基于Taguchi优化的椰枣渣提取物部分替代PDB用于猴头菇（Hericium erinaceus）与云芝（Trametes versicolor）液体深层培养菌丝体生物量及生物活性成分的可持续生产

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Date pomace valorization for sustainable mushroom mycelial biomass and bioactive compound production using Taguchi optimization

　　

摘要：椰枣渣（date pomace）是一种农工业副产物，具有作为药用蘑菇栽培养分来源的资源化潜力。研究人员优化了以椰枣渣提取物（date pomace extract, DPE）部分替代常规培养基的猴头菇（Hericium erinaceus，Lion’s Mane）和云芝（Trametes versicolor，Turkey Tail）液体深层菌丝体培养。方法：采用Taguchi L₂₇实验设计评价pH、温度、DPE:PDB比例、通气量和培养时间对菌丝体培养的影响。对所得菌丝体生物量的营养组成、生物活性化合物、抗氧化活性和傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）图谱进行评价，并与相应子实体比较。结果：在测试实验域内优化条件为pH 5.0、24 °C、DPE:PDB比例50:50、静置培养和培养5天。在这些条件下，H. erinaceus产生富含蛋白质的菌丝体生物量，而T. versicolor积累较高质量多糖并表现出更强抗氧化活性。T. versicolor还表现出更高的总酚（368.81 mg/100 g）和总黄酮（70.54 mg/100 g）含量，与其较低的DPPH（1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基）和ABTS（2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸自由基阳离子）IC₅₀值一致。FTIR分析证实两个物种中均存在特征性多糖和蛋白质相关官能团。优化菌丝体生物量保留了与相应子实体相当营养和生物活性特征，同时表现出显著更高蛋白质含量。讨论：研究结果表明，在液体深层培养中将DPE作为常规马铃薯葡萄糖肉汤（potato dextrose broth, PDB）的部分替代物具有可行性，同时可生产营养强化的药用蘑菇菌丝体生物量。该方法为椰枣渣资源化提供了有前景策略，并支持循环生物经济倡议和功能性蘑菇来源配料的可持续生产。

研究背景方面，猴头菇（Hericium erinaceus）和云芝（Trametes versicolor）具有神经保护、抗氧化、免疫调节和功能食品应用价值，但子实体商业生产周期较长、环境控制严格、成本较高；液体深层培养（submerged cultivation）可快速生产含生物活性成分的菌丝体，是功能配料和营养品生产的可扩展替代途径。然而，以农工业副产物作为药用蘑菇液体培养介质的研究相对较少。阿联酋椰枣加工产生大量椰枣渣，其富含碳水化合物、矿物和酚类物质，但利用率低。传统单因素优化（one-factor-at-a-time, OFAT）耗时且难以识别因素间交互作用，Taguchi法（田口法）可用较少实验同时评价多因素。因此，研究人员以椰枣渣提取物（date pomace extract, DPE）部分替代马铃薯葡萄糖肉汤（potato dextrose broth, PDB），优化H. erinaceus和T. versicolor液体深层培养，并评价优化菌丝体的营养与生物活性特征，且与相应子实体比较，以支持椰枣渣资源化和循环生物经济。

研究人员开展了Taguchi L₂₇正交设计优化，评价pH、温度、DPE:PDB比例、通气量和培养时间对两种真菌菌丝体干生物量的影响，并通过信噪比（signal-to-noise ratio, S/N）、方差分析（analysis of variance, ANOVA）、多元回归和验证实验确定优化条件；进一步分析菌丝体营养组成、矿物、酚类、黄酮、抗氧化活性及FTIR图谱，并与子实体比较。结论是pH 5.0、24 °C、DPE:PDB 50:50、静置培养和5天为测试域内优化条件；H. erinaceus产生富含蛋白质的菌丝体，T. versicolor积累更多多糖、酚类、黄酮并表现更强抗氧化活性；优化菌丝体保留与子实体相当营养和生物活性特征且蛋白质含量更高。其意义在于为椰枣渣增值、减少对常规商品培养基依赖及功能性蘑菇配料可持续生产提供策略。

