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酵母发酵法提取石耳粗多糖工艺优化



全 文 :第27卷 第1期
2012年1月
北 京 农 学 院 学 报
JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AGRICULTURE
Vol.27,No.1
Jan.,2012
  收稿日期:2011-12-31
  基金项目:安徽省教育厅项目(KJ2010B425)
  作者简介:朱双杰(1978-),男,讲师,硕士,农产品生物化工,Tel:13856935395,E-mail:zhushuangjie@163.com
酵母发酵法提取石耳粗多糖工艺优化
朱双杰,向玉勇,罗 侠,柴新义,张维柱
(滁州学院 生物与食品工程学院,安徽 滁州,239012)
摘 要:为了研究酵母法发酵纯化石耳多糖的工艺,探明酵母对石耳酶解液中多糖、还原糖、总氮含量及pH值的影
响,以及浸提液不同pH对石耳多糖含量的影响,设立酵母添加量、蔗糖添加量、温度及时间的单因素实验,并对单因
素进行了正交优化。试验结果表明,最佳工艺:发酵液pH为5,酵母添加量为0.75mg/mL,蔗糖的补加量为90mg/
mL,温度为30℃,发酵时间为16h。该发酵工艺条件简单,可靠,适合生产。
关键词:酵母发酵;石耳;多糖;工艺优化
中图分类号:O657.32;R284.2 文献标志码:A    doi:10.3963/j.issn.1002-3186.2012.01.019
文章编号:1002-3186(2012)01-0065-04
Technology optimization in extracting Umbilicaria esculenta
polysaccharide by yeast fermentation
ZHU Shuang-jie,XIANG Yu-yong,LUO Xia,CHAI Xin-yi,ZHANG Wei-zhu
(School of Biology and Food Engineering,Chuzhou University,Chuzhou Anhui,239012)
Abstract:To study the technology for extracting Umbilicaria esculenta purifying polysaccharide by yeast fermenting,the effect
of yeast on the contents of polysaccharide,reducing sugar and total nitrogen,the pH in enzyme solution,and the effect of pH
on the content of polysaccharide was researched.The one-factor,the number of yeast,the additive amount of sucrose,the
temperature and the time of fermentation,were designed.On witch the orthogonal tests were optimized.Experiments show
that the best technology were the pH of fermentation liquor 5,the number of yeast 0.75mg/mL,the additive amount of su-
crose is 90mg/mL,the temperature 30℃,and the time of fermenting 16h.The fermenttentation process conditions are sim-
ple,reliable,and suitable for the production.
Ke yword:yeast fermentation;Umbilicaria esculenta;polysaccharide;technology optimization
  石耳,又名石壁花、果皮花,地衣门石耳科(Umbilicaria-
cea)植物石耳的子实体。长于阴湿高山岩石上,是一种药食
兼用的真菌和藻类共生体,特产于中国和日本[1]。石耳药用
价值很高,传统医学认为,石耳性甘平、无毒,有清热、解毒、
健胃、止血、利尿、消胀等功效[2,3]。20世纪70年代起有人
报道石耳治疗老年慢性支气管炎和降血压有效[4],动物试验
结果表明对降压有明显的作用[5],但对中枢神经有抑制作
