響應面法優化黃芪發酵工藝研究

劉超，于永軍，趙興華，李希珍，陳俊榮

（滄州醫學高等專科學校，河北滄州061001）

響應面法優化黃芪發酵工藝研究

劉超，于永軍，趙興華，李希珍，陳俊榮*

（滄州醫學高等專科學校，河北滄州061001）

通過響應面法優化得到酵母菌發酵黃芪的最佳工藝。在單因素試驗基礎上，以發酵時間、發酵溫度、接種量和初始pH值為響應因素，以總黃酮含量為響應值，利用Box-Behnken中心組合方法進行四因素三水平試驗設計，進行響應面分析。影響黃芪總黃酮含量的因素主次順序為發酵溫度＞發酵時間＞接種量＞初始pH值，最佳發酵工藝條件為發酵時間9.46 d，發酵溫度29.07℃，接種量10.45%，初始pH 6.52，總黃酮預計含量為0.890 mg/mL，在此基礎上調整發酵參數進行試驗，實際總黃酮含量為0.866 mg/mL，與預計含量相差2.70%。響應面法優化黃芪發酵工藝合理，可用于實踐。

響應面法；工藝優化；黃芪發酵；酵母菌

Abstract：To determine the optimal process of Radix Astragali fermented by yeast.On the basis of single factor experiments，a four-factor three-level Box-Behnken central composite design was utilized for mathematical modeling for total flavonoids content as a response to fermentation time，temperature，inoculum concentration and initial pH，followed by responses surface analysis of the relationship between the function and the four variables.The effect order of the four factors on the preparation technology was fermentation temperature＞time＞inoculum concentration＞initial pH.The optimal fermenting conditions were fermentation time 9.46 d，fermen tationtemperature29.07℃，inoculum concentration 10.45%，initial pH 6.52.Undersuchcondition，theestimatted content of total flavonoids contents was 0.890 mg/mL，experiments were conducted after adjusting the fermentation conditions.The actual content was 0.866 mg/mL，lower than estimated content 2.70%.Optimization of fermentation process by response surface methodology was reasonable，this method can be used in practice.

Key words：response surface methodology；optimization process；astragalus fermentation；yeast

黃芪是我國傳統的補氣中藥，迄今已有二千多年的歷史，具有免疫調節、抗病毒、抗炎、抗衰老、抗腫瘤、抗氧化、保肝、防治糖尿病及降低腦缺血損傷等多種藥理作用[1]。其中黃酮是一種重要的藥效成分，具有增強機體免疫力、抗病毒作用、抗應激功效、促生長、改善心肺功能等多種用途[2-4]。在微生物發酵中藥研究中，黃芪是研究比較多的一個中藥品種，相關研究文獻較多，從黃芪發酵菌種、工藝優化、發酵方式、藥效評價、成分變化等方面都有所闡述[5-7]，但總體來說仍處于研究的初級階段。

酵母菌是單細胞真菌，是被人類廣泛應用的微生物，也是發酵黃芪的重要菌種。山西中醫學院的郭羽、劉必旺等利用酵母菌發酵黃芪，對發酵后的多糖和黃酮進行測定，發現酵母菌發酵黃芪藥材對多糖含量有一定影響，且其產率與傳統水煎方法相比有一定程度的提高；他們發現黃芪發酵液可提高糖尿病大鼠的免疫力，對體內、體外受試菌均有一定抑制作用，并能誘導腫瘤細胞凋亡[8-10]。

本文以黃芪總黃酮的含量為因變量，在單因素試驗基礎上，采用統計軟件Design-Expert中響應面法的Box-Behnken模式，對酵母菌發酵黃芪工藝進行了研究[11-13]，為該藥材的資源開發與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃芪：安國藥材市場，經鑒定為蒙古黃芪；酵母菌：滄州醫學高等專科學校藥物研究所保藏；YPD瓊脂培養基：北京奧博星生物技術有限公司；蘆丁標準品：中國藥品生物制品檢定所；碳酸鈣、乙醇、蒽酮等所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

ZWY-240恒溫培養振蕩器：上海智誠科技有限公司；超凈工作臺：海爾股份有限公司；MJ-78A全自動滅菌鍋：施都凱儀器設備有限公司；BS 223S分析天平：賽多利斯科學儀器有限公司；HWS恒溫恒濕培養箱：北京科偉永興儀器有限公司；KN-130萬能粉碎機：長沙康寧電子科技有限公司；H1650-W高速離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；756S/759S紫外可見分光光度計：上海棱光技術有限公司；RE-52AA旋轉蒸發儀：上海振捷實驗室設備有限公司；SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司。

1.3 方法

1.3.1 菌種活化

配制YPD瓊脂斜面培養基→將保藏的酵母菌接種于斜面培養基→37℃恒溫培養2 d～3 d，觀察菌種管長菌情況，發現染菌情況馬上處理→同樣方法活化3次，得到活化菌種。

