山西老陳醋類黑精的分離及其抑菌活性

郭李云，楊小蘭*（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

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山西老陳醋類黑精的分離及其抑菌活性

郭李云，楊小蘭*
（山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

摘 要：為探究老陳醋類黑精的抑菌作用，采用超濾和尺寸排阻色譜法將山西老陳醋凍干粉（Shanxi aged vinegar extract，SAVE）分離成不同分子質(zhì)量的水提物和類黑精部分，采用NaCl解離法將醋類黑精解離為類黑精骨架和小分子復(fù)合物兩部分，用比濁法測(cè)定各組分對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌的抑菌活性。結(jié)果表明：SAVE中的類黑精具有顯著的抑菌活力（P＜0.05），類黑精對(duì)SAVE的抑菌性發(fā)揮了主要作用；類黑精中分子質(zhì)量在3～5 kD的組分抑菌活力最強(qiáng)，其對(duì)3 種受試菌的最低抑菌濃度（minimal inhibitory concentration，MIC）均為5 mg/mL；類黑精組成中的小分子復(fù)合物比類黑精骨架部分具有更強(qiáng)的抑菌活性。

關(guān)鍵詞：山西老陳醋；類黑精；抑菌活性；分離

引文格式：

郭李云， 楊小蘭.山西老陳醋類黑精的分離及其抑菌活性［J］.食品科學(xué)， 2016， 37（13）: 25-30.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613005. http://www.spkx.net.cn

GUO Liyun， YANG Xiaolan.Separation of melanoidin from Shanxi aged vinegar and its antibacterial activity［J］.Food Science，2016， 37（13）: 25-30.（in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613005. http://www.spkx.net.cn

山西老陳醋歷史悠久，為中國(guó)四大名醋之一，是人們喜愛(ài)的重要調(diào)味品。山西老陳醋由于其獨(dú)特的熏醅工藝，使老陳醋富含有美拉德反應(yīng)產(chǎn)物——類黑精。類黑精是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的褐色高分子質(zhì)量聚合物［1］。已有研究證實(shí)，類黑精對(duì)多種細(xì)菌如幽門(mén)螺旋桿菌、齒斑葡聚糖鏈球菌、金黃色葡萄球菌以及芽孢桿菌等都具有顯著的抑菌作用［2-3］，來(lái)自食品如咖啡、啤酒、醬油和蜂蜜［4-6］中的類黑精也具有抑菌活性，然而關(guān)于老陳醋類黑精的抑菌作用目前還尚未見(jiàn)報(bào)道。眾所周知，食醋具有殺菌抑菌的作用［7-9］，而其中的類黑精是否為食醋的抑菌作用做出了貢獻(xiàn)，還不得而知。因此，本研究對(duì)山西老陳醋凍干粉中的類黑精進(jìn)行了分離純化，并探究了類黑精及其不同組分的抑菌活性，旨在為揭示山西老陳醋的抑菌機(jī)理及其開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山西老陳醋醋醅（以高粱為原料，采用液態(tài)濃醪酒精發(fā)酵-固態(tài)醋酸發(fā)酵工藝，再經(jīng)傳統(tǒng)炭火熏醅工藝制成的醋醅）由山西紫林醋業(yè)公司提供。

牛血清白蛋白（分子質(zhì)量66 kD）、雞卵清蛋白（分子質(zhì)量43 kD）、藍(lán)色葡聚糖2000（分子質(zhì)量2 000 kD）、VB12（分子質(zhì)量1.36 kD） 美國(guó)Sigma公司；交聯(lián)葡聚糖G-75 美國(guó)法瑪西亞公司；氯化鈉、濃硫酸、苯酚均為分析純 國(guó)藥集團(tuán)（上海）化學(xué)試劑有限公司。

1.2 菌種與培養(yǎng)基

大腸桿菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），均為山西大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基（g/L）：蛋白胨10、牛肉膏3、NaCl 5，蒸餾水定容至1 L，pH 7.2～7.4，121 ℃高壓滅菌20 min。

