曲霉多糖的提取及其抑菌活性研究
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曲霉多糖的提取及其抑菌活性研究
李大军;宋丹丹
【摘要】本文通过单因素实验和正交实验对3种曲霉多糖的提取工艺进行优化,并对3种曲霉多糖的抑菌作用进行了研究.结果表明:3种曲霉多糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和青霉都有一定的抑制作用;红曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌6.0 mg/mL,大肠杆菌3.0 mg/mL,沙门氏菌12.0 mg/mL,青霉6.0
mg/mL;黑曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌1.5 mg/mL,大肠杆菌3.0 mg/mL,沙门氏菌6.0 mg/mL,青霉6.0 mg/mL;米曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌6.0mg/mL,大肠杆菌3.0mg/mL,沙门氏菌12.0 mg/mL,青霉12.0 mg/mL;对根霉具有微弱的抑制作用.3种曲霉多糖在不同条件下的抑菌作用吴有一定的稳定性.【期刊名称】《西南农业学报》
【年(卷),期】2013(026)004
【总页数】7页(P1479-1485)
【关键词】曲霉多糖;正交实验;超声;细菌;霉菌;抑菌活性
【作者】李大军;宋丹丹
【作者单位】吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春130118;吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春130118
【正文语种】中文
【中图分类】Q949.32
红曲霉(Monascus anka)属真菌门,真子囊菌亚纲,曲霉科。
研究发现红曲中存在大量的红曲多糖,该多糖的理化性能很好,急性毒性试验LD50表明安全可靠[1~2]。
黑曲霉(Aspergillus niger)是真菌曲霉属中的一个常见种。
广泛分布于世界各地的粮食、植物性产品和土壤中,其成分中具有的生理活性日益受到关注[3]。
米曲霉(Aspergillus oryzae)是一种好气性真菌,主要存在于粮食、发酵食品、腐败有机物、土壤等处[4]。
近年来,国内外大量研究证实多糖具有多种生理活性。
其中曲霉多糖具有降低血糖、增强免疫功能、抑菌和抗病毒等作用[5~7]。
作者在此对3种曲霉多糖超声提取多糖得率的影响因素进行研究,分别确定了3种曲霉多糖的最佳超声提取工艺[8~10]。
近年来,对这几种霉菌多糖生物活性的研究报道较少,本文初步研究了曲霉多糖的抑菌活性,为进一步探索曲霉多糖的结构及生物活性提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
红曲霉菌种、黑曲霉菌种、米曲霉菌种、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、青霉、根霉由吉林农业大学食品安全教研室提供。
玉米粉;豆粕;麸皮;0.22μm微孔滤膜;8000MW透析膜;马铃薯。
1.2 3种曲霉多糖提取及抑菌方法
1.2.1 曲霉多糖提取流程米曲霉、黑曲霉、红曲霉→固态发酵基质→称重→超声波萃取→离心→上清液(残渣弃去)→浓缩→80%醇析→离心→上清液弃去→ 得沉淀(曲霉多糖粗品)→脱除游离蛋白→透析脱盐→乙醇分级→洗涤→干燥→收集沉淀。
1.2.2 浸提操作方法分别称取适量的3种曲霉固态发酵基质,按不同固液比分别加入蒸馏水,于不同温度条件下恒温水浴,按不同超声功率浸提不同时间,
4000 r/min离心15 min,除废渣沉淀。
上清液减压蒸发浓缩至原体积的1/4至
1/5,加入4倍无水乙醇,使乙醇浓度为80%,4℃冰箱醇析24 h。
4000 r/min
离心15 min,去上清,沉淀物依次用无水乙醇和乙醚各洗3次,4000 r/min离
心5 min,去上清液。
沉淀物80℃恒温干燥至恒重,得到曲霉粗多糖,脱除游离
