人參發(fā)酵工藝研究進(jìn)展

浦鳳玲，侯萍萍，張鐵華

（吉林大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130062）

人參（Panax ginseng C.A.Mey）是一種多年生草本植物，主要生長于我國東北地區(qū)，被人們譽(yù)為“百草之王”和“東北三寶”之一。目前，人參皂苷[1]、人參多糖[2]、揮發(fā)油（萜類、醇類、脂肪酸類等）[3]和氨基酸[4-5]等[6]被發(fā)現(xiàn)是人參含有的主要化學(xué)成分。其中最主要的成分是人參皂苷，因?yàn)樗侨藚⒅凶钪匾囊环N生物活性有效成分[1，6-7]，分類上屬于固醇類化合物，結(jié)構(gòu)上是連接有糖鏈的三萜類皂苷。迄今，已經(jīng)有超過150 種的人參皂苷被發(fā)現(xiàn)，超過50 種的人參皂苷被分離出來[8-9]。大量研究表明人參皂苷具有抗疲勞[10]、抗氧化[11]、抗腫瘤[12]、增強(qiáng)免疫力等功效[13]。另外，它還具有促進(jìn)脂肪代謝的功能[14]，這可能會(huì)受到減肥人群的青睞；其能夠降低血糖和血脂[15]，這個(gè)功效也會(huì)使含有人參皂苷的制品受到“三高”人群的青睞。人參皂苷主要類型有原型人參皂苷和稀有人參皂苷，由于具有顯著的生理藥理活性和極高的藥用價(jià)值，稀有人參皂苷的應(yīng)用前景十分廣闊[16-17]，得到了廣泛的研究和開發(fā)。稀有人參皂苷具有很多的醫(yī)用和藥用功能，比如人參皂苷Rg3 可以抑制炎癥并消除熱量[18]、抗疲勞[19]的作用；人參皂苷Re 具有保護(hù)心肌缺血組織、抗心肌細(xì)胞凋亡、抗心律失常以及對(duì)心肌細(xì)胞的減毒作用等[20]；人參皂苷Rg1具有顯著的護(hù)肝作用[21]和延緩細(xì)胞衰老作用[22]。雖然它們具有如此顯著的功能作用，但是大多數(shù)稀有人參皂苷比如 Rg3、Re、CK、Rg1 等在野生的人參當(dāng)中很少被發(fā)現(xiàn)，含量極少，甚至在人工栽培的人參中更是基本沒有[23-24]。通過研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷所含有的糖分子數(shù)量會(huì)影響它的的生理藥理活性，具體的關(guān)系是：人參皂苷含有糖分子數(shù)量越多，它的生理和藥理功能作用越少[25]。為了解決這一問題，很多科學(xué)家進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，由于稀有皂苷與原型皂苷之間區(qū)別主要是糖分子的數(shù)量，所以可通過去糖基化作用將大量的原型人參皂苷轉(zhuǎn)化為稀有人參皂苷，很多微生物在發(fā)酵過程中就能實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化過程[26-27]，從而提高人參的藥理學(xué)活性[28]。在我國，人參已經(jīng)被批準(zhǔn)作為一種新資源食品，所以，以人參為原料的各種功能性食品成為了研究的熱點(diǎn)，人參發(fā)酵工藝的研究就是其中很重要的一部分。