1.3 儀器與設(shè)備

KQ-200KDE超聲波洗滌器 昆山市超聲儀器有限公司；UV-2800AH型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯（上海）儀器有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；RO-NF-UF-4010超濾裝置 上海摩速科學(xué)儀器有限公司；SCIENTZ-10N冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；HD-5型電腦紫外檢測(cè)儀上海瀘西分析儀器有限公司。

1.4 方法

1.4.1 樣品的制備

1.4.1.1 老陳醋凍干粉的制備及超濾分離

老陳醋凍干粉的制備流程如圖1所示。用80 ℃熱水，料液比1∶10（m/V）對(duì)老陳醋進(jìn)行熏醅（經(jīng)傳統(tǒng)工藝熏制5 d）浸提，重復(fù)2 次，將所有浸提液合并得到醋醅水提液。部分水提液經(jīng)過(guò)濾除渣、濃縮、凍干，得到山西老陳醋凍干粉（Shanxi aged vinegar extract，SAVE）。另一部分水提液經(jīng)3 kD超濾膜分離，分子質(zhì)量大于3 kD的截留液經(jīng)凍干，得到老陳醋高分子質(zhì)量部分（high molecular weight，HMW），分子質(zhì)量小于3 kD的濾出液經(jīng)凍干，得到老陳醋低分子質(zhì)量部分（low molecular weight，LMW）。

1.4.1.2 醋類黑精的分離純化

采用尺寸排阻色譜法（size exclusive chromatography，SEC）對(duì)老陳醋類黑精進(jìn)行分離純化，如圖1所示。將老陳醋的高分子質(zhì)量部分通過(guò)葡聚糖凝膠G-75柱（1.6 cm×50 cm）進(jìn)行分離純化，洗脫液為蒸餾水，流速為0.5 mL/min，在280 nm波長(zhǎng)處連續(xù)檢測(cè)吸光度（A280 nm），表示蛋白質(zhì)含量［10］，并收集洗脫液，每3 mL收集一管，用苯酚-硫酸比色法［11］測(cè)定其總糖含量，以490 nm波長(zhǎng)處的吸光度（A490 nm）表示。同時(shí)，測(cè)定該餾分在420 nm波長(zhǎng)處的吸光度（A420 nm），表示其褐變指數(shù)［12-13］。層析柱床的外水體積（V0）和總體積（Vt）分別用藍(lán)色葡聚糖2000（2 000 kD）和VB12（1.36 kD）測(cè)定。按照洗脫順序?qū)⑾疵撘阂罁?jù)分子質(zhì)量大小合并為4 個(gè)部分，分別為M＞10、M5～10、M3～5和M＜3，經(jīng)濃縮凍干后用于抑菌實(shí)驗(yàn)。分子質(zhì)量是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)的lgM-Ve曲線公式計(jì)算得出，標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)的lgM-Ve曲線公式是由標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量對(duì)數(shù)（lgM）與其洗脫體積（Ve）的關(guān)系得到的。蛋白質(zhì)分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)品為：牛血清白蛋白（66 kD）、雞卵清蛋白（43 kD）、凝乳蛋白酶A （25 kD）和細(xì)胞色素c（12.4 kD）。

1.4.1.3 類黑精的解離

參考Rufián-Henares［14］的方法，用NaCl將3～5 kD類黑精解離為類黑精骨架和小分子復(fù)合物兩部分，具體操作如圖1所示。將適量M3～5溶于2 mol/L的NaCl溶液中，在室溫下放置過(guò)夜（12 h），之后使用3 kD的超濾離心管進(jìn)行分離，得到的截留物（分子質(zhì)量＞3 kD）經(jīng)濃縮凍干后，為類黑精骨架（純類黑精（pure melanoidins，PM））；得到的濾出液（分子質(zhì)量＜3 kD）經(jīng)濃縮凍干后，為類黑精中被解離下的小分子復(fù)合物（bound melanoidin compounds，BMC）。

1.4.2 抑菌實(shí)驗(yàn)

1.4.2.1 菌懸液的制備

將斜面保藏的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌經(jīng)過(guò)營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基活化培養(yǎng)后，分別用無(wú)菌生理鹽水制備成濃度為108CFU/mL的菌懸液備用。