蛋白,乙醇分级后干燥得3种曲霉多糖。
1.2.3 曲霉多糖抑菌活性的测定(滤纸片法)[11~13]将经高温灭菌并冷却至50℃左右的牛肉膏蛋白胨琼脂培养基或PDA培养基倒入无菌平皿中,水平放置待凝固。
凝固后吸取几种细菌、霉菌的菌悬液20μl至平皿中,用无菌三角涂布棒均匀涂布,待用。
用无菌镊子将已在121℃干热灭菌20 min后的小圆滤纸片(直径6 mm)分别浸入装有3种曲霉多糖溶液的无菌小瓶中,无菌生理盐水(阴性对照)中及一定浓度的青霉素溶液(阳性对照)中,浸泡30 min以上,3片滤纸片间隔一定距
离贴在平板相应区域。
置于恒温培养箱中,细菌在37℃下培养12~16 h;霉菌在28℃左右下培养36~48 h。
取出观察并测定抑菌圈的直径,比较抑菌作用的大小。
1.3 正交试验设计
根据单因素实验结果,采用 L9(33)正交表以固液比(A),提取温度(B),超声功率(C)3个因素,选取各因素的较优区域3个水平,做正交实验,每次做3个平行,
取平均值。
1.4 曲霉多糖在不同条件下的抑菌稳定性
1.4.1 不同pH值对曲霉多糖抑菌活性的影响取质量浓度为12.0 mg/mL的3种曲霉多糖供试液10 mL,用 0.1 mol/L HCl和 0.1 mol/L NaOH 分别配制
成 pH 5.0、7.0、9.0 的溶液,放入经121 ℃,20 min干热灭菌后直径为6 mm的滤纸片,浸泡30 min,比较不同pH对大豆多糖抑菌活性的影响,各重复操作3次。
1.4.2 热处理温度及时间对3种多糖抑菌效力的影响将3种曲霉多糖分别在80℃
处理10 min和1 h、在100℃处理10 min和 1 h、在121℃处理10 min和3 s,后用去离子水配制质量浓度为12.0 mg/mL的溶液,进行抑菌活性实验。
观察
在不同的热处理温度及时间条件下,3种曲霉多糖的抑菌效果的变化,每组做3个平行。
2 结果与分析
2.1 超声波辅助提取法最佳条件确定
根据上述单因素试验所得结论,以料液比、浸提功率、浸提温度3个因素为对象,设计L9(33)正交设计表进行正交试验进一步确定最佳提取条件。
3种曲霉多糖正
交实验结果与分析分别见表1~3。
表1 红曲霉多糖超声波提取正交实验Table 1 The orthogonal experiment of Monascus polysaccharide by ultrasonic extraction试验号因素A固液比 B温
度(℃) C功率(W) 提取率(%)1 1(1︰25) 1(75) 1(350)4.71 2 1(1 ︰25) 2(85)
2(400) 5.51 3 1(1 ︰25) 3(95) 3(450) 5.02 4 2(1 ︰30) 1(75) 2(400) 4.55
5 2(1 ︰30) 2(85) 3(450) 5.97
6 2(1 ︰30) 3(95) 1(350) 5.10
7 3(1 ︰35)
1(75) 3(450) 5.58 8 3(1 ︰35) 2(85) 1(350) 5.23 9 3(1 ︰35) 3(95) 2(400) 4.67 k1 5.080 4.947 5.013 k2 5.207 5.570 4.910 k3 5.160 4.930 5.523 R 0.127 0.640 0.613
表2 米曲霉多糖超声波提取正交实验Table 2 The orthogonal experiment of Aspergillus oryzae polysaccharide by ultrasonic extraction试验号因素A固
液比 B温度(℃) C功率(W) 提取率(%)1 1(1︰20) 1(75) 1(350)5.89 2 1(1 ︰20) 2(85) 2(400) 6.98 3 1(1 ︰20) 3(95) 3(450) 6.34 4 2(1 ︰25) 1(75) 2(400) 6.56 5 2(1 ︰25) 2(85) 3(450) 6.10 6 2(1 ︰25) 3(95) 1(350) 5.69 7 3(1 ︰30) 1(75) 3(450) 5.97 8 3(1 ︰30) 2(85) 1(350) 6.42 9 3(1 ︰30) 3(95)
