曹亞玲,吳祖芳*,沈 飚,翁佩芳,章瀟偉
(1.寧波大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315832;2.舟山海關(guān)綜合技術(shù)服務(wù)中心,浙江 舟山 316100;3.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)
遠(yuǎn)東擬沙丁魚(yú)(Sardinops sagax)是一種分布廣、資源量大的中上層遠(yuǎn)洋魚(yú)類(lèi),富含蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1-2].隨著魚(yú)類(lèi)深加工比重的提高,沙丁魚(yú)頭等副產(chǎn)品產(chǎn)量也在逐年增加,這些加工副產(chǎn)物通常被直接丟棄而造成資源浪費(fèi),但也可通過(guò)加工用于飼料、膠原蛋白和肥料等,另外還可用于海洋源生物活性肽的制備[3-7].微生物發(fā)酵是一種利用魚(yú)類(lèi)加工副產(chǎn)物的有效途徑,通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)對(duì)富含蛋白質(zhì)的副產(chǎn)品(如魚(yú)頭、魚(yú)皮等)發(fā)酵可產(chǎn)生抗氧化肽等生物活性物質(zhì)[8].Ruthu 等[9]通過(guò)乳酸菌發(fā)酵魚(yú)頭獲得抗氧化肽.Fang 等[10]采用米曲霉對(duì)廢棄大菱鲆(Scophthalmus maximus)魚(yú)皮進(jìn)行高價(jià)值利用,研究發(fā)酵液抗氧化活性,并通過(guò)分離純化達(dá)到提高抗氧化活性的目的.
本實(shí)驗(yàn)室前期從發(fā)酵魚(yú)露中篩選出一株貝萊斯芽孢桿菌(編號(hào)為SW5),并研究表明此菌種在分類(lèi)上屬于解淀粉芽胞桿菌植物亞種,兩者屬同物異名,而解淀粉芽孢桿菌屬于食品用微生物菌種.有研究表明貝萊斯芽孢桿菌具有良好的生物安全性和益生功能,具有用于食品領(lǐng)域的潛力[11-14].另有研究發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌種可以產(chǎn)生高活力胞外蛋白酶,能迅速水解魚(yú)蛋白[15].本團(tuán)隊(duì)前期利用貝萊斯芽孢桿菌SW5 發(fā)酵鳀魚(yú)制備魚(yú)露,屬于可用作海洋蛋白質(zhì)源發(fā)酵精深加工的優(yōu)良微生物菌株[15].眾多研究通過(guò)基因工程手段也發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌SW5 蛋白酶和半乳糖苷酶具有較強(qiáng)的魚(yú)蛋白質(zhì)底物特異性[16-20],此外,也有研究表明貝萊斯芽孢桿菌發(fā)酵液具有較強(qiáng)的抗氧化活性[21].
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法已被廣泛用于解決多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題,有研究報(bào)道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法比其他常見(jiàn)擬合方法(如響應(yīng)面法)更準(zhǔn)確[22].尹樂(lè)斌等[23]利用遺傳算法-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及響應(yīng)面法優(yōu)化龍牙百合總黃酮提取工藝.薛宏坤等[24]采用響應(yīng)面法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法模型兩種方式對(duì)微波萃取藍(lán)莓中花青素的工藝進(jìn)行優(yōu)化,驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法模型比響應(yīng)面法具有更強(qiáng)的預(yù)測(cè)和優(yōu)化能力.
本文以遠(yuǎn)東擬沙丁魚(yú)魚(yú)頭為原料,應(yīng)用貝萊斯芽孢桿菌SW5 進(jìn)行發(fā)酵,計(jì)算DPPH 自由基清除率和水解度,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法對(duì)發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、接種量進(jìn)行優(yōu)化,期望獲得最佳發(fā)酵條件,確保將沙丁魚(yú)下腳料(魚(yú)頭)有效地轉(zhuǎn)化為具有生物活性的蛋白質(zhì)水解物,通過(guò)工業(yè)水平生產(chǎn)的抗氧化活性物質(zhì)為魚(yú)類(lèi)加工提供增值產(chǎn)品,有助于實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)性發(fā)展.