1.4.2.2 老陳醋不同組分對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌作用

抑菌率采用比濁法［15］測(cè)定。將制備好的受試樣品（老陳醋不同組分SAVE、HMW、LMW、M3～5、M5～10、M＞10、PM、BMC）以一定的濃度分別添加在100 mL營(yíng)養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中，121 ℃滅菌20 min，冷卻后在超凈工作臺(tái)上無(wú)菌操作分別接入 0.1 mL的受試菌液，37 ℃培養(yǎng)24 h，在特定時(shí)間取樣，用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定600 nm波長(zhǎng)處的吸光度（A600 nm），按下式計(jì)算抑菌率。

式中：A樣液為含有類黑精的細(xì)菌培養(yǎng)液的吸光度；A空白為不含有類黑精的細(xì)菌培養(yǎng)液吸光度。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3 次，結(jié)果取平均值。用Microsoft Office 2007的Excel軟件進(jìn)行平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算，再用SPSS Statistics17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，取95%置信度（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAVE的抑菌作用

老陳醋的抑菌性已被研究證實(shí)，通常認(rèn)為是其中的醋酸起了主要作用［7-9］。醋酸是一種揮發(fā)性的酸，經(jīng)測(cè)定SAVE中的醋酸含量已甚微（0.6%）。但是，SAVE對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌仍顯示了顯著的抑菌作用（圖2），在2～4 mg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，隨著SAVE質(zhì)量濃度的增加，抑菌作用顯著增大，呈現(xiàn)了劑量依賴效應(yīng)。在4 mg/mL時(shí)，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌率分別達(dá)到58%、58%和66%。先前的研究已證實(shí)，類黑精具有顯著的抑菌活性［16-17］，本研究制備的SAVE呈現(xiàn)深褐色，表明其中可能含有大量的類黑精。因此，采用SEC法對(duì)SAVE進(jìn)行類黑精的分離純化，以便進(jìn)一步研究其抑菌性。

2.2 SAVE中類黑精的分離純化

由于類黑精結(jié)構(gòu)的不確切性，導(dǎo)致類黑精不能被直接分析。目前類黑精的分離制備是利用了類黑精高分子質(zhì)量的特點(diǎn)，常用超濾的方法分離得到［1］。但是，許多研究把超濾得到的高分子質(zhì)量物質(zhì)（分子質(zhì)量大于3 kD）簡(jiǎn)單定義為類黑精［18-21］，而沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行純化［22-23］。本研究對(duì)超濾得到的醋HMW物質(zhì)用SEC方法進(jìn)行第二次純化，結(jié)果見(jiàn)圖3。SEC圖譜顯示，大部分HMW的分子質(zhì)量低于80 kD，小部分物質(zhì)被洗脫在外水體積（V0）。收集的餾分（3 mL/管）合并為4 個(gè)部分，根據(jù)分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線（lgM = －0.028 8Ve+5.940 2，R2= 0.999 6）算得其分子質(zhì)量分別為M＞10（分子質(zhì)量＞10 kD）、M5～10（分子質(zhì)量在5～10 kD）、M3～5（分子質(zhì)量在3～5 kD）和M＜3（分子質(zhì)量＜3 kD）。顯然，M＜3是殘留在HMW中的小分子質(zhì)量物質(zhì)。依據(jù)類黑精被定義為氨基類化合物（蛋白質(zhì)和氨基酸等）和羰基類化合物（還原糖等）之間發(fā)生美拉德反應(yīng)最終形成的高分子質(zhì)量褐色聚合物［24-26］，其相對(duì)含量可通過(guò)測(cè)定420 nm（褐色強(qiáng)度的波長(zhǎng)）波長(zhǎng)處的吸光度來(lái)進(jìn)行評(píng)估［24］。所以對(duì)SEC分離后收集的餾分測(cè)定了其總糖含量（A490 nm）、蛋白質(zhì)含量（A280 nm）和褐變指數(shù)（A420 nm），由圖3可知，M3～5、M5～10、M＞10這3 個(gè)部分的總糖和蛋白質(zhì)洗脫輪廓幾乎完全匹配了褐變指數(shù)，M＜3部分則可能含有更多未參加美拉德反應(yīng)的游離小分子蛋白物質(zhì)，因此M3～5、M5～10、M＞10這3 個(gè)部分可視為純度較高的類黑精。所以SAVE中分子質(zhì)量＞3 kD的物質(zhì)可視為類黑精復(fù)合物。

