食品工业科技

水平	因素
−1	2	1	30
0	4	3	35
1	6	5	40

水平	因素
−1	2	1	30
0	4	3	35
1	6	5	40

试验号	A发酵时间	B接种量	C发酵温度	Y多糖含量（mg/mL）
1	−1	1	0	0.4897
2	1	0	1	0.5102
3	0	0	0	0.7951
4	0	−1	−1	0.4933
5	0	0	0	0.7987
6	1	0	−1	0.5605
7	0	−1	1	0.4400
8	1	1	0	0.4591
9	−1	0	1	0.3608
10	1	−1	0	0.6850
11	0	0	0	0.8060
12	−1	0	−1	0.3041
13	0	0	0	0.7934
14	−1	−1	0	0.3484
15	0	1	1	0.4444
16	0	0	0	0.8140
17	0	1	−1	0.3898

试验号	A发酵时间	B接种量	C发酵温度	Y多糖含量（mg/mL）
1	−1	1	0	0.4897
2	1	0	1	0.5102
3	0	0	0	0.7951
4	0	−1	−1	0.4933
5	0	0	0	0.7987
6	1	0	−1	0.5605
7	0	−1	1	0.4400
8	1	1	0	0.4591
9	−1	0	1	0.3608
10	1	−1	0	0.6850
11	0	0	0	0.8060
12	−1	0	−1	0.3041
13	0	0	0	0.7934
14	−1	−1	0	0.3484
15	0	1	1	0.4444
16	0	0	0	0.8140
17	0	1	−1	0.3898

方差来源	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	0.5345	9	0.0594	265.56	<0.0001^*
A-发酵时间	0.0633	1	0.0633	283.2	<0.0001^*
B-接种量	0.0042	1	0.0042	18.86	0.0034^*
C-发酵温度	7.41E-06	1	7.41E-06	0.0331	0.8607
AB	0.0337	1	0.0337	150.73	<0.0001^*
AC	0.0029	1	0.0029	12.8	0.0090^*
BC	0.0029	1	0.0029	13.02	0.0087^*
A²	0.1037	1	0.1037	463.69	<0.0001^*
B²	0.0934	1	0.0934	417.76	<0.0001^*
C²	0.1868	1	0.1868	835.12	<0.0001^*
残差	0.0016	7	0.0002
失拟项	0.0013	3	0.0004	5.84	0.0606
纯误差	0.0003	4	0.0001
总和	0.5361	16
	R²=0.9971	R²_Adj=0.9933

方差来源	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	0.5345	9	0.0594	265.56	<0.0001^*
A-发酵时间	0.0633	1	0.0633	283.2	<0.0001^*
B-接种量	0.0042	1	0.0042	18.86	0.0034^*
C-发酵温度	7.41E-06	1	7.41E-06	0.0331	0.8607
AB	0.0337	1	0.0337	150.73	<0.0001^*
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B²	0.0934	1	0.0934	417.76	<0.0001^*
C²	0.1868	1	0.1868	835.12	<0.0001^*
残差	0.0016	7	0.0002
失拟项	0.0013	3	0.0004	5.84	0.0606
纯误差	0.0003	4	0.0001
总和	0.5361	16
	R²=0.9971	R²_Adj=0.9933

样品	保留时间（min）	峰位分子量Mp（Da）	重均分子量Mw（Da）	数均分子量Mn（Da）
黄精多糖	37.606	3621	4616	1260
发酵黄精多糖	37.697	3422	32434	9001

样品	保留时间（min）	峰位分子量Mp（Da）	重均分子量Mw（Da）	数均分子量Mn（Da）
黄精多糖	37.606	3621	4616	1260
发酵黄精多糖	37.697	3422	32434	9001

样品	甘露糖	盐酸氨基葡萄糖	鼠李糖	葡萄糖醛酸	半乳糖醛酸	葡萄糖	半乳糖	木糖	阿拉伯糖
黄精多糖	56.486	0.665	2.200	2.542	2.925	14.617	14.508	1.799	4.258
发酵黄精多糖	33.580	0.586	3.966	2.122	10.076	9.856	32.757	1.400	5.657

样品	甘露糖	盐酸氨基葡萄糖	鼠李糖	葡萄糖醛酸	半乳糖醛酸	葡萄糖	半乳糖	木糖	阿拉伯糖
黄精多糖	56.486	0.665	2.200	2.542	2.925	14.617	14.508	1.799	4.258
发酵黄精多糖	33.580	0.586	3.966	2.122	10.076	9.856	32.757	1.400	5.657

植物乳植杆菌发酵多花黄精提高多糖产量工艺优化及其体外益生元活性

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班世栋 ¹^,²^,³ , 宗春阳 ² , 王晓丹 ² , 翟晓娜 ¹ , 窦少华 ³ , 张敏 ¹ , 李媛媛 ¹ , 梁亮 ¹ , 胡雪芳 ¹ , 张志民 ¹ , 陈乙元 ¹ , 裴海生 ¹^,^*

食品工业科技 | 工艺技术 2026,47(5): 269-280

收起

食品工业科技 |工艺技术 2026 , 47 (5) : 269 -280

植物乳植杆菌发酵多花黄精提高多糖产量工艺优化及其体外益生元活性

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班世栋¹^,²^,³, 宗春阳², 王晓丹², 翟晓娜¹, 窦少华³, 张敏¹, 李媛媛¹, 梁亮¹, 胡雪芳¹, 张志民¹, 陈乙元¹, 裴海生¹^,^*

作者信息

¹农业农村部规划设计研究院农业农村部农产品产地初加工重点实验室，北京 100121

²贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳 550025

³大连大学生命健康学院，辽宁大连 116622

通讯作者:

