食用植物酵素開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究進展

易媛,左勇,*,黃雪芹,楊建飛,徐佳,馬倩,胡琨

1(四川輕化工大學(xué) 生物工程學(xué)院,四川 宜賓,644000)2(四川師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,四川 成都,610101)

傳統(tǒng)食用植物酵素是以數(shù)十種蔬果為原料,利用高濃度的糖進行腌制,在酵母、乳酸菌等微生物的發(fā)酵下形成的褐色、黏稠性飲料[1]。廣義上的食用植物酵素也指一些傳統(tǒng)的發(fā)酵食品,如泡菜、納豆、味增等[2]。食用植物酵素中不但含有發(fā)酵原料所固有的營養(yǎng)物質(zhì),還含有發(fā)酵所產(chǎn)生的醇類、酚類、有機酸、細菌素等[3],賦予了酵素良好的風(fēng)味和清潔腸道、解酒護肝、抗氧化、抗菌、消炎等功效[4-6]。

隨著食用植物酵素消費熱、學(xué)術(shù)熱、投資熱的興起,市場上的酵素產(chǎn)品越來越多,但由于存在原料種類繁多、工藝各異、功效不明確等問題,導(dǎo)致食用植物酵素的發(fā)展受到制約。目前,國內(nèi)食用植物酵素還處于研究起步階段,缺少自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和深入人心的本土酵素品牌。本文對食用植物酵素的研究現(xiàn)狀進行概述,以期為開發(fā)功能性食用植物酵素產(chǎn)品,提升產(chǎn)品品質(zhì)以及實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 食用植物酵素的微生物多樣性

食用植物酵素的制備涉及豐富的植物原料,其微生物的多樣性和豐度因原料和加工環(huán)境的不同而有所差異,導(dǎo)致酵素發(fā)酵機理復(fù)雜,發(fā)酵過程不易控制[7]。在高糖環(huán)境下,隨著發(fā)酵的進行,部分微生物如酵母、乳酸菌快速生長成為優(yōu)勢菌群,為產(chǎn)品提供典型的感官特征[8]。但以傳統(tǒng)方法制備酵素,易受病原菌污染,存在產(chǎn)品安全性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等問題,對酵素微生物的結(jié)構(gòu)和組成進行全面而深入的了解,是解決上述問題的基礎(chǔ)[9]。

食用植物酵素中微生物的多樣性分析,可采用傳統(tǒng)培養(yǎng)法、高通量測序技術(shù)、末端限制性片段長度多態(tài)性分析、DNA宏條形碼、寡核苷酸配型技術(shù)等方法[10]。邸鵬月等[11]采用宏基因組技術(shù)分析桑葚酵素中微生物的多樣性及群落動態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)乳桿菌屬是整個發(fā)酵過程中的優(yōu)勢菌,魏斯氏菌屬、片球菌屬、明串珠菌屬以及漢遜酵母主要作用于發(fā)酵前期,隨著發(fā)酵過程中pH的降低,其含量減少,但醋酸桿菌屬在整個發(fā)酵時期較穩(wěn)定存在。CHIOU等[12]利用16S rRNA基因的454焦磷酸測序,研究發(fā)現(xiàn)kso發(fā)酵期間,變形桿菌是起始菌群的優(yōu)勢門,發(fā)酵3 d后,雙歧桿菌、白串珠菌、乳球菌和乳酸菌占細菌總數(shù)的96%以上；7 d后,未定義的“乳酸菌1”在的細菌總數(shù)中占了50%以上,但未定義的“乳酸菌1”似乎是一個難培養(yǎng)的菌種,迄今尚未分離。傳統(tǒng)食用植物酵素菌落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,發(fā)酵機理不明確,對酵素不同發(fā)酵階段的微生物多樣性進行分析,能為研究酵素發(fā)酵機理、篩選優(yōu)良優(yōu)勢菌種、實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)由自然發(fā)酵到接種發(fā)酵的技術(shù)轉(zhuǎn)變打下基礎(chǔ)。

