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蛹虫草发酵苦荞菌质的成分分析及抗氧化活性的研究



全 文 :Science and Technology of Food Industry 生 物 工 程
2014年第16期
蛹虫草发酵苦荞菌质的成分分析及
抗氧化活性的研究
陈雪巧,林俊芳,彭志妮,郭丽琼*
(华南农业大学生物质能研究所,华南农业大学食品学院,广东广州 510642)
摘 要:以苦荞为培养基质,对蛹虫草固体发酵前后的营养和功能成分及抗氧化活性进行测定,分析各种物质含量及
抗氧化活性变化。结果表明,发酵苦荞菌质总氮、总糖、可溶性总糖、还原糖含量显著[总氮、总糖(p<0.01),可溶性总
糖、还原糖(p<0.05)]低于未发酵基质,游离氨基酸含量有极显著性增加(p<0.01),粗多糖、总黄酮、总酚、花色苷、维生
素C、GSH(谷胱甘肽)、SOD(超氧化歧化酶)等功能成分均显著(粗多糖p<0.05,其余均p<0.01)高于未发酵基质。苦荞
ABTS[2,2′-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)]体外抗氧化实验表明各萃取(石油醚、氯仿、乙酸乙酯萃取部及水
部)均具有一定的抗氧化作用,当浓度为10mg/mL时,乙酸乙酯萃取部和水部与TBHQ(叔丁基对苯二酚)、BHT(2,6-二
叔丁基-4-甲基苯酚)及VC(维生素C)清除率相当,达100%。对抗氧化活性最高的水部和乙酸乙酯萃取部进行HPLC-
MS/MS分析,结果显示乙酸乙酯萃取部含有芦丁、槲皮素及含有槲皮素结构碎片、儿茶素结构碎片的物质;水部含有
槲皮素、芦丁、山奈酚-3-芸香糖苷及含有槲皮素结构碎片、山奈酚结构碎片的物质。
关键词:蛹虫草,苦荞发酵菌质,营养成分,抗氧化,HPLC-MS/MS
Study on compositions and antioxidant activities of tartary buckwheat
substrate during solid-substrate fermentation by Cordyceps militaris
CHEN Xue-qiao,LIN Jun-fang,PENG Zhi-ni,GUO Li-qiong*
(Institute of Biomass Energy,College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
Abstract:The solid - substate fermentation of Cordyceps militaris using tartary buckwheat substrate was
performed. The difference between the contents of nutritional and functional components and antioxidant
activity of before and after fermentation were analyzed. The results showed that the contents of total nitrogen,
reducing sugar,soluble sugar and total sugar were much more lower than non-fermentation(total nitrogen,total
sugar p<0.01,reducing sugar,soluble sugar p<0.05),and free amino acids were higher than non-fermentation
significantly (p<0.01) . Similarly, functional components like crude polysaccharide , flavonoids, total phenol,
anthocyanins,vitamin C,GSH(glutathione),SOD(superoxide dismutase) of fermented substrate had significant
changes compared with non-fermentation(crude polysaccharide p<0.05,others p<0.01),higher than that.
ABTS[2 ,2 ’-Azinobis- (3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate ) ] of different extracts of tartary buckwheat
fermented substrate including petroleum ether ,chloroform ,ethyl acetate and water part had Antioxidant
activities,respectively. The scavenging abilities of ethyl acetate and water part are 100% ,equal to TBHQ
(Tertiary butylhydroquinone),BHT (butylated hydroxytoluene) and VC (vitamin C) when concentration was
10mg/mL. Analysis of HPLC-MS/MS indicated that ethyl acetate and water part which had the highest
antioxidative activity contain rutin,quercetin,substance with quercetin structure fragment,substance with catechin
structure fragment and quercetin,rutin,kaempferol-3-rutinose,substance with quercetin structure fragment,
substance with kaempferol structure fragment,respectively.