裴海生（1982−），男，博士，高级工程师，研究方向：生物质资源综合利用，E-mail：peihaisheng2001@163.com。

作者简介:

班世栋（1986−），男，博士，研究方向：微生物代谢调控，E-mail：bsdtaitan2018@163.com

Polysaccharide Production Optimization of Polygonatum cyrtonema Hua Fermented by Lactiplantibacillus plantarum and Its Prebiotic Activity in Vitro

Shidong BAN¹^,²^,³, Chunyang ZONG², Xiaodan WANG², Xiaona ZHAI¹, Shaohua DOU³, Min ZHANG¹, Yuanyuan LI¹, Liang LIANG¹, Xuefang HU¹, Zhimin ZHANG¹, Yiyuan CHEN¹, Haisheng PEI¹^,^*

Affiliations

¹Key Laboratory of Agro-products Primary Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Academy of Agricultural Planning and Engineering, Beijing 100121, China

²School of Liquor and Food Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China

³College of Life and Health, Dalian University, Dalian 116622, China

出版时间: 2026-03-01 doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2025030047

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摘要

收起

多糖是黄精含量最高的活性成分，为了筛选通过微生物发酵黄精提高多糖含量的乳酸菌及优化发酵工艺，探索发酵物的益生元活性，本文从实验室保存的不同传统发酵食品中分离的12株植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）发酵黄精，通过单因素实验，系统考察了发酵时间（0~6 d）、接种量（0~9% v/v）、转速（0~200 r/min）和温度（20~40 ℃）对黄精发酵液中多糖含量的影响，利用响应面方法对发酵黄精工艺进行优化，并对发酵黄精冻干粉进行益生元活性分析。结果表明：12株菌均能在未添加营养物质的黄精培养基中正常生长，生物量在24~48 h内最高达到1×10⁸ CFU/mL，但48 h后生物量迅速下降。发酵48 h后，筛选到1株多糖含量提高25%的L6菌株。最佳发酵工艺参数为发酵时间3.8 d、接种量2.5%、温度35 ℃。在此优化条件下，发酵液中多糖含量达到1.30 mg/mL，比优化前显著（P<0.05）提高了57.71%。发酵后多糖分子量明显增加，多糖吡喃环结构发生变化，主要组成多糖的单糖中甘露糖和葡萄糖明显降解，半乳糖和半乳糖醛酸明显增加。此外，发酵物能够明显促进植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）CICC22213、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）CICC22175和干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）FBKL1.3022这3株益生菌增殖，具有潜在益生元活性，且主要短链脂肪酸乳酸和乙酸含量具有生物量依赖性。这一结果表明，通过工艺优化能够有效提升黄精发酵液中多糖的含量，为开发大健康发酵食品、根茎类药食同源食品提供了技术支撑。

关键词

黄精 / 多糖 / 菌株筛选 / 益生菌发酵 / 响应面优化 / 益生元活性

Abstract

收起

Polysaccharides are the main bioactive constituents of Polygonatum cyrtonema. To screen lactic acid bacteria strains for their ability to enhance polysaccharide accumulation during Polygonatum cyrtonema Hua fermentation, optimize the fermentation process parameters, and evaluate the prebiotic potential of the fermented product. Twelve laboratory-preserved Lactiplantibacillus plantarum strains, originally isolated from traditional fermented foods, were used as starter cultures for P. cyrtonema fermentation. Initial single-factor experiments systematically evaluated the effects of four critical parameters: fermentation duration (0~6 d), inoculum size (0~9% v/v), shaking rate (0~200 r/min) and temperature (20~40 ℃) on polysaccharide content. To optimize the fermentation process of P. cyrtonema by response surface methodology (RSM) and assess the prebiotic activity of the lyophilized powder. The results showed that all L. plantarum strains could grow normally in nutrient-free P. cyrtonema medium, achieving peak biomass (1×10⁸ CFU/mL) within 24~48 h, followed by rapid decline. Strain L6 showed superior performance, increasing polysaccharide content by 25% after 48 h fermentation. RSM-derived optimal conditions (3.8 days, 2.5% inoculum, 35 ℃) produced a polysaccharide content of 1.30 mg/mL, achieving a 57.71% increase over the baseline (P<0.05). Analysis of the fermented polysaccharides revealed a notable increase in molecular weight, along with structural modifications in the pyranose rings. Specifically, the degradation of monosaccharides such as mannose and glucose was observed, while the levels of galactose and galacturonic acid increased significantly. Moreover, the fermented product significantly enhanced the growth of three probiotic strains: L. plantarum CICC22213, L. rhamnosus CICC22175 and L. casei FBKL1.3022. The production of primary short-chain fatty acids, lactic acid and acetic acid, was found to be biomass-dependent. These results demonstrated that strain selection coupled with process optimization can significantly improve polysaccharide accumulation in P. cyrtonema. The fermented product exhibits promising prebiotic properties, supporting its potential application in functional food development using this medicinal rhizome species.

Key words

Polygonatum cyrtonema / polysaccharides / strain screening / probiotic fermentation / response surface optimization / prebiotic activity

引用本文

班世栋, 宗春阳, 王晓丹, 翟晓娜, 窦少华, 张敏, 李媛媛, 梁亮, 胡雪芳, 张志民, 陈乙元, 裴海生. 植物乳植杆菌发酵多花黄精提高多糖产量工艺优化及其体外益生元活性. 食品工业科技, 2026 , 47 (5) : 269 -280 . DOI: 10.13386/j.issn1002-0306.2025030047

