固態(tài)生物轉(zhuǎn)化對植物性食品加工副產(chǎn)物生物活性影響的研究進展

陳嘉序傅亞平高 瑤肖 愈

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 長沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410116)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及食品加工過程中會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物殘渣，如果皮、麩皮、豆渣、薯皮、甘蔗渣等。FAO估計，全球每年約有13億t加工副產(chǎn)物被浪費，其中果蔬類占比45%，谷物類占比30%[1]。這些植物性加工副產(chǎn)物有機物含量高，是潛在的營養(yǎng)來源，同時生化需氧量(BOD)超標(biāo)[2]，及時有效利用不僅可提高其經(jīng)濟利用率，還可減少環(huán)境污染。植物性加工副產(chǎn)物可以通過各種方法來提高其價值，其中固態(tài)發(fā)酵是一種傳統(tǒng)而又新穎的加工方式，操作簡單、生產(chǎn)成本低、發(fā)酵代謝產(chǎn)物得率高、對環(huán)境無污染，在中國及東南亞地區(qū)具有悠久的歷史[3]。同時，可利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)獲取及強化對人體健康有益的一些生物活性成分[4]，如多酚、黃酮、植物多糖、類胡蘿卜素等。從系統(tǒng)發(fā)育上看，植物中的次生代謝產(chǎn)物的合成在植物的生長階段起到舉足輕重的作用[5]，例如黃酮和酚酸能保護活體植物免受光合作用過程中產(chǎn)生的自由基的侵害；萜類化合物可以吸引傳粉者等。此外，一些植物性副產(chǎn)物經(jīng)發(fā)酵強化后，在人體中也能發(fā)揮不同的生物學(xué)功能，例如能夠降低心血管疾病和癌癥的發(fā)生率[6]，還具有抗菌、抗氧化、抗誘變和抗炎功能，以及抑制或誘導(dǎo)酶及其受體活性基因的表達等[7]。因此，利用廉價易得的農(nóng)林副產(chǎn)物作為固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)來生產(chǎn)酶類或其他生物活性成分成為科研工作者的研究熱點。

文章擬綜合近年來國內(nèi)外大量相關(guān)研究報道，詳細闡述固態(tài)生物轉(zhuǎn)化對植物性食品加工副產(chǎn)物產(chǎn)酶效率及潛在的應(yīng)用價值，同時對固態(tài)發(fā)酵過程中副產(chǎn)物主要生物活性物質(zhì)(酚類、黃酮、植物多糖等)及其功能活性的變化進行概述，以期為食品工業(yè)中植物性食品加工副產(chǎn)物的增值利用提供依據(jù)。

1 固態(tài)生物轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)酶研究

1.1 谷物加工副產(chǎn)物

谷物食品(禾谷類、薯類、豆菽類)是中國居民日常飲食的重要組成部分，具有豐富的營養(yǎng)價值，同時也是許多植物活性物質(zhì)的重要來源，包括植物雌激素、酚類化合物、皂苷、植酸和固醇等[8]。食品工業(yè)中谷物加工過程包括清潔、分級、干燥、運輸、裝載、存儲、控制自動化、抽吸和過濾等，在谷物處理的每個階段都會產(chǎn)生可生物降解的副產(chǎn)物廢渣[9]。研究[10]表明，谷物類工業(yè)廢渣主要含有纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素。這些廢渣經(jīng)預(yù)處理后可作為微生物固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)酶的極佳基質(zhì)(表1)，不但可以降低酶的生產(chǎn)成本，還能進一步提高酶的轉(zhuǎn)化效率，大大拓寬其工業(yè)應(yīng)用的可能性。

