微生物發(fā)酵法降解谷物中抗?fàn)I養(yǎng)因子的研究進(jìn)展

花蘊(yùn)，黃昆侖，梁志宏*

1(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京，100048) 2(北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué))，北京，100048)

谷物(cereals and legumes)是以食用為目的的植物種子和果實(shí)，全世界有30多種[1]?？?fàn)I養(yǎng)因子(anti-nutritional factor)在谷物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生，可以保護(hù)谷物免受部分病蟲侵害，但當(dāng)人或禽畜攝食過(guò)多抗?fàn)I養(yǎng)因子時(shí)，會(huì)影響消化吸收的功能，甚至不利于生長(zhǎng)健康[2]。谷物中主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子包括胰蛋白酶抑制劑(trypsin inhibitor)和植酸(phytic acid)、非淀粉多糖(non-starch polysaccharides)、植物凝集素(lectin)等。在處理階段，為了提高谷物原料及其加工制品的安全性，改善營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使其中的抗氧因子失活是重要步驟。目前已開發(fā)出許多不同的方法來(lái)消除或失活這些抗?fàn)I養(yǎng)因子，主要包括物理失活、化學(xué)失活以及生物降解3類方法。

物理失活法是一類比較常用的手段，對(duì)于植物凝集素、胰蛋白酶抑制劑等熱不穩(wěn)定性的抗?fàn)I養(yǎng)因子，可通過(guò)加熱使其失活，熱處理的失活效果往往和處理時(shí)間、外加壓力及樣品種類等因素有關(guān)[3]。熱穩(wěn)定的抗?fàn)I養(yǎng)因子，如植酸、單寧等，可采用去皮、浸泡和研磨等手段減少其含量[4]。物理失活法操作簡(jiǎn)單，但處理過(guò)程會(huì)破壞谷物的營(yíng)養(yǎng)成分?；瘜W(xué)失活法是用化學(xué)試劑處理谷物，破壞抗?fàn)I養(yǎng)因子的結(jié)構(gòu)或斷裂維持結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵，使其失活。抗壞血酸、CuSO4、FeSO4和尿素等物質(zhì)處理谷物，均能令胰蛋白酶抑制劑失活[5-6]?；瘜W(xué)失活法雖操作便利、失活效果好，但化學(xué)試劑可能殘存在原料中，造成污染。

與物理法和化學(xué)法相比，通過(guò)生物制劑降解抗?fàn)I養(yǎng)因子相對(duì)安全且適用范圍更廣，生物法包括酶解法和微生物發(fā)酵法。酶解法是利用酶水解抗?fàn)I養(yǎng)因子，使其含量降低。目前已發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶和中性蛋白酶都有降解大豆胰蛋白酶抑制劑的活性[7]，植酸酶處理米糠和麥麩可有效降低植酸含量[8]。但酶解法的酶解產(chǎn)物單一，想達(dá)到降解多種抗?fàn)I養(yǎng)因子的效果，則需多種酶劑。微生物發(fā)酵法是利用微生物特定的代謝途徑和代謝產(chǎn)物將抗?fàn)I養(yǎng)因子分解。與酶解法相比，微生物發(fā)酵過(guò)程中代謝產(chǎn)物多樣、所產(chǎn)酶系復(fù)雜，在降解抗?fàn)I養(yǎng)因子的同時(shí)，其他大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解，提高消化率。由于發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生了芳香物質(zhì)，發(fā)酵谷物會(huì)被賦予更多風(fēng)味[9-10]，因此利用微生物發(fā)酵法處理谷物更具優(yōu)勢(shì)。本文主要綜述了利用微生物發(fā)酵降解抗?fàn)I養(yǎng)因子的發(fā)酵工藝和各類抗?fàn)I養(yǎng)因子降解效果的研究進(jìn)展。

1 微生物發(fā)酵法降解抗?fàn)I養(yǎng)因子的發(fā)酵工藝

1.1 微生物發(fā)酵法運(yùn)用的菌種

微生物發(fā)酵法需在原料中添加指定菌種，在適宜的條件下讓其生產(chǎn)繁殖、積累菌體和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，目前，常用于降解抗?fàn)I養(yǎng)因子的菌種包括芽孢桿菌、乳酸菌、酵母菌和部分霉菌等。在生產(chǎn)研究中，除利用單一菌種發(fā)酵外，也會(huì)選擇2種及2種以上菌株進(jìn)行混合發(fā)酵，各類谷物的發(fā)酵菌種選擇見表1。

表1 不同谷物的發(fā)酵菌種及發(fā)酵效果Table 1 The fermentation strains and fermentation effects of different cereals and legumes

