發(fā)酵技術(shù)對食用種子及其制品改性的研究進(jìn)展

王曉燕，孫培利，焦捷，蒲瑩，曹效海，2，王樹林，2，3*

（1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海-甘肅食品研發(fā)與檢測聯(lián)合實驗室，青海 西寧 810016；3.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

發(fā)酵技術(shù)是一種古老的食品生物技術(shù)[1]，通過微生物產(chǎn)生的內(nèi)在有機(jī)催化劑將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的化合物[2]，被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，改善食品的營養(yǎng)價值、安全性、感官特性和功能特性[3]。根據(jù)發(fā)酵過程中的水分含量，將發(fā)酵分為固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵，根據(jù)發(fā)酵過程中涉及的微生物來源，有接種發(fā)酵和自然發(fā)酵[4]。

乳糖不耐受、膽固醇、致敏乳蛋白和素食主義的趨勢推動了非乳制品發(fā)酵載體的開發(fā)，食用種子在世界范圍內(nèi)廣泛種植和消費，是能量、礦物質(zhì)和維生素的極好來源，因此在不同的發(fā)酵載體中脫穎而出，在天然食品的營養(yǎng)和健康方面顯示出巨大的潛力[5-6]。將發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于食用種子及其制品可賦予或提高其加工性能或營養(yǎng)特性[2-3，7]。在發(fā)酵食用種子及其制品的研究應(yīng)用中多采用接種發(fā)酵以獲得穩(wěn)定且優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品[8]，乳酸菌和雙歧桿菌是最常用于該類發(fā)酵的細(xì)菌，此外，枯草芽孢桿菌、真菌（霉菌）也常用于發(fā)酵食用種子及其制品[2，9-10]。為了更好地了解發(fā)酵技術(shù)對食用種子及其制品的影響，本文綜述了發(fā)酵技術(shù)對食用種子及其制品改性的相關(guān)應(yīng)用研究。

1 發(fā)酵對加工性質(zhì)的影響

微生物利用碳水化合物產(chǎn)生氣體、酸和酶，使可食用種子或其制品的淀粉理化特性發(fā)生了改變，影響其加工性質(zhì)，進(jìn)而使淀粉基食品在質(zhì)構(gòu)、口感和風(fēng)味得到明顯的改善[11-12]。

發(fā)酵使得種子的淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生明顯改變，這種改變對于每一種發(fā)酵后的淀粉不盡相同。經(jīng)過發(fā)酵后的淀粉顆粒表面遭到侵蝕，淀粉的重均分子量下降，結(jié)晶層改變，造成與結(jié)晶度呈負(fù)相關(guān)的淀粉水解敏感性發(fā)生改變[11，13-14，15-16]。食用種子及其制品經(jīng)發(fā)酵后其糊化特性也會發(fā)生改變，如玉米淀粉和糙米淀粉發(fā)酵后的糊化焓發(fā)生明顯改變[16-17]，自然發(fā)酵的小麥淀粉具有較低的峰值黏度和最終黏度[11]，用植物乳桿菌發(fā)酵的高粱的凝膠化溫度和回生溫度降低，而峰值黏度、熱糊黏度、破裂黏度和最終黏度增加[18]，自然發(fā)酵后的高粱淀粉峰值黏度及回生值增加[13]，天然釀酒酵母發(fā)酵的玉米淀粉糊化后表觀黏度降低[15]，金絲雀種子淀粉自然發(fā)酵后對溶脹、回生具有更強(qiáng)的抵抗力，發(fā)酵后的淀粉具有更好的黏度特征[14]。王旭東等[19]用黑曲霉發(fā)酵高粱后其峰值黏度、最低黏度、最終黏度和衰減值明顯下降，回升值升高，糊化溫度降低，且其水溶指數(shù)提高了6倍。

