酵素食品加工微生物与功能特性研究进展

发布时间：2022-03-03

　　摘 要: 酵素食品是指以新鲜果蔬、谷物、菌菇或其他食用植物等为原料，经微生物发酵形成的，富含多种生物活性物质的功能产品。综述了酵素食品传统加工过程中主要微生物、优势微生物在发酵生产中的应用，并归纳了其消除自由基及预防心血管、肥胖等相关疾病的功能特性，旨在正确认识和理解酵素食品，促进酵素食品从传统方式向现代化加工转型。

　　关键词: 酵素食品; 主要微生物; 优势微生物; 功能特性

　　酵素食品是指以新鲜果蔬、谷物、菌菇或其他食用植物等为原料，经微生物发酵形成的，富含多种生物活性物质，如丰富的维生素、酶、多酚类化合物等的功能产品。目前，酵素食品加工以传统加工方式为主，其实质是自然发酵过程，在微生物的发酵作用下可产生多种酶、短链脂肪酸、醇、酯等次级代谢产物[1-2]，亦可能将原料的某些成分转化成高活性物质[3-4]，如发酵柚子汁中的类胡萝卜素[5]、糙米酵素中的 γ-氨基丁酸[6]。与 酒、醋、酱油等大众发酵产品相比，酵素食品的研究尚处于起步阶段，现有综述多侧重于简单介绍酵素食品的功能特性[7-8]，而对与之相关的微生物和功能物质少有报道。基于此，本文着重综述酵素食品加工中重要微生物和优势微生物在其可控发酵中的应用，并从物质角度诠释酵素食品的功能特性。

　　1 酵素食品传统加工过程中的微生物及其菌落变化

　　酵素食品本质上是一个复杂的多元发酵体系，其微生物主要来源于原料本身和加工环境，其中，部分微生物快速生长并成为加工体系的重要微生物。虽然酵素食品与传统发酵食品不同，但是传统食品体系仍是酵素食品微生物挖掘的重要来源。对这些传统发酵食品中的微生物进行研究是酵素食品开发应用的基础。杨芳[9]采用 PCR-DGGE ( 变性梯度凝胶电泳) 技术分析了 6 种自制酵素的微生物多样性，细菌群落结构相似度高达 60% 以上，其中优势细菌为乳杆菌、巴氏醋杆菌和多形拟杆菌，酵母群落结构相似性在 5. 9% ～ 74. 9%，优势酵母为毕赤酵母，少见伊萨酵母和 exigua 酿酒酵母。杜丽平等[10]发现木瓜酵素加工过程中微生物种类较为丰富，主要有植物乳杆菌、类肠膜明串珠菌、类肠膜魏斯氏菌、丙酸菌、酿酒酵母、假丝酵母、毕赤酵母、棒孢酵母和弗比恩毕赤酵母等，整个加工过程中微生物交替生长，其中，假肠膜明串珠菌、假丝酵母为发酵初期优势菌，植物乳杆菌、酿酒酵母和毕赤酵母为发酵全程优势菌。

　　世界各国学者对其传统发酵饮料也开展了许多微生物多样性研究。单位质量 ( 1 g) 的土耳其传统发酵饮料 Gilaburu 中乳酸菌和酵母菌数量的对数值分别在 3. 92 ～ 8. 44 和 5. 73 ～ 8. 97，其中，乳酸菌主要有乳杆菌和明串珠菌，植 物 乳 杆 菌 为 Gilaburu 的优势细菌[11]。Boza 中检测出乳 杆 菌、乳球菌、片球菌、明串珠菌、假丝酵母、有孢圆酵母、伊萨酵母、毕赤酵母、酿酒酵母、红酵母、隐球酵母等[12-14]。Shalgam 和 Hardaliye 中以乳酸菌为主，其中，植物乳杆菌、短乳杆菌、副干酪乳杆菌在 Shalgam 中占主导地位，干酪乳杆菌和副干酪乳杆 菌 在 Hardaliye 中 占 绝 对 优 势[14-15]。 LucenaPadrós 等[16]在研究西班牙风格绿色橄榄发酵中检测出 17 种以上细菌，主要为乳酸菌、马内杆菌和丙酸杆菌，整个发酵过程中乳酸菌属于优势菌群，由于前期发酵环境是碱性环境，因此，主要由嗜盐和碱化的乳酸细菌进行发酵，其他种类的乳酸菌在中后期才开始进行真正的乳酸发酵。Kombucha 是国际上研究较多的一类自然发酵饮料，在其菌膜和发酵液中发现了木醋杆菌、葡糖醋杆菌、醋化醋杆菌、巴氏醋杆菌等醋酸菌，以及接合酵母、假丝酵母、汉逊酵母、有孢圆酵母、毕赤酵母、酿酒酵母、酒香酵母、类酵母等酵母菌，同时检测到以保加利亚乳杆菌为主的乳酸菌，其中，木醋杆菌、葡糖醋杆菌和接合酵母被公认为红茶菌加工过程中的重要微生物[17-19]。

