谷物發(fā)酵產(chǎn)品的營養(yǎng)功能提升與益生功能研究進(jìn)展

楊慶華，張亞飛，田曉靜，王穩(wěn)航

(天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津，300457)

谷物屬于禾本科植物，其果實(shí)稱為穎果，所有的谷物穎果均具有相同的基本結(jié)構(gòu)(麩皮、胚乳和胚芽)及相似的營養(yǎng)特征[1](以小麥為例，其結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)分布見圖1)。谷物中含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、膳食纖維和維生素等營養(yǎng)成分，是維持人體活動(dòng)的重要能量來源[2]，也是最具潛力的食品加工原料之一。

圖1 小麥的結(jié)構(gòu)特征及營養(yǎng)分布Fig.1 Structural characteristics and nutrient distribution of wheat

但由于抗?fàn)I養(yǎng)素(如植酸、單寧和多酚)的存在、蛋白質(zhì)人體消化率偏低、賴氨酸缺乏及粗糙的質(zhì)地結(jié)構(gòu)，谷物食品可能會(huì)存在營養(yǎng)利用受限、不易消化、味道寡淡、可食性差等問題。近年來，為改善谷物的營養(yǎng)及風(fēng)味缺陷，發(fā)酵成為谷物加工的首選方式。發(fā)酵主要通過酸的激活、酶的催化及微生物的代謝產(chǎn)物對(duì)谷物基質(zhì)產(chǎn)生影響[3]，提高其蛋白質(zhì)消化水平，生成酚類、維生素等功能活性物質(zhì)，增強(qiáng)谷物營養(yǎng)，同時(shí)提升其風(fēng)味和適口性。相較于營養(yǎng)損失嚴(yán)重的研磨、浸泡、蒸煮等加工方法，谷物發(fā)酵能最大限度地滿足人類對(duì)健康、營養(yǎng)、低脂或純素等飲食模式的需求[4]，成為功能性食品時(shí)代的新選擇。

近年來，發(fā)酵對(duì)谷物的積極作用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，本文綜述了國內(nèi)外傳統(tǒng)和新型谷物發(fā)酵產(chǎn)品，比較分析了發(fā)酵對(duì)谷物消化率和生物活性的影響，以及作為益生菌載體的作用和益生元潛力。旨在為谷物發(fā)酵類產(chǎn)品提供更為全面的營養(yǎng)評(píng)價(jià)，并為新型谷物產(chǎn)品的開發(fā)提供參考和啟示。

1 谷物發(fā)酵

1.1 谷物發(fā)酵劑

發(fā)酵主要通過微生物的活動(dòng)對(duì)底物進(jìn)行有益的轉(zhuǎn)化或修飾以得到所需的產(chǎn)品，谷物食品中涉及的微生物主要為乳酸菌、酵母菌及真菌(霉菌)。乳酸菌具有降解谷物中淀粉、葡萄糖等糖類物質(zhì)的能力，從而產(chǎn)生大量乳酸、乙酸等物質(zhì)。大多數(shù)谷物都依賴乳酸菌來介導(dǎo)發(fā)酵過程[4]，尤其是異型發(fā)酵(除乳酸外，還包括乙酸、乙醇、CO2等產(chǎn)物)的乳酸菌菌株(除片球菌屬、乳球菌屬、鏈球菌屬外的大多數(shù)乳酸菌[5])。該類型的發(fā)酵通常會(huì)產(chǎn)生更多的理想風(fēng)味化合物，如乙醛和雙乙酰，賦予產(chǎn)品獨(dú)特的甜酸味和香氣，因此可以改善谷物感官活性化合物含量低，味道寡淡等不良特性[6]。酵母菌是負(fù)責(zé)生產(chǎn)谷物酒精飲料和面包的主要微生物，其代謝產(chǎn)生酒精和二氧化碳等產(chǎn)物，能夠改善產(chǎn)品質(zhì)地，賦予產(chǎn)品特有的風(fēng)味特征。釀酒酵母是用于谷物發(fā)酵的主要酵母種類，其他種類的酵母也參與了谷物產(chǎn)品的生成，如假絲酵母、克魯維酵母等。曲霉、根霉等霉菌有時(shí)也與乳酸菌或酵母菌共同參與谷物的發(fā)酵過程，不同種類的霉菌對(duì)谷物蛋白進(jìn)行堿性發(fā)酵，釋放出氨，并為后續(xù)的酵母或乳酸發(fā)酵產(chǎn)生風(fēng)味前體物質(zhì)，增加產(chǎn)品的香氣。