發(fā)酵能夠提升可食用種子及其制品的食用品質(zhì)。程鑫[17]將乳酸菌應(yīng)用于糙米中，發(fā)酵后糙米的吸水性能提高，體積膨脹率增大，糙米飯硬度顯著降低了29.63%，黏性顯著升高了81.88%，使米粒之間黏結(jié)性更好，感官品質(zhì)得到了顯著提升。Xing等[20]將戊糖片球菌作為饅頭制作的輔助培養(yǎng)物，可提高CO2產(chǎn)量，使得饅頭硬度降低并且比容增加，提高了饅頭的食用品質(zhì)。將發(fā)酵麥麩添加至饅頭原料中可有效改善加工特性，與未發(fā)酵的麩皮相比，添加發(fā)酵麥麩有效降低了未發(fā)酵麩皮對混合粉料的粉質(zhì)和拉伸性能的不利影響，并增加了面團(tuán)的黏彈性和面包的體積[21-22]。

2 發(fā)酵對營養(yǎng)活性成分的影響

發(fā)酵食用種子及其制品具有多種多樣的營養(yǎng)活性成分，例如天然酚類物質(zhì)、氨基酸、維生素等，發(fā)酵被證明是一種有效強(qiáng)化可食用種子及其制品活性成分的方法。

2.1 可溶性蛋白、多肽及氨基酸類活性成分變化

在發(fā)酵過程中，微生物利用其營養(yǎng)成分產(chǎn)生蛋白酶將蛋白質(zhì)水解，使其可溶性蛋白含量增加，釋放出小肽和游離氨基酸，產(chǎn)生γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）。在 Zhang 等[23]、劉紅艷[24]、Dai等[25]、Shi等[26]的研究報告中均表明發(fā)酵后基質(zhì)中的可溶性蛋白含量明顯上升，Koistinen 等[27]、Shi等[26]、Rizzello 等[28]的研究報告表明其小肽含量明顯增加，Shi等[26]、Rizzello等[28]、Mok等[2]、DE Pasquale等[29]的研究報告中表明食用種子及其制品經(jīng)過發(fā)酵后其氨基酸含量明顯上升。發(fā)酵過程中形成的游離氨基酸有利于產(chǎn)GABA微生物代謝生成GABA。程鑫[17]用乳酸菌發(fā)酵糙米的研究結(jié)果表明糙米發(fā)酵后GABA的含量是原料糙米的3.02倍。Gan等[4]通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明發(fā)酵是有效產(chǎn)生或提高GABA的途徑?？傊?，發(fā)酵是一種處理可食用種子及其制品提升蛋白、多肽及氨基酸活性成分含量的有價值的生物處理策略。

2.2 酚類化合物

天然酚類物質(zhì)是以可溶性和結(jié)合的形式存在于植物中。近年來研究表明發(fā)酵可以改變食用種子及其制品的酚類組成和分布。Bei等[30]、吳寒[31]、Ayyash 等[32-33]、Aprodu 等[34]、Dai等[25]、劉紅艷[24]、?zkaya等[35]、Chen 等[36]、程鑫[17]、王家琛等[37]的研究報告中均表明經(jīng)過發(fā)酵后基質(zhì)中總酚含量明顯提高且其酚類形式發(fā)生變化。大多數(shù)研究報告表明發(fā)酵增加酚類物質(zhì)，但并不是所有的發(fā)酵都能夠引起酚類化合物的增加，如Simwaka等[38]、Zieliński等[39]、CHIBUIKE 等[40]等發(fā)酵后樣品中酚類物質(zhì)含量下降。

發(fā)酵過程中微生物的代謝通常也會引起活性成分的轉(zhuǎn)化，例如可將大豆異黃酮葡萄糖苷（如大豆苷元）轉(zhuǎn)化為苷元（如大豆苷元）。Handa等[9]、Jeong等[41]研究發(fā)現(xiàn)微生物發(fā)酵能夠轉(zhuǎn)化大豆糖苷型黃酮，使得糖苷形式的黃酮含量降低，糖苷配基異黃酮（大豆苷元、黃豆黃素和染料木黃酮）的含量增加，從而提升大豆的營養(yǎng)品質(zhì)。酰化石柱糖苷（acylated steryl glucosides，ASGs）已經(jīng)證明比甾基葡萄糖苷（steryl glucosides，SGs）具有更強(qiáng)的生物活性價值，米糠經(jīng)米曲霉發(fā)酵后3種SGs含量分別下降了約35%，與SGs相比，ASGs的含量在發(fā)酵過程中增加了1.5倍，發(fā)酵米糠具有更好的生物活性價值[42]。

