綿陽市三臺縣的一種特色豆豉,距今已有300余年的歷史,在2008年被列入我國國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄[2]。潼川豆豉通常以黑豆為原料,毛霉為主要發(fā)酵菌種,經(jīng)過長時間低溫的傳統(tǒng)自然發(fā)酵制成,具有顆粒柔軟松散、色澤黑潤油亮、氣味清香、滋味鮮美回甜等特點[3]。
多項研究表明豆豉具有抗氧化、降血壓、保護心腦血管、預(yù)防癌癥等功能[4]。大豆經(jīng)過發(fā)酵后不僅保留了原料中大多數(shù)的營養(yǎng)成分,同時生成了一些具有生物活性的成分,增強了豆豉的抗氧化能力及其他功能特性[5]。豆豉中的抗氧化物質(zhì)主要有大豆異黃酮、植物多酚、大豆多肽、類黑精等[6]。近年來,心腦血管疾病和動脈硬化等慢性疾病的發(fā)生率逐年增加,可能是由自由基引起的機體氧化損傷,而在日常飲食中增加天然抗氧化物質(zhì)的攝入是一種很好的抵御自由基損傷的方式[7]。
目前主要提取的抗氧化活性成分方法有超聲波輔助、加壓輔助、酶法輔助等[8]。超聲波處理的原理是利用超聲空化效應(yīng),伴隨熱效應(yīng)和機械作用,可以破壞細胞結(jié)構(gòu),能夠很好地加快混合效率、縮短提取時間[9]。本文利用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助乙醇提取潼川豆豉中的抗氧化活性成分,同時評估了潼川豆豉提取物的綜合抗氧化能力,再進一步利用LC-MS技術(shù)對其物質(zhì)基礎(chǔ)進行了分析,為潼川豆豉的深度開發(fā)利用提供了參考。
潼川豆豉:市售。
無水碳酸鈉:分析純,成都金山化學(xué)試劑有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH·)、染料木素、沒食子酸:生物試劑,上海源葉生物科技有限公司;無水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉、福林酚、鐵氰化鉀、三氯乙酸、過硫酸鉀:均為分析純,成都市科龍化工試劑廠;熒光素鈉、水溶性維生素E(Trolox)、2,2′-偶氮(2-甲基丙基瞇)二鹽酸鹽(AAPH):生物試劑,西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司;2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS+·):生物試劑,上海麥克林生化科技有限公司。
SCIENTZ-10N冷凍干燥機、SCIENTZ-IID超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司;1736R高速冷凍離心機 LaboGene公司;Synergy H1多功能微孔板檢測儀 BioTek Instruments Inc.;400A多功能粉碎機 永康市紅太陽機電有限公司;DWKW-4電子恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;Q Exactive Plus質(zhì)譜儀、Ultimate 3000 HPLC系統(tǒng) 美國賽默飛世爾科技公司。
1.4.1 豆豉提取物的制備
將豆豉樣品進行冷凍干燥后,用研磨機粉碎成粉末狀,過80目篩,冷藏備用。稱取1.00 g豆豉粉末于試管中,分別以不同液料比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1,mL/g)、乙醇濃度(0%、20%、40%、60%、80%、100%)、超聲時間(2.5,5,7.5,10,12.5,15 min)、超聲功率(100,200,300,400,500,600 W)進行超聲波輔助提取優(yōu)化。超聲波細胞粉碎機每運行2 s后暫停2 s,以保持溫度穩(wěn)定,全程提取液溫度不超過40 ℃。提取完成后將提取液以4000 r/min離心10 min,取上清液備用。
