二陈改良汤发酵菌种的筛选及发酵工艺的优化

周妍,黄优生,黄丽琼,李碧琳,董欢欢*,管咏梅,朱卫丰

(江西中医药大学 药学院,江西 南昌,330004)

摘 要 该研究以4种药食同源中药材(陈皮、橘红、茯苓、甘草)组成的二陈改良汤为原料,以乳酸菌为发酵剂,旨在开发一款新型具有乳酸菌风味的镇咳祛痰饮料。采用主成分分析法对不同乳酸菌发酵的二陈改良汤的理化指标和活性成分含量进行综合品质评价,筛选出最适发酵菌种,基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)-熵权TOPSIS法优化最佳发酵工艺参数。结果表明,副干酪乳酪杆菌HCS17-040为最适菌种。最佳工艺为料液比1∶30(g∶mL),接种量8%,发酵时间36 h,发酵温度37 ℃,在此优化条件下,副干酪乳杆菌HCS17-040发酵二陈改良汤中桔皮素、柚皮素、橙皮素含量与未发酵组相比分别增加了29.87%、12.77%、23.93%。研究结果表明使用乳酸菌发酵改良二陈汤可显著增加其桔皮素、柚皮素和橙皮素等活性成分的含量,可能有助于提高其镇咳祛痰的效果。

关键词 二陈改良汤;发酵工艺;主成分分析;层次分析法;熵权TOPSIS法

二陈汤是治疗痰湿证的基础方[1],出自宋代《太平惠民和剂局方》。二陈汤由半夏、橘红、茯苓、甘草组成,方中半夏、橘红等量合用,有燥湿化痰、理气行滞之功,茯苓利水,甘草健脾和中、调和诸药。现代药理学证明,二陈汤具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤和调节脂质代谢的作用[2]

本研究采用陈皮、橘红、茯苓和甘草制成二陈改良汤,以陈皮替换原方中含有毒性的半夏。陈皮和半夏都具有燥湿化痰、健脾和胃的功效[3-4]。此外,研究表明陈皮、半夏在治疗呼吸系统疾病时具有相同作用机制,如减轻气道炎症、黏液分泌和高反应性,促进纤毛运动,改善肺功能等[5-7]

目前,微生物发酵技术在食品和医药领域中得到了广泛的应用[8]。微生物发酵可提高药用植物的活性成分含量,以及营养、感官和功能特性[9]。已有研究表明,微生物发酵可以提高陈皮的抗氧化活性、调节肠道菌群和改善糖脂代谢[10]

本研究采用乳酸菌发酵二陈改良汤,旨在从黄酮和多酚化合物含量变化的角度筛选发酵二陈改良汤的最适菌种,并通过单因素和正交试验优化确定最佳发酵工艺,开发新型镇咳化痰饮料,为功能性产品开发提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

陈皮,江门市新会区古道柑普茶业有限公司;橘红,江西古方原中药饮片有限公司;茯苓、甘草,江西江中中药饮片有限公司;植物乳植杆菌HCS03-001(Lactiplantibacillus plantarum, LP)(保藏编号为CGMCC NO.16258)、副干酪乳酪杆菌HCS17-040(Lacticaseibacillus paracasei, LPC)(保藏编号为CGMCC No.19747)、罗伊氏粘液乳杆菌HCS02-001(Limosilactobacillus reuteri, LRE)(保藏编号为CGMCC No.19746)、鼠李糖乳酪杆菌HCS01-013(Lacticaseibacillus rhamnosus, LRH)(保藏编号为CGMCC No.19510)、发酵粘液乳杆菌HCS08-005(Limosilactobacillus fermentum, LF)(保藏编号为CGMCC No.16259)冻干粉,江西仁仁健康微生态科技有限公司;植物乳植杆菌P9(Lactiplantibacillus plantarum P9, LP-9)冻干粉,华润江中科研中心专利菌株(2019108004003)。

MRS琼脂,杭州百思生物技术有限公司;氢氧化钠、碳酸钠、亚硝酸钠、硝酸铝、磷酸、福林-酚试剂、氢氧化钠标准溶液、芦丁标准品,上海麦克林生化科技股份有限公司;没食子酸标准品、PBS缓冲液,北京索莱宝科技有限公司;乙腈,Merck公司色谱纯试剂;柚皮素、橙皮素标准品,成都普菲德生物技术有限公司;芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素、桔皮素,上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-5500PC紫外可见分光光度计,上海元析仪器有限公司;SW-CJ-2FD超净工作台,苏州安泰空气技术有限公司;pH计,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Agilent 1260高效液相色谱仪,美国Agilent公司;NACHTC-15R高速冷冻离心机,万得福纳特(中山)生物科技有限公司;ZQWY-218V振荡培养箱,上海知楚仪器有限公司;DHP-9272B微生物恒温培养箱,上海一恒科技有限公司;GR85DA立式自动压力蒸汽灭菌器,致微(厦门)仪器有限公司;CP214电子天平,奥豪斯仪器(常州)有限公司;TOX-100AH超声波清洗机,山东新华医疗器械股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 二陈改良汤的制备

将陈皮、橘红、茯苓、甘草粉碎并过3号筛,得到均匀的粉末。在50 mL离心管中精确称量测陈皮粉末1.05 g、橘红粉末1.05 g、茯苓粉末0.6 g、甘草粉末0.3 g,加入30 mL的水,然后121 ℃灭菌20 min,即得。

1.3.2 发酵菌种的筛选

将LP、LPC、LRE、LRH、LF、LP-9冻干粉分别以8 mg/100 mL的接种量接种到二陈改良汤中,于37 ℃培养72 h,每12 h取一次样。将所取样品于8 000 r/min离心10 min,将上清液于4 ℃保存待用。

1.3.3 单因素试验

以LPC和二陈改良汤为原料,确定料液比、接种量、发酵时间、发酵温度对发酵二陈改良汤中总黄酮、总酚、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素含量的影响,运用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)-熵权-TOPSIS法对上述指标进行综合评价。

