枯草芽孢桿菌發酵對豆類粗多糖結構與抗氧化活性的影響

屈雅寧，許夢粵，唐雙慶，劉 琴，陳禪友，王亞珍，王紅波,,,

（1.江漢大學生命科學學院，食品營養與安全研究中心，湖北武漢 430056；2.湖北省豆類（蔬菜）植物工程技術研究中心，湖北武漢 430056；3.湖北省健康代糖產品企校聯合創新中心，湖北武漢 430056）

豆類營養價值高，口感良好，是人們喜食的優質食品資源。豆類除含有豐富的蛋白質、脂肪和維生素等營養物質外，還含有多糖、黃酮和皂苷等生物活性成分，使豆類具有抗氧化、抑菌、降血糖和降血壓等功能，從而更加受到關注[1-2]。多糖的生物學功能是食品營養領域的研究熱點。YANG 等[3]分離純化了綠豆中的多糖，其表現出良好的抗氧化活性。BAI等[4]研究了6 種豆科植物粗多糖的化學組成，結果表明較高含量的粗多糖和具有特定結構的粗多糖對降血糖具有一定的作用。

發酵是一種傳統的食品生物加工技術，通過微生物發酵作用能改善其風味，也能顯著提高其營養品質和生物學功能。國內對傳統發酵豆制品的研究大多集中于產品營養與風味方面，目前對發酵豆制品發酵過程中產生新物質的種類、結構和功能挖掘不夠。JHAN 等[5]研究發現枯草芽孢桿菌發酵能提高紅豆食品的抗氧化能力。邰佳等[6]利用枯草芽孢桿菌和纖維素降解菌混合菌種接種玉米須，固態發酵后玉米須中的總黃酮含量提高了38.89%，多糖含量提高了32.69%。目前已有研究報道大豆水溶性多糖具有抗腫瘤、抑菌、抗氧化等活性，在食品工業中應用廣泛。黑豆多糖、綠豆多糖和豇豆多糖等雜豆多糖的部分結構信息已有一些研究者解析，而關于其他雜豆類多糖的研究偏少，且有關微生物發酵對豆類多糖結構影響的研究報道較少。

本研究選取了大豆、豇豆、紅豆、綠豆、扁豆、豌豆、蠶豆和菜豆8 種常見的食用豆子為研究對象，以枯草芽孢桿菌為發酵菌株，采用固態發酵方式，比較研究了8 種豆子發酵前后粗多糖的化學組成、分子量分布、紅外光譜結構以及抗氧化活性能力的變化，為發酵豆類功能食品的開發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆（MD-065，自選材料）、豇豆（鄂豇豆7 號）、紅豆（紅珍珠）、綠豆（綠寶石）、扁豆（德扁3 號）、豌豆（漢豌1 號）、蠶豆（CD-035，自選材料）、菜豆（SJ-0052，自選材料） 均由湖北省食用豆類植物自然科技資源中心提供；菌種枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilissubsp.Subtilis，ATCC 6051） 保藏于湖北省豆類（蔬菜）植物工程技術研究中心；LB 培養基 實驗室自制（蛋白胨1 g，酵母粉0.5 g，NaCl 1 g，蒸餾水100 mL，瓊脂2 g）；2,4,6-三（2-吡啶基）-1,3,5-三嗪（2,4,6-Tri （2-pyridine）-1,3,5-triazine，TPTZ） 索萊寶公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2,2′-聯氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2'-Azinobis-3-ethylbanzthiazo-line-6-sulfonate，ABTS）、鐵離子還原能力工作液（Ferric ion reducing antioxidant power，FRAP） 麥克林公司；三氯乙酸（Trichloroacetic acid，TCA）、牛血清白蛋白（Bovine albumin，BSA）、磷酸緩沖鹽溶液（Phosphate buffered saline，PBS）、葡萄糖、蒽酮乙酸乙酯、半乳糖醛酸、間羥基聯苯、四硼酸鈉/硫酸、右旋糖酐等試劑 國藥集團化學試劑有限公司。

