產吡嗪類細菌的麩曲制作工藝優化

武　順，王德良，閆寅卓（中國食品發酵工業研究院，北京 100015）

產吡嗪類細菌的麩曲制作工藝優化

武順，王德良，閆寅卓*
（中國食品發酵工業研究院，北京 100015）

該文采用響應面法對產吡嗪細菌的麩曲制作工藝進行研究。以從酒曲中篩選的細菌為基礎，考察不同因素對細菌產吡嗪的影響。采用單因素試驗和響應面法對影響麩曲制作中細菌產吡嗪的4個主要影響因素即麩皮添加量、水分、培養時間和接種量進行分析優化。結果表明，影響細菌產吡嗪的工藝因素按主次順序排列為麩皮添加量＞接種量＞水分含量＞培養時間；確定麩曲制作中細菌產吡嗪的最佳工藝條件為麩皮添加量115 g、水分含量30%、培養時間36 h、接種量12%。在此最佳條件下，吡嗪類物質的產量36.36×10-5g/g。

吡嗪；響應面法；工藝優化

吡嗪類化合物是1、4位含兩個氮雜原子的六元雜環化合物，具有氣味強度高、閾值低、風味獨特、特殊藥理功能和保健功能等特點，廣泛存在于天然和發酵食品中［1］。其具有類似于炒堅果、烤肉的怡人香氣，香氣透散性好，對其他香味有顯著的烘托和疊加作用［2-3］。研究表明，吡嗪類化合物尤其是四甲基吡嗪，具有擴張血管、改善血循環、護肝（防止酒精對胃黏膜和肝臟的損傷）等功能［4-5］。

國內外的相關研究結果表明，產吡嗪、特別是四甲基吡嗪的桿菌主要集中在枯桿菌及其突變株［6］、乳酸桿菌［7］、枯草芽孢桿菌［8］等桿菌屬，國內的一些學者通過篩選高產蛋白酶活性［9-11］的菌株得到高產吡嗪類的菌株。KOSUGE T等［12］在納豆中分離得到四甲基吡嗪，發現枯草芽孢桿菌具有發酵產生四甲基吡嗪的能力。ZAK D L等［13］從發酵可可豆中找到了發酵產吡嗪的枯草芽孢桿菌，且只有在枯草芽孢桿菌生長時，體系中才會有四甲基吡嗪。HUANG T C等［14］考察了乙偶姻/乙酸銨模型體系中四甲基吡嗪的生成過程，并提出了弱酸高壓條件下四甲基吡嗪的生成機制。唐清蘭等［15］對劍南春酒曲中篩選產吡嗪類功能菌株的產吡嗪條件進行優化。祝賽峰等［16］利用響應面法優化枯草芽孢桿菌S0507產四甲基吡嗪的培養條件。朱兵鋒等［17］通過兩階段pH控制策略、葡萄糖補加策略對微生物發酵生產吡嗪進行優化。

本試驗以從酒曲中篩選的高產吡嗪類的細菌為基礎，對其麩曲應用中產吡嗪類物質量進行試驗優化，對該菌種的實際應用提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

高產吡嗪類物質的細菌為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）：本實驗室從酒曲中篩選。

基礎培養基（營養肉湯培養基）：蛋白胨10 g/L、牛肉膏3 g/L、氯化鈉5 g/L。

發酵培養基：葡萄糖70 g/L、玉米粉16 g/L、氯化錳0.05 g/L、氯化鎂0.15 g/L、氯化鋅0.1 g/L、氯化鐵0.05 g/L。

基礎麩曲培養基：麩皮100 g、水分含量40%。

1.2儀器與設備

Glarus 600氣相色譜質譜聯用儀（gas chromatographymass spectrometer，GC-MS）：美國PerkinElmer公司；SW-CJ-2FD型雙人單面凈化工作臺：蘇州凈化設備有限公司；LRH-250生化培養箱：上海一恒科學儀器有限公司；LDZX-50KBS立式電熱壓力蒸汽滅菌鍋：上海申安醫療器械廠；DHZ-B高溫全溫振蕩器：太倉市豪成試驗儀器制造有限公司。

1.3方法

1.3.1單因素試驗設計

種子液的制備：將枯草芽孢桿菌挑取一環接于基礎培養基中，37℃、180 r/min培養1 d后轉接到發酵培養基中相同條件下培養。

麩皮添加量的確定：麩皮添加量分別為60g、70g、80g、90 g、100 g、110 g、120 g、130 g、140 g，水分含量40%，接入10%種子液，裝入500 mL三角瓶中，37℃培養48 h。培養好的麩曲烘干48 h后粉碎，取0.5 g麩曲，加入內標5 μL，飽和NaCl 5 mL后測定吡嗪類物質含量。