1 人參發(fā)酵的機(jī)理

發(fā)酵是指利用微生物或生化手段來改變各種物質(zhì)，然后通過使用由此產(chǎn)生的能量和代謝中間體來獲得各種有用的物質(zhì)。發(fā)酵是在如今的食品工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用的一種生物化學(xué)反應(yīng)，近年來，各種發(fā)酵食品層出不窮并且受到消費(fèi)者的青睞。微生物在代謝過程中的某些酶或酶系把人參中含量較多的人參皂苷轉(zhuǎn)化成含有特殊功能基團(tuán)的稀有人參皂苷的生物化學(xué)反應(yīng)，就叫做人參發(fā)酵，也就是微生物轉(zhuǎn)化[29]。在代謝過程中微生物產(chǎn)生的酶作用在人參皂苷的C-3、C-6、和C-20 位上連接的糖苷，水解掉部分或全部的糖苷，從而把Rb1、Rb2 等含量較多的人參皂苷轉(zhuǎn)換成活性更高的稀有人參皂苷Rg3、CK、Rg1 等[30]。其中的微生物和酶作用和轉(zhuǎn)化過程是非常復(fù)雜的，目前有很多研究探尋了人參皂苷的具體生物轉(zhuǎn)化途徑[26，31-32]，如鄭飛等[33]通過高分離度快速液相色譜－四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（high resolution rapid liquid chromatographytime-of-flight mass spectrometry，RRLC-Q-TOF MS）法初步推算出，原二醇型人參皂苷在發(fā)酵過程中主要有兩種轉(zhuǎn)化途徑：在第一種轉(zhuǎn)化方法中，Rd 中從C-20釋放的一分子葡萄糖后轉(zhuǎn)化為Rg3，Rg3 進(jìn)一步脫水生成Rg5 或Rk1。在第二種轉(zhuǎn)化方法中，Rd 從C-3 中除去的一分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為F2，F(xiàn)2 從C-3 中除去一分子葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為CK[34]，也可除去C-20 位的一分子葡萄糖轉(zhuǎn)化為Rh2。另外，喬夢丹等[35]發(fā)現(xiàn)在人參發(fā)酵中，還存在R 構(gòu)型排列和S 構(gòu)型排列的轉(zhuǎn)化。通過總結(jié)各方面的研究，人參發(fā)酵其實(shí)就是其內(nèi)部的人參皂苷通過各種復(fù)雜的作用和途徑轉(zhuǎn)化或者生成某些稀有人參皂苷的過程，而這些作用和途徑就是研究的科研重點(diǎn)。

2 常見人參的種類及其功效

鮮人參經(jīng)過不同的炮制方法可以得到多種炮制品[36]，常見的有生曬參、紅參和黑參。黑參是新種類的人參炮制品，現(xiàn)在，無論是國內(nèi)還是國外，幾乎沒有關(guān)于黑參研究的報(bào)道，只在韓國有一些少量的研究。在人參炮制過程中，皂苷成分種的酯鍵和糖苷鍵被分解，從而使原型人參皂苷轉(zhuǎn)化為稀有人參皂苷，增加了人參中稀有皂苷的含量，再經(jīng)過人參發(fā)酵后，稀有皂苷含量會(huì)明顯增高，它的營養(yǎng)價(jià)值和生理功效也提升更多。

2.1 生曬參

生曬參是挑選合適的鮮人參經(jīng)過清洗之后干燥制得[37]。邱楠楠等[38]用超高效液相色譜-電噴霧離子化串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用（ultra performance liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry，UPLC-ESI-MS-MS）方法測得生曬參中含有大量人參皂苷，特別是鮮人參中含量很少的稀有人參皂苷在生曬參中含量很高。而且根據(jù)喻春皓等[39]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過酶法加工處理后，生曬參中高活性的次生皂苷會(huì)增多，它是由生曬參種的人參皂苷轉(zhuǎn)化而來的。由此可以推測，經(jīng)過發(fā)酵之后的生曬參將會(huì)生成更多的稀有皂苷，營養(yǎng)成分會(huì)更加的豐富，藥理作用更加顯著。

2.2 紅參

紅參是在生曬參的基礎(chǔ)上再經(jīng)蒸煮制得，蒸制后的人參皂苷總含量有所增加，而且隨著蒸制時(shí)間長短的不同，各種皂苷的增減量都不一樣[40]，紅參具有許多藥理功能，如抗氧化、抗疲勞[41]和抗炎活性，紅參還能表現(xiàn)出抗細(xì)胞凋亡作用。另外，發(fā)酵后的紅參被發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵產(chǎn)物中多糖成分增加[42]，原型皂苷和稀有皂苷之間發(fā)生轉(zhuǎn)換，還會(huì)產(chǎn)生新的活性物質(zhì)，發(fā)酵后的紅參的不僅活性成分更易被腸道吸收，而且抑制癌細(xì)胞的能力也大大增強(qiáng)[43]。

