益生菌在發酵果蔬汁中的研究進展

張鑫，劉光鵬，宋燁，李繼蘭，周大森

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東濟南 250014）

益生菌是通過改善腸道菌群平衡，對食用者的身體健康及生理功能產生有益作用的一類活性微生物，可增強腸道免疫系統的免疫調節作用。益生菌發酵過程所產生的代謝物包括有機酸及短鏈脂肪酸等物質，這些物質能促進宿主腸道對營養成分的吸收，實現對宿主生理過程的調節作用；此外，研究發現益生菌對于緩解人類機體的乳糖不耐癥、提升人體免疫調節能力都有極大的促進作用。目前，承載益生菌的功能食品主要是乳制品，但由于它的貯藏期短，且不適于乳糖不耐癥或乳糖酶缺乏的人群，因此促生出多種新型益生菌類產品，由于果蔬中含有維生素、多酚類、生物堿、黃酮、萜類化合物等多種生物活性化合物，采用益生菌發酵可使果蔬中酚類、黃酮類等的抗氧化性增強，使其成為兼具果蔬營養成分和益生菌獨特保健功能的功能性食品，開發發酵果蔬汁新產品，對提高人們健康水平具有積極意義。

益生菌應用于果蔬發酵可追溯到20 世紀60 年代。近年來，隨著人們對益生菌發酵果蔬產品技術研究的不斷深入，關于益生菌用于果蔬汁飲料加工中的報道也在不斷增加。通過采用益生菌生物發酵技術開發出既有營養又具有功能性的發酵果蔬汁產品，是果蔬精深加工關鍵技術的延伸，不僅可以延長果蔬汁保質期，抑制雜菌生長，還能獲得更好的發酵風味和營養價值，而且大大豐富了果蔬制品的種類，解決了制約果蔬精深加工產業發展的瓶頸問題。日本、美國、法國、德國、韓國等一些國家都進行了發酵果蔬汁的研究與開發，尤其是日本，在益生菌發酵果蔬汁研究與應用方面處于領先地位。國內外益生菌果蔬產品正在向多元化方向發展，產品線不斷拓寬。本文通過深入分析益生菌對果蔬汁的改良作用和益生菌發酵果蔬汁研究現狀，指出未來發展方向，為益生菌在發酵果蔬汁中的進一步研究和產品開發奠定了基礎。

1 益生菌對果蔬汁的改良作用

益生菌具有調節人體腸道菌群平衡及抗腫瘤等多重功能[1-3]。而果蔬含有豐富的營養物質，是益生菌發酵的良好載體。采用益生菌發酵果蔬汁能夠綜合果蔬與益生菌發酵的優點，使發酵制品不僅具有果蔬原有的口味與營養物質，還能產生發酵特殊的風味和營養成分，如有機酸、維生素、氨基酸和各種酶等，從而實現了果蔬汁原料風味與發酵風味的融合，使果蔬汁中既含有益生菌，又增加了功能成分的含量，開發出具有保健功能的益生菌發酵果蔬汁。

1.1 促進腸道健康

益生菌在發酵果蔬汁時產生大量的有機酸，不僅可以降低腸道pH 值，造成局部酸性環境，還能降低氧化還原電勢，這些作用共同維持著腸道內的微生態平衡。朱艷等[4]通過研究發現，益生菌發酵果蔬汁能夠幫助提升飲用者的腸道益生菌黏附能力。朱珺等[5]研究表明，植物乳桿菌發酵的果蔬汁可明顯改善腸胃道內微生態環境，增強腸道蠕動能力。

1.2 改善果蔬汁的風味

益生菌發酵后果蔬汁的風味更豐富，且口感較谷物和豆類更容易被消費者接受。主要是由于在發酵期間，一方面，益生菌利用果蔬汁中的營養物質進行生殖代謝；另一方面，由于微生物的生長代謝作用，果蔬汁中的風味物質如酚類、酯類等物質的含量及組成會發生一系列的變化，明顯改善果蔬汁風味，使產品的香氣組成更加豐富。風味感官是評價果蔬汁的重要指標。胡貝多等[6]研究了益生菌發酵對紅棗汁抗氧化活性、理化指標及香氣的影響，結果顯示通過益生菌發酵，可以明顯改變紅棗汁的香氣成分。Di 等[7]比較了石榴汁發酵前后香氣組成的區別，結果發現，發酵前含有更高水平的醛類和含硫化合物，發酵后醇類、酮類、烯烴類含量較高。

