微生物發(fā)酵處理藥食同源植物研究進(jìn)展

李宇邦, 吳軍林,2*, 李曼莎

1.廣東環(huán)凱微生物科技有限公司, 廣州 510663；2.廣東省微生物研究所, 廣州 510070

藥食同源植物是指兼具日常營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和臨床藥用價(jià)值的植物，涵括中醫(yī)學(xué)的食療和藥膳。我國(guó)古代本草著作對(duì)藥食同源植物進(jìn)行了詳細(xì)記載，如《黃帝內(nèi)經(jīng)》中的“藥以祛之，食以隨之”和《備急千金要方》中的“夫?yàn)獒t(yī)者，當(dāng)須先洞曉病源，知其所犯，以食治之”均表明了大眾有著注重從飲食中尋求養(yǎng)生的傳統(tǒng)，可見藥食同源植物自古以來(lái)就深受喜愛，被廣泛用于日常飲食之中。

微生物發(fā)酵是指在適宜條件下利用微生物的分解作用，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為更易于被人體吸收、利用的產(chǎn)物的過程。通過微生物生長(zhǎng)代謝活動(dòng)促進(jìn)活性成分分離，從而產(chǎn)生新的功效，增強(qiáng)藥用價(jià)值，促進(jìn)機(jī)體對(duì)其的吸收利用[1,2]。早在4 000年前，微生物發(fā)酵開始被用于釀酒、醬、醋、豆豉等食品的制作[3,4]，后被廣泛用于利用苦杏仁和赤小豆等藥食同源植物制備六神曲、紅曲、淡豆豉[5]，現(xiàn)在逐漸開始應(yīng)用于功能性食品的開發(fā)[6]。

本文通過對(duì)微生物發(fā)酵的常用菌種、作用機(jī)理和特點(diǎn)、技術(shù)進(jìn)展及其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用做一綜述，并對(duì)今后微生物發(fā)酵藥食同源植物的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為微生物發(fā)酵處理藥食同源植物產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)。

1 微生物發(fā)酵常用菌種

我國(guó)衛(wèi)生部組織制定的《可用于食品的菌種名單》規(guī)定可以用于食品的菌種有29種，包括雙歧桿菌屬6種、乳桿菌屬14種、乳球菌屬3種、片球菌屬2種、費(fèi)氏丙酸桿菌謝氏亞種、腸膜明串珠菌腸膜亞種、馬克斯克魯維酵母和嗜熱鏈球菌[7]。目前常用于藥食同源植物發(fā)酵的有8種(表1)，主要以雙歧桿菌和乳桿菌為主，其中，雙歧桿菌是由Tissier于1899年從健康的母乳兒糞便中分離出來(lái)的[16]，為革蘭氏陽(yáng)性多形態(tài)細(xì)長(zhǎng)桿菌，屬于專性厭氧菌，主要通過發(fā)酵糖類產(chǎn)生醋酸和乳酸；乳酸菌是革蘭氏陽(yáng)性無(wú)芽胞的細(xì)長(zhǎng)桿菌，除德氏乳桿菌為專性厭氧菌外，其余菌種為兼性厭氧菌或微需氧菌，通過發(fā)酵糖類產(chǎn)生乳酸。雙歧桿菌和乳桿菌是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的益生菌，由于這2個(gè)菌種來(lái)源于人體，無(wú)毒副作用，且其生理效應(yīng)功能顯著優(yōu)于其他菌種，因而在食品工業(yè)中具有重要地位[17]。

表1 微生物發(fā)酵藥食同源植物常用菌種Table 1 Common strains used in the fermentation of medicinal and edible plants.

