蘭平，馬澤宇,葉柳青,BROSSE Nicolas,CHRUSCIEL Laurent

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037； 2.法國洛林大學科學與技術(shù)學院，南錫 54500 法國)

微生物降解葡萄皮單寧研究

蘭平1，馬澤宇1,葉柳青1,BROSSE Nicolas2,CHRUSCIEL Laurent2

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037； 2.法國洛林大學科學與技術(shù)學院，南錫 54500 法國)

為降低葡萄皮單寧的分子量和聚合度，選取青霉(Penicilliumsp.)和米曲霉(Aspergillusoryzae)為微生物菌株對葡萄皮單寧進行生物降解。以兒茶素的生成量和轉(zhuǎn)化率為指標，分析碳源、氮源、時間、溫度、pH和誘導培養(yǎng)基中單寧質(zhì)量濃度對降解效果的影響。結(jié)果表明：外加碳源和氮源有利于青霉和米曲霉菌株的生長；時間為葡萄皮單寧降解得到不同中間產(chǎn)物的關(guān)鍵參數(shù)；溫度、pH和葡萄皮單寧的質(zhì)量濃度對菌株活性和降解能力均有不同程度影響；青霉對葡萄皮單寧的降解效果好于米曲霉。青霉最佳降解條件：培養(yǎng)時間24 h，溫度28℃，pH 6.5，單寧質(zhì)量濃度12.5 g/L，兒茶素最大生成質(zhì)量濃度0.32 mg/mL，轉(zhuǎn)化率52.3%；米曲霉最佳降解條件：培養(yǎng)時間36 h，溫度28℃，pH 6.5，單寧質(zhì)量濃度10.0 g/L，兒茶素最大生成質(zhì)量濃度0.16 mg/mL，轉(zhuǎn)化率32.2%。因此，可通過生物降解法調(diào)控葡萄皮單寧的化學組成，適當降低單寧的分子量和聚合度。

葡萄皮單寧；兒茶素；青霉；米曲霉；微生物降解

植物單寧是一種天然多酚類物質(zhì)，分子量約為500～3 000 u，廣泛存在于植物的葉、莖和果實中，是一種重要的天然可再生資源。植物單寧按照結(jié)構(gòu)特征不同，可分為水解類單寧和凝縮類單寧[1-3]。植物單寧的利用與單寧種類相關(guān)，凝縮類單寧占世界單寧產(chǎn)量的90%，主要應用于皮革和膠黏劑樹脂行業(yè)。利用凝縮類單寧代替從石化產(chǎn)品衍生物中提取的酚類生產(chǎn)膠黏劑始于1970年，可用于制備單寧基膠黏劑和代替苯酚改性酚類樹脂膠黏劑[4-7]。

植物單寧的降解主要有化學降解和生物降解兩種。與化學降解相比，生物降解具有環(huán)保、安全、成本低、易操控等優(yōu)點。與水解類單寧相比，凝縮類單寧由于受本身結(jié)構(gòu)特點的影響，生物降解較水解類單寧困難。但研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)一些可降解凝縮類單寧的微生物，這類微生物主要為青霉(Penicillium)和曲霉(Aspergillus)中的某些種系，其中較常見的有黑曲霉(Aspergillusniger)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、阿達青霉(Penicilliumadametzii)、青霉(Penicilliumsp.)等，它們可將單寧降解轉(zhuǎn)化成生長需要的能量[8-13]。此外，由植物體內(nèi)植物單寧的生物合成途徑可知，植物體內(nèi)的凝縮類單寧由兒茶素或棓兒茶素等黃烷醇單體縮聚而成[14-16]。由此推斷，在凝縮類單寧的生物降解過程中，凝縮類單寧首先被微生物降解為黃烷醇單體，然后再進一步降解為酚類和酸類等小分子物質(zhì)。

