魏 明,李鴻梅,*,馬艷秋,趙 慧,張桂弘,閔偉紅
響應(yīng)面優(yōu)化羅耳阿太菌胞外多糖提取工藝及其保濕、黏度特性分析
魏 明1,李鴻梅1,*,馬艷秋2,趙 慧1,張桂弘1,閔偉紅1
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130118;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館,吉林 長春 130118)
利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化乙醇醇沉提取羅耳阿太菌胞外多糖(Athelia rolfsii exopolysaccharides,AEPS)工藝,并探究其保濕特性及黏度穩(wěn)定性。以AEPS 提取量為指標(biāo),在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計優(yōu)化多糖提取工藝。以殼聚糖和尿素作對照,研究AEPS吸濕及 保濕性能,同時研究溫度、pH值和離子(Mg2+、Ca2+、Na+、K+)濃度對AEPS黏度穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:AEPS醇沉最佳條件為濃縮倍數(shù)3、醇沉?xí)r間17 h、醇沉溫度5 ℃、無水乙醇體積為發(fā)酵液的1.7 倍,所得AEPS提取量為12.24 g/L;AEPS吸濕及保濕性能明顯優(yōu)于殼聚糖和尿素,1 mg/mL AEPS(黏度57 mPa·s)保濕性最好;在5~95 ℃范圍內(nèi),35 ℃時AEPS黏度最低,35 ℃以外多糖黏度都高于51 mPa·s,但在pH 1~12、離子濃度0~1.0 mol/L范圍內(nèi),AEPS黏度幾乎不受影響。
羅耳阿太菌胞外多糖;醇沉;吸濕性;保濕性;黏度穩(wěn)定性
全球食品工業(yè)中每年消耗7萬 t多糖作為增稠劑、穩(wěn)定劑和持水劑[1]。雖然該領(lǐng)域新興多糖需求增加,但市場競爭仍然很激烈,因此成本低廉的多糖需求也在不斷擴(kuò)大。目前,多糖主要來源于植物[2](如淀粉、纖維素)、海藻類[3]、甲殼類[4](如藻酸鹽、角叉菜膠、殼聚糖)及微生物[5](如黃原膠),但對產(chǎn)多糖新原料的探索仍在繼續(xù)[6]。
作為一種新興多糖,羅耳阿太菌胞外多糖(Athelia rolfsii exopolysaccharides,AEPS)是羅耳阿太菌(Athelia rolfsii)分泌的一種大分子胞外β-葡聚糖[7]。Vinarta等[1]研究發(fā)現(xiàn),羅耳阿太菌多糖可以作為穩(wěn)定劑和持水劑完全抑制淀粉糊在冷藏過程中脫水收縮,但羅耳阿太菌多糖生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量低的特點(diǎn)卻使眾多商家在使用過程中望而卻步。本課題組篩得1 株能夠以玉米淀粉、玉米黃漿為碳氮源發(fā)酵生產(chǎn)胞外多糖的羅耳阿太菌[8],這種低成本培養(yǎng)基發(fā)酵所得粗多糖產(chǎn)量為16.135 g/L[9]。以此為基礎(chǔ),本研究旨在對所獲得的多糖提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,并進(jìn)一步研究其吸濕、保濕性及黏度穩(wěn)定性,為低成本生產(chǎn)的羅耳阿太菌多糖在食品工業(yè)和化妝品行業(yè)的應(yīng)用提供一定理論依據(jù)。
1.1 材料、培養(yǎng)基與試劑
羅耳阿太菌(Athelia rolfsii)AY6657741由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)室分離純化并石蠟封存。玉米淀粉 市購;玉米黃漿(pH 4.16,蛋白含量4.2 g/L)黃龍食品有限公司。
馬鈴薯瓊脂葡萄糖斜面培養(yǎng)基:馬鈴薯200 g/L、葡萄糖20 g/L、瓊脂20 g/L,自然pH值;發(fā)酵培養(yǎng)基:玉米淀粉35 g/L、玉米黃漿50 mL/L、NaNO33.1 g/L、K2HPO41.0 g/L、 KCl 0.5 g/L、MgSO4·7H2O 0.25 g/L、檸檬酸 1.4 g/L,pH 4.5[9-11];蒽酮、硫酸、氯仿、正丁醇、無水乙醇均為國產(chǎn)分析純;透析袋(截留分子質(zhì)量為6 000~8 000 D) 美國Sigma公司。
