響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝

蒲立檸，陳光靜,2，闞建全,2,*

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝

蒲立檸1，陳光靜1,2，闞建全1,2,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715）

為優(yōu)化青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝，提高發(fā)酵產(chǎn)物中降脂活性物質(zhì)的含量，以青稞麩皮和薏仁（質(zhì)量比1∶1）為發(fā)酵底物，以紫色紅曲霉菌（CICC.5046）為發(fā)酵菌種，以Monacolin K產(chǎn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用固態(tài)發(fā)酵工藝技術(shù)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，探究紅曲霉固態(tài)發(fā)酵的最佳工藝條件，研究主要生理活性物質(zhì)在發(fā)酵過程中的變化。結(jié)果表明，通過單因素試驗(yàn)篩選出發(fā)酵溫度、接種量和裝料量為影響Monacolin K產(chǎn)量的主要因素，響應(yīng)面優(yōu)化得出最佳工藝條件為發(fā)酵溫度29 ℃、接種量8%、裝料量40 g（250 mL燒杯為發(fā)酵容器）、初始含水量60%、發(fā)酵時(shí)間12 d，此時(shí)Monacolin K產(chǎn)量為110.556 mg/kg。在發(fā)酵過程中，可溶性多糖、總黃酮和β-葡聚糖含量減少，Monacolin K、色素和可溶性多酚含量增加，總體上降脂活性物質(zhì)增加更多。

青稞麩皮；薏仁；紅曲霉菌；Monacolin K；響應(yīng)面

紅曲是我國傳統(tǒng)的藥食兩用食物，是由紅曲霉菌（Monascus purpureus）發(fā)酵糧食谷物所得。紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)物中含有Monacolin K、紅曲色素、γ-氨基丁酸、麥角固醇、天然植物激素等活性成分，具有降脂、降壓、抗氧化和調(diào)節(jié)機(jī)體代謝等功效[1-5]。Monacolin K是紅曲的主要降脂成分[6]，能夠競(jìng)爭(zhēng)性抑制HMG-CoA還原酶活性，阻止膽固醇的合成[7]，美國利用Monacolin K生產(chǎn)了美降脂、vastatin等系列降膽固醇藥物。青稞（Hordeum vulgare Linn. var.）是一種特殊類型的大麥，它含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和良好的保健功能。青稞麩皮含有豐富的β-葡聚糖、黃酮、粗纖維、礦物質(zhì)等活性物質(zhì)，具有降脂、降糖、助消化、防止高原病等特殊功能[8-9]。薏仁是一種營養(yǎng)均衡且豐富的糧食作物，薏仁中含有多種活性成分，如多糖、薏苡素、甾醇、脂肪酸、甘油三酯和三萜類等。據(jù)報(bào)道，薏仁及其提取物具有降脂降糖、抗癌、抗氧化、抗過敏、提高免疫力等生理活性功能[10-11]。

萬強(qiáng)等[12]利用紅曲霉發(fā)酵青稞，增加了青稞的總氨基酸含量，提高了紅曲中γ-氨基丁酸和Monacolin K的含量，提高了青稞紅曲的營養(yǎng)品質(zhì)。趙輝[13-15]利用紅曲霉發(fā)酵青稞，研發(fā)出了青稞紅曲茶、青稞紅曲醋、青稞紅曲保健酒等系列保健品。而青稞麩皮作為青稞加工的副產(chǎn)品，含有豐富的黃酮、β-葡聚糖和粗纖維等活性物質(zhì)，薏仁含有薏仁多糖、薏仁內(nèi)酯和不飽和脂肪酸等活性成分，這些活性物質(zhì)均有降脂降糖功效。目前，關(guān)于紅曲霉對(duì)青稞麩皮和薏仁進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)還鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)以青稞麩皮和薏仁為發(fā)酵底物，以紫色紅曲霉菌（CICC.5046）作為發(fā)酵菌種，以Monacolin K產(chǎn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用固態(tài)發(fā)酵工藝技術(shù)[16]，利用響應(yīng)面優(yōu)化發(fā)酵條件，并研究主要降脂活性物質(zhì)在發(fā)酵過程中的變化，以期聯(lián)合三者降脂活性，為新型紅曲保健品的開發(fā)利用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源物質(zhì)的綜合利用，并提高其經(jīng)濟(jì)附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞麩皮 重慶君親食品有限公司；貴州大薏仁（除霉除雜，粉碎成麥粒般大小備用） 永輝超市；實(shí)驗(yàn)菌種CICC.5046（紫色紅曲霉，Monascus purpureus，用于生產(chǎn)降脂性功能紅曲） 中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