葡萄皮渣為來源于葡萄酒加工行業(yè)的廢棄物，葡萄皮渣中單寧含量較高，約占葡萄皮的20%～30%。在前期研究工作中，采用亞硫酸鹽法從葡萄皮渣中提取單寧，研究結(jié)果表明，葡萄皮單寧主要由具有間苯三酚A環(huán)的原花青定和原翠雀定凝縮類單寧組成，部分原花青定結(jié)構(gòu)上含有葡萄糖基取代基和沒食子酸取代基，此種葡萄皮單寧提取物可用于制備單寧膠黏劑。但由于單寧的分子量大、聚合度高、黏度大等特點導致膠黏劑的膠合性能較差[17-18]。因此，本研究選取青霉和米曲霉為微生物菌株對葡萄皮單寧進行生物降解，以原花青定類單寧的單體兒茶素的生成量和轉(zhuǎn)化率為指標，分析不同碳源和氮源、時間、溫度、pH和葡萄皮單寧質(zhì)量濃度對青霉和米曲霉降解葡萄皮單寧的影響；采用生物降解法，通過控制降解條件，適當降低葡萄皮單寧的分子量和聚合度，以期在后續(xù)利用葡萄皮單寧制備單寧膠黏劑時，減少葡萄皮單寧在膠黏劑成膠縮聚反應中的空間位阻效應，增加交聯(lián)強度，提高單寧膠黏劑的成膠性能。

1 材料與方法

1.1 菌 種

青霉和米曲霉由本試驗誘變、篩選原始青霉和米曲霉菌株獲得，菌株在4℃條件下保存在蔗糖瓊脂斜面培養(yǎng)基上。

1.2 培養(yǎng)基

查氏培養(yǎng)基：NaNO33.0 g/L、MgSO4·7H2O 0.5 g/L、KCl 0.5 g/L、FeSO4·4H2O 0.01 g/L、K2HPO41.0 g/L、蔗糖30.0 g/L，121℃條件下滅菌20 min。

誘導培養(yǎng)基：在查氏培養(yǎng)基中，加入一定質(zhì)量濃度的葡萄皮單寧為誘導劑，在121℃條件下滅菌20 min。

1.3 葡萄皮栲膠制備

采用亞硫酸鹽法從葡萄皮渣中提取葡萄皮栲膠，以氫氧化鈉和亞硫酸鈉混合堿為提取劑，提取溫度為100℃，提取時間為120 min[18]。為提高葡萄皮栲膠中單寧的質(zhì)量分數(shù)，使用丙酮溶劑對葡萄皮栲膠進一步純化。稱取一定量葡萄皮栲膠，溶于3倍質(zhì)量的70%(體積分數(shù))丙酮水溶液中，超聲提取60 min，離心得上層清液，殘渣再用3倍質(zhì)量70%(體積分數(shù))丙酮水溶液提取，離心后合并清液，真空濃縮干燥，得到最終葡萄皮栲膠固體粉末。葡萄皮栲膠中的凝縮類單寧和兒茶素的質(zhì)量分數(shù)分別為56.8%和0.32%。

1.4 不同碳源和氮源對菌株生長的比較試驗

以查氏培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，分別添加質(zhì)量濃度為30.0 g/L的葡萄糖、乳糖和蔗糖為培養(yǎng)基的碳源，質(zhì)量濃度為3.0 g/L的硝酸鈉、硝酸鉀和蛋白胨為培養(yǎng)基的氮源，取5 mL 各菌株懸浮液分別接入誘導培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為10.0 g/L，取100 mL培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)pH為6.5，28℃、120 r/min搖床培養(yǎng)，每間隔6 h取1瓶測定生物量。生物量以菌體濕質(zhì)量計，每間隔6 h取一瓶培養(yǎng)液，離心20 min后測定菌體濕質(zhì)量，分析不同碳源和氮源對菌株生長的影響。

1.5 不同時間、溫度和pH對菌株降解單寧的比較試驗

以查氏培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，將5 mL菌株懸浮液分別接入誘導培養(yǎng)基中，培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為10.0 g/L，取100 mL培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基初始pH 6.5，28℃、120 r/min搖床培養(yǎng)，每隔6 h取樣測試培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度和兒茶素轉(zhuǎn)化率，分析培養(yǎng)時間對菌株降解單寧的影響。

取100 mL培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基初始pH為6.5，分別設(shè)定溫度為20，25，28，30，32和35℃，120 r/min搖床培養(yǎng)一段時間后，取樣測試培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度和兒茶素轉(zhuǎn)化率，分析溫度對菌株降解單寧的影響。

取100 mL培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH為5.5，6.0，6.5，7.0，7.5和8.0，28℃、120 r/min搖床培養(yǎng)一段時間后，取樣測試培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度和兒茶素轉(zhuǎn)化率，分析初始pH對菌株降解單寧的影響。