谷物類副產(chǎn)物廢渣多含有豐富的纖維素，單菌發(fā)酵產(chǎn)高活性纖維素酶時廣泛選擇的菌種有Aspergillusniger、Trichoderma和Aspergillusoryzae。高大響等[11]以Aspergillusniger為菌種發(fā)酵豆渣，29 ℃下發(fā)酵84 h，得到纖維素酶最大活力為462 U/g。丁重陽等[12]利用Trichodermareesei固態(tài)發(fā)酵麥糟與玉米芯的混合物，干曲最高酶活可達 430 U/g。而纖維素酶是起協(xié)同作用的多酶體系，利用混合菌株的協(xié)同作用比純種菌株能產(chǎn)生更多不同酶切位點的纖維素酶[13]。涂璇等[14]研究表明，兩種曲霉(UF2和UA8)按比例混合發(fā)酵，其濾紙酶、微晶纖維素酶和羧甲基纖維素酶3種酶活性較單菌發(fā)酵(UA8)分別提高了2.2%～51.1%，20.7%～332.6%和29.4%～299.6%。通過生物轉(zhuǎn)化得到的纖維素酶已被廣泛應(yīng)用于食品加工、飼料工業(yè)等領(lǐng)域，包括發(fā)酵產(chǎn)品的制造、黃酮類化合物等功能成分的提取、茶葉深加工、消除抗?fàn)I養(yǎng)因子等[15]。

蛋白酶和淀粉酶能將谷物類副產(chǎn)物中的大分子蛋白質(zhì)和多糖降解為利于吸收利用的小分子肽類、氨基酸和簡單糖類物質(zhì)，被廣泛運用于飼料生產(chǎn)業(yè)、復(fù)合酶制劑的制備以及果蔬加工等領(lǐng)域。吳慧清等[16]利用Neurosporasitophila為菌種發(fā)酵100 g蔗渣、600 g麩皮和300 g木薯渣等混合物，發(fā)酵后固體曲中糖化酶活力和蛋白酶活力分別為3 110，297 mg/(g·h)。李思聰[17]以Bacillussubtilis為菌種發(fā)酵豆渣基質(zhì)，發(fā)酵前未檢測到淀粉酶，發(fā)酵后淀粉酶活力達4.18 U/g。因Bacillussubtilis的次級代謝產(chǎn)物枯草菌素具有明顯的抑菌作用，抑制發(fā)酵過程中有害微生物干擾，利于固態(tài)發(fā)酵飼料產(chǎn)品品質(zhì)的提升[18]。

漆酶是一種多酚氧化酶，具有獨特的催化特性。Ergun等[19]從蔗渣、麩皮、稻草和啤酒糟等農(nóng)業(yè)廢料中獲得了這種酶。同樣，以各種糧食作物副產(chǎn)物(麥麩、蔗渣和稻草)作為固體基質(zhì)，通過不同的微生物(Pleurotusspvar、Pleurotusostreatus、Pyrenophoraphaeocomes)生產(chǎn)漆酶的研究較多[20]。得到的漆酶能與木質(zhì)素、胺類化合物、芳香化合物等底物發(fā)生作用，且諸多反應(yīng)的唯一產(chǎn)物只有水，因此能直接應(yīng)用于食品、環(huán)保及造紙工業(yè)等領(lǐng)域[21]。

1.2 果蔬類加工副產(chǎn)物

近年來，果蔬生產(chǎn)和加工業(yè)成為中國農(nóng)村經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，然而龐大的生產(chǎn)量也帶來了大量果蔬加工副產(chǎn)物的產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計[22]，中國果蔬加工業(yè)每年生產(chǎn)約1億t的副產(chǎn)物殘渣，且有逐年上漲的趨勢。果蔬加工副產(chǎn)物包括果皮、汁囊殘留物、薄膜、果核和種子，這些副產(chǎn)物含有豐富的可溶性糖、纖維素、半纖維素、果膠和精油等，但蛋白質(zhì)含量偏低，不適宜作動物飼料，且燃燒處理會產(chǎn)生大量溫室氣體，加重溫室效應(yīng)[23]。研究[24]表明，果蔬加工副產(chǎn)物因其富含半纖維素和果膠，吸水率高，是固態(tài)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)酶的極佳發(fā)酵基質(zhì)，大多用于果膠酶、木聚糖酶、半乳糖醛酸酶和葡萄糖苷酶的生產(chǎn)(表1)。

