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        藜麥發(fā)酵工藝優(yōu)化及活性研究

        2018-11-02 09:35:16楊人乙
        食品與機(jī)械 2018年9期
        關(guān)鍵詞:總酚槲皮素糖苷酶

        韓 林 楊人乙 胡 悅 蔣 維

        (1. 重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,重慶 404100;2. 渝東北特色生物資源開發(fā)利用工程中心,重慶 404100)

        藜麥(Chenopodiumquinoa)又稱昆諾阿藜、南美藜等,是一種原產(chǎn)于南美洲的蓼科類植物,約250個品種,有著5 000 多年的種植歷史[1-2]。藜麥營養(yǎng)豐富,含有大量蛋白質(zhì)、碳水化合物和其它活性成分,其蛋白質(zhì)平均含量高達(dá)15%,高于大米、玉米、大麥等糧食作物,主要由白蛋白(35%)和球蛋白(37%)構(gòu)成;淀粉含量約占藜麥總重的52%~69%,同時膳食纖維含量也高達(dá)7.0%~9.7%[1]。此外,大量研究[3-5]表明,藜麥中多酚含量也非常豐富,主要由槲皮素、蘆丁、山奈酚、阿魏酸、原兒茶酚及香草酸等活性成分組成。研究[1,6]發(fā)現(xiàn),藜麥具有抗氧化、抗炎、降血糖和減肥等多種生理功效,而這些功能活性與藜麥中豐富的營養(yǎng)成分,特別是多酚、黃酮及皂苷類物質(zhì)密不可分。因此,提高藜麥中功能活性成分的含量便可大大增加其營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價值。郭謀子等[2]研究表明,浸泡及催芽處理可提高藜麥中膳食纖維和黃酮類化合物的含量,使其營養(yǎng)更加均衡合理。然而國內(nèi)外關(guān)于發(fā)酵處理對藜麥中活性成分如多酚的影響則鮮有報道。

        本試驗選用酵母菌對藜麥進(jìn)行發(fā)酵處理,并利用響應(yīng)面法優(yōu)化其發(fā)酵工藝,考察各因素對藜麥發(fā)酵過程中多酚積累的影響。同時,應(yīng)用HPLC對發(fā)酵前后藜麥中的主要酚類物質(zhì)進(jìn)行分析,比較發(fā)酵前后對藜麥抗氧化和抑制α-葡萄糖苷酶活性的影響,旨在探索提升藜麥營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價值的新方法,為藜麥的深入開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料與試劑

        酵母菌:安琪酵母股份有限公司;

        藜麥:山西稼祺農(nóng)業(yè)科技有限公司;

        槲皮素、蘆丁、山奈酚、阿魏酸標(biāo)準(zhǔn)品:純度為98%,上海源葉生物科技有限公司;

        DPPH、ABTS:美國Sigma公司;

        α-葡萄糖苷酶、pNPG:美國Sigma公司;

        無水甲醇、過硫酸鉀等其它試劑:國產(chǎn)分析純。

        1.1.2 主要儀器設(shè)備

        高效液相色譜儀:LC20A型,日本島津公司;

        電子分析天平:AL104型,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;

        紫外-可見分光光度計:UEC0905005型,上海博普達(dá)儀器制造有限公司;

        旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:RE52-86A型,上海亞榮生化儀器廠。

        1.2 試驗方法

        1.2.1 總酚含量的測定 準(zhǔn)確量取50 mL體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液,加入10 g藜麥發(fā)酵樣品中,60 ℃條件下水浴提取30 min,離心后過濾,殘渣再次提取2次,合并濾液,低壓旋轉(zhuǎn)濃縮至25 mL后進(jìn)行總酚含量的測定。采用Folin-酚法測定藜麥發(fā)酵樣品提取液中總酚含量[7],具體操作為:準(zhǔn)確移取1.0 mL提取液,加入1.0 mL Folin-酚顯色劑,混勻后靜置3 min,再加入1.0 mL濃度為1.0 mol/L的Na2CO3水溶液,用蒸餾水定容至10.0 mL,混合均勻,室溫下避光放置1 h后于725 nm處測定吸光度,同時以蘆丁作標(biāo)準(zhǔn)品得標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為Y=2.817 5X-0.001 5,R2=0.993。藜麥發(fā)酵樣品中總酚含量按式(1)計算:

        (1)

        式中:

        c——發(fā)酵藜麥中總酚含量,mg/g;

        m1——提取液中總酚含量,mg;

        m2——藜麥發(fā)酵樣品質(zhì)量,g。

        1.2.2 單因素試驗

        (1) 菌種添加量對總酚含量的影響:準(zhǔn)確稱取藜麥粉末10 g,分別按0.25%,0.50%,1.00%,2.00%,4.00%添加酵母菌,再加入20 mL蒸餾水,28 ℃下發(fā)酵48 h后,按1.3.1方法進(jìn)行總酚的提取和測定。

        (2) 發(fā)酵時間對總酚含量的影響:準(zhǔn)確稱取藜麥粉末10 g,酵母菌添加量為2.0%,加入20 mL蒸餾水于28 ℃發(fā)酵不同時間(24,48,72,96,120 h)后,按1.3.1方法進(jìn)行總酚的提取和測定。

        (3) 水分添加量對總酚含量的影響:分別稱取藜麥粉末10 g,加入不同體積(10,15,20,25,30 mL)的蒸餾水,再加入2.0%的酵母菌,于28 ℃下發(fā)酵48 h后,按1.3.1方法進(jìn)行總酚的提取和測定。

        1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ),設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗,優(yōu)化酵母菌添加量、發(fā)酵時間、水分添加量對藜麥發(fā)酵過程中總酚積累的工藝條件。

        1.2.4 HPLC分析 色譜條件為: Waters Symmetry C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),柱溫30 ℃,檢測波長280 nm。流動相A和B分別為:乙酸水(pH 2.6)、色譜甲醇,洗脫條件為:0~15 min,15%~25%流動相B;15~25 min,25%流動相B;25~65 min,25%~75%流動相B;65~80 min,75%~15%流動相B;流速為0.8 mL/min。根據(jù)保留時間和峰面積外標(biāo)單點(diǎn)法進(jìn)行定性和定量分析[8]。

        1.2.5 抗氧化活性

        (1) 對DPPH自由基的清除能力:根據(jù)文獻(xiàn)[9],修改如下:分別稱取1 g藜麥發(fā)酵樣品(響應(yīng)面優(yōu)化最佳條件下發(fā)酵所得)和未發(fā)酵藜麥樣品,按1.3.1方法提取后,低壓旋轉(zhuǎn)濃縮,真空冷凍干燥。將真空冷凍干燥的提取物分別配制成8,16,24,32,40 mg/mL,準(zhǔn)確吸取0.1 mL不同質(zhì)量濃度的各樣品溶液,加入3.9 mL DPPH溶液(25.61 mg/L),室溫避光反應(yīng)30 min,利用紫外—可見分光光度計在517 nm處測定吸光度As。同時測定得到0.1 mL不同濃度的樣品加入3.9 mL 70%乙醇后的吸光度Aj,以及空白吸光度Ac。按式(2) 計算DPPH自由基的清除率。

        (2)

        式中:

        R——DPPH自由基清除率,%;

        As——加入樣品后的吸光度;

        Aj——加入70%乙醇后的吸光度;

        Ac——空白的吸光度。

        (2) 對ABTS自由基的清除能力:根據(jù)文獻(xiàn)[10],修改如下:準(zhǔn)確吸取0.1 mL不同質(zhì)量濃度(1.0,2.0,4.0,8.0,16.0 mg/mL)的各樣品溶液,加入3.9 mL ABTS溶液,混合均勻后室溫反應(yīng)6 min,置于734 nm處測定吸光度AE,同時進(jìn)行空白試驗得到吸光度AB。按式(3)計算ABTS自由基的清除率。