2 食用植物酵素的制備技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)食用植物酵素一般需要經(jīng)過原料預(yù)處理、成分調(diào)整、主發(fā)酵、后處理等多個步驟,其典型發(fā)酵工藝流程如圖1所示。

圖1 食用植物酵素發(fā)酵工藝流程FIG.1 Fermentation process of edible plant Jiaosu

食用植物酵素產(chǎn)品的質(zhì)地、風(fēng)味以及所獲得的生物活性物質(zhì),主要受微生物類型和發(fā)酵基質(zhì)(如溫度和pH條件)2個因素影響[13-14]。若從菌種選育、原料配方、發(fā)酵條件、產(chǎn)品穩(wěn)定性著手,對食用植物酵素的微生物類型和發(fā)酵基質(zhì)進行控制,能提高產(chǎn)品品質(zhì),實現(xiàn)食用植物酵素的標準化、現(xiàn)代化生產(chǎn)。

2.1 原料配方優(yōu)化

市場上的食用植物酵素往往由幾十種甚至上百種果蔬、中藥材制成,當某些成分混合在一起,可能會相互作用形成沉淀，或發(fā)生氧化分解,導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的丟失或減少[15]。此外,一些物質(zhì)“過量”可能會產(chǎn)生副作用,比如高濃度的不溶性纖維會產(chǎn)生沙粒感、多酚含量過高會產(chǎn)生苦味和澀味[16]。食用植物酵素的配方?jīng)Q定了最終產(chǎn)品的功能特性,因而原料配方的優(yōu)化有利于提高目標生物活性成分的含量和感官屬性[17]。

FERNANDES等[18]利用食品添加劑來提高雜糧飲料的穩(wěn)定性和功能性。研究表明,大麥、燕麥、蕎麥和紅米的最佳復(fù)配比例分別為3.34∶3.98∶2.48∶0.26(質(zhì)量比),低聚果糖7.5%、車前草殼0.10%、黃原膠0.04%、瓜爾膠0.06%(均為質(zhì)量分數(shù))是提高雜糧飲料性能的最佳選擇,適用于開發(fā)低血糖指數(shù)雜糧飲料。王乃馨等[19]對牛蒡酵素飲料的原料配比和飲料配方進行了優(yōu)化：牛蒡20.00%、山楂48.24%、枸杞10.72%、蘋果3.92%,其他水果蔬菜17.12%(均為質(zhì)量分數(shù))；飲料最佳配方為：酵素添加量13.65%,白糖添加量15%,蜂蜜添加量2.95%(均為質(zhì)量分數(shù)),該條件下酵素飲料的感官得分最高,風(fēng)味良好。張旭普等[20]為促進糙米酵素中釀酒酵母和植物乳桿菌快速生長,以活菌數(shù)為指標對傳統(tǒng)糙米酵素發(fā)酵培養(yǎng)基組分進行了優(yōu)化,最佳成分(g/100 mL)為：蜂蜜3.38、糙米10.71、NaCl 0.24、小麥芽0.25、大麥芽0.50、(NH4)2SO40.50和茶葉粉0.025,最終的活菌數(shù)為優(yōu)化前的9.37倍。

2.2 發(fā)酵菌種的選育

自然發(fā)酵可能會受腐敗菌和病原微生物污染,使酵素的感官風(fēng)味、營養(yǎng)物質(zhì)和流變特性不可預(yù)測[21]。優(yōu)勢菌種的選育有利于改善基質(zhì)本身的微生物體系,加速和控制發(fā)酵進程,促進微生物安全性,改善產(chǎn)品質(zhì)地[22]。因此,發(fā)酵菌種的選育是食用植物酵素發(fā)酵工藝中的重要環(huán)節(jié)。目前,工業(yè)生產(chǎn)食用植物酵素多使用商業(yè)菌株,但商業(yè)菌株存在代謝靈活性低、對原料的適應(yīng)性差、缺少特異性等弊端[23]。從原料中篩選適應(yīng)于特定植物基質(zhì)的本地微生物,可以延長產(chǎn)品貨架期、改善產(chǎn)品性能,使其感官特性標準化,是解決上述缺陷的關(guān)鍵技術(shù)[24-25]。

