DOI:10.12301/spxb202200687
中图分类号:TS254.58
陈秉彦, 林晓姿, 李维新, 杨超, 何志刚
| 【作者机构】 | 福建省农业科学院农业工程技术研究所/福建省农产品(食品)加工重点实验室 |
| 【分 类 号】 | TS254.58 |
| 【基 金】 | 福建省公益类科研项目(2020R1032009) 中央引导地方项目(2021L3023) 福建省农业科学院科技创新团队建设项目(CXTD2021016-1) |
龙须菜(Gracilaria lemaneiformis),又名海发菜、江蓠,系红藻门(Rhodophyta)、杉藻目(Gigartinales)、江蓠科(Gracilariaceae)、江蓠属(Gracilaria)的一种温带红藻,近年来在广东、福建等地成功实现规模化养殖,是我国继紫菜、海带、裙带菜之后第四大栽培性海藻。龙须菜作为我国传统药食两用的大宗经济型海藻,具有高膳食纤维、高蛋白,并富含微量矿物质元素等营养物质的特点[1-2]。随着龙须菜产量的逐年提升,在取得巨大经济利益的同时,龙须菜营养成分的功能活性研究越来越受到研究人员的关注。有研究表明,龙须菜藻红蛋白是一种制备优质生物活性肽的天然蛋白源,通过离子交换层析提纯的高纯度藻红蛋白,对人体直肠癌SW-480细胞生长具有一定抑制作用[3]。沈嘉森等[4]采用龙须菜蛋白为原料,通过胃肠道模拟消化制备出高血管紧张素转换酶抑制活性的寡肽,初步评估龙须菜可作为分离纯化制备降压肽的优质资源。费亚芬等[5]评价了7种经济型海藻的膳食纤维促益生作用,筛选出龙须菜为促进有益菌生长的最优海藻,短期动物实验进一步证明龙须菜膳食纤维可改善造模鼠肠道菌群丰度,利于有益菌生长和肠道菌群环境恢复。
龙须菜多糖是龙须菜生理活性的重要功能成分,属于琼胶类与硫酸酯类混合多糖[6],其中硫酸酯多糖是发挥多糖功能活性的主要物质。龙须菜多糖,特别是硫酸酯多糖已被证实具有抗氧化[7]、抗肿瘤[8]、提高免疫应答[9]等多种生理功能,发酵后的龙须菜多糖也显示出良好的生理活性。万玮等[10]研究发现,深海细菌太平洋火色杆菌WPAGA1可利用龙须菜为唯一碳源发酵产生高活性琼胶寡糖。高波良[11]进一步研究了太平洋火色杆菌WPAGA1降解龙须菜多糖的作用机制,重组硫酸酯酶能降解龙须菜中的粗琼胶产生游离的硫酸酯,与重组琼胶酶联合作用时,可提高琼胶酶产生还原性寡糖的活性。刘燕[12]的研究发现,经优化工艺发酵的龙须菜多糖可显著提高黑鲷鱼的生长成活率和蛋白质效率,增强黑鲷的免疫和抗氧化能力,提示发酵龙须菜可作为优质的水产饲料。目前,现有研究多集中报道海洋细菌发酵对龙须菜多糖活性功能的影响,缺少发酵龙须菜多糖结构特征与功能活性变化的相关性研究,更未见乳酸菌及酿酒酵母等食品微生物发酵改性龙须菜多糖结构特征,影响龙须菜多糖抗氧化活性的报道。乳酸菌与酿酒酵母菌均为食品常用微生物,安全性高。乳酸菌在发酵过程中可产生有益香气及风味物质,而酿酒酵母在发酵过程中则为乳酸菌提供了促生长因子例如氨基酸、维生素和丙酮酸盐等,因此乳酸菌与酿酒酵母协同发酵对改善基料品质具有显著优势。课题组前期采用自筛乳酸菌与酿酒酵母联合发酵技术消除了龙须菜浆液的腥味成分,赋予其发酵果香,改善了龙须糕产品的食味品质[13]。本文拟进一步对乳酸菌联合酿酒酵母发酵后的龙须菜多糖体外抗氧化活性进行研究,从硫酸酯多糖含量、分子质量以及化学结构等角度评价发酵前后龙须菜多糖的结构变化,以期为微生物发酵改善龙须菜浆液的营养品质,实现其高值化利用提供理论支撑。