1.2 谷物發(fā)酵產(chǎn)品

受到氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、烹飪方式、可用基質(zhì)、自然菌群等多重因素的影響，不同地區(qū)的谷物基發(fā)酵產(chǎn)品形態(tài)各異，種類繁多。表1為世界各地(多集中在非洲和亞洲)常見的谷物發(fā)酵產(chǎn)品，主要包括發(fā)酵食品和無酒精飲料。

表1 世界各地最常見的谷物發(fā)酵產(chǎn)品Table 1 The most common cereal fermentation products in the world

2 谷物發(fā)酵食品的營養(yǎng)改良

近年來，利用發(fā)酵技術(shù)手段在改善谷物的營養(yǎng)缺陷方面取得巨大進(jìn)展，尤其是在營養(yǎng)價(jià)值和功能活性的提升方面(圖2)。

圖2 發(fā)酵對(duì)谷物營養(yǎng)價(jià)值與生理功能的影響Fig.2 Effect of fermentation on nutritional value and physiological function of grain

2.1 常規(guī)營養(yǎng)成分

2.1.1 碳水化合物

碳水化合物是血糖的主要來源，飲食中快速消化的碳水化合物往往會(huì)導(dǎo)致血糖水平的迅速上升，繼而引發(fā)糖尿病等代謝綜合征。淀粉是人類食物中最大的碳水化合物來源，因此谷物淀粉的消化對(duì)人體健康，尤其是血糖平衡至關(guān)重要。

淀粉消化與食物的血糖指數(shù)(glycemic index,GI)直接相關(guān)，利用乳酸菌發(fā)酵小麥和黑麥基質(zhì)已被證明可降低產(chǎn)品的GI值及胰島素指數(shù)[11]。發(fā)酵可降低淀粉消化率的幾種可能機(jī)制也已被提出，在發(fā)酵過程中，有機(jī)酸特別是乳酸的形成被認(rèn)為是主要原因[12]，酸作用的生理機(jī)制似乎各不相同，乳酸可降低谷物基質(zhì)pH，減慢淀粉的消化速度，而醋酸和丙酸則延長了胃的排空時(shí)間[12]。此外，淀粉凝膠化程度越大，水解速度越快。發(fā)酵過程中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)被認(rèn)為可以降低淀粉的凝膠化程度，這也在一定程度上解釋了酸面包消化率較低的原因[13]。發(fā)酵也被證明能促進(jìn)抗性淀粉的形成，而抗性淀粉具有極低的消化速率[14]。在最近的研究中，DIOWKSZ等[15]發(fā)現(xiàn)，血糖反應(yīng)的進(jìn)行與發(fā)酵對(duì)α-淀粉酶的抑制有關(guān)，與對(duì)照面包相比，發(fā)酵面包中的α-淀粉酶在體外受到抑制，淀粉降解減少，進(jìn)而導(dǎo)致可吸收的葡萄糖變少，表現(xiàn)出良好的抗糖尿病潛力。GIL-CARDOSO等[13]對(duì)大鼠喂食不同種類的酸面包，結(jié)果均顯示出較低餐后血糖水平。

除淀粉外，谷物產(chǎn)品中還存在一類吸收較差的短鏈碳水化合物FODMAPs，F(xiàn)ODMAPs是可發(fā)酵(fermentable)的單糖(monosaccharides)、寡糖(oligosacchrides)、雙糖(disaccharides)和多元醇(polyols)組成的縮寫[16]。不同于淀粉，這類具有滲透活性的分子在小腸中吸收較差，到達(dá)大腸后會(huì)迅速被大腸細(xì)菌發(fā)酵，從而造成部分人群的腹脹、腹痛、便秘，引發(fā)腸易激綜合征。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵可以改變谷物中的FODMAPs濃度，乳酸菌、酵母和真菌可以部分甚至完全降解FODMAPs。在面團(tuán)發(fā)酵過程中，除多元醇類外，其他所有的FODMAPs均顯著減少，在烘烤加工結(jié)束時(shí)，蔗糖、果糖和葡萄糖就已被完全降解[17]，這也意味著僅自然發(fā)酵便可減少30%以上的FODMAPs，從而使產(chǎn)品中可發(fā)酵碳水化合物和游離葡萄糖含量降低。同樣在STRUYF等[18]的研究中，在克魯維酵母菌株的作用下，產(chǎn)品中果聚糖水平降低了90%以上，得到較低FODMAPs水平的面包產(chǎn)品，這對(duì)腸易激綜合征患者來說是十分有益的。MENEZES等[19]也強(qiáng)調(diào)乳酸菌和酵母菌混合培養(yǎng)物是降解FODMAPs最有效的工具之一，這兩種菌酶的結(jié)合，為生產(chǎn)符合特殊飲食需求的高附加值面包提供了可能。