用[6]。近年来,对石耳的研究主要集中在化学成分和多糖组
分方面[7-10],有研究表明石耳多糖可增强机体的免疫能
力[11-14],对氧自由基有清除作用,对脂质过氧化有抑制作
用[15,16]。目前多糖提取的方法有酸提法、碱提法、酶提法及
热水提法等[17],但这些提取方法有一个共同的弱点,即在多
糖提取后,植物的其他营养成分被丢弃,造成浪费。酵母发
酵法提取多糖是利用酵母在生长过程中,以浸提液中的还原
糖为碳源,蛋白质、游离氨为氮源,以及无机盐、维生素等营
养物质进行生长,但酵母并不能够利用多糖,从而达到对植
物多糖的去杂纯化的效果,目前有关酵母发酵法纯化粗多糖
的报道仅见于枸杞[18,19],分离出的酵母又是生产酵母粉、酵
母蛋白肽、酵母多糖的原料[20,21],因此,研究酵母发酵法提取
多糖技术有利于对农业资源的综合利用。安徽琅琊山石耳
类地衣资源丰富,探讨酵母发酵法对石耳多糖的去杂纯化工
艺,以期为石耳的综合利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与设备
  啤酒酵母(湖北安琪酵母有限公司);石耳(购于市场);
蔗糖(购于市场);KIELETEG ANALYSISER全自动凯氏定
氮仪(瑞典FROSS公司);THZ-82水浴恒温振荡器(江苏荣
华仪器有限公司);UV-720紫外分光光度计(北京瑞利分析
仪器公司);pH计(上海雷磁公司)。
1.2 分析方法
1.2.1 啤酒酵母的活化  取干酵母粉200g,放入1 000
mL 5%蔗糖的酶解液中,酵母的浓度为0.2g/mL,于25℃
摇床活化6h。
66  北 京 农 学 院 学 报 第27卷
1.2.2 提取及测定方法  准确称取石耳干粉20g,按料水
比1∶6加入蒸馏水[22],磨碎后分别加入0.01g纤维素酶和
0.01g蛋白酶,25℃酶解8h,升温灭酶活。加入酵母发酵,
过滤,滤液用旋转蒸发仪将上清液浓缩到适当体积后,缓慢
加入3倍体积的无水乙醇,4℃低温放置过夜,可见白色絮状
粗多糖析出[23],4 500r/min离心20min,收集沉淀物,干燥
得粗多糖。还原糖含量的测定参照文献[24],采用苯酚-硫
酸法测定粗多糖中多糖含量[25],计算多糖得率。计算公式:
多糖得率(%)=(粗多糖中多糖含量/石耳干重)×100%,总
氮的测定:凯氏定氮法[26],总氮去除率(TN%)=(发酵前总
氮-发酵滤液总氮-粗多糖总氮)/发酵前总氮,还原糖去除
率(%)=(发酵前总还原糖-发酵滤液总还原糖)/发酵前总
还原糖。
多糖的纯度(%)=(粗多糖量-粗多糖总氮)/粗多糖量。
1.2.3 发酵不同时间后的发酵液多糖、还原糖、总氮及pH
的测定  取80mL酶解液,添加活化的酵母20mL,浓度为
0.5mg/L,在25℃下进行发酵培养,测定不同发酵8,16,
24,32,40,48h时间里发酵液中的多糖、总氮去除率、pH。
1.2.4 不同浸提液pH多糖含量的测定  不加酵母,改变
浸提液的pH,分析pH对多糖含量的影响。
1.2.5 单因素试验  发酵温度设为20、25、30、35、40℃等5
个水平,蔗糖添加量为0、30、60、90、120mg/mL等5个水
平,酵母添加量为0.25、0.5、0.75、1、1.25mg/mL等5个水
平,以时间和总氮去除率为参考指标进行单因素实验。
1.2.6 正交试验 在上述单因素试验的基础上,采用 L9
(34)正交试验进行提取工艺的优化,以酵母数量(A)、蔗糖添
加量(B)、温度(C)及时间数(D)为试验因素,以总氮的去除
率、粗多糖得率为参考指标进行正交优化。
2 结果及分析
2.1 酵母发酵对石耳浸提液中的多糖、还原糖及总氮含量
的影响
  图1显示,在发酵前32h,多糖得率在发酵过程中基本
保持稳定。发酵前24h,总还原糖的去除率达95%,总氮去
除率为46%,在24~32h总还原糖及总氮的含量基本稳定,
在发酵进行32h后,滤液中的多糖含量增加,总还原糖及总
氮的去除率反而降低,这可能是发酵液中的还原糖含量过
低,酵母停止生长,转入代谢并发生生理自溶,酵母多糖及酵
母本身的还原糖及蛋白被释放到发酵液中形成的。
图1 发本酵过程中总氮、多粮和还原糖的变化
Fig.1 Chang of total nitrogen,polysaccharide,
reducing sugar during fermanting
  从图1可以看出,酵母发酵法纯化石耳多糖,还原糖是
影响多糖纯化制约因子。石耳中酵母可利用的还原糖不足,
需要添加还原糖,但考虑到实际中生产成本,在发酵过程中
补加蔗糖为碳源,因为酿酒酵母中的蔗糖转换酶可以将酵母
细胞外的蔗糖降解成果糖和葡萄糖来提供酵母生长所需的