Shidong BAN, Chunyang ZONG, Xiaodan WANG, Xiaona ZHAI, Shaohua DOU, Min ZHANG, Yuanyuan LI, Liang LIANG, Xuefang HU, Zhimin ZHANG, Yiyuan CHEN, Haisheng PEI. Polysaccharide Production Optimization of Polygonatum cyrtonema Hua Fermented by Lactiplantibacillus plantarum and Its Prebiotic Activity in Vitro[J]. Science and Technology of Food Industry, 2026 , 47 (5) : 269 -280 . DOI: 10.13386/j.issn1002-0306.2025030047

正文

收起

黄精作为一种传统中药材和药食同源植物，因富含多糖、皂苷、黄酮等多种活性成分而备受关注。其中，多糖是黄精中含量最高、生物活性最显著的组分，具有抗氧化、免疫调节、抗炎、抗肿瘤及益生元等多种生理功能^[1−5]。随着消费者对功能性食品需求的增长，以黄精为原料开发新型健康产品成为研究热点。然而，黄精多糖的提取效率和生物利用率受限于其复杂结构和传统加工方式，如水提和醇提等方法存在效率低、成本高及活性损失等问题。因此，开发高效、绿色的新技术以提升黄精多糖含量及其生物活性具有重要意义。

微生物发酵作为一种兼具传统与现代特色的生物技术，通过微生物代谢可改变底物结构、提高活性成分含量或生成新型活性物质，在食品和医药领域应用广泛^[6]。乳酸菌是一类安全且功能多样的益生菌，常见于酸奶、泡菜等传统发酵食品中。研究表明，乳酸菌发酵不仅改善食品的风味和质构，还能通过代谢作用分解复杂多糖或蛋白质，释放或合成具有生物活性的小分子化合物^[7−8]。乳酸菌发酵可显著提高人参、枸杞等药食同源植物中多糖的含量，并赋予发酵产物益生元活性，促进肠道益生菌增殖^[9−10]。利用细菌、酵母和乳酸菌发酵后，黄精多糖的提取率显著提高，其中植物乳植杆菌对多糖提取效果最为显著^[11]，但是也有植物乳植杆菌发酵黄精未见多糖积累^[12]，可能不同生境菌株发酵特性存在差异^[13]，或者不在菌株积累多糖的最佳发酵条件。因此，针对黄精发酵菌株的筛选，以及系统优化发酵工艺以提高多糖含量的研究仍需深入。

植物多糖能够促进肠道菌群双歧杆菌、乳酸菌增殖^[14]，这些益生菌能够产生短链脂肪酸调节肠道微环境，抑制致病菌生长^[14−15]，部分多糖还能增强肠道免疫屏障^[16]。研究表明，黄精多糖具有调节肠道菌群作用，具有潜在的益生特性^[17]。而传统九蒸九制方法炮制黄精过程中，多糖含量逐渐降低^[18−20]，可能降低黄精产品的益生功能。因此，利用乳酸菌发酵黄精，不仅有望提高多糖含量，还可能通过降低多糖分子量增强其益生元活性，为开发新型健康食品提供技术支持。基于此，本研究以黄精为发酵底物，从传统发酵食品中分离的12株植物乳植杆菌为发酵菌株，通过单因素实验和响应面法系统优化发酵工艺，筛选能显著提高黄精多糖含量的优势菌株并确定最佳发酵条件。同时，通过体外实验评估发酵产物的益生元活性，为开发具有增强功效的药食同源食品提供理论依据和技术支持。

1　材料与方法

收起

1.1　材料与仪器

干制多花黄精（Polygonatum cyrtonema Hua）　贵州贵阳市；植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus Plantarum）L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12　农业农村部规划设计院微生物实验室，贵州大学酿酒与食品工程学院微生物菌种保藏室，分离自酸菜（甘肃、贵州）、酸汤（贵州）、浆水（甘肃）、酸奶（内蒙古）等；植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus Plantarum）CICC22213、鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus Rhamnosus）CICC22175　中国工业微生物菌种保藏中心，贵州大学酿酒与食品工程学院微生物菌种保藏室；干酪乳杆菌ST01　从发酵食品酸汤中分离，菌种保藏在实验室；葡萄糖、硫酸、苯酚、DNS、NaOH、乙醇、NaNO₂、Al（NO₃）₃、低聚果糖　均为分析纯，北京索莱宝科技有限公司；MRS固态、液态培养基　广东环凯微生物科技有限公司；乙酸、乳酸、葡萄糖、麦芽四糖　分析标准品，上海惠诚生物科技有限公司；右旋糖酐　分析标准品，西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；葡聚糖（分析标准品）、溴化钾（光谱纯）　上海阿拉丁生化科技股份有限公司；鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、氨基葡萄糖盐酸盐、氨基半乳糖盐酸盐单糖、岩藻糖　分析标准品，上海源叶生物科技有限公司。

PBJ-010破壁机　中山市仁亨电器有限公司；TGL-24M高速冷冻离心机　湖南平凡科技有限公司；UV-1780紫外可见分光光度计　岛津仪器（苏州）有限公司；FE28 型pH计　梅特勒托利多科技（中国）有限公司；THZ-98A恒温摇床　上海一恒科学仪器有限公司；FD-304箱式真空冷冻干燥机　济南骏德仪器有限公司；Agilent LC 1260高效液相色谱　安捷伦科技有限公司；Waters 1515高效液相色谱仪　沃特世科技有限公司；Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪　赛默飞世尔科技公司。

1.2　实验方法

1.2.1　菌株在黄精培养基的生长验证

1.2.1.1　培养基制备

黄精培养基：黄精2 g，100 mL热水浸泡1 h，打浆3 min，自然pH，115 ℃灭菌20 min。

1.2.1.2　种子液制备

菌种在MRS固态培养基37 ℃活化两次，挑取单菌落接种到灭菌的MRS液体培养基，37 ℃，150 r/min摇床培养24 h，调整菌液浓度OD₆₀₀等于2，得种子液。

