發酵食品中微生物的功能特性

侯星，易弋，張興猛，魯晶娣，趙東玲，黃翠姬，伍時華*

(1．廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2．廣西科技大學廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006；3.廣西科技大學廣西高校糖資源加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

發酵食品就是利用微生物發酵作用所生產的一類食品。許多發酵食品中既有營養成分又有非營養成分，它們具有調節人類健康的潛力。世界上90%的天然發酵食品是在傳統條件下發酵生產的。自然發酵的食品中含有功能性和非功能性微生物，功能性微生物會轉化原料中的化學成分，從而提高營養素的利用率，改善食品的安全性。同時，它還能產生益生菌功能，增強一些可促進健康的物質的作用[1,2]。食品發酵需要發酵劑，通常，我們通過抗菌性、抗氧化性等標準來選擇商品化的功能性食品、保健品的發酵劑。目前，從發酵食品中分離出來的真菌有假絲酵母、德巴利酵母、畢赤酵母等幾百種酵母；細菌主要有腸胃球菌、乳酸桿菌、乳球菌等；如豆類發酵食品中的芽孢桿菌[3]、奶酪中的雙歧桿菌、短桿菌和分離自發酵肉產品中的節桿菌和哈夫尼菌。

1 益生菌

益生菌是指對宿主健康有益的活的微生物。能在食品中使用的益生菌必須具有抵抗胃酸、膽汁的能力，并能夠增殖和定植于消化道內。常用在功能性發酵食品中的益生菌是乳酸菌和雙歧桿菌的組合[4]，近年來也開發了酵母菌和其他一些潛在的益生菌[5]，包括凝結芽孢桿、嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌、口腔鏈球菌、釀酒酵母等。

含有益生菌的產品通常是食品和保健品。已經報道了從韓國泡菜中分離出的植物乳桿菌具有益生菌特性，還發現它可以預防幽門螺桿菌的生長[6]。從葡萄酒中分離出的戊糖片球菌CIAL-86對大腸桿菌CIAL-153具有抗粘附活性，這表明其在葡萄酒中具有益生菌潛力[7]。

2 益生菌特性

2.1 抗菌性

從發酵蔬菜和奶制品中分離出的乳酸菌因可以產生細菌素、乳酸鏈球菌素等而具有抗菌性。如從泡菜中分離出的乳酸菌對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌等有強烈的抗性作用[8]；從發酵的卷心菜中分離出的魏斯氏菌對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性病原體都有抗性作用[9]；從印度凝乳中分離出的乳酸乳球菌會產生抑制金黃色葡萄球菌的乳酸鏈球菌素Z[10]；從羅馬尼亞傳統發酵水果和蔬菜中分離出的乳酸菌對大腸桿菌、沙門氏菌和芽孢桿菌具有抗菌作用[11]。此外，有些微生物除了產生細菌素之外還可以為產品的風味、質地和營養價值做出貢獻。

2.2 抗氧化性

發酵食品的抗氧化性主要是對自由基的清除能力，包括總酚含量的估算和還原能力的測定。亞洲許多發酵豆制品例如日本的納豆、韓國的chungkokjang和大醬、中國的豆豉、印度和尼泊爾的kinema以及印度尼西亞的豆酵餅等都具有抗氧化性，泡菜和酸奶也有抗氧化性。

2.3 活性肽

在食品發酵過程中微生物水解蛋白質可形成具有某些功能特性的生物活性肽，而益生菌的種類會影響酶水解蛋白質后產生的肽和氨基酸的種類，如有些產生抗菌肽、抗氧化肽，有些產生的是呈味肽、營養肽等。這些活性肽都具有一定的生理、感官作用，如免疫調節、抗血栓、降血壓、抗氧化以及調節礦物質的吸收等作用。大豆多肽就是通過抑制血管緊張素轉化酶(ACE)的活性防止血管平滑肌收縮來降血壓的。

2.4 酶

食品發酵過程中微生物會產生一些酶來將復雜的化合物分解成具有生物活性的簡單小分子。其中常見的真菌有紅曲霉、毛霉、脈孢菌和根霉等，它們能產生各種各樣的糖酶，如α-淀粉酶、麥芽糖酶、纖維素酶等來分解食物中所含的大分子糖類。喜馬拉雅地區用于生產酒精的混合淀粉分解起始劑是由扣囊復膜酵母和畢赤酵母產生的高活性的淀粉酶。此外，發酵食品中的枯草芽孢桿菌和液化淀粉芽孢桿菌，發酵魚醬中的鹵代脫硫弧菌SK1-3-7等都可以產生纖溶酶[12]。