1.3.3.1 料液比的确定

分别向料液比为1∶10、1∶12、1∶15、1∶20、1∶30(g∶mL)的二陈改良汤中接种8%的LPC,在摇床中于37 ℃发酵36 h。

1.3.3.2 接种量的确定

向料液比为1∶20(g∶mL)的二陈改良汤中分别接种4%、6%、8%、10%、12%的LPC,在摇床中于37 ℃发酵36 h。

1.3.3.3 发酵时间的确定

向料液比为1∶20(g∶mL)的二陈改良汤中接种6%的LPC,在摇床中于37 ℃分别发酵12、24、36、48、60 h。

1.3.3.4 发酵温度的确定

向料液比为1∶20(g∶mL)的二陈改良汤中接种6%的LPC,分别在27、32、37、42、47 ℃的摇床中发酵48 h。

1.3.4 正交试验设计

在单因素试验基础上,以二陈改良汤发酵液的总黄酮、总酚、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素含量的AHP-熵权-TOPSIS综合评分为评价指标,以料液比(A)、接种量(B)、发酵时间(C)为试验因素,采用正交试验设计3因素3水平的正交试验,从而确定二陈改良汤的最优发酵工艺。

1.3.5 理化指标测定方法

1.3.5.1 pH测定

采用pH计测定pH。

1.3.5.2 总酸含量测定

采用酸碱滴定法测定,总酸含量以乳酸计,具体操作参照国标GB 12456—2021《食品安全国家标准 食品中总酸的测定》。

1.3.5.3 活菌数测定

采用稀释涂布平板法测定,具体操作步骤参考国标GB 4789.35—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验 乳酸菌检验》。

1.3.5.4 总黄酮含量测定

参考陈玉婷等[11]的方法,采用亚硝酸钠-硝酸铝比色法。以芦丁为标准品绘制标准曲线方程:y=5.501 1x+0.062 8(R2=0.999),总黄酮含量以芦丁毫克当量(mg RE/g)表示。

1.3.5.5 总酚含量测定

酚类物质提取:量取1 mL待测样液,加入5 mL无水甲醇,放置于超声清洗器中超声60 min。超声结束之后,离心10 min,转速为5 000 r/min,离心结束之后得到的上清液即为酚类物质样液。

取上一步的酚类物质样液0.4 mL,加入2.0 mL福林-酚试剂,混合避光反应5 min,加入1.6 mL 100 g/L碳酸钠溶液,混合避光反应30 min,以无水甲醇为空白对照,于765 nm处测吸光值。以没食子酸为标准品绘制标准曲线方程:y=50.394x+0.012 2(R2=0.999 2),总酚含量以没食子酸毫克当量(mg GAE/g)表示。

1.3.5.6 主要黄酮类化合物含量的测定

色谱条件:采用Agilent ZORBAX Eclipse Plus-C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)色谱柱;流动相为乙腈(A)-0.1%(体积分数)磷酸溶液(B),梯度洗脱(0~6 min,10%~10% A;6~30 min,10%~22% A;30~36 min,22%~28% A;36~57 min,28%~65% A;57~60 min,65%~10% A);流速为1.0 mL/min;检测波长为250、280、290 nm;柱温为25 ℃;进样量为10 μL。

供试品溶液制备:向待测二陈改良汤发酵样品中加入等体积50%(体积分数)甲醇,有机微孔滤膜过滤,即得。

标准品溶液制备:精密称取7种对照品各5.00 mg,置于5 mL量瓶中,用2 mL 50%甲醇溶解,定容至刻度,配制成1 mg/mL,分别吸取1.0 mL,置于20 mL量瓶中,加50%甲醇定容至刻度,混合均匀,制成0.05 mg/mL溶液,即得。

专属性测试:取混合标准品母液、供试品溶液、空白溶剂,按以上色谱条件进样测定,记录色谱图。

线性关系测试:利用2倍稀释法制作7种对照品的标准曲线,以其质量浓度为横坐标,峰面积为纵坐标进行回归,结果见表2,可知各成分在各自范围内线性关系良好。

精密度测试:混合标准品溶液进样测定6次,测得芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素峰面积的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)分别为0.07%、0.05%、0.22%、0.08%、0.14%、0.13%、0.16%,表明仪器精密度良好。

重复性测试:选择同一批样品,精密称取6份,进样测定,测得芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素峰面积RSD分别为2.38%、0.57%、0.73%、3.09%、1.72%、1.75%、4.02%,表明该方法重复性良好。

稳定性测试:制备供试品溶液,于室温放置0、2、4、8、12、24 h后进样测定,测得芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素峰面积RSD分别为0.97%、0.11%、0.13%、1.05%、0.37%、0.12%、0.38%,表明溶液在24 h内稳定性良好。

加样回收率测试:精密称取样品适量,加入芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素对照品,按1.3.1节下方法制备提取液7份,进样测定,测得芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素平均加样回收率分别为98.06%、98.07%、104.54%、103.83%、108.95%、99.17%、97.75%,RSD分别为1.31%、0.20%、1.03%、0.64%、5.24%、2.83%、5.83%。

1.3.5.7 权重系数的确定

AHP可根据指标间的重要程度,按一定标度构建条理分明的层次关系,并据此求得指标赋权值,属于主观赋权法。根据《中国药典》和文献[12],则将9项指标分为5个层次。先建立层次结构模型,重要程度:橙皮苷>总黄酮>总酚>川陈皮素=桔皮素=芸香柚皮苷>柚皮苷=橙皮素=柚皮素。二陈改良汤中指标成分比较判断优先矩阵及权重系数WAHP见表2,一致性比例因子(CR)为0.034 2<0.10,矩阵符合一致性检验,即表明权重系数合理有效。

利用SPSSAU在线软件(https://spssau.com)对数据进行“标准化”处理,再进行“熵权TOPSIS”分析计算得出橙皮苷、总黄酮、总酚、川陈皮素、桔皮素、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮素、柚皮素的权重系数W熵权TOPSIS

将AHP法、熵权TOPSIS法确定的各指标权重系数WAHP、W熵权TOPSIS相结合,按公式(1)计算综合权重系数WAHP-熵权TOPSIS:

(1)

将各指标成分含量平均数的WAHP-熵权TOPSIS代入综合评分公式,按公式(2)计算样品的综合评分:

综合评分

(2)

式中:Ci为第i个指标的含量。

1.4 数据处理

所有试验重复3次,最终结果用其“平均值±标准差”表示。采用Yaahp软件构建AHP模型,利用SPSSAU在线软件(https://spssau.com)进行主成分分析(principal component analysis,PCA)和熵权TOPSIS综合评价。使用Excel软件对试验数据进行初步整理,Origin 2022软件作图,SPSS 27.0统计学软件进行正交试验方差分析,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 发酵二陈改良汤菌种的筛选

2.1.1 二陈改良汤发酵液的pH、总酸和活菌数

pH和总酸含量是判断发酵程度的重要指标,pH的高低直接影响微生物的生长、代谢和产品的保质期,总酸含量直接影响发酵液的口感、风味和整体品质。由图1-A、图1-B可知,LP-9产酸能力最强,pH值从4.55±0.04下降到3.36±0.02,总酸含量从(7.71±0.14) g/L快速上升到(33.81±0.59) g/L。LP、LF和LPC的pH和总酸含量在48~72 h变化较小,说明二陈改良汤乳酸菌发酵在48 h内基本完成,48 h后进入缓慢发酵阶段。pH的下降是发酵过程中发酵液中有机酸浓度的增加引起的,主要是乳酸含量的增加。

1-芸香柚皮苷;2-柚皮苷;3-橙皮苷;4-柚皮素;5-橙皮素;6-川陈皮素;7-桔皮素。

a-空白溶剂;B-标准品溶液;C-二陈改良汤发酵液

图1 空白溶剂、标准品溶液和二陈改良汤发酵液中各成分HPLC色谱图

Fig.1 HPLC chromatograms of each component in blank solvent, standard solution and fermented liquid of modified Erchen decoction

A-pH;B-总酸含量;C-活菌数

图2 不同菌种对二陈改良汤pH、总酸含量及活菌数变化的影响

Fig.2 Effects of different strains on the changes of pH, total acid and the number of live cell of modified Erchen decoction

注:CK为未接菌的二陈改良汤样品(下同)。

如图1-C所示,6种乳酸菌在二陈改良汤中的生长状况良好,在0~36 h,6种乳酸菌的活菌数均呈显著上升趋势。48 h时LPC的活菌数最高,达到(8.65±0.02) lg CFU/mL,显著高于其他几株菌(P<0.05)。在48~72 h,LRH的活菌数呈下降趋势,乳酸菌能利用二陈改良汤中的营养物质并产生大量的酸,推测过酸的环境会抑制菌种的生长。

综合考虑pH、总酸和活菌数3个指标,可以得出LRE的产酸能力和生长能力较差,但无法确定LP-9或LPC更适合发酵,因此需要进一步对二陈改良汤发酵液中黄酮、多酚类化合物的含量进行测定。此外,前36 h各菌株生长较快,暂定36 h为发酵终点。

2.1.2 PCA结果

PCA是将多个指标转化为多个综合指标的统计分析方法,已成为食品品质评价的主要方法之一。进一步对发酵时间为36 h的二陈改良汤中芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素进行含量测定,结果见表3,通过PCA方法来拟合整体的数据并建立综合评价模型,优选出适合发酵二陈改良汤的菌种。

基于不同乳酸菌发酵二陈改良汤和未经发酵的二陈改良汤的总酸、pH、活菌数、总黄酮、总酚和主要黄酮含量共12项指标,采用降维分析方法建立主成分分析模型。由表4可知,前4个主成分(principal component,PC)的累计贡献率达90.8%,因此前4个主成分可以代表大部分指标的信息。

由表5可知,PC1的模型方差贡献率为48.416%,主要反映总酸、pH、柚皮苷、橙皮苷、橙皮素、川陈皮素、桔皮素的变异信息。PC2的方差贡献率为19.666%,主要反映pH、活菌数、总黄酮、柚皮素的变异信息。PC3的方差贡献率为11.704%,主要反映总酚、芸香柚皮苷的变异信息。PC4的方差贡献率为11.037%,主要反映活菌数、芸香柚皮苷、橙皮苷的变异信息。

根据各主成分得分(Y1~Y4),以各PC对应的方差贡献率为权重,构建综合评价模型:Y=(48.416%×Y1+19.666%×Y2+11.704%×Y3+11.037%×Y4)/90.824%。根据该模型计算各组综合总得分,见表6。综合总得分前3的为:LPC、CK和LRE。LPC发酵二陈改良汤的总酸含量为(13.44±0.28) g/L、pH值为3.86±0.01、活菌数为(2.32±0.52) lg CFU/mL,芸香柚皮苷含量为(0.429 9±0.012 6) mg/g、柚皮苷含量为(5.273 0±0.002 7) mg/g、橙皮苷含量为(3.058 6±0.001 6) mg/g、柚皮素含量为(0.015 4±0.000 1) mg/g、橙皮素含量为(0.105 8±0.000 2) mg/g、川陈皮素含量为(0.915 4±0.001 3) mg/g、桔皮素含量为(0.218 6±0.000 2) mg/g、总黄酮含量为(6.752 6±0.130 6) mg/g、总酚含量为(14.195 1±0.803 1) mg/g。结合PCA总得分Y可知,LPC发酵液的综合品质更优。最终选择LPC作为二陈改良汤的发酵剂。

2.2 单因素试验结果

将AHP法和熵权TOPSIS法得到的权重系数进行混合加权,根据AHP-熵权TOPSIS综合权重和各指标的平均数计算得到综合评分,能够降低单一方法存在的偏颇,使结果更加客观、全面。

