固定化可食用菌生物转化四种药用植物活性成分研究

【摘要】本研究筛选并构建了用于四种药用植物活性成分生物转化可食用菌体系同时优化并建立了可食用菌生物转化固定化工艺。在确定固定化工艺后,建立了固定化可食用菌生物转化药用植物发酵工艺并评估了固定化可食用菌生物转化药用植物的抗氧化活性。最后,进行了固定化菌生物转化药用植物中试实验验证。主要结论如下：1.筛选并构建了用于四种药用植物活性成分生物转化的可食用菌体系本实验以四种药用植物虎杖、木豆根、槐角、牛蒡子为原料,以白藜芦醇、染料木素、染料木素和牛蒡子苷元的含量为指标,筛选出对四种植物药材生物转化能力强的菌。转化虎杖的优化菌种为酵母菌(YeastCICC1912)和黑曲霉(AspergillusnigerM85),应用优化的菌种转化后白藜芦醇含量由原药材中的3.04mg/g增加到14.57mg/g。转化木豆根的优化菌种为红曲霉Monascusanka3.782)和米曲霉(Aspergillusoryzae3.951),应用优化的菌种转化后染料木素含量由原药材中的0.76mg/g增加到1.24mg/g。转化槐角的优化菌种为米曲霉(AspergillusoryzaeY29)和酵母菌(YeastJB),应用优化的菌种转化后染料木素含量由原药材中的27.8mg/g增加到32.9mg/g。转化牛蒡子的优化菌种为黑曲霉(AspergillusnigerM85)和红曲霉(Monascusanka3.554),应用优化的菌种转化后牛蒡子苷元含量由原药材中的18mg/g增加到38mg/g。2.优化并建立了可食用菌生物转化固定化工艺本实验选用海藻酸钠包埋法固定化可食用菌,以固定化后的菌球酶活力为指标,考察了固定化方法对菌球酶活力的影响,优化并确定了菌液浓度、海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、固定化菌菌球直径等固定化工艺参数。生物转化虎杖的菌球固定化条件为：海藻酸钠浓度5%、氯化钙浓度2.5%,菌液浓度7.2logcfu/mL、菌球直径4mm;在此工艺条件下所获得的的固定化菌酶活力可达1.40U/g。生物转化木豆根菌球的固定化条件为：海藻酸钠浓度6%、氯化钙浓度3%,菌液浓度7.1logcfu/mL、菌球直径4mm；在此工艺条件下所获得的的固定化菌酶活力可达1.03U/g。生物转化槐角的菌球固定化条件为：海藻酸钠浓度6%、氯化钙浓度3.5%,菌液浓度7.1logcfu/mL、菌球直径5mm；在此工艺条件下所获得的的固定化菌酶活力可达0.94U/g。生物转化牛蒡子菌球的固定化条件为：海藻酸钠浓度7%、氯化钙浓度2.5%,菌液浓度7.4logcfu/mL、菌球直径4mm；在此工艺条件下所获得的的固定化菌酶活力可达1.31U/g。通过固定化菌稳定性实验研究,制备的四种固定化菌使用次数均可达15次以上,证明固定化菌的稳定性较好,适合重复利用和规模化生物转化的条件需求。3.建立了固定化可食用菌生物转化药用植物发酵工艺本实验以虎杖、木豆根、槐角、牛蒡子四种药用植物的活性成分为指标,采用单因素实验及中心组合设计实验,进一步利用响应面分析,确定了固定化菌生物转化四种药用植物中天然活性成分的最佳发酵工艺参数,分别如下：生物转化虎杖最优条件为：pH6.5,温度30℃,时间2d,固液比1：12g/mL。在此条件下,白藜芦醇的产量可达33.45mg/g,是虎杖原药材中白藜芦醇含量(3.04mg/g)的11倍；生物转化木豆根最优条件为：时间2d,温度30℃,pH6.2,固液比1：12g/mL。在此优化条件下,染料木素的产量为1.87mg/g,是木豆根原药材中染料木素含量(0.71mg/g)的2.65倍。生物转化槐角最优条件为：pH5,液固比25：1(mL/g),时间24h,菌球重量与药材重量比10g/g。在此条件下,染料木素的产量可达18.95mg/g,是槐角原药材中染料木素含量(0.55mg/g)的34倍；生物转化牛蒡子最优条件为：时间48h,温度32℃,pH6.5,固液比1：15g/mL。在此条件下,牛蒡子苷元的产量可达41.01mg/g,是牛蒡子原药材中牛蒡子苷元含量(6.87mg/g)的5.97倍。比较四种药用植物发酵前后的扫描电镜图,表明经固定化菌发酵的样品表面结构破坏严重。从植物组织形态学角度验证了固定化菌对药用植物的有效转化。4.评估了固定化可食用菌生物转化药用植物的抗氧化活性本实验对虎杖、木豆根、槐角和牛蒡子进行固定化菌生物转化,并对转化后粗提取物通过DPPH清除自由基实验、β-胡萝卜素漂白实验进行抗氧化活性评估,综合评价药用植物抗氧化能力。通过DPPH自由基清除实验和β-胡萝卜素漂白实验可知,虎杖发酵前IC50值为0.10±0.14.0.43±0.35(mg/mL),发酵后IC50值为0.074±0.27、0.19±0.27(mg/mL)；木豆根发酵前IC50值为1.117±0.04(mg/ml).0.216±0.16(mg/mL),发酵后IC50值为0.737±0.06(mg/mL).0.173±0.02(mg/mL)；槐角,发酵前IC50值为0.34±0.08、0.41±0.24(mg/mL),发酵后IC50值为0.31±0.13、0.35±0.08(mg/mL)；牛蒡子发酵前IC50值为0.43±0.16.0.64±0.33(mg/ml),发酵后IC50值为0.27±0.05、0.43±0.24(mg/mL)。实验结果表明,与未处理药用植物相比,经固定化菌发酵后的药用植物具有更加显著的抗氧化活性。5.进行了固定化菌生物转化药用植物中试实验验证应用本研究设计并制作的中试转化装置分别发酵四种植物药材,利用固定化菌生物转化植物药材中天然活性成分。虎杖中白藜芦醇32.78±0.34mg/g,相比于转化前提高了10.78倍。木豆根中染料木素含量为1.71±0.10mg/g,相比于转化前提高了2.41倍。槐角中染料木素17.84±0.89mg/g,相比于转化前提高了32.44倍。牛蒡子中牛蒡子苷元40.19±0.37mg/g,相比于转化前提高了5.85倍。通过抗氧化实验检测,表明中试装置转化后四种药材粗提物抗氧化活性优于原药材。通过使用固定化菌生物转化装置进行中试实验验证,实现了连续投料,连续生物转化生产,为大规模产业化生产提供了数据支持,为固定化菌的利用技术提供了新的途径。
【作者】金爽；
【导师】付玉杰；安志刚；
【作者基本信息】东北林业大学，植物学，2014，博士
【关键词】固定化可食用菌；活性成分；生物转化；抗氧化活性；

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