2.5 異黃酮、皂甙及PGA

中國的腐乳和豆豉，日本的味噌和納豆、韓國的chungkokjang和大醬、印度尼西亞的豆酵餅等發酵過程中異黃酮含量都有所增加[13]。大豆異黃酮包括大豆甙、染料木素和黃豆黃素，這些異黃酮在大豆中以4種化學形式即糖苷配基、葡萄糖苷、乙酰葡糖苷和丙二酰葡糖苷存在。一些發酵豆制品中的異黃酮可抑制和預防白血病、乳腺癌，具有抗腫瘤、抗氧化性、降血脂等作用。

日本的納豆和尼泊爾的kinema中含有的皂甙是齊墩果烷三萜類糖苷的大豆皂甙，具有抗腫瘤、抗氧化、增強機體免疫力、消炎抗病毒、預防心血管疾病等作用，其中含有的DDMP(2,3-二氫-2,5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮)及其衍生物具有預防高膽固醇血癥，抑制結腸癌細胞增殖和減速弱抗脂質過氧化等作用。

很多發酵食品中的芽孢桿菌可產生聚谷氨酸(PGA)，它是一種對人體和環境無毒無害并可生物完全降解的粘性物質，具有抗氧化、保濕作用。工業上廣泛γ-PGA是由枯草芽孢桿菌和地衣芽孢標桿菌產生的[14]。

3 降解抗營養因子

發酵食品中的一些益生菌可以將抗營養因子轉化為可被人體吸收利用的物質，如印度尼西亞的豆酵餅中的寡孢根霉可分解引起腸胃脹氣的水蘇糖和甘油三酯等低聚物使之成為可吸收的單糖和二糖，尼泊爾的kinema中所含的枯草芽孢桿菌對抗營養因子有降解作用，印度發酵谷物食品rabadi中的植酸含量會在發酵過程中被微生物降解而減弱其抗營養作用。

4 保健作用

在日本沖繩縣找到的長壽原因主要是他們的飲食如納豆、味噌等中都不含膽固醇而含有高生物活性的物質。納豆會產生一些對健康有益的物質，如納豆激酶、異黃酮、維生素K、不飽和脂肪酸等；味噌中含有豐富的蛋白質、葉酸、胡蘿卜素、維生素C等。韓國泡菜中的乳酸可以防止脂肪堆積而具有促進健康、抗衰老的作用，Kwak等的臨床試驗驗證泡菜和大醬中含有抗肥胖因子[15，16]。Corder等認為紅酒中含有的褪黑激素可以抗衰老[17]。少數民族的人們相信他們的民族食品兼具食用及藥用價值，但是，幾乎所有天然發酵食品的價值都需要進行臨床試驗來驗證。

4.1 營養素

食品發酵液中富含維生素、必需氨基酸和一些具有生物活性的化合物。如：在印度尼西亞的豆酵餅的發酵過程中寡孢根霉菌可產生葉酸、尼克酸、維生素B2、煙酰胺和吡哆醇等；在印度食品idli的發酵過程中會有維生素B1、維生素B2和甲硫氨酸產生；同樣，在墨西哥國酒龍舌蘭的發酵過程中，會有維生素B、維生素C、賴氨酸、色氨酸以及鐵等產生。此外，一些由芽孢桿菌發酵的食物中會有維生素B2和煙酸產生[18]。Syal等人發現從印度的發酵谷物食品idli中分離得到的釀酒酵母、熱帶假絲酵母、金擔子菌以及畢赤酵母等都可以產生維生素B12[19]，而且在發酵大豆食品的過程中可以產生許多游離的氨基酸。

4.2 預防高血壓和心臟病

目前，Seppo等已經通過動物模型和臨床實驗驗證了一些發酵奶制品具有抗高血壓的特性[20]，經常食用發酵奶制品、發酵豆制品可以降低人們患心臟病的風險。經過發酵的全谷物食品可以降低高甘油三酯血癥、高血壓、冠心病和高同型半胱氨酸血癥的發病率。印尼的發酵食品豆酵餅和源于俄羅斯的發酵奶制品開菲爾的發酵過程中都可以降低原料中的膽固醇水平，而被稱為中國紅曲米的紫紅曲霉(Monascuspurpureus)是通過橘霉素阻斷關鍵酶HMG-CoA還原酶的合成來阻止生成膽固醇，從而預防高血壓[21]。