2 微生物發(fā)酵的作用機(jī)理和特點(diǎn)

微生物發(fā)酵主要利用真菌和細(xì)菌發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的酶，通過酶的作用將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)[18]。在利用微生物發(fā)酵法處理藥食同源植物的過程中，發(fā)揮作用的酶有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶等，其可在常溫常壓下對(duì)藥食同源植物中的黃酮、類固醇、生物堿、異黃酮、皂苷、植物甾醇和酚類等天然活性成分進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，或使底物分子發(fā)生氧化、歧化、異構(gòu)化、脂化、消旋化，從而轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的新化合物，增強(qiáng)生物活性，增強(qiáng)降血脂、抗腫瘤、促進(jìn)消化吸收和溶解纖維蛋白等作用[19,20]。微生物發(fā)酵法處理藥食同源植物的特點(diǎn)是產(chǎn)生新的功效成分或提高有效成分含量。

2.1 產(chǎn)生新的成分

微生物可對(duì)藥食同源植物中的天然活性成分進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化或分解，改變其原有的生物活性，產(chǎn)生新的成分或功效[21]。其作用機(jī)理主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：①藥食同源植物中的活性成分與微生物代謝產(chǎn)物反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為新的成分，如桑葚中的蛋白質(zhì)及氨基酸在植物乳酸菌NCU137酶系作用下，能夠發(fā)生脫羧降解生成醇類，從而產(chǎn)生新的20種香氣成分[22]；②藥食同源植物活性成分在微生物發(fā)酵條件下分解產(chǎn)生新的成分，如枳殼在發(fā)酵過程中，新北圣草苷、橙皮苷和新橙皮苷等黃酮成分脫糖基轉(zhuǎn)化為4種新的單糖苷[23]；③微生物在藥食同源植物有效成分的作用下代謝可產(chǎn)生具有新功效的次生代謝產(chǎn)物，如植物乳桿菌LactobacillusplantarumFCJX 102和嗜酸乳桿菌LactobacillusacidophiluFCJX 104在山楂與葛根提取液中發(fā)酵產(chǎn)生1種乙醛脫氫酶，可將麻痹神經(jīng)的乙醛轉(zhuǎn)化成無(wú)毒的乙酸，從而增強(qiáng)發(fā)酵產(chǎn)物醒酒護(hù)肝的效果[24]；④藥食同源植物活性成分與微生物次生代謝產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生新的成分，如在微生物發(fā)酵覆盆子的過程中，覆盆子中的阿拉伯糖和甘露醇與來(lái)自于真菌Clonostachysrogersoniana的聚酮母核結(jié)合產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物，使得發(fā)酵后聚酮類化合物的含量水平顯著升高[25]。

此外，藥食同源植物與微生物之間可發(fā)生協(xié)同作用，藥食同源植物中原有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有助于微生物的分裂、生長(zhǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化的發(fā)生。如枸杞和山藥浸提物中豐富的營(yíng)養(yǎng)成分和抗氧活性，對(duì)嚴(yán)格厭氧雙歧桿菌B.adolescentis具有顯著的促生長(zhǎng)影響[8]；菊花水煎液能促進(jìn)長(zhǎng)雙歧桿菌的體外增殖與活性，縮短雙歧桿菌的培養(yǎng)時(shí)間[12]。

2.2 增加有效成分含量

微生物發(fā)酵可增加藥食同源植物的有效成分含量，主要原因有2個(gè):①發(fā)酵過程中藥食同源植物中多個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為同一物質(zhì)[26]，如傘狀犁頭霉AbsidiacorymbiferaAS2可將黃芪中的黃芪甲苷Ⅰ、異黃芪苷Ⅰ、黃芪甲苷Ⅱ和異黃芪苷Ⅱ均轉(zhuǎn)化為芪甲Ⅳ，使發(fā)酵后黃芪甲Ⅳ的含量提高4倍[27]。②微生物可以改變藥食同源植物天然活性成分的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高有效成分的溶出率，如利用甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌N-14菌株發(fā)酵黃芪，可增加黃芪總多糖的溶出率，使提取得率提高了10倍以上[28]；雙歧桿菌發(fā)酵對(duì)生、炒麥芽提取液多糖的溶出率也有顯著影響，發(fā)酵后生麥芽多糖含量和炒麥芽多糖含量均顯著提高[10]。