果膠酶可大致分為聚半乳糖醛酸酶、果膠裂解酶和果膠酯酶，是水果加工中最重要的酶。據(jù)報道[37]，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有40多種微生物能產(chǎn)果膠酶，包括Aspergillus、Penicillium、Kluyveromyces及一些兼性厭氧細菌等。果膠酶是誘導(dǎo)性酶類，一般認(rèn)為其產(chǎn)酶條件為底物中含有誘導(dǎo)物(果膠或半乳糖醛酸殘基)，因而可選用富含果膠的誘導(dǎo)物(蘋果皮、桔柑皮等)。田林茂等[38]以AspergillusnigerHG-1為菌種發(fā)酵蘋果渣獲取果膠酶，30 ℃下培養(yǎng) 48 h，果膠酶酶活力可達 22 248 U/g，高于以麩皮為主要原料時的酶活力。鄧毛程等[39]采用菠蘿皮粉作碳源和誘導(dǎo)物發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶，當(dāng)菠蘿皮粉用量達到某一值時其產(chǎn)酶量最大，超出該范圍時產(chǎn)酶量呈下降趨勢，可能歸因于菠蘿皮中存在抑制產(chǎn)酶成分的累積。植物性副產(chǎn)物發(fā)酵生產(chǎn)得到的果膠酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要是果汁制造和果汁釀造，因其能提高出汁率，降低成本的同時，降解果膠質(zhì)，使產(chǎn)品更易貯藏[38]。

木聚糖是半纖維素的主要成分，是植物性飼料中存在的抗?fàn)I養(yǎng)因子，使飼料消化利用率大大降低。利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)木聚糖酶具有成本低、效益高的優(yōu)勢。Seyis等[40]分別使用蘋果渣、橙渣、橙皮、檸檬渣、檸檬皮、梨皮和香蕉皮作為Trichodermaharzianum1073 D3的發(fā)酵基質(zhì)生產(chǎn)木聚糖酶，其中以蘋果渣為基質(zhì)產(chǎn)木聚糖酶酶活力最高。Mamma等[41]發(fā)現(xiàn)AspergillusnigerBTL產(chǎn)生的半乳糖醛酸酶、果膠酸裂解酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和蔗糖酶的產(chǎn)量最高，而NeurosporacrassaDSM 1129產(chǎn)生的內(nèi)切葡聚糖酶產(chǎn)量最高。木聚糖酶反作用于甘蔗渣、玉米芯等天然半纖維素，分解得到木糖和低聚木糖，可作為葡萄糖替代物供糖尿病人食用；此外，還可作為增稠劑、脂肪替代物等加以應(yīng)用[15]。

2 固態(tài)生物轉(zhuǎn)化對植物性食品加工副產(chǎn)物生物活性物質(zhì)的影響

植物性食品加工副產(chǎn)物經(jīng)固態(tài)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的各類生物活性物質(zhì)見表2。

2.1 對酚類化合物的影響

酚類化合物由于其出色的體外抗氧化性能在食品和臨床領(lǐng)域備受關(guān)注，其理想化學(xué)結(jié)構(gòu)使得沿芳環(huán)的羥基更易于提供氫或電子，以實現(xiàn)自由基清除活性。據(jù)報道[58]，某些酚類化合物還具有抗菌、抗動脈粥樣硬化、抗腫瘤、抗癌和抗炎等潛力。植物性副產(chǎn)物中酚類化合物只有少部分以可溶性形式存在，絕大部分以不溶性形式與細胞壁化學(xué)物質(zhì)(包括果膠、纖維素、阿拉伯木聚糖和結(jié)構(gòu)蛋白)通過共價鍵、酯鍵、醚苷鍵等相結(jié)合，難以提取，嚴(yán)重影響其生理活性功能的發(fā)揮[50]。發(fā)酵過程中，微生物通過次級代謝途徑產(chǎn)生具備抗氧化性能的酚類物質(zhì)，或者通過胞外酶的酶促作用從底物基質(zhì)中釋放出酚類物質(zhì)[45]。酚類化合物主要可分為黃酮和酚酸兩大類，常見的酚酸有阿魏酸、沒食子酸、香草酸、鞣花酸、對羥基苯甲酸、香豆酸和芥子酸等。