单因素试验结果见表7,将料液比从1∶30(g∶mL)提高到1∶20(g∶mL)时,橙皮苷含量从(6.521 5±0.332 6) mg/g显著增加到(9.145 8±1.120 9) mg/g,此条件下橙皮苷含量达到最高。而当料液比提高到1∶15(g∶mL)时,橙皮苷含量显著降低到(4.32±0.01) mg/g,当料液比继续提高到1∶10(g∶mL),橙皮苷的含量降低到(2.102 0±0.063 5) mg/g。结果表明,料液比对橙皮苷的含量影响很大,因此,选择1∶30、1∶20、1∶15的料液比作为正交实验的3个水平。

当接菌量为6%时,柚皮苷和总酚含量分别达到(6.825 5±0.409 8) mg/g和(8.489 9±0.156 9) mg/g,且显著高于其他接菌量组,说明接菌量对柚皮苷、总酚的含量的影响很大。此外,随着接菌量的增加,芸香柚皮苷含量无明显差异,说明接菌量对芸香柚皮苷的含量影响不大。因此,选择4%、6%、8%的接菌量作为正交实验的3个水平。

当发酵时间为48 h,总黄酮含量达到(7.769 3±0.013 3) mg/g,显著高于其他发酵时间组,而发酵时间60 h时,总黄酮含量显著降低至(6.834 7±0.267 4) mg/g,说明发酵时间对总黄酮含量影响较大。因此,选择36、48、60 h的发酵时间作为正交实验的3个水平。

当发酵温度低于37 ℃时,AHP-熵权TOPSIS综合评分随温度升高而增大。42 ℃时综合评分骤降,推测此时温度较高,发酵液中合成黄酮类物质的酶的空间结构被破坏,酶活力降低。47 ℃时综合评分回升,推测此时温度较高促进了原药材粉末中黄酮类成分的溶出。综上,结合能源方面的成本因素,最终选择37 ℃为发酵温度,正交试验在37 ℃下进行发酵。

2.3 正交试验结果

正交试验因素与水平见表8,正交试验设计及分析结果见表9。根据正交试验结果极差分析,发酵工艺影响二陈改良汤活性成分含量的主次因素为A>C>B,最佳组合是A3B3C1。

方差分析见表10,结果显示,料液比的影响显著(P<0.05),接菌量、发酵时间的影响不显著(P>0.05),影响二陈改良汤发酵液综合评分的主次因素为A>C>B,与表9中的分析结果相同。因此最佳发酵工艺为:料液比1∶30(g∶mL),接菌量8%,发酵时间36 h。

表1 二陈改良汤中7种成分的线性关系考察结果

Table 1 Results of the linear relationship of 7 components in modified Erchen decoction

成分回归方程r线性范围/(μg/mL)芸香柚皮苷y=16.624x+0.60891.00001.32~84.25柚皮苷y=16.380x+1.24970.99993.21~411.50橙皮苷y=16.316x+8.39031.00002.96~378.25柚皮素y=41.266x+3.72680.99990.50~64.25橙皮素y=29.553x-3.79170.99990.55~70.00川陈皮素y=27.131x+16.07800.99970.99~63.50桔皮素y=25.353x+14.43900.99972.05~131.50

表2 二陈改良汤中指标成分比较判断优先矩阵表

Table 2 Priority matrix for comparative judgment of indicator components in modified Erchen decoction

权重指标橙皮苷总黄酮总酚川陈皮素桔皮素芸香柚皮苷柚皮苷橙皮素柚皮素权重WAHP橙皮苷1356668880.3708总黄酮1/3135556660.2303总酚1/51/313335550.1325川陈皮素1/61/51/31113330.0618桔皮素1/61/51/31113330.0618芸香柚皮苷1/61/51/31113330.0618柚皮苷1/81/61/51/31/31/31110.0270橙皮素1/81/61/51/31/31/31110.0270柚皮素1/81/61/51/31/31/31110.0270

表3 不同二陈改良汤各指标成分的含量

Table 3 Content of pincipal components in Modified ErChen decoction fermented by different strains

指标CKLPCLFLRLP-9LGGLP活菌数(lgCFU/mL)0±0d 2.32±0.52ab 1.59±0.01bc1.29±0.35c 2.25±0.27ab 2.49±0.29a2.73±1.02apH4.61±0.03a3.86±0.01c3.88±0.01c4.20±0.01b3.57±0.01f3.62±0.01e3.73±0.02d总酸/(g/L)8.46±0.45f13.44±0.28d16.14±0.05c12.60±0.27e24.54±0.77a20.19±0.5b20.10±0.10b总酚/(mgGAE/g)14.2350±1.4510bc14.1951±0.8031bc17.1199±0.8823a15.8769±0.2822ab15.0857±0.2685ab12.2947±2.4426c13.3593±1.8497bc总黄酮/(mgRE/g)9.5702±0.1797a6.7526±0.1306c7.9439±0.6844b7.8566±0.7462b10.2071±0.4916a7.2276±0.2110bc7.8960±0.6830b芸香柚皮苷/(mg/g)0.4241±0.0003c0.4299±0.0126bc0.4584±0.0165a0.4520±0.0126a0.4458±0.0006ab0.4439±0.0105bc0.4258±0.0114bc柚皮苷/(mg/g)5.1662±0.0005c5.2730±0.0027a5.1980±0.0075b5.1100±0.0010e5.0791±0.0006f5.1460±0.0006d5.0815±0.0004f橙皮苷/(mg/g)3.1686±0.0001e3.0586±0.0016f3.2716±0.0027d3.3010±0.0009c3.6283±0.0000b3.8736±0.0124a3.0533±0.0006f柚皮素/(mg/g)0.0149±0.0001c0.0154±0.0001b0.0144±0.0000e0.0146±0.0001d0.0138±0.0000g0.0159±0.0001a0.0141±0.0001f橙皮素/(mg/g)0.1003±0.0001b0.1058±0.0002a0.0952±0.0009d0.0991±0.0003c0.0817±0.0002f0.0902±0.0002e0.0901±0.0004e川陈皮素/(mg/g)0.9208±0.0004a0.9154±0.0013b0.8869±0.0063d0.9084±0.0004c0.7779±0.0019f0.8208±0.0001e0.8897±0.0005d桔皮素/(mg/g)0.2011±0.0002c0.2186±0.0002a0.1933±0.0024d0.2108±0.0001b0.1535±0.0006g0.1743±0.0001f0.1877±0.0001e