菌種: 貝萊斯芽孢桿菌SW5,寧波大學(xué)食品生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室分離篩選并保藏;沙丁魚(yú)頭,寧波佳必可食品有限公司提供,-20 ℃?zhèn)溆?胰蛋白胨、酵母粉,賽默飛世爾科技公司;瓊脂、十二烷基硫酸鈉,阿達(dá)瑪斯試劑有限公司;絲氨酸標(biāo)準(zhǔn)品、雙縮脲試劑盒、二硫蘇糖醇,北京索萊寶生物科技有限公司;鄰苯二甲醛、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼,上海麥克林生化科技有限公司.
LB 培養(yǎng)基(g·L–1): 蛋白胨、NaCl、酵母粉、瓊脂于121 ℃條件下滅菌15 min.
Spectramax 190 全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀,美國(guó)美谷分子儀器有限公司;ALC210.3 電子天平,賽多利斯公司;5804R 高速冷凍離心機(jī),德國(guó)Eppendorf 公司;QYC-2012C 恒溫培養(yǎng)搖床、HWS-280 恒溫培養(yǎng)箱、LDZX-40B 高壓蒸汽滅菌鍋,寧波江南儀器廠;HH-4 恒溫水浴鍋,江蘇國(guó)華電器有限公司.
1.2.1 菌種活化
將貝萊斯芽孢桿菌SW5 從試管斜面處接種至400 mL·L–1的LB 培養(yǎng)基中(培養(yǎng)基已經(jīng)15 min 的121 ℃高壓蒸汽滅菌,并冷卻至室溫),接著在37℃、180 r·min–1恒溫?fù)u床中培養(yǎng)12 h,備用.
1.2.2 原料預(yù)處理
將冷凍沙丁魚(yú)魚(yú)頭流水解凍,瀝干水分后去除魚(yú)鰓部分.將魚(yú)頭用絞肉機(jī)打成魚(yú)糜,并將魚(yú)糜與蒸餾水按1 g:1.25 mL 在100 mL 瓶中混合,每瓶20 g魚(yú)糜,放入80 ℃水浴鍋中,待魚(yú)糜樣品中心溫度達(dá)到80 ℃后保溫30 min,以達(dá)到巴氏消毒的目的,最后冷卻至室溫,備用.
1.2.3 沙丁魚(yú)頭營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定
蛋白質(zhì)含量根據(jù)凱式定氮法測(cè)定;脂肪含量根據(jù)索式抽提法測(cè)定;水分含量根據(jù)直接干燥法測(cè)定;灰分含量根據(jù)灼燒稱(chēng)重法測(cè)定.
1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
沙丁魚(yú)頭作為蛋白底物,采用貝萊斯芽孢桿菌SW5 作為發(fā)酵菌株,150 r·min–1搖床發(fā)酵.制備種子液,取一定比例種子液離心,8 000 r·min–1,5 min,得到菌體細(xì)胞,用0.9%生理鹽水洗滌3次,用生理鹽水重懸至菌液濃度約為107CFU·mL–1.接種于20 g 魚(yú)肉中,魚(yú)肉與水添加量為1:1.25.選取接種量(1%、3%、5%、7%、9%)、發(fā)酵溫度(27、32、37、42、47 ℃)、發(fā)酵時(shí)間(6、12、18、24、30、36、42、48 h)等作為單因素實(shí)驗(yàn)的影響因素,以水解度和DPPH 自由基清除率為指標(biāo),研究各條件對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物抗氧化活性的影響.當(dāng)研究某個(gè)變量時(shí),其他因素的條件為發(fā)酵溫度37 ℃,發(fā)酵時(shí)間36 h,接種量5%.
1.2.5 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以水解物DPPH自由基清除率(%)為響應(yīng)值,選取發(fā)酵溫度(32、37、42 ℃)、發(fā)酵時(shí)間(30、36、42 h)、接種量(1%、3%、5%)為自變量,具體見(jiàn)表1.