2.1.2 蛋白質(zhì)

谷物蛋白質(zhì)資源豐富，脂肪含量低，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和功能特性。但谷物蛋白在人體消化率較低，往往低于動(dòng)物蛋白，這主要受到自身蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、抗?fàn)I養(yǎng)因子(蛋白酶抑制劑、植酸、單寧)的影響。谷物蛋白中脯氨酸的含量較高，其側(cè)鏈與肽鍵形成吡咯環(huán)限制了肽鍵的自由旋轉(zhuǎn)，不但使谷蛋白側(cè)鏈顯示出了很強(qiáng)的疏水性，而且也使蛋白質(zhì)鏈靈活性降低，對(duì)水解酶產(chǎn)生高抗性，蛋白難以消化[20]。酚類可以通過多點(diǎn)氫鍵、疏水結(jié)合等與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，導(dǎo)致蛋白的聚沉[21]。植酸也可通過競爭肽酶活性所需的礦物質(zhì)輔助因子并與蛋白質(zhì)直接作用，干擾蛋白質(zhì)的消化吸收[22]。此外谷物中的膳食纖維也與蛋白質(zhì)水解受阻有關(guān)，但目前膳食纖維的作用被認(rèn)為是純粹的物理作用，即通過增加胃腸道內(nèi)容物的黏度，影響水解酶的擴(kuò)散，使其難以接觸到底物，減少蛋白消化水解[23]。

目前，發(fā)酵技術(shù)成為提高谷物蛋白消化率，改善谷物蛋白品質(zhì)的有效手段之一。發(fā)酵可通過抑制消化酶的非營養(yǎng)性化合物水平、降低抗?fàn)I養(yǎng)因子交聯(lián)及產(chǎn)生微生物蛋白酶改變谷物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及水解參數(shù)[24]，促進(jìn)谷物蛋白的降解。在不同谷物的酸面團(tuán)探究實(shí)驗(yàn)中，與普通面包相比，發(fā)酵酸面包的消化率提高了16%，總游離氨基酸濃度增加，蛋白質(zhì)的生物學(xué)價(jià)值提高了18.7%[25]。OGODO等[26]也證實(shí)發(fā)酵后的高粱面粉蛋白消化率升高，并且推測水解酶可能已將高度不溶性的貯藏蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為更簡單和可溶的產(chǎn)物。此外，發(fā)酵過程中pH的下降也被認(rèn)為有利于谷物中內(nèi)源酶的激活，以及谷蛋白的增溶和解聚[26]。

在發(fā)酵過程中，蛋白質(zhì)的降解更利于活性多肽的產(chǎn)生，如短支鏈氨基酸和小型多肽，這些化合物已被證明有助于調(diào)節(jié)胰島素反應(yīng)，并為Ⅱ型糖尿病和心血管疾病提供保護(hù)[27]。CODA等[25]發(fā)現(xiàn)酸面團(tuán)中的水/鹽溶性提取物的自由基清除活性要顯著高于化學(xué)酸化面團(tuán)，并且鑒定出的25個(gè)多肽中，幾乎所有序列都具有抗氧化肽的典型組成特征，所有的純化組分對(duì)小鼠成纖維細(xì)胞均顯示出體外抗氧化活性。

此外，谷物蛋白也是導(dǎo)致食物過敏最常見的原因之一，小麥蛋白可誘導(dǎo)皮膚、腸道或呼吸道的典型過敏反應(yīng)[28]，造成腹瀉、腹痛、紅腫等癥狀，這類人群往往需遵循無谷飲食，而發(fā)酵蛋白改性則對(duì)降低其致敏性提供了可能。DE ANGELIS等[29]證明了益生菌水解小麥過敏原的能力。他們以該益生菌株為發(fā)酵劑發(fā)酵小麥，發(fā)現(xiàn)小麥蛋白質(zhì)可被顯著降解。此外，大麥和黑麥等的醇溶蛋白易引起小腸黏膜損傷，引發(fā)乳糜瀉。而發(fā)酵過程中醇溶蛋白的大量降解已被證明可以達(dá)到乳糜瀉患者的耐受程度。同時(shí)，一項(xiàng)為期兩個(gè)月的臨床試驗(yàn)表明，發(fā)酵小麥生產(chǎn)的餅干和蛋糕對(duì)乳糜瀉患者沒有毒性[30]。

