王懿文,謝純良,朱作華,周映君,龔文兵,饒力群,彭國平,李雙祁,顏少慰,彭源德*,汪啟明*
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命與科學(xué)技術(shù)學(xué)院道地藥用植物規(guī)范化栽培與綜合利用湖南省工程實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410128;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所,湖南 長沙 410128;3.湖南菲勒生物科技有限公司,湖南 長沙 410128;4.水羊集團(tuán)股份有限公司,湖南 長沙 410128)
金銀花(Lonicera japonica),學(xué)名忍冬,為忍冬科忍冬屬多年生半常綠纏繞灌木,其初開花蕾或花苞為藥用部位,是我國的傳統(tǒng)藥食同源中藥材。在食品開發(fā)上,有較廣闊的應(yīng)用前景,同時(shí)市場(chǎng)需求量大,具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外,早在公元589 年南北朝《名醫(yī)別錄》中就記載,金銀花具有抗氧化、抗病毒、抑菌、消炎鎮(zhèn)痛、降血糖等功效[1-4]。而這些作用主要是由于金銀花中富含多種活性物質(zhì),如多酚類、黃酮類、皂苷類、有機(jī)酸類、萜類、環(huán)烯醚萜類、揮發(fā)油等[5-6]。但是金銀花中的這些物質(zhì)多以結(jié)合態(tài)形式結(jié)合在細(xì)胞壁、木質(zhì)素等結(jié)構(gòu)上,導(dǎo)致現(xiàn)行主流的活性物質(zhì)提取方法,如浸提法、醇提法、酶輔助提取法等,無法有效地提取出這些活性物質(zhì),降低了金銀花的生物利用度和可及性。
微生物對(duì)其發(fā)酵基質(zhì)有較強(qiáng)的生物轉(zhuǎn)化能力,利用微生物發(fā)酵處理中藥材相較于傳統(tǒng)的中藥熬制手法具有條件溫和、轉(zhuǎn)化率高、后處理簡單等優(yōu)點(diǎn)[7-9],此外,還能降低毒性[10],或是通過產(chǎn)生新的代謝物達(dá)到增加療效的效果[11-12]。目前,關(guān)于金銀花發(fā)酵多集中于液體發(fā)酵,對(duì)于固體發(fā)酵研究較少。兩者相比較,固態(tài)發(fā)酵在生產(chǎn)工藝上更為簡單,省去了部分預(yù)處理、回收純化等步驟,整個(gè)生產(chǎn)過程中沒有廢水、廢氣產(chǎn)生,屬于低投資、耗能低且高產(chǎn)的一種發(fā)酵方式[13]。此外,在固體發(fā)酵中,菌絲和物料纏結(jié),在發(fā)酵體系中易于產(chǎn)生發(fā)酵溫度和產(chǎn)物濃度梯度,從而使得霉菌在逆環(huán)境下產(chǎn)出更多胞外酶和更多次級(jí)代謝產(chǎn)物[14]。
黑曲霉(Aspergillus niger)屬絲孢目叢梗孢科曲霉屬,是叢梗孢科中的一個(gè)常見種。作為美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,F(xiàn)DA)準(zhǔn)許使用的工業(yè)酶類生產(chǎn)菌之一,具有發(fā)酵周期短、產(chǎn)酶量大、不產(chǎn)毒素等優(yōu)點(diǎn)[15]。因所產(chǎn)酶系豐富,使其成為工業(yè)微生物中常見的菌種之一,這一特性也使得黑曲霉能夠有效地分解金銀花中的纖維素、果膠、木質(zhì)素等物質(zhì),相較于液體發(fā)酵能夠促進(jìn)物質(zhì)的釋放,提高發(fā)酵效率,從而降低能耗提高產(chǎn)量[16]。已有研究表明黑曲霉產(chǎn)酶機(jī)制為誘導(dǎo)表達(dá)機(jī)制,即黑曲霉通過識(shí)別不同的基質(zhì),進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá)形成不同的酶系[17]。利用不同的基質(zhì)對(duì)黑曲霉進(jìn)行培養(yǎng),產(chǎn)出更優(yōu)、更高比例的酶系成為目前黑曲霉的研究熱點(diǎn)。因此,本文通過黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花,以期為金銀花深加工產(chǎn)品提供一定理論參考。