1.2 微生物發(fā)酵法的發(fā)酵工藝

研究發(fā)現(xiàn)，降解谷物抗?fàn)I養(yǎng)因子的效果除與發(fā)酵菌種有關(guān)外，發(fā)酵工藝也對(duì)結(jié)果有很大影響。劉家維等[16]分別用液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵2種發(fā)酵方法對(duì)豆粕進(jìn)行處理，比較發(fā)現(xiàn)，雖固態(tài)發(fā)酵也獲得了比較理想的效果，但液態(tài)發(fā)酵對(duì)胰蛋白酶抑制劑的消除作用更好。李文立等[23]利用枯草芽孢桿菌、酵母菌和乳酸菌組合發(fā)酵豆粕，隨著豆粕含水量增加和發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，胰蛋白酶抑制劑活性迅速下降后趨于穩(wěn)定。但隨發(fā)酵溫度升高，胰蛋白酶抑制劑活性先升高后下降。EGOUNLETY等[24]發(fā)現(xiàn)，大豆中胰蛋白酶抑制劑含量在發(fā)酵12 h時(shí)最低，隨后隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)其含量又略有增加。崔晨曉等[25]用酵母菌發(fā)酵小麥麩皮，發(fā)酵12 h后多酚含量明顯增加，在36 h時(shí)多酚含量最高，之后持續(xù)發(fā)酵多酚含量反而降低。

2 微生物發(fā)酵法降解抗?fàn)I養(yǎng)因子

2.1 微生物發(fā)酵法降解胰蛋白酶抑制劑

胰蛋白酶抑制劑在豆類中含量豐富[26]，會(huì)抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性，影響蛋白質(zhì)水解。食用過(guò)多胰蛋白酶抑制劑含量豐富的食物，會(huì)降低生物體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，甚至造成胰腺肥大或增生[27]。因胰蛋白酶抑制劑的結(jié)構(gòu)中存在二硫鍵，加熱處理通常不能有效消除活性。但大多數(shù)大豆制品經(jīng)發(fā)酵后都只含少量胰蛋白酶抑制劑[28]。ZHENG等[29]將具有高蛋白酶活性的暹羅芽孢桿菌，以10∶1(mL∶g)的比例接種在未滅菌的豆粕中，發(fā)酵24 h后，豆粕的蛋白結(jié)構(gòu)變?yōu)橄鄬?duì)較小的聚集體和較松散的網(wǎng)絡(luò)狀，胰蛋白酶抑制劑含量降低70.3%。和豆類的結(jié)果相似，RANJAN等[11]在脫油米糠中接種米根霉，固態(tài)發(fā)酵3 d后胰蛋白酶抑制劑活性顯著降低。小麥蛋白可誘導(dǎo)小鼠出現(xiàn)免疫原發(fā)性腸功能障礙，CAMINERO等[30]篩選出具有高水解胰蛋白酶抑制劑能力的乳酸桿菌，并用可被該菌發(fā)酵的麥麩喂養(yǎng)小鼠，小鼠的腸功能障礙得到緩解，這證實(shí)了微生物發(fā)酵法可以改善麥麩抗?fàn)I養(yǎng)性。

2.2 微生物發(fā)酵法降解植酸

植酸是谷物及堅(jiān)果中磷的主要存在形式，目前僅在植物來(lái)源的食物中發(fā)現(xiàn)，肌醇磷酸酯和肌醇多磷酸酯是植酸最主要的形式[31]。植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用主要表現(xiàn)在易與Ca2+、Fe3+和Zn2+等結(jié)合，導(dǎo)致礦物質(zhì)不能被吸收，出現(xiàn)缺乏癥狀[32]。有學(xué)者認(rèn)為，微生物發(fā)酵降低植酸含量的原因是發(fā)酵導(dǎo)致pH下降到植酸酶最適pH，高活性的植酸酶加快了對(duì)植酸的分解[33]。CIZEIKIENE等[34]利用乳酸菌替換酵母菌對(duì)黑麥面團(tuán)進(jìn)行發(fā)酵，然后將面團(tuán)制成面包，并模擬胃腸道pH進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，發(fā)酵面包中Fe、Zn、Mn、Ca和P等礦物質(zhì)的溶解度平均提高30%，推斷發(fā)酵過(guò)程中植酸被降解。另一種被廣泛接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，植酸含量降低是由于發(fā)酵過(guò)程中微生物產(chǎn)生了植酸酶[35]。JAIN等[36]運(yùn)用枯草芽孢桿菌JJBS250處理小麥粉24 h后，植酸含量降低了55%，經(jīng)SDS-PAGE證實(shí)，可溶性蛋白的釋放量是在處理過(guò)程中逐步升高的。由此可見，芽孢桿菌極有可能在發(fā)酵過(guò)程中分泌植酸酶，并非只有產(chǎn)酸菌種會(huì)導(dǎo)致植酸失活。

2.3 微生物發(fā)酵法降解非淀粉多糖

谷物中的非淀粉類多糖是一種多糖聚合體，由糖苷鍵將糖醛酸和單糖連接起來(lái)，也可以形成支鏈結(jié)構(gòu)，并與無(wú)機(jī)離子和蛋白質(zhì)相結(jié)合。這些多糖難以被單胃生物的消化系統(tǒng)消化吸收，容易造成食糜在消化道內(nèi)堆積，干擾消化酶正常功能，導(dǎo)致腸道微生物紊亂[19]。已經(jīng)證明，乳酸菌發(fā)酵可以減少谷物中非淀粉多糖的含量。EJBY等[37]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌對(duì)木聚糖及被阿拉伯糖基修飾的木寡糖表現(xiàn)出廣泛的特異性，并可利用木三糖和木四糖。REFSTIE等[38]的研究證實(shí)了棉子糖也可被乳酸菌利用，飼料豆粕經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后棉子糖含量降低。除乳酸菌外，芽孢桿菌、霉菌等微生物對(duì)糖類抗?fàn)I養(yǎng)因子也具有降解能力。張變英等[39]用黑曲霉對(duì)小麥進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵后提取液的相對(duì)黏度和戊聚糖含量都有所下降。