1515 高效液相色譜儀 美國Waters；OHpak SB-803 HQ、Ohpak SB-804 HQ、Ohpak SB-805 HQ聚合物基質水溶性SEC（GFC）色譜柱 日本Shodex；FA124C 分析天平 上海力辰科技；TGL-16A 離心機 長沙平凡儀器；NICOLET iS50R 傅里葉變換顯微紅外光譜儀 美國Thermo Scientific；JP-020 超聲波清洗機 深圳市潔盟清洗設備有限公司；SPX-150B-Z 型生化培養箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠；SMF01 磨粉機 蘇泊爾電器公司；FreeZone 6 Plus 冷凍干燥機 美國LABCONCO 公司；1510全波長酶標儀 Thermo Fisher 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌株活化與擴大培養 將枯草芽孢桿菌劃線接種至LB 培養基，于37 ℃下培養2 d，挑取枯草芽孢桿菌單菌落于LB 液體培養基中，37 ℃搖床培養24 h，得到種子液。

1.2.2 固態發酵與冷凍干燥 參考LI 等[7]和BJMA等[8]的實驗方法。將8 種豆子用磨粉機磨碎（直徑小于1 mm），分別稱取12 g 置于錐形瓶內，121 ℃滅菌15 min，冷卻，以5%接種量將菌株種子液接種于豆粉，置于37 ℃培養箱發酵培養7 d。發酵結束后，將發酵樣品置于冷凍干燥機，真空度0.040 MBar，溫度-85 ℃，冷凍干燥12 h，將凍干后的發酵樣品于-20 ℃冰箱儲存備用。

1.2.3 粗多糖的提取

1.2.3.1 樣品脫脂 參考李安琪等[9]的方法對樣品進行預處理。將未發酵和發酵后豆粉，分別取6 g 于燒杯，按料液比1:10（g/mL）加入95%的乙醇，室溫搖床震蕩6 h，6000 r/min 離心10 min，收集沉淀，于60 ℃烘箱烘干，密封保存備用。

1.2.3.2 粗多糖提取 取脫脂后豆粉，按料液比1:20（g/mL）添加蒸餾水，95 ℃條件下提取6 h，6000 r/min 離心10 min，收集上清液。

1.2.3.3 粗多糖除蛋白 多糖提取上清液中加入等體積3% TCA 溶液于4 ℃冰箱靜置過夜[10-11]，8000 r/min 離心10 min 除去蛋白質，取上清液。在上清液中加入等體積無水乙醇，4 ℃靜置過夜，8000 r/min 離心10 min，收集沉淀，冷凍干燥得粗多糖。

1.2.3.4 粗多糖得率的計算 稱量冷凍干燥后的粗多糖，按以下公式計算發酵前和發酵后豆粉粗多糖的得率。

1.2.4 粗多糖組成測定

1.2.4.1 總糖含量測定 參考劉藝珠等[12]的方法，量取標準（0.1 mg/mL）葡萄糖溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL，用蒸餾水補齊至2 mL，加入蒽酮乙酸乙酯0.5 mL，再加入5 mL 濃硫酸，沸水浴5 min 后冷卻，在620 nm 波長下測定吸光度，以葡萄糖濃度為橫坐標（mg/mL），吸光值為縱坐標，得到回歸方程y=3.8829x+0.0494，R2=0.9992。取樣品20 mg 溶于40 mL 水中配成0.5 mg/mL 的樣品溶液，記錄吸光度，計算總糖的含量（%）。

式中，C 為樣品質量濃度，mg/mL；N 為稀釋倍數；V 為樣品定容體積，mL；m 為樣品質量，mg。

1.2.4.2 糖醛酸含量測定 以半乳糖醛酸為標準品，采用間羥基聯苯比色法[13]測定各粗多糖樣品中糖醛酸含量。取半乳糖醛酸標準溶液0.5 mL 定容至10 mL，取1 mL 該定容溶液，冰水浴，緩慢加入四硼酸鈉/硫酸溶液6 mL，渦旋混勻，沸水浴5 min 后冷卻，加0.1 mL 間羥基聯苯溶液，充分混勻振蕩5 min，超聲處理除氣泡，在200～800 nm 波長內掃描，確定最大吸收波長，以糖醛酸濃度（mg/mL）為橫坐標，吸光值為縱坐標，得回歸方程y=2.6536x+0.072，R2=0.9918。分別取樣品20 mg，用蒸餾水配制成濃度為0.5 mg/mL的樣品溶液。取樣品溶液1 mL，后續同上述操作，計算糖醛酸含量（%）。

