酵素食品加工微生物與功能特性研究進(jìn)展

沈燕飛，聶小華*，孟祥河，趙黎明

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310014； 2.華東理工大學(xué) 生物工程學(xué)院，上海 200237)

酵素食品是指以新鮮果蔬、谷物、菌菇或其他食用植物等為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵形成的，富含多種生物活性物質(zhì)，如豐富的維生素、酶、多酚類化合物等的功能產(chǎn)品。目前，酵素食品加工以傳統(tǒng)加工方式為主，其實(shí)質(zhì)是自然發(fā)酵過程，在微生物的發(fā)酵作用下可產(chǎn)生多種酶、短鏈脂肪酸、醇、酯等次級(jí)代謝產(chǎn)物[1-2]，亦可能將原料的某些成分轉(zhuǎn)化成高活性物質(zhì)[3-4]，如發(fā)酵柚子汁中的類胡蘿卜素[5]、糙米酵素中的γ-氨基丁酸[6]。與酒、醋、醬油等大眾發(fā)酵產(chǎn)品相比，酵素食品的研究尚處于起步階段，現(xiàn)有綜述多側(cè)重于簡(jiǎn)單介紹酵素食品的功能特性[7-8]，而對(duì)與之相關(guān)的微生物和功能物質(zhì)少有報(bào)道?；诖?，本文著重綜述酵素食品加工中重要微生物和優(yōu)勢(shì)微生物在其可控發(fā)酵中的應(yīng)用，并從物質(zhì)角度詮釋酵素食品的功能特性。

1 酵素食品傳統(tǒng)加工過程中的微生物及其菌落變化

酵素食品本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的多元發(fā)酵體系，其微生物主要來源于原料本身和加工環(huán)境，其中，部分微生物快速生長(zhǎng)并成為加工體系的重要微生物。雖然酵素食品與傳統(tǒng)發(fā)酵食品不同，但是傳統(tǒng)食品體系仍是酵素食品微生物挖掘的重要來源。對(duì)這些傳統(tǒng)發(fā)酵食品中的微生物進(jìn)行研究是酵素食品開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)。楊芳[9]采用PCR-DGGE(變性梯度凝膠電泳)技術(shù)分析了6種自制酵素的微生物多樣性，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似度高達(dá)60%以上，其中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為乳桿菌、巴氏醋桿菌和多形擬桿菌，酵母群落結(jié)構(gòu)相似性在5.9%～74.9%，優(yōu)勢(shì)酵母為畢赤酵母，少見伊薩酵母和exigua釀酒酵母。杜麗平等[10]發(fā)現(xiàn)木瓜酵素加工過程中微生物種類較為豐富，主要有植物乳桿菌、類腸膜明串珠菌、類腸膜魏斯氏菌、丙酸菌、釀酒酵母、假絲酵母、畢赤酵母、棒孢酵母和弗比恩畢赤酵母等，整個(gè)加工過程中微生物交替生長(zhǎng)，其中，假腸膜明串珠菌、假絲酵母為發(fā)酵初期優(yōu)勢(shì)菌，植物乳桿菌、釀酒酵母和畢赤酵母為發(fā)酵全程優(yōu)勢(shì)菌。