1.2.1.3　发酵液生物量检测

按照1%接种量，分别接种12株菌的种子液到黄精培养基，37 ℃条件下150 r/min摇床培养24、48、96 h。每个时间点取1 mL，梯度稀释，在MRS固态培养基涂布，计数平板中菌落数，30~300个菌落为有效平板，每个菌种做3个平行。

1.2.2　发酵黄精高产量多糖菌株筛选

1.2.2.1　发酵液制备

按照1%接种量，接种12株菌的种子液到黄精培养基，37 ℃条件下150 r/min摇床培养48 h。发酵液取2 mL到离心管，12000 r/min离心10 min，取上清液，测定上清液多糖、总糖、还原糖、总酸、pH、固形物含量，筛选多糖含量高菌株，未接种乳酸菌为对照。每个菌种接种3个平行。

1.2.2.2　多糖含量测定

取1.2.2.1上清液以1:4加入无水乙醇，4 ℃冷藏12 h，12000 r/min离心10 min，用80%乙醇溶液清洗3次，用纯净水复溶，利用苯酚-硫酸法检测样品中吸光度，根据葡萄糖标准曲线（y=9.7172x−0.0055，R²=0.9982）换算多糖含量^[21−22]。

1.2.2.3　总糖含量测定

取1.2.2.1上清液0.1 mL，稀释50倍，利用苯酚-硫酸法检测样品中吸光度，根据不同葡萄糖浓度下建立的标准曲线（y=9.7172x−0.0055，R²=0.9982）换算总糖含量^[21−22]。

1.2.2.4　还原糖含量测定

取1.2.2.1上清液0.2 mL，利用DNS方法检测还原糖含量。并根据葡萄糖标准曲线（y=1.8039x−0.0303，R²=0.9994）换算发酵液还原糖含量^[22]。

1.2.2.5　总酸

按照GB 12456-2021《食品中总酸的测定》中酸碱指示剂滴定法测定上清液总酸^[23]。

1.2.2.6　pH

利用pH为4.0和6.86标准磷酸缓冲液校准pH计，取50 mL上清液测pH。

1.2.2.7　固形物

取上清液，利用折光计测定可溶性固形物^[24]。

1.2.3　发酵黄精高产量多糖工艺优化

1.2.3.1　单因素实验

为了优化黄精发酵工艺并提高发酵液中多糖的积累，本研究基于工业发酵条件，系统考察了发酵时间、菌种接种量、溶氧（通过摇床转速调节）和发酵温度对发酵液多糖含量的影响。按照菌株筛选接种发酵，分别考察发酵时间（0、1、2、3、4、5、6 d）、菌种接种量（1%、3%、5%、7%、9%）、溶氧条件（摇床转速0、50、100、150、200 r/min），发酵温度（20、25、30、35、40 ℃）对发酵液多糖含量的影响，考察单一因素时，其它因素固定为：发酵时间4 d，接种量3%，摇床转速150 r/min，温度37 ℃，每组实验平行3次。

1.2.3.2　响应面优化试验

基于单因素结果，确定显著影响发酵多糖积累的3因素发酵时间（A）、接种量（B）、发酵温度（C），以多糖含量（Y）作为响应值，采用Design-Expert 13软件，应用Box-Behnken方法设计试验组合，优化和验证多糖积累的最佳发酵条件，因素与水平见表1。

1.2.4　多糖理化性质分析

1.2.4.1　多糖制备

黄精培养基和黄精发酵液12000 r/min离心10 min，取上清液，加无水乙醇至乙醇浓度到80%，4 ℃静置22 h，离心，收集沉淀放玻璃培养皿，保鲜膜封口，−80 ℃预冷冻24 h，保鲜膜扎孔，放冷冻干燥机干燥24 h，得黄精多糖和发酵黄精多糖，干燥物研磨后装袋4 ℃保存备用。

1.2.4.2　多糖分子量测定

利用高效凝胶渗透色谱法测定多糖分子量^[25]，精密称取样品和不同分子量的右旋糖酐标准品（分子量1000、5000、12000、25000、50000、80000、150000、270000、410000、670000系列分析标准品）5 mg，向样品中加入0.05 mol/L NaCl溶液1 mL，配制成5 mg/mL供试样品溶液，8000 r/min离心10 min，取上清液用0.22 μm的微孔滤膜过滤，然后将样品转置于2 mL进样瓶中备用。以标准品相对分子质量的对数值为纵坐标，以相应色谱峰的洗脱体积（V）为横坐标进行线性回归，得到分子量校正曲线，如下所示：lg 分子量=2.11e+01−2.51e+00V+1.48e−01V²−3.39e−03V³。色谱柱：聚合物基质水溶性SEC（GFC）色谱柱（8×300 mm）2根串联；流动相：0.05 mol/L NaCl溶液；流速：0.50 mL/min；柱温：40 ℃；进样量：30 μL；检测器：Waters示差检测器。

1.2.4.3　红外光谱分析

利用FT-IR分析多糖官能团^[26]。称取各干燥的多糖样品1~2 mg于在研钵中，分别加入KBr粉末200 mg研磨均匀，压片，使用傅里叶变换显微红外光谱仪进行红外扫描样品，波数范围4000~400 cm⁻¹，记录红外光谱图。