3 微生物發(fā)酵藥食同源植物技術(shù)進(jìn)展

采用微生物發(fā)酵技術(shù)處理藥食同源植物歷史悠久，隨著科技的發(fā)展和創(chuàng)新，使得微生物發(fā)酵效率也逐步提高。傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)主要采用自然接種、多菌種發(fā)酵，菌種為自然環(huán)境中的真菌和細(xì)菌，發(fā)酵過程中加入的微生物種類繁多，但真正發(fā)揮作用的菌種數(shù)量有限，如在豆豉發(fā)酵中發(fā)揮作用的主要是產(chǎn)生脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶的芽孢桿菌和乳酸菌，但通常還會(huì)摻雜其他菌種，如曲霉、根霉和毛霉等，在發(fā)酵過程中損耗營(yíng)養(yǎng)、降低效率，同時(shí)容易污染發(fā)酵產(chǎn)物[29]。

隨著實(shí)時(shí)熒光定量PCR和RNAi等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)微生物多樣性研究的深入開展，現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)可根據(jù)微生物發(fā)酵藥食同源植物過程中菌落的變化規(guī)律及其組成結(jié)構(gòu)的變化，篩選出有利菌種[30]。如利用26S rDNA序列分析，從枸杞果園土壤、枸杞鮮果表面的活菌中篩選得到可用于發(fā)酵枸杞果酒的孢漢遜酵母(Hanseniasporauvarum)和戴爾有孢圓酵母(Torulasporadelbrueckii)，將2種酵母以3∶1比例混合發(fā)酵，與傳統(tǒng)釀酒酵母單獨(dú)發(fā)酵相比，篩選后的菌種發(fā)酵含有更多種類的香氣成分[31]。

現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)還可根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物含量和發(fā)酵過程中的酶活力選用特定的菌種或酶，更具目的性，從而縮短藥食同源植物的微生物發(fā)酵時(shí)間。如利用傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵六神曲，參與發(fā)酵過程的菌種均來(lái)自于自然環(huán)境，發(fā)酵得到的產(chǎn)物穩(wěn)定性難以控制。而現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)采用高效液相色譜法檢測(cè)六神曲發(fā)酵過程中有效成分苦杏仁苷和青蒿素的含量變化，同時(shí)檢測(cè)菌種數(shù)量變化以及淀粉酶和蛋白酶的酶活力，確定最優(yōu)發(fā)酵菌種和最佳菌種數(shù)量，從而提高六神曲的質(zhì)量與穩(wěn)定性[32]。通過在納豆、赤小豆發(fā)酵過程中檢測(cè)納豆激酶酶活力，考察得到酶活力最高時(shí)，原料中黃豆和赤小豆的比例、發(fā)酵溫度和時(shí)間等條件，相對(duì)傳統(tǒng)的納豆發(fā)酵，能夠顯著提高其發(fā)酵效率和產(chǎn)品風(fēng)味[33]。

此外，在微生物發(fā)酵藥食同源植物的過程中，隨著產(chǎn)物中有效成分含量的升高，大部分菌種的生長(zhǎng)能力受到影響，酶活力也會(huì)下降，降低了發(fā)酵效率。但現(xiàn)代光譜分析技術(shù)的使用可以改善這一情況。如在乳酸菌發(fā)酵薏苡仁過程中，隨著薏苡仁多糖含量的升高導(dǎo)致大部分乳酸菌的生長(zhǎng)受到限制，然而利用紫外分光光度法監(jiān)測(cè)多糖含量和菌落生長(zhǎng)的情況，篩選出薏苡仁多糖培養(yǎng)基中生長(zhǎng)特性較強(qiáng)的植物乳桿菌Sc6-3和干酪乳桿菌NM01，可使薏苡仁多糖的得率提高4倍[34]。黃芪經(jīng)乳酸菌發(fā)酵的過程中，隨著黃芪多糖含量的提高，乳酸菌的生長(zhǎng)受到抑制，而通過苯酚-硫酸法、紫外分光光度法測(cè)定黃芪發(fā)酵過程中的多糖含量，并采用平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定活菌數(shù)，篩選出具有共生關(guān)系的植物乳桿菌和屎腸球菌，可使發(fā)酵產(chǎn)物得率提高95.5%[35]。