注:同行数据不同的上标字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P<0.05)(表2同)。

表4 主成分的特征值及贡献率

Table 4 Characteristic value and contribution rate of each principal component

主成分特征值方差贡献率/%方差累计贡献率/%15.81048.41648.41622.36019.66668.08331.40511.70479.78741.32411.03790.824

表5 不同菌株发酵二陈改良汤品质载荷矩阵

Table 5 Quality load matrix of fermented modified Erchen decoction by different strains

名称PC1(48.416%)PC2(19.666%)PC3(11.704%)PC4(11.037%)总酸-0.3940.1240.140-0.135pH0.319-0.336-0.2630.118活菌数-0.2220.3750.297-0.362总酚0.057-0.3050.6090.202总黄酮-0.149-0.516-0.2560.004芸香柚皮苷-0.115-0.0400.3920.646柚皮苷0.2730.3020.1320.179橙皮苷-0.2920.155-0.2460.474柚皮素0.1520.480-0.3440.301橙皮素0.4020.1230.0550.051川陈皮素0.394-0.0470.095-0.162桔皮素0.3940.0870.157-0.052

表6 不同菌株发酵二陈改良汤的综合得分和排名

Table 6 Composites scores and rankings of modified Erchen decoction fermented by different strains

样品各主成分得分Y1Y2Y3Y4总得分Y排名CK2.703-1.803-1.7970.140.8362LPC2.6442.0070.541-0.5411.8481LF0.361-0.4241.6340.9410.4264LRE1.348-0.8390.5850.650.6913LP-9-4.211-1.2930.0110.011-2.5227LRH-1.962.381-1.1991.011-0.5615LP-0.886-0.0280.225-2.212-0.7186

表7 料液比(A)、接菌量(B)、发酵时间(C)和发酵温度间(D)对二陈改良汤发酵液综合评分的影响

Table 7 Effects of material-liquid ratio (A), inoculation amount (B), fermentation time (C), and fermentation temperature (D) on the comprehensive score of fermented Modified ErChen decoction

发酵条件变量芸香柚皮苷含量/(mg/g)柚皮苷含量/(mg/g)橙皮苷含量/(mg/g)柚皮素含量/(mg/g)橙皮素含量/(mg/g)川陈皮素含量/(mg/g)桔皮素含量/(mg/g)总黄酮含量/(mgRE/g)总酚含量/(mgGAE/g)综合评分/分料液比 A11∶300.5214±0.0174b5.5263±0.0365c6.5215±0.3326bND0.1411±0.0044a1.2708±0.0432a0.4012±0.0224a5.4650±0.1496b9.8774±0.6675a78.6137A21∶200.6160±0.0235a6.6863±0.0589ab9.1458±1.1209a0.0255±0.0014a0.1424±0.0026a1.1994±0.0315a0.3460±0.0198b7.4060±0.3541a8.9701±0.8923ab97.7667A31∶150.4916±0.0060c6.1392±0.1035bc4.3214±0.0069c0.0208±0.0029b0.1265±0.0046b1.0698±0.0217bc0.2861±0.0124cd5.1045±0.6597b8.0337±0.9413b65.3951A41∶120.5182±0.0218bc6.9151±0.8385a4.6949±0.8240c0.0251±0.0027a0.1346±0.0119ab1.1792±0.1182ab0.3323±0.0460bc5.6608±0.0690b7.4733±0.7641bc70.6363A51∶100.3736±0.0091d4.7998±0.1128d2.1020±0.0635d0.0147±0.0003c0.1062±0.0080c0.9621±0.0465c0.2626±0.0217d5.6873±0.4562b6.3079±0.9544c54.9564接菌量 B140.5407±0.0211a6.1680±0.0315b6.8665±0.3596c0.0199±0.0005b0.1223±0.0014b1.0674±0.0078b0.2846±0.0017b7.3540±0.0866c7.7208±0.2157c86.1114B260.6057±0.0782a6.8255±0.4098a8.1690±0.6048a0.0281±0.0056a0.1380±0.0093a1.2325±0.0915a0.3448±0.0274a7.7767±0.0972b8.4899±0.1569a99.2658B380.5577±0.0193a6.2782±0.139b7.9066±0.0895ab0.0221±0.0042ab0.1309±0.0074ab1.1036±0.0781b0.2978±0.0329b8.1440±0.0507a8.1851±0.1800b94.2184B4100.5383±0.0048a6.4215±0.1056b7.1228±0.1923bc0.0259±0.0045ab0.1341±0.0054ab1.1575±0.0416ab0.3168±0.0200ab8.1047±0.0219a8.1423±0.0486b91.7069B5120.5489±0.0246a6.3509±0.0347b7.3981±0.6479abc0.0205±0.0003ab0.1256±0.0043ab1.0911±0.0593b0.2861±0.0168b8.1647±0.0160a8.0771±0.0298b91.0022发酵时间C1120.5278±0.0089ab6.3174±0.0480a5.7469±0.3431ab0.0213±0.0003a0.1452±0.0008a1.1953±0.0791a0.3234±0.0306a7.4673±0.0630b9.1582±0.1162a96.1390C2240.5359±0.0144a6.3245±0.0261a6.1943±0.8069a0.0192±0.0001b0.1185±0.0006bc1.1229±0.0228ab0.3005±0.0016ab7.2213±0.0553c8.5193±0.4065b94.8539C3360.5048±0.0001b6.1111±0.0859b5.3563±0.0191b0.0187±0.0008b0.1265±0.0073b1.1095±0.0853ab0.2671±0.0117bc7.2433±0.0722c9.1749±0.0119a90.0806C4480.5523±0.0038a6.2398±0.0316ab6.2412±0.1640a0.0183±0.0006b0.1199±0.0091bc1.0694±0.0100b0.2845±0.0266abc7.7693±0.0133a8.9352±0.3161ab96.5700C5600.4712±0.0339c6.1978±0.1587ab4.5108±0.3543c0.0167±0.0006c0.1150±0.0058c1.1138±0.0000ab0.2558±0.0226c6.8347±0.2674d9.2027±0.0970a83.0933发酵温度D1270.5807±0.0104c5.7943±0.2689b9.0425±0.2163b0.0180±0.0023b0.0799±0.0251b0.5615±0.0523c0.1622±0.0862a7.0773±0.9086a8.1129±0.0810b88.1601D2320.5997±0.0023b6.0688±0.0918ab8.9819±0.0033b0.0179±0.0003b0.0934±0.0145b0.7532±0.0211bc0.1795±0.0771a7.2300±1.1583a8.6391±0.4025a91.9396D3370.5791±0.0043c5.8761±0.0066ab9.1202±0.0697b0.0178±0.0001b0.0664±0.0020b0.9115±0.2155ab0.2075±0.0821a7.4627±0.4800a8.5522±0.0917a92.8909D4420.5688±0.0063c5.7126±0.1781b7.9208±0.1489c0.0169±0.0014b0.0906±0.0312b1.0766±0.1169a0.1163±0.0480a6.0927±0.3650a8.0164±0.2441b83.8766D5470.6282±0.0121a6.2899±0.3238a9.5239±0.2258a0.0219±0.0014a0.1424±0.0150a0.9463±0.2496ab0.2512±0.1514a7.0713±1.0471a8.0331±0.1393b97.5746

