酵素食品加工微生物與功能特性研究進展

沈燕飛，聶小華*，孟祥河，趙黎明

(1.浙江工業大學 海洋學院，浙江 杭州 310014； 2.華東理工大學 生物工程學院，上海 200237)

酵素食品是指以新鮮果蔬、谷物、菌菇或其他食用植物等為原料，經微生物發酵形成的，富含多種生物活性物質，如豐富的維生素、酶、多酚類化合物等的功能產品。目前，酵素食品加工以傳統加工方式為主，其實質是自然發酵過程，在微生物的發酵作用下可產生多種酶、短鏈脂肪酸、醇、酯等次級代謝產物[1-2]，亦可能將原料的某些成分轉化成高活性物質[3-4]，如發酵柚子汁中的類胡蘿卜素[5]、糙米酵素中的γ-氨基丁酸[6]。與酒、醋、醬油等大眾發酵產品相比，酵素食品的研究尚處于起步階段，現有綜述多側重于簡單介紹酵素食品的功能特性[7-8]，而對與之相關的微生物和功能物質少有報道。基于此，本文著重綜述酵素食品加工中重要微生物和優勢微生物在其可控發酵中的應用，并從物質角度詮釋酵素食品的功能特性。

1 酵素食品傳統加工過程中的微生物及其菌落變化

酵素食品本質上是一個復雜的多元發酵體系，其微生物主要來源于原料本身和加工環境，其中，部分微生物快速生長并成為加工體系的重要微生物。雖然酵素食品與傳統發酵食品不同，但是傳統食品體系仍是酵素食品微生物挖掘的重要來源。對這些傳統發酵食品中的微生物進行研究是酵素食品開發應用的基礎。楊芳[9]采用PCR-DGGE(變性梯度凝膠電泳)技術分析了6種自制酵素的微生物多樣性，細菌群落結構相似度高達60%以上，其中優勢細菌為乳桿菌、巴氏醋桿菌和多形擬桿菌，酵母群落結構相似性在5.9%～74.9%，優勢酵母為畢赤酵母，少見伊薩酵母和exigua釀酒酵母。杜麗平等[10]發現木瓜酵素加工過程中微生物種類較為豐富，主要有植物乳桿菌、類腸膜明串珠菌、類腸膜魏斯氏菌、丙酸菌、釀酒酵母、假絲酵母、畢赤酵母、棒孢酵母和弗比恩畢赤酵母等，整個加工過程中微生物交替生長，其中，假腸膜明串珠菌、假絲酵母為發酵初期優勢菌，植物乳桿菌、釀酒酵母和畢赤酵母為發酵全程優勢菌。

世界各國學者對其傳統發酵飲料也開展了許多微生物多樣性研究。單位質量(1 g)的土耳其傳統發酵飲料Gilaburu中乳酸菌和酵母菌數量的對數值分別在3.92～8.44和5.73～8.97，其中，乳酸菌主要有乳桿菌和明串珠菌，植物乳桿菌為Gilaburu的優勢細菌[11]。Boza中檢測出乳桿菌、乳球菌、片球菌、明串珠菌、假絲酵母、有孢圓酵母、伊薩酵母、畢赤酵母、釀酒酵母、紅酵母、隱球酵母等[12-14]。Shalgam和Hardaliye中以乳酸菌為主，其中，植物乳桿菌、短乳桿菌、副干酪乳桿菌在Shalgam中占主導地位，干酪乳桿菌和副干酪乳桿菌在Hardaliye中占絕對優勢[14-15]。Lucena-Padrós等[16]在研究西班牙風格綠色橄欖發酵中檢測出17種以上細菌，主要為乳酸菌、馬內桿菌和丙酸桿菌，整個發酵過程中乳酸菌屬于優勢菌群，由于前期發酵環境是堿性環境，因此，主要由嗜鹽和堿化的乳酸細菌進行發酵，其他種類的乳酸菌在中后期才開始進行真正的乳酸發酵。Kombucha是國際上研究較多的一類自然發酵飲料，在其菌膜和發酵液中發現了木醋桿菌、葡糖醋桿菌、醋化醋桿菌、巴氏醋桿菌等醋酸菌，以及接合酵母、假絲酵母、漢遜酵母、有孢圓酵母、畢赤酵母、釀酒酵母、酒香酵母、類酵母等酵母菌，同時檢測到以保加利亞乳桿菌為主的乳酸菌，其中，木醋桿菌、葡糖醋桿菌和接合酵母被公認為紅茶菌加工過程中的重要微生物[17-19]。