2.3 黑參

黑參為五加科植物人參經(jīng)九蒸九曝的傳統(tǒng)的方式、再反復(fù)蒸制烘干炮制得到的一種新型人參炮制品[44]。最初黑參是通過一種傳統(tǒng)的方法制得，隨著對(duì)黑參研究的深入，很多炮制黑參的方法被發(fā)現(xiàn)，但是到目前為止黑參的制作還沒有標(biāo)準(zhǔn)的方法?？梢悦鞔_的是與生曬參和紅參相比，黑參中的稀有皂苷含量都有更大的提高[45-46]。在藥理作用方面，黑參中的活性成分具有更強(qiáng)的抗炎、抗傷害作用、抗腫瘤作用、增強(qiáng)免疫力作用等[47]。如 Jung K[48]和 Han M S 等[49]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的黑參及其中的稀有人參皂苷對(duì)大鼠腎毒性具有預(yù)防和改善的有益作用，

3 人參發(fā)酵工藝優(yōu)化

3.1 人參發(fā)酵微生物的選擇

目前，乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌[50-51]是用于進(jìn)行人參發(fā)酵的主要微生物。有單一菌種進(jìn)行的發(fā)酵，也有幾種不同的菌種混合使用進(jìn)行發(fā)酵。不同的菌種對(duì)于人參發(fā)酵的影響是不一樣的，最終轉(zhuǎn)化得到的稀有皂苷也不完全相同。

薛兢兢等[52]采用高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）方法，通過分析人參發(fā)酵液中的氨基酸含量在發(fā)酵前后的變化，對(duì)人參發(fā)酵工藝中菌株的篩選進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，單一乳酸菌發(fā)酵人參產(chǎn)生的氨基酸種類多且含量高。而復(fù)合益生菌（酵母菌+乳酸菌）發(fā)酵之后的發(fā)酵液中氨基酸的種類和數(shù)量都沒有單一乳酸菌發(fā)酵液中的多。并且，在單一乳酸菌的人參發(fā)酵液中七種皂苷和蛋白質(zhì)氨基酸及多糖含量均高于人參提取液，說明單一乳酸菌發(fā)酵人參的效果要高于復(fù)合益生菌。陳玲[53]以人參粗提物為底物，研究乳酸菌對(duì)人參皂苷的轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)乳酸菌促進(jìn)了原人參二醇型皂苷的轉(zhuǎn)化，而且轉(zhuǎn)化效果最好的乳酸菌是鼠李糖乳桿菌。對(duì)于不同種類菌種的篩選，陳賀等[54]從蘋果、葡萄、辣白菜、酸菜等果蔬樣品中篩選高活性菌株，分離出48 種菌株與人參粉末進(jìn)行微生物固體發(fā)酵，測試結(jié)果為屬于巴氏醋酸桿菌的Y11菌株為人參發(fā)酵的最高活性菌株。因?yàn)橄∮腥藚⒃碥誄K 能夠被Y11 通過轉(zhuǎn)化人參中的 Rb1 等主皂苷得到，在固體發(fā)酵物中CK 的含量達(dá)到0.11 mg/g。還有Joanne SH Tan 等[55]研究發(fā)現(xiàn)，與鼠李糖乳桿菌相比，乳酸乳球菌在人參發(fā)酵過程中具有更高的生物轉(zhuǎn)化率。夏晚霞[56]用HPLC 方法檢測了人參提取物發(fā)酵前后9種人參皂苷含量的變化，從5 種乳酸菌（植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、副干酪乳桿菌和發(fā)酵乳桿菌）中篩選適合發(fā)酵轉(zhuǎn)化人參皂苷的乳酸菌，結(jié)果顯示植物乳桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的稀有皂苷F2 和Rg3 含量相對(duì)于其他4 種菌類都較高。

除了在微生物的作用下進(jìn)行發(fā)酵，人參還經(jīng)常與其他的產(chǎn)品結(jié)合一起進(jìn)行發(fā)酵。如蘇玲等[57]用靈芝[58]與人參進(jìn)行共發(fā)酵，不僅人參的抗氧化活性得到提高，而且稀有人參皂苷含量比如Rg3、Rf 等的含量也會(huì)提升。鄭飛等[33]研究發(fā)現(xiàn)鮮人參與仙人掌果配伍發(fā)酵后，稀有人參皂苷由發(fā)酵前的19 種增加到了發(fā)酵后的27 種。