與傳統(tǒng)微發(fā)酵技術(shù)中的自然接種相比，現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)可根據(jù)發(fā)酵目的、發(fā)酵條件篩選出對(duì)特定條件具有一定耐受能力的微生物，從而擺脫生存條件對(duì)微生物生長(zhǎng)的限制，縮短發(fā)酵時(shí)間，提高發(fā)酵效率，并有效避免雜菌污染，保證發(fā)酵過程的穩(wěn)定性及安全性。

4 微生物發(fā)酵藥食同源植物在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

在食品領(lǐng)域中常利用乳酸菌或酵母菌等微生物發(fā)酵藥食同源植物，以增加其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、改善口感，目前普遍用于生產(chǎn)果酒、果醋、乳酸飲料等食品。

果酒是以植物果實(shí)為原料，利用酵母菌低溫發(fā)酵釀制而成的一種風(fēng)味獨(dú)特的保健食品。利用微生物發(fā)酵藥食同源植物釀造果酒，可以根據(jù)口味選擇添加適當(dāng)?shù)奈⑸镆愿纳扑幨惩粗参锏目诟?，如發(fā)酵沙棘釀制果酒過程中，利用酒球菌可將沙棘中的蘋果酸轉(zhuǎn)化為乳酸，降低沙棘的酸澀和粗糙，使其口感更為柔和[36]。此外，接種量和發(fā)酵時(shí)間也是發(fā)酵過程中影響果酒口感的重要因素，利用酵母菌發(fā)酵白果制作果酒時(shí)，發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)，白果果酒的口感越純正，這主要與酵母量增長(zhǎng)速度有關(guān)[37]。微生物發(fā)酵還能夠增強(qiáng)果酒的抗氧化、抗疲勞、延緩衰老等作用，如通過微生物發(fā)酵山藥黃酒，協(xié)同山藥的養(yǎng)陰功效和黃酒的養(yǎng)肝作用，能夠增加黃酒的功效，并提高山藥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[38]。

果醋富含氨基酸、維生素、有機(jī)酸和微量元素，以其獨(dú)特的風(fēng)味與藥食同源植物結(jié)合開發(fā)的功能性食品更易被消費(fèi)者接受。利用微生物發(fā)酵藥食同源植物制作果醋，能夠解決傳統(tǒng)工藝中利用浸提法提取活性成分過程中的效率低、耗能大、不利于保存等問題。葛根黃酮具有顯著的生津、解肌除煩作用，然而由于不便提取導(dǎo)致不利于開發(fā)，但采用乳酸菌、醋酸菌和酵母菌發(fā)酵葛根得到的葛根醋，制作方便，富含葛根黃酮，且口感良好[39]。此外，通過微生物發(fā)酵能夠增強(qiáng)果酒緩解疲勞、抗氧化和抑菌等作用，同時(shí)，由于醋酸菌具有調(diào)節(jié)腸道平衡的作用，將其用于山楂果醋的制作過程中，能夠協(xié)同山楂增強(qiáng)開胃消食的功效[40]。

乳酸飲料是由牛奶經(jīng)乳酸菌發(fā)酵而成的，具有改善腸道健康、促進(jìn)消化的作用，同時(shí)使藥食同源植物活性成分更易被人體吸收。山藥富含粘液質(zhì)、尿囊素、氨基酸、多種維生素和礦物質(zhì)等成分，以乳酸發(fā)酵山藥，改善山藥的口感的同時(shí)，利用微生物的分解作用能夠促進(jìn)山藥的天然活性成分分解，更利于被人體吸收利用[41]。乳酸菌和藥食同源植物還具有協(xié)同作用，如白扁豆具有滋養(yǎng)脾胃的功效，利用乳酸菌發(fā)酵白扁豆制作酸奶，能夠發(fā)揮白扁豆和乳酸菌飲料健胃、助消化的雙重保健作用[42]。

