提高靈芝-當歸雙向固態發酵基質抗氧化活性的條件優化研究

魏 龍，贠建民，艾對元，張紊瑋，丁葉梅，陳 芳

（甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州730070）

中草藥是一類潛力巨大的天然抗氧化劑資源[1]，但由于中草藥發揮藥效的基礎成分含量低、不易合成、難以分離，且原料人工培育的成本高、周期長，無法保證市場的需求[2]。而利用微生物發酵的方法可以有效提高中草藥中某一成分的含量或產生一些原中藥材中不具有的活性成分，從而為中藥有效化合物的獲取提供了新的途徑[3]。上世紀80年代末，莊毅教授提出了藥用真菌雙向固體發酵的概念[4]。雙向固態發酵技術是指經過篩選的中藥材（藥性基質）和營養輔料（非藥性營養基質）組成全性基質，接種單株藥用真菌，通過人工控制溫度、濕度等條件，基質在提供真菌生長所需要營養的同時又能被真菌的酶改變其組織成分，使藥性基質原有化學成分經過生物轉化作用，產生具有新的味性功能的藥性菌質或全性菌質。它具有反應條件溫和、區域和立體選擇性強、操作簡單、成本較低、公害少等優點，同時能夠完成一些常規炮制方法難以實現的反應，從而獲得一些結構更合理或活性更好的藥物成分[5]。楊海龍、王林等利用黃芪、當歸、黨參、玄參粉末或其水提取物來培養靈芝，結果表明，在適宜添加量下，能有效提高靈芝多糖這類抗氧化活性物質的產生[6-7]。李赟等研究發現添加適量黨參提取液能顯著促進白靈菇胞內多糖、胞外多糖得率[8]。阮鳴等探索了黃芪雙向固體發酵過程中黃芪甲苷的轉化，結果發現黃芪甲苷經藥用真菌（靈芝）雙向固體發酵后發生了生物轉化，這一轉化具有增效作用[9]。喬英、劉建華等研究表明，靈芝（Ganoderma lucidum）具有良好的抗氧化活性[10-11]，臨床上廣泛應用于提高免疫力、抗腫瘤、抗癌、鎮痛、保肝、增強記憶、抗菌、消炎等疾病的預防與治療[12-15]。研究報道表明，當歸（Angelicae sinensis）具有抗腫瘤、抗輻射損傷、增強免疫功能、補血、改善血液循環等功效[16-17]，而有關當歸發酵產物抗氧化活性的研究報道較少。為此，本實驗擬以甘肅地產當歸作為主要藥性基質，采用靈芝作為菌種，探索二者進行雙向固體發酵的最適發酵培養基質組成和最佳發酵條件，及其對發酵產物的抗氧化活性的影響，旨在為相關中藥制劑的開發提供科學依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

靈芝（Ganoderma lucidum）菌種 甘肅農業大學食品科學與工程學院微生物實驗室保存；當歸（Angelicae sinensis） 市售，藥材級，產自甘肅岷縣；麥麩、玉米芯、玉米淀粉 市售。

VU756CRT紫外可見分光光度計 上海佑科儀器儀表有限公司；THZ-8臺式恒溫振蕩器 上海佑科儀器儀表有限公司；電熱恒溫培養箱 北京科偉永興儀器有限公司；TD5A-WS臺式低速離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司；JY92-ⅡDN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 培養基制備 PDA斜面培養基，用于靈芝菌種的活化；搖瓶種子液培養基，采用玉米淀粉液體培養基，組成為：玉米淀粉30g，蔗糖20g，酵母粉5g，MgSO41g，KH2PO41.5g，VB10.1g，水1000m L。非藥性基礎發酵培養基配方為：玉米芯32%，麥麩為66%，MgSO40.5%，（NH4）2SO40.5%，KH2PO41%，含水量65%。

1.2.2 菌種的活化 靈芝菌苔接種于PDA斜面培養基，28℃培養7d。待菌絲長滿斜面，備用。

1.2.3 液體菌種制備 取兩小塊（面積1cm2）活化的斜面菌絲體，接種到裝有100m L液體種子培養基的250m L三角瓶中，28℃、150r/m in培養6d，待用。