Monacolin K標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥98%） 美國Sigma公司；蛋白胨、麥芽浸粉 北京奧博星生物技術(shù)有限公司；瓊脂、葡萄糖、NaNO3、MgSO4·7H2O 、KH2PO4、無水乙醇、磷酸（均為分析純） 成都科龍化工試劑廠；乙腈（色譜純） 斯百全化學(xué)（上海）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHP-9272電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-1FD超凈工作臺(tái) 中日合資蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司；SYQ-DSX-280A手提式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠；UV-2450S（E）紫外分光光度計(jì) 日本島津公司；1260 Infinity高效液相色譜儀美國安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 培養(yǎng)基的配制

1.3.1.1 固體種子培養(yǎng)基

蛋白胨3%，麥芽浸粉3%，瓊脂2%，蒸餾水定容至100 mL，0.1 MPa、121 ℃滅菌20 min[17]。

1.3.1.2 液體種子培養(yǎng)基

葡萄糖6%，蛋白胨2.5%，N a N O30.2%，MgSO4·7H2O 0.1%，KH2PO40.1%，蒸餾水定容至100 mL，121 ℃滅菌15 min[16]。

1.3.2 固體種子培養(yǎng)

以紫色紅曲霉菌（CICC.5046）作為發(fā)酵菌種，將其接種到平板培養(yǎng)基中，于30 ℃條件下培養(yǎng)7 d，4 ℃保藏備用。

1.3.3 液體種子制備

用接種針刮取平板培養(yǎng)基上的孢子，制成約107CFU/mL孢子的懸浮液，接種1 mL該孢子懸浮液于盛有100 mL液體種子培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，在30 ℃、170 r/min搖床培養(yǎng)2 d[18]，然后用4層紗布濾掉菌絲體，制得發(fā)酵種子液。

1.3.4 青稞麩皮和薏仁固態(tài)發(fā)酵基本工藝以250 mL燒杯為發(fā)酵容器，將發(fā)酵底物加入燒杯后混勻，用透氣封口膜封口，121 ℃滅菌25 min，冷卻后，接種適量液體種子菌，拌勻，在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用變溫發(fā)酵方式發(fā)酵10 d（前5 d在一定的溫度條件下發(fā)酵，后5 d于25 ℃的溫度條件下發(fā)酵，后期低溫發(fā)酵有利于代謝產(chǎn)物Monacolin K的積累[18-19]），第3天開始翻曲，發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵物于50 ℃烘干，磨粉，過60 目，收集紅曲粉于干燥避光處保存?zhèn)溆肹20]。

1.3.5 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵條件優(yōu)化

1.3.5.1 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝條件的單因素試驗(yàn)以青稞麩皮薏仁混合物（質(zhì)量比1∶1）為發(fā)酵底物，分別固定初始含水量70%（V/m）、裝料量50 g、接種量8%（V/m）、發(fā)酵時(shí)間10 d，采用變溫發(fā)酵方式（前5 d在30 ℃的溫度條件下發(fā)酵，后5 d于25 ℃的溫度條件下發(fā)酵），分別考察初始含水量、裝料量、接種量、發(fā)酵時(shí)間和前期發(fā)酵溫度等單因素對(duì)青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)Monacolin K的影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況，選出對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響的顯著因素進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

1.3.5.2 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

綜合發(fā)酵過程中各單因素對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響的試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[21]，選擇對(duì)Monacolin K產(chǎn)量有顯著影響的3個(gè)因素發(fā)酵溫度（A）、接種量（B）、裝料量（C）為自變量，以Monacolin K產(chǎn)量（Y）為響應(yīng)變量，利用Design-Expert 7.0.0軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table1 Coded levels and corresponding actual levels for independent variables used in response surface analysis

