開菲爾的生物學(xué)特性與活性功能研究進展

林碧敏，葛春玉，曾滿枝，何 敬，賴 婷

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實驗教學(xué)中心，廣東廣州 510642)

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開菲爾的生物學(xué)特性與活性功能研究進展

林碧敏，葛春玉，曾滿枝，何 敬，賴 婷

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)公共基礎(chǔ)課實驗教學(xué)中心，廣東廣州 510642)

摘要開菲爾是一種傳統(tǒng)的酒精發(fā)酵乳飲料，具有特殊的營養(yǎng)價值與保健功效，許多學(xué)者對其活性功能和作用進行過研究。就開菲爾粒的生物學(xué)特性、特殊構(gòu)成與功能的多樣性以及開菲爾中的抗菌物質(zhì)及其活性功能進行綜述，為開菲爾的深入研究與開發(fā)利用提供參考。

關(guān)鍵詞開菲爾；生物學(xué)特性；活性功能

Research Advances on Kefir’s Biological Characteristics and Activities

LIN Bi-min, GE Chun-yu, ZENG Man-zhi et al(Center of Experimental Teaching for Common Basic Courses, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 510642)

AbstractAs a traditional alcoholic fermented milk beverage, Kefir has superior nutritional value and health benefits. Biological properties and activities have been studied by many researchers. In this research, we reviewed the diversity of special formation and function, the biological characteristics of Kefir grains, the antibacterial material and activated function of antibacterial materials, which provides references for the development, utilization and in-depth research of Kefir.

Key wordsKefir; Biological characteristics; Biological activities

開菲爾(Kefir)作為一種傳統(tǒng)的發(fā)酵乳飲料，在國內(nèi)外有悠久的飲用歷史，它具有特殊的營養(yǎng)價值與保健功效，深受人們的喜愛。國內(nèi)外的學(xué)者、專家對其組成、活性功能及作用進行過許多研究，發(fā)現(xiàn)作為釀制開菲爾的發(fā)酵劑——開菲爾粒(Kefir Grains,KG)，能使開菲爾酸奶比普通酸奶營養(yǎng)更豐富、更易于消化，它的構(gòu)成菌所分泌的許多發(fā)酵產(chǎn)物有生理保健功能，具有調(diào)節(jié)循環(huán)和呼吸系統(tǒng)功能、改善消化機能、提高鈣的吸收利用等作用，尤其是開菲爾具有的抗氧化、降血壓、降膽固醇、抗腫瘤等生理保健功能，已使其成為近年開發(fā)研究的熱點。同時也發(fā)現(xiàn)，開菲爾能分泌細菌素、抗菌肽、溶菌酶等天然抗菌物質(zhì)，在食品工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)都非常值得開發(fā)利用。

1開菲爾的起源及營養(yǎng)功效

開菲爾是一種傳統(tǒng)酒精發(fā)酵乳飲料，是以牛乳或山羊乳為原料，加入含有乳酸菌和酵母菌的開菲爾粒發(fā)酵劑，經(jīng)發(fā)酵釀制而成[1]。它與傳統(tǒng)的酸乳或用其他純種乳酸菌發(fā)酵劑所制成的產(chǎn)品相比較，最顯著的特征是除乳酸發(fā)酵外，還伴有輕微的由酵母菌引起的酒精發(fā)酵，是一種集酸味、醇味于一體的發(fā)酵乳制品。開菲爾起源于俄羅斯北高加索地區(qū)，在古時當(dāng)?shù)氐纳皆滥撩駥⑴Ｈ榛蛏窖蛉樽⑷胙蚱た诖?jīng)自然發(fā)酵生產(chǎn)酸乳酒，其殘留物再補加牛乳或山羊乳繼續(xù)發(fā)酵，經(jīng)長期發(fā)酵后在皮口袋中形成不規(guī)則顆粒狀物體，即為開菲爾粒。此后人們便直接將開菲爾粒添加到牛乳中，使之發(fā)酵而生成具有爽快酸味和起泡性的酒精性保健飲料。根據(jù)相關(guān)的研究報道，開菲爾發(fā)酵及成熟過程中，有益菌群會將牛乳中的乳糖大部分水解為對人體有益的L(+)-乳酸，所以開菲爾含有容易被消化吸收的乳蛋白質(zhì)和乳脂肪，對人體具有較高的營養(yǎng)價值[2]。開菲爾等發(fā)酵奶中非蛋白質(zhì)氮以及游離氨基酸的含量比普通牛奶多，游離氨基酸有脯氨酸、亮氨酸、賴氨酸、鳥氨酸、組氨酸等；碳水化合物豐富，主要有乳糖、半乳糖、葡萄糖以及微生物發(fā)酵產(chǎn)生的多糖；維生素主要有B族維生素，如B1、B2、B6、B12以及葉酸等，并有多種人體必需的礦物元素，如鈣、鎂、鉀、磷、鐵等，營養(yǎng)豐富，長期飲用后保健功效明顯[3]。由于開菲爾有著特殊的營養(yǎng)和保健功能，對胃腸道疾病、便秘、代謝異常疾病、高血壓、貧血、心臟病、肥胖癥均有一定療效，早在前蘇聯(lián)、西亞、南亞、東歐、北歐等地流行，最近在美國、加拿大以及日本等國也有越來越多的人飲用開菲爾，我國的東北、內(nèi)蒙古、新疆和西藏地區(qū)人民，都有飲用開菲爾的歷史，并把它稱為牛奶酒、酸牛奶酒、奶酒、馬奶子飲料、“西藏靈菇”等[4]。開菲爾是以牛奶為原料的發(fā)酵食品，它不但具有牛奶所含有的全部營養(yǎng)素，而且由于多種益生菌的相互作用使其營養(yǎng)比原乳有了更大的提高，是營養(yǎng)豐富、易于消化的保健食品。