水分含量的確定：水分含量按20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%添加，麩皮添加量100 g，接入10%種子液，裝入500 mL三角瓶中，37℃培養48 h。培養好的麩曲烘干48 h后粉碎，取0.5 g麩曲，加入內標5 μL，飽和NaCl 5 mL后測定吡嗪類物質含量。

培養時間的確定：培養基中加入麩皮100 g，水80 mL，裝入500mL三角瓶中，接入10%種子液，37℃分別培養12h、18 h、24 h、30 h、36 h、42 h、48 h、54 h、60 h。培養好的麩曲烘干48 h后粉碎，取0.5 g麩曲，加入內標5 μL，飽和NaCl 5 mL后測定吡嗪類物質含量。

接種量的確定：接種量按5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%添加到培養基中，麩皮量100 g，水分含量40%，裝入500 mL三角瓶中，37℃培養48 h。培養好的麩曲烘干48 h后粉碎，取0.5 g麩曲，加入內標5 μL，飽和NaCl 5 mL后測定吡嗪類物質含量。

1.3.2響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以麩皮添加量（A）、水分含量（B）、培養時間（C）、接種量（D）為考察因子，以吡嗪類物質含量（Y）為響應值，利用Design-Expert8.05中的Box-Behnken Design進行響應面試驗設計，因素與水平編碼值見表1。

表1　Box-behnken試驗編碼與水平Table 1 Factors and levels of Box-behnken experiment

1.3.3測定方法

吡嗪類物質含量測定采用氣質聯用法進行測定。

樣品處理：取樣品0.5 g，加入內標5 μL、飽和NaCl 5 mL，50℃頂空固相萃取30 min。

氣相色譜條件：DB-Wax色譜柱（30 m×0.25 mm， 0.25 μm）氣相色譜。進樣口溫度250℃，載氣He，流速2mL/min。進樣量1 μL，不分流進樣。升溫程序為35℃，保持4 min，再以5℃/min的速度升溫至150℃，保持4 min再以3℃/min的速率升溫至220℃，保持5 min。

質譜條件：電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，激活電壓1.5 V，質量掃描范圍30.00～350.00 m/z。

2　結果與分析

2.1單因素試驗

2.1.1麩皮添加量對吡嗪類物質含量的影響

麩皮添加量對吡嗪類物質含量的影響見圖1。

圖1　麩皮添加量對吡嗪類物質含量的影響Fig.1 Effect of bran addition on pyrazine content

由圖1可知，隨著麩皮添加量的增加，吡嗪類物質含量呈現出先增加后降低的趨勢，麩皮添加量為100 g時吡嗪類物質含量最高，為32.213 1×10-5g/g。因此選擇麩皮添加量100 g為響應面設計中心點。

2.1.2水分含量對吡嗪類物質含量的影響

水分含量對吡嗪類物質含量的影響結果見圖2。

圖2　水分含量對吡嗪類物質含量的影響Fig.2 Effect of water content on pyrazine content

由圖2可知，隨著水分含量的增加，吡嗪類物質含量呈現出先增加后降低的趨勢，水分含量為40%時吡嗪類物質含量最高，為28.734 6×10-5g/g。因此選擇水分含量40%為響應面設計中心點。

2.1.3培養時間對吡嗪類物質含量的影響

培養時間對吡嗪類物質含量的影響結果見圖3。

圖3　培養時間對吡嗪類物質含量的影響Fig.3 Effect of culture time on pyrazine content

由圖3可知，隨著培養時間的增加，吡嗪類物質含量呈現出先增加后降低的趨勢，培養時間為48 h時吡嗪類物質含量最高，為31.021 9×10-5g/g。因此選擇培養時間48 h為響應面設計中心點。

2.1.4接種量對吡嗪類物質含量的影響

接種量對吡嗪類物質含量的影響見圖4。

圖4　接種量對吡嗪類物質含量的影響Fig.4 Effect of inoculum on pyrazine content

由圖4可知，隨著接種量的增加，吡嗪類物質含量呈現出先增加后降低的趨勢，接種量為15%時吡嗪類物質含量最高，為36.272 5×10-5g/g。因此選擇接種量15%為響應面設計中心點。