式中，C 為樣品質量濃度，mg/mL；V 為樣品定容體積，mL；m 為樣品質量，mg。

1.2.4.3 蛋白質含量測定 以牛血清白蛋白（BSA）作為標準品[14]，采用考馬斯亮藍法測定各豆粉粗多糖樣品中的蛋白質含量，記錄各反應液在595 nm 波長下的吸光值，以蛋白質濃度（mg/mL）為橫坐標，吸光值為縱坐標，得回歸方程y=2.4714x+0.2221，R2=0.994。取樣品20 mg 溶于40 mL 水中配成0.5 mg/mL的樣品溶液，后續操作步驟同標準溶液，根據標準曲線計算樣品中蛋白質含量（%）。

式中，C 為樣品質量濃度，mg/mL；N 為稀釋倍數；V 為樣品定容體積，mL；m 為樣品質量，mg。

1.2.5 分子量分布測定 稱量不同分子量的右旋糖酐標準品，使用高效凝膠滲透色譜（HPGPC）串聯柱來進行檢測，得校正曲線。稱取樣品5 mg，向樣品中加入0.05 mol/L NaCl 溶液1 mL，配制成5 mg/mL供試樣品溶液，8000 r/min 離心10 min，取上清液用0.22 μm 的微孔濾膜過濾，然后將樣品轉置于2 mL進樣瓶中，進行多糖分子量分布檢測[15]。色譜條件：色譜柱：聚合物基質水溶性SEC（GFC）色譜柱（8×300 mm）3 根串聯；流動相：0.05 mol/L NaCl 溶液；流速：0.65 mL/min；柱溫：40 °C；進樣量：30 μL。

1.2.6 紅外光譜分析 稱取各干燥的粗多糖樣品1～2 mg 于在研缽中，分別加入KBr 粉末200 mg 研磨均勻，壓片，使用傅里葉變換顯微紅外光譜儀掃描樣品，波數范圍4000～400 cm-1，繪制紅外光譜圖[16]。

1.2.7 粗多糖抗氧化活性測定

1.2.7.1 DPPH 自由基清除活性測定 參考辛玥等[17]的DPPH 測定方法。制備0.1 mmol/L DPPH 溶液，分別取0.2 mL 粗多糖樣品溶液和0.2 mL 0.1 mmol/L DPPH 溶液混合均勻，避光反應30 min 后，在517 nm波長處測量吸光值，結果按公式（5）計算DPPH 自由基清除率：

式中：A0為0.2 mL H2O 加0.2 mL DPPH 的吸光度；A1為0.2 mL 樣品溶液加0.2 mL 50%乙醇的吸光度；A2為0.2 mL 樣品溶液加0.2 mL DPPH 的吸光度。

1.2.7.2 ABTS+自由基清除活性測定 將7.4 mol/L ABTS 溶液和3.8 mmol/L 硫酸鉀溶液等體積混合，避光反應12 h 得到母液。在734 nm 下將母液用PBS（pH7.4）緩沖溶液調整吸光度到0.70±0.02，得到反應溶液[18]。將25 μL 粗多糖樣品溶液和250 μL的反應溶液混勻，靜置15 min，用酶標儀在734 nm下測量吸光值。結果按公式（6）計算ABTS+自由基清除率：

式中：A0為25 μL H2O 加250 μL 反應液的吸光度；A1為25 μL 樣品溶液加250 μL PBS 緩沖液的吸光度；A2為25 μL 樣品溶液加250 μL 反應液的吸光度。