1.2.4 最適發酵培養基質的確定

1.2.4.1 當歸添加量的確定 當歸粉末添加量設置：在1.2.1所述非藥性基礎營養基質中，分別添加0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%當歸粉末，控制水量65%。裝入250m L三角瓶中，滅菌后以10m L/100g接種量接種靈芝種子液，在28℃培養7d，測定其抗氧化活性，確定當歸添加量。

1.2.4.2 非藥性營養基質中麥麩與玉米芯比例的確定 在上述已確定的當歸添加量基礎上，來篩選非藥性營養基質中麥麩與玉米芯的比例。麥麩∶玉米芯配比設置為：1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，其他條件為MgSO40.5%，（NH4）2SO40.5%，KH2PO41%，含水量65%。通過測定發酵產物的抗氧化活性，確定基質中麥麩與玉米芯最佳配比。

1.2.5 最佳發酵條件單因素實驗

1.2.5.1 接種量的確定 在1.2.4優化得到的發酵培養基中，分別接種6、8、10、12、14m L/100g靈芝種子液，28℃培養7d，測定發酵產物的抗氧化活性。

1.2.5.2 料層厚度的確定 在250m L三角瓶中分別裝入1.2.4優選發酵培養基質，使料層厚度分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0cm，以篩選的最佳接種量接種，28℃培養7d，測定發酵產物的抗氧化活性。

1.2.5.3 初始pH的確定 依據上述優選條件，分別設定發酵培養基初始pH為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0，28℃培養7d，測定發酵產物的抗氧化活性，以確定靈芝發酵當歸的最適初始pH。

1.2.5.4 發酵周期的確定 依據上述優選條件進行發酵實驗，28℃培養，分別在第7、9、11、13、15、17、19、21d測定發酵產物的抗氧化活性，以確定適宜發酵周期。

1.2.6 最佳發酵條件正交實驗 在單因素實驗的基礎上，采用正交實驗表L9（34）對發酵接種量、料層厚度、培養基初始pH和發酵時間進行4因素3水平的正交實驗（見表1），每個實驗處理進行3次重復。正交實驗所得發酵產物以其DPPH自由基清除率為指標，通過對結果的極差和方差分析，確定DPPH自由基清除率高的組合為最佳發酵條件。

表1 培養條件正交實驗設計Table1 Orthogonal designs of culture conditions

1.2.7 抗氧化活性的測定方法

1.2.7.1 發酵菌質的預處理 在65℃條件下將發酵菌質烘至恒重，粉碎后過40目篩，取粉末5g于三角瓶中加100m L水，室溫下超聲提取30m in后，70℃水浴中提取30min，4000r/m in離心10min，收集上清液，定容至100m L，備用[18]。

1.2.7.2 DPPH自由基清除率的測定 參照張匯等[19]抗氧化活性測定方法。

1.2.7.3 還原力的測定 參照曾榮耀等的方法[18]。

2 結果與分析

2.1 發酵培養基中當歸最適添加量對抗氧化活性的影響

高濃度的中藥添加量會抑制真菌的生長[6]。因此，有必要確定雙向發酵基質中當歸的最適添加量。六個不同供試當歸添加量對雙向固態發酵產物抗氧化活性及靈芝菌絲體生長情況的影響分別見圖1和表2。

從圖1可以看出，隨著當歸添加量的增加，發酵菌質的DPPH自由基清除能力與還原力均呈先上升后下降趨勢，當歸添加量為15%時達到最大，DPPH自由基清除率為44.6%，OD值達到0.275，此后下降；且各梯度間差異顯著。從表2可知，添加當歸15%時靈芝菌絲生長狀況最好，此后隨著當歸添加量的增加，靈芝菌絲體長勢呈下降趨勢，可能是由于當歸中的某種藥效成分對靈芝的生長抑制作用造成的。故綜合以上結果，選擇15%的當歸粉末作為發酵基質的最適添加量。

圖1 不同當歸添加量對發酵產物抗氧化活性的影響Fig.1 The effectof different A.sinensis adding amounton antioxidantactivity of fermented products

2.2 發酵培養基中麥麩-玉米芯配比對抗氧化活性的影響

圖2 不同麥麩玉米芯添加比例對發酵產物抗氧化活性的影響Fig.2 The effect of differentbran and corncob rate on antioxidantactivity of fermentation products