世界各國(guó)學(xué)者對(duì)其傳統(tǒng)發(fā)酵飲料也開展了許多微生物多樣性研究。單位質(zhì)量(1 g)的土耳其傳統(tǒng)發(fā)酵飲料Gilaburu中乳酸菌和酵母菌數(shù)量的對(duì)數(shù)值分別在3.92～8.44和5.73～8.97，其中，乳酸菌主要有乳桿菌和明串珠菌，植物乳桿菌為Gilaburu的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌[11]。Boza中檢測(cè)出乳桿菌、乳球菌、片球菌、明串珠菌、假絲酵母、有孢圓酵母、伊薩酵母、畢赤酵母、釀酒酵母、紅酵母、隱球酵母等[12-14]。Shalgam和Hardaliye中以乳酸菌為主，其中，植物乳桿菌、短乳桿菌、副干酪乳桿菌在Shalgam中占主導(dǎo)地位，干酪乳桿菌和副干酪乳桿菌在Hardaliye中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[14-15]。Lucena-Padrós等[16]在研究西班牙風(fēng)格綠色橄欖發(fā)酵中檢測(cè)出17種以上細(xì)菌，主要為乳酸菌、馬內(nèi)桿菌和丙酸桿菌，整個(gè)發(fā)酵過程中乳酸菌屬于優(yōu)勢(shì)菌群，由于前期發(fā)酵環(huán)境是堿性環(huán)境，因此，主要由嗜鹽和堿化的乳酸細(xì)菌進(jìn)行發(fā)酵，其他種類的乳酸菌在中后期才開始進(jìn)行真正的乳酸發(fā)酵。Kombucha是國(guó)際上研究較多的一類自然發(fā)酵飲料，在其菌膜和發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)了木醋桿菌、葡糖醋桿菌、醋化醋桿菌、巴氏醋桿菌等醋酸菌，以及接合酵母、假絲酵母、漢遜酵母、有孢圓酵母、畢赤酵母、釀酒酵母、酒香酵母、類酵母等酵母菌，同時(shí)檢測(cè)到以保加利亞乳桿菌為主的乳酸菌，其中，木醋桿菌、葡糖醋桿菌和接合酵母被公認(rèn)為紅茶菌加工過程中的重要微生物[17-19]。

由此可見，酵素食品在傳統(tǒng)加工過程中微生物種類繁多，其優(yōu)勢(shì)微生物主要集中在乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等，這些微生物之間此消彼長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味和活性物質(zhì)形成起到重要作用。酵素食品加工過程中的微生物形成與原料、加工工藝、加工環(huán)境有著密切的關(guān)系。來源于原料的微生物在發(fā)酵前期占據(jù)主導(dǎo)地位，如葡萄表層存在大量的野生酵母菌，高糖環(huán)境有利于其快速生長(zhǎng)，成為發(fā)酵體系的優(yōu)勢(shì)菌群[4]。同時(shí)，高糖環(huán)境也有利于乳酸菌生長(zhǎng)繁殖，代謝生成乳酸，降低發(fā)酵體系的pH值，由此抑制其他微生物生長(zhǎng)而成為優(yōu)勢(shì)菌群之一。隨著發(fā)酵進(jìn)程，酵母的代謝產(chǎn)物又提供了醋酸菌發(fā)酵的底物，醋酸菌從而得到生長(zhǎng)。

2 優(yōu)勢(shì)微生物在酵素食品中的應(yīng)用

近年來，食品研究者開始將優(yōu)勢(shì)微生物引入到酵素食品加工中。優(yōu)勢(shì)微生物的添加，可在酵素食品加工體系中快速構(gòu)建出有益的微生物生態(tài)，抑制腐敗菌、致病菌等雜菌的生長(zhǎng)，同時(shí)可以通過生物轉(zhuǎn)化作用形成高活性產(chǎn)物和風(fēng)味物質(zhì)。目前，常用的優(yōu)勢(shì)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應(yīng)用最廣泛的益生菌發(fā)酵菌種。Kwaw等[20-21]以桑葚汁為原料，利用植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌和副干酪乳桿菌等發(fā)酵制備得到桑葚酵素，發(fā)酵后桑葚汁顏色由深紫轉(zhuǎn)成深紅色，酚類物質(zhì)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)自由基清除能力從59.17%提高至73.64%。Simsek等[22]采用植物乳酸菌對(duì)番茄、胡蘿卜、甜菜根、萵苣和辣椒等混合蔬菜汁進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)品表現(xiàn)出較強(qiáng)的葡糖苷酶抑制作用和凝血活性，對(duì)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制率增加了2～8倍，與膽酸結(jié)合能力為對(duì)照組(未發(fā)酵蔬菜汁)的4.3倍，可減少對(duì)胃黏膜的損傷。利用植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和干酪乳桿菌發(fā)酵的接骨木果汁風(fēng)味更加馥郁，芳香物質(zhì)增加了14種，且總揮發(fā)性物質(zhì)，包括醇類，萜類和異構(gòu)類異戊二烯、有機(jī)酸、酮和酯濃度增加[23]。

