益生菌發(fā)酵果蔬汁研究進(jìn)展

張麗華，查蒙蒙，李順峰，李昌文，縱偉，趙光遠(yuǎn)

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001；3.河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450001；4.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南 鄭州 450002

0 引言

益生菌被定義為一種活的微生物，當(dāng)其達(dá)到一定數(shù)量時，能促進(jìn)食用者的身體健康[1].研究表明，益生菌具有維持腸道微生態(tài)平衡、增強機體免疫力等益生功能[2].目前，益生菌被廣泛應(yīng)用于乳制品、肉制品、發(fā)酵果蔬、發(fā)酵谷物及保健品行業(yè)，其產(chǎn)品形式擴(kuò)展到片劑、膠囊、顆粒狀包裝的菌體、凍干菌粉、發(fā)酵乳或果蔬的凍干粉劑等[3].

果蔬營養(yǎng)價值高，富含多種人體所需的維生素、礦物質(zhì)和生理活性因子，開發(fā)以果蔬原料為載體的益生菌發(fā)酵制品既能改善乳糖不耐癥、提高機體免疫力，還具有降血脂、保護(hù)肝臟等功能[1,4].因此，利用益生菌發(fā)酵技術(shù)對果蔬原料進(jìn)行精深加工，已成為延伸果蔬深加工產(chǎn)業(yè)、提高其附加值的研究熱點.近年來，國內(nèi)外關(guān)于益生菌發(fā)酵果蔬汁的研究日益增多，本文就益生菌發(fā)酵對果蔬汁理化性質(zhì)的影響進(jìn)行綜述，同時對發(fā)酵果蔬汁的益生菌活性保持技術(shù)和益生功能進(jìn)行歸納和總結(jié)，旨在為深入研究益生菌發(fā)酵對果蔬汁營養(yǎng)和功能性質(zhì)的影響提供參考.

1 益生菌發(fā)酵對果蔬汁理化性質(zhì)的影響

目前，應(yīng)用于果蔬汁發(fā)酵的益生菌主要有乳桿菌(植物乳桿菌、干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌等)和雙歧桿菌(動物雙歧桿菌、兩歧雙歧桿菌、長雙歧桿菌等)[1].

1.1 物理性質(zhì)的變化

益生菌發(fā)酵對果蔬汁物理性質(zhì)影響的研究主要集中在兩方面.一方面是風(fēng)味物質(zhì)的變化，新鮮果蔬汁往往呈現(xiàn)一定的澀味、酸味、辛辣味或異味，這與其含有的飽和直鏈醛類相關(guān)[5-7].研究發(fā)現(xiàn)，飽和直鏈醛是一種不穩(wěn)定的化合物，通常呈現(xiàn)令人不愉快的、辛辣的、刺激性澀味[8]，極易在微生物代謝活動中被分解為醇或被氧化為酸[9].R.Di Cagno等[6]研究發(fā)現(xiàn)，石榴汁發(fā)酵后，可導(dǎo)致異味的飽和直鏈醛類物質(zhì)含量減少，醇類和酯類物質(zhì)含量增加，有效改善了石榴汁的風(fēng)味.H.Gao等[10]利用植物乳桿菌發(fā)酵苦瓜汁發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵改變了苦瓜汁的香氣輪廓，醛和酮類物質(zhì)的減少、酒精和酸類物質(zhì)的增加賦予了苦瓜汁更理想的風(fēng)味.同時，發(fā)酵對果蔬汁產(chǎn)品的色澤和香氣也有明顯的影響.例如，經(jīng)復(fù)合菌株發(fā)酵后，西印度櫻桃和番石榴這兩種果蔬汁的亮度均顯著提高[11].用干酪乳桿菌發(fā)酵可改變甜瓜和腰果蘋果汁的揮發(fā)性特征香氣，使其具有水果和乳酸菌發(fā)酵的混合香味[4].然而，菠蘿蜜汁經(jīng)干酪乳桿菌發(fā)酵后，整體感官特性與發(fā)酵前沒有顯著差異[12].同一菌株對不同發(fā)酵基質(zhì)的風(fēng)味影響不同，這可能是因為發(fā)酵基質(zhì)中營養(yǎng)成分的差異會對益生菌的生長造成一定影響，最終導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)出現(xiàn)一定的差別.