1.4.2 異黃酮含量的測定[10]
以染料木素為標準品,配制濃度依次為0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 mg/mL的染料木素乙醇溶液,取100 μL的標準品溶液或豆豉提取液于試管中,加入50 μL無水乙醇和350 μL蒸餾水,振蕩均勻后加入96孔板,測定其在260 nm下的吸光度值。同時以無水乙醇作空白對照。以吸光度值為縱坐標,染料木素濃度為橫坐標,得到異黃酮含量標準曲線方程為y=6.3276x+0.0223,R2=0.9986。
1.4.3 總酚含量的測定[11]
以沒食子酸為標準品,配制濃度依次為0.02,0.05,0.10,0.25,0.50,1.00 mmol/L的沒食子酸溶液,取標準品溶液或豆豉提取液100 μL,加入福林酚試劑50 μL后振蕩均勻,再加入15%碳酸鈉溶液150 μL和蒸餾水700 μL,于37 ℃水浴中反應(yīng)2 h。水浴結(jié)束后立即拿出,用流水降溫至室溫,并測定其在760 nm下的吸光度。以蒸餾水作空白對照,以吸光度值為縱坐標,沒食子酸濃度為橫坐標,得到總酚含量標準曲線方程為y=0.9287x+0.0742,R2=0.999。
1.4.4 DPPH·清除能力的測定[12]
以T rolox為標準品,配制濃度依次為2.5,5,7.5,10,12.5,15,25 μg/mL 的Trolox乙醇溶液,將0.2 mL的標準品溶液或豆豉提取液與等體積的0.2 mmol/L DPPH·乙醇溶液混合均勻后避光反應(yīng)30 min,之后立即在517 nm下測定吸光度,以無水乙醇作空白對照。DPPH·清除率按式(1)計算,以Trolox濃度為橫坐標,清除率為縱坐標,得到DPPH·清除能力的標準曲線,方程為y=0.0316x-0.0038,R2=0.9965。樣品的清除率代入標準方程得到樣品DPPH·清除能力的Trolox當量。
(1)
式中:Ai為試驗組吸光度,A0為空白組吸光度,Aj為對照組吸光度。
1.4.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗
通過對比單因素試驗結(jié)果,篩選出合理的參數(shù)范圍,以乙醇濃度(A)、液料比(B)、超聲時間(C)、超聲功率(D)為自變量,以異黃酮提取量(Y1)、總酚提取量(Y2)和DPPH·清除能力(Y3)為評價指標,使用Box-Behnken進行響應(yīng)面試驗設(shè)計(見表1),并且運用Design Expert 8.0.6軟件分析得到優(yōu)化后的潼川豆豉中抗氧化活性成分提取工藝條件。
表1 響應(yīng)面試驗水平因素
1.4.6 抗氧化活性評價
1.4.6.1 DPPH·清除能力
方法同1.4.4。
1.4.6.2 ABTS+清除能力[13]
以無水乙醇作空白對照,測定豆豉提取液對ABTS+·的清除能力。ABTS+·清除率按式(2)計算,以ABTS+·清除率為縱坐標,Trolox濃度為橫坐標,得到ABTS+·清除能力的標準曲線,方程為y=0.0076x+0.001,R2=0.9975。最終樣品的清除率代入到標準方程中得到樣品ABTS+·清除能力的Trolox當量。
(2)
式中:Ai為試驗組吸光度,A0為空白組吸光度,Aj為對照組吸光度。
1.4.6.3 氧自由基吸收能力[14]
以無水乙醇作空白對照,測定豆豉提取液的氧自由基吸收能力(ORAC值)。以Net AUC為縱坐標,Trolox濃度為橫坐標,得到氧自由基吸收能力的標準曲線,方程為y=0.802x+27.758,R2=0.9961。最終樣品的ORAC值以Trolox當量表示。