此外，還可以將微生物發(fā)酵藥食同源植物應(yīng)用于果凍、果醬、涼茶等食品。如盛瑋和謝筆鈞[43]以乳酸菌發(fā)酵山藥和鮮牛奶，制作的山藥果凍口感細(xì)膩、味道良好，且具有健脾補(bǔ)腎的保健作用；利用乳酸菌發(fā)酵桑葚、枸杞制備果醬，可以使產(chǎn)品具有桑葚和枸杞的風(fēng)味和功效[44]；陳康等[45]利用乳桿菌PMO發(fā)酵金銀花研制涼茶，可改善涼茶口感，提高益生菌增殖活性。上述結(jié)果均表明，微生物發(fā)酵藥食同源植物應(yīng)用于食品領(lǐng)域，能夠改善藥食同源植物口感，通過微生物發(fā)酵處理使活性成分更利于被人體吸收，還可協(xié)同微生物的作用提高產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

4.2 在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

微生物發(fā)酵是藥食同源植物炮制方法之一，如神曲、淡豆豉、紅曲、麥芽等，微生物發(fā)酵比一般物理方法處理更高效，其在醫(yī)藥領(lǐng)域中主要起到增強(qiáng)療效和改變藥性2個(gè)方面的作用。如采用微生物發(fā)酵大豆制作淡豆豉，能夠增強(qiáng)大豆解肌發(fā)表、解郁除煩的功效[46]；采用靈芝為發(fā)酵菌種發(fā)酵處理當(dāng)歸，可使靈芝和當(dāng)歸的抗氧化活性提高[47]。此外，微生物發(fā)酵藥食同源植物可改變產(chǎn)物的藥性，如發(fā)酵淡豆豉時(shí)，以桑葉、青篙發(fā)酵，藥性偏于寒涼，多用于風(fēng)熱感冒；以麻黃、紫蘇發(fā)酵，藥性偏于辛溫，多用于風(fēng)寒感冒[48]。目前微生物發(fā)酵藥食同源植物在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用相對(duì)較少，可能與微生物發(fā)酵過程周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高有關(guān)，需要對(duì)發(fā)酵原料、發(fā)酵菌種、發(fā)酵時(shí)間嚴(yán)格控制，才能使微生物發(fā)酵藥食同源植物在醫(yī)藥領(lǐng)域得到更好地發(fā)展。

5 展望

微生物發(fā)酵技術(shù)在我國(guó)處于發(fā)展階段，各方面尚未成熟，利用微生物發(fā)酵法處理藥食同源植物還存在諸多問題，如符合國(guó)際安全認(rèn)證的菌種數(shù)有限、發(fā)酵處理時(shí)間長(zhǎng)、轉(zhuǎn)化條件不明確、轉(zhuǎn)化過程易受外界因素影響等。這些問題影響著微生物發(fā)酵藥食同源植物的應(yīng)用前景。

目前，對(duì)于利用微生物發(fā)酵藥食同源植物產(chǎn)生的新成分的相關(guān)研究報(bào)道尚少，對(duì)提高有效成分含量的報(bào)道占絕大多數(shù)，且應(yīng)用于果酒、果醋、乳酸飲料等食品方面的研究以增加風(fēng)味為主，有關(guān)發(fā)酵提高產(chǎn)品功效或產(chǎn)生新功效的產(chǎn)品較少，后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)研究應(yīng)從加強(qiáng)對(duì)微生物發(fā)酵后新產(chǎn)生成分或藥理作用方面展開。

對(duì)于功能性食品，我國(guó)衛(wèi)生部公布的《真菌類保健食品評(píng)審規(guī)定》和《益生菌類保健食品評(píng)審規(guī)定》對(duì)其使用菌種范圍作出了嚴(yán)格的規(guī)定[49]，但在微生物增加藥食同源植物的成分和療效的研究中，多采用自然界篩選得到的規(guī)定以外的其他菌種，這無(wú)疑對(duì)利用微生物發(fā)酵法處理藥食同源植物開發(fā)功能性食品的開發(fā)造成局限。此外，目前對(duì)微生物發(fā)酵法在藥食同源植物中的應(yīng)用，除了果酒、果醋、乳酸飲料等飲品，在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的研究較少，這可能與微生物發(fā)酵藥食同源植物的周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等原因有關(guān)，期望微生物發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)步能夠彌補(bǔ)藥食同源植物在醫(yī)藥領(lǐng)域或保健功能領(lǐng)域應(yīng)用的不足，使藥食同源植物的藥用價(jià)值得到合理開發(fā)利用。