2.1.3 膳食纖維

膳食纖維(dietary fibers，DFs)是一種植物碳水化合物，具有容納大量水分并增加糞便膨脹，影響胃腸道運(yùn)轉(zhuǎn)和營養(yǎng)吸收率，改善糖尿病、心血管、胃腸道疾病等多種功能益處。谷物是膳食纖維的良好來源，其DFs主要由非淀粉多糖(non-starch polysaccharides，NSP)、抗性淀粉、低聚糖(主要是果聚糖)和非碳水化合物多酚醚木質(zhì)素構(gòu)成，NSP主要包括阿拉伯木聚糖(arabinoxylans，AX)、β-葡聚糖和纖維素，這類聚合物通常與木質(zhì)素、木酚素、酚酸和少量蛋白質(zhì)以復(fù)合結(jié)構(gòu)共存在于細(xì)胞壁中[3]，使其難以加工和利用。

發(fā)酵是谷物膳食纖維改性和釋放的重要手段，由于有機(jī)酸(主要是乳酸和乙酸)的產(chǎn)生，可能導(dǎo)致谷物中多種內(nèi)源性酶或細(xì)菌酶被激活，生物聚合物發(fā)生降解，質(zhì)地軟化(細(xì)胞壁降解)，促進(jìn)纖維的溶解或釋放[31]。近年來，探討發(fā)酵對(duì)β-葡聚糖和AX的研究尤為廣泛。β-葡聚糖是大麥、燕麥中常見的膳食纖維，屬于高分子質(zhì)量聚合物，通常會(huì)在胃腸道中增加黏度，從而影響胃排空率、腸道運(yùn)輸時(shí)間和營養(yǎng)吸收率。XIAO等[32]發(fā)現(xiàn)，通過發(fā)酵可以改變?chǔ)?葡聚糖結(jié)構(gòu)狀態(tài)，降低β-葡聚糖的分子質(zhì)量，并且增大了β-(1→3)與β-(1→4)殘基的比例，這些結(jié)構(gòu)的改變使得大麥β-葡聚糖的水吸附或分子結(jié)合能力增強(qiáng)，生理活性得到強(qiáng)化，增加了對(duì)血糖、脂肪的健康調(diào)控。谷物產(chǎn)品中的AX因具有增加腸道內(nèi)食糜的黏度，降低膽固醇和血糖的潛能而被人們關(guān)注。發(fā)酵可以增大谷物中AX的溶解性，ZHAO等[33]研究了不同發(fā)酵程序?qū)滬煹挠绊懀c未經(jīng)處理的麥麩相比，所有發(fā)酵樣品中的AX含量提高了3～4倍。面粉中AX的含量對(duì)面團(tuán)的流變特性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量也具有重要影響，并且由于AX的增溶作用，酸面團(tuán)發(fā)酵可能會(huì)改變其發(fā)酵方式，并產(chǎn)生益生元低聚糖[34]。

人們對(duì)富含膳食纖維的酸面包進(jìn)行了研究。MIHHALEVSKI等[35]評(píng)估了黑麥酵母面包中的膳食纖維，發(fā)現(xiàn)在加工過程中，可溶性和不可溶性膳食纖維的比例有所增加。他們將這種差異歸因于面包制作過程中的生化和微生物過程?？剐缘矸鄣男纬梢鹆丝偵攀忱w維含量的增加，而可溶性纖維含量的增加則被認(rèn)為是不溶性纖維轉(zhuǎn)化的結(jié)果。BOSKOV HANSEN等[36]也提出了黑麥面粉中固有酶的活性可能導(dǎo)致了膳食纖維組分的再分配。此外，富含膳食纖維的面包往往存在體積小，硬度大等不良特征，麩皮預(yù)發(fā)酵被認(rèn)為是提高高纖維面包質(zhì)量的潛在途徑，使用發(fā)酵的麩皮可以影響CO2在面包中的滯留，從而增大面包的體積和面包屑的柔軟度[35]。已有報(bào)道，含有10%發(fā)酵麩皮的面包表現(xiàn)出最佳的感官特性[37]。