2.4 微生物發(fā)酵法降解凝集素

植物凝集素是一種糖蛋白，易附著在紅細(xì)胞上引起凝集反應(yīng)。富含植物凝集素的食物經(jīng)過(guò)消化道，其中的凝集素與腸上皮細(xì)胞結(jié)合，影響腸上皮細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸和水解功能，阻礙腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，引發(fā)全身性的反應(yīng)[40]。由于凝集素具有明顯熱敏性，熱加工或熟制過(guò)程即可消除其生物活性，不需要采取其他處理，因此，利用微生物發(fā)酵消除植物凝集素的研究相對(duì)較少。在已有研究中，關(guān)于植物凝集素在微生物發(fā)酵過(guò)程中是否降解有不同說(shuō)法，BARKHOLT等[41]認(rèn)為乳酸菌發(fā)酵對(duì)豆類凝集素沒(méi)有任何影響，但是付弘贇等[42]發(fā)現(xiàn)蠟樣芽孢桿菌和植物乳桿菌混合發(fā)酵36 h，對(duì)豆類凝集素的消除作用顯著。

2.5 微生物發(fā)酵法降解其他抗?fàn)I養(yǎng)因子

除上述抗?fàn)I養(yǎng)因子外，谷物中還存在一些含量較少或范圍較小的抗?fàn)I養(yǎng)因子，如過(guò)敏原、單寧等。β-伴大豆球蛋白是一種大豆中的抗原蛋白，可以穿過(guò)消化道上皮細(xì)胞，或與表面受體結(jié)合，產(chǎn)生特異性抗體，釋放炎性因子，影響腸道的消化功能和通透性，導(dǎo)致過(guò)敏反應(yīng)[43]。AGUIRRE等[44]發(fā)現(xiàn)乳酸菌可以降解β-伴大豆球蛋白的α′-亞基。單寧在小麥、玉米、大麥和粟米中含量豐富，動(dòng)物攝食后會(huì)抑制消化酶活性，減少蛋白質(zhì)的分解，影響攝食量[45]。有學(xué)者認(rèn)為乳酸菌發(fā)酵可以水解谷物中的單寧和植酸[46]。發(fā)酵引起的單寧含量降低可能是由于菌群產(chǎn)生多酚氧化酶或單寧酶，對(duì)單寧產(chǎn)生了水解作用。但是由于不同微生物產(chǎn)生單寧降解酶的過(guò)程存在差異，而且也有研究發(fā)現(xiàn)，微生物發(fā)酵對(duì)單寧物質(zhì)的降解作用并不明顯。ELYAS等[47]研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下發(fā)酵36 h并不會(huì)導(dǎo)致小米發(fā)酵樣品的單寧含量發(fā)生變化。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，微生物發(fā)酵法被廣泛用于谷物抗?fàn)I養(yǎng)因子的降解，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)也發(fā)揮著極其重要的作用。其降解原理可以歸結(jié)為：在發(fā)酵過(guò)程中微生物產(chǎn)生的酶類可以水解這些抗?fàn)I養(yǎng)因子；發(fā)酵過(guò)程導(dǎo)致pH變化，對(duì)酸堿敏感的物質(zhì)變性，谷物自身的部分酶系被激活，從而消除了抗?fàn)I養(yǎng)作用；在微生物的生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，部分蛋白類、多糖類的抗?fàn)I養(yǎng)因子被用于微生物的生理代謝活動(dòng)。與物理、化學(xué)方法相比，微生物發(fā)酵法的降解效果更顯著，適用于各類抗?fàn)I養(yǎng)因子。此外，微生物發(fā)酵還能將大分子物質(zhì)降解成更易消化的小分子，積累微生物有益的代謝產(chǎn)物，提高谷物消化率，加強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，改善口味口感。

但是微生物發(fā)酵法目前也面臨著處理時(shí)間長(zhǎng)、處理設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題，其中部分菌種的安全性也仍需評(píng)定，且在培養(yǎng)和發(fā)酵過(guò)程中，微生物菌劑的活性很難控制和保證，難以達(dá)到穩(wěn)定、一致的效果。OSMAN[48]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)傳統(tǒng)乳酸菌發(fā)酵后的粟米樣品，單寧含量會(huì)隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。因此，尋找安全、穩(wěn)定、能同時(shí)消除多種抗?fàn)I養(yǎng)因子的發(fā)酵菌種、選擇快速、合適并易于操作的發(fā)酵方式以及將微生物發(fā)酵法運(yùn)用到更多品種谷物中，將是微生物發(fā)酵法降解谷物抗?fàn)I養(yǎng)因子的未來(lái)發(fā)展方向。