由此可見，酵素食品在傳統加工過程中微生物種類繁多，其優勢微生物主要集中在乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等，這些微生物之間此消彼長，對產品風味和活性物質形成起到重要作用。酵素食品加工過程中的微生物形成與原料、加工工藝、加工環境有著密切的關系。來源于原料的微生物在發酵前期占據主導地位，如葡萄表層存在大量的野生酵母菌，高糖環境有利于其快速生長，成為發酵體系的優勢菌群[4]。同時，高糖環境也有利于乳酸菌生長繁殖，代謝生成乳酸，降低發酵體系的pH值，由此抑制其他微生物生長而成為優勢菌群之一。隨著發酵進程，酵母的代謝產物又提供了醋酸菌發酵的底物，醋酸菌從而得到生長。

2 優勢微生物在酵素食品中的應用

近年來，食品研究者開始將優勢微生物引入到酵素食品加工中。優勢微生物的添加，可在酵素食品加工體系中快速構建出有益的微生物生態，抑制腐敗菌、致病菌等雜菌的生長，同時可以通過生物轉化作用形成高活性產物和風味物質。目前，常用的優勢微生物有乳酸菌、酵母菌及其混合菌等。

乳酸菌是酵素食品中應用最廣泛的益生菌發酵菌種。Kwaw等[20-21]以桑葚汁為原料，利用植物乳桿菌、嗜酸乳桿菌和副干酪乳桿菌等發酵制備得到桑葚酵素，發酵后桑葚汁顏色由深紫轉成深紅色，酚類物質含量由6.51 mg·mL-1提高到8.34 mg·mL-1，DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)自由基清除能力從59.17%提高至73.64%。Simsek等[22]采用植物乳酸菌對番茄、胡蘿卜、甜菜根、萵苣和辣椒等混合蔬菜汁進行發酵，發酵產品表現出較強的葡糖苷酶抑制作用和凝血活性，對血管緊張素轉化酶抑制率增加了2～8倍，與膽酸結合能力為對照組(未發酵蔬菜汁)的4.3倍，可減少對胃黏膜的損傷。利用植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和干酪乳桿菌發酵的接骨木果汁風味更加馥郁，芳香物質增加了14種，且總揮發性物質，包括醇類，萜類和異構類異戊二烯、有機酸、酮和酯濃度增加[23]。

酵母菌亦被應用于酵素食品的加工。牛廣財等[24-25]采用安琪干酵母加工糙米酵素，所得到的產品呈乳白色，氣味醇香，酸甜適口，狀態均勻，淀粉酶活性穩定。袁周率等[26]以紫米、蜂蜜、麥芽粉為原料，經安琪干酵母發酵后糙米酵素中蛋白質、維生素B1、維生素B2和γ-氨基丁酸含量均有增加，其中γ-氨基丁酸經發酵后由199 mg·kg-1增加至1 706 mg·kg-1。趙丹等[27]利用葡萄酒酵母發酵靈芝發現，0.05%～0.2%靈芝發酵液可有效促進成纖維細胞增殖，對酪氨酸酶活性抑制率高達73.22%。

近年，科研工作者開始著重于多種優勢微生物共同發酵生產酵素產品。如莫大美等[28]利用酵母菌、乳酸菌和醋酸菌的復合菌種發酵，研制出玫瑰酵素，產品具有玫瑰紅色和玫瑰花味，酸甜適口，且SOD(超氧化物歧化酶)活性高。利用紅茶菌發酵的產品非常多，如發酵蛇果汁能改善原本顏色和口感，增強抗氧化和抗菌性，產生豐富的醋酸[29]。Kaprasob等[30]用嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、腸膜明串珠菌和長雙歧桿菌等5種菌研制發酵腰果蘋果汁，產品中B族維生素含量提高23.11%，雖然較單一乳酸菌發酵增幅有限，但混合菌發酵能充分利用蔗糖轉化成低聚果糖。

由此可見，乳酸菌、酵母菌、醋酸菌以及復合菌的引入可明顯提高酵素食品的風味和功能特性。乳酸菌可降解原料中的不溶性膳食纖維形成可溶性膳食纖維[31-32]，并生成短鏈脂肪酸[33-34]，有助于結合態的多酚類物質和風味物質釋放，同時代謝產物乳酸的形成也在一定程度上改變了產品風味。酵母菌可分泌豐富的蛋白酶、淀粉酶，增加酵素食品的營養價值，且發酵形成的乙醇可能進一步形成酯類物質，有利于風味物質改善[35-36]。醋酸菌的作用主要體現在形成醋酸，且可與低級醇發生酯化形成風味物質。