2.3 類黑精抑菌活性的研究

2.3.1 山西老陳醋類黑精的抑菌活性

為了評(píng)價(jià)SAVE中類黑精的抑菌作用，采用超濾法將SAVE分離為HMW和LMW兩個(gè)部分，比較了它們對(duì)3 種受試菌的抑菌作用。由圖4可知，在相同質(zhì)量濃度（4 mg/mL）時(shí)，HMW組分對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌率（79%、75%、78%）均顯著高于SAVE（58%、58%、66%）和LMW（29%、41%、46%）。因此結(jié)果證實(shí)，HMW主要成分為類黑精物質(zhì)；SAVE中的類黑精對(duì)其抑菌作用發(fā)揮了主要作用。

2.3.2 類黑精抑菌活性組分的篩選

Einarsson［27］發(fā)現(xiàn)美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的抑菌活性依賴于美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的類型、濃度及其分子質(zhì)量，比起分子質(zhì)量小于1 kD的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物，分子質(zhì)量大于1 kD的組分有更高的抑菌活性。為了篩選出老陳醋類黑精中最強(qiáng)的抑菌活性組分，采用SEC法從HWM中分離出3 個(gè)不同分子質(zhì)量類黑精部分M3～5、M5～10、M＞10，比較了它們的抑菌活力。由圖5可知，此三部分類黑精物質(zhì)對(duì)3 種受試菌均有顯著的抑菌作用，且在2～4 mg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，抑菌率隨質(zhì)量濃度增加而增大，呈現(xiàn)劑量依賴效應(yīng)，其中，M3～5類黑精對(duì)3 種菌的抑菌率均顯著高于其他分子質(zhì)量類黑精（P＜0.05），表現(xiàn)了最強(qiáng)的抑菌作用。

2.3.3 不同質(zhì)量濃度M3～5類黑精對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線的影響

生長(zhǎng)曲線能夠反映出細(xì)菌的生長(zhǎng)狀況。有研究報(bào)道［3，28］，低質(zhì)量濃度的類黑精有抑菌作用，而高質(zhì)量濃度則會(huì)殺死細(xì)菌。由圖6可知，3 個(gè)受試菌的空白對(duì)照組（類黑精質(zhì)量濃度為0 mg/mL）細(xì)菌的遲緩期均為2 h左右，從2 h開(kāi)始進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，16 h左右達(dá)到了穩(wěn)定期。而加入類黑精后，受試菌的生長(zhǎng)受到明顯的抑制，遲緩期延長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率明顯下降。例如，當(dāng)類黑精質(zhì)量濃度為2.5 mg/mL時(shí)，受試菌的遲緩期延長(zhǎng)至4 h左右才開(kāi)始逐漸進(jìn)入對(duì)數(shù)期。同時(shí)，受試菌在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)速率也顯著降低，使受試菌的生長(zhǎng)量明顯降低。當(dāng)類黑精質(zhì)量濃度為5 mg/mL時(shí)，3 種受試菌的生長(zhǎng)均被完全抑制，其吸光度（A600 nm）隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)無(wú)明顯增加。這表明類黑精可有效地抑制受試菌的生長(zhǎng)，M3～5類黑精的MIC為5 mg/mL。

2.4 類黑精中的抑菌成分

鑒于類黑精組成結(jié)構(gòu)的極端復(fù)雜性和多樣性，目前對(duì)其組成與結(jié)構(gòu)給出一個(gè)確切的化學(xué)定義仍不太可能［1］。研究指出，類黑精的組成結(jié)構(gòu)包括PM和BMC這兩部分［1］。有研究發(fā)現(xiàn)，NaCl可用以釋放連接在類黑精骨架上的低分子質(zhì)量復(fù)合物，其作用是基于類黑精骨架上連接的小分子物質(zhì)在高離子強(qiáng)度處理后會(huì)被解離下來(lái)［4，29-30］。Rufián-Henares等［14］對(duì)多種模式類黑精經(jīng)過(guò)NaCl處理得到的PM 和BMC的抑菌活性作了研究，結(jié)果顯示，BMC組分表現(xiàn)出比PM組分更高的抑菌活性。