1.6 不同單寧質(zhì)量濃度對菌株降解單寧的比較試驗

以查氏培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，將各菌株5 mL 懸浮液分別接入誘導培養(yǎng)基中，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為5.0，7.5，10.0，12.5，15.0和17.5 g/L、取100 mL培養(yǎng)液，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基初始pH 6.5，28℃、120 r/min搖床培養(yǎng)一段時間后，取樣測試培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度和兒茶素轉(zhuǎn)化率，分析單寧質(zhì)量濃度對菌株降解單寧的影響。

1.7 單寧和兒茶素測定

采用香草醛分光光度計法測定葡萄皮栲膠中凝縮類單寧質(zhì)量分數(shù)[19-20]。配制一定質(zhì)量濃度的葡萄皮栲膠甲醇溶液，經(jīng)香草醛-鹽酸試劑顯色反應(50℃，20 min)后測其吸光度(A500)。

采用香草醛分光光度計和薄層色譜分離相結(jié)合方法測定葡萄皮栲膠和培養(yǎng)液中兒茶素含量[13,19]。以BAW(正丁醇∶乙酸∶水體積比為4∶1∶5)為展開劑，精確吸取50 μL葡萄皮栲膠待測樣品，在標準色譜紙(硅膠G60板)上點樣、展開和定位。以購買于Sigma 公司的兒茶素為標準樣品，配制一定質(zhì)量濃度的兒茶素標準樣品，在標準色譜紙上點樣、展開和定位。以兒茶素標準樣品在色譜紙上定位點為參照，用甲醇洗脫葡萄皮栲膠在色譜紙上展開定位后兒茶素樣品對應的點，經(jīng)香草醛-鹽酸試劑顯色反應后，測其吸光度(A500)。

以兒茶素標準樣品建立分光光度計法標準曲線，根據(jù)公式(1)計算葡萄皮栲膠中凝縮類單寧和兒茶素的質(zhì)量分數(shù)，根據(jù)公式(2)計算培養(yǎng)液中兒茶素的質(zhì)量濃度，根據(jù)公式(3)計算培養(yǎng)液中兒茶素的轉(zhuǎn)化率。

(1)

式中：C1為顯色后溶液的質(zhì)量濃度，mg/mL；V0為栲膠的溶液體積，mL；V1為點樣體積，mL；V2為顯色后溶液的體積，mL；M0為栲膠的質(zhì)量，mg。

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 碳源和氮源對菌株生長的影響

將加入不同碳源和氮源的誘導培養(yǎng)基在搖床上培養(yǎng)，測定不同培養(yǎng)時間的菌體濕質(zhì)量，選取菌體濕質(zhì)量達到最大值的培養(yǎng)時間，分析外加碳源和氮源對青霉和米曲霉菌株生長的影響。試驗結(jié)果表明，青霉的菌體濕質(zhì)量在培養(yǎng)12 h后穩(wěn)步上升，在36 h時達到最大值；米曲霉在培養(yǎng)12 h時菌體濕質(zhì)量達到最高值，隨后緩慢減少。因此，青霉以培養(yǎng)36 h的菌體濕質(zhì)量計，米曲霉以培養(yǎng)12 h的菌體濕質(zhì)量計。不同碳源對微菌株生長的影響如圖1所示。由圖1可見，當青霉和米曲霉菌株僅以葡萄皮單寧為碳源時，兩種菌株的菌體濕質(zhì)量均較低。當加入外加碳源后，菌體濕質(zhì)量明顯增加，以蔗糖為外加碳源時，菌體濕質(zhì)量最高。說明外加碳源有利于青霉和米曲霉菌株生長。不同氮源對微菌株生長的影響如圖2所示。由圖2可見，外加氮源也有利于菌體生長，在3種外加氮源中，蛋白胨的影響最大，其次為硝酸鈉，硝酸鉀的影響最弱?？紤]到蛋白胨成本較高，選擇硝酸鈉為氮源。

圖1 不同碳源對微生物菌株生長的影響Fig.1 Effect of carbon source on growth of microbial strains

圖2 不同氮源對微生物菌株生長的影響Fig.2 Effect of nitrogen source on growth of microbial strains

2.2 時間對菌株降解單寧的影響

培養(yǎng)時間對微生物降解葡萄皮單寧具有較重要影響，是單寧降解得到不同中間產(chǎn)物的關(guān)鍵參數(shù)。如降解時間不夠，單寧不能得到較好降解，仍以不同聚合度的黃烷醇類高聚物和低聚物存在；如降解時間過長，則降解成酚酸等小分子物質(zhì)。