龙须菜(鲁龙一号,连江县),购自福建省红太阳精品有限公司,-20 ℃保存;副干酪乳杆菌亚种(Lactobacillus paracasei subsp.paracasei)RP38和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisia)JJ4,由福建省农产品(食品)加工重点实验室分离、鉴定并保存;溴化钾(光谱纯),德国默克生物科技有限公司;氧化氘,纯度99.9%,上海麦克林生化科技有限公司;普鲁兰/聚麦芽糖标准品(产品编号:34037075,Mw=342~736 000 Da),上海甄准生物科技有限公司;无水乙醇、氯化钠、葡萄糖、氢氧化钠、硝酸钾、硫酸亚铁、水杨酸、过氧化氢、三氯乙酸、三氟乙酸、DEAE-52纤维素、浓盐酸、苯酚、浓硫酸、KNO3、聚乙二醇、邻苯三酚、Tris-HCl等均为分析纯。
UV1750型分光光度计,日本岛津仪器株式会社;LRH-160型生化培养箱,上海一恒科学仪器有限公司;FD5-3型冷冻干燥机,美国SIM 公司;ICAN9型傅里叶变换红外光谱仪,天津市能普科技有限公司;100型高效凝胶渗透色谱仪,美国安捷伦科技有限公司;AVANCE 600型核磁共振波谱仪,德国布鲁克仪器有限公司。
1.3.1 发酵培养基与种子液的制备
糖蜜培养基制备:将甘蔗糖蜜稀释至可溶性固形物质量分数为5%,用柠檬酸调节pH值至5.0±0.2,115 ℃高压灭菌30 min,用于酵母菌培养。MRS液体培养基用于乳酸菌培养。
菌种经过活化后分别接种于相应的培养基,扩培至乳酸菌菌量达109 CFU/mL,酵母菌菌量达108 CFU/mL,经离心处理(5 500 r/min、4 ℃、10 min)获得菌泥,加等体积无菌水重悬后备用。
1.3.2 龙须菜浆液发酵
龙须菜解冻、洗净后沥干,按质量比1∶1加入净水,置于料理机中研磨成浆液。称取500 g浆液分装于1 L三角瓶中,加入质量分数2%的白砂糖,搅拌溶解置于沸水浴中加热15~20 min。样液冷却后分别接种质量分数5%的活化种子液,30 ℃发酵5 d,100 ℃杀菌10 min,冷却备用。
1.3.3 龙须菜浆液的多糖提取
发酵的龙须菜浆液置于85 ℃水浴下搅拌浸提3 h,离心(5 000 r/min,15 min)获取上清液,加入质量分数2%的活性炭,置于60 ℃摇床振摇6 h,之后抽滤得到脱色龙须菜发酵液。取发酵清液置于旋转蒸发仪中浓缩3倍体积后按体积比1∶3加入60 ℃无水乙醇醇沉,静置12 h后,离心(6 000 r/min,10 min)获得粗多糖沉淀。粗多糖沉淀复溶于蒸馏水中,按多糖溶液体积比1∶1加入质量分数15%的三氯乙酸溶液,搅拌静置,离心除蛋白,上清液经浓缩后,装盘进行冷冻干燥,获得发酵龙须菜多糖。
1.3.4 龙须菜多糖的初步纯化
采用DEAE-52纤维素凝胶对龙须菜多糖进行初步纯化[14]。配制质量浓度为50 g/L的DEAE-52纤维素凝胶,浸泡过夜后于85 ℃水浴中预热;称取5.0 g的龙须菜多糖粉末溶于200 mL蒸馏水中,按1∶1体积比与DEAE-52纤维素热溶液混合,置于85 ℃恒温水浴中搅拌2 h,抽滤收集滤饼。采用等体积2.0 mol/L NaCl溶液洗脱滤饼后抽滤收集滤液,将滤液浓缩3倍后置于透析袋(<500 Da)中透析48 h除去盐分,透析袋溶液经冷冻干燥后得到纯化多糖。
1.3.5 多糖含量及硫酸酯多糖含量测定
采用苯酚-硫酸法测定发酵后龙须菜多糖的含量变化,采用硫酸钡比浊法测定发酵后硫酸酯多糖含量。硫酸酯多糖的测定原理是通过酸水解将硫酸酯基团从糖链上脱离,在氯化钡明胶溶液中硫酸根与钡离子结合形成硫酸钡悬浊液,悬浊液在360 nm处吸光值与硫酸酯基团含量在一定范围内呈现线性相关,由此测出多糖硫酸酯基团含量。