2(400) 6.14 k1 6.403 6.140 6.000 k2 6.117 6.500 6.560 k3 6.177
6.057 6.137 R 0.286 0.443 0.560
表1极差结果分析表明:影响红曲霉多糖超声波提取的各因子对提取结果影响的主次顺序为B>C>A,即提取温度>超声功率>固液比。
最佳条件为A2B2C3,即在提取温度85℃,固液比为1︰30及超声强度450 W的条件下提取效率最高达到 5.97%。
表2极差结果分析表明:影响米曲霉多糖超声波提取的各因子对提取结果影响的主次顺序为C>B>A,即超声功率>提取温度>固液比。
最佳条件为A1B2C2,即在提取温度85℃,固液比为1︰25及超声强度400 W的条件下提取效率最高达到 6.98%。
表3极差结果分析表明:影响黑曲霉多糖超声波提取的各因子对提取结果影响的主次顺序为A>B>C,即料水比>提取温度>超声功率。
最佳条件为A2B2C3,即在提取温度75℃,固液比为1︰25及超声强度400 W的条件下提取效率最高达到 5.69%。
表3 黑曲霉多糖超声波提取正交实验Table 3 The orthogonal experiment of Aspergillus niger polysaccharide by ultrasonic extraction试验号因素A固液比 B温度(℃) C功率(W) 提取率(%)4.95 2 1(1 ︰20) 2(75) 2(350) 5.54 3 1(1 ︰20) 3(85) 3(400) 5.38 4 2(1 ︰25) 1(65) 2(350) 5.51 5 2(1 ︰25) 2(75) 3(400) 5.69 6 2(1 ︰25) 3(85) 1(300) 5.33 7 3(1 ︰30) 1(65) 3(400) 5.27 8 3(1 ︰30) 2(75) 1(300) 5.32 9 3(1 ︰30) 3(85) 2(350) 4.81 k1 5.290 5.243 5.200 k2 5.510 5.517 5.287 k3 5.133 5.173 5.447 R 1 1(1︰20) 1(65) 1(300)0.377 0.344 0.247
2.2 高效液相、紫外及红外图谱分析提取物
2.2.1 高效液相色谱分析从图1(a,b)中可以看出,曲霉多糖的出峰时间远远
早于单糖、双糖的标准样品,所以超声提取的产物中不含上述单糖和双糖成分,说明精制后的各样品较纯。
2.2.2 红外光谱分析 3种曲霉多糖红外光谱如图2所示,在3650~3400,3000~2800,2000~1650,1300~1200,1200~1000 cm-1等处均有多糖的特征吸收峰。
3650~3400 cm-1之间3610 cm-1处的强吸收峰,是形成分子间氢键缔合的-OH伸缩振动;3000~2800 cm-1之间2900 cm-1处为-CH2的伸缩振动引起的吸收;2000~1650 cm-1之间1670 cm-1处的强吸收峰为C=O的伸缩振动;1300~1200 cm-1之间1250 cm-1左右,是 C-H的变形振动峰;1200~1000 cm-1之间较宽的吸收属于吡喃环结构的C-O吸收,986 cm-1处的C-H伸缩吸收峰为多肽链β构型的特征吸收。
图3 糖紫外光谱Fig.3 The ultraviolet spectroscopy of polysaccharides
表4 3次平行试验测得多糖的抑菌圈直径Table 4 The bacteriostatic circle diameter of polysaccharide with three parallel tests注:“-+”具有微弱的抑菌作用;“-”表示无抑菌效果。
Note:‘-+ ’has a weak inhibitory effect;‘ -’indicates n o inhibitory effect.供试菌种红曲霉多糖抑菌圈直径(mm)米曲霉多糖抑菌圈直径(mm)黑曲霉多糖抑菌圈直径(mm)D1 D2 D3 D平均D1 D2 D3 D平均 D1 D2 D3 D 平均大肠杆菌 9.63 ±0.37 10.32 ±0.34 9.64 ±0.36 9.83 ±0.41 11.12 ±0.33 11.34 ±0.42 11.23 ±0.36 11.23 ±0.37 11.42 ±0.32 11.74 ±0.43 11.35 ±0.37 11.43