2.2 微量營養(yǎng)成分

2.2.1 維生素

維生素是維持人體代謝的重要營養(yǎng)素，但因在人體內(nèi)合成受限，往往通過食物從外界獲取。谷物是優(yōu)質(zhì)維生素的天然來源，尤其是核黃素、鈷胺素、葉酸等B族維生素和E族維生素含量豐富，對(duì)維持人體維生素的平衡具有積極作用。

大多數(shù)維生素穩(wěn)定性差，易受到加工方式的破壞。因此，許多國家實(shí)施了補(bǔ)充或強(qiáng)化維生素計(jì)劃[38]，但相較于化學(xué)合成的維生素，微生物發(fā)酵提供了一種更為天然、安全和經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)化方法，尤其是對(duì)谷物中B族維生素的富集。

葉酸(維生素B9)作為單碳轉(zhuǎn)移的輔酶，參與核苷酸、氨基酸和其他關(guān)鍵細(xì)胞成分的合成、相互轉(zhuǎn)換和修飾，對(duì)人體代謝至關(guān)重要[39]。目前葉酸缺乏癥依然是一個(gè)全球性的健康問題[38]，許多研究表明乳酸菌和酵母菌均可以合成葉酸，但目前在對(duì)谷物基發(fā)酵食品的研究主要集中于酵母菌對(duì)葉酸含量的影響[40]。KARILUOTO等[41]借助SaccharomycescerevisiaeALKO743、CandidamilleriABM4949、Pseudomonassp.ON8等特定菌株對(duì)燕麥和大麥進(jìn)行發(fā)酵，結(jié)果表明葉酸水平得到大幅度提升。HJORTMO等[42]利用光滑假絲酵母發(fā)酵玉米粥，最終葉酸含量是未發(fā)酵玉米粥的23倍。雖然有研究證明乳酸菌也可以合成葉酸，例如，黑麥和燕麥酸面包中的葉酸水平在乳酸菌的作用下得以提升[41]，但是不同乳酸菌株之間差異性較大[43]，甚至許多乳酸桿菌會(huì)消耗葉酸。另外，也并非所有產(chǎn)生葉酸的細(xì)菌都適用于生物強(qiáng)化，某些乳酸乳桿菌、雙歧桿菌和明串珠菌合成的葉酸并不能排出細(xì)胞[44]，此時(shí)葉酸的生物利用度極低，所以對(duì)食品營養(yǎng)的改善很小。因此，葉酸生產(chǎn)菌的合理篩選是進(jìn)行葉酸合成和強(qiáng)化的前提。

維生素B12是一種植物性食物中較為短缺的維生素，因與細(xì)胞性貧血、外周動(dòng)脈疾病和各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)而受到人們的重視，最近的研究發(fā)現(xiàn)，通過麥芽粉、大麥粉和小麥糊粉發(fā)酵，可使丙酸桿菌產(chǎn)生充足的活性維生素B12[45]。XIE等[46]利用丙酸桿菌和短乳桿菌的聯(lián)合發(fā)酵，使其維生素B12水平達(dá)到干重的(357±8) ng/g。此外，發(fā)酵也可以促進(jìn)其他多種維生素的合成，例如，在乳酸菌、酵母菌等介導(dǎo)下，硫胺素、核黃素等含量得到明顯增加[47]。但值得注意的是，目前關(guān)于谷物發(fā)酵對(duì)維生素E濃度影響的研究較少，目前只有VERNI等[48]利用冬蟲夏草發(fā)酵的陳米，維生素E含量提高了100%。另外利用發(fā)酵小麥胚芽和麩皮組成的營養(yǎng)補(bǔ)充劑Lisosan G?喂食家兔，其血液中維生素E含量得到增加[49]。

2.2.2 酚類化合物

酚類化合物由于特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)芳環(huán)上的羥基提供氫或電子，并賦予自由基清除活性和金屬螯合電位，因此具有高抗氧化、抗癌、抗炎等多種有益特性。谷物中常見的酚類物質(zhì)有酚酸、類黃酮和單寧。酚酸與單寧可通過捕獲自由基起到抗氧化劑的作用，黃酮類化合物則可以清除自由基和螯合金屬[50]。它們共同參與增強(qiáng)機(jī)體的氧化還原防御，預(yù)防和對(duì)抗氧化應(yīng)激，減少自由基相關(guān)的細(xì)胞損傷。