1.2.4.4　单糖组成分析

使用高效液相色谱法测定单糖组成，根据文献方法改动^[27]。精确称量多糖样品5 mg，加入1 mL 2 mol/L TFA酸溶液，121 ℃加热2 h。通氮气，吹干。加入3 mL甲醇清洗，再吹干，重复甲醇清洗2~3次。加入1 mL无菌水溶解，进行衍生化。取多糖水解液0.2 mL于具塞尖底离心管，加入0.2 mL 0.5 mol/L氢氧化钠溶液，0.5 mL 0.5 mol/L PMP甲醇溶液，涡旋混匀后于70 ℃水浴中反应1 h，反应完成后加0.2 mL 0.5 mol/L盐酸中和所加入的氢氧化钠，加氯仿1 mL涡旋萃取3次除去多余的PMP，弃去氯仿层后，取0.3 mL加水定容至1 mL。取上清液过0.45 μm微孔滤膜后转入色谱瓶中待测。配制鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、氨基葡萄糖盐酸盐、氨基半乳糖盐酸盐单糖、岩藻糖等标准品的系列浓度混合溶液，并进行衍生化。

色谱条件：色谱柱为Agilent ZORBAX EclipseXDB-C₁₈（4.6 mm×250 mm，5 μm），流动相为乙腈:磷酸盐缓冲液（磷酸二氢钾12 g/L，2 mol/L NaOH调整pH至6.8）等度洗脱，乙腈和磷酸盐缓冲液的体积比：17:83，流速：0.8 mL/min，柱温：30 ℃，检测波长：250 nm，进样量：10 μL。

1.2.5　发酵黄精冻干粉及黄精多糖益生元活性评价

1.2.5.1　发酵黄精冻干粉的制备

根据发酵黄精高产量多糖工艺优化参数制备发酵液，用离心机10000 r/min离心20 min，得上清液。上清液减压蒸馏浓缩，浓缩液分装玻璃培养皿，保鲜膜封口，−80 ℃预冷冻24 h，保鲜膜扎孔，放冷冻干燥机干燥24 h，干燥物研磨后装袋4 ℃保存备用，以不发酵的黄精培养基为对照。

1.2.5.2　培养基的制备

基础MRS培养基^[28]：去除葡萄糖的MRS培养基，加入0.05%（w/v）L-半胱氨酸。

阳性对照培养基^[28]：在基础MRS培养基中，加入1%（w/v）的低聚果糖。

实验培养基^[28]：在基础MRS培养基中，分别加入1%（w/v）的L6发酵黄精冻干粉、黄精冻干粉、发酵黄精多糖、黄精多糖。

1.2.5.3　益生菌生物量测定

植物乳植杆菌CICC22213、鼠李糖乳杆菌CICC22175和干酪乳杆菌ST01在MRS固态培养基活化2次，根据1.2.1.2方法制备种子液，每株菌按照1%接种量分别接种到基础MRS培养基（MRS-L）、阳性对照培养基（MRS-OF）、黄精冻干粉MRS培养基（MRS-P）、发酵黄精冻干粉MRS培养基（MRS-FP）、黄精多糖MRS培养基（MRS-PP）、发酵黄精多糖MRS培养基（MRS-FPP），37 ℃条件下150 r/min摇床培养，在0、48 h测OD₆₀₀吸光度^[28−29]。

1.2.5.4　短链脂肪酸测定

样品制备：益生菌在MRS-L、MRS-OF、MRS-P、MRS-FP培养基发酵48 h后取2 mL发酵液，10000 r/min离心10 min，取上清液，0.45 µm滤膜过滤，滤液用于测乳酸和乙酸含量^[30]。

色谱条件：（Agilent C₁₈，5 μm，4.6 mm×150 mm）；流动相：A相（0.1%磷酸溶液）；B相（甲醇）；A:B=98:2，流速：0.8 mL/min，采集时间：20 min，波长：210 nm，进样量10 µL。不同浓度（160~830 ng/mL）乙酸、乳酸绘制标准曲线，乙酸标准曲线为y=0.1256x−0.0575，R²=0.9999；乳酸标准曲线为y=0.2508x−0.8388，R²=0.9993。

1.3　数据处理

每组实验重复3次，采用Microsoft Excel 2019处理数据，Origin2024进行数据统计分析和绘图，采用单因素ANOVA检验进行显著性分析，P<0.05表示有显著性差异。用Design-Expert13进行响应面优化设计。

2　结果与分析

收起

2.1　植物乳植杆菌在黄精培养基的生长验证

为了开发零添加的益生菌发酵药食同源物质饮品，本研究以黄精作为唯一原料进行乳酸菌发酵，旨在降低生产成本并减少食品安全风险。研究表明，通过对全国8个省的黄精（多花黄精、滇黄精）营养成分进行分析，发现黄精中平均碳水化合物含量为83%、蛋白质7%、灰分2%、氨基酸总量约6%^[31]。相比之下，常规用于乳酸菌培养的MRS培养基中碳源含量为2%，氮源含量为1%，这表明黄精能够为乳酸菌发酵提供充足的营养成分，作为乳酸菌发酵培养基是可行的。本文利用2%的多花黄精制备乳酸菌发酵培养基，并观察菌种在其中的生长情况。将12株植物乳植杆菌接种到黄精培养基中，发现所有菌株均能正常生长。在培养24 h后，生物量都能超过10⁷ CFU/mL，L4、L5、L8、L10、L12等可达到10⁸ CFU/mL。然而，培养96 h后，大部分菌株生物量显著降低（P<0.05），除L5和L10菌外，其它都在10³~10⁶ CFU/mL（图1），说明从不同生境分离的植物乳植杆菌都能在黄精培养基中正常生长，黄精不仅可作为种子液培养基，还可作为发酵饮品原浆的原料。