為確定非藥性營養基質中麥麩與玉米芯比例，本實驗設置了五個不同比例來考察其對發酵產物抗氧化活性及靈芝菌絲體生長情況的影響，結果分別見圖2和表3。

從圖2可以看出隨著發酵基質中玉米芯添加量增大，發酵菌質的DPPH自由基清除率與還原力均隨之升高，麥麩與玉米芯之比為1∶3時，到達最大值45.1%，還原力最大為0.276，此后略有下降，且各梯度間差異顯著。從表3可知，在供試條件下，基質中玉米芯的添加量越大，靈芝菌絲體生長狀況越好，綜合以上結果，選擇1∶3作為麥麩與玉米芯的最適配合比例。

2.3 提高靈芝-當歸雙向發酵基質抗氧化活性的最佳發酵條件篩選

2.3.1 單因素實驗

2.3.1.1 最佳接種量篩選 從圖3可以看出，同對照相比，隨著接種量的增大，發酵菌質的DPPH自由基清除率與還原力均隨之升高，當接種量為12m L/100g時，到達最大，分別為45.6%、0.284，此后二者無明顯變化；且差異顯著。從表4可知，隨著接種量的增加，靈芝生長狀況越好，當10%時達到最好，之后基本保持不變。但是，結合發酵菌質的抗氧化活性，綜合以上結果選擇12%作為發酵的最佳接種量。

圖3 不同接種量對發酵產物抗氧化活性的影響Fig.3 The effectof different inoculum volume on antioxidant activity of fermentation products

表2 不同當歸添加量對靈芝生長狀況的影響Table2 The effectof different A.sinensis adding amount onmycelium growth status of G.lucidum

表4 不同接種量對靈芝生長情況的影響Table4 The effectof different inoculum volume onmycelium growth status of G.lucidum

2.3.1.2 料層厚度篩選 從圖4可以看出，隨著料層厚度增大，發酵菌質的DPPH自由基清除率呈先上升后下降趨勢，當料層厚度為2.5cm時，到達最大為45.4%；在此條件下，還原力也達到最大，為0.280，且與其他處理間的差異顯著。從表5可知，當料層厚度為2.5cm時靈芝生長狀況為最好，之后隨著料層厚度的增加靈芝生長狀況越差，可能是由于培養基中溶氧量減少的原因造成的。結合發酵菌質的抗氧化活性，綜合以上結果選擇2.5cm為最佳料層添加厚度。

圖4 不同料層厚度對發酵產物抗氧化活性的影響Fig.4 The effectof differentmaterial thickness on antioxidantactivity of fermentation products

圖5 不同初始pH對發酵產物抗氧化活性的影響Fig.5 The effect of different initial pH on antioxidantactivity of fermentation products

2.3.1.3 最適初始pH篩選 從圖5可以看出，隨著初始pH的量增大，發酵菌質的DPPH自由基清除率和還原力均隨之升高，當初始pH為6時，二者均到達最大，其中DPPH自由基清除率為45.1%，還原力最大為0.280；此后呈下降趨勢；且差異顯著。從表6可知，初始pH為6.0時靈芝生長狀況達到最好，在文獻報道的靈芝最適生長pH范圍內。綜合以上結果選擇6.0作為發酵的最佳pH。

2.3.1.4 最佳發酵時間篩選 在確定了發酵接種量、料層厚度、初始pH的條件下，選取不同時間收獲的發酵產物進行抗氧化比較，從而確定最佳發酵終點。從圖6可知，隨著發酵天數的增加，發酵菌質的抗氧化活性隨之升高，其中，在第15d時到達最大，其中，DPPH自由基清除率為：47.16%、還原力為：0.293，此后基本保持不變。故選擇15d為一個發酵周期。

圖6 不同發酵時間對獲得的發酵產物抗氧化活性的影響Fig.6 The effect of different fermentation time on antioxidantactivity of fermentation products

2.3.2 正交實驗結果分析 基于單因素所得的最佳條件，采用正交表L9（34）安排正交實驗，實驗結果如表7。

由表7極差分析結果可知：在實驗取值范圍內，影響因素中對DPPH自由基清除率影響最大的是接種量，其次是料層厚度，再次是初始pH，而影響最小的是發酵時間。從極差分析表中得出最優組合為：A2B2C1D2，即接種量12%、料層厚度2.5cm、初始pH 5.5、發酵時間15d。

