黑曲霉發酵麥胚工藝及醇沉組分理化性質研究

趙朋輝，侯銀臣，楊盛茹，李彥瑾，喬 笑，張 寧，王曉飛，廖愛美，潘 龍，黃繼紅,3*

1.河南工業大學 生物工程學院，小麥生物加工與營養功能河南省重點實驗室，河南 鄭州 450001 2.河南牧業經濟學院 食品與生物工程學院，河南 鄭州 450046 3.許昌學院 食品與藥學院，河南 許昌 461000

我國是農業大國，小麥產量穩居世界之首。麥胚(胚胎軸和胚芽)占小麥總質量的2.5%～3.8%，是小麥深加工主要副產物之一[1]，含有多種生理活性物質，如谷胱甘肽、降血壓肽、凝集素、木質素、膳食纖維等[2-3]。近年來，隨著對麥胚深入研究，發現其在抗氧化方面具有重要作用[4-6]，并且有抗腫瘤[7-8]、提高免疫力[9]、延緩衰老[10]、降血壓[11]等功效。目前我國對麥胚的綜合利用率較低，由此造成極大的浪費。以麥胚為原料進行高值化綜合開發利用具有積極的現實意義和廣闊的應用前景。

麥胚在發酵過程中能產生多種有益物質，可改善其生物利用度和功能特性。國外發酵麥胚相關研究較多，主要集中于麥胚發酵提取物的抗癌活性[12-14]、抗氧化活性[15]、抗炎活性[16-17]，以及發酵麥胚功能食品的研發[18]等方面。而國內此類研究處于起步階段，尤其對發酵麥胚抗氧化活性研究較少。黑曲霉是常用于食品發酵工業的菌株，安全性較高，在發酵過程中可產生多種酶及檸檬酸、葡糖酸和五倍子酸等物質，且無毒素產生，可改善麥胚營養價值，提高麥胚利用率[19-20]。作者以麥胚為原料，DPPH自由基清除率為指標進行響應面優化，在最優發酵工藝下對產物進行理化性質分析，旨在為后續麥胚深加工及高值化利用提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥胚：河南省鯤華生物技術有限公司；黑曲霉：實驗室保藏菌種；DPPH：合肥博美生物科技有限責任公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

ZQZY-CS全溫恒溫培養搖床：上海知楚儀器有限公司；SCIENTZ-10 N冷凍干燥機：寧波新芝生物科技股份有限公司； WPG噴霧干燥機：上海那艾精密儀器有限公司；SWCJ-2 D超凈工作臺：浙江凈化設備有限公司；ME104E電子天平：梅特勒-托利多國際貿易有限公司；UHT-2高壓殺菌鍋：張家港市騰飛飲料機械廠。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

黑曲霉發酵麥胚工藝流程如圖1所示。

圖1 黑曲霉發酵麥胚工藝流程Fig.1 Fermentation process of wheat germ by Aspergillus niger

1.3.2 響應面工藝優化

根據 Box-Behnken設計原理，在單因素試驗的基礎上，以發酵時間、料液比和菌種接種量設計三因素三水平試驗，以DPPH自由基清除率為響應值，進行響應面試驗分析，獲得最佳發酵參數。

1.3.3 蛋白質含量的測定

發酵產物蛋白含量的測定按照文獻[21]中方法，得到標準蛋白溶液的濃度與吸光度之間存在線性關系：y=0.533 4x+0.007 3(R2=0.996 8)，根據標準曲線求出發酵產物蛋白含量。

1.3.4 抗氧化活性檢測

將待測樣品稀釋100倍(即1 mg/mL)。參照文獻[22]的方法測定DPPH自由基清除能力。

1.3.5 發酵產物的干燥

分別使用噴霧干燥法(165 ℃，霧化頻率28 Hz)和冷凍干燥法制備發酵產物。

1.3.6 乳化性的測定

參照文獻[22]進行乳化性(EAI)測定。

式中：n為混合物稀釋倍數；A為稀釋后的混合物的吸光度；ρ為多肽液質量濃度，2 mg/mL；φ為混合液油相比，0.25。

1.3.7 乳化穩定性的測定

參照文獻[22]進行乳化穩定性(ESI)測定。

式中：A為稀釋后混合液的吸光度；A10 min為混合液放置10 min后的吸光度。

1.3.8 持油性的測定

參照文獻[23]進行持油性的測定。

1.3.9 起泡性的測定

參照文獻[22]進行起泡性的測定。

2 結果與分析

2.1 黑曲霉發酵產物抗氧化活性研究

2.1.1 響應面優化黑曲霉發酵麥胚工藝

在考察了接種量、料液比、發酵時間等單因素的基礎上，采用Box-Behnken design試驗設計法，固定發酵溫度為28 ℃，采用Design Expert 8.0軟件設計三因素三水平的二次旋轉回歸響應面，并做方差和顯著性分析，結果見表1與表2。