3.2 人參發(fā)酵環(huán)境因素的優(yōu)化

人參發(fā)酵的影響因素有：菌種和底物的選擇、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH 值、反應(yīng)時(shí)間和基質(zhì)含水量等[59]。不同菌種進(jìn)行發(fā)酵時(shí)的最優(yōu)條件是不同的。劉濤[30]在研究篩選最佳菌種的同時(shí)，就確定了植物乳桿菌的最佳發(fā)酵工藝條件為：發(fā)酵時(shí)間16 d，發(fā)酵溫度為37 ℃，發(fā)酵初始pH 值定為6.0，菌種的接種量為1.0%，與夏晚霞等[56]探討得到的發(fā)酵工藝條件相似，按照此發(fā)酵工藝通過乳酸菌發(fā)酵后，發(fā)酵液中稀有皂苷含量大大增加，且過程中可能有其他種類的皂苷生成。叢悅怡等[60]探究了紅曲霉對(duì)人參的固態(tài)發(fā)酵工藝，以轉(zhuǎn)化得到Rg3 含量最高為標(biāo)準(zhǔn)，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。當(dāng)發(fā)酵菌種為枯草芽孢桿菌時(shí)，同樣以轉(zhuǎn)化得到Rg3 含量最高為標(biāo)準(zhǔn)，陳旸等[61]探索得到的最佳發(fā)酵工藝為：以乳酸細(xì)菌培養(yǎng)基（de Man，Rogosa，Sharpe medium，MRS）為發(fā)酵培養(yǎng)基、在發(fā)酵溫度為35 ℃下，把發(fā)酵pH 值定為7.0，發(fā)酵2 d。有些工藝條件只針對(duì)某種皂苷的轉(zhuǎn)化，如李亨等[62]用正交試驗(yàn)的方法優(yōu)選了人參皂苷Re轉(zhuǎn)化為Rg2 的發(fā)酵工藝，采用HPLC 法分析，確定最佳發(fā)酵工藝為：酶解溫度為60 ℃、加酶量10%、發(fā)酵時(shí)間為10 d。孫亮[63]通過大量的試驗(yàn)探究了人參根固體發(fā)酵最佳條件，該試驗(yàn)一共探究了4 類菌種發(fā)酵的最佳條件，分別為：①乳桿菌：時(shí)間為2 d；溫度為40 ℃；pH 值為5.0；最佳發(fā)酵培養(yǎng)基為MRS 培養(yǎng)基。②枯草芽孢桿菌：時(shí)間 2 d；溫度 35 ℃；pH 值為 7.0；最佳發(fā)酵培養(yǎng)基為MRS 培養(yǎng)基。③紅曲霉：時(shí)間6 d；溫度30 ℃；pH 值為7.0；基質(zhì)含水量為50 %，與叢悅怡等得到的最佳發(fā)酵工藝相類似。④總狀毛霉：時(shí)間5 d；溫度28 ℃；pH 值為6.0；基質(zhì)含水量為50%。⑤利用多菌種進(jìn)行復(fù)合發(fā)酵，乳酸菌：枯草芽孢桿菌∶紅曲霉∶總狀毛霉=2∶2∶1∶1（質(zhì)量比）是最合適的菌種比例；培養(yǎng)時(shí)間真菌為5 d，細(xì)菌為3 d；發(fā)酵溫度30 ℃；發(fā)酵pH 值為7.0；基質(zhì)含水量為50%，但是相比于單一菌種的固體發(fā)酵，人參總皂苷含量還是有所下降。

在不考慮發(fā)酵菌種的情況下，對(duì)人參發(fā)酵的最優(yōu)發(fā)酵工藝大概總結(jié)概括為：將發(fā)酵溫度設(shè)置為30 ℃～40 ℃，發(fā)酵 pH 值為 6.0 或者 7.0 的情況下，發(fā)酵 2 d～6 d 或者16 d，選擇發(fā)酵培養(yǎng)基為MRS 培養(yǎng)基，將基質(zhì)含水量定為50%。