酚類成分需要以可溶的形式進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)其抗氧化特性。谷物中酚類化合物通常與麩皮中的細(xì)胞壁基質(zhì)相連，以酯化形式出現(xiàn)，難以加工利用。CLINOIU等[51]發(fā)現(xiàn)燕麥麩皮經(jīng)酵母發(fā)酵后，其蒽酰胺含量提高了48.5%，阿魏酸含量提高了21.2%。同樣對(duì)黑麥或麩皮進(jìn)行酵母發(fā)酵，尤其是添加細(xì)胞壁降解酶后，游離阿魏酸的含量也得到快速增加[52]，這可能與谷物致密的細(xì)胞壁基質(zhì)的降解有關(guān)，酶的作用使其結(jié)構(gòu)改變，促進(jìn)了酚類化合物的釋放，而這些酶均來源于發(fā)酵微生物。此外這些微生物，如乳酸菌和真菌，可能產(chǎn)生不同的酶，如β-葡萄糖苷酶、酯酶和單寧酶，此類酶均可將酚類聚合物代謝成自由形式或降解產(chǎn)物[47]。SALAR等[53]發(fā)現(xiàn)，在玉米發(fā)酵過程中，原料中總酚含量增加的同時(shí)β-葡萄糖苷酶活性增強(qiáng)，該酶可以水解酚苷，釋放游離酚。酚類物質(zhì)的可提取性增加、新活性化合物的合成以及谷物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致酚類的釋放，共同造成了發(fā)酵后酚含量的升高。另外來自發(fā)酵微生物的蛋白酶、淀粉酶、木聚糖酶與谷物的作用也同樣重要，這些酶促進(jìn)了谷物改性和化學(xué)鍵的扭曲，從而加速了結(jié)合酚類物質(zhì)的進(jìn)一步降解。

發(fā)酵也可增強(qiáng)酚類組分的抗氧化活性。相較于普通小麥面包，黑麥酸面包的抗氧化性顯著提升，并且全麥面包的抗氧化活性最大[54]。杜小燕等[55]利用3株泡盛曲霉對(duì)小麥麩皮進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵后的抗氧化性得到顯著增強(qiáng)，并且活性強(qiáng)弱與酚酸的種類及含量有關(guān)。此外，DEY等[56]在探究不同谷物發(fā)酵時(shí)，發(fā)現(xiàn)玉米總酚含量降低與微生物菌株作用于酚類物質(zhì)和谷物組成的特異性有關(guān)，因此微生物活性對(duì)單個(gè)酚類物質(zhì)水平的影響可能不同，酚類含量可能還會(huì)受到微生物特定菌株的影響。

2.2.3 礦物質(zhì)

植酸即肌醇六磷酸，是谷物中磷的主要儲(chǔ)存形式，也是谷物中常見的抗?fàn)I養(yǎng)因子，不同谷物中植酸含量在0.18%～6.5%變化且分布各不相同[57]。在玉米中，植酸主要存在于胚乳，而在小麥、黑麥和水稻中，則集中于糊粉組織。植酸的負(fù)面營養(yǎng)屬性來自于它與鐵、鈣、鎂、鋅、錳等金屬離子形成不可溶解的螯合物，正是這種螯合特性，植酸被認(rèn)為是食物中最有效的抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，也是人類營養(yǎng)中礦物質(zhì)缺乏的原因[22]。

植酸可被植酸酶去磷酸化，形成游離無機(jī)磷酸鹽和肌醇磷酸酯，以此增加礦物質(zhì)的溶解度和生物利用度。但由于人體消化道中缺乏足夠水平的植酸酶，因此無法代謝植酸，導(dǎo)致大部分通過糞便排出[57]。谷物原料、乳酸菌和酵母菌均存在不同活性的植酸酶，且易受到發(fā)酵有機(jī)酸的影響[12]。當(dāng)pH值降低至5.5，便可通過面粉中內(nèi)源植酸酶降低約70%的植酸[58]。酵母菌和乳酸菌也具有一定的植酸酶活性，相應(yīng)的，在商業(yè)面包中也早已檢測出酵母植酸酶活性[59]。FEKRI等[60]也證明，酸面團(tuán)微生物群中的酵母菌(Kluyveromycesaestuarii、Kluyveromycesmarxianus和Kluyveromyceslactis)和細(xì)菌(Leuconostoccitreum、Enterococcusfaecium和Pediococcuspentosaceus)單菌落表現(xiàn)出高植酸酶活性，植酸降解效果顯著，并具有抵抗低pH和膽汁的特性。HARALDSSON等[61]研究顯示高植酸酶活性的酵母菌株可能是胃腸道中潛在的植酸酶載體。