3 酵素食品的功能特性

酵素食品中含有豐富的營養成分和生物活性成分，由于加工原料和加工工藝的差異，其功能性質各具特點，但一般都具有抗氧化作用，且在心血管疾病、肥胖、肝損傷、糖尿病等疾病上具有一定的預防治療效果，但相關機理尚未得到深入研究。

3.1 消除自由基，抗氧化

目前，市場上酵素食品多表現出較強的抗氧化作用，這也是酵素食品的重要功能性質。檸檬汁酵素[37]、藍莓酵素[38]、石榴汁酵素[39]、靈芝酵素[27]等可明顯清除DPPH自由基、ABTS(2,2'-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)自由基、超氧自由基、羥基自由基等。敖東酵素可降低D-半乳糖氧化損傷小鼠中丙二醛和蛋白質羰基的含量，增加谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的含量，從而顯著提高小鼠機體的抗氧化能力[40]。這主要是因為酵素食品，尤其是水果源酵素食品，多含有豐富的酚類物質[41]，且其加工過程中可能形成超氧化物岐化酶、谷胱甘肽過氧化物酶[7]。

3.2 預防與心血管、肥胖相關的疾病

蔬菜源酵素食品含有豐富的不溶性膳食纖維，可降解形成可溶性膳食纖維或低聚糖，具有益生作用，通過調節結腸微生物生長達到降低血脂、體脂等效果。海蘆筍酵素[42]、藍莓酵素[38]、蔬菜酵素[22]可抑制血管緊張素轉化酶活性，從而降低心血管疾病的發生。Garcia-Diaz等[43]發現，黑莓與藍莓混合酵素可明顯降低高脂肪喂養的小鼠體重和體脂含量，且脂肪量、附睪脂肪墊、平均脂肪細胞直徑、血漿甘油三酯和膽固醇等含量亦降低，其中，大劑量組小鼠的肝臟腫大和增加脂質沉積等情況得到明顯改善。Chiu等[44]發現44名志愿者服用日本阿馬托酶公司提供的酵素8周后，體重和體脂肪等參數明顯降低，其中，總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇分別下降5.5 mg·dL-1和3.85 mg·dL-1。

3.3 保護和修復肝臟

多數酵素食品含有多酚物質和抗氧化酶，表現出較強的抗氧化性，可降低導致肝細胞損失的氧化應激反應，從而起到保護和修復肝細胞的作用。奇魅植物酵素[45]和水果酵素[46]可降低血清中天冬氨酸氨基轉移酶、丙氨酸氨基轉移酶、谷草轉氨酶等活性，提高肝臟中乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等活性，可預防和修復酒精對小鼠肝臟的急性損傷。Lin等[47]發現，諾麗酵素降低了內質網應激相關基因表達、炎癥性細胞因子、膠原積聚、基質金屬蛋白酶活性，增加肝臟中金屬蛋白酶組織抑制因子，同時提高了肝抗氧化能力，由此對抗由活性氧引起的肝臟炎癥和肝纖維化等。

3.4 減緩糖尿病

海蘆筍、蔬菜酵素[22]等可明顯抑制葡糖苷酶活性，提高機體的葡萄糖耐受性。Li等[48]報道，經植物乳桿菌NCU116發酵的胡蘿卜原漿有助于調節2型糖尿病大鼠的血糖、荷爾蒙和脂類等物質代謝，增加結腸中短鏈脂肪酸含量，恢復胰腺、腎臟的抗氧化能力和形態，對低密度脂蛋白受體、膽固醇7α-羥化酶、葡萄糖轉運蛋白-4、過氧化物酶體增生物激活受體α、過氧化物酶體增生物激活受體γ的mRNA可起上調作用。

4 小結

我國的發酵食品行業已取得了一定的發展，但是酵素食品仍發展滯后。目前，科研人員已經對發酵食品中的微生物做了大量的研究工作，但其微生物群落結構與功能并未得到全面分析，許多功能性食品微生物并未得到開發和應用。正確地理解食品加工和成熟過程中的微生物過程，進行可控發酵，既可以提高發酵效率，又能穩定產品質量，有助于深化酵素食品行業的技術改進。傳統發酵工藝中，以高鹽、高糖為特點的發酵體系雖然提高了產品的風味，但在提高抗氧化性和抑菌性等生理活性方面遠不及酵素食品。酵素食品更符合現代人生活特點，酵素食品及其中功能性物質的變化和提取，為開發功能性食品提供了廣闊空間。從物質角度深入闡釋酵素食品的功能特性，既有利于消費者正確認識酵素食品，也有利于生產開發人員篩選出適宜的原料以開發高活性的酵素食品。