1.2 儀器與設(shè)備
HZC-Q空氣浴振蕩器 哈爾濱市東聯(lián)技術(shù)開發(fā)有限公司;HPX-9082 MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;FG2-便攜式pH計 梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司;HH-8水浴鍋 國華電器有限公司;DCY-0506低溫恒溫槽 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;低溫冷凍高速離心機(jī) 德國Hermle公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器RE52-99 上海亞榮儀器廠;NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計 北京愛格森自動化有限公司;S21-3磁力攪拌器上海司樂儀器有限公司。
1.3 方法
1.3.1 AEPS提取工藝流程
羅耳阿太菌(接種量7%)29 ℃、200 r/min培養(yǎng)5.5 d,發(fā)酵液前處理(調(diào)節(jié)pH 7.0,加入1 倍體積蒸餾水,80 ℃水浴30 min)[12],8 000 r/min離心30 min,Sevag法[13]除蛋白(發(fā)酵液與Sevag質(zhì)量比3∶1,氯仿與正丁醇體積比4∶1,劇烈攪拌20 min,重復(fù)4 次),醇沉,透析(透析袋截留分子質(zhì)量為6 000~8 000 D),進(jìn)行AEPS含量測定。
1.3.2 醇沉AEPS提取量測定
AEPS含量測定采用蒽酮-硫酸法[14],以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)作工作曲線,得線性回歸方程:y=0.005 1x-0.000 8(R2= 0.999 8),測定AEPS溶液在630 nm波長處的吸光度,通過回歸方程計算AEPS含量。
1.3.3 醇沉條件單因素試驗(yàn)
取30 mL經(jīng)Sevag法除蛋白的發(fā)酵液,根據(jù)表1所示的醇沉條件變量考察發(fā)酵液pH值、濃縮倍數(shù)、醇沉?xí)r間、醇沉溫度和無水乙醇體積倍數(shù)對AEPS提取量的影響。開展某一單因素試驗(yàn)時,其他不變因素水平分別為:發(fā)酵液pH 7、濃縮倍數(shù)1.5、無水乙醇體積倍數(shù)1、醇沉溫度9 ℃、醇沉?xí)r間8 h。
表 1 醇沉條件單因素水平表Table 1 Single factor design for ethanol precipitation of AEPS
1.3.4 響應(yīng)面法優(yōu)化AEPS醇沉提取條件
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取發(fā)酵液濃縮倍數(shù)、醇沉?xí)r間、醇沉溫度和無水乙醇體積倍數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計。以AEPS提取量為響應(yīng)值,確定AEPS最優(yōu)醇沉條件。
1.3.5 AEPS吸濕性及保濕性測定
1.3.5.1 AEPS吸濕性的測定
以具有吸濕性的殼聚糖和尿素為對照,測定AEPS吸濕性。將AEPS、殼聚糖、尿素分別粉碎分散,在90 ℃條件下烘干至質(zhì)量恒定。分別稱取0.200 0 g質(zhì)量恒定的AEPS、殼聚糖、尿素于質(zhì)量恒定的敞口玻璃皿中(每個試樣設(shè)3 個平行),在25 ℃條件下放入裝有1 000 mL飽和(NH4)2SO4溶液的密閉干燥器(相對濕度為81%)中[15-17]。每隔3 h將玻璃皿取出稱質(zhì)量,按公式(1)計算吸濕率。
式中:M0為質(zhì)量恒定玻璃皿與樣品的質(zhì)量/g;Mt為干燥器中放置t小時后玻璃皿和樣品的質(zhì)量/g。
1.3.5.2 AEPS保濕性的測定
將1.3.5.1節(jié)中吸濕24 h后的樣品放入裝有干燥硅膠的干燥器中進(jìn)行保濕實(shí)驗(yàn),每隔3 h將玻璃皿取出稱質(zhì)量,按公式(2)計算保濕率。
式中:M0為質(zhì)量恒定玻璃皿與樣品的質(zhì)量/g;Ma為放入干燥器a小時后玻璃皿和樣品的質(zhì)量/g;Mb為放入干燥器前玻璃皿和樣品的質(zhì)量/g。
1.3.6 不同黏度AEPS保濕性的測定