主要关键技术方法：椰枣渣样品来自阿联酋阿布扎比当地椰枣加工企业的Khalas品种（Phoenix dactylifera L.）；H. erinaceus与T. versicolor纯培养来自阿布扎比Below Farm；子实体参考样来自阿联酋Al Ain的Al Foah物联网蘑菇栽培设施。采用热水提取制备DPE；以Taguchi L₂₇正交设计结合S/N比、ANOVA、多元回归及验证实验优化培养；测定干菌丝体生物量；采用FTIR和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma–mass spectrometry, ICP–MS）分析结构与矿物；采用Bradford法、苯酚–硫酸法、Folin–Ciocalteu法、AlCl₃比色法及DPPH/ABTS实验评价蛋白、多糖、总酚、总黄酮和抗氧化活性，并以Welch t检验比较菌丝体与子实体。

研究结果如下。3.1 椰枣渣提取物（DPE）组成：通过热水提取和组成分析，DPE含可溶性糖32.5 ± 4.2 g/100 g DW、总酚193 ± 10 mg GAE/100 g DW，钾最高，其次为钙、磷、镁、钠及微量铁、锌、铜、锰，说明其保留支持菌丝生长的糖、酚和矿物。3.2 菌丝生长培养基初步评价：通过7天静置培养比较PDB与DPE，二者均支持两种菌生长，DPE干生物量接近PDB（H. erinaceus 0.19 vs 0.21 g/50 mL；T. versicolor 0.26 vs 0.29 g/50 mL），无可见污染且pH变化小，DPE干生物量变异系数较低，支持其作为部分替代物。3.3.1 实验运行与生物量生产：通过27个Taguchi条件培养，干生物量差异明显；H. erinaceus最高0.614 g/50 mL（pH 5.0、27 °C、50:50、100 rpm、7天），T. versicolor最高0.591 g/50 mL（pH 5.0、24 °C、75:25、静置、3天）；两菌偏好pH 5.0、较低至中等温度和低通气，高pH、30 °C和200 rpm降低生物量，H. erinaceus耐100 rpm而T. versicolor以静置最佳。3.3.2 S/N比分析：通过“越大越好”S/N比计算，最高响应水平为pH 5.0、24–27 °C（H. erinaceus）或24 °C（T. versicolor）、50:50、静置、5天（H. erinaceus；T. versicolor时间差异小），指示两菌优化主效应。3.3.3 ANOVA与参数贡献：通过ANOVA和贡献率分析，回归模型显著（p < 0.001）；H. erinaceus温度影响最大（F = 34.86，贡献61.1%），其次DPE:PDB（9.9%）和pH（8.6%），通气与时间不显著；T. versicolor pH最大（F = 106.75，贡献53.8%），其次通气（16.6%）、温度（15.5%）、DPE:PDB（10.0%），时间不显著，表明物种特异性。3.3.4 回归建模与交互分析：通过回归模型及验证，R²为88.38%（H. erinaceus）和95.97%（T. versicolor），多数预测误差低于10%；验证条件pH 5.0、24 °C、50:50、静置、5天时预测与实测偏差为?3.42%和?1.93%；等高线显示低pH、较低温、静置和5天有利，因子效应以加性为主。3.4 菌丝体FTIR表征：通过FTIR分析，优化菌丝体显示O–H、C–H、酰胺I/II、羧酸盐、磷酸基及C–O–C/C–O等多糖和蛋白相关官能团；T. versicolor羟基/多糖区更强，H. erinaceus蛋白相关峰更强；FTIR不能特异区分β-葡聚糖。3.5 菌丝体矿物组成：通过ICP–MS分析，H. erinaceus钾（117 ± 17 mg/100 g DW）和磷（74.8 ± 9 mg/100 g DW）较高，T. versicolor镁（72.6 ± 4 mg/100 g DW）、钙（79.5 ± 9 mg/100 g DW）、铁（5.5 ± 0.6 mg/100 g DW）和锰（0.3 ± 0.03 mg/100 g DW）较高，锌和铜相近，表明物种特异性矿物积累。3.6.1 蛋白与总多糖：通过与子实体比较，菌丝体蛋白显著更高（H. erinaceus 42.5 ± 2.5% vs 24.0 ± 1.8%；T. versicolor 30.0 ± 2.5% vs 18.0 ± 2.8%，P < 0.05）；T. versicolor菌丝体多糖显著高于子实体（45.0 ± 5.0% vs 33.0 ± 4.2%），H. erinaceus无显著差异（38.7 ± 2.9% vs 35.5 ± 3.6%）。3.6.2 总酚与总黄酮：通过比色分析，H. erinaceus菌丝体总酚显著高于子实体（258.7 ± 18.0 vs 218.4 ± 14.0 mg GAE/100 g DW），T. versicolor无显著差异（368.8 ± 22.0 vs 356.3 ± 19.0 mg GAE/100 g DW）；两菌子实体总黄酮显著高于菌丝体（H. erinaceus 74.7 ± 5.8 vs 58.9 ± 7.0 mg QE/100 g DW；T. versicolor 98.4 ± 8.9 vs 70.5 ± 0.9 mg QE/100 g DW）。3.6.3 抗氧化活性：通过DPPH和ABTS实验，DPPH中两菌子实体IC₅₀显著低于菌丝体（H. erinaceus 210.0 ± 9.0 vs 268.6 ± 22.0 μg/mL；T. versicolor 144.0 ± 12.0 vs 185.9 ± 11.0 μg/mL），ABTS差异不显著；T. versicolor在两种实验中IC₅₀均低于H. erinaceus，抗氧化潜力更强。