2.2　发酵黄精高产量多糖的菌株筛选

黄精的主要活性成分为多糖^[32]。本文考察了12株菌发酵黄精后多糖产量及理化指标，筛选多糖产量高的菌株作为后续工艺优化和功能研究。12株菌发酵黄精后，发现L5和L6菌种发酵后的多糖含量明显升高，而其他菌种发酵后的多糖含量明显降低（图2a）。这一结果与已有研究一致，表明微生物发酵能够显著提高黄精多糖的提取率^[33]，特别是细菌、酵母和乳酸菌发酵均能提升多糖含量，其中植物乳植杆菌的效果最为显著^[11]。研究表明，乳酸菌在发酵过程中可能产生淀粉酶、纤维素酶、几丁质酶等水解酶，促进植物细胞壁的降解，从而释放更多的糖类物质^[34]。此外，乳酸菌还可能合成胞外多糖^[35−37]，进一步增加发酵液中的多糖含量。值得注意的是，传统九蒸九制方法处理黄精时，多糖含量呈现先增加后降低的趋势^[38]，这与发酵过程中的多糖动态变化具有一定的相似性。此外，除L4和L5菌种的总糖含量高于对照组外，其他菌种的总糖含量均低于对照组（图2b），但其生物量与大部分菌种相近（图1），可能菌株产生了能够降解黄精基质的酶，从而增加了可溶性糖的含量^[39]。由于L6发酵黄精后多糖含量最高，因此选择L6作为后续多糖发酵工艺优化菌株。

因48 h出现生物量拐点（图1），故选取该时间点作为后续理化指标检测的关键阶段。结果显示，所有菌种的还原糖含量均低于对照组（图3a），且生物量较低的菌种还原糖含量相对较高，这表明乳酸菌在增殖过程中主要利用还原糖为碳源生长。发酵液的总酸含量显著（P<0.05）升高（图3b），而pH显著（P<0.05）降低（图3c），这与乳酸菌发酵过程中产生有机酸的特性相符。研究还发现，利用九蒸九制炮制黄精后，其水提液也呈现酸性^[40]，进一步验证了乳酸菌发酵对黄精酸化的影响。在乳酸菌发酵黄精后，每株菌的发酵上清液中的固形物含量明显增加（图3d），表明乳酸菌发酵促进了可溶性固形物的生成。这可能是由于乳酸菌降解黄精基质产生的糖类物质，或者是其代谢过程中产生的有机酸、脂肪酸、氨基酸、胞外多糖等^[41−44]。这些结果表明，乳酸菌发酵不仅能够改变黄精的理化性质，还能通过酶解和代谢作用提升其功能性成分的含量，为开发高附加值的黄精发酵产品提供了科学依据。

2.3　单因素对发酵黄精多糖含量的影响

基于工业生产条件，对发酵时间、接种量、溶氧（通过摇床转速调节）和温度等关键因子进行单因素实验，以评估其对黄精发酵液中多糖含量的影响。结果表明，随着发酵时间的延长，黄精溶出多糖逐渐升高，并在第4 d达到最高（图4a），可能是乳酸菌增殖过程分泌的细胞壁降解酶（如果聚糖酶），释放黄精中多糖^[45]。然而，在第5 d后显著降低，可能是乳酸菌产生的CAZy降解多糖的速度超过了溶出速度^[39]。此外，发酵后期乳酸积累导致的pH下降可能进一步抑制了降解酶的活性或改变了多糖的溶解性。因此，选择第4 d为最佳发酵时间。当乳酸菌接种量为3%时，发酵液中多糖含量最高（图4b），接种量过低（如1%）可能导致乳酸菌生物量不足，难以有效分解黄精细胞壁释放多糖，而接种量过高（如5%）可能引发菌株间的营养竞争或乳酸过量积累，加速多糖的降解（图4b中多糖含量数据支持这一趋势），说明适宜的接种量更加平衡多糖的溶出和降解。而增加发酵液溶氧，能提高多糖含量，但多糖差异不显著（图4c），可能增加的多糖产量仅仅是黄精溶出多糖，并非乳酸菌增殖分泌的多糖引起的多糖产量增加^[46]，但利用转速增加溶氧方式并未显著影响乳酸菌发酵增加多糖产量。温度对微生物生长代谢影响较大，而20~30 ℃的培养条件对多糖积累无显著影响，在35 ℃条件下获得最高的多糖积累量，说明最适的生长温度对乳酸菌的生长代谢活性更强^[47]，对多糖溶出有利。由于摇床转速对多糖含量的影响不显著，因此，响应面优化中仅考虑发酵时间、接种量和发酵温度三个因子。

2.4　发酵黄精多糖的工艺优化

以发酵时间（A）、接种量（B）、发酵温度（C）为响应面试验的3个因素，以多糖含量（Y）为响应值，通过3因素3水平的Box-Behnken试验设计和响应面分析方法，确定多糖积累的最佳工艺条件，结果见表2。应用Design-Expert 13软件进行多元回归拟合分析，多元二次回归方程表示如下：Y=0.801+0.089A−0.02B+0.001C−0.092AB−0.027AC+0.027BC−0.157A²−0.149B²−0.211C²。

如表3所示，整体模型显著（P<0.05），失拟项不显著（P=0.0606），说明该回归方程可真实反映自变量和因变量的关系，模型中的R²=0.9971，调整后R²_Adj为0.9933，进一步表明模型的预测值与实测值之间具有高度相关性，模型拟合效果良好，能够准确预测发酵条件对多糖含量的影响。各因素对多糖积累的影响顺序为：发酵时间（A）>接种量（B）>发酵温度（C）。回归模型下，一次项（A、B）、交互项（AB、AC、BC）、二次项（A²、B²、C²）对响应值影响显著（P<0.05）。