在25 ℃條件下,采用 NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計測定不同質(zhì)量濃度(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mg/mL)AEPS溶液絕對黏度。分別吸取10 mL不同質(zhì)量濃度AEPS溶液置于質(zhì)量恒定的敞口玻璃皿中(每個試樣設(shè)3 個平行),在25 ℃條件下放入裝有1 000 mL飽和K2CO3溶液的密閉干燥器(相對濕度為43%)中[18]。每隔3 h將玻璃皿取出稱質(zhì)量,計算保濕率。
1.3.7 AEPS黏度穩(wěn)定性
采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計測定AEPS溶液絕對黏度,考察溫度、pH值、離子濃度對AEPS黏度的影響[19-22]。
1.3.7.1 溫度對AEPS黏度的影響
將1.0 mg/mL AEPS溶液分別置于5~95 ℃(每5 ℃為一梯度)水浴中放置20 min,測定溫度對AEPS溶液黏度的影響。
1.3.7.2 pH值對AEPS黏度的影響
將1.0 mg/mL AEPS溶液pH值分別調(diào)節(jié)至1、3、5、7、9、11、12、13,靜置15min,測定pH值對AEPS溶液黏度的影響。
1.3.7.3 離子(Mg2+、Ca2+、Na+、K+)濃度對AEPS黏度的影響
向40 mL 1.0 mg/mL AEPS溶液中分別加入20mL 0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 mol/L氯鹽(MgCl2、CaCl2、NaCl、KCl)溶液,混勻,空白組加入20 mL蒸餾水,靜置15 min,測定離子濃度對AEPS溶液黏度的影響。
2.1 AEPS醇沉條件優(yōu)化
2.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果
圖 1 醇沉單因素對AEPS提取量的影響Fig.1 Effect of ethanol precipitation conditions on AEPS yield
由圖1a可知,在pH 3~11范圍內(nèi),pH值對AEPS提取量影響很小,基本不變,所以不選擇pH值作為響應(yīng)面分析因素。
由圖1b可知,AEPS提取量隨濃縮倍數(shù)的增大而增大。在濃縮倍數(shù)為1.0時,AEPS提取量為7.70 g/L;濃縮倍數(shù)由1.0提高到2.5的過程中,AEPS提取量明顯增大,而由2.5提高到3.0時,AEPS提取量卻提高緩慢。這可能是由于無水乙醇加入到高質(zhì)量濃度AEPS溶液中時,AEPS容易聚集成較大顆粒,易醇沉,濃縮倍數(shù)過高,AEPS提取量不會顯著提高。因此,選擇濃縮倍數(shù)2.5(即將除蛋白后的發(fā)酵液濃縮到原來體積的2/5)作為響應(yīng)面分析因素水平。
由圖1c可知,AEPS提取量隨醇沉?xí)r間的延長而提高。在醇沉?xí)r間為4 h時,AEPS提取量僅為6.16 g/L;4~16 h內(nèi),隨醇沉?xí)r間的延長,AEPS提取量顯著提高,而在16~20 h內(nèi),AEPS提取量幾乎沒有變化。因此選擇16 h作為響應(yīng)面分析因素水平,以有效節(jié)約資源。
由圖1d可知,在醇沉溫度1~5 ℃時,AEPS提取量隨溫度的升高而提高;5~9 ℃時,AEPS提取量隨溫度的提高顯著降低。AEPS提取量在5 ℃時達(dá)最大為11.31 g/L。因此,選擇醇沉溫度5 ℃作為響應(yīng)面分析因素水平。
由圖1e可知,AEPS提取量隨無水乙醇與發(fā)酵液體積比增大而提高。當(dāng)無水乙醇體積倍數(shù)為0.5時,AEPS提取量僅為7.38 g/L,當(dāng)無水乙醇體積倍數(shù)由0.5增加到1.5時,AEPS提取量顯著增大,而無水乙醇體積倍數(shù)由1.5增加到2.5時,AEPS提取量變化不顯著。這可能是由于無水乙醇體積倍數(shù)低時,較小分子質(zhì)量的AEPS不易醇沉,隨無水乙醇體積倍數(shù)增大,AEPS進(jìn)一步發(fā)生醇沉并沉淀完全,AEPS提取量變化不大。因此選擇無水乙醇體積倍數(shù)1.5作為響應(yīng)面分析因素水平。
2.1.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化AEPS醇沉條件