1.2.7.3 鐵離子還原能力測定（FRAP） 將300 mmol/L醋酸鹽緩沖液（pH3.5）、10 mmol/L TPTZ 溶液和20 mmol/L 氯化鐵溶液以10:1:1 體積混合，制成FRAP 工作液。取900 μL FRAP 工作液與100 μL 粗多糖樣品溶液混合，于37 ℃下反應5 min，用酶標儀在595 nm 波長下測定吸光度值[19]。相同條件下以FeSO4為參照標準，作濃度變化曲線。計算粗多糖樣品的鐵離子還原能力（μmol/L）。

1.3 數據處理

本實驗數據均重復測定三次。實驗數據以平均值±標準偏差表示。運用Microsoft Excel 2010 整理數據，采用SPSS （version 27.0）進行單因素方差分析，P＜0.05 表明具有顯著性差異。GrapPad 軟件計算IC50值，Origin Pro 2021 繪制相關數據圖。

2 結果與分析

2.1 發酵前后豆類中粗多糖得率與組成比較分析

發酵前后8 種豆粉粗多糖組分變化見表1。未發酵豆粉粗多糖得率顯著高于發酵后豆粉（P＜0.05），由于豆子中蛋白質含量較高（蛋白質含量40%左右）[20]，三氯乙酸（TCA）未將蛋白質除盡，未發酵豆粉粗多糖中含有少量蛋白質。未發酵豆粉粗多糖總糖含量在3.35%～35.63%之間，發酵后豆粉粗多糖中總糖含量在16.61%～77.11%之間。發酵后豆粉粗多糖的總糖含量顯著增加（P＜0.05），且蠶豆和豇豆增加最顯著（P＜0.05），分別提高至58.84%和77.11%。發酵后豆粉粗多糖中蛋白質被除盡，提高了多糖的純度。未發酵的蠶豆、綠豆、紅豆和豇豆粗多糖中含有少量的糖醛酸，發酵后8 種豆粉粗多糖中的糖醛酸含量均增加，且豌豆增加最顯著（P＜0.05），糖醛酸含量達16.63%。TCA 方法脫蛋白處理對提高粗多糖中多糖含量具有顯著的效果[21]，豆粉發酵過程中，微生物消耗了豆粉中的部分蛋白質，使得發酵后的豆粉粗多糖樣品均未發現蛋白質，微生物發酵聯合TCA 處理是去除豆粉粗多糖中蛋白質的理想方法。胡彥波等[22]研究結果表明樣品中少量蛋白質對后續粗多糖抗氧化實驗結果無明顯影響，因此，粗多糖樣品無需進一步的脫蛋白處理。本研究結果表明枯草芽孢桿菌發酵能顯著提高豆粉粗多糖的純度、增加粗多糖中糖醛酸的含量。豆粉中含有纖維素，纖維素的細胞壁被枯草芽孢桿菌的酶系代謝，促進了多糖的釋放[6]。因此，經微生物發酵后豆粉粗多糖的含量均有提高。

表1 8 種豆粉發酵前后粗多糖得率與組成比較分析Table 1 Comparison and analysis of the yield and composition of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

2.2 發酵前后豆類中粗多糖分子量比較分析

采用HPGPC 法比較分析8 種豆粉發酵前后粗多糖的分子量，研究結果如圖1 所示。發酵前大豆、豇豆、紅豆、綠豆、扁豆、豌豆、蠶豆和菜豆均出現1 個明顯的特征吸收峰，其分子量分別為0.45、6.10、4.80、14.80、4.17、1.80、4.14 和2.25 kDa；而發酵后豆粉粗多糖特征峰分子量分別為45.39、43.60、30.90、28.10、18.00、56.56、40.60 和36.85 kDa。結果表明豆粉粗多糖分子量分布不均一，且發酵后粗多糖分子量均增加。粗多糖分子量增加可能是由于多糖分子中含有大量的羥基，羥基伸縮振動，分子間作用力相互聚集，尤其是酸性多糖容易形成不同程度的聚集體，導致多糖分子量增加[23]；也可能是由于枯草芽孢桿菌分泌的多糖聚合酶將小分子多糖酶促聚合生成大分子的多糖化合物[24]。通過微生物發酵后大豆粗多糖特征分子量明顯，從0.45 kDa 增加到45.39 kDa。由于粗多糖分子量的差異，會使其具有不同的生物活性[11]。因此，枯草芽孢桿菌發酵增加了豆粉粗多糖的分子量，枯草芽孢桿菌發酵或許是制備新的豆類多糖的理想方法。