金銀花干花:湖南龍回一都富硒茶業(yè)股份有限公司;黑曲霉曲精:濟(jì)寧玉園生物科技有限公司;蘆丁、焦性沒食子酸、水楊酸、2,2'-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(均為分析純):北京索萊寶科技有限公司;Na2CO2、NaNO2、Al(NO2)3、NaOH、H2O2(均為分析純):湖南匯虹試劑有限公司;福林酚(分析純):上海麥克林生化科技股份有限公司;甲醇、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、硫酸亞鐵、過二硫酸鉀、鐵氰化鉀(均為分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
超聲波清洗機(jī)(JP-060S):深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司;酶標(biāo)儀(I510):賽默飛世爾科技(中國)有限公司;高速離心機(jī)(3K15):美國Sigma 公司;電子天平(LQ-C3002):上?,幮码娮涌萍加邢薰?。
1.3.1 黑曲霉孢子菌懸液制備
將黑曲霉孢子菌粉接種于馬鈴薯葡萄糖瓊脂(potato dextrose agar,PDA) 培養(yǎng)基上,30 ℃恒溫培養(yǎng)7~9 d,刮取長勢(shì)良好的菌孢子加入到100 mL 無菌水中,120 r/min 振蕩30 min,備用。
1.3.2 金銀花固體發(fā)酵及樣品制備
金銀花粉碎成0.1~0.3 cm 小段,121 ℃滅菌30 min。稱取3 g 滅菌的金銀花粉末,加入5 mL 無菌水(含水量約50%),再接入2 mL 黑曲霉孢子菌懸液,混勻后置于培養(yǎng)箱30 ℃培養(yǎng),分別于3、6、9 d 取樣,空白組加入等量無菌水,同樣條件存放、取樣。將取得的樣品噴灑70%酒精殺菌,冷凍干燥,研磨粉碎。提取方法參照曹曉琴等[18]的方法并略加修改,稱取1 g 冷凍干燥粉末,加入10 mL 70%乙醇,于50 ℃、300 W 條件下超聲30 min,重復(fù)2 次,合并濾液,于4 ℃保藏。
1.3.3 總多酚含量測(cè)定
多酚含量測(cè)定參考福林酚比色法[19]并加以修改。以蘆丁為標(biāo)品,標(biāo)品濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),得出標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程:Y=1.295 4X-0.002 7(R2=0.999)。向10 mL EP 管中加入50 μL 待測(cè)樣品,純水定容至1 mL,依次加入1.5 mL 福林酚,混勻后反應(yīng)3~8 min,加入1 mL 20% Na2CO3,用純水定容至10 mL,混勻后反應(yīng)1 h,于波長760 nm 處測(cè)定吸光度,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中的多酚含量。
1.3.4 總黃酮含量測(cè)定
黃酮含量測(cè)定參考AlCl3比色法進(jìn)行[20],并加以修改。以沒食子酸為標(biāo)品,標(biāo)品濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),得出標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程:Y=0.004 6X+0.102 4(R2=0.995)。向50 mL EP 管中加入1 mL 待測(cè)樣品,純水定容至5mL,依次加入1mL5%NaNO2,混勻,6min 后加入1mL10%Al(NO3)3,混勻,6min 后加入10mL4%NaOH,純水定容至25 mL,混勻,反應(yīng)15 min,于波長510 nm 處測(cè)定吸光度,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中的黃酮含量。