1.3.2 種子液的制備

將活化菌種接種到YPD液體培養基，恒溫振蕩培養箱，搖床溫度30℃，轉速180 r/min，培養24 h，作為種子液備用。

1.3.3 發酵液制備

黃豆芽500 g，加水1 000 mL，煮沸l h，過濾后補足水分，分裝100 mL，加入5.0 g黃芪藥材粉末，121℃濕熱滅菌20 min，為發酵培養基。按一定比例的接種量將種子液接入一定初始pH值的發酵培養基，在一定溫度下，搖床轉速150 r/min進行恒溫振蕩培養，在培養一定時間后取出，進行發酵液的前處理：6 000 r/min離心15 min，分離上清和殘渣，將對照樣品進行平行操作。

1.3.4 發酵工藝單因素試驗

發酵時間對于黃芪總黃酮含量的影響：發酵時間為 1、3、5、7、9、11 d，接種量為 10%，發酵溫度為 28 ℃，搖床轉速為150 r/min，初始pH值為6.5。

發酵溫度對于黃芪總黃酮含量的影響：發酵溫度為 20、24、28、32、36、40 ℃，發酵時間為 9 d，接種量為10%，搖床轉速為150 r/min，初始pH值為6.5。

接種量對于黃芪總黃酮含量的影響：接種量為5%、10%、15%、20%，發酵溫度為28℃，發酵時間為9 d，搖床轉速為150 r/min，初始pH值為6.5。

初始pH值對于黃芪總黃酮含量的影響：初始pH值為 4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，發酵時間為 9 d，接種量為10%，發酵溫度為28℃，搖床轉速為150 r/min。

1.3.5 響應面分析試驗

根據單因素試驗結果，選擇發酵時間、發酵溫度、接種量、初始pH值這4個因素為自變量。根據Box-Benhnken設計原理，進行四因素三水平的響應面分析試驗，因素水平設計見表1。

表1 響應面因素水平表Table 1 Factors and levels of the response surface design

以總黃酮的含量為響應值，利用Design Expert 8.0.6.1軟件對數據進行分析，得出最佳發酵工藝，試驗重復3次[14]。

1.3.6 黃芪總黃酮含量測定

黃芪總黃酮含量測定采用紫外分光光度法[15]，過程如下：首先配制蘆丁標準品溶液，經處理后在510 nm波長處有最大吸收峰，測定吸光度，根據濃度與吸光度的關系制作標準曲線，求得回歸方程。然后制備樣品溶液，樣品經處理后在最大吸收峰位置測定吸光度，根據標準曲線計算總黃酮質量濃度。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 發酵時間對黃芪總黃酮含量的影響

發酵時間對黃芪總黃酮含量的影響見圖1。

圖1 發酵時間對總黃酮含量的影響Fig.1 Effect of fermentation time on total flavonoids content

由圖1可知，發酵時間為1 d～9 d時，發酵液中總黃酮含量隨發酵時間的增加而增高，至9 d時達到最高。但當發酵時間再增加時，總黃酮含量卻有略微下降。說明發酵時間過長不利于總黃酮的形成，阻礙其生物轉化，使總黃酮的含量有所降低。

2.1.2 發酵溫度對黃芪總黃酮含量的影響

發酵溫度對黃芪總黃酮含量的影響見圖2。

圖2 發酵溫度對總黃酮含量的影響Fig.2 Effect of temperature on total flavonoids content

由圖2可知，溫度對總黃酮的含量有一定的影響，發酵溫度到達28℃時含量最高，再繼續升高溫度總黃酮含量略緩慢下降，當溫度過高時，總黃酮含量明顯下降。此結果與酵母菌的生長規律相吻合，低溫和高溫都不利于菌體生長，尤其是高溫對于菌體生長抑制明顯。

2.1.3 接種量對黃芪總黃酮含量的影響

接種量對黃芪總黃酮含量的影響見圖3。

圖3 接種量對總黃酮含量的影響Fig.3 Effect of inoculum concentration on total flavonoids content

由圖3可知，接種量對總黃酮的含量的影響較小，接種量到達10%時含量最高，再繼續增大接種量總黃酮含量有所下降，但是變化幅度并不大。

2.1.4 初始pH值對黃芪總黃酮含量的影響

初始pH值對黃芪總黃酮含量的影響見圖4。

圖4 初始pH值對總黃酮含量的影響Fig.4 Effect of pH on total flavonoids content

由圖4可知，接種量對總黃酮的含量的影響較大，隨著pH值的升高，總黃酮含量逐漸增大，初始pH值到達6.0時含量最高，在6.0～7.0之間變化較小，超過7.0后，總黃酮含量下降明顯。