1.3 提升果蔬汁的營養價值

果蔬汁在發酵過程中產生的低聚糖作為一種雙歧因子，可平衡人體腸道菌群，在人體內起到營養作用。有研究表明，柑橘汁、蘋果汁、梨汁和胡蘿卜汁混合物經雙歧桿菌發酵后，維生素C、β-胡蘿卜素和葉酸等含量分別增加了2、1.5、2.5 倍[8]。果蔬汁中多糖在發酵過程中水解生成低聚糖等有益成分，可作為具有人體營養保健功能的雙歧因子[9-10]。有報道稱，果蔬汁經酵母發酵后其營養價值得到提高，且更易吸收，主要由于酵母發酵果蔬汁過程中可形成氨基酸、B 族維生素及其他活性成分（如谷胱甘肽、麥角固醇），提高產品營養價值[11]。

1.4 改善果蔬汁的功能特性

益生菌發酵果蔬汁可綜合果蔬和益生菌的功能特性，明顯提高果蔬汁的營養價值與功能特性，如營養保健、免疫調節、預防心血管疾病、抗氧化等。

1.4.1 營養保健作用

益生菌發酵果蔬汁具有營養保健功能。WANG 等[12]以嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌和副干酪乳桿菌發酵銀杏仁汁，銀杏仁汁中乳酸菌活菌數達到8.0 Log cfu/mL 以上，萜烯內酯含量提高1.6 倍，總酚物質總量增加約9%，ABTS 自由基清除能力提高35.3%～39.8%，可有效抑制大腸桿菌等致病菌的生長。湯超等[13]發現發酵木瓜汁對四氯化碳誘導的肝損傷有一定防護作用，可降低谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶活性和肝組織TGF-β、TLR4、IL-1β mRNA 水平，改善小鼠肝組織健康水平。

1.4.2 免疫調節作用

發酵果蔬汁中含有鈣、鋅、鐵、銅等多種微量元素，能促進人體骨骼發育，促進胃腸蠕動，具有調節免疫功能。有研究報道，發酵過程中，發酵組石榴汁透明質酸抑制率始終大于未發酵組，在發酵結束時，其抗過敏能力提高了2.68 倍[14]。發酵胡蘿卜汁與生梨汁可增強小鼠脾淋巴細胞增殖能力，并提高CD3、CD4、CD8 表達水平，促進血清中IFN-γ 和IL-6 的生成，從而提高小鼠機體免疫力[15]。

1.4.3 預防心血管疾病

發酵果蔬汁中多酚類物質具有雙向調節脂質代謝作用，且低聚糖或膳食纖維可當作益生因子通過調節結腸微生物的生長來降低血脂。KIM等[16]研究發現，發酵果蔬汁可抑制血管緊張素轉化酶的活性，從而降低心血管疾病發生的概率。也有研究報道，乳酸菌及其相關制品能夠降低介質及血清中的膽固醇含量，降低心血管疾病發病的可能性[17]。

1.4.4 抗氧化作用

發酵果蔬汁通常具有較強的抗氧化性，由于果蔬汁中含有豐富的酚類物質，且發酵過程中可能會釋放更多游離酚，同時產生超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等。靳玉紅等[18]測定了以棗為主要原料制成的產品（紅棗乳酸發酵飲料、棗酒、新鮮棗汁、棗酪飲料及酸棗汁飲料）的抗氧化功效的差異，試驗以DPPH 自由基清除能力、ABTS 自由基清除能力、Fe3+還原能力及總抗氧化能力作為抗氧化能力評價指標，經實驗得出五組實驗樣品中紅棗乳酸菌發酵飲料的抗氧化能力最強。LI 等[19]研究提出，發酵桑葚汁可減少D-半乳糖氧化，降低丙二醛和蛋白質羰基，增加谷胱甘肽酶和超氧化物歧化酶含量，進而使小鼠機體的抗氧化能力得到提升。