BaCl2-明胶溶液与硫酸钾标准曲线的绘制参考薛峰等[15]的方法。称取50 mg多糖粉置于凯氏消化管,加入15 mL HCl以及5 mL HNO3后,消化1 h至溶液微黄为止。将消化液定容到100 mL 容量瓶中,过滤。取2 mL消化液加入3 mL BaCl2-明胶溶液,摇匀,测定360 nm处吸光值。根据样品的吸光度,由回归方程计算相应的
浓度。
1.3.6 多糖分子质量分布测定
采用凝胶渗透色谱法测定龙须菜多糖的分子质量分布。称取10 mg多糖粉溶于0.1 mol/L KNO3溶液配制成多糖质量浓度为1.0 mg/mL的工作溶液,经0.45 μm滤膜过滤后上机测试。色谱条件:柱温40 ℃,流动相为0.1 mol/L KNO3,流速1 mL/min,进样量40 μL。色谱柱采用Waters Ultrahydrogel l500 column、250 column与120 column三级凝胶柱联用。采用OPEN LAB CDS数据处理软件对数据进行积分处理,得到多糖的分子质量分布。以不同分子质量的普鲁兰多糖为标准品(MW分别为736 000、343 000、202 000、110 000、50 600、23 000、9 900、6 600、1 260、342 Da),标准曲线方程见式(1)。
y=14.459 144-0.653 443x+0.007 528x2+0.000 026x3。
(1)
式(1)中,y为lgMW,x为出峰时间。
1.3.7 多糖功能基团的测定
采用红外光谱仪对多糖功能基团进行分析。扫描波数为400~4 000 cm-1,分辨率为2 cm-1。
1.3.8 多糖单糖组成的测定
1.3.8.1 多糖衍生前处理
以葡萄糖、葡萄糖醛酸、半乳糖、氨基葡萄糖等12种单糖为标品,采用PMP柱前衍生前处理,参考戴军等[16]的研究方法进行单糖组成测定。具体方法:吸取100 μL质量浓度为4~5 g/L的多糖溶液于5 mL的具塞刻度试管中,加入100 μL的4 mol/L三氟乙酸溶液,充N2封管,110 ℃烘箱中水解2 h,冷却后加入200 μL甲醇溶液,随后用N2吹干;重复加甲醇并用N2吹2~3次,去除三氟乙酸,加入0.3 mol/L NaOH溶液50 μL充分溶解残渣;加入0.5 mol/L的PMP-甲醇溶液,漩涡混匀,置于70 ℃烘箱反应100 min,冷却后加盐酸中和,再加等体积氯仿,振摇萃取,静置分液,去除氯仿相后采用0.45 μm微孔膜过滤;HPLC进样分析。
1.3.8.2 色谱条件
采用高效液相色谱仪测试龙须菜单糖组成,色谱条件:色谱柱为ZORBAX Eclipse XDB-C18(250 mm×4.6 mm×5 μm),流动相为0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH值为6.7)-乙腈(两者体积比为83∶17),柱温为30 ℃,检测波长为250 nm,流速为1 mL/min,进样体积为20 μL。
1.3.9 多糖化学结构的测定
采用高频核磁共振波谱仪对多糖的功能基团进行分析。称取30 mg纯化多糖与1 mL D2O混合,置于80 ℃水浴中加热8 h,之后冷却静置12 h至完全水合。取多糖溶液置于核磁管中进行碳谱测试,测试扫描时间为10 h,每小时扫描次数为512次。
1.3.10 龙须菜浆液及其多糖体外抗氧化能力的测定
1.3.10.1 羟自由基清除能力的测定
羟基自由基清除能力测定参照唐萍萍[17]的方法。在试管中依次加入FeSO4溶液(2 mmoL/L)、H2O2溶液(6 mmol/L),龙须菜多糖配成0.5 mg/mL的多糖溶液。取2 mL样品溶液静置10 min,之后再加入2 mL水杨酸溶液(6 mmoL/L),静放 30 min后在 510 nm 处测定吸光度A0。用蒸馏水代替样品溶液同样处理,测定吸光值Ax。羟自由基清除率计算方法见式(2)。
羟自由基清除率![]()