1.3.5 總皂苷含量測(cè)定
試驗(yàn)方法參考徐芳菲等[21]的方法,并加以修改。以齊墩果酸為標(biāo)品,標(biāo)品濃度為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo),得出標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程:Y=0.006X+0.096 4(R2=0.998)。吸取100 μL 樣品,40 ℃烘箱內(nèi)揮干溶劑,加入0.2 mL 5%香草醛-冰醋酸和0.6 mL 高氯酸密封后,65 ℃恒溫水浴20 min,立即冰水浴降至室溫,加入5 mL 冰醋酸,搖勻,于550 nm 波長處測(cè)定吸光度,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算總皂苷含量。
1.3.6 抗氧化活性測(cè)定
1.3.6.1 DPPH 自由基清除率的測(cè)定
參考文獻(xiàn)[22]的方法,在2 mL EP 管中加入1 mL 0.2 mmol/L DPPH 和1 mL 待測(cè)樣液,用等量無水乙醇替換DPPH 作對(duì)照組;用等量無水乙醇替換待測(cè)樣液作空白組,混勻,避光反應(yīng)30 min。吸取200 μL 反應(yīng)液于波長517 nm 處測(cè)定吸光度。根據(jù)式(1)計(jì)算DPPH自由基清除率(R1,%)。
式中:A、B、C 分別為試驗(yàn)組、對(duì)照組、空白組的吸光度。
1.3.6.2 羥自由基清除率的測(cè)定
參考文獻(xiàn)[23]的方法,加入6 mmol/L FeSO4、待測(cè)樣液、6 mmol/L H2O2各2 mL 于10 mL EP 管中,用等量的純水替換待測(cè)樣液作對(duì)照組,混勻靜置10 min;加入2 mL 6 mmol/L 水楊酸溶液,混勻反應(yīng)30 min。吸取200 μL 反應(yīng)液于波長510 nm 處測(cè)定吸光度。根據(jù)式(2)計(jì)算羥自由基清除率(R2,%)。
式中:A、B 分別為試驗(yàn)組、對(duì)照組的吸光度。
1.3.6.3 ABTS 陽離子自由基清除率的測(cè)定
參考文獻(xiàn)[24] 的方法,取7.4 mmol/L ABTS 和2.6 mmol/L K2S2O8各25 mL 混合,室溫下避光靜置12 h。用95%乙醇將混合液稀釋至其在735 nm 處的吸光度為0.68~0.72。吸取0.2 mL 樣液于2 mL EP 管中,用95%乙醇替換待測(cè)樣液作空白組,用稀釋后試劑定容至1 mL,靜置反應(yīng)6 min。吸取200 μL 反應(yīng)液于波長734 nm 處測(cè)定吸光度。根據(jù)式(3)計(jì)算ABTS 陽離子自由基清除率(R3,%)。
式中:A、B 分別為試驗(yàn)組、對(duì)照組的吸光度。
1.3.6.4 總還原力的測(cè)定
參考文獻(xiàn)[25]的方法,取1 mL 待測(cè)樣液于10 mL EP 管中,等比例加入0.2 mol/L 磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffered saline,PBS)和2.5 mL 1% K3Fe(CN)6溶液共5 mL,水浴鍋50 ℃恒溫反應(yīng)20 min,加入2.5 mL 10% C2HCl3O2溶液。分別吸取上清液和純水等比例混勻至5 mL,加入0.5 mL 0.1% FeCl3溶液,反應(yīng)10 min后于波長700 nm 處測(cè)定吸光度,樣品總還原力與OD值呈正相關(guān)性。
1.3.7 透明質(zhì)酸酶抑制活性測(cè)定