Key words:Cordyceps militaris; tartary buckwheat fermented substrate ;nutritional compositions ;antioxidant;
HPLC-MS/MS
中图分类号:TS201 文献标识码:A 文 章 编 号:1002-0306(2014)16-0166-05
doi:10.13386/j.issn1002-0306.2014.16.029
收稿日期:2013-11-21 * 通讯联系人
作者简介:陈雪巧(1988-),女,在读硕士研究生,研究方向:微生物资
源与利用。
基金项目:广东省科技计划项目(2012A020100010,2012B020316004)。
蛹虫草(Cordyceps militaris),别名北冬虫夏草,
化学成分、营养成分和药用功能与冬虫夏草两者非
常相似,比冬虫夏草更易于人工栽培,常用来代替冬
虫夏草进行人工培育[1]。其发酵后可产生包括虫草素
等核苷类、麦角固醇、多糖类、多肽类、虫草酸、超氧
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化物歧化酶(SOD)和硒等生物活性物质[2],具有很高
的营养保健价值。苦荞属蓼科荞麦属,除必需氨基
酸、微量元素外还富含生物类黄酮、多肽、糖醇和D-
手性肌醇等高活性功能成分,同样具有独特的保健
与生理功能[3]。传统的苦荞食品口感粗糙,略具苦涩
味,且营养物质消化吸收率低,限制了苦荞食品的食
用,苦荞淀粉中含的缓慢消化淀粉(SDS)和耐消化淀
粉(RS)使苦荞中营养物质消化率降低,肠胃功能不
好的人则不能食用[4]。故如何开发人们愿意接受的苦
荞制品以及深入广泛研究苦荞的营养价值和保健功
能是开发和利用苦荞的重要方向。固态发酵是一种
传统的发酵方式,是指微生物在几乎没有游离水的
固态基质上生长代谢的过程。蛹虫草固体发酵大多
以虫草素、虫草多糖、虫草酸等为目标产物,只是考
虑菌丝对基质的利用情况,并未考虑菌丝对基质的
转化作用[5-6]。本文以苦荞为培养基质,接入蛹虫草液
体菌种,研究蛹虫草发酵菌质的成分和抗氧化活性
的变化,为蛹虫草发酵产品的开发提供理论依据;同
时研究蛹虫草对苦荞基质的转化作用,也为科学开
发利用苦荞这种基质提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
苦荞 市售;蛹虫草菌株 实验室保存;VE标准
品、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)、叔丁基对苯
二酚(TBHQ)、2,2′-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-
磺酸)(ABTS) Sigma-Aldrich公司;还原型谷胱甘肽
(GSH)试剂盒 南京建成生物工程研究所;其他常
用试剂 均为分析纯。
分光光度计UV-1100 北京天美公司;低温高速
离心机 Eppendorf公司;精密pH计PHS-3C 上海精
密科学仪器有限公司;液相色谱质谱联用仪 Agilent
1100 series LC-MSD-Trap-XCT C18色谱柱(150mm×
3.9mm,4μm) 安捷伦公司。
1.2 蛹虫草液体培养基及种子液的制备
马铃薯200g,MgSO4 1.5g,葡萄糖20g,1000mL,水
pH6.8,121℃,KH2PO4 3g,灭菌30min,备用;将活化的
蛹虫草菌块接种于液体培养基,培养温度25℃,摇床
转速200r/min培养2d。
1.3 固体发酵培养基与接种
苦荞粉碎过60目筛,装入培养瓶中,加入定量的
水,调整水分含量为70%,pH6.5,121℃,灭菌30min,
备用;每瓶固体发酵培养基按每10g培养基料接入
1mL种子液,于25℃黑暗培养28d。
1.4 样品预处理
将培养基料充分混匀后于60℃下烘干,粉碎过
60目筛,备用。
1.5 营养和功能成分测定
水分含量的测定采用常压烘箱干燥法测定;总
氮采用凯氏定氮法测定;还原糖测定采用3,5-二硝
基水杨酸(DNS)法;可溶性总糖采用苯酚-硫酸法测
定;总糖按硫酸-苯酚法测定;游离氨基酸含量采用
茚三酮法测定[7];粗多糖含量用硫酸-苯酚法测定[8];
多肽含量的测定以酸溶蛋白计[9];总黄酮的含量测定
采用NaNO2-Al(NO3)3比色法测定 [10-11];总酚的测定
采用Folin-Ciocalteu法[12];皂苷的测定参照魏静等方