表1 植物性食品加工副產(chǎn)物固態(tài)生物轉(zhuǎn)化過程中的產(chǎn)酶

表2 植物性食品加工副產(chǎn)物經(jīng)固態(tài)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的各類生物活性物質(zhì)

植物性副產(chǎn)物中酚酸類物質(zhì)增加的根本原因是其結(jié)構(gòu)的變化。胡博涵[69]采用分光光度法和HPLC法分析幾種曲霉發(fā)酵麩皮中總酚酸和阿魏酸的釋放量，隨后對發(fā)酵麥麩進行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)已由密質(zhì)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)變得疏松，交聯(lián)結(jié)構(gòu)斷裂，內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)凹凸斑痕和空穴，從而使其釋放出生物活性物質(zhì)，提高了發(fā)酵麥麩中的總酚和阿魏酸含量，進而其抗氧化能力提高。杜小燕等[70]利用Aspergillusawamori發(fā)酵麥麩，發(fā)現(xiàn)Aspergillusawamori使束縛的阿魏酸游離出來，且咖啡酸、丁香酸和阿魏酸濃度高的酚類提取物，其抗氧化性也較強。

研究[45]表明，各種木質(zhì)纖維素材料是生產(chǎn)沒食子酸和鞣花酸的良好基質(zhì)，尤其是發(fā)酵農(nóng)作物及果蔬加工副產(chǎn)物，如豆粕、高粱秸稈、玉米芯、麥麩、石榴籽等。郭麗等[42]以Lentinusedodes為菌種發(fā)酵藍莓果渣，其總酚和沒食子酸含量均先上升后下降，且發(fā)酵第8天達最大值；酚類化合物含量上升除基質(zhì)結(jié)構(gòu)變化釋放酚類物質(zhì)外，還可能是由于發(fā)酵微生物合成了可溶性酚類化合物；鞣花酸含量逐漸下降，可能歸因于鞣花酸中含有許多易被氧化的酚羥基，發(fā)酵過程中被氧化消耗[79]。

2.2 對黃酮的影響

植物性加工副產(chǎn)物是潛在的生物活性物質(zhì)黃酮的重要來源，主要包括柚皮苷、橙皮苷、大豆異黃酮和蘆丁等[72]。具有清除自由基、抗氧化[73]、降低癌癥和糖尿病發(fā)生率、預(yù)防心腦血管疾病和抗微生物等多種藥理作用[74]。黃酮是酚類化合物的最大組成部分，根據(jù)中央三碳的氧化程度、是否成環(huán)、B環(huán)的聯(lián)接位點等特點，可將黃酮分為黃酮類、黃酮醇類、二氫黃酮類、異黃酮類、黃烷類和花色素類等多種結(jié)構(gòu)類型。