(2)
式(2)中,A0为实验样品的吸光度,Ax为空白样品的吸光度。
1.3.10.2 超氧阴离子自由基清除能力的测定
于10 mL试管中加入5.7 mL Tris-HCl缓冲液(50 mmol/L,pH值8.2),加入0.2 mL质量浓度为0.5 g/L多糖溶液混匀后置于25 ℃恒温箱中保温10 min,之后加入已预热的10 mmol/L邻苯三酚溶液0.1 mL,快速混匀后采用多功能酶标仪测定320 nm波长处1 min内的吸光值的增加量(Aj);另取如上试剂,采用等体积蒸馏水替代样品,测定在320 nm 波长处1 min 内吸光度的增加量(Ai)。超氧阴离子自由基清除率计算方法见式(3)。
超氧阴离子自由基清除率![]()
(3)
式(3)中,Ai为空白样品吸光度增加量,Aj为实验样品吸光度增加量。
各组实验数据均重复3次,P<0.05表示数据之间具有显著差异;实验数据采用DPS 9.05软件进行统计,采用Origin Pro 8.5软件绘图。
龙须菜发酵前后浆液中多糖含量变化的实验结果见图1。由图1可知,龙须菜浆液随着发酵时间的增加多糖含量呈现递增趋势。当发酵时间为3 d,龙须菜多糖质量分数达到最大值,由0.30%上升至0.79%;进一步延长发酵时间,多糖含量不发生明显变化。龙须菜浆液中硫酸酯多糖含量随着发酵时间的增加而增大,硫酸酯多糖经发酵5 d后质量分数由0.03%上升至0.12%(硫酸酯多糖约占总多糖含量的15%)。这说明采用副干酪乳杆菌与酿酒酵母组合发酵可以提高浆液多糖,特别是硫酸酯多糖含量。本研究结果发现,龙须菜中硫酸酯多糖低于已报道的马尾藻、鼠尾藻的硫酸酯多糖含量(质量分数为18%~22%)[18-19],高于坛紫菜的硫酸酯多糖含量(质量分数为10%)[20]。有研究显示,龙须菜多糖经热水浸提、低压浓缩、乙醇沉淀、柱层析获得的硫酸酯多糖质量约占总多糖的11.26% [21],与本研究测定结果略有差异,这可能与龙须菜生长的地域及采收时期有关。多糖中的硫酸酯是其抗氧化活性的重要来源,海藻多糖中的硫酸酯具有很强的还原性,易被自由基氧化起到抗氧化效果。乳酸菌与酿酒酵母发酵如何提高龙须菜硫酸酯多糖含量的问题尚待进一步研究。
不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。
图1 龙须菜发酵过程中多糖及硫酸酯多糖含量变化
Fig.1 Changes of polysaccharide and sulfated polysaccharide content of Gracilaria lemaneiformis during fermentation
龙须菜发酵前后浆液中多糖的分子质量分布见图2。由图2可见,龙须菜多糖分子质量主要为3.23×103 Da,龙须菜经发酵后多糖分子质量向低分子质量分布迁移,发酵5 d后的龙须菜多糖分子质量下降为1.64×103 Da,这说明微生物发酵可降解龙须菜多糖的分子质量,形成小分子多糖。此外,分子质量谱图在低分子质量分布区域出现了一个弱吸收峰,分子质量为4.89×102 Da,该吸收峰经发酵后分子质量未出现迁移,推测可能为多糖伴随的其他寡糖类物质。Sun等[22]的研究发现,低分子质量的硫酸酯多糖相比高分子质量的硫酸酯多糖具有更优异的抗氧化能力,这可能归咎于小分子多糖具有更多的异端H结构,显示出更强的补给氢质子能力。张军等[23]的研究结果也表明,刺麒麟菜经过益生菌发酵形成的小分子硫酸酯多糖更有利于穿透细胞膜,显示出更高的生物利用度及抗氧化性。
图2 龙须菜发酵前后的多糖分子质量变化
Fig.2 Molecular weight changes of polysaccharides from Gracilaria lemaneiformis before and after fermentation