　　由此可见，酵素食品在传统加工过程中微生物种类繁多，其优势微生物主要集中在乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等，这些微生物之间此消彼长，对产品风味和活性物质形成起到重要作用。酵素食品加工过程中的微生物形成与原料、加工工艺、加工环境有着密切的关系。来源于原料的微生物在发酵前期占据主导地位，如葡萄表层存在大量的野生酵母菌，高糖环境有利于其快速生长，成为发酵体系的优势菌群[4]。同时，高糖环境也有利于乳酸菌生长繁殖，代谢生成乳酸，降低发酵体系的 pH 值，由此抑制其他微生物生长而成为优势菌群之一。随着发酵进程，酵母的代谢产物又提供了醋酸菌发酵的底物，醋酸菌从而得到生长。

　　2 优势微生物在酵素食品中的应用

　　近年来，食品研究者开始将优势微生物引入到酵素食品加工中。优势微生物的添加，可在酵素食品加工体系中快速构建出有益的微生物生态，抑制腐败菌、致病菌等杂菌的生长，同时可以通过生物转化作用形成高活性产物和风味物质。目前，常用的优势微生物有乳酸菌、酵母菌及其混合菌等。

　　乳酸菌是酵素食品中应用最广泛的益生菌发酵菌种。Kwaw 等[20-21]以桑葚汁为原料，利用植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌和副干酪乳杆菌等发酵制备得到桑葚酵素，发酵后桑葚汁颜色由深紫转成深红色，酚类物质含量由 6. 51 mg·mL-1 提高到 8. 34 mg· mL-1 ，DPPH ( 1，1-二苯基-2-三硝基苯肼) 自由基 清 除 能 力 从 59. 17% 提 高 至 73. 64%。Simsek 等[22]采用植物乳酸菌对番茄、胡萝卜、甜菜根、莴苣和辣椒等混合蔬菜汁进行发酵，发酵产品表现出较强的葡糖苷酶抑制作用和凝血活性，对血管紧张素转化酶抑制率增加了 2 ～ 8 倍，与胆酸结合能力为对照组 ( 未发酵蔬菜汁) 的 4. 3 倍，可减少对胃黏膜的损伤。利用植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和干酪乳杆菌发酵的接骨木果汁风味更加馥郁，芳香物质增加了 14 种，且总挥发性物质，包括醇类，萜类和 异 构 类 异 戊 二 烯、有 机 酸、酮 和 酯 浓 度增加[23]。

　　酵母菌亦被应用于酵素食品的加工。牛广财等[24-25]采用安琪干酵母加工糙米酵素，所得到的产品呈乳白色，气味醇香，酸甜适口，状态均匀，淀粉酶活性稳定。袁周率等[26]以紫米、蜂蜜、麦芽粉为原料，经安琪干酵母发酵后糙米酵素中蛋白质、维生素 B1、维生素 B2 和 γ-氨基丁酸含量均有增加，其中 γ-氨基丁酸经发酵后由 199 mg·kg-1 增加至 1 706 mg·kg-1 。赵丹等[27]利用葡萄酒酵母发酵灵芝发现，0. 05% ～0. 2%灵芝发酵液可有效促进成纤 维 细 胞 增 殖，对酪氨酸酶活性抑制 率 高达 73. 22%。

　　近年，科研工作者开始着重于多种优势微生物共同发酵生产酵素产品。如莫大美等[28]利用酵母菌、乳酸菌和醋酸菌的复合菌种发酵，研制出玫瑰酵素，产品具有玫瑰红色和玫瑰花味，酸甜适口，且 SOD ( 超氧化物歧化酶) 活性高。利用红茶菌发酵的产品非常多，如发酵蛇果汁能改善原本颜色和口感，增强抗氧化和抗菌性，产 生 丰 富 的 醋酸[29]。Kaprasob 等[30] 用 嗜 酸 乳 杆 菌、干 酪 乳 杆菌、植物乳杆菌、肠膜明串珠菌和长双歧杆菌等 5 种菌研制发酵腰果苹果汁，产品中 B 族维生素含量提高 23. 11%，虽然较单一乳酸菌发酵增幅有限，但混合菌发酵能充分利用蔗糖转化成低聚果糖。

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　　由此可见，乳酸菌、酵母菌、醋酸菌以及复合菌的引入可明显提高酵素食品的风味和功能特性。乳酸菌可降解原料中的不溶性膳食纤维形成可溶性膳食纤维[31-32]，并生成短链脂肪酸[33-34]，有助于结合态的多酚类物质和风味物质释放，同时代谢产物乳酸的形成也在一定程度上改变了产品风味。酵母菌可分泌丰富的蛋白酶、淀粉酶，增加酵素食品的营养价值，且发酵形成的乙醇可能进一步形成酯类物质，有利于风味物质改善[35-36]。醋酸菌的作用主要体现在形成醋酸，且可与低级醇发生酯化形成风味物质。

