玉米须固体发酵的工艺优化研究

＊邰佳 马海英

（中国医科大学附属第四医院药学部 辽宁 110032）

玉米须是禾本科植物玉蜀黍的花柱头，是我国传统的中药材，常用于治疗高血压、水肿、膀胱炎、肾炎和泌尿系统感染、结石等症，具有较好的疗效。毒理学试验结果表明，玉米须安全性好，大量食用对人体无害[1]，世界上许多国家都将其列为安全的保健饮品食用。对玉米须的利用在我国古代本草里也早有记载。玉米是我国的重要种植物，近五年的平均年产量近2.5亿吨。据统计，玉米作物中的玉米须与玉米粒的产量接近1:20，按此计算，玉米须的年产量近0.1亿吨[2]。玉米须的年产量甚为可观，具有明确的药理作用和良好的使用安全性，值得大家广为推广和使用。玉米须具有较好的利用价值，但目前我国的玉米须资源绝大部分作为废弃物弃于田间地头，部分与秸秆一起供动物食用，也有一少部分被康美药业等中药材加工企业收购。需要增加玉米须的利用途径，拓宽玉米须的使用方法，提高玉米须的有效率用程度，变废为宝。文献研究证明，玉米须含有黄酮[3]、多糖[4]等活性化学成分，对于多种人类疾病具有较好的疗效，将其弃之甚为可惜。玉米须及其加工产品具有较好的开发价值，应大力开发利用，提高玉米须的利用率[5]。研究表明，固态发酵技术可以有效提高中药活性成分的产量[6]，可以改变酒、醋等食品的风味物质，越来越多的应用于人民生活中。本文采用混合菌株培养，以黄酮和多糖为指标，优化玉米须的固态发酵工艺，考察固态发酵对玉米须提取物品质的影响，为玉米须资源的充分有效利用，提供支持和依据。

1.材料与方法

(1)原料与试剂

玉米须（采自沈阳本地，阴干后粉碎过40目筛），枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，酵母膏葡萄糖培养基购自上海研生生化试剂有限公司，水为实验室二级水，其他试剂均为分析纯。

(2)仪器设备

YXQ-LS-100S型立式压力蒸汽灭菌器（上海博迅医疗生物仪器股份有限公司），KR4i型低温离心机（赛默飞世尔科技（中国）有限公司），HH-6S型恒温水浴锅（上海捷呈实验仪器有限公司），UV-8000型紫外可见分光光度计（上海元析仪器有限公司），AB204-S型电子天平（美国梅特勒-托利多公司）。

(3)玉米须的固体发酵工艺

玉米须经阴干粉碎过40目筛后蒸汽灭菌，冷至室温，与培养基充分混合均匀，调节水分为50%至60%，100℃常压灭菌30min，冷却后无菌接种枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌，接种比例为8%，35℃厌氧发酵培养72h，发酵完成后将物料烘干粉碎，即得玉米须固体发酵物。

(4)总黄酮和多糖的测定方法

本研究采用已多年使用的方法进行总黄酮和多糖的含量测定，采用侯少平[7]等人提出的乙醇回流提取法提取玉米须中的总黄酮，以紫外可见分光光度法测定总黄酮含量。采用钟世红[8]等人提出的苯酚-硫酸比色法测定玉米须中多糖的含量。

2.结果与分析

(1)菌种比例对发酵后总黄酮和多糖的影响

与单一菌种的发酵工艺相比，混合菌种可以提供的酶系统相对更加完整，也更适用于对玉米须的固体发酵。参考前人研究结果，本试验使用枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌的混合菌种来协调发酵，通过不同菌种间的协同作用来增加玉米须发酵物中总黄酮和多糖的产量。在固态发酵培养基中分别接种了枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌，接种比例分别为1:1、2:3、1:2、2:1、3:2，结果见表1。当枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌为3:2时，总黄酮和多糖含量均达到最高，分别为4.27%和6.27%。发酵后的总黄酮含量和多糖含量与发酵前相比均有提高，固态发酵工艺可以提高玉米须的品质。参考不同菌种比例的研究结果，本试验以枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌的比例为3:2作为混合菌比例，进行后续试验。

表1 不同比例的混合菌发酵后对总黄酮和多糖含量的影响

(2)接种量对发酵后总黄酮和多糖的影响

微生物发酵过程中，菌种的接种量也是重要的影响因素。这是因为适宜的菌种接种量会加快发酵速率，提高效率。以较低的接种量接种时，会有一段时间是菌种的繁殖期，之后菌种才会对玉米须有发酵作用。较低的接种量会延长固态发酵的工艺过程，造成不必要的时间和人工的浪费。过大的菌种接种量则会引起不必要的消耗，也不利于发酵过程。参考前人的研究结果表明，过大的菌种接种量也会影响固体发酵物的品质。这是由于过多的菌种间会存在竞争，可能产生更多的菌种繁殖代谢产物，而这些代谢产物并不一定会提高发酵物的品质。因此，适宜的接种量对于固态发酵工艺来说是重要的工艺控制点，需要进行考察，在实际生产过程中也要严格的按照筛选得到的接种量来接种，避免造成固态发酵产品的品质不同。本文对接种量进行考察，接种比例为3:2的枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌混合菌种，分别按照1.0%、2.0%、5.0%、8.0%和10.0%的接种量来接种，测定发酵物中的总黄酮和多糖含量，结果见表2。当接种量为8.0%时，玉米须发酵物中的总黄酮和多糖含量均达到最高。以8.0%为混合菌接种量，进行后续研究。