1.3.6 Monacolin K含量的測(cè)定

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：準(zhǔn)確配制質(zhì)量濃度為50 μg/mL的Monacolin K標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別吸取0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0 mL 50 μg/mL的Monacolin K標(biāo)準(zhǔn)溶液于10 mL容量瓶中，用乙腈定容。0.22 μm微孔濾膜過濾至高效液相色譜分析瓶中，待測(cè)。以Monacolin K標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積y對(duì)質(zhì)量濃度x進(jìn)行線性回歸，回歸方程為y=55.603x－7.527，R2=0.999 6，Monacolin K在0.5～10 μg/mL內(nèi)線性關(guān)系良好。

色譜條件[16]：色譜柱為A g i l e n t C18（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為乙腈-磷酸溶液（55∶45，V/V，pH 2.5），紫外檢測(cè)波長(zhǎng)238 nm；流速1.5 mL/min，柱溫25 ℃，進(jìn)樣量20 μL，分析時(shí)間15 min。

樣品處理：稱取過60目篩的紅曲粉0.350 0 g左右于15 mL離心管，加入5 mL甲醇，55 ℃水浴超聲提取1.5 h，結(jié)束后靜置至室溫，4 000 r/min離心10 min，上清液過0.22 μm微孔濾膜至高效液相色譜分析瓶中，待測(cè)。1.3.7 其他主要活性成分的測(cè)定

薏苡素的測(cè)定采用高效液相色譜法[22]；可溶性多糖的測(cè)定采用苯酚-硫酸法[23]；總黃酮的測(cè)定采用蘆丁比色法[24]；可溶性總酚的測(cè)定采用福林-酚試劑法[25]；β-葡聚糖的測(cè)定采用國際標(biāo)準(zhǔn)酶法[26]；色素的測(cè)定采用Lin[27]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，采用Origin 8作圖，SPSS Statistics 17.0、Design-Expert 7.0.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵條件的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 發(fā)酵溫度對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響

圖1 發(fā)酵溫度對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig. 1 Effect of fermentation temperatures on Monacolin K yield

由圖1可知，Monacolin K產(chǎn)量隨著發(fā)酵溫度的變化呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)酵溫度為26 ℃時(shí)，菌體生長(zhǎng)緩慢，紅曲顏色較淺。發(fā)酵溫度為30 ℃時(shí)，菌體生長(zhǎng)良好，發(fā)酵過程平穩(wěn)，紅曲顏色呈深紅，Monacolin K產(chǎn)量極顯著高于其他組（P＜0.01）。當(dāng)發(fā)酵溫度為34 ℃時(shí)，初期菌體生長(zhǎng)迅速，而隨著發(fā)酵的進(jìn)行，培養(yǎng)基中的水分丟失嚴(yán)重，基質(zhì)逐漸變得干燥，菌體生長(zhǎng)代謝受阻，使Monacolin K等代謝產(chǎn)物的形成受到影響。因此，發(fā)酵溫度選擇30 ℃為宜。

2.1.2 初始含水量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響

圖2 初始含水量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effect of water-to-solid ratio on Monacolin K yield

由圖2可知，Monacolin K產(chǎn)量隨著初始含水量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)初始含水量低于50%時(shí)，發(fā)酵后期，由于發(fā)酵熱的產(chǎn)生以及基質(zhì)水分的散失，菌體的生長(zhǎng)代謝受到限制，發(fā)酵結(jié)束后的紅曲樣品中Monacolin K和色素含量均偏低。當(dāng)初始含水量為60%時(shí)，菌體生長(zhǎng)良好，紅曲顏色呈深紅色，此時(shí)Monacolin K含量最高，但與初始含水量為70%的組相比無顯著差異（P＞0.05）。當(dāng)初始含水量大于70%時(shí)，前期菌絲生長(zhǎng)過快，發(fā)酵后期產(chǎn)生較多的游離水沉積容器底部，導(dǎo)致底部缺氧，出現(xiàn)腐敗現(xiàn)象，Monacolin K的產(chǎn)量也不高。綜上，初始含水量選擇60%較適宜。

2.1.3 接種量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響

圖3 接種量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effect of inoculum size on Monacolin K yield