　　3 酵素食品的功能特性

　　酵素食品中含有丰富的营养成分和生物活性成分，由于加工原料和加工工艺的差异，其功能性质各具特点，但一般都具有抗氧化作用，且在心血管疾病、肥胖、肝损伤、糖尿病等疾病上具有一定的预防治疗效果，但相关机理尚未得到深入研究。

　　3. 1 消除自由基，抗氧化

　　目前，市场上酵素食品多表现出较强的抗氧化作用，这也是酵素食品的重要功能性质。柠檬汁酵素[37]、蓝 莓 酵 素[38]、石 榴 汁 酵 素[39]、灵 芝 酵素[27]等可明显清除 DPPH 自由基、ABTS ( 2，2'- 联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸) 自由基、超氧自由基、羟基自由基等。敖东酵素可降低 D-半乳糖氧化损伤小鼠中丙二醛和蛋白质羰基的含量，增加谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的含量，从而显著提高小鼠机体的抗氧化能力[40]。这主要是因为酵素食品，尤其是水果源酵素食品，多含有丰富的酚类物质[41]，且其加工过程中可能形成超氧化物岐化酶、谷胱甘肽过氧化物酶[7]。

　　3. 2 预防与心血管、肥胖相关的疾病

　　蔬菜源酵素食品含有丰富的不溶性膳食纤维，可降解形成可溶性膳食纤维或低聚糖，具有益生作用，通过调节结肠微生物生长达到降低血脂、体脂等效果。海 芦 笋 酵 素[42]、蓝 莓 酵 素[38]、蔬 菜 酵素[22]可抑制血管紧张素转化酶活性，从而降低心血管疾病的发生。Garcia-Diaz 等[43]发现，黑莓与蓝莓混合酵素可明显降低高脂肪喂养的小鼠体重和体脂含量，且脂肪量、附睾脂肪垫、平均脂肪细胞直径、血浆甘油三酯和胆固醇等含量亦降低，其中，大剂量组小鼠的肝脏肿大和增加脂质沉积等情况得到明显改善。Chiu 等[44]发现 44 名志愿者服用日本阿马托酶公司提供的酵素 8 周后，体重和体脂肪等参数明显降低，其中，总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇分别下降 5. 5 mg·dL-1 和 3. 85 mg·dL-1 。

　　3. 3 保护和修复肝脏

　　多数酵素食品含有多酚物质和抗氧化酶，表现出较强的抗氧化性，可降低导致肝细胞损失的氧化应激反应，从而起到保护和修复肝细胞的作用。奇魅植物酵素[45]和水果酵素[46]可降低血清中天冬氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶、谷草转氨酶等活性，提高肝脏中乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等活性，可预防和修复酒精对小鼠肝脏的急性损伤。Lin 等[47]发现，诺丽酵素降低了内质网应激相关基因表达、炎症性细胞因子、胶原积聚、基质金属蛋白酶活性，增加肝脏中金属蛋白酶组织抑制因子，同时提高了肝抗氧化能力，由此对抗由活性氧引起的肝脏炎症和肝纤维化等。

　　3. 4 减缓糖尿病

　　海芦笋、蔬菜酵素[22]等可明显抑制葡糖苷酶活性，提高机体的葡萄糖耐受性。Li 等[48] 报道，经植物乳杆菌 NCU116 发酵的胡萝卜原浆有助于调节 2 型糖尿病大鼠的血糖、荷尔蒙和脂类等物质代谢，增加结肠中短链脂肪酸含量，恢复胰腺、肾脏的抗氧化能力和形态，对低密度脂蛋白受体、胆固醇 7α-羟化酶、葡萄糖转运蛋白-4、过氧化物酶体增生物激活受体 α、过氧化物酶体增生物激活受体 γ 的 mRNA 可起上调作用。

　　4 小结

　　我国的发酵食品行业已取得了一定的发展，但是酵素食品仍发展滞后。目前，科研人员已经对发酵食品中的微生物做了大量的研究工作，但其微生物群落结构与功能并未得到全面分析，许多功能性食品微生物并未得到开发和应用。正确地理解食品加工和成熟过程中的微生物过程，进行可控发酵，既可以提高发酵效率，又能稳定产品质量，有助于深化酵素食品行业的技术改进。传统发酵工艺中，以高盐、高糖为特点的发酵体系虽然提高了产品的风味，但在提高抗氧化性和抑菌性等生理活性方面远不及酵素食品。酵素食品更符合现代人生活特点，酵素食品及其中功能性物质的变化和提取，为开发功能性食品提供了广阔空间。从物质角度深入阐释酵素食品的功能特性，既有利于消费者正确认识酵素食品，也有利于生产开发人员筛选出适宜的原料以开发高活性的酵素食品。——论文作者：沈燕飞1 ，聂小华1* ，孟祥河1 ，赵黎明2

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