試驗(yàn)方法參考Bralley 等[26]的方法,并加以修改。在10 mL EP 管中等比例滴加待測(cè)樣品和透明質(zhì)酸酶液共1 mL,水浴鍋37 ℃孵育20 min;加入0.1 mL CaCl2溶液,繼續(xù)孵育20 min;加入0.5 mL 透明質(zhì)酸鈉液,37 ℃反應(yīng)40 min;立即轉(zhuǎn)置常溫冷卻5 min,等比例加入NaOH 溶液和乙酰丙酮溶液共1 mL,沸水浴反應(yīng)15 min 后,立刻冰浴5 min,轉(zhuǎn)置常溫10 min;加入0.5 mL純水和1 mL 埃爾利希試劑,混勻反應(yīng)30 min,于波長530 nm 處測(cè)定其吸光度,根據(jù)式(4)計(jì)算透明質(zhì)酸酶抑制率(R4,%)。
式中:A 為對(duì)照空白組(水代替樣品溶液,醋酸代替酶液、透明質(zhì)酸鈉溶液)吸光度;B 為對(duì)照組(水代替樣品)吸光度;C 為試驗(yàn)空白組吸光度(醋酸溶液代替酶液、透明質(zhì)酸酶);D 為試驗(yàn)組吸光度。
1.3.8 發(fā)酵過程中酶活測(cè)定
1.3.8.1 粗酶液提取
取固體發(fā)酵的金銀花,按料液比1∶20(g/mL)加入0.1 mol/L(pH4.5)檸檬酸緩沖溶液,于搖床30 ℃、160 r/min 振蕩6 h,8 000 r/min 離心5 min,收集上清液,即得酶提取液。酶活測(cè)定方法參考田杰[27]、Xue 等[28]的方法,并加以修改。
1.3.8.2 纖維素酶酶活測(cè)定
吸取250 μL 樣品,50 ℃水浴預(yù)熱5 min,隨后試驗(yàn)組加入50 ℃預(yù)熱的1%羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose sodium,CMC)溶液250 μL,空白組不加入酶液,50 ℃反應(yīng)15 min,隨后加入1.5 mL 3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)溶液,空白組補(bǔ)足250 μL 底物,沸水浴5 min,于540 nm 處測(cè)定吸光度,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中的纖維素酶酶活。
1.3.8.3 木聚糖酶酶活測(cè)定
吸取250 μL 樣品,50 ℃水浴預(yù)熱5 min,隨后試驗(yàn)組加入50 ℃預(yù)熱的1%木聚糖250 μL,空白組不加入酶液,50 ℃反應(yīng)15 min,隨后加入1.5 mL DNS 溶液,空白組補(bǔ)足250 μL 底物,沸水浴5 min,于540 nm 處測(cè)定吸光度,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中的木聚糖酶酶活。
1.3.8.4 β-葡萄糖苷酶酶活測(cè)定
吸取30 ℃預(yù)熱的樣品1 mL,加入30 ℃預(yù)熱的4-硝基苯基-β-D-吡喃葡萄糖苷(4-nitrophenyl β-Dglucopyranoside,PNPG)1.5 mL,空白組不添加,于30 ℃反應(yīng)30 min,加入2.5 mL 0.5 mol/mL Na2CO3,空白組再補(bǔ)齊1.5 mL PNPG,于420 nm 處測(cè)定吸光度,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中求得樣品中的β-葡萄糖苷酶酶活。
數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。統(tǒng)計(jì)學(xué)比較采用雙向方差分析(ANOVA)和Tukey 檢驗(yàn),利用Pearson 系數(shù)進(jìn)行進(jìn)行相關(guān)分析,P<0.05 和P<0.01 表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有圖表繪制及數(shù)據(jù)分析采用Graphpad Prism 9.4 版軟件進(jìn)行。
《中國藥典》(2020 版)以綠原酸(酚酸類)和木犀草素(黃酮類)含量判斷金銀花品質(zhì),此外金銀花中的藥效物質(zhì)以多酚、皂苷、揮發(fā)油等為主[5]。黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花活性物質(zhì)含量結(jié)果見圖1。