表1 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平
1.2.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化發(fā)酵條件
(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network,ANN)的建立.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為三層結(jié)構(gòu): 輸入層、隱含層和輸出層,隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)利用MATLAB 2016b 軟件進(jìn)行模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn),選取不同隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)進(jìn)行擬合比較并最終確定.本文將發(fā)酵溫度(32~42 ℃)、發(fā)酵時(shí)間(30~42 h)、接種量(1%~5%) 3 個(gè)因素和DPPH 自由基清除率響應(yīng)變量分別作為輸入和輸出變量.采用均方誤差(MSE)和回歸相關(guān)系數(shù)(R)對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)價(jià),以最小MSE 和最大R作為所建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的最佳訓(xùn)練性能指標(biāo).將所建模型與遺傳算法相結(jié)合,對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化,以獲得最大輸出值(圖1).
圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)
(2)遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)優(yōu)化.利用個(gè)體種群探索和解析空間內(nèi)所有區(qū)域,個(gè)體種群隨機(jī)生成,用適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估個(gè)體適應(yīng)度.建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后,利用MATLAB 工具箱中的遺傳算法算出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型最優(yōu)解,包括從初始種群中篩選出高級(jí)個(gè)體,進(jìn)行交叉、變異和選擇,反復(fù)循環(huán),直到輸出滿(mǎn)足最佳優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)值和對(duì)應(yīng)響應(yīng)參數(shù)(圖2).種群大小、交叉概率、變異概率和最大進(jìn)化代數(shù)分別設(shè)置為20、0.8、0.05 和100.
圖2 遺傳算法流程
1.2.7 指標(biāo)測(cè)定方法
(1)水解度測(cè)定.水解度測(cè)定參考OPA法[25],該分析方法用游離氨基與鄰苯二甲醛反應(yīng)來(lái)量化蛋白質(zhì)水解物可溶部分中游離氨基相對(duì)于原材料總蛋白質(zhì)的比例.將400 μL 樣品溶液添加到含3 mL OPA 試劑的試管中,混合5 s,靜置2 min,用酶標(biāo)儀在340 nm 處讀數(shù).標(biāo)準(zhǔn)組為絲氨酸,空白組由去離子水代替.計(jì)算公式如下:
式中:X為樣品質(zhì)量;P為樣品中的蛋白質(zhì)含量;h為絲氨酸氨基物質(zhì)的量的函數(shù);α、β和htotal值分別為1.00、0.40 和8.6.
(2)DPPH 自由基清除率測(cè)定.根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]稍作修改.樣品: 在離心管中加入1.0 mL DPPH 溶液(0.1 mmol·L–1),再加入酶水解產(chǎn)物1.0 mL,搖動(dòng)混合在30.0 ℃避光環(huán)境下反應(yīng)30 min,于515 nm處測(cè)定其吸光值A(chǔ)S.對(duì)照: 在離心管中加入1.0 mL乙醇及1.0 mL DPPH 溶液,搖動(dòng)混合在30 ℃避光環(huán)境下反應(yīng)30 min,于樣品相同波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光值A(chǔ)0.空白: 在離心管中加入1.0 mL 酶解產(chǎn)物和1.0 mL 乙醇,搖動(dòng)混合在30 ℃避光環(huán)境下反應(yīng)30 min,于樣品相同波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光值A(chǔ)1.產(chǎn)物對(duì)DPPH 清除能力(S)的計(jì)算公式如下:
式中:AS為樣品對(duì)DPPH 作用后的吸光度;A1為樣品吸光度;A0為DPPH 吸光度.
(3)統(tǒng)計(jì)分析.采用Origin 2017 軟件進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)圖的制作;采用Design-Expert 軟件進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);采用MATLAB 2016b 軟件構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GA 模型.所有數(shù)據(jù)均采用3 次平行實(shí)驗(yàn)的平均值.