        (3)

        式中:

        S——ABTS自由基清除率,%;

        AB——加入樣品后的吸光度;

        AE——加入70%乙醇后的吸光度。

        1.2.6α-葡萄糖苷酶抑制活性 根據(jù)文獻(xiàn)[11],修改如下:用0.1 mol/L pH 6.8的PBS緩沖液配制不同濃度的α-葡萄糖苷酶(3.0×10-7mol/L)和pNPG溶液(3.0×10-4mol/L)。準(zhǔn)確移取25 μLα-葡萄糖苷酶溶液,分別加入25 μL不同濃度的樣品提取物(0.4,2.0,10.0,51.0,128.0 μg/mL),37 ℃恒溫孵育15 min,再加入50 μL pNPG溶液(0.3 mmol/L),37 ℃ 恒溫孵育20 min,加入200 μL 0.5 mol/L Na2CO3終止反應(yīng),于405 nm處測定吸光值,并按式(4)計算各樣品提取物對α-葡萄糖苷酶的抑制活性。

        (4)

        式中:

        I——抑制率,%;

        AK——空白的吸光度;

        AY——加入樣品后的吸光度。

        1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

        使用SAS 9.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用單因素方差分析中的Duncan’s多重比較法分析結(jié)果間的顯著差異(P<0.05表示具有顯著性差異)。每組試驗均重復(fù)3次,結(jié)果以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 單因素試驗

        酵母菌添加量、發(fā)酵時間和水分添加量對發(fā)酵藜麥提取物中總酚含量的影響見圖1~3。隨著酵母菌添加量的增加,藜麥經(jīng)發(fā)酵后其總酚含量也逐步增加,但當(dāng)菌種添加量超過2.0%時,總酚含量開始下降(圖1),說明低濃度的酵母菌發(fā)酵在一定時間內(nèi)可顯著提高藜麥中多酚含量,而濃度過高則會減少多酚的生成。在藜麥發(fā)酵前3 d,總酚含量幾乎呈線性增加,最高可達(dá)5.79 mg/g,而發(fā)酵3 d后總酚含量則逐步減少(圖2),與李玉珠等[12]報道一致,可能與酵母菌對多酚的消耗和利用有關(guān)。此外,當(dāng)水分添加量為15 mL 時,藜麥經(jīng)發(fā)酵后總酚含量較高,可達(dá)5.50 mg/g,而過多或過少水分添加量都會影響藜麥發(fā)酵過程中總酚的積累(圖3)。多酚通常以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)形式存在于食物中,發(fā)酵過程中,微生物可分泌產(chǎn)生一些酶,作用于結(jié)合態(tài)多酚使其游離,同時也會利用部分多酚進(jìn)行生長繁殖[8],因此適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵處理可提高藜麥中總酚的含量,增強(qiáng)其功能活性,后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗分別以酵母菌添加量2.0%,發(fā)酵時間3 d 和水分添加量15 mL作為中心值(見表1)進(jìn)行發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化。

        圖1 菌種添加量對總酚含量的影響Figure 1 Effect of the amount of yeast on the content of total phenols

        圖2 發(fā)酵時間對總酚含量的影響Figure 2 Effect of fermentation time on the content of total phenols

        圖3 水分添加量對總酚含量的影響Figure 3 Effect of the amount of water on the content of total phenols

        2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

        采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法,優(yōu)化菌種添加量、發(fā)酵時間和水分添加量對藜麥發(fā)酵過程中總酚含量的影響,結(jié)果見表2。利用SAS軟件對結(jié)果進(jìn)行分析可知,總酚含量對X1、X2和X3的二次多項回歸方程為:

        表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1 Variables and levels in response surface method

        表2藜麥發(fā)酵響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果

        Table 2 Experimental design and result of central composite test on the fermentation of quinoa