根據(jù)Box-Behnken設(shè)計進(jìn)行了29 組試驗(yàn),其中5 組中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn),結(jié)果見表2。
表 2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and experimental results
以AEPS提取量為響應(yīng)值回歸擬合所得各因素函數(shù)表達(dá)如下:AEPS提取量=12.20+0.24X1+0.25X2+8.33×10-3X3+0.39X4+5×10-3X1X2-0.013X1X3-0.025X1X4+0.025X2X3-0.18X2X4+2.5×10-3X3X4-0.27-0.43-0.47-0.52。
由表3方差分析得出模型極顯著,模型的失擬項不顯著,回歸決定系數(shù)R2=0.995 4,修正決定系數(shù)= 0.990 9,說明方程擬合性較好,可以應(yīng)用于對提取條件的分析預(yù)測。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析:一次項X1、X2、X4極顯著,二次項X2X4、X12、、X32、極顯著。說明該模型擬合程度良好,用該模型對AEPS醇沉工藝進(jìn)行優(yōu)化是可行的。
表 3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis for regression model
醇沉條件交互因素響應(yīng)面立體分析圖及等高線圖見圖2。
圖 2 醇沉條件交互作用影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig.2 3D-surface and contour plots for the effect of ethanol precipitation conditions on AEPS yield
從圖2等高線可以看出,醇沉?xí)r間與無水乙醇體積倍數(shù)交互作用圖接近橢圓形,說明其交互作用顯著;醇沉溫度與無水乙醇體積倍數(shù)、醇沉?xí)r間與醇沉溫度的交互作用圖接近圓形,交互作用不顯著;其余因素交互作用圖雖為橢圓,但不足達(dá)到交互作用顯著水平。
2.1.3 AEPS醇沉工藝條件的確定及驗(yàn)證
2.1.2 節(jié)數(shù)據(jù)分析表明,回歸模型存在最大值,AEPS醇沉的最佳工藝條件為:濃縮倍數(shù)3、醇沉?xí)r間16.93 h、醇沉溫度5.01 ℃、無水乙醇體積倍數(shù)1.65。此條件下AEPS提取量理論預(yù)測最大值為12.26 g/L。為方便操作,選擇如下條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):濃縮倍數(shù)3、醇沉?xí)r間17 h、醇沉溫度5 ℃、無水乙醇體積倍數(shù)1.7。所得AEPS提取量為12.24 g/L,達(dá)到預(yù)測值的99.83%。
2.2 AEPS吸濕性及保濕性
圖 3 AEPS、殼聚糖和尿素的吸濕性(a)及保濕性(b)Fig.3 Moisture-absorption and moisture-retention capacities of AEPS, chitosan and urea
如圖3a所示,在相對濕度為81%的條件下,前3 h,3 種樣品吸濕率都隨放置時間的延長而升高,吸濕快慢順序?yàn)椋篈EPS>尿素>殼聚糖。12 h之后,雖然殼聚糖和尿素吸濕率略有提高,AEPS吸濕率基本保持不變,但AEPS吸濕率仍高于二者。
如圖3b所示,在干燥硅膠環(huán)境中,3 種樣品的保濕率均隨放置時間延長而下降。前6 h,保濕率下降快慢順序?yàn)椋簹ぞ厶牵灸蛩兀続EPS,說明AEPS的保濕能力明顯高于殼聚糖和尿素。后6 h,尿素的保濕率明顯下降,殼聚糖和AEPS的保濕率趨于平穩(wěn),但AEPS的保濕性仍高于殼聚糖。
總之,AEPS吸濕速率及24 h內(nèi)吸濕率均高于殼聚糖和尿素,吸濕率最大值為16.09%。而且,在干燥硅膠環(huán)境下,AEPS保濕性最好,12 h后AEPS的保濕率仍為34.02%,這可能是由于AEPS的分子質(zhì)量較大,三螺旋外周含有較多羥基基團(tuán),使其吸濕、保濕特性優(yōu)于殼聚糖和尿素。因此AEPS可應(yīng)用于保濕化妝品行業(yè)。
2.3 不同黏度AEPS的保濕性