本研究采用2 mol/L的NaCl對(duì)分離得到的M3～5類黑精（M）進(jìn)行解離，得到其PM和BMC兩個(gè)部分，對(duì)它們的抑菌率進(jìn)行了測(cè)定與評(píng)價(jià)。由圖7可知，PM的抑菌率（25.89%）顯著低于M的抑菌率（93.11%）且對(duì)類黑精抑菌率的貢獻(xiàn)率僅為27.81%。鑒于BMC中含有大量NaCl無(wú)法去除，影響細(xì)菌生長(zhǎng)，因此實(shí)驗(yàn)只對(duì)M及PM進(jìn)行了抑菌率的測(cè)定，再通過(guò)推算得出BMC的抑菌率。經(jīng)計(jì)算得出，BMC對(duì)類黑精抑菌率的貢獻(xiàn)為72.19%。因此，類黑精組成中的小分子復(fù)合物組分比類黑精骨架組分發(fā)揮了更大的抑菌作用，這與Rufián-Henares等［14］的結(jié)論相一致。

3 結(jié) 論

山西老陳醋凍干粉對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌均有顯著的抑菌作用，在質(zhì)量濃度為4 mg/mL時(shí)，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌率分別達(dá)到58%、58%和66%，且在2～4 mg/mL范圍內(nèi)，其抑菌率隨質(zhì)量濃度的增加而顯著增大，呈現(xiàn)劑量依賴效應(yīng)。

SEC分離及成分分析表明，SAVE中的分子質(zhì)量＞3 kD的HMW物質(zhì)可視為類黑精復(fù)合物。

SAVE中的類黑精對(duì)其抑菌作用發(fā)揮了主要的貢獻(xiàn)。在相同質(zhì)量濃度（4 mg/mL）時(shí)，類黑精對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌率（79%、75%、78%）均顯著高于SAVE（58%、58%、66%）和LMW （29%、41%、46%）。

M3～5的類黑精組分抑菌活力最強(qiáng)。在相同質(zhì)量濃度（3 mg/mL）時(shí)，M3～5對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌的抑菌率（83%、86%、80%）均顯著高于M5～10（52%、55%、48%）和M＞10（70%、70%、58%），其對(duì)3 種受試菌的MIC均為5 mg/mL。

醋類黑精中的BMC比PM發(fā)揮了更大的抑菌作用。在相同質(zhì)量濃度下，PM對(duì)類黑精抑菌作用的貢獻(xiàn)僅為27.81%，而B(niǎo)MC對(duì)類黑精抑菌作用的貢獻(xiàn)為72.19%。

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DOI:10.7506/spkx1002-6630-201613005

中圖分類號(hào)：TS201.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6630（2016）13-0025-06

收稿日期：2015-08-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31171748）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20140321020-01；20110321078）

作者簡(jiǎn)介：郭李云（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail：guoliyunjn@163.com

*通信作者：楊小蘭（1956—），女，教授，本科，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail：13934214833@163.com

Separation of Melanoidin from Shanxi Aged Vinegar and Its Antibacterial Activity

GUO Liyun， YANG Xiaolan*
（College of Life Science， Shanxi University， Taiyuan 030006， China）

Abstract:Shanxi aged vinegar extract （SAVE， lyophilized aqueous extract） was separated by ultrafiltration into different molecular weight aqueous soluble fractions and the high molecular weight fraction was further purified into melanoidins.Thereafter， the melanoidins were dissociated in aqueous NaCl solution into two components: skeleton and small molecular weight complex.The antibacterial activity of these components against E.coli， Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis was determined by a turbidimetric method.Results indicated that melanoidins from SAVE had a significant antibacterial activity （P < 0.05）， and they played a major role in the bacteriostatic activity of SAVE.The antimicrobial activity of the melanoidin component with molecular weight of 3-5 kD was the strongest， with minimal inhibitory concentration （MIC）of 5 mg/mL for all three bacteria tested.The small molecular weight complex from melanoidin had greater bacteriostastic activity than the skeleton part.

Key words:Shanxi aged vinegar； melanoidin； antibacterial activity； separation