±0.34金黄色葡萄球菌10.12±0.36 10.63 ±0.38 10.31 ±0.41 10.34 ±0.34 10.62 ±0.34 10.83 ±0.37 10.23 ±0.38 10.54
±0.42 12.22 ±0.32 12.84 ±0.44 12.35 ±0.34 12.16 ±0.37沙门氏菌 8.32 ±0.34 8.23 ±0.37 8.43 ±0.42 8.34 ±0.41 8.24
±0.36 8.83 ±0.34 8.62 ±0.43 8.55 ±0.38 8.23 ±0.37 8.14
±0.39 7.72 ±0.34 8.11 ±0.42青霉 7.83 ±0.54 8.12 ±0.57 7.92 ±0.63 7.96 ±0.58 6.82 ±0.57 7.10 ±0.62 6.93 ±0.64 6.93 ±0.58 7.52 ±0.54 7.73 ±0.52 7.76 ±0.62 7.65 ±0.58根霉-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+无菌水对照------------
此外,3500~3100 cm-1之间2个吸收峰对应着N-H的对称与不对称伸缩振动,表明3种曲霉多糖中含有蛋白质成分。
2.2.3 紫外光谱分析于200~400 nm扫描浓度为0.5 mg/mL的3种曲霉多糖溶液,得到的紫外光谱如图3所示。
由图3可知,3种曲霉多糖的紫外光谱曲线都比较平滑,在260和280 nm处均未见明显的蛋白质和核酸吸收峰,表明提取得到的3种曲霉多糖中均不含或含极少量蛋白质、核酸及其它杂质,纯度较高。
2.3 曲霉多糖抑菌圈的测
由表4可见,经过3次平行试验的测量,结果表明:红曲霉多糖对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的的抑菌圈直径都在10 mm左右,对沙门氏菌和青霉的抑制作用相对稍弱在8 mm左右,对根霉有微弱的抑制作用;米曲霉多糖对大肠杆菌的抑菌圈直径在11 mm左右,对金黄色葡萄球菌则可达到10.5 mm左右,对沙门氏菌可达到8.5 mm左右,对青霉的抑制作用较弱,而对根霉有微弱的抑制作用;黑曲霉多糖对大肠杆菌的抑菌圈直径在11 mm左右,对金黄色葡萄球菌则可达到12 mm,对沙门氏菌和青霉的抑制作用较弱,对根霉有微弱的抑制作用。
2.4 最小抑菌浓度(MIC)的测定
用无菌水配制质量浓度分别为 0.187、0.375、0.75、1.5、3.0、6 .0、12 .0 mg/mL 的 3 种多糖溶液,采用滤纸片扩散法测定抑菌圈,以不出现抑菌圈的浓度作为最小抑菌浓度,结果见表5。
由表5可见,红曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌6.0 mg/mL,大肠杆菌
3.0 mg/mL,沙门氏菌12.0 mg/mL,青霉 6.0 mg/mL;黑曲霉的 MIC 值分别为金黄葡萄球菌1.5 mg/mL,大肠杆菌3.0 mg/mL,沙门氏菌 6.0
mg/mL,青霉6.0 mg/mL;米曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌6.0 mg/mL,大肠杆菌3.0 mg/mL,沙门氏菌 12.0 mg/mL,青霉 12.0 mg/mL。
2.5 不同条件下对曲霉多糖抑菌活性的影响
2.5.1 不同pH值对曲霉多糖抑菌活性的影响
表5 3种曲霉多糖的最小抑菌浓度Table 5 Minimal inhibitory concentration of three kinds of aspergillus polysaccharide供试菌种红曲霉多糖浓度(mg/mL)
黑曲霉多糖浓度(mg/mL)米曲霉多糖浓度(mg/mL)大肠杆菌3.0 3.0 1.5金黄色葡萄球菌 6.0 1.5 3.0沙门氏菌 12.0 6.0 6.0青霉6.0 6.0 12.0