1.4.6.4 還原力[15]
以Trolox為標準品,設(shè)置2.5,5,10,15,25,50 μg/mL的濃度梯度,將標準品溶液或豆豉提取液、磷酸緩沖液(0.2 mol/L,pH 6.6)和1%鐵氰化鉀溶液各取1 mL混合均勻后在50 ℃下水浴20 min。待混合液冷卻至室溫后,加入0.5 mL 10%三氯乙酸混合均勻。離心(6000 r/min,8 min)后取1 mL上清液,加入1 mL去離子水和0.1 mL濃度為0.1%的氯化鐵溶液,振蕩均勻后于700 nm下測定吸光度。以無水乙醇作空白對照。以吸光度為縱坐標,Trolox濃度為橫坐標,得到還原力的標準曲線,方程為y=0.0016x+0.0493,R2=0.9957。最終樣品的還原力以Trolox當量表示。
1.4.7 LC-MS分析
樣品用甲醇稀釋10倍,高速離心10 min,取上清液分析,進樣量5 μL。
LC條件:Hypersil GOLD C18色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.9 μm),柱烘箱溫度30 ℃。流動相A為0.1% 甲酸(FA),B為含0.1% FA的乙腈。流速為0.300 mL/min,洗脫程序為0~3 min,B=5.0%;3~12 min,B=5.0%~95.0%;3~15 min,B=95.0%;15~15.01 min,B=95.0%~5.0%;15.01~18 min,B=5.0%。
MS條件:正、負離子模式,掃描范圍:50~1500 Da。
所有試驗均進行3次平行操作,最終結(jié)果以算數(shù)平均值計算。數(shù)據(jù)結(jié)果采用Origin 2019 軟件進行繪圖和Design Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面設(shè)計與統(tǒng)計分析。
乙醇濃度對抗氧化活性成分提取效果的影響與豆豉提取物中活性成分的極性有關(guān)[16],由圖1中a可知,潼川豆豉提取液中總酚含量在乙醇濃度為0%~60%時較為穩(wěn)定,在乙醇濃度達到80%后開始大幅下降;異黃酮含量在乙醇濃度為60%時達到最大值;DPPH·清除能力在乙醇濃度為40%時達到最大。由圖1中b可知,隨著超聲功率的增大,空化作用、機械作用等效果增強,提取效率提高,提取液各項指標均逐漸增加。由圖1中c可知,隨著超聲時間的增加,提取液中異黃酮和總酚含量先逐漸增加,在10 min處達到最高,之后隨時間的延長提取量下降,DPPH·清除能力也在10 min后開始降低??赡苁怯捎陂L時間的超聲波處理破壞了部分生物活性成分,導(dǎo)致提取液的抗氧化能力下降[17]。由圖1中d可知,隨著液料比的升高,豆豉樣品各項提取指標均逐漸上升,在液料比為25∶1 (mL/g)時達到最高,隨后逐漸下降。
圖1 不同單因素對抗氧化活性成分提取效果的影響
綜合考慮,選取乙醇濃度20%、40%、60%,超聲功率400,500,600 W,超聲時間7.5,10,12.5 min,液料比20∶1、25∶1、30∶1 (mL/g)進行進一步的響應(yīng)面優(yōu)化。
2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果及方差分析
根據(jù)單因素試驗結(jié)果,使用Box-Behnken軟件對潼川豆豉抗氧化活性成分提取率有影響的4個因變量進行試驗設(shè)計。響應(yīng)面試驗結(jié)果見表2。
表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果
利用 Design Expert 8.0 軟件,對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合,得到方程:
總酚得率:Y1=68.33-2.39A+0.091B+0.87C+0.80D-0.46AB-1.72AC+1.32AD-1.85BC+0.53BD+0.59CD-2.13A2-0.74B2-0.96C2-1.58D2。
異黃酮得率:Y2=5.05+0.080A+0.13B+0.045C+0.064D-0.049AB-0.090AC+4.939E-003AD-0.032BC+0.12BD-0.078CD-0.26A2-0.13B2-0.25C2-0.089D2。
DPPH·清除能力:Y3=13.53-0.030A+1.09B-6.189E-003C-0.30D+0.015AB-0.32AC+0.57AD-0.47BC-0.33BD-0.30CD-0.52A2-2.09B2+0.32C2-0.85D2。
由表3可知,總酚得率、異黃酮得率和DPPH·清除能力3項指標的回歸模型均極顯著(P<0.01),失擬項均不顯著(P>0.05),可見方程模型與試驗擬合較好,對于潼川豆豉中抗氧化成分的提取有較好的預(yù)測能力。
表3 回歸模型方差分析
在總酚得率模型中,乙醇濃度的影響最大,達到極顯著水平(P<0.01),超聲時間和超聲功率對其也有顯著(P<0.05)的影響;交互影響中,AC與BC的交互作用極顯著(P<0.01),AD的交互作用顯著(P<0.05)。4種自變量對于總酚得率的影響從大到小依次為乙醇濃度>超聲時間>超聲功率>液料比。在Y1模型中,變異系數(shù)(C.V.)=1.60%,方程擬合度R2=0.9115,校正系數(shù)RAdj2=0.8231,方程擬合度較好,可用于預(yù)測試驗值。
在異黃酮得率模型中,液料比的影響最大,達到極顯著水平(P<0.01),乙醇濃度對其有顯著的影響(P<0.05);交互影響中,BD的交互作用顯著(P<0.05)。4種自變量對于異黃酮得率的影響從大到小依次為液料比>乙醇濃度>超聲功率>超聲時間。在Y2模型中,變異系數(shù)(C.V.)=2.34%,方程擬合度R2=0.8750,校正系數(shù)RAdj2=0.7500,方程擬合度較好,可用于預(yù)測試驗值。
在DPPH·清除能力模型中,液料比的影響最大,其余因素無顯著影響(P>0.05);交互影響中,AD的交互作用顯著(P<0.05)。4種自變量對于總酚得率的影響從大到小為液料比>超聲功率>乙醇濃度>超聲時間。在Y3模型中,變異系數(shù)(C.V.)=4.18%,方程擬合度R2=0.9352,校正系數(shù)RAdj2=0.8704,方程擬合度較好,可用于預(yù)測試驗值。
2.2.2 響應(yīng)面交互作用分析及最優(yōu)條件驗證
利用Box-Behnken分析各自變量之間的交互作用,并用軟件擬合出響應(yīng)面3D圖,能較為直觀地觀察各因素之間的交互作用。交互作用說明各因素之間對于結(jié)果的影響并非獨立,交互作用越強則一個因素的水平變化依賴于另一個因素的水平變化的程度越強[18]。由響應(yīng)面立體圖和等高線圖可以看出,各影響因素間均有一定程度上的交互作用,但強弱不一。由于交互響應(yīng)面圖較多,文中僅展示部分交互作用較強的響應(yīng)面作為代表。
圖2中a、b、c是以總酚提取量為指標的響應(yīng)面,單因素中乙醇濃度的變化曲面最為陡峭,其次是超聲時間和超聲功率,而超聲時間的坡度相對比較平緩,表明乙醇濃度對總酚得率有更顯著的影響,在交互影響中,AC、AD之間的交互作用明顯,坡面較為陡峭,對于總酚提取量有較大影響。
由圖2中d、e、f是以異黃酮提取量為指標的響應(yīng)面,BD間的坡面傾斜最大,交互作用最強,其次AC、CD的坡面逐漸平緩,交互作用也變?nèi)酢?/p>