法[13];花色苷含量测定参照Tibor等方法 [14];超氧化歧
化酶(SOD)测定参照李永利,王琦等方法 [15-16];还原
型维生素C测定采用姆蓝比色法[17];维生素E测定用
标准曲线法[18];谷胱甘肽(GSH)采用还原型谷胱甘肽
(GSH)试剂盒;MDA(丙二醛)含量测定采用TBA—
MDA显色法测定MDA含量 [19];虫草素采用液相色谱
法[20-22]:Hypersil ODS(C18,250×4.6mm,5μm,thermo)。
1.6 抗氧化活性测定
1.6.1 分离提取 取100g样品加入具塞三角瓶中,
用2000mL 75%乙醇提取,提取液在50℃旋转蒸干有
机溶剂后,分别用石油醚、氯仿、乙酸乙酯萃取,各萃
取部分别旋转至干,以甲醇溶解稀释至一定浓度
(0.1、0.5、1、5、10mg/mL),剩余水部冷冻干燥后同样用
甲醇定量溶解至上述不同浓度。即成含有不同有效
物质浓度的石油醚、氯仿、乙酸乙酯及水部萃取部。
1.6.2 ABTS+自由基清除率的测定 参照Roberta等[23]
的方法。
自由基清除率(%)=(1-At/A0)×100
式中:At—反应4min后,测定反应混合液的吸光
度;A0—ABTS+自由基工作液的吸光度值。
1.7 数据处理
所有实验均重复3次,数据以平均值±标准差表
示,采用SAS9.2进行数据处理,数据先进行T检验,然
后以单因素方差分析进行统计,采用Duncan方法进
行组间比较,以p<0.05为统计学差异。
2 结果与分析
2.1 蛹虫草苦荞发酵菌质营养成分分析
以苦荞为培养基质,通过接种蛹虫草进行充分
发酵后,测定发酵菌质的营养成分,同时以苦荞基质
发酵前的成分为对照,测定结果如表1所示。
表1中数据表明,苦荞基质含有很高的总糖。发
酵苦荞菌质总氮、还原糖、可溶性总糖和总糖含量均
低于未发酵基质,且总氮和总糖有极显著差异。游离
氨基酸含量增加,与未发酵基质相比有极显著差异,
是未发酵的1.7倍。说明经过固体发酵后总氮、还原
糖等大分子物质被降解,而游离氨基酸等小分子物
质增加,提高了消化吸收性。
指标 未发酵基质 发酵菌质
水分(%) 4.15±0.29 4.21±0.56
总氮(g/100g) 2.51±0.11 2.08±0.05A
还原糖(mg/g) 27.370.36 14.70±0.41a
可溶性总糖(mg/g) 108.64±1.02 71.64±0.43a
总糖(mg/g) 827.40±2.92 653.76±1.42A
游离氨基酸(mg/g) 26.93±0.30 45.65±0.59A
表1 苦荞未发酵基质和发酵菌质的营养成分分析
Table 1 Nutritional ingredient analysis on fermented and
non-fermentation substrate of tartary buckwheat
注:与未发酵基质相比,a表示有显著性差异,即p<0.05,A表示
有极显著差异,即p<0.01;表2同。
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2.2 功能性成分分析
以苦荞为培养基质,通过接种蛹虫草进行充分
发酵后,测定发酵菌质的功能成分,同时以苦荞基质
发酵前的成分为对照,测定结果如表2所示。
表2中数据表明,发酵苦荞菌质粗多糖、总黄酮、
总酚、花色苷、维生素C、GSH、SOD与未发酵基质相
比发生显著性变化,均高于未发酵基质,且总黄酮、
总酚、花色苷、SOD、维生素C和GSH有极显著差异。
皂苷、维生素E变化不明显,多肽发酵含量较低,本实
验方法未见响应。
以上数据可以看出发酵后菌质的功能性成分明
显增加。这是因为苦荞发酵后苦荞中复杂的成分(淀
粉、蛋白质、脂肪和糖)在微生物的作用下分解成简
单物质(有机酸类、氨基酸类、醇类、核酸类、生物活
性物质等)。苦荞的皂苷和维生素E的变化不明显,这
可能与蛹虫草代谢过程对皂苷及维生素E的利用及
转化途径相似有关。
2.3 苦荞发酵菌质的抗氧化活性
对系统分离的各萃取部进行ABTS+·体外抗氧化
实验,研究菌质提取液石油醚萃取部、氯仿萃取部、
乙酸乙酯萃取部和水部的抗氧化活性。结果各萃取
部均具有一定的抗氧化作用,但各部分之间也存在
一定差异。表3为提取液不同极性萃取部对ABTS+自
由基的清除率的变化。
表3中浓度是指各萃取部及抗氧化剂对照TBHQ、
BHT及VC的浓度。数据表明,各萃取部的清除率随着
浓度的升高而增加,呈现良好的量效关系。同浓度
下,各萃取部的清除率存在差异,当浓度为10mg/mL