培養(yǎng)液中兒茶素的質(zhì)量濃度隨時間的變化情況如圖3所示。由圖3可見，在初始培養(yǎng)階段，青霉和米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素的質(zhì)量濃度為負值，這是因為在初始階段，青霉和米曲霉菌株主要降解葡萄皮單寧栲膠中的非單寧類物質(zhì)和單寧中低分子量的黃烷醇單體，導致培養(yǎng)液中兒茶素的消耗量大于生成量。隨培養(yǎng)時間的延長，微生物開始降解單寧多聚體，兒茶素的生成量大于消耗量，兒茶素質(zhì)量濃度開始增加。此外，兒茶素質(zhì)量濃度在青霉和米曲霉培養(yǎng)液中增長情況不同。青霉培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度增長迅速，在24 h時青霉培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度達到最大值0.30 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為51.7%。米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度在36 h時達到最大值0.16 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為32.2%。這反映出青霉和米曲霉對葡萄皮單寧降解能力及它們對降解中間產(chǎn)物反饋抵制作用的適應能力不同，青霉菌株的適應能力強于米曲霉菌株。隨降解時間進一步延長，葡萄皮栲膠中單寧逐漸減少，同時部分兒茶素進一步降解為芳香族酸類和酚類等小分子物質(zhì)，因此培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度逐漸降低。

圖3 培養(yǎng)時間對兒茶素質(zhì)量濃度的影響Fig.3 Effect of incubation time on catechin mass concentration

2.3 溫度和pH對菌株降解單寧的影響

培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)基初始pH會影響微生物菌株對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及代謝反應中生物酶的活性，從而對培養(yǎng)過程中底物降解和產(chǎn)物生成產(chǎn)生影響。選取青霉和米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素的質(zhì)量濃度達到最大值的培養(yǎng)時間(青霉培養(yǎng)24 h，米曲霉培養(yǎng)36 h)，比較在此培養(yǎng)時間條件下不同溫度和初始pH對青霉和米曲霉降解葡萄皮單寧影響(圖4和5)。結(jié)果表明，培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)基初始pH 對青霉和米曲霉降解葡萄皮單寧具有較大影響。由圖4可以看出，當溫度較低或較高時，不利于青霉和米曲霉菌株生長，酶的活性較低，培養(yǎng)基中兒茶素的生成量低。青霉和米曲霉較適宜的培養(yǎng)溫度為28℃，此時兒茶素質(zhì)量濃度達到最大值。其中，青霉培養(yǎng)基中兒茶素質(zhì)量濃度為0.28 mg/mL，兒茶素轉(zhuǎn)化率為47.4%；米曲霉培養(yǎng)基中兒茶素質(zhì)量濃度為0.14 mg/mL，兒茶素轉(zhuǎn)化率為30.4%。由圖5可以看出，pH偏低或偏高均不利于青霉和米曲霉對葡萄皮單寧的降解。青霉菌株在pH為6.0～6.5時，兒茶素質(zhì)量濃度較高，pH為6.5時達到最大值，為0.27 mg/mL，兒茶素轉(zhuǎn)化率為46.0%。米曲霉菌株在pH為6.5～7.0時，兒茶素質(zhì)量濃度較高，pH為6.5時達到最大值，為0.13 mg/mL，兒茶素轉(zhuǎn)化率為30.8%。

圖4 培養(yǎng)溫度對兒茶素質(zhì)量濃度的影響Fig.4 Effect of incubation temperature on catechin mass concentration

圖5 培養(yǎng)pH對兒茶素質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Effect of incubation pH on catechin mass concentration

2.4 單寧質(zhì)量濃度對菌株降解單寧的影響

誘導培養(yǎng)基中葡萄皮單寧的質(zhì)量濃度對兒茶素生成量和轉(zhuǎn)化率具有一定影響。選取青霉和米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素的質(zhì)量濃度達到最大值的培養(yǎng)時間(青霉培養(yǎng)24 h，米曲霉培養(yǎng)36 h)，比較在此培養(yǎng)時間條件下不同質(zhì)量濃度的葡萄皮單寧對青霉和米曲霉降解單寧的影響(圖6)。由圖6可以看出，當培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度較低時，兒茶素生成量隨單寧質(zhì)量濃度的增加而升高，當添加的葡萄皮單寧達到一定質(zhì)量濃度后，兒茶素生成量隨單寧質(zhì)量濃度增加而下降。這是因為培養(yǎng)液中單寧質(zhì)量濃度較高時，青霉和米曲霉的生長代謝會受到抑制作用，從而影響菌株的活性和降解能力。在青霉培養(yǎng)基中，葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為12.5 mg/mL時，兒茶素的質(zhì)量濃度達到最大值0.32 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為52.3%。在米曲霉培養(yǎng)基中，葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為10.0 mg/mL時，兒茶素質(zhì)量濃度達到最大值0.12 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為29.6%。