表6 不同pH条件测得多糖的抑菌圈直径Table 6 The bacteriostatic circle diameter of polysaccharide under different pH conditions (mm)注:“-”表示无抑菌效果。
Note:‘-’indicates no inhibitory effect.供试菌种红曲霉多
糖米曲霉多糖黑曲霉多糖pH 值pH 值pH值5 7 9 5 7 9 5 7 9大肠杆菌 9.20 ±0.33 9.81 ±0.43 7.52 ±0.41 8.31 ±0.33 11.24 ±0.34 8.40
±0.43 10.82 ±0.37 11.42 ±0.51 9.11 ±0.53金黄色葡萄球菌9.82 ±0.31 10.33 ±0.43 8.34 ±0.34 7.82 ±0.53 10.51 ±0.43 7.71
±0.13 11.52 ±0.43 12.11 ±0.60 8.12 ±0.33沙门氏菌 7.62
±0.33 8.34 ±0.45 6.26 ±0.43 6.71 ±0.33 8.52 ±0.47 6.51
±0.51 7.33 ±0.42 8.11 ±0.33 6.17 ±0.34青霉 7.42 ±0.53 7.91 ±0.47 6.54 ±0.60 5.10 ±0.51 6.92 ±0.63 4.90 ±0.52 7.45 ±0.48 7.63 ±0.51 5.90 ±0.55无菌水对照---------
由表6可见,3种曲霉多糖在中性条件下抑菌活性最为明显。
红曲霉多糖和黑曲霉多糖在酸性条件下的抑菌效果与中性条件下差别不大,而在碱性条件下抑菌圈直径却有明显减小,可见在碱性条件下抑菌活性减弱。
米曲霉多糖在酸性碱性条件下抑菌圈直径都有明显减小,抑菌活性均有减弱。
上述情况可能是由于在酸性或碱性条件下,碱或酸使多糖的结构发生了变化,从而影响了其抑菌活性。
表7 不同热处理后测得红曲霉多糖的抑菌圈直径Table 7 The bacteriostatic circle diameter of MPwith different heat treatments (mm)注:“-+”具有微弱的抑菌作用;“-”表示无抑菌效果。
Note:‘-+’has a weak inhibi tory effect;‘-’indicates no inhibitory effect.供试菌种热处理温度和时间未热处理80℃10 min 80℃1h 100℃10 min 100℃1h 121℃10 min 121℃3S大肠杆菌9.77±0.41 9.74±0.51 6.14±0.54 8.73±0.45 - + -9.86
±0.37金黄色葡萄球菌 10.43±0.34 10.25±0.42 6.68±0.43
9.12±0.51 - + - 10.23±0.44沙门氏菌 8.33±0.37 8.12±0.41 -+ 7.13±0.35 - + - 8.15±0.42青霉 7.94 ±0.56 7.83±0.64 - + 6.52±0.71 - + - 7.63±0.67无菌水对照-------
表8 不同热处理后测得米曲霉多糖的抑菌圈直径Table 8 The bacteriostatic circle diameter of AOP with different heat treatments (mm)注:“-+”具有微弱的抑菌作用;“-”表示无抑菌效果。
Note:‘-+’has a weak inhibitory effect;‘-’indicates no inhibitory effect.供试菌种热处理温度和时间未热处理80℃10 min 80℃1h 100℃10 min 100℃1h 121℃10 min 121℃3S大肠杆菌11.31 ±0.34 11.33 ±0.42 8.83 ±0.37 10.43 ±0.41- + -11.13±0.35金黄色葡萄球菌 10.53±0.37 10.55±0.43 7.31±0.34 9.83±0.44 - + - 10.33±0.46沙门氏菌 8.52±0.31 8.55±0.37 -+ 6.83±0.47 -- 8.23±0.42青霉 6.87±0.53 6.83±0.61 - + -
+ -- 6.51±0.64无菌水对照-------