2開菲爾粒概述

開菲爾粒，是由多種乳酸菌、酵母菌等微生物經(jīng)強烈的相互作用而形成的特殊粒狀結(jié)構(gòu)，其外形不規(guī)則，多數(shù)呈花椰菜狀，也有少量的薄片狀和旋渦狀或紙卷樣等結(jié)構(gòu)，表面卷曲，不平整或高度扭曲[5]，直徑大多在1~15 mm不等，最高可達20 mm以上，多為白色或淡黃色且富有彈性，主要成分是水、黏性多糖、少量蛋白質(zhì)、脂質(zhì)[6]，其比例約為890～900 g/kg水、2 g/kg脂類、30 g/kg蛋白質(zhì)、60 g/kg糖類和7 g/kg礦物質(zhì)[7]。開菲爾粒不溶于水，具有膠黏性，在乳中呈膠胨狀的膨脹體。具有活性的開菲爾粒可浮在乳的表面生長、分裂并將其特性傳給下一代以產(chǎn)生新粒，當(dāng)其生長擴大時，數(shù)量的增加是依賴于原粒的分裂，粒由小變大，進而形成菌塊[8]。菌塊中約有50%的成分是由乳酸菌自身代謝向胞外分泌并蓄積的黏性多糖構(gòu)成，它可作為微生物固定化的支撐體或棲息的多糖基質(zhì)。前蘇聯(lián)、日本、德國的科學(xué)工作者，從20世紀(jì)初就開始研究開菲爾粒，但至今也沒有仿制成功，雖然許多國家也有工業(yè)化生產(chǎn)的開菲爾問世，其口感和作用也與傳統(tǒng)開菲爾基本相似，但仍不能形成開菲爾粒。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，在沒有原粒的條件下人們還無法合成新的開菲爾粒[9]。開菲爾粒是一個微生物的共生體系，不同來源的開菲爾粒是有差別的，但在微生物的組成種類上，主要含有乳球菌、乳桿菌、鏈球菌、明串珠菌[10-11]、酵母菌和醋酸菌等[12]。細菌中最多的是開菲爾乳桿菌(Lactobacilluskefir)、植物乳桿菌(L.plantarum)、醋化醋桿菌(Acetobacteraceti)[13]；酵母主要有乳酒假絲酵母(Candidakefir)和釀酒酵母(Saccharomycescerevisiace)[14]。周劍忠等對開菲爾粒和西藏靈菇中細菌和酵母的群落結(jié)構(gòu)進行了比較分析[15]，認為西藏靈菇和開菲爾粒形態(tài)相似，都是乳白色、膠質(zhì)狀的塊狀物，上面都棲息著多種微生物，序列比對顯示，開菲爾粒和西藏靈菇中細菌的16S rDNA的V3區(qū)序列，與乳酸菌16S rDNA 序列十分接近，其中最亮條帶的序列與乳酸乳球菌的相似性為100%，其他共性條帶所對應(yīng)的為開菲爾囊乳桿菌、腸膜明串珠菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌。酵母的26S rDNA 的D1區(qū)序列分析表明，開菲爾粒和西藏靈菇中存在單孢酵母和假絲酵母。由此認為，開菲爾粒和西藏靈菇同屬一個品系。

