冠突曲霉固态发酵提升赶黄草风味品质的系统性评价与代谢组学解析

《Food Chemistry: X》：Enhancing the flavor quality of Penthorum chinense Pursh through Aspergillus fermentation

　　

本研究系统评估了三种真菌菌株——冠突曲霉（Aspergillus cristatus）、米曲霉（Aspergillus oryzae）和紫红曲霉（Monascus purpureus）——在不同发酵时间下对赶黄草（Penthorum chinense Pursh）叶片品质的影响。结果表明，冠突曲霉发酵9天（G-D9）的综合表现最优，能够较好地保留多酚和黄酮等生物活性成分，同时显著降解水解单宁。该处理组的抗氧化能力（DPPH清除率89.76%，ABTS+清除率92.15%）和乙醇脱氢酶（ADH）活性均达到峰值，综合主成分分析（PCA）得分在所有处理组中最高。感官评价显示，冠突曲霉发酵提升了鲜味和甜味氨基酸（如γ-氨基丁酸、天冬氨酸、丙氨酸）的含量，同时降低了苦味氨基酸（如色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）的水平。非靶向代谢组学揭示了发酵后苯系物类化合物显著富集，而苯丙素类和聚酮类化合物的比例下降，其中异丹酚酸C和3-O-咖啡酰莽草酸的含量分别增加了1024倍和916倍。挥发性代谢物分析表明，发酵增加了醇类、酯类等与果香和甜香相关的化合物，减少了萜烯类等刺激性气味物质，使整体香气特征从青草涩感转向甜润醇厚。电子舌和电子鼻分析进一步证实了发酵对滋味和风味的系统性重塑。综上，冠突曲霉固态发酵是一种有效改善赶黄草感官品质和功能活性的加工策略，为其在功能性食品中的应用提供了科学依据。

一、研究背景与目的

赶黄草（Penthorum chinense Pursh）是一种富含多酚和黄酮类生物活性物质的多年生草本植物，具有保肝、降血糖、抗炎等多种功效，并于2020年被列入中国新食品原料名录。目前，赶黄草的产品开发主要集中在叶茶、茎茶、袋泡茶和解酒饮料等形式，但这些产品普遍存在强烈的青草味和涩味，导致市场接受度低、占有率有限。微生物发酵已被证明是改善药食同源植物品质的有效策略，可通过微生物酶系将大分子难吸收物质转化为小分子易吸收形态，同时调节肠道菌群、增强生物活性。然而，不同真菌菌株在同一发酵体系下的比较研究仍十分有限，特别是对于赶黄草而言，尚不清楚哪种真菌菌株和发酵周期能够在保留活性成分的同时最有效地改善其风味品质。为此，研究人员选取了三株具有代表性发酵特性的真菌——冠突曲霉（Aspergillus cristatus）、米曲霉（Aspergillus oryzae）和紫红曲霉（Monascus purpureus），系统比较它们在不同发酵时间下对赶黄草活性成分、抗氧化能力、乙醇脱氢酶（ADH）活性及感官品质的影响，并通过代谢组学和挥发物分析揭示其风味转变机制。

二、主要技术方法

研究人员采用固态发酵方式，将三株真菌孢子悬液（浓度1.0×10⁶孢子/mL）接种于灭菌后的赶黄草叶片基质中，在28℃、相对湿度约40%条件下分别发酵3、6、9、12天。材料采集自四川省古蔺县，经四川师范大学生命科学学院马丹炜教授鉴定。研究使用了以下关键技术：Folin-Ciocalteu法测定总酚含量（TPC）、NaNO₂-Al(NO₃)₃-NaOH比色法测定总黄酮含量（TFC）、香草醛-盐酸法测定总原花青素含量（TPAC）、Folin-Denis法测定总单宁含量（TTC）；DPPH、ABTS⁺和FRAP三种方法评价抗氧化活性；商业试剂盒测定ADH活性；高效液相色谱（HPLC）测定游离氨基酸和单体酚类化合物；HS-SPME-GC-MS进行挥发性代谢物广靶分析；超高效液相色谱-四极杆静电场轨道阱质谱（UPLC-Q Exactive HFX）进行非靶向代谢组学分析；电子舌（TS-5000Z）和电子鼻（PEN3）进行滋味和气味客观评价；感官评价由13名经过培训的消费者评价员（18-60岁，6男7女）完成。