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接種量大小會(huì)影響菌體在培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)速度。適宜的接種量有利于微生物的生長(zhǎng)代謝，有利于菌體的增長(zhǎng)和次級(jí)代謝產(chǎn)物的積累。由圖3可知，當(dāng)接種量為8%時(shí)，Monacolin K產(chǎn)量最高，顯著高于其他組（P＜0.01）。當(dāng)接種量大于10%時(shí)，Monacolin K產(chǎn)量逐漸下降，可能是由于當(dāng)接種量較大時(shí)，引入基質(zhì)的水分就越多，不利于菌體生長(zhǎng)。當(dāng)接種量小于8%時(shí)，菌體的繁殖速度慢，代謝產(chǎn)物形成的速度也慢，同樣不利于目標(biāo)產(chǎn)物的積累，故紅曲產(chǎn)品中的Monacolin K含量不高[26]。綜上，接種量以8%為宜。

2.1.4 裝料量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響

圖4 裝料量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effect of filling quantity on Monacolin K yield

由圖4可知，當(dāng)裝料量為30 g時(shí)，菌體生長(zhǎng)旺盛，發(fā)酵過程狀態(tài)良好，但得到的紅曲樣品中Monacolin K產(chǎn)量不及裝料量為40 g的組，可能是由于裝料量少，營養(yǎng)物質(zhì)有限，且料層厚度小，水分較易散失，菌體生長(zhǎng)代謝受限。當(dāng)裝料量為40 g時(shí)，菌體生長(zhǎng)良好，紅曲呈深紅色，Monacolin K產(chǎn)量顯著高于其他組別（P＜0.01）。當(dāng)裝料量大于40 g時(shí)，隨著裝料量的增加，Monacolin K產(chǎn)量開始下降，可能是由于裝料量越多，料層厚度越大，透氣性欠佳，菌體生長(zhǎng)產(chǎn)生大量水分和熱量不易散失，導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)代謝受阻。故250 mL燒杯中裝料量選擇40 g較適宜，此時(shí)料層厚度為4 cm左右。

2.1.5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響

由圖5可知，Monacolin K含量隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升高后下降的趨勢(shì)，第13天時(shí)達(dá)到最高，但相對(duì)于第12天增幅并不顯著（P＞0.05），13 d以后Monacolin K的產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)，容器底部物料越濕潤，可能是由于發(fā)酵后期，基質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)消耗殆盡，大量菌體生長(zhǎng)受到抑制或死亡，加之容器底部通氣量小，出現(xiàn)惡性厭氧發(fā)酵，使Monacolin K結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)量下降。所以綜合考慮，發(fā)酵時(shí)間為12 d左右為宜。

圖5 發(fā)酵時(shí)間對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響Fig. 5 Effect of fermentation times on Monacolin K yield

2.2 青稞麩皮薏仁紫色紅曲霉菌發(fā)酵條件的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵條件，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選擇對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響較大的3個(gè)因素：發(fā)酵溫度（A）、接種量（B）、裝料量（C）為自變量，固定初始含水量60%和發(fā)酵時(shí)間12 d，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，各因素的試驗(yàn)組合及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table2 Box-Behnken experimental design with experimental and predicted yield of Monacolin K

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

利用Design-Expert 7.0.0軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到二次回歸模型方差分析結(jié)果，見表3。對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合，得到Monacolin K產(chǎn)量（Y）對(duì)發(fā)酵溫度（A）、接種量（B）、裝料量（C）的二次多項(xiàng)式回歸方程如下：

Y=105.12－22.12A－6.69B－6.03C－1.82AB＋2.13AC－10.46BC－17.96A2－22.46B2－25.35C2

表3 二次回歸模型方差分析Table3 Analysis of varianc ef the quadratic regression model

由表3方差分析可知，模型的P值顯著，失擬項(xiàng)P為0.814 3，差異不顯著，說明該模型對(duì)優(yōu)化青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝有實(shí)際應(yīng)用意義。R2為0.972 1，為0.936 2，說明該模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，能夠反映響應(yīng)值的變化。

由表3回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知：模型的一次項(xiàng)A影響極顯著（P＜0.01），B、C影響顯著（P＜0.05），且各因素對(duì)Monacolin K產(chǎn)量的影響程度依次為：A＞B＞C，即發(fā)酵溫度＞接種量＞裝料量。二次項(xiàng)A2、B2、C2影響極顯著（P＜0.01），交互項(xiàng)BC影響顯著（P＜0.05），表明接種量和裝料量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量有交互影響的作用。

2.2.2 響應(yīng)面分析結(jié)果

圖6 各因素交互作用對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響的響應(yīng)面和等高線Fig. 6 Response surface plots showing the effect of interactions among various factors on the production of Monacolin K