采用红外光谱技术分别对未发酵和发酵后的龙须菜多糖的官能团结构进行表征,结果见图3。由图3可见,龙须菜多糖在波数为3 416、2 920、1 743、1 656、1 400~1 200、1 074、931、892 cm-1处存在明显的吸收峰,其中3 416 cm-1处的吸收峰是分子内O—H的伸缩振动的吸收峰,2 920 cm-1处的吸收峰是亚甲基反对称伸缩振动,1 400~1 200 cm-1表示C—H弯曲振动吸收,1 074 cm-1处的吸收峰表示O—H的变角弯曲振动,这些峰均为多糖的典型吸收峰[24]。进一步研究发现,多糖在1 250 cm-1附近处显示出明显的硫酸酯基团吸收峰,该吸收峰表示
的不对称伸缩振动,表明了硫酸酯基团的存在[25]。龙须菜多糖在931 cm-1与892 cm-1处的吸收峰表示3,6-内醚-L-半乳糖以及吡喃环结构[26]。当龙须菜浆液经过发酵后,多糖的吸收峰未出现明显偏移,然而吸收峰强度出现了差异,说明微生物发酵后多糖并未产生出新的结构,但功能基团数量出现了变化。经发酵后,龙须菜多糖在1 250 cm-1处吸收峰强度增加,1 743 cm-1处吸收峰强度减小,表明发酵后龙须菜多糖的硫酸酯含量增加,糖醛酸含量减少。
图3 龙须菜发酵前后的多糖官能团变化
Fig.3 Functional group changes of polysaccharides from Gracilaria lemaneiformis before and after fermentation
龙须菜发酵前后多糖的单糖组成的测定结果见表1。由表1可见,龙须菜多糖中占比较高的3种单糖组分为半乳糖、葡萄糖、岩藻糖,其中半乳糖是最主要的单糖,物质的量比为79.97%,其次是岩藻糖(8.21%)与葡萄糖(7.97%)。半乳糖比例与张云林[27]报道的水提龙须菜多糖的半乳糖比例相近。经微生物发酵后,龙须菜多糖的葡萄糖组分及岩藻糖组分物质的量比明显下降,半乳糖比例由79.97%上升至94.17%,这说明采用乳酸菌及酵母菌协同发酵可以修饰龙须菜多糖的单糖组成。这与刘艳芳等[28]报道的研究结果相似,酿酒酵母发酵可以降低灵芝胞外多糖分子质量,改变多糖的单糖组成(甘露糖),进而影响其活性。冯书珍等[29]研究了石莼、海带、裙带菜、紫菜4种海藻多糖的单糖组成与体外抗氧化活性的关系,发现海藻多糖的DPPH半抑制浓度与单糖组成中的鼠李糖、半乳糖呈现显著的负相关性。因此,推测采用乳酸菌与酿酒酵母组合发酵可提高龙须菜多糖的半乳糖组分,这会进一步影响其抗氧化能力。
表1 龙须菜发酵前后多糖的单糖组成变化
Tab.1 Changes in monosaccharide composition of polysaccharides from Gracilaria lemaneiformis before and after fermentation %
单糖组分物质的量比发酵前发酵后甘露糖0.850.04核糖0.080.26鼠李糖0.730.26葡萄糖醛酸0.701.17半乳糖醛酸0.860.13N-乙酰-氨基葡萄糖NDND葡萄糖7.971.97N-乙酰-氨基半乳糖NDND半乳糖79.9794.17木糖0.291.09阿拉伯糖0.340.37岩藻糖8.210.53
ND表示未检出。
龙须菜发酵前后多糖的分子结构变化如图4。由图4可知,龙须菜多糖的碳谱化学位移在101.9、70.3、69.9、81.5、72.5、61.3处出现明显的吸收峰,表示多糖存在典型的L-半乳糖结构单元[30];另外,多糖碳谱在68.4处呈现吸收峰,表明L-半乳糖单元的C-6位置上存在