沙丁魚(yú)下腳料魚(yú)頭主要成分比例見(jiàn)表2,由表數(shù)據(jù)可見(jiàn),魚(yú)頭中水分含量最高,達(dá)到61.72%;蛋白質(zhì)含量豐富,占總質(zhì)量的17.60%.由此可見(jiàn),利用沙丁魚(yú)的魚(yú)頭資源開(kāi)發(fā)抗氧化活性物質(zhì)(例如抗氧化肽)具有較好的原料基礎(chǔ).
表2 沙丁魚(yú)下腳料魚(yú)頭基本營(yíng)養(yǎng)成分 %
2.2.1 發(fā)酵溫度對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
如圖3 所示,在27~37 ℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,水解產(chǎn)物的抗氧化活性和水解度也隨之增加.原因是隨著溫度的升高,發(fā)酵體系中活菌數(shù)不斷增加,菌株的生長(zhǎng)和代謝活性增強(qiáng),且蛋白酶酶解速率增大,魚(yú)蛋白被不斷利用,從而產(chǎn)生較多具有抗氧化活性的多肽[26].當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到37 ℃時(shí),發(fā)酵液的DPPH 自由基清除率和水解度達(dá)到最高(82.39%±2.39%和31.16%±1.82%),說(shuō)明該溫度更有利于菌株利用魚(yú)肉蛋白產(chǎn)生抗氧化肽.而當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高時(shí),水解度和抗氧化活性顯著降低,可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)抑制菌株生長(zhǎng),不利于發(fā)酵情況下產(chǎn)生多肽[9].因此,確定最佳發(fā)酵溫度為37 ℃.
圖3 發(fā)酵溫度對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
2.2.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
由圖4 可知,在6~30 h 范圍內(nèi),水解產(chǎn)物的抗氧化活性和水解度隨時(shí)間顯著增加,可能是貝萊斯芽孢桿菌SW5 在此時(shí)間段處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期[15],菌株活性較強(qiáng),其生長(zhǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的利用率提高,同時(shí)產(chǎn)生具有抗氧化活性的肽段.當(dāng)在36 h 時(shí),產(chǎn)物水解度和DPPH 自由基清除率達(dá)到最高(68.82%±2.61%和31.33%±1.26%),之后發(fā)酵液中抗氧化活性趨于平穩(wěn),可能是因?yàn)榫晟L(zhǎng)達(dá)到平穩(wěn)期[15].因此,發(fā)酵時(shí)間36 h 最合適.
圖4 發(fā)酵時(shí)間對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
2.2.3 接種量對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
由圖5 可知,當(dāng)接種量在1%~3%時(shí),DPPH 自由基清除率隨接種量的增加而提高,原因可能是接種量較少時(shí),菌體生長(zhǎng)緩慢,此時(shí)密度較低,魚(yú)蛋白沒(méi)有被完全利用.在3%接種量下,發(fā)酵液的DPPH 自由基清除率和水解度最高(61.29%±1.58%和36.46%±1.09%).當(dāng)接種量>3%時(shí),DPPH 自由基清除率呈下降趨勢(shì),可能是因?yàn)楫?dāng)接種量持續(xù)增加時(shí),菌體生長(zhǎng)速度過(guò)快,同時(shí)菌體因正常新陳代謝消耗的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)多,此時(shí)的底物難以滿(mǎn)足微生物更多生長(zhǎng)的需要,導(dǎo)致代謝產(chǎn)物減少,可能對(duì)產(chǎn)生的抗氧化肽進(jìn)行分解利用,降低抗氧化活性.因此,接種量3%最合適.
圖5 接種量對(duì)水解產(chǎn)物DPPH 自由基清除率和水解度的影響
根據(jù)上文1.2.5 節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,采用Design-Expert 10.0 軟件進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程建立在可用數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試三部分基礎(chǔ)上.利用均方誤差對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià),均方誤差值越小,表明構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度越高[22].神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)及訓(xùn)練過(guò)程如圖6 所示.可見(jiàn)當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)3 180 次訓(xùn)練后,MSE 最小化達(dá)到10–5,MSE值逐漸趨近于誤差的最優(yōu)值,此時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)停止訓(xùn)練.