2.3 維生素

維生素是人體重要的必需營養(yǎng)素，食用種子是一些維生素良好的天然來源，發(fā)酵也會對維生素種類及含量產(chǎn)生影響。例如費氏丙酸桿菌可以合成活性維生素B12，經(jīng)過7 d的發(fā)酵，有效提高了發(fā)酵基質(zhì)的維生素 B12的含量[43]；Zieliński等[44]研究結(jié)果表明，液態(tài)發(fā)酵蕎麥后顯著增加了D-手性肌醇（維生素B的一種）的含量；Gabriele等[45]用酵母發(fā)酵3種菜豆可增加抗壞血酸含量；Aprodu等[34]研究結(jié)果表明，不同商品發(fā)酵劑對混合谷物面粉發(fā)酵時葉酸含量有所下降。

2.4 其它活性成分

在發(fā)酵食用種子及其制品中發(fā)現(xiàn)了許多其它的生物活性成分的產(chǎn)生或提高，例如纖維素或半纖維素、有機(jī)酸等。Xing等[20]發(fā)現(xiàn)與未發(fā)酵麥麩相比，發(fā)酵麥麩中可溶性膳食纖維含量顯著提高；Spaggiari等[46]用鼠李糖乳桿菌發(fā)酵麥麩后可溶性阿拉伯木聚糖濃度是原來濃度的3倍；?zkaya等[35]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵燕麥麩皮后發(fā)酵樣品的可溶性、不溶性和總膳食纖維含量明顯高于對照樣品；用乳酸菌發(fā)酵可食用種子及其制品可產(chǎn)生乳酸；Gupta等[10]用乳酸菌發(fā)酵燕麥粉和Shi等[26]用乳酸菌固態(tài)發(fā)酵玉米和大豆的混合粉后均發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)生了大量的乳酸；王梅等[47]用3種益生菌發(fā)酵劑固態(tài)發(fā)酵豆粕可顯著提高其有機(jī)酸含量，提高豆粕的營養(yǎng)品質(zhì)。

一般來說，發(fā)酵對可食用種子及其制品的各種營養(yǎng)因子都有不同程度的影響，這可能與微生物介導(dǎo)的生物合成或降解有關(guān)。鑒于這些營養(yǎng)活性成分對人體健康的益處，有望利用產(chǎn)生或提高活性成分的微生物來開發(fā)富含活性成分的產(chǎn)品。

3 發(fā)酵對抗?fàn)I養(yǎng)因子的影響

發(fā)酵可以有效降解存在于植物的抗?fàn)I養(yǎng)因子，例如植酸、單寧、大豆球蛋白等，有效提升可食用種子及其制品的營養(yǎng)特性和安全性。Rezaei等[21]、劉紅艷[24]、Chibuike等[40]、Yildirim 等[48]、Gabriele 等[45]、Simwaka 等[38]、Spaggiari等[46]、DE Pasquale 等[29]等的研究報告中表明發(fā)酵能夠明顯降低發(fā)酵基質(zhì)的植酸成分。Shi等[26]、Zhang等[23]研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵能夠顯著降低豆粕中的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白，Simwaka等[38]、DE Pasquale等[29]、劉紅艷[24]、Chibuike 等[40]等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過發(fā)酵后發(fā)酵基質(zhì)中的單寧含量明顯降低。DE Pasquale等[29]、張拓[49]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵能夠有效降解玉米烯酮。因此，微生物發(fā)酵技術(shù)成為有效去除抗?fàn)I養(yǎng)因子的加工策略。

4 發(fā)酵對生物活性的影響

發(fā)酵后的食用種子通常含有更豐富的活性成分，這些活性成分使得發(fā)酵產(chǎn)品及其提取物具有多種生物活性，如抗氧化、抗高血壓、抗癌和減脂等。

4.1 抗氧化作用

發(fā)酵可以影響食用種子及其制品中的活性成分，從而改變其抗氧化能力，發(fā)酵后食用種子及其制品提取物體外抗氧化活性見表1。

表1 發(fā)酵后食用種子及其制品提取物體外抗氧化活性Table 1 Antioxidant activity extracted from edible seeds and their products after fermentation