1.4.5 防癌抗癌

當人體內有過多的活性氧自由基時，會激活致癌原，并抑制胞內抗氧化防御系統[20]。益生菌發酵果蔬汁過程中產生較多的抗氧化物質，如多酚類物質能有效清除體內自由基。賴婷等[21]選用不同的乳酸菌接種桂圓汁，通過測定發酵前后總酚、結合酚、游離酚和黃酮類含量，發現不同的乳酸菌均能不同程度地提高總酚和總黃酮含量及總抗氧化能力。有研究報道，乳酸菌發酵產生的胞外多糖具有抑制腫瘤、提高機體免疫力的功效[22]。

1.5 提高果蔬汁的安全性，延長保質期

益生菌除有以上生物保護作用外，還能提高果蔬汁的安全性。益生菌發酵果蔬汁過程中，作為優勢菌群，能與其他微生物產生競爭抑制關系，抑制其他微生物繁殖。如許多果蔬中都含有一定量的硝酸鹽，在發酵過程中某些雜菌可將硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽，并進一步形成對人體有害的亞硝酸胺，而有研究發現發酵果蔬汁中的乳酸菌可以減少亞硝酸鹽含量[23]。趙珊等[24]以胡蘿卜、木瓜為原料，選用植物乳桿菌DMDL 9010 發酵混合果蔬汁，采用最優工藝條件，即果蔬汁含量60%（v/v），胡蘿卜與木瓜質量比1:3，蔗糖添加量10%（v/v），接種量6%（v/v）34℃發酵18 h，使開發的活菌性與滅菌型果蔬汁貨架期分別可達28 d 和3 個月，大大延長了果蔬汁的保質期。

2 益生菌發酵果蔬汁研究現狀

2.1 果蔬汁發酵專用益生菌菌株

2.1.1 發酵果蔬益生菌的來源及種類

20 世紀80 年代，FIEMING 等[25-26]以圓白菜為原料，對自然發酵酸菜微生物區系進行了研究，得出發酵過程中的主體微生物為乳酸菌，同時對酸菜發酵微生物的動態展開研究，發現抑制酸菜發酵過早進入同型發酵階段可避免酸菜過酸，并產生更多的風味物質。乳酸菌是最早發現用于發酵果蔬的益生菌。隨著人們對發酵果蔬中益生菌認識的深入，相繼發現了酵母菌、保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、乳酪桿菌、植物乳桿菌等一系列益生菌，并將其應用到果蔬汁發酵中。

目前應用于果蔬汁發酵的益生菌主要有乳桿菌（植物乳桿菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌、唾液乳桿菌、嗜酸乳桿菌和鼠李糖乳桿菌等）、雙歧桿菌（兩歧雙歧桿菌、長雙歧桿菌等）、嗜熱鏈球菌和酵母菌。WANG 等[27]和FILANNINO等[28]分別以乳酪桿菌和植物乳桿菌單一菌株發酵石榴汁，均開發出了風味以及健康功效俱佳的益生菌發酵石榴汁飲品。曾瓊[29]以80～90 ℃滅菌的蘋果汁、火龍果汁、梨汁和木瓜汁等復合果汁為發酵原料，酵母菌和乳酸菌復配比1:2，在37 ℃條件下恒溫發酵62～70 h，得到一種口感獨特、營養豐富的復合益生菌發酵果汁。馬曉偉等[30]以紫心火龍果作為發酵原料，添加由產乳酸芽孢桿菌、鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌組成的復配發酵劑0.1 g/100 mL，添加8.5%的白砂糖，30 ℃發酵后制得的火龍果飲料色澤自然透亮、澄清透明、具有清雅和諧的果香。趙敏[31-32]分別以胡蘿卜汁和西紅柿汁為原料接種雙歧桿菌、保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌和乳酸桿菌在36～39℃發酵18～24h，分別得到了胡蘿卜和西紅柿益生菌發酵飲料。

2.1.2 發酵果蔬益生菌的篩選和鑒定

目前，大量研究表明，通過高效篩選技術與科學的體內功能性評價體系相結合的方法，選育出既有優良果蔬汁發酵特性又有利于人體腸道生態平衡的功能性果蔬汁發酵專用益生菌菌株。熊濤[33]詳細地分析了優良果蔬發酵專用菌種的高通量篩選和鑒定，通過對篩選菌種開展發酵性能研究，選育出能較好適應蔬菜汁發酵環境、并表現出良好生長態勢的優良菌株植物乳桿菌NCU116。總之，研發活性較高、成本較低的果蔬汁發酵專用菌株仍是未來益生菌發酵果蔬產業發展的必然趨勢[33]。