為檢驗各因素對發酵菌質清除DPPH自由基能力的影響程度，采用SPSS Statistics 21軟件進行方差分析，結果見表8。

通過表8方差分析可知，接種量和料層厚度對DPPH自由基清除率有顯著影響；而初始pH與發酵時間對發酵菌質清除DPPH自由基能力的影響不顯著。

表5 不同料層厚度對靈芝生長情況的影響Table5 The effectof differentmaterial thickness onmycelium growth status of G.lucidum

表6 不同初始pH對靈芝生長情況的影響Table6 The effectof different initial pH onmycelium growth status of G.lucidum

由于在表7正交實驗中得出的最佳發酵條件為：A2B2C3D1；而在極差分析結果中得出的最優組合為：A2B2C1D2；二者不一致，故需通過驗證實驗進行比較，即在接種量12%、料層厚度2.5cm、初始pH5.5、發酵時間15d的條件下發酵實驗，測定DPPH自由基清除率，重復6次，結果如表9。

表7 正交實驗結果及其極差分析Table7 Results of orthogonal experimentand range analysis

表8 正交實驗結果的方差分析Table8 Variance analysis on the results of orthogonal experiment

表9 最優組合下發酵產物的抗氧化活性Table9 Antioxidantactivity of fermentationmedium in the optimal combination

由實驗結果表9得出，在最優組合即接種量12%、料層厚度2.5cm、初始pH 5.5、發酵時間15d的條件下，DPPH自由基清除率平均值為49.03%，還原力（OD）平均值為0.298，高于在正交表組合5中得出的最高抗氧化活性。其還原力比不發酵基質提高了6.26倍。故得出最佳發酵條件為：接種量12%、料層厚度2.5cm、初始pH 5.5、發酵時間15d。

3 討論

有關靈芝抗氧化活性的研究與應用由來已久[10-11]。靈芝作為中藥材發酵菌種已成為當前研究的熱點，以往研究報道表明，靈芝發酵是提高中藥抗氧化活性的良好途徑，發酵產物的抗氧化水平主要取決于菌株的遺傳特性和培養條件[20]。

實驗結果證明，采用添加當歸粉末與非藥性營養基質復配進行靈芝固態發酵，比不添加當歸進行發酵的抗氧化活性明顯增強，這與劉媛、丁重陽等添加不同中藥在促進靈芝液體深層發酵方面的研究結果一致[21]。培養基質中的非藥性營養基質為靈芝菌絲體的生長提供了充足的碳源、氮源等營養來源，而添加的中藥材當歸是提高真菌抗氧化活性的重要原因，可能是因為中藥當歸中的某些成分增強了靈芝菌體抗氧化相關物質的合成代謝途徑；另一方面真菌生理活動使藥性基質中的有效成分發生了轉變，產生新的抗氧化成分，體現了靈芝-當歸雙向發酵的協同作用結果。而有關發酵產物抗氧化活性提高的機理，尚有待于從生理、生化及代謝產物等方面進一步研究探明，這將為中藥發酵工業化生產提供一定的科學依據。

此外，本實驗結果還表明，發酵基質中當歸添加量在30%以上時，會嚴重影響靈芝菌絲體的生長，進而降低其抗氧化活性，不利于中藥的發酵。這進一步證明了發酵基質中中藥添加量不易過高這一結論[4，6]，但這不利于該技術的產業化推廣應用。因此，如何在中藥固態發酵基質中降低非藥性輔料的添加量，并減輕發酵過程中藥性成分對菌絲體抑制作用等問題，還有待于從藥物化學方面深入研究。

4 結論

4.1 靈芝-當歸雙向發酵的適宜培養基質組成為：當歸粉末15%、麩皮與玉米芯混合料為83%（麩皮∶玉米芯為1∶3）、MgSO40.5%、（NH4）2SO40.5%、KH2PO41%。

4.2 最佳固態發酵條件為：靈芝種子液接種量12m L/100g、料層厚度2.5cm、初始pH 5.5、發酵時間15d。在該條件下，發酵產物的抗氧化活性最高，DPPH自由基清除率為49.03%、還原力比發酵前提高了6.26倍。

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