植酸酶的酶解作用還受到發(fā)酵條件(谷物粒度、溫度、酸度、時(shí)間和水分含量等)的影響[62]。研究發(fā)現(xiàn)，酸面團(tuán)發(fā)酵是溶解全麥面粉中礦物質(zhì)的有效手段，但對(duì)完整麩皮效果較差，只在細(xì)磨后的麩皮上檢測到了鈣和鐵的增溶作用。乳酸菌則不受麩皮結(jié)構(gòu)的影響，通過對(duì)麩皮進(jìn)行乳酸預(yù)發(fā)酵，植酸分解率可接近90%，并且鎂和磷的溶解度也隨之增加[63]。SPAGGIARI等[64]利用鼠李糖乳桿菌菌株對(duì)小麥麩皮進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵后的植酸下降到36.4%。微生物發(fā)酵法也有助于消除其他抗?fàn)I養(yǎng)因子，提高礦物質(zhì)的整體生物利用率，OGODO等[65]利用乳酸菌發(fā)酵玉米面粉，發(fā)酵后的植酸、單寧、多酚及胰蛋白酶抑制劑含量顯著下降。此外在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相較于普通面包，用酸面包喂食的老鼠體內(nèi)鐵的生物利用度更高[66]。這可能是因?yàn)榘l(fā)酵中酸對(duì)Fe3+的還原作用，促進(jìn)了小腸上皮細(xì)胞游離面的二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體1將鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞中，而未被還原的Fe3+則不能被吸收。

3 谷物發(fā)酵食品的益生功能

3.1 益生菌載體

功能性食品成為當(dāng)前食品加工的新趨勢，生產(chǎn)方法之一是加入益生菌和益生元等成分。益生菌為一類活性微生物，當(dāng)攝入足夠水平時(shí)，除了固有的基本營養(yǎng)外，還能為宿主帶來其他健康益處[67]。乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬為最常見的益生菌。乳制品原料一直是益生菌的良好載體，但乳糖不耐受，乳蛋白過敏，膽固醇、飽和脂肪含量高等問題使益生菌乳制品受到一定的限制，迫使尋求益生菌非乳制品的開發(fā)生產(chǎn)。

近年來，越來越多的谷物基質(zhì)或谷物發(fā)酵產(chǎn)品成為益生菌輸送載體的首選之一，因?yàn)樗鼈兛梢詽M足某些益生菌復(fù)雜的營養(yǎng)需求[68]，并且在惡劣的胃腸道環(huán)境下，可以作為乳酸桿菌的高效轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，刺激益生微生物的生長[69]。此外，發(fā)酵過程中植酸鹽的降解，釋放出鐵、鈣、錳(乳酸菌重要的生長因子)等礦物質(zhì)，這些均為益生菌的存活和繁殖提供了有利的條件。在一些谷物發(fā)酵產(chǎn)品中已分離出具有益生特性的菌株，并且顯示出較強(qiáng)的生長促進(jìn)能力[4]。然而由于原料差異、生產(chǎn)條件不規(guī)范等因素的影響，使得對(duì)特定產(chǎn)品的潛在益生菌菌株的識(shí)別和研究過程變得復(fù)雜，獲得有關(guān)益生菌特性的信息也較為有限。XU等[70]對(duì)我國發(fā)酵大米、自制酸面團(tuán)和曲中分離的乳酸菌菌株，進(jìn)行了益生菌特性的體外試驗(yàn)，其中3株植物乳桿菌表現(xiàn)出耐低pH、耐膽鹽、抗生素耐藥性及抗菌活性，顯示出潛在的益生菌特性。據(jù)了解，傳統(tǒng)飲料Boza發(fā)酵所需的微生物，可能隨著谷物基質(zhì)及加工條件的改變而變化，現(xiàn)已從Boza中分離出多株不同類型的益生菌株[71]。最近，研究者發(fā)現(xiàn)從伊朗傳統(tǒng)酸面團(tuán)里篩選出具有益生菌特性的乳酸菌和酵母菌，可以被用作生產(chǎn)益生菌全麥面包的發(fā)酵劑[60]。并且這些益生菌顯示出高效的植酸降解能力，有效解決了全麥產(chǎn)品植酸含量高的缺點(diǎn)。