如表1所示，種子及其制品發(fā)酵后，其提取物的體外抗氧化能力大多數(shù)會有明顯地提高。在細(xì)胞試驗和動物實驗中也有此發(fā)現(xiàn)，如從發(fā)酵藜麥淀粉中提取純化的小肽能使角質(zhì)形成細(xì)胞NCTC2544，受到氧化應(yīng)激后表現(xiàn)出抗氧化活性[28]；對小鼠灌胃靈芝發(fā)酵小麥水提物，可以提高D-半乳糖致衰小鼠血清和肝臟中的抗氧化酶活力，提高小鼠對氧自由基的抵抗能力，降低氧自由基過氧化損傷，延緩D-半乳糖的致衰作用[3]?？梢姡l(fā)酵技術(shù)可以有效提升種子及其制品抗氧化能力。

4.2 降血壓

研究表明，近年來一些發(fā)酵食用種子及其制品在體內(nèi)外均有降壓作用。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）在控制血壓方面發(fā)揮著核心作用。Ruan等[50]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵豆粕中肽含量和體外抑制ACE活性提高，發(fā)酵豆粕中的多肽導(dǎo)致自發(fā)性高血壓大鼠在3 h時收縮壓顯著降低。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經(jīng)羅伊氏乳酸桿菌3種發(fā)酵谷物均有較好的ACE抑制作用[32]。雙歧桿菌發(fā)酵的羽扇豆和藜麥也具有顯著的ACE抑制活性[33]?？莶菅挎邨U菌發(fā)酵的豆粕對ACE具有較強(qiáng)的抑制作用[25]。

4.3 降血糖

微生物發(fā)酵過程改變可食用種子及其制品淀粉結(jié)構(gòu)且產(chǎn)生活性成分，使得發(fā)酵產(chǎn)品可以抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性，具有降血糖的潛力。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經(jīng)羅伊氏乳酸桿菌發(fā)酵后3種發(fā)酵谷物對α-葡萄糖苷酶抑制活性增強(qiáng)，其中羽扇豆的抑制作用最強(qiáng)，且發(fā)酵藜麥具有較強(qiáng)的抑制α-淀粉酶活性[32]。雙歧桿菌發(fā)酵的羽扇豆和藜麥對α-葡萄糖苷酶抑制作用顯著增加[33]。小麥粉中添加10%～20%發(fā)酵大麥粉的掛面蒸煮與感官品質(zhì)雖有所下降，但可降低面條的預(yù)測血糖生成指數(shù)，使其成為中血糖生成指數(shù)的食物[51]。用植物乳桿菌發(fā)酵大麥提取β-葡聚糖，與未發(fā)酵相比，發(fā)酵后的β-葡聚糖能更好抑制α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和脂肪酶的活性以及膽固醇的吸附[6]。Lopes等[52]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵增強(qiáng)了藜麥降低具有高水平簡單碳水化合物飲食血糖生成指數(shù)的能力，在喂食補(bǔ)充有發(fā)酵藜麥日糧的大鼠中，食物攝入、血糖和脂質(zhì)水平以及附睪脂肪組織的積累均有所降低，表明發(fā)酵的藜麥具有潛在的降血糖和減脂作用。

4.4 抑癌作用

天然酚類、多肽類、氨基酸類、多糖類等多種生物活性物質(zhì)被認(rèn)為是潛在的抑癌活性成分，發(fā)酵食用種子及其制品具有抑癌作用。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經(jīng)羅伊氏乳酸桿菌發(fā)酵后，3種發(fā)酵谷物對結(jié)腸癌細(xì)胞（Caco-2）和乳腺癌細(xì)胞（MCF-7）具有抑制增殖活性的作用[32]。雙歧桿菌發(fā)酵的羽扇豆、藜麥、小麥對結(jié)腸癌細(xì)胞（Caco-2）和乳腺癌細(xì)胞（MCF-7）具有細(xì)胞毒性活性[33]。Xiao等[53]用植物乳桿菌Dy-1發(fā)酵大麥提取物可以通過調(diào)控細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白，以時間和劑量依賴性方式抑制癌細(xì)胞HT-29的增殖。Jo等[54]從發(fā)酵大麥中分離出的BF-E2-P多糖可以激活小鼠的先天免疫系統(tǒng)，抑制結(jié)腸26-M3.1癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。