碳源[27]。石耳中的氮源丰富,石耳经酶解及发酵,蛋白质及
氨基酸被酵母逐步利用,选择总氮去除率为发酵结果的纯度
指标。
2.2 发酵过程中发酵液酸度的变化及其对多糖含量的影响
  图2显示,酵母发酵会引起发酵液的pH 值降低,在试
验所设的时间范围内,最低pH为3.5。图3显示,pH过低
会导致多糖的降解,pH为5时有利于石耳多糖的提取,最适
pH值为5。综合发酵的目的是获得石耳多糖,同时又不影
响纯化效果,设定发酵液的pH为5。
图2 发酵过程中pH值变化
Fig.2 Change of pH during fermanting
图3 pH对多糖含量的影响
Fig.3 The effect of pH on the content of polysaccharide
2.3 单因素试验结果
2.3.1 酵母的添加量对总酸的影响 图4可知,发酵初始
酵母的添加量越大,发酵的进程就越短,对总氮的去除就越
彻底,但酵母的量过大时,会因为发酵液中的营养物质过早
的消耗完而导致酵母的自溶,发酵滤液中的总氮的含量又升
高。从图4可以看出,初始酵母的最适添加量为0.5mg/
mL,发酵时间为24h。
2.3.2 蔗糖的量对总氮的影响 由图5可以看出,蔗糖的
添加量越大,对发酵液中的总氮去除效果越好,而且去除的
时间也越短。但是,蔗糖的量过大虽然发酵时间缩短并且对
氮的去除也较彻底,但会导致发酵液中还原糖的量增加,这
可能是酵母中的蔗糖转换酶将蔗糖转化为果糖和葡萄糖。
随着酵母自溶而释放到发酵液中,同时,释放到发酵液中的
蔗糖转换酶进一步催化蔗糖转化为还原糖。由图5可以看
2012年第1期 朱双杰 等:酵母发酵法提取石耳粗多糖工艺优化 67 
出,蔗糖的最适添加量为60mg/mL,发酵时间为24h。
图4 酵母添加量对总氮去除效果的影响
Fig.4 The effect of ridding of totle nitrogen
by the additive number of yeast
图5 蔗糖的添加量对总氮的去除效果影响
Fig.5 Effect of ridding of totle nitrogen by the
additive amount of sucrose
2.3.3 温度对总氮的影响  由图6可知,温度为20℃和
40℃对总氮的去除效果不彻底,可能是低温和高温都不利
于啤酒酵母的生长;当温度为25℃和35℃时,对总氮的去
除效果彻底,但所需时间长;温度为30℃,总氮含量下降迅
速,总氮去除也彻底,所需时间短。说明30℃是酵母在石耳
酶解液中生长的最适温度,发酵时间为24h。
图6 温度的添加量对总氮的去除效果影响
Fig.6 Effect of ridding of totle nitrogen by the temperature
2.4 正交试验优化酵母纯化石耳粗多糖的工艺
  由以上试验知,总氮的去除率是影响粗多糖纯度的关
键,因此该试验以粗多糖纯度和粗多糖得率对实验进行正交
设计,并保持发酵过程发酵液的pH为5。该试验选择酵母的
添加量、蔗糖的添加量、发酵的温度和发酵的时间4个试验因
素,每个因素3个水平进行正交实验,采用L9(34)正交表(见
表1),对所得试验结果进行极差分析,确定最佳工艺条件。
  表2、表3和表4可知,对多糖纯度影响的因素大小为C
>A>B>D,其中温度和酵母的量对粗多糖纯度的影响显著。
对多糖提取率的影响因素大小为B>D>A>C,但方差分析,4
个因素对多糖得率的影响不显著。故以多糖纯度为标准确定
最佳工艺,即最佳工艺条件为C2>A3>B3>D1,即酵母量为
0.75mg/mL,蔗糖的补加量为90mg/mL,温度为30℃,时间
为16h。
表1 因素水平表L9(34)
Tab.1 Factors and levels graph L9(34)
水平
因素
A酵母量/(mg/mL)B蔗糖/(mg/mL) C温度/℃ T时间/h
1  0.25  30  25  16
2  0.5  60  30  24
3  0.75  90  35  32
表2 正交实验结果
Tab.2 Resut of orthogonal test
处理号
A酵母量
/(mg/L)
B蔗糖
/(mg/mL)
C温度
/℃
T时间
/h
多糖纯
/%
多糖
得率/%
1  1  1  1  1  61.34  15.43
2  1  2  2  2  72.67  16.23
3  1  3  3  3  64.32  17.42
4  2  1  2  3  77.47  16.67
5  2  2  3  1  73.53  16.32
6  2  3  1  2  76.56  17.42
7  3  1  3  2  64.56  15.84