LIAO等[26]基于生產(chǎn)甘露醇和雙乙酰的能力,從芒果皮和芒果肉中篩選出LeuconostocmesenteroidesMPL18和MPL39,作為混合發(fā)酵劑發(fā)酵芒果汁。與未發(fā)酵的芒果汁相比,發(fā)酵后的芒果汁總糖降低、甘露醇和雙乙酰含量升高、DPPH自由基清除能力增加、有機酸的種類增多；MICHALAK等[27]從天然發(fā)酵的卷曲甘藍中篩選出3株發(fā)酵能力最佳的菌株作為混合發(fā)酵劑,分別是LactobacillusparaplantarumG2114、L.plantarum332 和Pediococcuspentosaceus2211,有效促進了樣品酸化,并提高活菌數(shù)、抗氧化活性和抑菌活性;王海英[28]從自然發(fā)酵的番木瓜酵素中篩選出2株優(yōu)勢植物乳桿菌L8和L2,以及2株畢赤酵母Y2和Y13,用于復(fù)合發(fā)酵番木瓜酵素。結(jié)果表明,復(fù)合發(fā)酵產(chǎn)酸和抗氧化能力均優(yōu)于自然發(fā)酵。

2.3 發(fā)酵條件優(yōu)化

發(fā)酵條件的優(yōu)化是提高酵素品質(zhì)的有效手段。通常以功效酶活力、感官品評、生物活性物質(zhì)含量或抗氧化活性等為指標,采用正交設(shè)計和響應(yīng)面法,對影響食用植物酵素品質(zhì)的料液比、初始糖度、菌種接種量、發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度等條件進行優(yōu)化,得到最適發(fā)酵條件。

HASSANI等[29]采用響應(yīng)面法對高粱籽粒的預(yù)處理條件進行了優(yōu)化：浸泡度41%,發(fā)芽溫度27 ℃,發(fā)芽7 d。在此條件下,增加了發(fā)芽谷物的淀粉酶活性及部分生物活性成分；李凡等[30]以白首烏為原料,先接種0.2%的梅山酵母,30 ℃下振蕩發(fā)酵24 h,再接種3%比例為1∶1(體積比)的嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌,37 ℃靜置發(fā)酵36 h,最后于4～8 ℃低溫后發(fā)酵12 h產(chǎn)香，此發(fā)酵條件下的酵素含有大量益生菌和功效酶；KOH等[31]以發(fā)酵時間、菌株存活力、α-葡萄糖苷酶抑制活性以及感官評價為指標,利用響應(yīng)面法得到最佳工藝,當南瓜泥濃度約為40%,接種量為8 lg CFU/mL,接種溫度為35 ℃時,產(chǎn)品具有較高的益生菌存活率、抑α-葡萄糖苷酶活性和良好的感官品質(zhì)；洪厚勝等[32]優(yōu)化了多菌種發(fā)酵葡萄果渣酵素的工藝條件,結(jié)果表明當發(fā)酵初始pH 5.0、糖添加量8%、活菌接種量12%(體積分數(shù))、超聲時間60 min時,葡萄果渣酵素氣味獨特、口感滋味良好,多酚含量、原花青素濃度及抗氧化能力較高。