圖1 8 種豆粉發酵前后粗多糖的分子量分布Fig.1 Molecular weight distribution of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

2.3 發酵前后豆類中粗多糖紅外光譜比較分析

8 種豆粉發酵前后粗多糖的紅外光譜分布如圖2 所示。發酵前后豆粉粗多糖在3426 cm-1附近均具有一個強且寬的特征吸收峰，這是由于-OH 官能團的伸縮振動引起的，表明糖類分子形成分子內氫鍵[25]。發酵前和發酵后8 種豆粉粗多糖在2925 和2932 cm-1之間都有特征峰，并以小肩峰的形式存在，這是糖類C-H 伸縮振動的特征峰[1]。大部分羰基吸收集中1900～1650 cm-1，通常為譜圖的最強峰或次強峰，為C=O 官能團的伸縮振動，未發酵豆和發酵豆粗多糖都含有此特征峰，發酵前大豆和豌豆只含有一個C=O 伸縮振動吸收峰，其余豆粉粗多糖含有兩個C=O 伸縮振動吸收峰。表明粗多糖樣品中可能存在不同種類的糖醛酸[26]。1640 cm-1是蛋白質的特征紅外吸收峰[27]，所有豆粉粗多糖樣品在1640 cm-1附近都未出現強烈的吸收峰，表明豆粉樣品用TCA 去除蛋白效果明顯。在1500～600 cm-1區域主要提供C-H 彎曲振動的信息[28]。扁豆、扁豆-F、蠶豆、蠶豆-F、豇豆、豇豆-F、紅豆、紅豆-F、菜豆、綠豆、綠豆-F 和豌豆粗多糖在 763 和 931 cm-1附近出現吸收峰，表明粗多糖中可能存在吡喃糖環結構[29]。此外，840 cm-1附近的峰值表明粗多糖樣品中包含α-構型[30]，即具有α-糖苷鍵，這種豆子粗多糖可能是α-吡喃葡萄糖[31]。發酵前后豆子粗多糖中均含有α-糖苷鍵。紅外光譜圖結果分析表明，8 種豆類發酵前后提取物粗多糖均符合多糖分子的結構特征。

圖2 8 種豆粉發酵前后粗多糖紅外光譜分布Fig.2 IR spectral distribution of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

2.4 發酵前后豆類中粗多糖抗氧化活性比較分析

2.4.1 DPPH 自由基清除能力 8 種豆粉發酵前后粗多糖對DPPH 自由基清除能力比較分析結果如圖3 所示。研究結果表明，增加8 種豆粉粗多糖的濃度，DPPH 自由基清除能力均增加，但清除能力均小于Vc。由粗多糖溶液對DPPH 自由基的清除曲線經回歸處理可求出DPPH 自由基的半清除率（Half aximal inhibitory concentration，IC50），IC50值見表2。除蠶豆外，未發酵豆粉粗多糖對DPPH 自由基清除能力均顯著優于發酵后豆粉粗多糖（P＜0.05），這可能與未發酵豆粉中含蛋白質有關。SIU 等[32]從三種可食用蘑菇中提取了不同蛋白含量的多糖，結果表明多糖抗氧化活性和其蛋白質含量具有顯著相關性。發酵后豆子粗多糖對DPPH 自由基清除能力降低可能是由于發酵使多糖-蛋白質復合物空間結構發生改變，失去了粗多糖結合的蛋白質，從而降低了抗氧化活性。IC50值顯著性分析見表2，發酵前和發酵后的豆粉粗多糖清除DPPH 自由基能力差異顯著（P＜0.05）。發酵后的大豆、紅豆、蠶豆、豌豆和豇豆對DPPH 清除率效果較好，當質量濃度為0.5 mg/mL時，清除率均超過50%。發酵后綠豆粗多糖的清除效果較低，當質量濃度為1.5 mg/mL 時，清除率未達到50%。