4.5 減脂作用

研究結(jié)果表明發(fā)酵后的食用種子及其制品產(chǎn)品含有多種活性成分，還具有減脂功效。程珂等[55]發(fā)現(xiàn)用植物乳桿菌發(fā)酵大麥的提取物能顯著降低秀麗隱桿線蟲的脂肪沉積，而未發(fā)酵的大麥提取物則未見此效果，從發(fā)酵大麥中分離出濃度為16 μg/mL酚類化合物、480 μg/mL 蛋白質(zhì)、480 μg/mL 總糖，分別能使秀麗線蟲的脂肪沉積量下降39%、26%及12%，發(fā)酵大麥提取物能顯著抑制秀麗線蟲體內(nèi)脂肪的積累，其中酚類化合物降低脂肪沉積的效果尤為顯著。孫鑫娟等[56]發(fā)現(xiàn)用植物乳桿菌發(fā)酵大麥的β-葡聚糖和未發(fā)酵大麥β-葡聚糖均能顯著提高線蟲的運動行為能力，從而增加線蟲的能量消耗，以減少線蟲的體內(nèi)脂肪沉積，在相同劑量時發(fā)酵的大麥β-葡聚糖的抑制效果優(yōu)于未發(fā)酵大麥β-葡聚糖。Jo等[54]發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌dy-1發(fā)酵大麥的提取物和酚類化合物能夠明顯抑制3T3-L1脂肪細(xì)胞的脂肪生成且增強(qiáng)褐變，而未發(fā)酵的大麥提取物則無此效果。Xiao等[57]發(fā)現(xiàn)發(fā)酵的大麥提取物可以降低高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖SD大鼠的體重、血脂白色脂肪的質(zhì)量和棕色脂肪細(xì)胞的大小，獲得更多的肩胛棕色脂肪并促進(jìn)線粒體中的脫氫酶活性，通過激活棕色脂肪產(chǎn)熱，增加棕色脂肪質(zhì)量和能耗的增加，降低了大鼠的肥胖。

4.6 其它生物活性

某些發(fā)酵食用種子及其制品的提取物具有胃腸道保護(hù)、提高免疫力等作用。Lim等[58]發(fā)現(xiàn)三重發(fā)酵大麥提取物通過加強(qiáng)機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)和抗炎作用對胃黏膜損傷的大鼠具有積極的胃保護(hù)作用。Kim等[59]發(fā)現(xiàn)從發(fā)酵的大麥中分離出的多糖可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞免疫活性。

5 結(jié)論與展望

發(fā)酵技術(shù)在改性食用種子方面具有很大的潛力，可以促進(jìn)食用種子及其制品更加符合加工生產(chǎn)的需要或具有潛在的健康益處。食用種子作為飲食的重要來源，為機(jī)體提供大量的營養(yǎng)成分，發(fā)酵技術(shù)對食用種子及其制品的改性策略使得研究者可以更好地研究開發(fā)新型加工基質(zhì)或健康產(chǎn)品。

目前國內(nèi)對于發(fā)酵改性食用種子及其制品的研究還是停留在飼料加工層面。近年來，粗糧化飲食觀念的普及使得研究者熱衷于開發(fā)感官品質(zhì)優(yōu)良且更具健康益處的谷物產(chǎn)品，口感粗糙被人們廣泛應(yīng)用于飼料的可食用種子及其制品重新回到了人們的視野，發(fā)酵技術(shù)的引入使其加工品質(zhì)得到了明顯的改善且具有更好的營養(yǎng)價值。利用發(fā)酵技術(shù)改性食用種子及其制品，有利于資源的開發(fā)利用且提供合理的飲食導(dǎo)向，可推動食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。