2.4 產(chǎn)品的穩(wěn)定性研究

食用植物酵素可分為活菌型酵素和非活菌型酵素兩類。非活菌型酵素需在發(fā)酵完成后采用巴氏滅菌、超高溫瞬時滅菌或微波滅菌等方法對酵素進行滅活,而活菌型酵素需要在儲存、零售和消費的整個過程中有嚴格的冷鏈條件以保證益生菌的活性。食用植物酵素的功能特性主要來源于酵素中的益生菌以及益生菌發(fā)酵后所產(chǎn)生的各種生物活性成分,因此在貨架期期間,需要維持這些生物活性物質(zhì)和益生菌的穩(wěn)定性,在某種程度上限制了食用植物酵素的發(fā)展[32]。

為保持益生菌活性,VIVEK等[34]對噴霧干燥的Sohiong益生菌果粉在儲藏期間的物理穩(wěn)定性進行了評價，結(jié)果表明噴霧干燥技術(shù)對植物乳桿菌在長時間貯藏后的存活率(106cells/g)有一定的保護作用；RA等[35]研究了草本提取物對6種益生菌型乳酸菌生存能力的影響，結(jié)果表明瓜汁中抗氧化成分與植物酚提取物的協(xié)同作用,提高了益生菌乳酸菌在4 ℃冷藏條件下的存活率；BATISTA等[36]通過添加葡萄糖氧化酶來增加益生菌酸奶的性能,與市售酸奶相比,葡萄糖氧化酶酸奶的乳酸和益生菌培養(yǎng)物活性適宜,pH值較低,雙乙酰、共軛亞油酸和多不飽和脂肪酸的值較高。此外,微膠囊化和納米膠囊化技術(shù)也可用于保護益生菌免受酸性介質(zhì)的傷害[37]。

3 食用植物酵素的生物活性成分

果蔬中含有生物活性營養(yǎng)分子,如營養(yǎng)素、維生素、礦物質(zhì)、纖維等,以及非營養(yǎng)植物化學(xué)物質(zhì),如酚類化合物、類黃酮、生物活性肽等。乳酸菌發(fā)酵能使生物活性化合物的結(jié)構(gòu)和類型發(fā)生變化,生成生物活性肽、短鏈脂肪酸或多糖等分子,并將酚類化合物轉(zhuǎn)化為具有附加生物價值的分子[38]。食用植物酵素作為功能性食品,對其生物活性成分的研究也成為熱點。

3.1 有機酸

在微生物作用下,食用植物酵素通過發(fā)酵能產(chǎn)生乳酸、乙酸、山梨酸和醋酸等有機酸,有利于產(chǎn)品維持酸性,防止腐敗微生物和致病菌的生長,提高產(chǎn)品安全性[39],并且能賦予產(chǎn)品獨特的風(fēng)味與口感[40],因此將有機酸作為食用植物酵素發(fā)酵的一項指標具有重要意義。

蔣增良等[41]對葡萄酵素中有機酸種類、含量及其體外抗氧化性能進行了研究。葡萄酵素中含有酒石酸、乙酸、檸檬酸、丙酮酸、莽草酸和富馬酸,并以前3種為主；MUYANJA等[42]研究了Bushera酵素發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機酸,主要包括乳酸、琥珀酸、丙酮酸、DL-焦谷氨酸、甲酸和檸檬酸,其中乳酸含量最高；方晟等[43]采用高效液相色譜法分析了百合酵素自然發(fā)酵過程中有機酸種類,其中以乳酸和醋酸為主,且含有草酸、L-酒石酸、L-蘋果酸、莽草酸、檸檬酸及琥珀酸,這些有機酸是影響百合酵素抗氧化活性的重要因素。