1.2 化學(xué)成分的變化

研究表明[13]，果蔬汁經(jīng)益生菌發(fā)酵后，有機酸、花青素等功能活性成分含量增加，能賦予產(chǎn)品更好的功能特性.紅棗經(jīng)酵母菌發(fā)酵后制備的紅棗酒和紅棗醋產(chǎn)品，不僅能夠保留紅棗中的大部分營養(yǎng)物質(zhì)，還增加了游離鐵的含量，營養(yǎng)價值顯著提高[14].R.Kaprasob等[15]采用植物乳桿菌、干酪乳桿菌和嗜酸乳桿菌發(fā)酵腰果蘋果汁，其丹寧、VC和酚類代謝產(chǎn)物含量均有所增加.棗汁經(jīng)植物乳桿菌發(fā)酵后，其γ-氨基丁酸、短鏈脂肪酸、共軛脂肪酸、總酚和類黃酮的含量均有所增加[16].藍(lán)莓汁經(jīng)過發(fā)酵后，酚類化合物含量增加40%，花青素含量增加15.38%[17].多酚類物質(zhì)是果蔬中的功能性因子，尤其是鞣花丹寧和黃酮類化合物，都具有潛在的抗菌活性[18-19].酚類物質(zhì)的增加主要是由于乳酸菌發(fā)酵過程中產(chǎn)生的酶和羧酸破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使存在于植物組織中的結(jié)合態(tài)酚類和黃酮類物質(zhì)釋放成為游離態(tài)，從而增加了發(fā)酵后的總酚含量和總黃酮含量[20-21].然而，芒果汁經(jīng)短乳桿菌MPL39發(fā)酵后，總酚含量顯著降低[22]，蘋果汁經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后，總酚和黃酮含量也顯著降低[23].由此可見，益生菌發(fā)酵對果蔬汁化學(xué)成分的影響與發(fā)酵菌株、發(fā)酵基質(zhì)等因素有關(guān).

2 發(fā)酵果蔬汁的益生菌活性保持技術(shù)

如何保證益生菌在發(fā)酵果蔬汁中有較高的活性及足夠的數(shù)量定殖在人體腸道內(nèi)，是近年來益生菌研究的熱點之一.研究表明[24]，當(dāng)益生菌在腸道內(nèi)的數(shù)量達(dá)到106～107CFU/mL時，才能對人體健康起到促進(jìn)作用.目前，市面上的益生菌由于種類不同，其活性、抗酸性、耐熱性、儲存性能等均不同，經(jīng)過胃腸液的消化作用，最終到達(dá)腸道的活菌數(shù)遠(yuǎn)小于達(dá)到益生效果所需的數(shù)量，導(dǎo)致益生菌產(chǎn)品不能達(dá)到預(yù)期的益生效果.為了解決這一問題，目前常采用輔助益生元、微膠囊包埋、優(yōu)化發(fā)酵條件等方法提高益生菌發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品中的益生菌活性.

2.1 輔助益生元

益生元是一種人體不能消化的食物成分，攝入后不能被小腸消化吸收而直達(dá)大腸.大腸中的微生物(如乳酸菌)選擇性地將益生元作為碳源，以促進(jìn)自身生長和提高自身活性，從而對宿主產(chǎn)生健康效應(yīng).最常見的商品化植物益生元包括低聚果糖、菊粉、低聚異麥芽糖、低聚木糖、抗性糊精、大豆低聚糖、柑橘纖維等.陳樹俊等[25]以蘋果-番茄-沙棘復(fù)合果蔬汁為發(fā)酵原料，通過添加菊粉和低聚果糖，使發(fā)酵果蔬汁中的活菌數(shù)由107～108CFU/mL提高到1011CFU/mL.陳亞楠等[26]研究表明，添加β-環(huán)糊精和木糖醇的陳皮柑飲料在4 ℃條件下儲存28 d后，活菌數(shù)始終維持在108CFU/mL左右.因此，在果蔬汁發(fā)酵過程中添加益生元，不僅能顯著增加發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品的活菌數(shù)，而且能增強發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品的益生菌活力，進(jìn)而顯著延長發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品的貨架期.