4 人參發(fā)酵產(chǎn)品研究現(xiàn)狀

作為國家衛(wèi)生部批準(zhǔn)的新資源食品，人參因?yàn)槠涮赜械臓I養(yǎng)價(jià)值而受到人們的青睞。隨著生活水平的提高，與人參相結(jié)合研發(fā)出的各種營養(yǎng)新功能食品出現(xiàn)在人們的生活中。其中最常見的人參發(fā)酵產(chǎn)品有人參液，如人參口服液、人參酒、人參酸奶、人參干酪等。

很多研究者進(jìn)行了人參發(fā)酵產(chǎn)品的研制，如南博等[64]用高效菌種植物乳桿菌發(fā)酵的人參液為原料，配制成發(fā)酵人參口服液，優(yōu)化發(fā)酵人參口服液的配方，當(dāng)蜂蜜、檸檬汁、甜菊糖、棗汁分別占比7%、1%、7%、3%時(shí)，得到的發(fā)酵人參口服液清爽可口，酸甜適中，可改善人參特有的苦澀感，說明以上配方為人參發(fā)酵口服液的最佳配方。初琦等[65]在人參漿液中加入大米糖化液，通過Kefir 粒（主要由乳酸菌、酵母菌和醋酸菌的某些屬種組成，是一種非常珍貴的微生物資源）中微生物之間的相互作用進(jìn)行人參發(fā)酵，最終制得人參米酒。組織人員進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，結(jié)果是Kefir 人參米酒質(zhì)地均一，有光澤，香味醇厚，有香米香味及淡酒香氣，最重要的是，人參的土腥味經(jīng)過發(fā)酵之后被極大的降低了，而人參總皂苷含量在發(fā)酵之后得到提高。鐘浩等[66]通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)人參酒，在人參酒中活性物質(zhì)能夠被更好地保留，不僅產(chǎn)品的風(fēng)味較好[67]，而且酒精含量低。最受歡迎的人參發(fā)酵產(chǎn)品是人參酸奶，酸奶是近年來一直受到人們喜愛的一種乳制品，能夠給人體健康帶來許多益處，而人參也是一種藥食同源的植物，王銀平[68]將人參超聲粉碎后加入酸奶中制得一種人參酸奶，發(fā)現(xiàn)這種人參酸奶具有明顯的抗氧化功能。也有將人參超微粉與其他物質(zhì)混合后加入酸奶中，如楊宗霖[69]將人參超微粉與桑葚汁混合，并添加到原料奶中制備人參桑葚酸奶，營養(yǎng)豐富、口味優(yōu)良。由于人參粉顏色偏棕色，且本身稍帶苦味，所以為了掩蓋人參在食品加工時(shí)暴露出的顏色和苦味，王睦[70]用聚合乳清蛋白對(duì)人參皂苷進(jìn)行包埋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅有效掩蓋了人參的顏色和苦味，而且酸奶的持水力和蛋白含量也被顯著提高。另外，人參中的另一重要成分人參多糖也會(huì)對(duì)乳酸菌的發(fā)酵產(chǎn)生影響，主要影響在于可以提高菌種的產(chǎn)酸速度[71]，而且可以制得人參多糖酸奶，其各種營養(yǎng)成分含量均高于一般酸奶。

5 結(jié)論與展望

大量的研究證明，人參通過發(fā)酵可以大幅度提高其稀有皂苷的含量，提高人參的藥理活性和營養(yǎng)價(jià)值。在人參發(fā)酵工藝不斷被優(yōu)化的前提下，人們能以人參作為原料制作越來越多的食品和藥品，在食品上人參的風(fēng)味可以不斷被改善，得到風(fēng)味和營養(yǎng)都俱佳的食品，制造出與更多種其他產(chǎn)品相結(jié)合的新型食品。隨著發(fā)酵工藝不斷的研究發(fā)展，我國傳統(tǒng)的人參加工產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入一個(gè)新的階段。