由圖1 可知,金銀花經(jīng)過黑曲霉固體發(fā)酵后,總多酚、總黃酮和總皂苷含量都有明顯提高。持續(xù)發(fā)酵6 d,其中總多酚和總黃酮分別由76.60 mg/g 和20.76 mg/g升高至97.56 mg/g 和24.12 mg/g,繼續(xù)發(fā)酵至9 d 略微下降至95.09 mg/g 和23.65 mg/g;總皂苷含量由3.50 mg/g 持續(xù)升高至4.39 mg/g。楊丹等[29]利用黑曲霉發(fā)酵陳皮,發(fā)現(xiàn)其黃酮物質(zhì)含量和抗氧化能力均有顯著提高。閻欲曉等[30]利用黑曲霉對(duì)甘蔗葉進(jìn)行發(fā)酵,黃酮和多酚含量分別提高135%和92%,且提升率與纖維素酶和β-葡萄糖苷酶酶活成正比,同時(shí)DPPH·、·OH清除率得到顯著提高。當(dāng)發(fā)酵至6 d 時(shí),多酚含量變化趨于穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)下降,原因可能為基質(zhì)中有效碳源被耗盡,黑曲霉代謝速率減緩,甚至開始利用多酚類活性物質(zhì)作為碳源,致使多酚類物質(zhì)含量開始下降,結(jié)合大面積生產(chǎn)時(shí)的能耗問題,可選定6 d 為最佳發(fā)酵時(shí)間。
DPPH 為一種穩(wěn)定的氮中心自由基,由于其能夠接受一個(gè)電子或氫離子從而從紫色褪色為黃色或者無色,因此常被用于對(duì)供氫能力的檢測(cè)[22];ABTS+·清除率可以評(píng)估樣品的抗氧能力和自由基產(chǎn)生能[31]?!H可能是干旱脅迫下大部分氧化損傷的主要原因[23]。黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花抗氧化能力變化見圖2。
圖2 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花抗氧化能力Fig.2 Antioxidant capacity of L.japonica during solid-state fermentation by A.niger
由圖2 可知,金銀花經(jīng)過發(fā)酵后,抗氧化能力得到明顯提高。發(fā)酵0~6 d,ABTS+·清除率、·OH 清除率分別由32.09%和23.43%提升至55.06%、30.10%,且發(fā)酵至6 d 后,保持穩(wěn)定不變。發(fā)酵0~9 d,DPPH·清除率由61.25%穩(wěn)定提升至84.57%,總還原力由0.730 9 提升至0.818 9。馮軍偉等[32]利用黑曲霉對(duì)脫脂麥胚進(jìn)行發(fā)酵,其DPPH·、·OH 清除率在發(fā)酵至82 h 提升至最高值,分別為75.68%、80.40%。袁明貴等[33]利用黑曲霉對(duì)涼茶渣進(jìn)行發(fā)酵,發(fā)酵后DPPH·、·OH 清除率分別提高至87.36%、95.63%。結(jié)果表明抗氧化功效的變化與多酚等活性物質(zhì)變化呈正相關(guān),這與多酚功效的相關(guān)報(bào)道相符合[34]。
透明質(zhì)酸酶是I 型過敏反應(yīng)的重要介導(dǎo)酶,研究表明透明質(zhì)酸酶活性會(huì)受到各種肥大細(xì)胞釋放組胺的藥物修飾,一些抗敏藥物對(duì)透明質(zhì)酸酶有較強(qiáng)的抑制活性,因此透明質(zhì)酸酶活性抑制率可作為研究抗過敏作用的指標(biāo)。黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花抗過敏能力結(jié)果見圖3。
圖3 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花抗過敏能力Fig.3 Antiallergic ability of L.japonica during solid-state fermentation by A.niger