3.2 益生元潛力

益生元主要是一類低消化率的碳水化合物，它通過選擇性地支持結(jié)腸中特定微生物屬的發(fā)育和活動(dòng)來影響宿主[72]，因此具有改善健康的潛力。除碳水化合物外，一些酚類物質(zhì)、脂肪酸、多肽、微量營養(yǎng)素也被認(rèn)為具有益生元效應(yīng)[73]。發(fā)酵谷物類產(chǎn)品中可能含有可溶性纖維(β-葡聚糖和AX等)、酚類、抗性淀粉、多肽等活性成分，因此是一種很有前景的益生元化合物。雖然目前關(guān)于發(fā)酵谷物產(chǎn)品益生元效應(yīng)的報(bào)道還不多，但最近的研究表明，谷物益生元成分對(duì)微生物群落，尤其是胃腸道菌群的作用顯著[74]。

益生元具有調(diào)節(jié)腸道菌群的潛力。WANG等[75]在AX的結(jié)構(gòu)與功能研究中發(fā)現(xiàn)，AXs可以影響腸道中的微生物群落，并且群落組成可能隨著阿拉伯糖基取代位置的改變而變化。TAMURA等[76]研究了人類腸道擬桿菌在谷物多糖β(1,3)/β(1,4)-葡聚糖作用下的生長機(jī)制，并強(qiáng)調(diào)了其對(duì)腸道微生物代謝的重要性。此外，多酚對(duì)腸道的調(diào)節(jié)作用也已被證實(shí)，據(jù)估計(jì)，攝入的多酚只有5%～10%被小腸吸收，其余大部分積聚在大腸中[77]，因此易受到大腸腔內(nèi)微生物酶的影響，將其降解為低分子質(zhì)量的可吸收活性成分，而該成分反過來又增加了腸道微生物群的生物多樣性，并有益于宿主的健康。

除了谷物中的纖維、多酚等益生元外，發(fā)酵微生物也可以分泌具有益生元特性的代謝物。目前研究主要集中于特定乳酸菌產(chǎn)生的胞外多糖，如葡聚糖、果聚糖、普寡糖和果寡糖[78]。研究表明這類具有益生元特性的化合物可被腸道微生物代謝[79]，并生成乙酸、丁酸鹽、丙酸鹽等功能成分，丁酸鹽可以減少細(xì)胞增殖和刺激細(xì)胞分化來降低結(jié)腸癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[80]，丙酸鹽具有降低血液中的膽固醇和甘油三酯的功效，并且可能具有提高胰島素敏感性的潛力[81]。

4 總結(jié)與展望

發(fā)酵可影響谷物淀粉和蛋白質(zhì)消化率、減少抗?fàn)I養(yǎng)素及增加酚類化合物和維生素等營養(yǎng)成分，同時(shí)，谷物發(fā)酵產(chǎn)品作為益生菌載體及益生元對(duì)腸道菌群調(diào)控具有巨大潛力。目前，大量的體外實(shí)驗(yàn)表明谷物發(fā)酵產(chǎn)品對(duì)人體健康具有積極作用，但仍缺少充分的臨床驗(yàn)證。因此為揭示谷物發(fā)酵產(chǎn)品對(duì)人類健康的根本作用機(jī)制，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)臨床實(shí)驗(yàn)深入評(píng)估可能的因果關(guān)系，以確立谷物發(fā)酵產(chǎn)品在膳食指南中的地位，并為谷物功能食品的研發(fā)及生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

同時(shí)，谷物發(fā)酵產(chǎn)品往往會(huì)受到產(chǎn)品感官特性的限制，如何把握健康和良好風(fēng)味之間的平衡，滿足世界各地消費(fèi)者的口味成為一大挑戰(zhàn)。因此，需要更好地了解發(fā)酵菌株的生理與代謝、發(fā)酵產(chǎn)物的風(fēng)味特征以及風(fēng)味與消費(fèi)者接受度之間的關(guān)系，并制定策略來滿足各地消費(fèi)者的需求。