表9 不同热处理后测得黑曲霉多糖的抑菌圈直径Table 9 The bacteriostatic circle diameter of ANP with different heat treatments (mm)注:“-+”具有微弱的抑菌作用;“-”表示无抑菌效果。
Note:‘-+’has a weak inhibitory effect;‘-’indicates no inhibitory effect.供试菌种热处理温度和时间未热处理80℃10 min 80℃1h 100℃10 min 100℃1h 121℃10 min 121℃3S大肠杆菌11.43 ±0.35 11.46 ±0.44 9.12 ±0.34 10.23 ±0.37- + -10.93±0.41金黄色葡萄球菌 12.14±0.38 12.16±0.43 9.48±0.45 10.82±0.32 - + - 11.85±0.48沙门氏菌 8.13±0.37 8.17±0.51 - + 6.48±0.42 - + - 7.62±0.43青霉 7.62 ±0.61 7.53±0.58 -+ 6.14±0.64 -- 7.12±0.67无菌水对照-------
2.5.2 热处理温度及时间对3种多糖抑菌效力的影响由表7~9可知,3种多糖在100℃处理1 h后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等细菌具有微弱的抑菌效果,对青霉等霉菌基本无抑菌效果,而在121℃处理10 min后无论对真菌还是细菌都没有抑菌效果。
说明高温长时间的处理可能造成多糖内部的物质活性发生改变,影响其抑菌作用。
而3种多糖在80、100℃处理10 min和121℃处理3 s后抑菌圈直径并无大幅下降,仍具有较强的抑菌活性。
说明3种多糖在高温短时处理下,其抑菌性基本保持稳定,热稳定性较高。
3 结论
通过正交实验对3种曲霉多糖的超声结合热水浸提提取工艺进行优化,确定3种多糖的最佳提取工艺为:红曲霉在85℃,固液比1∶30,超声功率450 w时具有最大的多糖提取率可达到5.97%。
米曲霉在85℃,固液比1∶20,超声功率400 w时具有最大的多糖提取率可达到6.98%。
黑曲霉在75℃,固液比1∶25,超声功率400 w时具有最大的多糖提取率可达到5.69.%。
与传统浸提方法相比
较具有操作简单、省时省力、在较短的时间内具有较高的提取率等优点。
通过液相、红外、紫外等高精密仪器的测量,结果显示由超声萃取所得的3种曲霉多糖的纯
度较高、杂质少,是一种很好的多糖提取方法,适合推广使用。
本文探究了3种
曲霉多糖对常见的几种细菌、霉菌的抑制效果。
结果表明,3种多糖对常见的几种细菌、霉菌都有一定的抑制作用,总体看来对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用相当,对沙门氏菌和青霉抑制作用相对稍弱,而对根霉具有微弱的抑制作用,且随着浓度的增大,抑菌效果也呈上升趋势。
pH值对3种曲霉多糖抑菌活性有影响,在pH=7中性条件下抑菌活性最强,而在酸性或碱性条件下,抑菌活性均有下降
趋势,可能是由于在酸性或碱性条件下多糖的内部结构发生变化,导致其抑菌作用减弱。
高温短时热处理未对曲霉多糖的抑菌活性产生影响,而经过高温长时间处理的曲霉多糖的抑菌作用却大大的被削弱了,可能由于高温长时间处理而导致多糖内所含的抑菌物质发生变化,需要进一步通过实验来验证。
红曲霉的MIC值分别为
金黄葡萄球菌6.0 mg/mL,大肠杆菌3.0 mg/mL,沙门氏菌12.0 mg/mL,青霉 6.0 mg/mL;黑曲霉的MIC值分别为金黄葡萄球菌1.5 mg/mL,大肠杆
菌3.0 mg/mL,沙门氏菌 6.0 mg/mL,青霉 6.0 mg/mL;米曲霉的MIC值
分别为金黄葡萄球菌6.0 mg/mL,大肠杆菌 3.0 mg/mL,沙门氏菌 12.0
mg/mL,青霉12.0 mg/mL。
本文对红曲霉、米曲霉、黑曲霉3种多糖的抑菌
作用进行了初步探究,为进一步深入研究奠定理论基础。
参考文献:
【相关文献】
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