2.2 微膠囊包埋技術(shù)

微膠囊技術(shù)是指利用天然或合成的高分子包囊材料，將固體、液體或氣體的微小囊核物質(zhì)包覆形成具有半透明或密封囊膜的微型膠囊(直徑在1～5000 μm范圍內(nèi))的技術(shù).利用微膠囊技術(shù)將益生菌包埋在腸溶性壁材中，不僅可以增強菌體對不良環(huán)境的抵抗性，還能在腸道適宜條件下使微膠囊中的益生菌快速釋放，為提高益生菌的活菌數(shù)，以及更好地發(fā)揮其益生作用提供了途徑[27-28].常用的微膠囊包埋技術(shù)有擠壓法、乳化法和噴霧干燥法[29]，在益生菌微膠囊制備過程中，常采用多糖類(淀粉、纖維素、海藻酸鹽、果膠、卡拉膠、殼聚糖等)、蛋白質(zhì)類(大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、明膠、β-乳球蛋白等)、脂類(植物油、石蠟等)等作為壁材[30].以質(zhì)量濃度為200 g/L的抗性糊精為保護(hù)劑制備粒徑為4 mm的海藻酸鈉微膠囊，可顯著提高植物乳桿菌在發(fā)酵蘋果汁中的活性，冷藏21 d后菌體存活率達(dá)81%[31].由低聚糖-海藻酸鈉包裹的副干酪乳桿菌，也可顯著提高菌體在低溫貯藏 28 d的發(fā)酵蘋果汁中的存活率[24].田懷香等[3]以植物乳桿菌為發(fā)酵菌株, 以乙二胺四乙酸鈣(EDTA-Ca)為鈣載體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的海藻酸鈉為壁材，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的殼聚糖-三聚磷酸鈉為涂層材料，制備的微膠囊包埋率≥80%，能有效保護(hù)植物乳桿菌免受胃酸損害，經(jīng)模擬胃液處理2 h后其菌體存活率≥50%，模擬腸液處理2 h后釋放率≥90%，所得酵素粉不需冷藏保存，保質(zhì)期內(nèi)的活菌數(shù)仍≥3.2×109CFU/g；與發(fā)酵前果汁相比，清除自由基能力提高了近20%.通過微膠囊包埋技術(shù)，益生菌活菌數(shù)顯著提高，可以更好地在腸道中黏附和定殖，更大程度地發(fā)揮其益生作用.

2.3 優(yōu)化發(fā)酵條件

細(xì)胞生長必需的成分包括碳源、氮源、無機鹽、促生長物質(zhì)等，這些營養(yǎng)成分顯著影響乳酸菌的生長速率.在發(fā)酵過程中，外界環(huán)境如接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間等都會對益生菌的生長能力造成一定的影響，進(jìn)而直接影響發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì).侯銀臣等[32]通過優(yōu)化發(fā)酵條件發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵液初始pH值6.00、種子液接種量1.60%、發(fā)酵時間17 h條件下，桑葚酵素中DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)自由基清除率達(dá)96.82%.王惠[33]研究了發(fā)酵時間和發(fā)酵溫度對發(fā)酵樹莓汁益生菌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在37 ℃條件下發(fā)酵72 h，發(fā)酵樹莓汁中的副干酪乳桿菌生長情況更好，活菌數(shù)達(dá)到2.8×109CFU/mL.仵白敏[34]以葡萄汁為發(fā)酵原料，接種植物乳桿菌與短乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵，其研究結(jié)果表明，按照植物乳桿菌與短乳桿菌的復(fù)配比例為1∶2、接種量為7 %，發(fā)酵的葡萄汁中活菌數(shù)可達(dá)109CFU/mL.與單一菌種發(fā)酵果蔬汁相比，利用兩種及兩種以上菌種發(fā)酵時，不僅要優(yōu)化發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間和接種量，還要優(yōu)化不同菌種的復(fù)配比例，最大限度地為益生菌細(xì)胞的生長提供最適環(huán)境，確保發(fā)酵果蔬汁產(chǎn)品具有較高的活菌數(shù).