龙须菜多糖在102.9、70.6、82.3、69.3、75.9、61.9处出现明显的吸收峰,表明多糖中含有葡萄糖单元结构[25]。经微生物发酵后,龙须菜中半乳糖的碳谱化学位移未发生明显变化,仍在101.9、70.3、69.9、81.5、72.5、61.3处显示出吸收峰,且L-半乳糖硫酸酯(68.4)吸收峰出现了明显增强,说明经微生物发酵后龙须菜硫酸酯多糖含量增多,这可能是微生物发酵利用了原先结合在多糖上的蛋白质,从而使得糖蛋白分离,暴露出更多的硫酸酯基团;发酵龙须菜多糖的碳谱化学位移在102.9 处的吸收峰完全消失,表明龙须菜多糖中葡萄糖单元被降解。已有研究表明,半乳糖C-2及C-4位取代的硫酸酯基团抗氧化活性通常高于C-6位的活性[32]。本研究发现,乳酸菌与酵母菌发酵后的龙须菜多糖的硫酸酯分布位置并未发生变化,其抗氧化活性增加可能与微生物发酵过程破坏了多糖蛋白质体系结构,使得多糖暴露出更多的活性半乳糖硫酸酯基团有关。
(b)(d)中“*”表示L-半乳糖硫酸酯特征峰。
图4 龙须菜发酵前后多糖的13C NMR变化
Fig.4 13C NMR changes of polysaccharides from Gracilaria lemaneiformis before and after fermentation
龙须菜发酵前后浆液及其多糖的羟自由基清除率与超氧阴离子自由基清除率的测定结果见图5。由图5可知,龙须菜浆液经发酵后羟自由基清除率与超氧阴离子自由基清除率均出现了明显升高,分别为44.30%与29.24%,是未发酵组的1.52倍与4.29倍。进一步研究发现,发酵后龙须菜多糖的羟自由基清除率为26.67%,与发酵前相比清除率提高了5.33%。发酵后龙须菜多糖的超氧阴离子自由基清除率为51.34%,与发酵前相比清除率提高了32.12%。研究结果说明采用乳酸菌与酵母菌组合发酵可以显著提高龙须菜浆液的体外抗氧化能力,改善其营养价值。此结果与番石榴叶固态发酵的研究报道[33]相似,红曲霉固态发酵番石榴叶不仅有利于提高多糖得率,同时还可提高多糖的自由基清除能力,这可能与微生物发酵修饰多糖乙酰基,提高糖醛酸含量有关。值得注意的是,与龙须菜多糖相比,龙须菜浆液具有更高的羟自由基清除能力,推测龙须菜浆液还存在酚类等其他活性成分,有助于改善羟自由基清除能力。
不同小写字母表示发酵前后差异显著(P<0.05)。
图5 龙须菜发酵前后浆液及其多糖的自由基清除能力变化
Fig.5 Free radical scavenging capacity changes of Gracilaria lemaneiforms slurry and polysaccharides before and after fermentation
分析了乳酸菌RP38与酿酒酵母JJ4联合发酵对龙须菜多糖结构特征及抗氧化活性的影响。研究结果表明,乳酸菌与酿酒酵母发酵不改变龙须菜多糖的官能团结构,但会提高硫酸酯多糖的含量,并将大分子多糖降解为具有更强给氢能力的小分子多糖;此外,乳酸菌与酿酒酵母发酵并不影响多糖硫酸酯的碳位分布,但可能会破坏龙须菜的多糖蛋白质体系,使得多糖暴露出更多的硫酸酯基团。龙须菜浆液经发酵后硫酸酯多糖的质量分数由0.03% 提高至0.12%。进一步研究发现,龙须菜浆液及其多糖经乳酸菌与酿酒酵母组合发酵后多糖的羟自由基清除能力以及超氧阴离子自由基清除能力均显著增加,其中龙须菜多糖的羟自由基清除能力提高5.33%,超氧阴离子自由基清除率提高32.12%。可以推测,乳酸菌与酿酒酵母发酵形成的更强给氢能力的小分子多糖以及发酵后暴露出更多的硫酸酯结构,是造成浆液多糖抗氧化能力提高的主要原因。
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