由圖3 可知,金銀花經(jīng)過黑曲霉固體發(fā)酵后,其抗過敏能力有明顯提高。發(fā)酵0~3 d,透明質(zhì)酸酶抑制率由13.51%迅速升高至54.05%;在3~6 d,透明質(zhì)酸酶抑制率提升較為緩慢,提升至64.86%;發(fā)酵至9 d 透明質(zhì)酸酶抑制率迅速增至98.64%。
黑曲霉的產(chǎn)酶機(jī)制為底物誘導(dǎo)性機(jī)制,即通過識(shí)別發(fā)酵基質(zhì)產(chǎn)出不同酶活的酶系。黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花產(chǎn)酶酶活測(cè)定結(jié)果見圖4。
圖4 黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花產(chǎn)酶酶活Fig.4 Enzyme activity of L.japonica during solid-state fermentation by A.niger
由圖4 可知,黑曲霉以金銀花為基質(zhì),發(fā)酵過程中持續(xù)產(chǎn)纖維素酶、β-葡萄糖苷酶至酶活達(dá)11.70、15.78IU/g;木聚糖酶發(fā)酵至6 d 時(shí)酶活達(dá)到最高,為32.39 IU/g,隨著發(fā)酵繼續(xù),酶活降至16.29 IU/g。
總多酚、總黃酮、總皂苷含量與抗氧化能力、酶活相關(guān)性分析結(jié)果如表1 所示。
表1 多酚、黃酮、皂苷含量和抗氧化能力、酶活相關(guān)性系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of contents of polyphenols,flavonoids,and saponins with antioxidant activities and enzyme activities
由表1 可知,總多酚和總皂苷的含量與纖維素酶酶活呈極顯著正相關(guān)。植物中多酚類物質(zhì)大部分呈現(xiàn)結(jié)合態(tài),與植物細(xì)胞中的細(xì)胞壁等結(jié)構(gòu)所結(jié)合,該結(jié)果表明黑曲霉所產(chǎn)纖維素酶可能是促進(jìn)總多酚、皂苷增加的主要原因,其能夠酶解金銀花細(xì)胞中細(xì)胞壁的纖維素,從而將結(jié)合態(tài)多酚、皂苷類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為游離態(tài),促進(jìn)多酚和皂苷類物質(zhì)釋放的效果。此外,總多酚和總皂苷含量與抗氧化能力也呈顯著相關(guān),同時(shí),總黃酮與·OH 清除率呈顯著正相關(guān)。這表明發(fā)酵后金銀花的增效主要?dú)w因于多酚、皂苷物質(zhì)的釋放。
本研究通過黑曲霉固態(tài)發(fā)酵金銀花,發(fā)酵后其DPPH·、ABTS+·、·OH 清除率、總還原力及透明質(zhì)酸酶抑制率得到提高。同時(shí),發(fā)酵后的金銀花總多酚、總黃酮、總皂苷含量相較于未發(fā)酵組也得到提高。相關(guān)性分析結(jié)果表明,總多酚、總皂苷含量與抗氧化能力呈顯著相關(guān)(P<0.05),推測(cè)金銀花中的多酚和皂苷類物質(zhì)是其抗氧化能力的主要來源。此外,在黑曲霉固體發(fā)酵過程中,檢測(cè)到纖維素酶、木聚糖酶、β-葡萄糖苷酶。同時(shí),相關(guān)性分析結(jié)果表明,總多酚和總皂苷含量與纖維素酶酶活呈極顯著相關(guān)(P<0.01),表明多酚和皂苷釋放主要?dú)w功于纖維素酶的產(chǎn)生。綜上所述,推測(cè)黑曲霉固態(tài)發(fā)酵通過產(chǎn)出纖維素酶,酶解金銀花細(xì)胞壁等結(jié)構(gòu),促進(jìn)結(jié)合在其上的結(jié)合態(tài)多酚、皂苷釋放,進(jìn)而提高其抗氧化、抗過敏能力。本研究為金銀花固態(tài)發(fā)酵及精深加工提供了一定的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。