圖2中g(shù)、h、i是以DPPH·清除能力為指標的響應(yīng)面,可知單因素中,液料比對DPPH·清除能力的影響最大,其次是超聲功率,而超聲時間、乙醇濃度的影響較小。AD、BC、BD之間的交互作用都比較強,對DPPH·清除能力有較大影響。
圖2 各因素交互作用的響應(yīng)面
通過對建立的潼川豆豉中抗氧化成分提取量響應(yīng)面優(yōu)化模型進行最大化分析,計算出最優(yōu)的提取工藝參數(shù)為乙醇濃度36.59%、液料比26.39∶1、超聲時間10.39 min、超聲功率508.95 W。根據(jù)此條件預(yù)測總酚68.81 mg/g、異黃酮5.07 mg/g、DPPH·清除能力13.59 mg/g??紤]實際操作,將該條件簡化為乙醇濃度37%、液料比26∶1、超聲時間10.5 min、超聲功率509 W。在此條件下,實際得到總酚(68.70±2.40) mg/g、異黃酮(5.11±0.06) mg/g、DPPH·清除能力(13.44±0.18) mg/g,與預(yù)測值接近,優(yōu)化條件參數(shù)真實可靠。
DPPH·清除能力、ABTS+·清除能力、氧自由基吸收能力和還原力均是常見的評價體外抗氧化活性的指標,其易于操作,效果明顯,重現(xiàn)性好[19],因此本文選用其評價潼川豆豉提取物的抗氧化性。由表4可知,潼川豆豉具有一定的DPPH·清除能力、ABTS+·清除能力、ORAC值和還原力,有著較為全面的抗氧化能力。對比潼川豆豉提取物與常見的抗氧化劑沒食子酸,結(jié)果顯示潼川豆豉提取物在DPPH·清除能力、ABTS+·清除能力、ORAC值和還原力上均顯著優(yōu)于沒食子酸(P<0.05)。這可能是由于提取液未經(jīng)分離純化,其中含有異黃酮、多酚、游離氨基酸等多種物質(zhì),提高了提取物的抗氧化活性,并且不同活性成分對抗氧化能力可能存在著協(xié)同增效作用。
表4 潼川豆豉提取物的抗氧化活性評價
為了進一步探明潼川豆豉抗氧化能力的物質(zhì)基礎(chǔ),對潼川豆豉提取液進行了LC-MS分析,經(jīng)過一級質(zhì)譜、二級質(zhì)譜,得到潼川豆豉提取液中含有氨基酸、有機酸、異黃酮、生物堿、多酚等多種小分子物質(zhì),共計50個化合物。總離子流圖見圖3,具體的化學(xué)成分見表5。
圖3 LC-MS分析總離子流圖
表5 潼川豆豉提取物的主要化學(xué)成分
在潼川豆豉提取液中,峰面積較大的主要是一些游離氨基酸及衍生物和短肽類,共有17種。這是由于大豆中蛋白質(zhì)含量豐富,經(jīng)過微生物發(fā)酵后,逐漸降解成了多種短肽和游離氨基酸。研究表明,天然蛋白酶解物中可能包含一些抗氧化活性低分子混合肽,構(gòu)成肽的氨基酸種類、數(shù)量及氨基酸排列順序決定著肽的抗氧化能力;多種氨基酸及其衍生物也具有抗氧化活性,如半胱氨酸、組氨酸、色氨酸、賴氨酸、精氨酸、亮氨酸、纈氨酸等[20]。在后續(xù)深入研究時,可以通過測定各類物質(zhì)的含量來確定具體的摩爾占比,推出不同氨基酸及其衍生物、短肽等對豆豉提取液的抗氧化能力的貢獻大小。
續(xù) 表
續(xù) 表
續(xù) 表
提取液中其他含量較高的小分子生物活性物質(zhì)主要是大豆異黃酮、生物堿、大豆皂苷和多酚,以大豆異黃酮為主,包含大豆黃素苷元、染料木素、染料木苷、黃豆黃素、大豆黃素苷5種大豆異黃酮。大豆異黃酮屬于雜環(huán)酚類,以其強大的抗氧化能力而著稱,其抗氧化活性主要取決于結(jié)構(gòu)中羥基的數(shù)量和位置[21]。在植物防御系統(tǒng)中,異黃酮作為具有抗氧化活性的抗應(yīng)激介質(zhì),有助于中和由應(yīng)激條件誘導(dǎo)的活性氧(ROS)[22]。游離的苷元比結(jié)合態(tài)的糖苷抗氧化能力更強,而在微生物發(fā)酵過程中,結(jié)合態(tài)的糖苷會被酶降解釋放出游離的苷元[23],有研究發(fā)現(xiàn),大豆產(chǎn)品在發(fā)酵過程中,其中的結(jié)合糖苷和游離苷元的占比在不斷改變,從而使得其抗氧化能力提升[24]。
