黑曲霉固态发酵提升玉米须酚类成分与抗氧化活性及其生物转化机制研究

本研究针对玉米加工副产物玉米须(CS)的高值化利用问题，通过黑曲霉(Aspergillus niger)固态发酵(SsF)技术，系统揭示了发酵过程中酚类成分的动态转化规律。研究发现10天发酵使总酚含量提升73%，总黄酮含量增加37%，并通过HPLC-DAD-ESI-MS技术鉴定出17种酚类化合物，其中羟基肉桂酸衍生物显著增加，同时抗氧化活性在ABTS+、DPPH和FRAP测定中显著增强。该研究为农业副产物的生物转化提供了创新方法，对功能性食品和营养保健品开发具有重要价值。

　　

在全球粮食系统面临人口增长压力和农业加工废弃物环境负担加重的背景下，如何高效利用农业副产物成为可持续发展的重要课题。玉米须（Corn silk, Stigma maydis）作为玉米加工的副产物，虽然富含生物活性化合物，但长期以来未被充分利用。面对全球玉米产量持续增长（2023年达12.41亿吨）带来的玉米须大量积累，研究人员开始探索其高值化利用途径。传统研究主要关注玉米苞叶和玉米芯的固态发酵，而对玉米须的生物转化研究极为有限，仅有一项使用混合菌群发酵的研究，缺乏对具体代谢机制和酚类成分变化的深入解析。

为解决这一问题，来自罗马尼亚"Iuliu Ha?ieganu"医药大学的研究团队在《Innovative Food Science》发表了创新性研究，通过黑曲霉（Aspergillus niger）固态发酵技术，系统揭示了玉米须酚类成分和抗氧化活性的增强效应及其转化机制。

研究人员采用黑曲霉ATCC-6275菌株对玉米须进行10天固态发酵，主要技术方法包括：使用HPLC-DAD-ESI-MS（高效液相色谱-二极管阵列检测-电喷雾电离质谱联用）技术分析酚类成分变化；通过ABTS⁺、DPPH、FRAP和CUPRAC四种体外抗氧化测定方法评估抗氧化活性；采用HPLC-RID（高效液相色谱-示差折光检测器）监测单糖和有机酸动态变化；使用Folin-Ciocalteu法和AlCl₃法分别测定总酚含量(TPC)和总黄酮含量(TFC)。所有实验均设三组重复，数据采用GraphPad Prism 9软件进行统计学分析。

3.1. CS组成

研究首先分析了玉米须的基本化学成分，发现其水分含量为10.04%，灰分含量5.02g/100g fw，脂质含量2.24g/100g fw，蛋白质含量18.09g/100g fw，估算碳水化合物含量为64.61g/100g fw，其中还原糖(TRS)含量为0.87g/100g fw。这一组成特征表明玉米须是适合真菌生物转化的碳水化合物丰富基质。

3.2. SsF过程中的单糖谱

监测发酵过程中还原糖变化发现，初始TRS含量为43.87±0.52mg/g dw，在第6天降至最低点8.46±0.18mg/g dw，最终在第10天为17.63±0.32mg/g dw，降低约60%。个体糖分析显示，葡萄糖在第2天暂时增加至5.69±0.28mg/g dw（源于多糖降解），随后持续下降；果糖和木糖则被迅速消耗，分别在第8天和第6天后无法检测。这种消耗模式反映了黑曲霉复杂的碳代谢调控机制，不完全依赖于CreA介导的碳分解代谢抑制，而与膜转运蛋白活性和环境因素密切相关。

3.3. 有机酸生产

发酵过程中产生了三种有机酸：草酸在第2天达到峰值26.99±1.35mg/g dw后逐渐下降；柠檬酸从第4天开始检测，含量相对稳定（8.68-9.83mg/g dw）；苹果酸呈现双相生产特征，在第1天峰值6.92±0.35mg/g dw后下降，后期又略有回升。这些有机酸的产生与黑曲霉的糖代谢途径密切相关，草酸通过草酰乙酸水解酶催化合成，柠檬酸通过三羧酸循环中的柠檬酸合酶合成，苹果酸则通过还原性三羧酸循环分支途径产生。

3.4. SsF对CS酚类化合物的影响

3.4.1. TPC和TFC变化

发酵显著提高了酚类物质含量，TPC从初始3.03±0.39mg GAE/g dw增加至第10天的5.24±0.16mg GAE/g dw（增加73%）；TFC从1.85±0.04mg QE/g dw增至第9天的2.55±0.05mg QE/g dw（增加37%）。这种增加与黑曲霉丰富的酶系（纤维素酶、木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶等）对植物细胞壁的降解和结合酚的释放密切相关。

3.4.2. 个体酚类化合物变化

HPLC-DAD-ESI-MS分析鉴定出17种酚类化合物，主要包括黄酮和羟基肉桂酸两大类。研究发现三个显著变化：羟基肉桂酸衍生物显著积累，其中4-咖啡酰奎尼酸增加20倍（第9天达1226.20±61.31μg/g dw），5-芥子酰奎尼酸增加9倍，4-阿魏酰奎尼酸增加5倍；黄酮苷类被大量代谢，如梅辛(maysin)减少87%，芹菜素-7-O-葡萄糖苷、木犀草素-7-O-葡萄糖基鼠李糖苷等被完全水解；甲基化黄酮含量增加，如4′-羟基-6,7,3′-三甲氧基黄酮和甲氧基木犀草素显著增加。这些变化归因于黑曲霉产生的多种酶（β-葡萄糖苷酶、α-鼠李糖苷酶、阿魏酸酯酶、肉桂酸酯酶等）对糖苷键和酯键的水解作用，以及可能的O-甲基转移酶催化的甲基化反应。

3.5. SsF对抗氧化活性的影响

抗氧化活性测定显示，DPPH值从3.01±0.03mmol TE/g dw增至3.70±0.08mmol TE/g dw（增加23%）；ABTS值从147.53±3.50mmol TE/g dw增至221.45±0.25mmol TE/g dw（增加50%）；FRAP值从27.05±0.43mmol TE/g dw增至39.13±0.68mmol TE/g dw（增加44%）；而CUPRAC值保持稳定。这种抗氧化活性的增强与酚类化合物含量的增加直接相关，特别是羟基肉桂酸衍生物通过氢原子转移、单电子转移和金属离子螯合等多种机制发挥抗氧化作用。

研究结论表明，黑曲霉固态发酵能有效提升玉米须的酚类成分和抗氧化活性，主要通过其酶系（纤维素酶、木聚糖酶、阿魏酸酯酶等）降解细胞壁结构，释放结合态酚类化合物，同时通过糖苷酶水解黄酮苷释放苷元。发酵过程中羟基肉桂酸衍生物的显著增加（特别是咖啡酰奎尼酸、芥子酰奎尼酸和阿魏酰奎尼酸）是抗氧化活性增强的主要贡献者。这些发现为农业副产物的高值化利用提供了科学依据，支持将发酵玉米须开发为功能性食品、营养保健品和天然抗氧化剂来源，符合循环生物经济理念。该研究的创新点在于首次系统阐明了黑曲霉固态发酵对玉米须酚类成分的生物转化机制，揭示了真菌酶系对特定酚类化合物的转化规律，为类似农业副产物的生物加工提供了可借鉴的策略。