已有的研究表明，開菲爾粒是一個復(fù)雜的微生物體系，棲息著大量的益生菌，不同來源的開菲爾粒，由于其微生物的菌相和含量的差異，作為發(fā)酵劑制成的開菲爾，有著各自的風(fēng)味特點和保健功能。因此，對開菲爾粒的活性功能進行更深層次的研究，將其抗菌物質(zhì)在食品添加劑[16]、保健食品[17]等領(lǐng)域加以利用，其市場前景廣闊。

3開菲爾粒的特殊構(gòu)成及功能的多樣性

開菲爾粒是以數(shù)種細菌與真菌共生為基礎(chǔ)，并由各自分泌的產(chǎn)物混合交織在一起而形成的菌塊，其特殊構(gòu)成形成了功能的多樣性。目前雖然已經(jīng)了解到構(gòu)成菌的主要類型，但哪幾種菌是開菲爾粒在構(gòu)成上不可缺少的，或不影響作為開菲爾發(fā)酵劑功能的菌種還未明確。如開菲爾粒中有大量產(chǎn)生多糖的菌相存在，使得制品中一些葡萄糖、半乳糖等單糖參與多糖合成；開菲爾中的蛋白降解，在發(fā)酵的初期，微生物會大量利用游離氨基酸，脯氨酸、亮氨酸、賴氨酸、鳥氨酸、組氨酸顯著增加，但不清楚是何種菌或哪幾種菌共同作用的結(jié)果。此外，在開菲爾粒的菌塊中還會含有很多分類學(xué)尚難以確定的菌種，因此，開菲爾粒在構(gòu)成上具有復(fù)雜性，在功能上具有多樣性。

3.1細菌的功能作用已知的構(gòu)成菌中，各種細菌發(fā)揮著不同的功能作用[2，18]。乳球菌屬(Lactococcus)是開菲爾粒中含量最多、最具活力的一部分，最適生長溫度在30～35 ℃，在發(fā)酵初期的數(shù)小時內(nèi)能使乳糖按非氧化途徑生產(chǎn)乳酸，迅速提高乳制品的酸度，當(dāng)酸度達到115°T時被抑制。乳桿菌屬(Lactobacillus)，在開菲爾粒中以短桿菌為主，最適生長溫度為37～42 ℃，產(chǎn)酸能力較強，分解蛋白質(zhì)生成氨基酸，使牛乳變黏稠。明串珠菌屬(Leuconostoc)，最適生長溫度為20～30 ℃，能利用蔗糖合成大量莢膜葡聚糖，產(chǎn)生多量的B族維生素。醋酸菌類，在代謝時可合成維生素B2與B5，有維持開菲爾粒的菌相平衡和共生作用，同時還有提高開菲爾黏度的作用。

3.2酵母菌的功能作用在開菲爾粒中分布著包括乳糖發(fā)酵型和乳糖非發(fā)酵型的酵母菌，它在發(fā)酵中合成維生素B1、B2和B12，給開菲爾乳帶來醇味、酯香和二氧化碳，使開菲爾具有碳酸飲料般的爽口感，但酵母菌不能過量，否則會產(chǎn)生大量的二氧化碳、乙醇和酵母臭而影響產(chǎn)品的風(fēng)味[19]。若利用酵母菌和乳酸菌混合發(fā)酵，能有效提高牛奶中脂肪的降解率，但若比例不合適，也會抑制發(fā)酵乳中芳香物質(zhì)的產(chǎn)生[20]。

3.3菌體自身代謝產(chǎn)物的抗菌活性功能在開菲爾粒的微生物類群中，已知有些細菌在生長代謝過程中，能分泌抗菌物質(zhì)到胞外，如乳酸菌分泌的抗菌物質(zhì)對腸道病原菌有抑制作用。Ryan等從開菲爾粒中分離出的乳酸菌株(LactococcuslactisDPC3147)，能產(chǎn)生一種具有廣譜抗菌特性的細菌素，這種細菌素即使在加熱條件下也具有良好的抗菌活性，熱穩(wěn)定性強[21]。王穎等從開菲爾粒中分離獲得一株卵球狀球菌，該菌株產(chǎn)生細菌素，它不僅可以抑制革蘭氏陽性菌，對一些革蘭氏陰性菌如大腸桿菌、志賀(氏)痢疾桿菌、銅綠假單胞菌以及惡臭假單胞菌均有較強的抑制作用[22]。