表2 不同接种量的混合菌发酵后对总黄酮和多糖含量的影响

(3)发酵温度对发酵后总黄酮和多糖的影响

微生物的发酵温度也是影响玉米须固体发酵物品质的重要影响因素，过低的发酵温度不利于菌种的繁殖，混合菌种体内的酶催化活性不够，不利于对玉米须的发酵。而过高的发酵温度可能会导致菌种体内的酶失活，也不利于发酵环境中的一系列化学反应的发生，过高的发酵温度下，微生物易于产生一些对人体不利的代谢产物，因此需要对发酵温度进行考察，选择适宜的发酵温度来进行固体发酵。在尽可能的多获得总黄酮和多糖的前提下，要采用适宜的发酵温度进行发酵。参考发表文献的研究成果，一般微生物发酵温度的考察以25℃开始，接近50℃结束。本试验参考相关文献[9-15]方法，以接种比例为3:2的枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌混合菌种，按照8.0%的接种量来接种，分别在28℃、30℃、33℃、35℃、38℃的条件下发酵，测定玉米须发酵物中的总黄酮和多糖含量，不同发酵温度对玉米须固态发酵物中总黄酮和多糖含量的影响，结果见表3。研究结果表明，玉米须发酵物中总黄酮和多糖随着发酵温度的升高，变化趋势是相同的。当发酵温度为35℃时，玉米须发酵物中的总黄酮和多糖含量均达到最高，之后二者均呈现下降趋势。说明以总黄酮和多糖为目标物的固态发酵工艺，发酵温度不应超过35℃，因此，本试验以35℃为适宜的发酵温度进行固态发酵工艺研究。

表3 不同发酵温度对玉米须固态发酵物中总黄酮和多糖含量的影响

(4)发酵时间对发酵后总黄酮和多糖的影响

固态发酵时间过短，则菌种对玉米须的作用时间不足，品质改变不大。固态发酵时间过长，可能存在微生物与微生物之间的竞争，可能产生一些影响品质的微生物代谢产物。因此，选择适宜的发酵时间有利于获得高品质的玉米须固体发酵产物。适宜的发酵时间也有利于控制发酵工艺的能耗和人工成本。本试验考察了24h、48h、72h、96h和120h的发酵时间，结果见表4。当发酵时间为72h时，玉米须固体发酵物中的总黄酮和多糖含量均达到最高，之后呈现下降趋势，最佳发酵时间为72h。

表4 不同接种时间对玉米须固态发酵物中总黄酮和多糖含量的影响

3.讨论

固态发酵技术是在较少水存在的条件下，将微生物接种在基质上繁殖，利用微生物的作用促进基质发酵的一种方式。固态发酵可以促进基质中的活性成分的提高，并能提高一些基质中某些特异物质的含量，也就是食品中提到的风味物质。近十年间，固态发酵技术迅速发展起来，应用领域广泛[16]。尤其在中药药渣的再利用，中药材活性成分的发酵炮制，以及酿酒、酿醋等食用产品的风味加工上都取得了较大的进展[17-19]。通过固态发酵技术，可以提高中药药渣等废弃物的再利用价值，实现中药材资源的充分和有效的利用。固态发酵技术也可改变酒、醋等食用品的风味物质组成，生产出风味各异的高品质食品。固态发酵技术的一种成本较低，采用常见工艺设备进行发酵，操作简单，生产控制的关键控制点清晰，生产后几乎没有废水废液排放，是一种发酵工业的绿色清洁生产工艺。固态发酵技术的生产工艺简单，对人员和场地的要求不高，具备发酵的场地和设备，人员具有基本的化学基础知识，通过培训，就可按照规程开展生产工作，方法易于推广。固态发酵技术的这些优点使得该技术的发展应用越来越广泛，在混合菌种的使用上也越来越趋于成熟，对于不同的目标化合物，采用不同种类混合菌种的发酵技术也越来越具备经验。玉米须是玉米作物的副产物，我国的科研工作者已对玉米须的化学成分进行了较全面的研究，也对玉米须的药理作用进行了较全面的动物实验验证。相对而言，玉米须对人类的安全性很高，几乎无毒副作用。我国是玉米作物的种植大国，玉米须的产量很大，几乎遍布整个中国。因此，对玉米须的合理开发利用，变废为宝，是科研工作者近些年需要解决的问题之一。

本试验选取枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌为混合菌种，对玉米须进行固态发酵，以总黄酮含量和多糖含量为评价指标，确定玉米须固体发酵工艺的最佳工艺条件：经试验，枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌混合菌种的接种比为3:2，接种量为8%，发酵温度为35℃，发酵时间为72h。固态发酵后玉米须中的总黄酮含量提高了38.89%，多糖含量提高了32.69%。这可能是因为玉米须中具有较高的纤维物质，在复合微生物菌的作用下，纤维素的细胞壁被枯草芽孢杆菌和纤维素降解菌的酶系代谢，促进了黄酮和多糖的释放。因此，经微生物发酵后，玉米须中的总黄酮和多糖含量均有所增高。通过固态发酵的工艺，可以有效提高玉米须中活性成分的含量。我国的玉米资源丰富，玉米须中活性成分含量高，目前大部分作为废弃物处置，应为玉米须的充分利用提供更多可行的途径，本文为玉米须资源的综合利用提供了一个附加值更高的方法，可供相关人员借鉴使用，也可作为农业资源深加工的实例推广应用。