圖3 發酵前后8 種豆粉粗多糖DPPH 自由基清除能力Fig.3 DPPH free radical scavenging capacity of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

表2 8 種豆粉發酵前后粗多糖抗氧化活性顯著性分析Table 2 Significance analysis of antioxidant activity of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

2.4.2 ABTS+自由基清除能力 8 種豆粉發酵前后粗多糖對ABTS+自由基清除能力的結果如圖4 所示。研究結果表明，增加8 種豆粉粗多糖濃度，ABTS+自由基清除率能力均增加。發酵前后豆粉粗多糖對ABTS+自由基的半清除率的IC50值見表2。發酵前后豆粉粗多糖對ABTS+自由基清除率差異顯著（P＜0.05）。其中豇豆、紅豆、綠豆、扁豆、蠶豆和菜豆發酵后豆粉粗多糖對ABTS+自由基清除率均比發酵前顯著增加。文愉熙等研究報道，多糖的活性還與糖苷鍵、空間構象等有密切關系[33]，在豆粉粗多糖紅外檢測中，發酵前大豆和豌豆在C=O 官能團伸縮振動上與其它豆粉粗多糖有差異，可能對ABTS+自由基清除能力有影響。多糖分子結構的作用機制也會影響到多糖的抗氧化活性[34]。當粗多糖質量濃度為1 mg/mL 時，發酵后大豆、蠶豆、紅豆、豌豆和菜豆對ABTS+自由基清除率超過50%，清除效果較好。發酵后綠豆粗多糖清除效果不佳，當質量濃度為4 mg/mL 時，清除率達55.70%。

圖4 發酵前后8 種豆粉粗多糖ABTS+自由基清除能力Fig.4 ABTS+ radical scavenging ability of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

2.4.3 鐵離子還原能力（FRAP） FRAP 法可作為樣品中的總抗氧化能力的指標[35]。8 種豆粉發酵前后粗多糖對鐵離子還原能力結果如圖5 所示。研究結果表明，隨著粗多糖質量濃度的增加，發酵前后豆粉粗多糖對鐵離子的還原能力均隨濃度增加而增加。發酵過程能提高豆粉粗多糖對鐵離子的還原能力。如表2 所示，當粗多糖樣品濃度達4 mg/mL 時，發酵后豆粉粗多糖比未發酵豆粉粗多糖對鐵離子還原能力均顯著增加（P＜0.05）。

圖5 發酵前后8 種豆粉粗多糖鐵離子還原能力Fig.5 Iron ion reducing ability of eight kinds of legume crude polysaccharides before and after fermentation

3 結論

本研究用枯草芽孢桿菌ATCC 6051 固態發酵了大豆、豇豆、紅豆、綠豆、扁豆、豌豆、蠶豆和菜豆8 種不同的豆粉，比較分析了發酵前后8 種豆粉粗多糖的分子結構和抗氧化生物活性的變化。通過枯草芽孢桿菌發酵后制備得到的豆粉粗多糖分子量均增加、粗多糖分子中糖醛酸含量也不同程度的提高。發酵豆粉粗多糖與未發酵豆粉粗多糖表現出不同的抗氧化生物活性。除蠶豆外，發酵后的其它豆粉粗多糖對DPPH 自由基清除能力均降低；發酵后的大豆、紅豆、蠶豆、豌豆和豇豆對DPPH 自由基清除率較好，當質量濃度為0.5 mg/mL 時，清除率均超過50%。發酵后的豇豆、紅豆、綠豆、扁豆、蠶豆和菜豆粗多糖對ABTS+自由基清除率均增加。發酵后的豆粉粗多糖對鐵離子還原能力均優于未發酵的豆粉粗多糖。綜上，枯草芽孢桿菌發酵后可獲得具有較強抗氧化活性的生物活性多糖，通過發酵前后豆類多糖的對比研究，為枯草芽孢桿菌發酵后豆類多糖的實際應用研究提供了科學理論基礎，對進一步的應用研究及今后開發枯草芽孢桿菌發酵制備具有新型生物學功能的豆類多糖分子提供了新思路，后續還需對發酵前后豆類粗多糖的具體功能展開進一步研究。