3.4微生物類群的共生與相互作用開菲爾粒的獨特微生物組成，賦予了其許多獨特的活性功能，它們相互之間存在的共生關(guān)系，使得其在分解蛋白胨生成維生素時，乳酸菌被酵母菌和醋酸菌激活，而只有在乳酸菌存在時，乳糖非發(fā)酵型酵母和醋酸菌才能生長。乳酸菌通過作用于乳糖產(chǎn)生乳酸，為酵母菌和醋酸菌生長提供了良好的生長環(huán)境。由乳酸桿菌占壓倒優(yōu)勢的菌相所形成的開菲爾粒，發(fā)酵后的酸乳因產(chǎn)酸弱而不能作為發(fā)酵劑使用；相反，由乳酸鏈球菌占優(yōu)勢的菌相所形成的開菲爾粒，發(fā)酵后的酸乳可以作為發(fā)酵劑使用，制造開菲爾。

可見，開菲爾的營養(yǎng)品質(zhì)、口感風(fēng)味、保健功效，取決于開菲爾粒的功能，而構(gòu)成開菲爾粒的微生物類型，其生物活性又決定著開菲爾粒的發(fā)酵功能。

4開菲爾中的抗菌活性物質(zhì)

開菲爾有如此多的功能作用，這與開菲爾粒發(fā)酵劑的特殊構(gòu)成密不可分，開菲爾在發(fā)酵成熟過程中，數(shù)種細菌與真菌共同作用，尤其是乳酸菌、酵母菌，它們在生長代謝的過程中，各自將代謝產(chǎn)物分泌到開菲爾中，使得發(fā)酵乳集聚了許多目前還不清楚的抗菌素、抗菌肽類物質(zhì)，從而形成了對某些疾病有療效的功能物質(zhì)，如已知的乳酸菌所生成的Nisin等抗菌物質(zhì)，既有保鮮又有抗菌活性功效。同時，乳中的益生菌，當(dāng)它定居于人體腸道內(nèi)，成為腸道優(yōu)勢菌，又能起到抑制病原菌及腸道寄生菌的侵入增殖，所以，開菲爾除了具有一般酸奶的營養(yǎng)價值外，它還具有明顯的保健作用。

4.1從開菲爾粒中分離出產(chǎn)抗菌肽類物質(zhì)的菌株開菲爾中的抗菌物質(zhì)，來自其構(gòu)成菌的分泌產(chǎn)物。Ryan等從開菲爾粒中分離出的乳酸菌LactococcuslactisDPC3147就是一種能產(chǎn)具有廣譜抗菌性的細菌素[21]。王志博等從來自開菲爾顆粒的250株乳酸菌中，經(jīng)分離篩選出一株具有較好抑菌活性的、命名為L11的乳酸乳球菌菌株，該菌株發(fā)酵上清液對金黃色葡萄球菌等有抑菌活性，屬于類細菌素[23]。許女等從西藏開菲爾粒中分離出一株植物乳桿菌MA2，該菌株在pH 2.0、膽鹽濃度為0.3%的環(huán)境中具有較好的耐受能力，經(jīng)動物試驗證明，植物乳桿菌MA2有調(diào)節(jié)大鼠腸道菌群的作用，顯著促進了雙歧桿菌和乳酸菌的生長，調(diào)節(jié)了腸道菌群的平衡，是一株潛在的、具有實際應(yīng)用價值的益生菌[24]。

根據(jù)目前的研究報道，不少乳酸類細菌可以產(chǎn)生很多種抑菌活性物質(zhì)，如羊毛硫抗生素、大分子熱不穩(wěn)定蛋白、小分子穩(wěn)定的多肽類物質(zhì)等[25]。有報道稱，開菲爾中莢膜多糖有抑制腫瘤的活性[26]。

4.2從開菲爾上清液中分離出抗菌活性物質(zhì)開菲爾中具有的抗菌活性物質(zhì)，目前雖有研究報道，但還不太清楚具體屬于哪種物質(zhì)。黃曼曼等用水提法提取西藏開菲爾中的抑菌活性成分，研究結(jié)果表明，開菲爾中的提取物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌、黃曲霉及啤酒酵母均有明顯的抑制效果，與尼生素相比，抑菌效果相當(dāng)，抑菌譜更廣；提取物在酸性和中性條件下抑菌活性穩(wěn)定，而在堿性條件下抑菌活性減弱，且具有較好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性[27]。該抗菌物質(zhì)后經(jīng)郭浩賢用茚三酮顯色法、基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜、核磁共振波譜儀以及X射線衍射儀等方法進行結(jié)構(gòu)鑒定，確定為蛋白類物質(zhì)[28]；F3的分子量為452，是一個小分子的多肽，推斷其由1個酪氨酸、1個異亮氨酸和2個磷酸根基團組成。Simova等通過分離、純化的技術(shù)方法從開菲爾中得到有高效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌等微生物的小分子多肽[29]。