表3 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
當(dāng)MSE 接近于0,R值接近于1 時(shí),說(shuō)明預(yù)測(cè)值和目標(biāo)值密切相關(guān).如圖7 所示,訓(xùn)練樣本、驗(yàn)證樣本、測(cè)試樣本和全部樣本的R值分別為1、0.996 64、0.998 40 和0.965 45,均大于0.9,表明經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型性能良好.由于模型不存在欠擬合狀態(tài),因此能很好地預(yù)測(cè)輸入端的3 個(gè)變量(發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、接種量)與輸出端(DPPH自由基清除率)之間的關(guān)系,可為此后的遺傳算法程序提供可靠的結(jié)果.其中,70%數(shù)據(jù)點(diǎn)用于訓(xùn)練,15%數(shù)據(jù)點(diǎn)用于測(cè)試,15%數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證,因此,也為抗氧化肽的發(fā)酵條件優(yōu)化提供了基礎(chǔ).
圖7 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合圖
在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立完成后,利用遺傳算法優(yōu)化輸入?yún)?shù)(發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間和接種量),得到最大輸出參數(shù)(DPPH 自由基清除率),其適應(yīng)度曲線(xiàn)如圖8 所示.每個(gè)算法大約在2~3 min 的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成,并且需要60 代左右才能達(dá)到父代和子代之間不再發(fā)生變化的條件.從圖8 結(jié)果可見(jiàn),種群迭代進(jìn)化51 代后,種群適應(yīng)度達(dá)到最大值,種群適應(yīng)度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),之后趨于穩(wěn)定.通過(guò)MATLAB 軟件的GA 工具箱程序顯示,輸出值為93.28%,對(duì)應(yīng)參數(shù)值為發(fā)酵時(shí)間41.45 h,發(fā)酵溫度38.60 ℃,接種量3.81%.考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的便利性,發(fā)酵時(shí)間可以調(diào)整為42 h,而發(fā)酵溫度調(diào)整仍為37 ℃,接種量為3%.
圖8 迭代曲線(xiàn)
為進(jìn)一步確定最佳的發(fā)酵條件,通過(guò)3 組平行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.最終結(jié)果表明,在此發(fā)酵條件下實(shí)際測(cè)得沙丁魚(yú)下腳料發(fā)酵液DPPH 自由基清除率為91.26%,與預(yù)測(cè)值93.28%相比,預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差僅為2.17%.此結(jié)果也表明,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法優(yōu)化發(fā)酵條件的參數(shù)準(zhǔn)確可靠,條件穩(wěn)定,同時(shí)證明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的合理性及實(shí)用價(jià)值.
通過(guò)貝萊斯芽孢桿菌SW5 發(fā)酵產(chǎn)物的DPPH自由基清除率評(píng)價(jià)遠(yuǎn)東擬沙丁魚(yú)頭發(fā)酵產(chǎn)物的抗氧化能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了利用貝萊斯芽孢桿菌SW5 發(fā)酵制備沙丁魚(yú)抗氧化活性發(fā)酵液的可行性.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較高的R值和較低的MSE 值,使預(yù)測(cè)值與實(shí)際值間有較好一致性,確保了模型的適當(dāng)泛化.通過(guò)影響抗氧化活性物質(zhì)產(chǎn)生發(fā)酵條件的單因素實(shí)驗(yàn),再根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)合結(jié)果,得到最佳發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度37 ℃,發(fā)酵時(shí)間42 h,接種量3%.經(jīng)驗(yàn)證在此條件下,沙丁魚(yú)魚(yú)頭發(fā)酵液DPPH 自由基清除率達(dá)到91.26%,說(shuō)明貝萊斯芽孢桿菌SW5發(fā)酵沙丁魚(yú)下腳料產(chǎn)物具有較高的抗氧化活性.