注:ND表示未检测到;每个因素下同列数据不同的上标字母表示差异显著(P<0.05);相同字母表示差异不显著(P<0.05)。

表8 二陈改良汤发酵工艺优化正交试验因素与水平

Table 8 Factors and levels of orthogonal tests for the process optimization of modified Erchen decoction fermentation

水平A(料液比)(g∶mL)B(接菌量)/%C(发酵时间)/h11∶1543621∶2064831∶30860

表9 正交试验综合评分结果

Table 9 Comprehensive evaluation of orthogonal test

试验编号A(料液比)B(接菌量)C(发酵时间)AHP-熵权TOPSIS综合评分111170.8892212364.3336313273.7077421378.9701522277.6361623186.3259731295.9193832193.6402933390.0481K169.643581.926283.6184K280.977478.536682.4210K393.202583.360677.7839R23.55904.82395.8345

表10 正交试验方差分析

Table 10 Variance analysis of orthogonal test

因素离均差平方和自由度均方F值显著性A(料液比)832.9392416.4760.39P<0.05B(接菌量)36.817218.4082.669P>0.05C(发酵时间)56.978228.4894.131P>0.05D(误差)13.79326.896总差940.5278

根据最终确定的发酵工艺参数进行3批验证试验,测定芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、柚皮素、橙皮素、川陈皮素、桔皮素、总酚和总黄酮含量,结果见表11,可见3批样品综合评分的RSD<5%,表明所确定的提取工艺稳定可行,重复性高,可为后续发酵二陈改良汤研发奠定基础。

表11 验证试验结果

Table 11 Results of verification experiment

试验序号芸香柚皮苷含量/(mg/g)柚皮苷含量/(mg/g)橙皮苷含量/(mg/g)柚皮素含量/(mg/g)橙皮素含量/(mg/g)川陈皮素含量/(mg/g)桔皮素含量/(mg/g)总黄酮含量/(mgRE/g)总酚含量/(mgGAE/g)10.68946.551812.76260.02160.12441.20330.232111.958012.272920.69586.552612.75140.02090.12421.19770.230610.962011.726430.69266.552212.75700.021200.12431.20050.231312.096012.7515RSD/%0.380.000.041.350.070.190.264.333.42

进一步对未发酵的二陈改良汤的成分进行测定,比较发酵前后二陈改良汤中黄酮和多酚成分含量变化,测定结果见表12。结果表明,发酵样品中桔皮素含量增加了29.87%,橙皮素含量增加了23.93%,柚皮素含量增加了12.77%,柚皮苷含量增加了2.95%,而橙皮苷含量下降了7.09%,总黄酮含量下降了11.06%。

表12 二陈改良汤发酵前后各成分含量的变化

Table 12 Changes of contents of components of modified Erchen decoction before and after fermentation

指标发酵前发酵后芸香柚皮苷/(mg/g)0.6857±0.0015b0.6926±0.0032a柚皮苷/(mg/g)6.3642±0.0255b6.5522±0.0004a橙皮苷/(mg/g)13.7300±0.0200a12.7570±0.0056b柚皮素/(mg/g)0.0188±0.0001b0.0212±0.0004a橙皮素/(mg/g)0.1003±0.0007b0.1243±0.0001a川陈皮素/(mg/g)1.1436±0.0027b1.2005±0.0028a桔皮素/(mg/g)0.1781±0.0019b0.2313±0.0008a总黄酮/(mgRE/g)13.1230±0.5076a11.6720±0.6187b总酚/(mgGAE/g)11.6657±0.7718b12.2503±0.5129a

川陈皮素和桔皮素是陈皮中2种常见的多甲氧基化黄酮,作为潜在的抗氧化剂,对人体健康有益。本研究中桔皮素含量增加了29.87%,推测发酵后二陈改良汤的抗氧化活性可能会提高。柚皮苷和橙皮苷是二陈改良汤中存在的2种主要黄烷酮糖苷。柚皮苷具有良好的柚皮苷具有抗细胞凋亡、抗氧化和抗炎特性[13]。此外,柚皮苷对急性肺损伤、肺纤维化、慢性支气管炎和咳嗽变异性哮喘具有镇咳和保护作用[14]。本研究中柚皮苷含量增加了2.95%,推测发酵可提高二陈改良汤镇咳效果。此外,有研究表明随着柚皮苷的含量增加,饮料的涩味、酸味和苦味更浓郁,葡萄柚味和整体风味强度较高[15]。这表明发酵可能会改变二陈改良汤的整体风味。本研究结果显示,与未发酵组相比,副干酪乳酪杆菌发酵后的二陈改良汤中柚皮素和橙皮素含量显著增加。这与之前的一项研究一致[16],该研究报道了4种不同的乳杆菌发酵柑橘提取物,所有菌种均能将柚皮素-7-O-葡萄糖苷和橙皮素-7-O-葡萄糖苷分别转化为柚皮素和橙皮素。提示发酵可促进柚皮素和橙皮素的积累。