2.2 Box-Behnken試驗

2.2.1 Box-Behnken試驗設計與結果

響應面試驗設計及結果見表2，回歸模型方差分析結果見表3。

由表3可知，P值＜0.05即為顯著。方差分析結果可見，模型顯著，AC、BC、CD、A2、C2、D2均為顯著（P＜0.05），失擬項不顯著，說明該模型適合對該試驗進行分析。試驗各因素對吡嗪類產量的影響程度由大到小依次為A（麩皮添加量）＞D（接種量）＞B（水分含量）＞C（培養時間）。

通過分析得到編碼后4個因素與吡嗪類含量擬合成的多元二次方程為：

表2　Box-behnken試驗設計及結果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiment

表3　回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

2.2.3響應面分析與優化

根據回歸方程繪制響應面分析圖，以確認麩皮添加量、水分含量、培養時間、接種量對吡嗪類物質含量的影響，響應面曲面和等高線見圖5。

圖5　麩皮添加量、水分含量、培養時間、接種量交互作用對吡嗪類物質含量影響的響應曲面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour line of effects of interaction betueen bran addition，water content，inoculum on pyrazine content

由圖5可知，麩皮添加量與水分含量交互作用、麩皮添加量與培養時間交互作用、麩皮添加量與接種量交互作用、水分含量與培養時間交互作用、水分含量與接種量交互作用、培養時間與接種量交互作用的顯著性情況與表3中交互項P值的分析結果一致。

響應面的坡度較為陡峭，表明吡嗪類的產量對麩皮添加量和水分含量、麩皮添加量和培養時間、麩皮添加量和接種量、水分含量和培養時間、水分含量和接種量、培養時間和接種量的變化較為敏感。在麩皮量不變的條件下，隨著水分含量水平的逐漸提高，吡嗪類產量呈先上升后下降的變化趨勢；在水分含量不變的條件下，隨著麩皮量的逐漸增加，吡嗪類產量呈先上升后下降的趨勢，且變化較大，其他交互因素同上。

等高線呈圓形，表明兩因素之間的交互作用強度較弱，影響不顯著。等高線圓形，表明兩因素之間的交互作用強度較強，影響顯著。

通過Design Expert（v8.0.6）軟件分析，制作麩曲的最佳條件為麩皮量114.61 g、水分含量30%、培養時間36 h、接種量12%，此條件下吡嗪類產量的理論值為36.5473×10-5g/g。

考慮到實際操作方便性，將麩皮添加量定為115 g。故本試驗所得最佳條件為麩皮量115 g、水分含量30%、培養時間36 h、接種量12%。

2.3回歸模型的驗證試驗

為檢測所得結果的可靠性，對上述優化條件進行3次平行試驗，即麩曲量115g、水分含量30%、培養時間36 h、接種量12%，實際測得的平均吡嗪類產量為36.3645×10-5g/g，理論值與試驗值的相對偏差為0.497%，證明應用響應曲面法優化細菌產吡嗪類的培養條件是可行的。

3　結論

本試驗通過單因素試驗分析了培養條件對吡嗪類產量的影響，并結合Box-Behnken設計及響應面分析，建立了二次多項式模型，并經顯著性檢驗證明了該模型具有可靠性。所得二次回歸方程為：Y=34.76+0.59A+0.28B-0.16C-0.38D-0.46AB-2.23AC-0.11AD+1.65BC+0.45BD+2.14CD-2.89A2-0.51B2-1.80C2-1.40D2。得到最佳發酵條件為麩曲量115 g、水分含量30%、培養時間36 h、接種量12%。在此條件下，吡嗪類物質含量為36.3645×10-5g/g。

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Optimization of Processing technology of Fuqu with pyrazine-producing bacteria

WU Shun，WANG Deliang，YAN Yinzhuo*
（China National Research Institute of Food and Fermentation Industries，Beijing 100015，China）

The process of pyrazine-producing bacteria used inFuquwas studied.The bacteria were screened from differentDaqu，and the effect of different factors on pyrazine production was investigated.The effects of bran addition，water content，culture time and inoculum were investigated by single factor and response surface experiments during the production ofFuqu.The results showed that the factors affecting pyrazine production in order was bran addition，inoculum，water content and culture time.The optimal processing condition was bran 115 g，water content 30%，culture time 36 h and inoculum 12%.Under the optimized condition，the pryzine production was 36.36×10-5g/g.

pyrazine；response surface methodology；process optimization

TS201.1

0254-5071（2016）02-0013-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.02.004

2015-12-03

國家自然科學基金（31401680）

武順（1987-），男，碩士研究生，研究方向為發酵工程。

閆寅卓（1986-），女，高級工程師，博士，研究方向為發酵工程。