表1 響應面試驗方案及結果Table 1 Response surface experiments and results

表2 響應面試驗方差分析Table 2 Variance analysis of response surface test

根據表1數據，采用Design Expert 8.0軟件進行二次回歸分析得到回歸方程：Y=80.63+7.90A+0.37B+1.77C+0.29AB-2.75AC-0.59BC-14.12A2-3.89B2-1.35C2。

由表2可知，回歸方程顯著，失擬檢驗項不顯著，說明回歸方程理想，用于擬合3個因素與發酵麥胚清除DPPH自由基之間的關系是可行的，試驗誤差小，可以用該模型代替試驗真實點對試驗結果進行分析。因素A、B、C，交互項中的AB、AC、BC及A2、B2、C2對DPPH自由基清除率都有一定影響，這表明各因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，而是呈二次關系，且3個因素之間存在交互作用。

2.1.2 響應面試驗的交互因素分析

控制單個因素不變，分析其他因素的交互作用對抗氧化活性影響。采用軟件處理數據得到任意兩因素的響應面圖，如圖2所示。

由圖2可知，所有響應面交互圖呈凸起狀，坡度越大表明DPPH自由基清除率的變化越快，即更為顯著。這說明接種量和料液比、發酵時間和接種量、料液比和發酵時間之間的交互作用都對抗氧化活性有顯著性影響。

2.1.3 驗證試驗

響應面優化得到的最優因素組合：料液比1∶ 10、接種量5.48%、發酵時間76.88 h。在最優條件下以DPPH自由基清除率為指標檢測抗氧化活性，重復3次試驗，發酵液對DPPH自由基清除率平均達到81.94%，即表示麥胚經黑曲霉發酵后抗氧化活性明顯增強，說明響應面優化條件可靠。

2.2 黑曲霉發酵麥胚醇沉組分理化性質研究

2.2.1 干燥方式對醇沉組分乳化特性的影響

由圖3可知，冷凍干燥法所得產物乳化性高于噴霧干燥法，兩者所得產物乳化性均在pH 10時最佳；隨著pH值的增大，噴霧干燥法和冷凍干燥法所得發酵產物乳化穩定性呈現截然不同的效果，由噴霧干燥法所得的產物隨著pH值的增加其乳化穩定性逐漸減小，而冷凍干燥法所得產物隨pH值的增加其乳化穩定性逐漸增大。但冷凍干燥法所得產物乳化性在pH值為4～8之間明顯高于噴霧干燥法，一般來說，蛋白質在中性環境下相對較穩定，因此，要求乳化性較高時可采用冷凍干燥法處理。

圖3 干燥方式對醇沉組分乳化性、乳化穩定性的影響Fig.3 Effects of different drying methods on emulsification and emulsification stability of alcohol precipitation components

2.2.2 干燥方式對醇沉組分持油性的影響

由圖4可知，噴霧干燥法和冷凍干燥法所得產物持油率與pH值不存在線性關系，噴霧干燥法所得產物當pH值為4時，持油率最高，持油性最好，冷凍干燥法所得產物pH值為8時達到最高。

圖4 干燥方式對醇沉組分持油性的影響Fig.4 Effects of different drying methods on oil holding capacity of alcohol precipitation components

2.2.3 干燥方式對醇沉組分起泡性的影響

由圖5可知，冷凍干燥法所得產物隨著pH值的增加，起泡性逐漸降低，起泡效果也越來越差，在pH值為2時，起泡性最好，為49.39%；噴霧干燥法所得產物隨著pH值的增加，起泡性較不穩定，pH值為4時達到最大值94.31%，隨著pH增加，起泡性逐漸減小，起泡效果越來越差?？傮w來說，噴霧干燥法所得產物起泡性優于冷凍干燥法。

圖5 干燥方式對醇沉組分起泡性的影響Fig.5 Effects of different drying methods on foaming properties of alcohol precipitation components

3 結論

響應面結果表明: 黑曲霉發酵麥胚最優組合為發酵溫度28 ℃、發酵時間76.88 h、料液比1∶ 10、接種量5.48%，此條件下DPPH自由基清除率為81.94%，說明黑曲霉發酵麥胚具有較好的抗氧化能力。噴霧干燥法和冷凍干燥法所得發酵產物理化性質研究結果表明：對乳化性、起泡性要求較高時可采取冷凍干燥法處理，兩種干燥方式對持油性的影響不存在線性關系，應視具體情況選擇。本研究對麥胚發酵工藝做出優化，并對發酵產物抗氧化性以及不同干燥方式處理發酵麥胚醇沉組分的理化性質進行探討，為麥胚高值化綜合開發利用提供試驗依據。