3 结论与讨论

本研究对发酵二陈改良汤的优势菌种、发酵工艺及发酵前后活性成分的变化进行了研究,确定了副干酪乳酪杆菌HCS17-040为发酵菌种,结果表明最佳发酵工艺条件下,乳酸菌发酵可以显著提高二陈改良汤中柚皮素、橙皮素、桔皮素等功能成分含量。已有研究表明桔皮素、柚皮素等黄酮类成分具有治疗呼吸系统疾病的多种药理作用。桔皮素具有抗炎的保护作用[17],同时桔皮素可通过抑制Notch信号通路并压制Th17细胞反应,从而减轻小鼠脂多糖诱导的急性肺损伤[18]。橙皮素可预防慢性阻塞性肺病及其进展为肺癌[19],其对脂多糖诱导的急性肺损伤也具保护作用。本研究中橙皮素与未发酵组相比增加了23.93%,提示发酵二陈改良汤可能益肺功效更佳。柚皮素是一种存在于陈皮中的黄酮类化合物,具有止咳、化痰、平喘的作用[20],可减轻气道表面液分泌异常[21],能减轻肺损伤、阻止肺纤维化,减少气道纤毛结构破坏和功能损伤[22]。柚皮苷可减轻脂多糖、香烟烟雾诱导的气道炎症,改善肺内皮细胞的高通透性[23],放松大鼠气道平滑肌[24],有效抑制咳嗽加重[25]。推测副干酪乳酪杆菌HCS17-040发酵后的二陈改良汤可能具有更明显的镇咳祛痰效果。本研究为开发乳酸菌发酵功能饮料提供了新的思路,为改善二陈改良汤产品品质提供了理论和应用依据。

参考文献

[1] 杨万林, 张樱山.二陈汤治疗呼吸系统疾病的研究现状[J].中国临床药理学杂志, 2024, 40(8):1236-1240.YANG W L, ZHANG Y S.Research status of Erchen Decoction in the treatment of respiratory diseases[J].The Chinese Journal of Clinical Pharmacology, 2024, 40(8):1236-1240.

[2] DENG G H, LI J J, HUANG M P, et al.Erchen decoction alleviates the progression of NAFLD by inhibiting lipid accumulation and iron overload through Caveolin-1 signaling[J].Journal of Ethnopharmacology, 2024, 319:117320.

[3] 张晓婷, 张英, 张戴英, 等.陈皮的炮制研究进展[J].中国实验方剂学杂志, 2022, 28(17):267-274.ZHANG X T, ZHANG Y, ZHANG D Y, et al.Processing of Citri Reticulatae Pericarpium:A review[J].Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae, 2022, 28(17):267-274.

[4] 周亚丽, 杨萍, 李喜香, 等.半夏化学成分与药理作用研究进展及其质量标志物(Q-Marker)预测[J].中草药, 2024, 55(14):4939-4952.ZHOU Y L, YANG P, LI X X, et al.Research progress on chemical constituents and pharmacological effects of Pinelliae Rhizoma and its quality marker prediction analysis[J].Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2024, 55 (14):4939-4952.

[5] 陈家亮, 李琪, 周向东, 等.川陈皮素对慢性阻塞性肺疾病模型大鼠气道黏液高分泌的抑制作用及其分子机制[J].吉林大学学报(医学版), 2024, 50(2):295-302.CHEN J L, LI Q, ZHOU X D, et al.Inhibitory effect of nobiletin on airway mucus hypersecretion in model rats with chronic obstructive pulmonary disease and its molecular mechanism[J].Journal of Jilin University(Medicine Edition), 2024, 50(2):295-302.

[6] TAO X B, LIU H B, XIA J, et al.Processed product (Pinelliae Rhizoma Praeparatum) of Pinellia ternata (Thunb.) Breit.Alleviates the allergic airway inflammation of cold phlegm via regulation of PKC/EGFR/MAPK/PI3K-AKT signaling pathway[J].Journal of Ethnopharmacology, 2022, 295:115449.

[7] 樊俊, 王馨璐, 彭波.半夏厚朴汤加减治疗老年肺心病急性加重期合并胃肠道功能障碍[J].世界中医药, 2021, 16(8):1279-1283. FAN J, WANG X L, PENG B.Effect of modified Banxia Houpo decoction on senile pulmonary heart disease in the acute exacerbation period with gastrointestinal dysfunction[J].World Chinese Medicine, 2021, 16(8):1279-1283.

[8] ZHANG Y Z, ZHANG J, YAN J W, et al.Application of fermented Chinese herbal medicines in food and medicine field:From an antioxidant perspective[J].Trends in Food Science &Technology, 2024, 148:104410.

[9] ZHANG R, CEN Q, HU W K, et al.Metabolite profiling, antioxidant and anti-glycemic activities of tartary buckwheat processed by solid-state fermentation (SSF) with Ganoderma lucidum[J].Food Chemistry:X, 2024, 22:101376.

[10] 马天颖, 蔡俊.植物乳杆菌发酵马齿苋陈皮工艺优化及发酵液抗氧化活性分析[J].食品研究与开发, 2023, 44(8):143-148.MA T Y, CAI J.Optimization of fermentation process of Portulaca oleracea L.and citri reticulatae pericarpium by Lactobacillus plantarum and antioxidant activity of fermentation broth[J].Food Research and Development, 2023, 44(8):143-148.

[11] 陈玉婷, 傅曼琴, 吴继军, 等.不同生长时期玫瑰柑果实品质分析[J].南方农业学报, 2022, 53(3):869-878.CHEN Y T, FU M Q, WU J J, et al.Analysis of rose orange fruit quality during different growth periods[J].Journal of Southern Agriculture, 2022, 53(3):869-878.