黃酮多以O(shè)-糖苷的形式存在，與葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖等結(jié)合，O-β-糖苷鍵主要通過微生物α-糖苷酶在腸道中水解產(chǎn)生苷元[75]。Fukumoto等[76]指出，與糖基化黃酮相比，苷元型的抗氧化活性較高。微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生豐富的酶系，如纖維素酶、果膠酶、β-葡萄糖苷酶、柚皮苷酶和α-鼠李糖苷酶等[77]。其中，β-葡萄糖苷酶作用于黃酮C3和C7位置上的鍵，使葡萄糖基團游離出來，得到活性更高的苷元；而α-L-鼠李糖苷酶可特異性切割許多天然葡萄糖苷末端的鼠李糖基，如柚皮苷、蘆丁、槲皮苷和橙皮苷等[78]，提升了天然黃酮的功能活性。豆粕經(jīng)Bacilluspumilus、Bacillussubtilis或Aspergillusoryzae等菌株發(fā)酵后會使得糖苷型異黃酮(大豆苷、黃豆黃苷和染料木苷)代謝為游離型異黃酮(大豆苷元、黃豆黃素和染料木素)，提高豆粕營養(yǎng)品質(zhì)[79]。此外，王露[50]用Monascusspp.和BacillusBS2混合發(fā)酵番石榴葉，相對于未發(fā)酵基質(zhì)，其總黃酮、槲皮素與山奈酚含量分別增加了2.0，13.0，6.8倍。有研究[80]認(rèn)為，這可能是由于糖苷類化合物首先被去糖基化形成槲皮素-3-O-葡萄糖苷和山奈酚-3-O-葡萄糖苷，再由這些菌株分泌的β-葡萄糖苷酶使位于3-O和7-O位置的葡萄糖基團游離出來，得到苷元型的槲皮素和山奈酚。

郭麗等[42]以Lentinusedodes為菌種發(fā)酵藍莓果渣，發(fā)酵第12天時花色苷含量達最大值1.878 mg/g。這可能是因為在纖維素酶和果膠酶的作用下，果渣的細胞壁被破壞，從而附著在纖維素、果膠質(zhì)上的花色苷被釋放出來。Hugnh等[80]研究表明，通過微生物發(fā)酵從植物副產(chǎn)物中生產(chǎn)高活性的黃酮時，細胞壁與天然黃酮的相對位置是一個重要的考慮因素。只有已知結(jié)合的類型和糖苷鍵連接的位置，才可以更好地選擇所需的酶或微生物，從而從植物性加工副產(chǎn)物中獲取可利用性更強、活性更高的黃酮。

2.3 對植物多糖的影響

植物多糖又稱植物多聚糖，是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，也是植物體內(nèi)非常重要的一種生物活性物質(zhì)，具有免疫調(diào)節(jié)、抗癌、抗氧化、預(yù)防心血管疾病、護肝以及抗輻射等多重功效[81]。目前，主要用于植物多糖生產(chǎn)的菌種有Xanthomonas、Leuconostoc、Sphingomonas和Alcaligenesgenera等[82]。賈豐[59]以Saccharomyce為菌種發(fā)酵蘋果渣，最后經(jīng)超聲輔助熱水浸提法獲得了3種蘋果渣多糖：蘋果原渣多糖、蘋果酒渣多糖和蘋果醋渣多糖，此3種多糖為非晶態(tài)物質(zhì)，呈無定型態(tài)結(jié)構(gòu)，具有一定的抗氧化性和良好的加工特性。米糠多糖是具有多種生理活性的功能因子，主要以半纖維素的形式鑲嵌于稻谷穎果皮。張超杰[60]利用Fomitopsispinicola發(fā)酵制備米糠多糖，當(dāng)米糠多糖中阿拉伯糖、木糖、半乳糖及甘露糖所占比重較大時，抗氧化性較強。史俊祥[61]利用SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.119等4種菌發(fā)酵麩皮，發(fā)現(xiàn)Saccharomycescerevisiae與Bacillussubtilis混菌發(fā)酵時的效果最好，麩皮多糖產(chǎn)量為44.55 mg/g，且Diquat誘導(dǎo)的Wistar大鼠機體的氧化應(yīng)激反應(yīng)在麩皮多糖粗制品的參與下可以得到有效緩解。王園等[83]利用Saccharomycescerevisiae與Bacillussubtilis混菌發(fā)酵得到麩皮多糖具有較好的抗炎活性。由于植物多糖的分子量、聚合度以及結(jié)構(gòu)均能影響其生物活性，并且聚合度越高，越不利于多糖在生物體內(nèi)發(fā)揮活性作用，甚至對機體產(chǎn)生毒害作用[84]。因此，將多糖降解為小分子片段，降低分子量是多糖及其產(chǎn)品開發(fā)急待解決的問題。