        試驗號X1X2X3總酚含量/(mg·g-1)110-11.9082-1005.0493-1014.12641-102.81350005.29761103.718701-13.5238-1-103.59490113.629100004.854110005.283120-113.43413-10-12.245140005.310150-1-12.902161012.77717-1104.463

        (5)

        由表3可知,根據(jù)響應(yīng)面試驗結(jié)果擬合的回歸模型達(dá)到極顯著水平(P=0.001 2<0.01),說明此模型與試驗擬合較好,能較為準(zhǔn)確、真實地反映試驗結(jié)果,其復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.95。顯著性檢測結(jié)果(表4)表明,在試驗水平范圍內(nèi),3個因素對藜麥發(fā)酵中總酚含量均會產(chǎn)生顯著影響,其中菌種添加量(X1)影響最大(P值最小),水分添加量(X3)次之,而發(fā)酵時間(X2)影響相對較小(P值最大)。同時,各因素之間的交互作用對總酚含量的影響均不顯著(P>0.05)。

        表3 回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

        表4 二次多項式回歸方程系數(shù)的顯著性分析Table 4 Regression coefficients of predicted quadratic polynomial model

        由SAS分析可知,當(dāng)菌種添加量(X1)、發(fā)酵時間(X2)和水分添加量(X3)分別為1.7%、3.3 d(80 h)、15.8 mL時,總酚含量最大,為5.37 mg/g。選擇菌種添加量1.7%,發(fā)酵時間80 h和水分添加量16 mL發(fā)酵藜麥,進(jìn)行驗證實驗,3次平行結(jié)果得到藜麥在上述條件下經(jīng)發(fā)酵后總酚平均含量為(5.31±0.11) mg/g,與模型預(yù)測值非常接近,相對誤差僅為1.12%。同時,與未經(jīng)發(fā)酵的藜麥總酚含量[(2.17±0.08) mg/g]相比,藜麥經(jīng)優(yōu)化發(fā)酵后,總酚含量可提高2倍之多。綜上,本試驗利用響應(yīng)面法優(yōu)化所得的模型與實際試驗結(jié)果接近,可用于預(yù)測藜麥在發(fā)酵過程中總酚含量的變化情況,同時藜麥經(jīng)發(fā)酵處理后,可大大提高其總酚含量,增加其營養(yǎng)價值,具有一定的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價值。

        2.3 藜麥中主要酚類物質(zhì)的分析

        研究[13]表明,藜麥中含有豐富的多酚類物質(zhì),特別是蘆丁、槲皮素及山奈酚等的含量比蕎麥還高,而這些活性成分的含量直接影響著藜麥的生理功能。發(fā)酵前后藜麥提取物的高效液相色譜分析見圖4。由圖4可知,未發(fā)酵藜麥中蘆丁含量較為豐富[(262.2±5.39) mg/kg],發(fā)酵處理后其含量稍有下降[(219.5±11.39) mg/kg],然而藜麥在發(fā)酵前幾乎檢測不到槲皮素,但經(jīng)發(fā)酵后,槲皮素的含量[(113.4±8.73) mg/kg]顯著增加,說明在發(fā)酵過程中許多槲皮素衍生物的糖苷鍵被破壞,形成了游離態(tài)的槲皮素。同時,發(fā)酵后的藜麥中含量較多的香草酸(44.7±2.54)mg/kg,藜麥中香草酸常常以結(jié)合態(tài)形式存在,一般不易提取[14],本試驗通過微生物處理可有效將藜麥中部分結(jié)合態(tài)的香草酸釋放,易于機(jī)體的吸收利用。

        1. 蘆丁 2. 槲皮素 3. 香草酸 圖4 藜麥提取物液相色譜圖Figure 4 The liquid chromatogram of extraction from quinoa