[12] 黎桃敏, 彭帮贵, 张兰兰, 等.陈皮配方颗粒提取工艺的优化[J].中国医药工业杂志, 2023, 54(8):1241-1246.LI T M, PENG B G, ZHANG L L, et al.Optimization of extraction process for tangerine peel formula granules[J].Chinese Journal of Pharmaceuticals, 2023, 54(8):1241-1246.

[13] EOM S, LEE B B, LEE S, et al.Antioxidative and analgesic effects of naringin through selective inhibition of transient receptor potential vanilloid member 1[J].Antioxidants, 2021, 11(1):64.

[14] LIU S Q, ZHONG M L, WU H, et al.Potential beneficial effects of naringin and naringenin on long COVID—A review of the literature[J].Microorganisms, 2024, 12(2):332.

[15] GOUS A G S, ALMLI V L, COETZEE V, et al.Effects of varying the color, aroma, bitter, and sweet levels of a grapefruit-like model beverage on the sensory properties and liking of the consumer[J].Nutrients, 2019, 11(2):464.

[16] KÖNIG A, SADOVA N, DORNMAYR M, et al.Combined acid hydrolysis and fermentation improves bioactivity of Citrus flavonoids in vitro and in vivo[J].Communications Biology, 2023, 6(1):1083.

[17] LIU Y T, ZHANG Y T, YOU G X, et al.Tangeretin attenuates acute lung injury in septic mice by inhibiting ROS-mediated NLRP3 inflammasome activation via regulating PLK1/AMPK/DRP1 signaling axis[J].Inflammation Research, 2024, 73(1):47-63.

[18] LI M Q, ZHAO Y, QI D, et al.Tangeretin attenuates lipopolysaccharide-induced acute lung injury through Notch signaling pathway via suppressing Th17 ccell response in mice[J].Microbial Pathogenesis, 2020, 138:103826.

[19] ZHOU L, GU W W, KUI F G, et al.The mechanism and candidate compounds of aged citrus peel (chenpi) preventing chronic obstructive pulmonary disease and its progression to lung cancer[J].Food &Nutrition Research, 2021, 65:65.

[20] 陈欲云, 马清萍, 王涛, 等.柚皮素止咳化痰平喘作用的研究[J].食品工业科技, 2014, 35(19):355-358.CHEN Y Y, MA Q P, WANG T, et al.Experimental study on antitussive, expectorant and anti-asthmatic effects of Naringenin[J].Science and Technology of Food Industry, 2014, 35(19):355-358.

[21] SHI R, GUAN M Y, FAN W Y, et al.Naringenin regulates lipopolysaccharide-induced abnormal airway surface liquid secretion[J].Natural Product Communications, 2021, 16(9):1-10.

[22] ZHANG J S, FAN W Y, WU H, et al.Naringenin attenuated airway Cilia structural and functional injury induced by cigarette smoke extract via IL-17 and cAMP pathways[J].Phytomedicine, 2024, 126:155053.

[23] ZHANG H H, ZHOU X J, ZHONG Y S, et al.Naringin suppressed airway inflammation and ameliorated pulmonary endothelial hyperpermeability by upregulating Aquaporin1 in lipopolysaccharide/cigarette smoke-induced mice[J].Biomedecine &Pharmacotherapie, 2022, 150:113035.

[24] SHI R, XU J W, XIAO Z T, et al.Naringin and naringenin relax rat tracheal smooth by regulating BKCa activation[J].Journal of Medicinal Food, 2019, 22(9):963-970.

[25] LUO Y L, LI P B, ZHANG C C, et al.Effects of four antitussives on airway neurogenic inflammation in a guinea pig model of chronic cough induced by cigarette smoke exposure[J].Inflammation Research, 2013, 62(12):1053-1061.

Screening of fermentation process of modified Erchen decoction and optimization of fermentation strains

ZHOU Yan, HUANG Yousheng, HUANG Liqiong, LI Bilin, DONG Huanhuan*, GUAN Yongmei, ZHU Weifeng

(College of Pharmacy, Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004, China)

ABSTRACT The study aimed to develop a new cough-relieving and expectorant beverage with lactobacillus flavor by using four kinds of medicinal and edible herbs (Citri Reticulatae Pericarpium, Citri Exocarpium Rubrum, Poria, and Glycyrrhizae Radix Et Rhizoma) as the raw material and lactobacillus as the fermentation agent.The physical and chemical indexes and active ingredient contents of different lactic acid bacteria fermentation decoction were comprehensively evaluated using principal component analysis to screen out the most suitable fermentation strains.The optimal fermentation process parameters were optimized using the AHP-entropy weighted TOPSIS method.The results showed that Lacticaseibacillus paracasei HCS17-040 was the most suitable strain.The optimal process was the material-liquid ratio of 1∶30 g/mL, inoculum amount of 8%, fermentation time of 36 h, and fermentation temperature of 37 ℃.Under this optimized condition, the contents of tangeretin, naringenin, and hesperitin in the fermentated modified Erchen decoction by Lacticaseibacillus paracasei HCS17-040 increased by 29.87%, 12.77%, and 23.93%, respectively, compared with that of the unfermented group.This study showed that fermentation of modified Erchen decoction using lactic acid bacteria increased the content of its active ingredients such as tangerine, naringenin, and hesperitin which may help to improve its antitussive and expectorant effects.

Key words modified Erchen decoction; fermentation process; principal component analysis; AHP (analytic hierarchy process); entropy weight TOPSIS method

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.041281

引用格式:周妍,黄优生,黄丽琼,等.二陈改良汤发酵菌种的筛选及发酵工艺的优化[J].食品与发酵工业,2025,51(16):197-205.ZHOU Yan,HUANG Yousheng,HUANG Liqiong, et al.Screening of fermentation process of modified Erchen decoction and optimization of fermentation strains[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(16):197-205.

第一作者:硕士研究生(董欢欢副教授为通信作者,E-mail:donghh@jxutcm.edu.cn)

基金项目:江西省重点研发计划项目(20224BBG71023);江西中医药大学科技创新团队发展计划项目(CXTD-22004)

收稿日期:2024-10-12,改回日期:2024-12-03