3.2 多酚類化合物

食用植物酵素發(fā)酵過程中的水解反應(yīng)可以增加酚類化合物和類黃酮的數(shù)量,提高其抗氧化活性[44]。NG等[45]檢測了發(fā)酵金線蓮中的天然抗氧化成分,有總酚、抗壞血酸、生育酚等,并表明乳酸發(fā)酵后其抗氧化活性的增加可能與總酚類化合物的增加有關(guān)；高慶超等[45]分析了不同黑果枸杞酵素發(fā)酵前后活性成分及抗氧化活性的變化,結(jié)果表明4種不同配方酵素的總黃酮、總酚含量和SOD酶活性均升高,但花青素含量下降,綜合發(fā)酵之后的各項活性成分指標來看,干果黑枸杞單獨發(fā)酵的質(zhì)量水平較好；LVAREZ等[47]研究了日本葡萄糖酸桿菌發(fā)酵草莓對其非花青素含量的影響,共鑒定出44個非花青素酚類化合物,其中5種為首次報道：單沒食子酸二葡萄糖、5-羥基阿魏酰己糖、二氫山奈酚己糖苷、山奈酚新橙皮苷和菊苣酸。在發(fā)酵過程中,大部分酚類化合物的含量增加,濃度最高的是兒茶素、香豆蔻酰己糖苷及沒食子酸葡萄糖苷。

3.3 其他活性成分

除上述生物活性物質(zhì),食用植物酵素中還含有多糖、維生素、生物活性肽、氨基酸和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。OKADA等[48]從酵素中發(fā)現(xiàn)了3種經(jīng)發(fā)酵生成的糖類,鑒定為β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖、海帶二糖和麥芽糖,其中β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖是一種新的糖,具有較低的甜度和消化率;KANCABAS等[49]發(fā)現(xiàn)boza可以被認為是良好的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶(angiotensin converting enzyme,ACE)抑制肽的來源,而ACE抑制肽具有降血壓和清除自由基等生理功能;WANG等[50]量化了康普茶中具有保肝作用的功能成分,發(fā)現(xiàn)D-蔗糖酸-1,4-內(nèi)酯可能是在康普茶中具有保護肝臟功能的關(guān)鍵功能成分。

4 總結(jié)與展望

盡管我國食用植物酵素行業(yè)起步較晚,但隨著科研人員的不懈努力,食用植物酵素的研發(fā)已經(jīng)取得一定的進展。高品質(zhì)食用植物酵素的開發(fā)與酵素的配方、發(fā)酵微生物、發(fā)酵條件、產(chǎn)品穩(wěn)定性及所含成分息息相關(guān)。有機酸和總酚含量是評價酵素品質(zhì)的主要指標,但酵素中有機酸和多酚類物質(zhì)的種類因產(chǎn)品原料不同而差異比較明顯,目前仍缺乏明確的標準；工藝方面主要研究了通過配方優(yōu)化、發(fā)酵劑篩選、發(fā)酵條件優(yōu)化來提高產(chǎn)品的功能特性和感官品質(zhì),但食用植物酵素原料豐富,發(fā)酵微生物多樣,導(dǎo)致發(fā)酵工藝各異,缺乏標準化。綜上所述,食用植物酵素的工業(yè)化發(fā)展還存在部分問題亟待解決。

食用植物酵素的混菌發(fā)酵是一個復(fù)雜的體系,其制備工藝和品質(zhì)優(yōu)化是酵素新產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵點和難點。為持續(xù)提高食用植物酵素品質(zhì)、推動酵素產(chǎn)業(yè)發(fā)展,生產(chǎn)出具有民族特色的酵素產(chǎn)品,后續(xù)研究應(yīng)針對以下方面：(1)基于傳統(tǒng)的自然發(fā)酵工藝,探究菌群結(jié)構(gòu)與變化、微生物組功能及代謝產(chǎn)物動態(tài)變化,進而進行其功能優(yōu)化調(diào)控。(2)對酵素自然發(fā)酵菌種進行選育和鑒定,以及優(yōu)化發(fā)酵工藝,開發(fā)具有典型風(fēng)味及高營養(yǎng)價值的食用植物酵素。(3)開發(fā)新興技術(shù),提高活性物質(zhì)穩(wěn)定性。(4)制定相關(guān)標準,完善評價體系,加強質(zhì)量控制,推進產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。隨著對上述問題的深入研究和科研的有序開展,食用植物酵素產(chǎn)業(yè)將得到大力發(fā)展。