酵母菌亦被應(yīng)用于酵素食品的加工。牛廣財(cái)?shù)萚24-25]采用安琪干酵母加工糙米酵素，所得到的產(chǎn)品呈乳白色，氣味醇香，酸甜適口，狀態(tài)均勻，淀粉酶活性穩(wěn)定。袁周率等[26]以紫米、蜂蜜、麥芽粉為原料，經(jīng)安琪干酵母發(fā)酵后糙米酵素中蛋白質(zhì)、維生素B1、維生素B2和γ-氨基丁酸含量均有增加，其中γ-氨基丁酸經(jīng)發(fā)酵后由199 mg·kg-1增加至1 706 mg·kg-1。趙丹等[27]利用葡萄酒酵母發(fā)酵靈芝發(fā)現(xiàn)，0.05%～0.2%靈芝發(fā)酵液可有效促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖，對(duì)酪氨酸酶活性抑制率高達(dá)73.22%。

近年，科研工作者開始著重于多種優(yōu)勢(shì)微生物共同發(fā)酵生產(chǎn)酵素產(chǎn)品。如莫大美等[28]利用酵母菌、乳酸菌和醋酸菌的復(fù)合菌種發(fā)酵，研制出玫瑰酵素，產(chǎn)品具有玫瑰紅色和玫瑰花味，酸甜適口，且SOD(超氧化物歧化酶)活性高。利用紅茶菌發(fā)酵的產(chǎn)品非常多，如發(fā)酵蛇果汁能改善原本顏色和口感，增強(qiáng)抗氧化和抗菌性，產(chǎn)生豐富的醋酸[29]。Kaprasob等[30]用嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、腸膜明串珠菌和長(zhǎng)雙歧桿菌等5種菌研制發(fā)酵腰果蘋果汁，產(chǎn)品中B族維生素含量提高23.11%，雖然較單一乳酸菌發(fā)酵增幅有限，但混合菌發(fā)酵能充分利用蔗糖轉(zhuǎn)化成低聚果糖。

由此可見，乳酸菌、酵母菌、醋酸菌以及復(fù)合菌的引入可明顯提高酵素食品的風(fēng)味和功能特性。乳酸菌可降解原料中的不溶性膳食纖維形成可溶性膳食纖維[31-32]，并生成短鏈脂肪酸[33-34]，有助于結(jié)合態(tài)的多酚類物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)釋放，同時(shí)代謝產(chǎn)物乳酸的形成也在一定程度上改變了產(chǎn)品風(fēng)味。酵母菌可分泌豐富的蛋白酶、淀粉酶，增加酵素食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，且發(fā)酵形成的乙醇可能進(jìn)一步形成酯類物質(zhì)，有利于風(fēng)味物質(zhì)改善[35-36]。醋酸菌的作用主要體現(xiàn)在形成醋酸，且可與低級(jí)醇發(fā)生酯化形成風(fēng)味物質(zhì)。

3 酵素食品的功能特性

酵素食品中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和生物活性成分，由于加工原料和加工工藝的差異，其功能性質(zhì)各具特點(diǎn)，但一般都具有抗氧化作用，且在心血管疾病、肥胖、肝損傷、糖尿病等疾病上具有一定的預(yù)防治療效果，但相關(guān)機(jī)理尚未得到深入研究。

3.1 消除自由基，抗氧化

目前，市場(chǎng)上酵素食品多表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化作用，這也是酵素食品的重要功能性質(zhì)。檸檬汁酵素[37]、藍(lán)莓酵素[38]、石榴汁酵素[39]、靈芝酵素[27]等可明顯清除DPPH自由基、ABTS(2,2'-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)自由基、超氧自由基、羥基自由基等。敖東酵素可降低D-半乳糖氧化損傷小鼠中丙二醛和蛋白質(zhì)羰基的含量，增加谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的含量，從而顯著提高小鼠機(jī)體的抗氧化能力[40]。這主要是因?yàn)榻退厥称?，尤其是水果源酵素食品，多含有豐富的酚類物質(zhì)[41]，且其加工過程中可能形成超氧化物岐化酶、谷胱甘肽過氧化物酶[7]。