时,乙酸乙酯萃取部和水部与TBHQ、BHT及VC清除
率相当,达100%;而石油醚、氯仿与TBHQ、BHT及VC
清除率有显著性差异,分别为14.24%和69.57%。总体
来看,各萃取部之间,乙酸乙酯萃取部最高,水部次
之,石油醚萃取部最低,推测抗氧化活性物质主要存
在于乙酸乙酯萃取部和水部。
2.4 苦荞发酵菌质的抗氧化活性成分分析
对抗氧化活性较高的乙酸乙酯萃取部和水部进
行液质联用分析,结果见图1和图2。图1为苦荞提取
液乙酸乙酯部的色谱图。
图1中色谱峰2的质谱图中m/z471的二级基峰为
m/z289,m/z289的二级基峰是m/z245[M-H-CO2]-,符
合儿茶素的裂解规律 [24],推测该物质含有儿茶素结
构碎片;色谱峰3的m/z609有芦丁二级质谱特征碎片
峰[25],确定为芦丁;色谱峰5与峰2相似,有儿茶素特
征峰,确定含有儿茶素结构碎片;色谱峰6的m/z301
有槲皮素二级质谱特征碎片峰[25],确定为槲皮素;色
谱峰7、峰8和峰9一级碎片离子峰相似,但相对丰度
不同,二级碎片离子相似,三者出峰时间存在差异,
推断为含有槲皮素结构碎片的物质 [25],而且结构上
指标 未发酵基质 发酵菌质
粗多糖(mg/g) 19.73±0.21 40.52±0.44a
多肽(mg/g) 0.24±0.03 -
总黄酮(mg/g) 7.06±0.35 9.09±0.31A
总酚(mg/g) 11.74±0.17 16.11±0.22A
皂苷(mg/g) 23.14±0.60 25.74±0.48
花色苷(μg/g) 6.52±0.23 33.80±0.49A
SOD(U/g) 45.88±0.91 185.68±1.21A
维生素C(mg/g) 0.86±0.08 1.78±0.14A
维生素E(mg/g) 0.11±0.04 0.15±0.05
GSH(mg/g) 0.031±0.003 0.082±0.003A
丙二醛(μmol/g) 0.0014±0.0004 0.0023±0.0003a
虫草素(μg/g) - 53.89±0.07
表2 苦荞发酵未发酵基质和发酵菌质的功能成分分析
Table 2 Functional components analysis on fermented and
non-fermentation substrate of tartary buckwheat
图1 苦荞菌质提取液乙酸乙酯萃取部色谱图
Fig.1 Chromatogram of ethyl acetate part of tartary buckwheat
fermented substrate extraction



×1
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10 15 20 25 30 35 40 45 50
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时间(min)
1
2
3
4
5
6
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91112
13 14
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浓度(mg/mL)
ABTS+自由基清除率
10.0 5.0 1.0 0.5 0.1
石油醚 14.24±1.50a 8.50±0.60a 2.84±1.20a 1.20±0.70a 1.42±0.80a
氯仿 69.57±1.88b 32.67±1.78b 7.60±1.00b 6.25±0.90b 1.20±1.10a
乙酸乙酯 100.00±1.50c 90.86±2.45d 39.69±1.30d 27.63±1.40c 6.16±0.50b
水 99.71±2.00c 68.62±1.88c 11.89±0.88c 6.57±1.00b 2.28±1.60a
TBHQ 100.00±1.30c 92.75±1.30de 84.98±1.30e 68.80±0.90d 15.00±1.20d
BHT 100.00±1.40c 95.78±1.00ef 92.82±0.90f 84.82±0.70e 10.00±0.10c
VC 100.00±1.50c 97.30±1.20f 97.30±0.90g 97.13±0.80f 21.80±1.00e
表3 不同极性萃取部对ABTS+自由基的清除率的变化