由图5可知，AB（发酵时间与接种量）、AC（发酵时间与温度）和BC（接种量与温度）交互作用的坡度较陡，对多糖含量影响的显著性呈正相关^[48]。通过响应面优化，得到黄精发酵多糖积累的最佳工艺参数为：发酵时间3.8 d、接种量2.6%、发酵温度35.1 ℃，为了方便操作，优化工艺为：发酵时间3.8 d、接种量2.5%、发酵温度35 ℃。在此条件下，发酵液中多糖含量达到1.30 mg/mL，较优化前提高了57.71%。文献研究表明，传统水法提取黄精多糖的溶出率为4.41%^[48]，与本研究的未发酵的空白多糖溶出率4.12%接近。通过响应面优化发酵工艺后，多糖含量显著提高至6.49%（P<0.05）。此外，酶法、超声法和超高压法等提取技术的多糖溶出率分别为8.11%、5.41%和13.46%^[48]，但这些方法在工业生产中成本较高，限制了其大规模应用。传统九蒸九制炮制方法虽然广泛应用于黄精加工，但炮制后多糖含量显著降低^[49]。而本研究通过优化发酵工艺，显著提升了发酵液中多糖含量，为工业化生产提供了更具成本效益的解决方案。

2.5　多糖理化性质分析

2.5.1　分子量分析

通过高效凝胶色谱对多糖进行分子量测定，结果见表4，黄精发酵后多糖分子量明显升高，可能是菌株分泌的糖基转移酶通过糖苷键连接形成更长链的多糖结构，或者降解多糖的小分子片段，通过氧化交联或酶促重组形成更大分子量的聚合体^[50]。

2.5.2　红外光谱分析

多糖红外光谱如图6所示，3408.31 cm⁻¹处存在强且宽的吸收峰，为多糖分子间或分子内氢键O-H伸缩振动的强吸收峰；2934.29 cm⁻¹附近的中等强度尖峰为甲基（-CH₃）或者次甲基（-CH₂）的C-H伸缩振动吸收峰；1738.62 cm⁻¹处可归属于糖醛酸中酯化羧基的C=O的对称伸缩振动吸收峰，而在1635.48 cm⁻¹处为糖醛酸中自由羧基COO-的非对称伸缩振动特征吸收峰，说明多糖样品是一种酸性多糖，并存在酯化基团。1417.36、1375.52、1251.18 cm⁻¹为C-H的变角振动吸收峰，它们C-H的伸缩振动构成了糖环的特征吸收；1031.35 cm⁻¹再次证明了吡喃糖苷的存在，为C-O-H或C-O-C结构中C-O键的弯曲振动；935.76 cm⁻¹处显示吡喃环的非对称环伸缩振动峰；875.04 cm⁻¹为β-吡喃糖苷键的特征区域，推测多糖中含有β型吡喃糖。发酵黄精多糖增加763.11 cm⁻¹显示吡喃环的对称环伸缩振动峰，但在935.76 cm⁻¹处无振动峰，说明发酵后多糖的吡喃环开环或取代基引入，破坏非对称振动模式^[51]，且修饰吡喃的取代基未发现新的基团。此外也有可能是样品含蛋白质、多酚等杂质，掩盖特征峰^[52−53]。

2.5.3　单糖组成分析

通过高效液相色谱对干黄精和发酵黄精多糖的单糖组成分析，发现黄精多糖由9种单糖组成，主要由甘露糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖组成（表5）。其单糖组成与文献报道相近^[54]，多糖发酵后的甘露糖和葡萄糖明显降低，可能菌株发酵过程消耗甘露糖和葡萄糖作为碳源，导致其含量降低^[55]。而发酵多糖的半乳糖醛酸和半乳糖明显升高，可能是甘露糖和葡萄糖的降解提高了它们的比例，也可能是发酵过程中菌株分泌的半乳糖氧化酶对羟基氧化，提高了半乳糖醛酸比例^[56]。

2.6　发酵黄精多糖体外益生元活性

2.6.1　黄精发酵多糖为碳源的益生菌生长情况

基于优化的发酵工艺，本文制备了黄精发酵液冻干粉，通过对发酵上清液醇沉制备了黄精发酵多糖，并开展了益生菌生长情况研究。将冻干粉替代传统MRS培养基中的碳源。在菌株生长48 h后，发现去除MRS培养基葡萄糖后，三种益生菌生长均显著受限，而在添加低聚糖后，益生菌的增殖能力得到显著提升。此外，黄精冻干粉可显著促进植物乳植杆菌和干酪乳杆菌的生物量积累，同时对鼠李糖乳杆菌的生物量也有明显增加作用（图7a）。为了考察黄精多糖对益生菌增殖效果，在去除葡萄糖的MRS培养基中加入黄精多糖，发现三株益生菌生物量明显低于作为碳源的发酵液冻干粉，且黄精多糖对每株菌的增殖效果存在显著差异（P<0.05），但纯化发酵后多糖作为碳源并未增加益生菌生物量（图7b）。已有研究表明，发酵黄精能够降低多糖聚合度，促进益生菌增殖^[57]，在益生菌发酵过程中，发现双歧杆菌对发酵黄精多糖的利用率高于嗜酸乳杆菌，能将植物乳植杆菌的生物量增高2倍，且多糖结构对益生菌增殖效益差异较大^[50]。

2.6.2　益生菌发酵液主要短链脂肪酸变化

研究发现，益生菌发挥益生元活性主要是通过代谢产生短链脂肪酸，降低环境pH抑制有害菌的生长^[57–58]，增强肠道屏障，以及促进免疫细胞释放抗炎因子提供免疫力^[59]。由于3种益生菌发酵主要产生乳酸和乙酸。因此，本文对三种益生菌的主要代谢产物乳酸和乙酸含量进行考察，结果显示发酵黄精或未发酵冻干粉都能促进乳酸和乙酸积累，且乳酸和乙酸的生成均依赖于菌株的生物量，而干酪乳杆菌表现出较强的产酸能力（图8a和图8b），说明黄精发酵冻干粉具有一定的益生元活性。