圖6 葡萄皮單寧質(zhì)量濃度對兒茶素質(zhì)量濃度的影響Fig.6 Effect of grape pomace tannins mass concentration on catechin mass concentration

3 結(jié) 論

選擇青霉和米曲霉為微生物菌株對葡萄皮單寧進行生物降解，研究不同降解工藝參數(shù)對降解效果的影響。研究結(jié)果表明：

1)外加碳源和氮源有利于青霉和米曲霉菌株的生長，較合適的碳源和氮源分別為蔗糖和硝酸鈉。

2)培養(yǎng)時間是葡萄皮單寧降解得到不同中間產(chǎn)物的關(guān)鍵參數(shù)。在青霉培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度在24 h時達到最大值0.30 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為51.7%。在米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素質(zhì)量濃度在36 h時達到最大值0.16 mg/mL，此時兒茶素轉(zhuǎn)化率為32.2%。

3)溫度、pH和葡萄皮單寧質(zhì)量濃度對青霉和米曲霉菌株活性和單寧降解能力均有不同程度影響。較適宜的培養(yǎng)溫度為28℃，pH為6.5，青霉培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為12.5 mg/mL，米曲霉培養(yǎng)基中葡萄皮單寧質(zhì)量濃度為10.0 mg/mL，此時青霉和米曲霉培養(yǎng)液中兒茶素生成量達到最大值。

在合適的降解條件下，可采用生物降解法將葡萄皮單寧中的多聚體降解成低聚體和單體，從而降低葡萄皮單寧的分子量和聚合度。但筆者僅對生物降解的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并未對生物降解過程中葡萄皮單寧的化學組成與結(jié)構(gòu)變化進行研究。在今后的研究工作中，將借助一些分析技術(shù)研究生物降解過程中單寧的化學組成與結(jié)構(gòu)變化情況，分析葡萄皮單寧的生物降解途徑。

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Microbial degradation of grape pomace tannins

LAN Ping1,MA Zeyu1,YE Liuqing1,BROSSE Nicolas2,CHRUSCIEL Laurent2

(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China; 2.Faculté des Sciences et Techniques,Université de Lorraine,Nancy 54500,France)

In this paper,Penicilliumsp.andAspergillusoryzaewere selected as biological strains to degrade grape pomace tannins to reduce its molecular weight and polymerization.The conversion and yield of catechin were chosen as index.The effects of carbon source,nitrogen source,culture time,culture temperature,pH and mass concentration of the tannins on the degradation of the tannins were studied.The results show that adding carbon and nitrogen sources is beneficial to the growth of microorganism strains.The incubation time is a key parameter influencing the intermediate degradation products of the condensed tannins.The incubation temperature,pH and mass concentration of the tannins have different effects on the activity and degradation ability of the strains.The degradation ability ofP.sp.strain is better thanA.oryzaestrain.The optimal degradation condition ofP.sp.strains is that the mass concentration of the tannins in induced medium is 12.5 g/L;the pH is 6.5;and the strains is cultured in shaking table at 28℃ for 24 h.The maximum mass concentration of the catechin is 0.32 mg/mL,and the maximum conversion is 52.3%.The optimal degradation condition ofA.oryzaestrains is that the mass concentration of the tannins in induced medium is 10.0 g/L;the pH is 6.5;and the strains is cultured in shaking table at 28℃ for 36 h.The maximum mass concentration of the catechin is 0.16 mg/mL,and the maximum conversion is 32.2%.It is possible to control the chemical composition of the grape pomace tannins and decrease its molecular weight and polymerization by microbial degradation method.

grape pomace tannins;catechin;P.sp.;A.oryzae;microbial degradation

TQ929

A

2096-1359(2017)05-0058-06

2017-01-19

2017-03-08

國家自然科學基金 (31400502，31470590，31500483)；2015年江蘇省雙創(chuàng)博士資助項目；南京林業(yè)大學大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(2015SJCX011)。

蘭平,女,博士,研究方向為木質(zhì)復合材料與木材膠黏劑。E-mail:nfu.lanping@163.com