2.2 發酵工藝響應面分析試驗

2.2.1 數學模型的建立及顯著性檢驗

試驗設計和試驗結果見2。

表2 響應面分析試驗和結果Table 2 Design and results of response surface analysis

以黃芪發酵液中總黃酮的含量為響應值，采用Design-Expert回歸分析軟件分析表2中的29個試驗點的響應值，經軟件綜合分析后，各試驗因素對總黃酮含量的影響可采用如下回歸方程表示出來：

總黃酮含量=0.88+0.041×A+0.062×B+0.028×C+0.018×D+2.750×10-3×A×B-0.039×A×C-0.018×A×D-7.500×10-3×B×C-0.028×B×D-1.000×10-3×C×D-0.081×A2-0.14×B2-0.096×C2-0.077×D2

對模型進行方差分析的結果見表3。

表3 響應面二次模型方差分析Table 3 Variance analysis of response surface quadratic mode

可以看出：P模型＜0.0001，表明模型差異極顯著；總黃酮含量失擬項P=0.1314，表明失擬不顯著，所選用的二次回歸模型是適當的；對模型進行回歸方程系數顯著性檢驗，得到模型一次項 A、B、C（P＜0.01）差異極顯著，一次項D（P＜0.05）差異顯著，其影響強弱的排序為：發酵溫度＞發酵時間＞接種量＞初始pH值。

2.2.2 總黃酮的響應面分析

利用Design-Expert軟件對表2中的數據進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面如圖5～圖10所示。

圖5 發酵時間和發酵溫度的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.5 Response surface plot showing the effects of time and temperature on total flavonoids contents

圖6 發酵時間和接種量的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.6 Response surface plot showing the effects of time and inoculum concentration on total flavonoids contents

圖7 發酵時間和初始pH的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.7 Response surface plot showing the effects of time and pH on total flavonoids contents

圖5～圖10為當固定發酵時間、發酵溫度、接種量和初始pH值中任意兩個因素為零水平時，其余兩個因素的交互作用及對總黃酮含量的影響。總黃酮含量隨著任意兩個變量的增加均呈上升趨勢，當達到某一定值時，曲面下降或區域平緩，通過響應面圖能夠觀察出最高點。

2.3 驗證試驗

通過對回歸模型求解方程，得出黃芪發酵總黃酮最佳發酵工藝為發酵時間9.46 d，發酵溫度29.07℃，接種量10.45%，初始pH 6.52，在此條件下總黃酮預計含量為0.890 mg/mL。為了便于試驗，把發酵參數進行調整如下：發酵時間9.5 d，發酵溫度29℃，接種量10.5%，初始pH 6.5，進行3組平行試驗，所得總黃酮的含量的分別為0.866、0.875、0.858 mg/mL，其平均值0.866 mg/mL，與回歸方程所得的總黃酮預計含量0.890 mg/mL的相對誤差為2.70%，該回歸方程可用于實踐。

圖8 發酵溫度和接種量的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.8 Response surface plot showing the effects of temperature and inoculum concentration on total flavonoids contents

圖9 發酵溫度和初始pH值的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.9 Response surface plot showing the effects of temperature and pH on total flavonoids contents

圖10 接種量和初始pH值的交互作用對總黃酮含量影響的響應面Fig.10 Response surface plot showing the effects of inoculum concentration and pH on total flavonoids contents

3 結論

黃芪是我國傳統的中藥材，其使用有幾千年的歷史，中藥發酵技術改善了黃芪的藥效作用，為更好的利用黃芪開創了一條新的道路。總黃酮是黃芪中重要的藥效成分之一，對其發酵工藝的研究還比較欠缺，通過本試驗的數據分析，可以找到一種最有效的發酵工藝，為黃芪的開發和利用奠定了試驗基礎。

以總黃酮含量為響應值，利用響應面分析法優化酵母菌發酵黃芪的最佳工藝條件為：發酵時間9.46 d，發酵溫度29.07℃，接種量10.45，初始pH 6.52，在此條件下黃酮預計含量為0.890 mg/mL。將發酵參數在此基礎上進行調整，進行3組平行試驗，所得總黃酮的平均含量為0.866 mg/mL，與回歸方程所得的總黃酮預計含量相差2.70%，該模型可較好的應用于發酵工藝的優化。

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Optimization of Fermentation Process of Radix Astragali by Response Surface Methodology

LIU Chao，YU Yong-jun，ZHAO Xing-hua，LI Xi-zhen，CHEN Jun-rong*
（Cangzhou Medical College，Cangzhou 061001，Heibei，China）

2017-03-24

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.19.014

河北省科學技術研究與發展計劃自籌經費項目（16272509）

劉超（1979—），女（漢），講師，碩士研究生，研究方向：發酵工藝優化。

*通信作者：陳俊榮（1963—），女，教授，研究方向：黃芪發酵。