響應(yīng)面是響應(yīng)值對(duì)各因素所構(gòu)成的三維空間曲面圖，因素對(duì)響應(yīng)值影響越大，曲面越陡峭。而等高線的形狀則可以反映兩兩因素之間交互作用的顯著程度，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則表示兩因素交互作用不顯著。圖6反映了各因素對(duì)響應(yīng)值Monacolin K產(chǎn)量的影響，可以看出，發(fā)酵溫度對(duì)Monacolin K的產(chǎn)量影響最大，發(fā)酵溫度與接種量、發(fā)酵溫度與裝料量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響的交互作用不顯著（P＞0.05），接種量與裝料量對(duì)Monacolin K產(chǎn)量影響的交互作用顯著（P＜0.05），與方差分析結(jié)果一致。

根據(jù)響應(yīng)面軟件分析，可從回歸模型中得到最優(yōu)工藝條件：發(fā)酵溫度28.76 ℃、接種量7.81%、裝料量38.75 g、初始含水量60%、發(fā)酵時(shí)間12 d。在該優(yōu)化條件下，Monacolin K產(chǎn)量的理論值為112.649 mg/kg。

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證該模型對(duì)Monacolin K最大產(chǎn)量的預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確，考慮到實(shí)際操作的方便性，將得到的最佳工藝條件定為發(fā)酵溫度29 ℃、接種量8%、裝料量40 g、初始含水量60%、發(fā)酵時(shí)間12 d，在此條件下進(jìn)行5 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，Monacolin K的平均產(chǎn)量為110.556 mg/kg，與預(yù)測(cè)值接近，說明模型準(zhǔn)確有效。紅曲霉在最佳發(fā)酵條件下生長(zhǎng)狀態(tài)良好，發(fā)酵過程穩(wěn)定。

2.2.4 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵前后的主要活性成分含量對(duì)比

表4 青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵前后主要降脂活性成分含量對(duì)比Table4 Comparison of the contents of the main lipid-lowering substances before and after fermentation

由表4可知，青稞麩皮薏仁紅曲在發(fā)酵過程中，主要活性成分的含量發(fā)生了變化，這些變化與微生物的生長(zhǎng)代謝密切相關(guān)。其中Monacolin K、色素和可溶性多酚含量顯著上升（P＜0.05），Monacolin K和色素是紅曲霉菌的次生代謝產(chǎn)物，可溶性多酚含量增加了111.76%，可能是由于微生物的作用改變了不溶性酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其變得可溶，從而含量增加。而可溶性多糖、總黃酮和β-葡聚糖含量則顯著減少（P＜0.05），其中可溶性多糖減少8.12%，總黃酮減少44.30%，β-葡聚糖減少88.90%，這些物質(zhì)含量的減少可能是被微生物生長(zhǎng)代謝所利用。但從總體上看，活性物質(zhì)增加的量更多。

3 結(jié) 論

本研究以Monacolin K產(chǎn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出青稞麩皮薏仁紅曲霉的最佳發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度29 ℃、接種量8%、裝料量40 g（250 mL燒杯為發(fā)酵容器）、初始含水量60%、發(fā)酵時(shí)間12 d時(shí)，Monacolin K產(chǎn)量最高，為112.649 mg/kg，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出Monacolin K產(chǎn)量達(dá)110.556 mg/kg，與預(yù)測(cè)值接近，說明響應(yīng)面法對(duì)紅曲霉發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化是可行的。

青稞麩皮薏仁紅曲在發(fā)酵過程中，Monacolin K、色素和可溶性多酚含量增加，可溶性多糖、總黃酮和β-葡聚糖含量則減少，但總體上降脂活性物質(zhì)增加的量更多，預(yù)示青稞麩皮和薏仁經(jīng)紅曲霉發(fā)酵后，其保健作用也將隨之發(fā)生變化。

[1] JEUN J, JUNG H, KIM J H, et al. Effect of the monascus pigment threonine derivative on regulation of the cholesterol level in mice[J]. Food Chemistry, 2008, 107(3): 1078-1085. DOI:10.1016/ j.foodchem.2007.09.021.

[2] HO B Y, PAN T M. The Monascus metabolite Monacolin K reduces tumor progression and metastasis of lewis lung carcinoma cells[J]. Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(18): 8258-8265. DOI:10.1021/jf901619w.