3　结论

收起

本研究利用不同生境来源的12株植物乳植杆菌发酵黄精，筛选到1株显著增加多糖产量的植物乳植杆菌L6，通过单因素实验，确定了发酵时间、接种量和温度对发酵液中多糖含量有显著影响，并利用响应面法优化得到最佳发酵工艺：发酵时间3.8 d、接种量2.5%、发酵温度35 ℃。在此条件下，发酵液中多糖含量达到1.30 mg/mL，较优化前提高了57.71%。对多糖理化性质分析，发现发酵后黄精多糖分子量明显增加，且发酵后多糖的甘露糖、半乳糖、半乳糖醛酸含量显著变化。此外，发现发酵冻干粉对益生菌增殖效果明显，并产生短链脂肪酸，具有一定益生元活性，这对根茎类药食同源食品开发提供理论和技术支持。对于发酵黄精冻干粉中多糖的体外益生元活性实验，以及多糖的结构还需进一步研究。

参考文献

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文献

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2026年第47卷第5期

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文章信息

doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2025030047

接收时间：2025-03-05
首发时间：2026-10-24
出版时间：2026-03-01

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收稿日期：2025-03-05

基金

作者信息

¹农业农村部规划设计研究院农业农村部农产品产地初加工重点实验室，北京 100121

²贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳 550025

³大连大学生命健康学院，辽宁大连 116622

通讯作者:

裴海生（1982−），男，博士，高级工程师，研究方向：生物质资源综合利用，E-mail：peihaisheng2001@163.com。

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/spgykj/CN/10.13386/j.issn1002-0306.2025030047

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

水平	因素
−1	2	1	30
0	4	3	35
1	6	5	40

水平

因素

A发酵时间（d）

B接种量（%）

C发酵温度（℃）

−1

试验号	A发酵时间	B接种量	C发酵温度	Y多糖含量（mg/mL）
1	−1	1	0	0.4897
2	1	0	1	0.5102
3	0	0	0	0.7951
4	0	−1	−1	0.4933
5	0	0	0	0.7987
6	1	0	−1	0.5605
7	0	−1	1	0.4400
8	1	1	0	0.4591
9	−1	0	1	0.3608
10	1	−1	0	0.6850
11	0	0	0	0.8060
12	−1	0	−1	0.3041
13	0	0	0	0.7934
14	−1	−1	0	0.3484
15	0	1	1	0.4444
16	0	0	0	0.8140
17	0	1	−1	0.3898

试验号

A发酵时间

B接种量

C发酵温度

Y多糖含量（mg/mL）

−1

0.4897

0.5102

0.7951

−1

0.4933

0.7987

−1

0.5605

−1

0.4400

0.4591

−1

0.3608

−1

0.6850

0.8060

−1

0.3041

0.7934

−1

0.3484

0.4444

0.8140

−1

0.3898

方差来源	平方和	自由度	均方	F值	P值
模型	0.5345	9	0.0594	265.56	<0.0001^*
A-发酵时间	0.0633	1	0.0633	283.2	<0.0001^*
B-接种量	0.0042	1	0.0042	18.86	0.0034^*
C-发酵温度	7.41E-06	1	7.41E-06	0.0331	0.8607
AB	0.0337	1	0.0337	150.73	<0.0001^*
AC	0.0029	1	0.0029	12.8	0.0090^*
BC	0.0029	1	0.0029	13.02	0.0087^*
A²	0.1037	1	0.1037	463.69	<0.0001^*
B²	0.0934	1	0.0934	417.76	<0.0001^*
C²	0.1868	1	0.1868	835.12	<0.0001^*
残差	0.0016	7	0.0002
失拟项	0.0013	3	0.0004	5.84	0.0606
纯误差	0.0003	4	0.0001
总和	0.5361	16
	R²=0.9971	R²_Adj=0.9933

方差来源

平方和

自由度

均方

F值

P值

模型

0.5345

0.0594

265.56

<0.0001^*

A-发酵时间

0.0633

283.2

<0.0001^*

B-接种量

0.0042

18.86

0.0034^*

C-发酵温度

7.41E-06

0.0331

0.8607

0.0337

150.73

<0.0001^*

0.0029

12.8

0.0090^*

0.0029

13.02

0.0087^*

A²

0.1037

463.69

<0.0001^*

B²

0.0934

417.76

<0.0001^*

C²

0.1868

835.12

<0.0001^*

残差

0.0016

0.0002

失拟项

0.0013

0.0004

5.84

0.0606

纯误差

0.0003

0.0001

总和

0.5361

R²=0.9971

R²_Adj=0.9933

样品	保留时间（min）	峰位分子量Mp（Da）	重均分子量Mw（Da）	数均分子量Mn（Da）
黄精多糖	37.606	3621	4616	1260
发酵黄精多糖	37.697	3422	32434	9001

样品

保留时间（min）

峰位分子量Mp（Da）

重均分子量Mw（Da）

数均分子量Mn（Da）

黄精多糖

37.606

3621

4616

1260

发酵黄精多糖

37.697

3422

32434

9001

样品	甘露糖	盐酸氨基葡萄糖	鼠李糖	葡萄糖醛酸	半乳糖醛酸	葡萄糖	半乳糖	木糖	阿拉伯糖
黄精多糖	56.486	0.665	2.200	2.542	2.925	14.617	14.508	1.799	4.258
发酵黄精多糖	33.580	0.586	3.966	2.122	10.076	9.856	32.757	1.400	5.657

样品

甘露糖

盐酸氨基葡萄糖

鼠李糖

葡萄糖醛酸

半乳糖醛酸

葡萄糖

半乳糖

木糖

阿拉伯糖

黄精多糖

56.486

0.665

2.200

2.542

2.925

14.617

14.508

1.799

4.258

发酵黄精多糖

33.580

0.586

3.966

2.122

10.076

9.856

32.757

1.400

5.657