3 發(fā)酵果蔬汁的益生功能

3.1 腸道益生功能

目前，關(guān)于益生菌發(fā)酵果蔬汁的腸道益生功能研究剛剛起步.發(fā)酵果蔬汁中富含植物性膳食纖維、有機酸、低聚糖和多種酶類，有助于胃腸對食物的消化和吸收、恢復(fù)腸道內(nèi)菌群平衡、改善人體胃腸道功能、增強腸道的蠕動能力，從而促進(jìn)腸道菌群代謝功能向有利于宿主健康的方向轉(zhuǎn)變[35-39].通過飲用益生菌發(fā)酵果蔬汁，攝入人體的益生菌能夠與宿主黏膜上皮細(xì)胞結(jié)合形成占位性保護(hù)，具有生物屏障作用；益生菌在腸道內(nèi)定殖后，代謝產(chǎn)生的有機酸等抗菌物質(zhì)具有生物拮抗作用[35].目前，研究者對發(fā)酵果蔬汁發(fā)揮腸道益生功能的研究主要集中在代謝產(chǎn)物和益生菌的黏附特性等領(lǐng)域.

3.1.1 增加益生代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸是腸道微生物群的代謝產(chǎn)物(主要包括乙酸、丙酸、丁酸等)，由益生菌利用果蔬汁中的碳水化合物、膳食纖維、蛋白質(zhì)和肽進(jìn)行各種代謝反應(yīng)而產(chǎn)生[40].發(fā)酵果蔬汁中短鏈脂肪酸產(chǎn)生量的增加，能提高腸道酸度，促進(jìn)腸道益生菌(如乳桿菌、雙歧桿菌等)的生長，并抑制病原菌(如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等)的定殖，如丁酸鹽，能夠修復(fù)由潰瘍性結(jié)腸炎引起的腸道上皮細(xì)胞受損，抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖[41].P.Chaikham等[42]采用人體腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)模擬器，利用微囊化的嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌復(fù)合菌株發(fā)酵的龍眼汁，其乳酸、丙酸鹽、丁酸鹽和乙酸鹽的含量均顯著增加.植物乳桿菌發(fā)酵可增加紅棗汁中γ-氨基丁酸、短鏈脂肪酸、共軛脂肪酸的含量[16].

益生菌發(fā)酵果蔬汁后，不僅會增加短鏈脂肪酸含量，同時也會產(chǎn)生其他有助于腸道黏膜修復(fù)的代謝產(chǎn)物.朱艷等[36]研究表明，果蔬發(fā)酵汁中發(fā)揮益生功效的物質(zhì)主要是黃酮和多酚類物質(zhì).發(fā)酵果蔬汁中的黃酮類、有機酸類及糖苷類化合物，通過增加梭狀芽孢桿菌、優(yōu)桿菌屬、瘤胃球菌屬、顫螺旋菌屬等在腸道的相對豐度，改善腸道微環(huán)境，起到輔助通便的作用.在發(fā)酵過程中，益生菌代謝可以合成多種維生素[35]，其中，煙酸可以結(jié)合GPR109A(由Niacr1編碼，是結(jié)腸中丁酸鹽的受體)，促進(jìn)小鼠樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生抗炎因子白細(xì)胞介素-10，進(jìn)而誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞產(chǎn)生和抑制輔助性T細(xì)胞(Th)17產(chǎn)生，同時，煙酸通過GPR109A受體可提高腸道上皮細(xì)胞白細(xì)胞介素-18的表達(dá)，從而促進(jìn)腸道黏膜屏障的損傷修復(fù)[37].