        2.4 抗氧化活性

        2.4.1 DPPH自由基的清除作用 由圖5可知,隨著質(zhì)量濃度的增加,樣品對DPPH自由基的清除效果增強(qiáng),并在試驗濃度范圍內(nèi)呈一定的線性關(guān)系,R2分別為0.966 7(發(fā)酵藜麥)和0.995 2(未發(fā)酵藜麥),同時藜麥經(jīng)發(fā)酵后提取所得樣品對DPPH自由基的清除率均顯著高于未發(fā)酵藜麥提取物的(P>0.01),其IC50值分別為16.42,39.48 mg/mL,說明發(fā)酵處理可提高藜麥中的抗氧化活性成分,研究[1]表明,藜麥中主要的酚類抗氧化活性成分為蘆丁、槲皮素、香草酸和阿魏酸等,如2.3結(jié)果所示,發(fā)酵后藜麥中主要的酚類物質(zhì)含量顯著提高,因此增強(qiáng)了其自由基清除能力。

        2.4.2 ABTS自由基的清除作用 由圖6可知,與DPPH自由基清除效果相似,樣品清除ABTS自由基的能力隨質(zhì)量濃度的增加而增強(qiáng),發(fā)酵處理可顯著提高藜麥提取物對ABTS自由基的清除能力,平均可增加31.97%的清除率,其IC50分別為1.51,6.66 mg/mL,提高了4.4倍。

        圖5 藜麥對DPPH自由基的清除作用Figure 5 The DPPH free radical scavenging activity of quinoa

        圖6 藜麥對ABTS自由基的清除作用Figure 6 The ABTS free radical scavenging activity of quinoa

        2.5 α-葡萄糖苷酶抑制活性

        α-葡萄糖苷酶是一種位于腸膜表面,可以分解碳水化合物,釋放出葡萄糖的消化酶,抑制該酶的活性可有效降低餐后血糖水平,調(diào)節(jié)糖化學(xué)代謝[15]。由圖7可知,藜麥發(fā)酵處理可顯著提高其對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用,相對于未發(fā)酵的樣品,抑制率平均可提高12.41%。研究[16-17]表明,天然活性成分,如蘆丁、槲皮素等均具有良好的α-葡萄糖苷酶抑制活性,而藜麥中則富含這些物質(zhì),并且經(jīng)發(fā)酵后,槲皮素的含量顯著增加,因此表現(xiàn)出更好的α-葡萄糖苷酶抑制作用。

        3 結(jié)論

        本研究以總酚含量為評價指標(biāo),利用響應(yīng)面法優(yōu)化了藜麥發(fā)酵工藝條件:菌種添加量1.7%,發(fā)酵時間80 h,水分添加量16 mL,各因素對藜麥發(fā)酵過程中總酚含量影響的程度依次為:菌種添加量>水分添加量>發(fā)酵時間。在此條件下,藜麥發(fā)酵后總酚平均含量為(5.31±0.11) mg/g,與模型預(yù)測值之間的相對誤差僅為1.12%。藜麥經(jīng)發(fā)酵處理后,可顯著提高其中槲皮素和香草酸的含量,而對蘆丁含量幾乎沒有影響。同時,發(fā)酵處理可以大大提高藜麥的抗氧化活性。藜麥發(fā)酵后對DPPH自由基的清除率顯著提高,IC50為16.42 mg/mL,遠(yuǎn)小于未發(fā)酵的39.48 mg/mL;對ABTS自由基的清除效果同樣也顯著增加,提高了4.4倍。此外,發(fā)酵處理后,藜麥對α-葡萄糖苷酶的抑制作用也顯著增強(qiáng),抑制率平均提高了12.41%。

        圖7 藜麥對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用Figure 7 The α-glucosidase inhibiting activity of quinoa

        有關(guān)藜麥發(fā)酵工藝優(yōu)化的研究報道甚少,本試驗證實發(fā)酵處理可顯著提高藜麥中的總酚含量,同時也大大增強(qiáng)了其生物活性,可為深入開發(fā)藜麥功能性食品提供思路。后續(xù)將對發(fā)酵處理影響藜麥中總酚含量的作用機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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