圖 4 AEPS質(zhì)量濃度與黏度的關(guān)系(a)及不同黏度AEPS的保濕性(b)Fig.4 Effects of AEPS concentration on viscosity and moisture-retention capacity of AEPS with different viscosities
由圖4a可知,AEPS黏度隨質(zhì)量濃度的增加而增大,且質(zhì)量濃度與黏度呈線性相關(guān)。由圖4b可知,同一黏度AEPS隨時間延長,保濕率逐漸減小;放置3 h,不同黏度AEPS保濕率幾乎相同,放置6 h后,不同黏度AEPS保濕率差異明顯。低黏度AEPS保濕率降低速率大于高黏度AEPS,且當(dāng)溶液的黏度為57 mPa·s,即質(zhì)量濃度為1 mg/mL時,AEPS保濕率不隨質(zhì)量濃度的增加而變化,保濕率幾乎不變,說明AEPS最佳保濕黏度為57 mPa·s,即質(zhì)量濃度為1 mg/mL。這可能是由于隨AEPS質(zhì)量濃度的增加,AEPS溶液中的羥基也在不斷增多,AEPS與溶液中水分子形成氫鍵增多[23],持水能力增強(qiáng),保濕性增強(qiáng)。
2.4 AEPS黏度穩(wěn)定性
圖 5 溫度(a)、pH值(b)和離子濃度(c)對AEPS溶液黏度的影響Fig.5 Effects of temperature, pH and ion concentration on AEPS viscosity stability
由圖5a可知,1 mg/mL AEPS溶液黏度在35 ℃時達(dá)到最低值為51 mPa·s。當(dāng)溶液溫度小于35 ℃時,隨溫度降低,AEPS黏度值逐漸增大,這可能是由于AEPS在低溫環(huán)境下產(chǎn)生凝膠化,致使黏度增加;當(dāng)溫度高于35 ℃時,隨溫度升高,AEPS溶液黏度值逐漸增大,這可能是由于隨著溫度的升高,AEPS三螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生初步解旋,分子間作用力增大,使黏度逐漸增加[24]。
由圖5b可知,AEPS溶液黏度在pH 1~12范圍內(nèi)穩(wěn)定性較高,僅當(dāng)pH>12時,AEPS溶液黏度迅速下降。這可能是由于在高pH值環(huán)境下,沿多糖鏈分布的高密度電荷導(dǎo)致螺旋內(nèi)部發(fā)生靜電排斥作用[25],致使多糖螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部氫鍵斷裂,三螺旋結(jié)構(gòu)解旋為單螺旋,造成多糖溶液黏度迅速下降。
由圖5c可知,不同濃度的氯鹽均對AEPS溶液黏度有影響,但影響均不明顯,黏度變化范圍均小于5 mPa·s。這表明,AEPS溶液黏度在一定的電解質(zhì)溶液中顯示出較好的穩(wěn)定性。相比來說,Mg2+、Ca2+對AEPS的黏度影響稍大,這可能是由于多糖分子鏈中存在的羥基與金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用[26],導(dǎo)致AEPS分子質(zhì)量變大,溶液黏度增大。
綜上,AEPS溶液黏度受溫度影響較大,溫度變化使其黏度發(fā)生改變,但AEPS溶液黏度在較廣pH值范圍(pH 1~12)及0~1.0 mol/L不同離子溶液中較穩(wěn)定,為AEPS作為增稠劑、穩(wěn)定劑應(yīng)用于食品中提供一定的理論依據(jù)。
AEPS醇沉最佳工藝條件為濃縮倍數(shù)3、醇沉?xí)r間17 h、醇沉溫度5 ℃、無水乙醇體積倍數(shù)1.7,所得AEPS提取量為12.24 g/L。AEPS吸濕及保濕性能明顯優(yōu)于殼聚糖和尿素,質(zhì)量濃度為1 mg/mL的AEPS(黏度為57 mPa·s)保濕性最佳。AEPS黏度受pH值及離子濃度變化影響較小,受溫度影響較大,在5~95 ℃范圍內(nèi),35 ℃時AEPS黏度最低,35 ℃以外多糖黏度都高于51 mPa·s。綜上,AEPS在食品中作為持水劑、增稠劑和穩(wěn)定劑,在化妝品中作為保濕因子具有一定的應(yīng)用前景。
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Extraction and Viscosity Stability of Exopolysaccharides with Moisture-Retention Capacity from Athe lia rolfsii