3.1.2 阻止病原菌的黏附和定殖黏附是益生菌在腸道內(nèi)定殖、發(fā)揮益生功效的前提條件，定殖于腸道的益生菌能夠增強腸道上皮細(xì)胞的屏障功能，抑制腸道有害菌(如大腸桿菌、沙門氏菌等)在腸道中定殖，對維持機體的新陳代謝、能量平衡，促進(jìn)腸道發(fā)育，調(diào)節(jié)免疫和吸收發(fā)揮重要作用[38-43].朱艷等[36]通過研究發(fā)現(xiàn)，益生菌發(fā)酵果蔬汁能夠提升飲用者的腸道益生菌黏附能力.共生的腸道菌能夠產(chǎn)生各種水溶性小分子物質(zhì)(表面或胞外蛋白、細(xì)菌素、脂肪酸、肽和核酸酶等)，這些小分子物質(zhì)能夠感知周圍環(huán)境，與相應(yīng)的細(xì)胞表面、黏膜、細(xì)胞質(zhì)、核酸等相互作用，快速識別感應(yīng)位點，調(diào)控宿主和共生菌表型相關(guān)的基因表達(dá)，保持宿主機體健康[44].益生菌的表層蛋白可增強其與上皮細(xì)胞的黏附能力，使得益生菌占位定殖，從而阻止病原菌與腸道黏膜受體的結(jié)合，對腸道有害菌有明顯的拮抗作用，可以抑制有害菌的生長繁殖，阻止病原菌的感染.

3.2 其他益生功能

除了腸道益生功能外，近年來，富含酚類、黃酮類化合物的發(fā)酵果蔬汁的抗氧化活性、抑菌能力、改善Ⅱ型糖尿病等已成為國內(nèi)外營養(yǎng)學(xué)者關(guān)注的熱點.C.A.Torres等[45]研究發(fā)現(xiàn)，多酚類和類黃酮含量與抗氧化活性直接相關(guān).植物乳桿菌發(fā)酵增加了總酚和類黃酮的含量，因此可增加發(fā)酵棗汁的抗氧化能力[16].藍(lán)莓汁經(jīng)發(fā)酵后，花青素含量可增加15.38%，DPPH、超氧化陰離子基和羥基的清除能力均顯著增強，Caco-2(人結(jié)直腸腺癌細(xì)胞)模型的氧化損傷也得到有效緩解[17].干酪乳桿菌發(fā)酵的菠蘿蜜汁，其抗氧化活性增至305.204 mmol/L Fe(Ⅱ)/mg，DDPHIC50為15.65 mg/mL，對大腸桿菌0157:H7 (95%)、腸炎沙門氏菌鼠傷寒血清變種(98%)和金黃色葡萄球菌(95%)具有強抗菌活性，乳酸和γ-氨基丁酸含量均顯著增加[12].利用乳酸菌進(jìn)行深層發(fā)酵也可以提高西印度櫻桃和番石榴的活性成分含量和抗氧化活性[11].可見，果蔬汁經(jīng)益生菌發(fā)酵后，營養(yǎng)成分和功能特性均得到顯著提高，同時也表明果蔬汁可作為益生菌發(fā)酵的良好基質(zhì)，這為益生菌在非乳制品加工中的應(yīng)用提供了參考.

4 結(jié)語與展望

益生菌及腸道菌群的研究正成為醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、食品科學(xué)等學(xué)科交叉及深度互融的前沿與熱點研究領(lǐng)域的發(fā)展方向，采用益生菌發(fā)酵果蔬汁能綜合果蔬與益生菌的優(yōu)點，為飲料行業(yè)發(fā)展指出了新的方向.但目前關(guān)于益生菌發(fā)酵果蔬汁的產(chǎn)品在市場上還沒有優(yōu)良的品牌出現(xiàn)，主要是現(xiàn)在發(fā)酵果蔬汁還處于實驗室研究階段，尚未具備大批量生產(chǎn)的條件.因此，關(guān)于發(fā)酵果蔬汁未來的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：1)益生菌的生長有一定的選擇性，需根據(jù)不同的果蔬汁篩選出適合的發(fā)酵菌株；2)提高發(fā)酵果蔬汁中益生菌在貯藏期間的存活率，確保在貨架期食用的有效性；3)研究發(fā)酵果蔬汁與人體消化道健康、免疫調(diào)節(jié)關(guān)系的機制，強化功能性，使其滿足某些特殊人群的營養(yǎng)需要.