4.3開菲爾中抗菌物質(zhì)的活性功能關(guān)于開菲爾中抗菌物質(zhì)的活性功能，Liu等以小鼠為動物模型，讓接種肉瘤180腫瘤細胞的小鼠口服開菲爾，分析開菲爾對小鼠體內(nèi)腫瘤生長情況的影響，結(jié)果表明，開菲爾對腫瘤的生長抑制率達64.8%，小鼠體內(nèi)apoptotic腫瘤細胞發(fā)生裂解[30]。李永奇的研究認為，西藏靈菇奶(西藏稱開菲爾為藏靈菇奶)對治療慢性腸道疾病有一定的調(diào)節(jié)作用[31]。陶應(yīng)龍等的試驗表明，服用藏靈菇培養(yǎng)液對高脂血癥患者血脂中的膽固醇有一定的降低作用[32]。Sarkar等報道，開菲爾提取物對傷口愈合的作用大于新霉素[33]。Diniz等的研究表明，開菲爾發(fā)酵乳具有抑制炎癥發(fā)生的作用[34]。在消化保健方面，薄芯等的研究發(fā)現(xiàn)，西藏開菲爾發(fā)酵奶可提高小鼠腸道消化系統(tǒng)功能，增強體質(zhì)[35]。在降低膽固醇方面，冉冉等以高脂大鼠為模型，研究藏靈菇源酸奶復(fù)合菌發(fā)酵劑發(fā)酵乳的降膽固醇功能，結(jié)果表明，藏靈菇源脫脂酸奶復(fù)合菌發(fā)酵劑有明顯降低試驗大鼠膽固醇的作用，藏靈菇源高產(chǎn)膽鹽水解酶的乳酸菌作為一種預(yù)防和治療動脈粥樣硬化的功能性菌株，在開發(fā)降血清膽固醇功能性發(fā)酵乳制品方面具有利用價值[36]。

開菲爾中的乳酸菌含量多，根據(jù)徐致遠的研究，乳酸菌具有調(diào)整并平衡胃腸道的微生態(tài)環(huán)境的作用[37]：首先，乳酸菌可以產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，如細菌素、類細菌素、過氧化氫、乳酸、乙酸等，能抑制腸道內(nèi)有害菌的繁殖、代謝，進而起到調(diào)節(jié)腸道菌群的作用；其次是有黏附功能，乳酸菌表面有能與腸黏膜細胞牢固結(jié)合的特異性物質(zhì)，如磷脂壁酸、肽聚糖或細胞表層蛋白等，這些物質(zhì)使乳酸菌黏附在腸道上皮上，構(gòu)成了腸道定殖抗力，從而可以起到阻止病原菌的定殖和入侵的作用；另外，具有營養(yǎng)物質(zhì)競爭的機制，在營養(yǎng)物質(zhì)有限的情況下，乳酸菌可以通過其優(yōu)勢生長，競爭性消耗潛在致病菌的營養(yǎng)素，改善并決定腸道菌群的分布。王春敏等的研究報道，藏靈菇酸奶有調(diào)整人體面部皮膚的微生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)作用，對尋常性痤瘡也有一定的治療功效[38]。Shigeru 等研究表明，開菲爾中含有1，2甘油二酯，它能去除壓力激素對免疫應(yīng)答系統(tǒng)的抑制作用，同時它含有的脂質(zhì)能消除皮質(zhì)醇對人體的不良影響[39]，從開菲爾粒中分離得到的L.kaf iranofasiensGKL[40]分泌的莢膜多糖也能降低人體皮質(zhì)醇和去甲腎上腺素的分泌量。

5結(jié)語

開菲爾粒是由一個復(fù)雜的微生物體系所構(gòu)成，棲息著多種類的細菌和真菌，用它發(fā)酵釀制出的開菲爾，營養(yǎng)豐富，含有大量的益生菌、抗菌素、抗菌肽類物質(zhì)，有特殊的風(fēng)味特點和保健功能。目前對開菲爾的研究多集中在生產(chǎn)工藝的條件研究以及開菲爾的菌相構(gòu)成上，對它的保健功能的機理研究較少，開菲爾中的抗菌活性物質(zhì)源自何種菌類，尚不明確，合成或分泌的機制也不清楚。為此，深入研究、挖掘開菲爾中的各種抗菌活性物質(zhì)，查明其活性功能是非常必要且有重大利用價值的研究課題。

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收稿日期2015-11-30

作者簡介林碧敏(1980- )，女，廣東清新人，實驗師，碩士，從事食品科學(xué)研究。

中圖分類號TS 252.54

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)03-102-04