8  3  2  1  3  78.38  16.79
9  3  3  2  1  85.46  17.46
k1  66.11  67.79  67.47  71.26333
k2  76.1333 75.4467 78.5333 73.4433
k3  10.0233  7.6567  11.0633  2.18
R  9.02768  6.8961  9.96437 1.96345
k1' 16.36  15.98  16.54667 16.40333
k2' 16.80333 16.44667 16.78667 16.49667
k3' 16.69667 17.43333 16.52667  16.96
R' 0.4433  1.4533  0.26  0.5567
表3 正交设计方差分析表(多糖纯度)
Tab.3 The variance analysis of orthogonal design
(polysaccharide purity)
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 显著水平
A酵母量 195.47816  2  97.73908  21.06910 0.04531*
B蔗糖 108.95362  2  54.47681  11.74328  0.07847
C温度 185.24616  2  92.62308  19.96627 0.04770*
T时间 9.27796  2  4.63898
误差 9.2780  2  4.63898
总和 498.95589
“*”表示在0.05水平上显著。
表4 正交设计方差分析表(多糖得率)
Tab.4 Variance analysis of orthogonal design(polysaccharose)
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 显著水平
A酵母量 0.32127  2  0.16063  0.60245  0.62404
B蔗糖 3.30347  2  1.65173  6.19477  0.13899
C温度 0.1256  2  0.0628  0.23553  0.80937
T时间 0.53327  2  0.26663
误差 0.5333  2  0.26663
总和 4.2836
68  北 京 农 学 院 学 报 第27卷
3 结论与讨论
  由于酵母在生长过程中需要碳源,以及酵母在生长过程
中,发酵滤液的pH 会降低,因此先探讨了石耳酶解液对酵
母发酵的影响,以及发酵滤液对多糖得率的影响,在此基础
上确立并优化了发酵的工艺条件。该研究表明,蔗糖是影响
发酵进程的关键因素,弱酸性有利于促进石耳酶解液中的多
糖进一步溶出,酸度过高会导致多糖的降解。酵母发酵纯化
石耳粗多糖的工艺条件为酶解夜的pH为5,发酵过程中需
要添加蔗糖的量为90mg/mL,发酵温度为30℃,酵母添加
量为0.75mg/mL,发酵时间为16h。该研究中选用多糖纯
度=(粗多糖量-粗多糖含氮量)/粗多糖量,是鉴于前期预备
实验中发现:对多糖纯度影响的主要成分是粗多糖中的氮的
含量,粗多糖中无机盐、维生素的含量极低,可以忽略不计。
该研究为石耳粗多糖的提取提供了试验依据,为石耳的综合
利用提供参考。
  关于粗多糖的提取方法的报道很多[28],基本上是理化
方法,有碱提法和酸提法,但由于有些多糖在碱液或酸液中
不稳定,容易分解[17,28],因此这两种提取方法所得多糖量要
低于实际含量,同时,生产中还涉及对酸液、碱液的处理,目
前未见文献报道。传统的粗多糖提取中一般用有机溶剂进
行初步纯化,通常使用的有丙酮、乙醚、乙醇等极性有机溶
剂[17,28],丙酮、乙醚具有一定的毒性,怎样去除多糖中的残留
的有机溶剂目前也未见报道。其次,虽然近年来开始使用膜
法提取多糖[29],但提取液中蛋白质、氨基酸、微量元素、维生
素等有益成分随着提取废液被排放掉,这不仅增加了提取成
本,还会造成环境污染。酵母发酵法提取多糖工艺属于生物
提取法,酵母在生长过程中不能利用多糖,但能利用还原糖,
氨基酸、维生素以及提取液中的蛋白质等进行生长,在工业
生产这些酵母可以用作为生产酵母肽、酵母粉、酵母多糖的
原料[29-32],因此酵母发酵法提取粗多糖不仅可以去除提取液
中的杂质,达到纯化粗多糖的目的,还可以使得多糖提取的
原料得以充分利用,有利于降低企业的生产成本,为企业增
加新的经济增长点,有利于减少环境污染,排除粗多糖中有
毒有机溶剂的残留。因此,酵母发酵法提取粗多糖具有独特
的优点。
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