正如發酵茶可以預防心臟病一樣[22]，一些發酵大豆食品具有抗高血壓特性，如日本的納豆和印尼的豆酵餅都含有大豆多肽，具有抗高血壓的作用。韓國發酵豆制品中的大豆異黃酮，可以預防心血管疾病，發酵的全谷物食品可以預防心臟病和糖尿病，而且在患有高血壓和II型糖尿病的患者中，經常食用發酵豆制品的人群患心血管疾病的概率低[23]。有些發酵食品還可以抑制脂質過氧化，如富含多酚的紅酒[24]。此外，長期食用一些富含纖溶酶的發酵食品有助于治療血栓，也能夠預防急性心臟病的發生。

4.3 預防癌癥

一些發酵食品具有抗誘變和抗癌活性，如俄羅斯的發酵奶制品開菲爾、印度的酸奶等都具有抗癌性[25]；德國泡菜中含有的S-甲基蛋氨酸，可以降低患胃腫瘤的風險[26]；發酵乳產品中的嗜酸乳桿菌可以降低β-葡萄糖醛酸酶、偶氮還原酶和硝基還原酶等的活性，并激活免疫系統[27]；泡菜中的植物乳桿菌具有預防癌癥的潛力，常喝酸奶可以減少膀胱癌、結腸癌和宮頸癌[28 ]的發生。

4.4 預防胃腸道疾病

含有活細菌的發酵乳產品具有調節免疫力和治愈腹瀉的能力。發酵食品中的乳酸菌對部分腸胃疾病有一定的治療作用，可有效緩解炎癥性腸胃病，主要表現為縮短發作時間，減輕嚴重程度。Szajewska等報道L.rhamnosusGG有治療急性腹瀉的作用[29]，韓國泡菜適用于控制炎癥性腸病[30]。

4.5 抗過敏作用

從開菲爾(Kefir)乳品的發酵劑開菲爾粒中分離出的乳酸菌L.kefiranofaciensM1具有抗過敏作用[31]。Won等指出從泡菜中分離的乳酸桿菌可以產生大量的IL-12和IFN-γ來調節Th1/Th2的平衡以防免疫作用的擴大，而減輕遺傳性皮炎和食物過敏的癥狀[32]。Han等指出發酵魚油富含的ω-3多不飽和脂肪酸可降低過敏癥的敏感性[33]。

4.6 預防糖尿病和骨質疏松癥

研究發現，食用高纖維類食物會增加非糖尿病患者對胰島素的敏感性，減少糖尿病患者對胰島素的需求；發酵奶過程中產生的營養素可改善葡萄糖耐受不良，高血糖、高胰島素血癥和血脂異常等癥狀，從而降低患糖尿病的風險。長期食用chungkokjang可以減弱胰島素抵抗而控制糖尿病[34]。Yanagisawa等發現納豆中的維生素K2可以刺激骨的形成緩解老年人的骨質疏松癥[25]。Chandan等指出酸奶中存在的蛋白質和礦物質如鎂、鈣、磷，鉀等可共同促進形成健康的骨骼。

4.7 緩解乳糖吸收不良

保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌在生產酸奶的過程中可以產生大量的β-D-半乳糖苷酶，可改善因缺乏β-D-半乳糖苷酶而患有乳糖不耐受癥患者的乳糖吸收不良的癥狀。與巴氏殺菌產品相比，新鮮酸奶(含活的酸奶培養物)可以更好地幫助消化和吸收乳糖，如開菲爾可以通過提供額外的β-半乳糖苷酶來減輕乳糖不耐受癥狀[36]。

5 發酵食品對健康的危害

發酵食品中也含有一些危害健康的物質，主要是生物胺。生物胺是前體氨基酸脫羧或醛、酮進行轉胺化得到的存在于發酵食品如酸菜、魚制品、啤酒、干香腸中的低分子量有機化合物[37]。食物中的生物胺主要是由腸桿菌和腸球菌生產的。Rauscher-Gabernig研究發現高水平(>100 mg/kg)的組胺和酪胺會對人體健康產生不利影響[38]，因此，高生物胺含量的食物是不健康的。攝入含有少量組胺的食物對健康個體幾乎沒有影響，但是可能會因為受到遺傳、胃腸疾病以及服用單胺氧化酶抑制劑類藥物的影響而導致以二胺氧化酶活性受損為特征的人群的組胺不耐受。Rabie研究發現用某些乳酸發酵劑如干酪乳桿菌、植物乳桿菌和彎曲乳桿菌等可以降低酸菜中的生物胺含量[39]。

6 結論

一些對健康有益的發酵食品可以作為功能性食品、生物食品進行銷售。但是近年來隨著人們生活方式的改變，傳統發酵食品的消費量也在下降。單調的發酵食品種類，將導致微生物生物多樣性的下降。一些常見的發酵食品對健康的益處還需要用動物模型和臨床試驗來詳細研究、確認，以期在全球食品市場中能有經過驗證的功能性新型發酵食品。