[3] SU N W, LIN Y L, LEE M H, et al. Ankaflavin from Monascusfermented red rice exhibits selective cytotoxic effect and induces cell death on Hep G2 cells[J]. Agricultural and Food Chemistry, 2005, 53(6): 1949-1954. DOI:10.1021/jf048310e.

[4] JIANG D H, HAO J, YE Y, et al. Studies on screening of higher γ-aminobutyric acid-producing Monascus and optimization of fermentative parameters[J]. European Food Research and Technology, 2011, 232(3): 541-547. DOI:10.1007/s00217-010-1413-5.

[5] LEE C L, WEN J Y, HSU Y W, et al. Monascus-fermented yellow pigments monascin and ankaf avin showed antiobesity effect via the suppression of differentiation and lipogenesis in obese rats fed a highfat diet[J]. Agricultural and Food Chemistry, 2013, 61(7): 1493-1500. DOI:10.1021/jf304015z.

[6] JIRASATID S, NOPHARATANA M, KITSUBUN P, et al. Statistical optimization for Monacolin K and yellow pigment production and citrinin reduction by Monascus purpureus in solid-state fermentation[J]. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2013, 23(3): 364-374.

[7] ENDO A, MONACOLIN K. A new hypocholestemlemic agent that speciticalfy inhibits 3-hydroxy-3-methyglutaryl coenzyme a reductase[J]. The Journal of Antibiotics, 1980, 33(3): 334-336. DOI:10.7164/antibiotics.33.334.

[8] BONOLI M, VERARDO V, MARCONI E, et al. Antioxidant phenols in barley (Hordeum vulgare L.) f our: comparative spectrophotometric study among extraction methods of free and bound phenolic compounds[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2004, 52(16): 5195-5200. DOI:10.1021/jf040075c.

[9] MADHUJITH T, SHAHIDI F. Antioxidative and antiproliferative properties of selected barley (Hordeum vulgarae L.) cultivars and their potential for inhibition of low-density lipoprotein (LDL) cholesterol oxidation[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(13): 5018-5024. DOI:10.1021/jf070072a.

[10] YU Y L, LU Y, TANG X, et al. Formulation, preparation, evaluation of an intravenous emulsion containing Brucea javanica oil and coix seed oil for anti-tumour application[J]. Biological Pharmaceutical Bulletin, 2008, 31(4): 673-680. DOI:10.1248/bpb.31.673.

[11] HYUN J L, JIHO R, SU H P, et al. Suppressive effects of coixol, glyceryl trilinoleate and natural products derived from Coix lachrymajobi var. ma-yuen on gene expression, production and secretion of airway MUC5AC mucin[J]. Archives of Pharmacal Research, 2015, 38(5): 620-627. DOI:10.1007/s12272-014-0377-6.

[12] 萬強(qiáng), 劉敏, 陳興鵬. 青稞紅曲品質(zhì)及質(zhì)量分析初探[J]. 食品科技, 2013, 38(9): 267-270. DOI:10.13684/j.cnki.spkj.2013.09.070.

[13] 趙輝. 青稞紅曲醋及其釀造方法: 200910307745.1[P]. (2010-04-21).

[14] 趙輝. 青稞紅曲保健酒及其釀造方法: 200910307760.6[P]. (2010-04-21).

[15] 趙輝. 一種功能青稞紅曲茶及其制備方法: 201110020831.1[P]. (2011-07-20).

[16] LU L P, ZHANG B B, XU G R. Efficient conversion of high concentration of glycerol to Monacolin K by solid-state fermentation of Monascus purpureus using bagasse as carrier[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2013, 36(3): 293-299. DOI:10.1007/s00449-012-0784-3.

[17] TAN J, CHU J, SHI W J, et al. High-throughput screening strategy used for enhanced production of pigment by Monascus purpureus D39-4[J]. Food Science and Biotechnology, 2012, 21(6): 1603-1610. DOI:10.1007/s10068-012-0213-z.

[18] ZHANG B B, LU L P, XIA Y J, et al. Use of agar as carrier in solidstate fermentation for Monacolin K production by Monascus: a novel method for direct determination of biomass and accurate comparison with submerged fermentation[J]. Biochemical Engineering Journal, 2013, 80(15): 10-13. DOI:10.1016/j.bej.2013.09.007.

