中华管鞭虾(Solenocera crassicornis)加工副产物生物发酵及虾青素稳态化研究

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中华管鞭虾(Solenocera crassicornis),广泛分布于我国南海、黄海及东海海域,是我国重要的海捕虾之一。中华管鞭虾主要加工成虾肉销往境外,而加工过程中产生包括虾头、虾壳在内大约30~50%副产物,这些副产物富含大量营养和活性成分,如:生物酶、蛋白质和强抗氧化剂的虾青素等。为克服传统方法采用强酸、强碱等化学试剂加工对虾加工副产物对环境污染大、生物利用度低弊端,本研究采用生物发酵法高值化利用中华管鞭虾加工副产物,并对其虾青素稳态化技术进行研究,主要研究包括:(1)探究了发酵对虾青素及生物活性物质的影响。以虾青素浓度为指标,筛选发酵条件,结果表明,未灭菌处理的提取效果更佳。在枯草芽孢杆菌枯草亚种、解脂假丝酵母、发酵乳杆菌发酵和自溶发酵中,枯草芽孢杆菌发酵和自溶发酵的效果更佳,提取出的总虾青素、游离型虾青素浓度最高分别为8.05±0.78 μg/mL、6.21±0.65 μg/mL 和 8.86±0.56μg/mL、4.99±0.82 μg/mL,显著高于其它发酵方式。枯草芽孢杆菌发酵和自溶发酵对大分子物质的分解效果更佳,DPPH自由基清除能力更优。通过模型拟合发现,枯草芽孢杆菌发酵过程中游离型虾青素浓度与发酵时间呈线性关系,自溶发酵过程中总虾青素浓度和游离型虾青素浓度均和发酵时间呈正相关关系;通过相关性分析可知,自溶发酵产物的还原力和总抗氧化能力与总虾青素浓度、酯型虾青素浓度、Mw2(5000~10000 Da)占比和Mw3(1000~5000 Da)的占比呈显著正相关;枯草芽孢杆菌发酵产物的DPPH自由基清除能力、总抗氧化能力分别与游离型虾青素浓度、Mwl(>10000 Da)、Mw3占比和酯型虾青素浓度呈显著正相关。(2)发酵对中华管鞭虾加工副产物挥发性物质的影响。自溶发酵过程中中性、碱性蛋白酶(pH 7、pH 9、pH 11)活性随发酵时间增加呈上升趋势;枯草芽孢杆菌发酵过程中,碱性蛋白酶(pH 9)活性随发酵时间增加逐步增加,成为优势蛋白酶;在两组发酵液中均发现胰蛋白酶和少量胃蛋白酶。电子鼻检测发现自溶发酵和枯草芽孢杆菌发酵过程中均积累了较多甲基类化合物、芳香族化合物、氨类物质和芳香烃类物质。通过GC-IMS和多元统计分析发现,自溶发酵前期样品(1~4 d)与后期发酵样品(5~7 d)挥发性物质差异较大,而枯草芽孢杆菌发酵过程中的挥发性物质组分并未发生显著变化。对0 d和7 d样品中挥发性化合物进行非靶向分析,结合正交-偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)和随机森林分析法(Random forest)筛选出标志性挥发性物质,自溶发酵中的13种标志性挥发性物质包括2种酯(乙酸甲酯、乙酸乙酯)、4种醛(正丁醛、乙醛、异丁醛、3-甲基丁醛)、3种酮(2-戊酮-D/M、1-戊烯-3-酮)、3种醇(1-丙醇-M、1-丁醇-D/M)和1种呋喃(2-丁基呋喃);枯草芽孢杆菌发酵中的12种标志性挥发性物质包括2种酯(乙酸甲酯、乙酸乙酯)、3种醛(正丁醛、异丁醛、3-甲基丁醛)、2种酮(2-戊酮-D/M、环戊酮)、3种醇(1-丙醇-M、1-丁醇-D/M)、1种噻吩类物质和1种呋喃。通过相关性分析得出,自溶发酵中酮类物质的产生和醇类物质的减弱与碱性蛋白酶活性(pH 9、pH 11)呈显著正相关;枯草芽孢杆菌发酵中差异性物质的变化主要和碱性蛋白酶(pH 9)相关。(3)为了提高虾青素的稳定性,制备了以玉米醇溶蛋白和海藻酸钠为载体,负载虾青素的Pickering乳液(APEs)。虾青素在APEs中的封装效率达到了 86.7±3.8%,平均粒径为5461 nm。X射线衍射图和傅里叶变换红外光谱的结果证明,氢键、静电吸引和疏水效应参与了 APEs的形成。APEs表现出非牛顿剪切稀化行为,符合Cross模型。与Asta提取物相比,APEs减缓了 50~100℃时Asta降解(p<0.05)。探究了不同pH值(3.0~11.0)环境、不同金属离子(100 mMNa+、K+、Ca2+、Cu2+和Fe2+)对APEs的视觉外观、Zeta电位和多分散指数的影响。构建了动力学模型:一阶动力学可以很好地描述APEs在pH 3、5、7、9,Na+、K+条件下虾青素的降解情况。此外,APEs在体外胃肠模拟消化中表现出良好的虾青素缓释效果,符合骨架溶解机制。
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