三、研究结果

3.1 冠突曲霉发酵9天在成分、功能和感官评价中综合表现最佳

通过测定不同发酵时间点的活性成分变化发现，冠突曲霉在保留多酚和黄酮方面优于其他两株真菌，总酚含量稳定在18.76-20.12 mg GAE/g，总黄酮在第6天回升至峰值14.89 mg RE/g DW。米曲霉导致酚类物质持续下降，降解作用最强。所有真菌处理均显著降低了水解单宁含量。在抗氧化和ADH活性方面，冠突曲霉发酵9天呈现同步高峰，DPPH清除率达89.76%，ABTS⁺清除率达92.15%，显著优于其他菌株。感官评价中，冠突曲霉发酵9天的滋味得分最高（28.83分），归因于糖苷水解和类胡萝卜素降解产生的特征香气。综合主成分分析（PCA）显示，冠突曲霉发酵9天的综合得分为1.2965，在所有处理中最高。

3.2 冠突曲霉发酵重新平衡了赶黄草的滋味相关代谢物谱，增强了鲜味和甜味

游离氨基酸分析显示，发酵后鲜味氨基酸（天冬氨酸增加5.4倍、丙氨酸增加6.5倍、γ-氨基丁酸增加10倍）和甜味氨基酸（羟脯氨酸、丝氨酸）显著升高，而苦味氨基酸（色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）显著降低。非靶向代谢组学共注释到985种代谢物，主成分分析清晰区分了发酵组与对照组。发酵后苯系物类化合物的相对含量和比例显著增加，这源于复杂苯丙素类化合物（如黄酮苷）被冠突曲霉降解为结构更简单的风味感知物质。单体酚定量分析显示，除没食子酸、阿福豆苷、紫云英苷和山奈酚外，大多数酚类化合物在发酵后下降，这有助于降低涩味。电子舌分析表明，发酵显著改变了所有八个滋味指标（P<0.001），鲜味（9.80 vs. 8.43）和丰富度（5.30 vs. 4.26）显著提高。加权基因共表达网络分析（WGCNA）显示，99个差异代谢物与滋味属性强烈关联，主要为苯系物类、脂类和苯丙素类及聚酮类化合物。

3.3 赶黄草发酵前后挥发性代谢物分析

GC-MS共检测到1622种挥发性化合物，分属15个化学类别。发酵后，醇类（尤其是多元醇和芳香醇）含量显著增加，赋予甜味和醇厚感；酯类物质增多带来果香；单萜和倍半萜等刺激性气味物质减少，使香气更加柔和；长链烷烃等低气味强度化合物显著增加，作为"定香剂"延长了香气持久性。电子鼻结果显示，发酵后氮氧化物传感器（R2）响应显著降低，硫化物和芳香族化合物传感器（R7、R9）响应显著升高，表明发酵主要改变了含硫化合物和氮氧化物的水平。WGCNA分析显示，485个差异代谢物与电子鼻传感器响应强烈关联，涵盖酸类、醇类、酯类、杂环化合物、萜类、酮类等多个类别。

四、讨论与结论

研究表明，冠突曲霉固态发酵9天是改善赶黄草感官品质和功能活性的最优方案。该处理在保留较高水平生物活性成分的同时，实现了抗氧化能力和ADH活性的协同增强，并在综合PCA评分中排名第一。发酵通过增加鲜味和甜味氨基酸、减少苦味氨基酸、降解复杂酚类化合物、富集苯系物类风味物质，以及优化挥发性代谢物组成（增加醇酯类果香甜香物质、减少萜烯类刺激性物质），系统性地将赶黄草的风味从"青草涩感"转变为"甜润醇厚"。值得注意的是，发酵后茶黄素含量增加84倍、鸢尾苷元增加59倍，这些物质具有潜在的保肝和抗癌活性。结论指出，冠突曲霉固态发酵是一种调控赶黄草感官和功能品质的有前景的方法，为其在功能性食品加工中的应用提供了基础。未来研究应进一步阐明风味形成的关键生化途径，建立发酵参数与最终产品质量之间的关系，并进行菌株特异性安全评估、目标霉菌毒素监测以及卫生条件和关键工艺参数的验证，以支持冠突曲霉发酵赶黄草产品的安全可控开发。