Table 3 Functional components analysis on fermented and non-fermentation substrate of tartary buckwheat
注:同列字母不同表示差异显著(p<0.05)。
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可能存在差异性(以上质谱图略)。
因此苦荞发酵菌质提取液乙酸乙酯萃取部含有
芦丁、槲皮素及含有槲皮素结构碎片的物质,含有儿
茶素结构碎片的物质。还有一些物质文献没有报道,
难以确定。芦丁、槲皮素、儿茶素为苦荞本身含有的
物质[26-28],推测槲皮素结构碎片物质及含有儿茶素结
构碎片的物质可能是苦荞经蛹虫草发酵后,对槲皮
素儿茶素等物质的转化作用生成的。
图2为苦荞菌质提取液水部的液相色谱图。图2
中色谱峰7的质谱图准分子峰m/z771二级碎片显示
它含有槲皮素和芦丁,与Qing等[26]的结果符合,确定
其为槲皮素3-芸香葡萄糖苷;色谱峰83的m/z609有
芦丁二级质谱特征碎片峰 [25],确定为芦丁;色谱峰9
的m/z609二级碎片离子芦丁特征峰相符,确定m/z609
为芦丁,而m/z593的二级碎片m/z285为山奈酚,确定
为山奈酚-3-芸香糖苷[26],因此色谱峰9为芦丁与山
奈酚-3-芸香糖苷混合物;色谱峰10和峰11一级碎片
离子峰相似,含有m/z609碎片,二级含有m/z301槲皮
素碎片,可能是含有芦丁的混合物;色谱峰12一级碎
片离子含有槲皮素碎片,推断其含有槲皮素结构碎
片;色谱峰13一级碎片离子含有m/z285,为山奈酚,
推测含有山奈酚结构碎片(以上质谱图略)。
因此,苦荞菌质提取液水部含有槲皮素、芦丁、
山奈酚-3-芸香糖苷及含有槲皮素结构碎片的物质、
含有山奈酚结构碎片的物质。槲皮素、芦丁为苦荞本
身含有的物质[26,28],山奈酚-3-芸香糖苷是否为芦丁
的转化产物还未确定[26-39],但是含有槲皮素结构碎片
的物质、含有山奈酚结构碎片的物质可以推测是发
酵过程中生物转化的结果。
3 结论
蛹虫草发酵苦荞基质使苦荞中复杂的成分(淀
粉、蛋白质、脂肪和糖)分解成简单物质(有机酸类、
氨基酸类、醇类、核酸类、生物活性物质等),极大地
提高了苦荞营养物质的消化吸收和营养价值,改变
了苦荞食品适口性。体外抗氧化性实验表明发酵后
抗氧化活性提高,抗氧化活性物质在发酵过程中进
行了微生物转化,增加了天然化合物的多样性。
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Fig.2 Chromatogram of water part of tartary buckwheat
fermented substrate extraction



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图10 初始糖度和SO2添加量对主要香味物质含量影响的
曲面图
Fig.10 Response surface of initial sugar and SO2 on
total aroma components content
1.00
2.3
R 2
:总






A∶pH 0.50
0.00
-0.50
-1.00
-1.00
1.00
0.50
0.00
-0.50 C∶SO2添加量
2.2
2.1
2.0
1.9
1.8
2.2.3 验证性实验 在优化条件下,酒精含量和总
香味物质含量的理论预测值为15.28°和2.329g/L。调
整后工艺参数为初始糖度28.5%,初始pH3.96,SO2添
加量58.8mg/L,根据此最优参数进行3组平行性实验
以验证响应面法的可行性。结果显示,平均酒精度和
总香味物质含量为15.17°和2.322g/L,与预测值很接
近,因此采用响应面分析法优化得到的工艺参数准
确,对工艺设计和生产具有较强的指导价值。
3 结论
在单因素基础上,采用Box-Behnken响应面法
(RSM)对龙眼酒发酵工艺进行优化,得出了龙眼酒
发酵工艺的最优参数为:初始糖度28.5%,初始pH3.96,
SO2添加量58.8mg/L。各因素对酒精度的影响大小顺
序是:初始糖度<SO2添加量<初始pH;对主要香味物
质的影响大小顺序是:SO2添加量<初始pH<初始糖
度。模型方差分析和响应面分析表明,该模型回归极
显著,对实验拟合较好,对优化的龙眼酒发酵参数具
有一定的实际应用价值。
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