其次,潼川豆豉提取液含量最高的是4種生物堿:甜菜堿、水蘇堿、毛果蕓香堿和葫蘆巴堿,其中峰面積最大的是甜菜堿,在分析出的所有物質(zhì)中相對含量也較高。生物堿通常有復(fù)雜含氮環(huán)狀結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出較強的生物活性[25],其中含量最高的甜菜堿已被多項研究證實具有很強的抗氧化作用,可被應(yīng)用在化肥、飼料中改善動植物的氧化應(yīng)激,此外,對大鼠多個器官的氧化應(yīng)激、癌變具有保護作用[26]。提取液中含有兩種大豆皂苷,其中含量較高的是大豆皂苷Ⅲ,大豆皂苷是一組廣泛分布在植物中的天然糖苷化合物,研究發(fā)現(xiàn)大豆皂苷的活性很強,可以很好地調(diào)節(jié)肝細胞損傷,改善腸道損傷,且有良好的抗氧化能力[27]。其次是一些生物酚,有對香豆酸、2,3-二羥基苯甲酸、對羥基苯甲醛、4-羥基苯甲醛,其中以4-羥基苯甲醛為主。豆豉多酚中的酚羥基可以與自由基結(jié)合,阻斷或削弱自由基的氧化反應(yīng),起到抗氧化的作用[28]。
潼川豆豉提取液中抗氧化活性物質(zhì)含量由高到低依次是氨基酸及其衍生物、短肽、大豆異黃酮、生物堿、大豆皂苷和生物酚。由此推測,氨基酸及其衍生物/短肽和大豆異黃酮可能是潼川豆豉中起到抗氧化效果最主要的物質(zhì)基礎(chǔ),生物堿、大豆皂苷、生物酚也起到了輔助抗氧化的作用。周芳等[29]認為豆豉在發(fā)酵后抗氧化活性提升的最主要原因是蛋白質(zhì)的降解,同時苷元型異黃酮也有顯著影響,和本文結(jié)果基本吻合。提取液中存在的不飽和磷脂等物質(zhì)也可能有助于提高提取液的抗氧化能力,并且多種抗氧化物質(zhì)之間可能會存在著協(xié)同增效的作用。在后續(xù)深入研究時,可以通過分離純化每種物質(zhì)并測定其抗氧化能力來更加精確地推測每種活性物質(zhì)對潼川豆豉抗氧化能力的貢獻。
利用超聲波輔助提取潼川豆豉中抗氧化成分,將總酚含量、異黃酮含量、DPPH·清除能力作為提取效果的指標,發(fā)現(xiàn)乙醇濃度、液料比、超聲時間、超聲溫度都對提取效果有一定的影響。其中,乙醇濃度對總酚得率的影響最大,液料比對異黃酮得率和DPPH·清除能力的影響最大。部分因素之間對提取效果存在著交互作用,其中乙醇濃度與超聲時間以及乙醇濃度與超聲功率對總酚模型的交互作用達到了顯著的水平(P<0.05)。通過響應(yīng)面法對提取工藝進行優(yōu)化和分析,建立的總酚得率、異黃酮得率和DPPH·清除能力3項指標的回歸方程模型與試驗擬合較好,對潼川豆豉中抗氧化成分的提取有較好的預(yù)測能力。
評估了潼川豆豉提取物的抗氧化活性,具有良好的DPPH·和ABTS+·的清除能力、氧自由基吸收能力和還原力,且均強于沒食子酸。通過LC-MS分析潼川豆豉提取液中的化學(xué)成分,共檢測出50種物質(zhì),發(fā)現(xiàn)其中含量最高的是各類游離氨基酸及短肽,共17種,還有大豆異黃酮、生物堿、大豆皂苷、多酚等,這些物質(zhì)均有一定的抗氧化活性,對潼川豆豉整體的抗氧化能力具有明顯的貢獻。
綜上,潼川豆豉提取物具有良好的抗氧化能力,通過超聲輔助響應(yīng)面優(yōu)化提取工藝,可得到總酚68.70 mg/g、異黃酮5.11 mg/g、DPPH·清除能力13.44 mg Trolox/g。潼川豆豉的抗氧化活性主要來源于其中的氨基酸/短肽、大豆異黃酮、大豆皂苷、生物堿等小分子生物活性物質(zhì)。本文研究結(jié)果為潼川豆豉中抗氧化物質(zhì)基礎(chǔ)的深入研究及開發(fā)利用提供了基礎(chǔ)與參考。