WEI Ming1, LI Hongmei1,*, MA Yanqiu2, ZHAO Hui1, ZHANG Guihong1, MIN Weihong1
(1. College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China;2. Jilin Agricultural University Library, Changchun 130118, China)
The conditions of ethanol precipitation for Athelia rolfsii exopolysaccharides (AEPS) were optimized by response surface methodology. Moisture-retention capacity and viscosity stability of AEPS were also determined. Using AEPS yield as the response variable, optimal ethanol precipitation process for AEPS was determined by Box-Behnken design based on single factor tests. Compared to chitosan an d urea, the moisture-absorption and moisture-retention capacities of AEPS were also studied. In addition, the effects of temperature, pH and ion concentration (Mg2+, Ca2+, Na+, and K+) on the viscosity stability of AEPS were examined. The optimal conditions of ethanol precipitation for AEPS were determined as follows: 3-fold condensation of the fermentation supernatant before 17 h precipitation at 5 ℃ with an ethanol/fermentation supernatant ratio of 1.7:1 (V/V). Under these conditions, the AEPS yield was 12.24 g/L. The moisture-absorption and moisture-retention capacities of AEPS were superior to those of chitosan and urea. The optimal concentration for moisture-retention was 1 mg/mL (57 mPa·s). At temperatures in the range of 5–95 ℃, the lowest viscosity of AEPS w as 51 mPa·s at 35 ℃. However, AEPS viscosity was very stable in the pH range of 1 to 12 and at ion concentrations ranging from 0 to 1.0 mol/L.
Athelia rolfsii exopolysaccharides (AEPS); ethanol precipitation; moisture-absorption capacity;moisture-retention capacity; viscosity stability
TS201.7
A
1002-6630(2015)08-0067-07
10.7506/spkx1002-6630-201508012
2014-09-02
吉林省科技發(fā)展計劃項目(20126037)
魏明(1989—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榈矸圪Y源開發(fā)與深加工技術(shù)。E-mail:weiming718@163.com
*通信作者:李鴻梅(1971—),女,教授,博士,研究方向?yàn)橹铺枪こ獭-mail:rainbowly71@sina.com