3.2 預(yù)防與心血管、肥胖相關(guān)的疾病

蔬菜源酵素食品含有豐富的不溶性膳食纖維，可降解形成可溶性膳食纖維或低聚糖，具有益生作用，通過調(diào)節(jié)結(jié)腸微生物生長(zhǎng)達(dá)到降低血脂、體脂等效果。海蘆筍酵素[42]、藍(lán)莓酵素[38]、蔬菜酵素[22]可抑制血管緊張素轉(zhuǎn)化酶活性，從而降低心血管疾病的發(fā)生。Garcia-Diaz等[43]發(fā)現(xiàn)，黑莓與藍(lán)莓混合酵素可明顯降低高脂肪喂養(yǎng)的小鼠體重和體脂含量，且脂肪量、附睪脂肪墊、平均脂肪細(xì)胞直徑、血漿甘油三酯和膽固醇等含量亦降低，其中，大劑量組小鼠的肝臟腫大和增加脂質(zhì)沉積等情況得到明顯改善。Chiu等[44]發(fā)現(xiàn)44名志愿者服用日本阿馬托酶公司提供的酵素8周后，體重和體脂肪等參數(shù)明顯降低，其中，總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇分別下降5.5 mg·dL-1和3.85 mg·dL-1。

3.3 保護(hù)和修復(fù)肝臟

多數(shù)酵素食品含有多酚物質(zhì)和抗氧化酶，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化性，可降低導(dǎo)致肝細(xì)胞損失的氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而起到保護(hù)和修復(fù)肝細(xì)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轉(zhuǎn)移酶、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶等活性，提高肝臟中乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等活性，可預(yù)防和修復(fù)酒精對(duì)小鼠肝臟的急性損傷。Lin等[47]發(fā)現(xiàn)，諾麗酵素降低了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)基因表達(dá)、炎癥性細(xì)胞因子、膠原積聚、基質(zhì)金屬蛋白酶活性，增加肝臟中金屬蛋白酶組織抑制因子，同時(shí)提高了肝抗氧化能力，由此對(duì)抗由活性氧引起的肝臟炎癥和肝纖維化等。

3.4 減緩糖尿病

海蘆筍、蔬菜酵素[22]等可明顯抑制葡糖苷酶活性，提高機(jī)體的葡萄糖耐受性。Li等[48]報(bào)道，經(jīng)植物乳桿菌NCU116發(fā)酵的胡蘿卜原漿有助于調(diào)節(jié)2型糖尿病大鼠的血糖、荷爾蒙和脂類等物質(zhì)代謝，增加結(jié)腸中短鏈脂肪酸含量，恢復(fù)胰腺、腎臟的抗氧化能力和形態(tài)，對(duì)低密度脂蛋白受體、膽固醇7α-羥化酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4、過氧化物酶體增生物激活受體α、過氧化物酶體增生物激活受體γ的mRNA可起上調(diào)作用。

4 小結(jié)

我國(guó)的發(fā)酵食品行業(yè)已取得了一定的發(fā)展，但是酵素食品仍發(fā)展滯后。目前，科研人員已經(jīng)對(duì)發(fā)酵食品中的微生物做了大量的研究工作，但其微生物群落結(jié)構(gòu)與功能并未得到全面分析，許多功能性食品微生物并未得到開發(fā)和應(yīng)用。正確地理解食品加工和成熟過程中的微生物過程，進(jìn)行可控發(fā)酵，既可以提高發(fā)酵效率，又能穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，有助于深化酵素食品行業(yè)的技術(shù)改進(jìn)。傳統(tǒng)發(fā)酵工藝中，以高鹽、高糖為特點(diǎn)的發(fā)酵體系雖然提高了產(chǎn)品的風(fēng)味，但在提高抗氧化性和抑菌性等生理活性方面遠(yuǎn)不及酵素食品。酵素食品更符合現(xiàn)代人生活特點(diǎn)，酵素食品及其中功能性物質(zhì)的變化和提取，為開發(fā)功能性食品提供了廣闊空間。從物質(zhì)角度深入闡釋酵素食品的功能特性，既有利于消費(fèi)者正確認(rèn)識(shí)酵素食品，也有利于生產(chǎn)開發(fā)人員篩選出適宜的原料以開發(fā)高活性的酵素食品。