[19] 王啟軍, 孫小燕, 張水華, 等. 發(fā)酵瓶及相關(guān)工藝條件對(duì)紅曲固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)Monacolin K的影響[J]. 食品科技, 2008, 33(4): 9-11. DOI:10.13684/j.cnki.spkj.2008.04.007.

[20] XU B J, WANG Q J, JIA X Q, et al. Enhanced lovastatin production by solid state fermentation of Monascus rubber[J]. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 2005, 10(1): 78-84. DOI:10.1007/ BF02931187 .

[21] 肖昌貴, 劉志彬, 張?chǎng)? 等. 響應(yīng)面法優(yōu)化紅曲酸奶的發(fā)酵工藝[J]. 中國釀造, 2014, 33(4): 145-149. DOI:10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.035.

[22] 李厚聰, 劉圓, 袁瑋, 等. HPLC測(cè)定薏苡中薏苡素的含量[J]. 華西藥學(xué)雜志, 2009, 24(5): 530-532. DOI:10.13375/j.cnki.wcjps.2009.05.012.

[23] 楊志清, 王碩, 張世鮑, 等. 15 種薏苡仁中多糖含量測(cè)定[J]. 亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥, 2014, 10(19): 25-26.

[24] SHEN Y, JIN L, XIAO P, et al. Total phenolics, flavonoids, antioxidant capacity in rice grain and their relations to grain color, size and weight[J]. Journal of Cereal Science, 2009, 49(1): 106-111. DOI:10.1016/j.jcs.2008.07.010.

[25] 龔凌霄. 青稞全谷物及其防治代謝綜合征的作用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013.

[26] 連喜軍, 魯曉翔, 蔡保松, 等. 國際標(biāo)準(zhǔn)酶法測(cè)定β-葡聚糖含量的研究[J]. 糧油食品科技, 2006, 14(6): 27-29. DOI:10.16210/ j.cnki.1007-7561.2006.06.011.

[27] LIN C F, LIZUKA H. Production of extracellular pigment by a mutant of Monascus kaoliang sp. nov[J]. Applied and Environment Microbiology, 1982, 43(3): 671-676.

Optimization of Fermentation Process of A Mixture of Highland Barley Bran and Coix Seed by Monascus purpureus Using Response Surface Methodology

PU Lining1, CHEN Guangjing1,2, KAN Jianquan1,2,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. Chongqing Key Laboratory of Produce Processing and Storage, Chongqing 400715, China)

This study aimed to optimize the solid-state fermentation process of a mixture of highland barley bran and coix seed (1:1, m/m) by Monascus purpureus (CICC.5046) for improved production of Monacolin K as a hypolipidemic agent by the combined use of one-factor-at-a-time method and response surface methodology. The changes in the main substances with physiological activities were investigated during the fermentation process. The one-factor-at-a-time experiments selected fermentation temperature, inoculum size and filling quantity as the main factors that affect the production of Monacolin K, and these factors were optimized by response surface methodology to be 29 ℃, 8% and 40 g of substrates with 60% water added contained in a 250 mL beaker, respectively. After fermentation for 12 d under these conditions, the Monacolin K yield was 110.556 mg/kg. During the fermentation, Monacolin K, pigments and soluble polyphenols were significantly increased whereas soluble polysaccharides, total flavonoids and β-glucan were decreased significantly. In general, the substance with hypolipidemic activity was increased more significantly.

highland barley bran; coix seed; Monascus purpureus; Monacolin K; response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201702041

TS218

A

1002-6630（2017）02-0264-07

蒲立檸, 陳光靜, 闞建全. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化青稞麩皮薏仁紅曲霉發(fā)酵工藝[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(2): 264-270. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201702041. http://www.spkx.net.cn

PU Lining, CHEN Guangjing, KAN Jianquan. Optimization of fermentation process of a mixture of highland barley bran and coix seed by Monascus purpureus using response surface methodology[J]. Food Science, 2017, 38(2): 264-270. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201702041. http://www.spkx.net.cn

2016-03-23

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（GJFP201501201）

蒲立檸（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營養(yǎng)學(xué)。E-mail：pulining27@163.com

*通信作者：闞建全（1965—），男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營養(yǎng)學(xué)、食品生物技術(shù)、食品質(zhì)量與安全。E-mail：ganjq1965@163.com