2.4 對其他生物活性物質(zhì)的影響

2.4.1 植物色素 植物色素也是重要的生物活性物質(zhì)之一，具有營養(yǎng)、保鍵、藥用、著色作用等諸多功能活性，且食用安全，對促進人體健康有很大幫助[85]。Buzzini等[86]利用Rhodotorulaglutinis和Debaromycescastellii混菌發(fā)酵玉米糖漿(通過玉米淀粉的酸水解獲得的工業(yè)副產(chǎn)物)可以有效提高類胡蘿卜素產(chǎn)量。Miura等[87]研究證明，來自Erwiniauredovora的crtE、crtB、crtI和crtY以及來自Agrobacteriumaurantiacum的crtZ和crtW基因均可以生物合成類胡蘿卜素，將這些基因簇移入食品級酵母Candidautilis，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因酵母能獲取更多的蝦青素、β-類胡蘿卜素和番茄紅素。

2.4.2 單細胞蛋白 單細胞蛋白又稱微生物菌體蛋白，含有豐富的蛋白質(zhì)(占干細胞重量的60%～82%)、碳水化合物、脂肪、維生素和核酸等營養(yǎng)元素[88]。據(jù)報道[89]，酵母菌和類酵母菌株是利用植物性加工副產(chǎn)物(馬鈴薯渣、木薯渣和甘蔗渣等)生產(chǎn)單細胞蛋白最經(jīng)濟的菌種，其中甘蔗渣又成為被研究得最多的底物之一。Khan等[90]以Saccharomycescerevisiae為菌種發(fā)酵5種不同的果蔬加工副產(chǎn)物(香蕉皮、芒果渣、甜橙皮、石榴皮和蘋果渣)，發(fā)現(xiàn)以香蕉皮作為基質(zhì)時獲取的單細胞蛋白含量最高，占粗蛋白含量的58.62%。

2.4.3 真菌毒素 作為一類生物活性物質(zhì)，真菌毒素在農(nóng)業(yè)上對害蟲的生物防治起重要作用。Desgranges等[91]利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)通過植物性副產(chǎn)物廢渣生產(chǎn)Beauveriabassiana以期獲取真菌毒素殺滅害蟲，其原理是Beauveriabassiana分生孢子附著在宿主表面建立病原性相互作用，隨后真菌分泌一系列酶(幾丁質(zhì)酶、酯酶、蛋白酶和脂肪酶)滲透至害蟲表皮并進入體內(nèi)，最后毒素進入淋巴組織，破壞其免疫系統(tǒng)。

3 總結(jié)與展望

植物性食品加工工業(yè)中產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物因其利用不足而造成的經(jīng)濟受損和環(huán)境破壞問題十分嚴(yán)峻。食品工業(yè)未來的發(fā)展方向必定在于尋求適宜的處理方式使這些有機副產(chǎn)物殘渣變?yōu)榈统杀尽⒏邇r值的產(chǎn)品。盡管現(xiàn)階段各類生物活性物質(zhì)的開發(fā)利用手段日益先進，但其食品安全問題仍需特別注意。如某些微生物在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生有毒化合物，某些微生物蛋白可能會引起人體過敏反應(yīng)，單細胞蛋白中的核酸會導(dǎo)致胃腸道疾病[91]等，因此還需進一步加強各類生物活性物質(zhì)的體內(nèi)外毒理學(xué)研究，才能有效明確食品工業(yè)中各類副產(chǎn)物固態(tài)生物轉(zhuǎn)化工藝的實施手段，為從植物性加工副產(chǎn)物中獲取的生物活性物質(zhì)在食品保健、飼料研發(fā)、醫(yī)藥制品等諸多領(lǐng)域更深層次的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。