讨论部分总结：DPE热水提取保留可溶性糖、酚类和矿物，但应视为所选提取条件下回收的部分而非椰枣渣完整组成；初步实验显示DPE可支持菌丝生长，重复实验中PDB变异较大，原初近零PDB结果不再用于支持DPE优于PDB的解释；Taguchi优化表明两菌在酸性pH、中等温度、50:50 DPE:PDB和静置条件下表现较好，H. erinaceus对温度更敏感，T. versicolor对pH和通气更敏感；优化条件下生物量较单独PDB对照提高约2.7倍（H. erinaceus）和2.1倍（T. versicolor），但应归因于五因素组合优化而非DPE单独替代；FTIR和矿物结果与组成差异一致；菌丝体蛋白更高，T. versicolor多糖和抗氧化更强，子实体黄酮更高，且培养前后酚谱未监测，不能判定菌丝体酚类来源；Taguchi主要解析主效应，未来可用响应面或全因子设计研究交互作用，DPE粘度亦未测定；总体支持DPE作为低成本培养基和循环生物经济策略。研究结论（翻译）：本研究优化了以DPE为可持续培养基的H. erinaceus和T. versicolor培养，通过Taguchi设计及回归建模识别pH、温度、培养基比例、通气量和培养时间等主要因素；Taguchi分析确定pH 5.0、24 °C、静置和5天为测试实验域内优化条件组成，50:50 DPE:PDB为测试替代水平中最佳；验证实验与预测生物量接近，确认模型稳健可靠；DPE单独可支持菌丝体生长且生物量接近常规PDB，表明其作为混合培养基中可持续部分替代物的适用性；优化条件下H. erinaceus产生富含蛋白质菌丝体，T. versicolor积累更高质量多糖、酚类、黄酮并表现更强抗氧化活性；与子实体比较，深层培养菌丝体保留相当营养和生物活性特征且蛋白含量更高，支持其作为功能性蘑菇配料替代来源；该研究说明无需子实体生产的严格环境控制、长周期或专门设施即可生产营养丰富菌丝体，同时保留许多理想特征；菌丝体生长快、适应液体系统、有效响应DPE等农业废弃物底物，是功能性生物量生产实用替代；DPE作为低成本培养基支持废物增值、减少商业底物依赖并符合循环经济原则；总体，Taguchi优化与椰枣渣资源化整合为生产高价值药用蘑菇菌丝体生物量提供可持续和可扩展策略，支持循环生物经济及功能性食品和营养品配料开发，尤其在干旱和资源有限地区。