2.2 果蔬汁發酵專用益生菌劑的培養技術

目前，為更好地制備高活性、低成本的益生菌菌劑，主要采用益生菌高密度培養技術，該技術的建立為后續高活性益生菌劑的制備打下了良好的基礎。益生菌菌體高密度培養技術（high cell density culture，HCDC）主要指采用一定的培養技術和裝備來提高單位培養液中益生菌菌體的密度，與普通培養方式相比有顯著提高。外界環境如培養基組成、溫度、pH、溶氧量等因素對益生菌菌體的生長代謝有重要影響，此外，菌體生長過程的限制性代謝產物積累也可能會極大地限制了細菌在培養基質中的最大生長密度。例如乳酸菌在普通培養基質中能夠達到的最高活菌數為107～108cfu/mL，若向培養基質中加入適當的緩沖鹽調節培養基質的酸度，可使乳酸菌的活菌數達到109cfu/mL。目前國內主要采取培養基成分優化結合分批培養或者補料流加培養的方式來達到乳酸菌菌體密度高度培養的目的，由此得到的乳酸菌菌體密度一般在109～1010cfu/mL[34-36]。Siti Marhaida Mustafa 等[37]研究了溫度和pH 對用于發酵石榴汁的益生菌的影響，結果發現，干酪乳桿菌發酵石榴汁，在37 ℃、pH3.5～4.0的條件下生長曲線更好，生物量密度更高。

2.3 益生菌劑的評價技術

通過對益生菌劑進行評價，不僅要保證菌劑具有優良的生物活性，還要確保益生菌劑在加工、貯藏和運輸過程中的穩定性，并在最大程度上保證益生菌的活性。高活性益生菌劑除了要保持益生菌活性，還要盡量減少環境中的活性水分。除去益生菌所在環境中活性水分的方法主要有噴霧干燥法和真空冷凍干燥法。由于國內外使用噴霧干燥技術制備益生菌劑存活率低，更傾向于采用真空冷凍干燥法，菌劑存活率約80%。潘艷等[38]的試驗表明，海藻糖、谷氨酸鈉、蔗糖、山梨醇和乳糖對植物乳桿菌的保護作用最為突出，乳酸菌存活率達到78.9%。潘旭琳等[39]優化了7 種保護劑，結果發現，乳酸菌存活率可達到86%。益生菌凍干菌粉活菌數基本在1010cfu/g 左右，且凍干時間一般需要30 h 以上。

2.4 益生菌發酵復合果蔬汁技術

益生菌發酵復合果蔬汁是目前研究的主流方向，其功能一般強于單一的果蔬汁，發酵果蔬汁功能品質的變化主要取決于發酵基質、工藝等條件。張亞雄等[40]以單一果蔬汁及復合果蔬汁為發酵原料，保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌為發酵菌種，分別制作了果蔬乳酸發酵飲料及果蔬乳酸發酵型果凍。夏其樂等[41]以楊梅汁為主要原料，加入一定比例的胡蘿卜汁和番茄汁，接種保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌等進行發酵，其研究結果表明，楊梅汁、胡蘿卜汁和番茄汁所占比例分別為15%、7.5%和7.5%，保加利亞乳桿菌接種量2%、嗜熱鏈球菌接種量2%，植物乳桿菌接種量5%為最佳工藝參數。這些研究為我國益生菌發酵果蔬汁產業的發展奠定了重要的理論基礎，同時也有助于開發出以市場需求為導向的品種豐富、品質優良的功能型果蔬食品。

2.5 功能性果蔬汁產品開發技術

近年來，以市場需求為導向，針對功能性果蔬汁產品開發，益生菌發酵果蔬汁技術研究更深入。何嘉敏等[42]為提高益生菌果蔬汁產品質量，運用頂空固相微萃取-氣質聯用法分析了益生菌果蔬汁的揮發性成分，并由此對生產工藝提出了優化的解決方案。劉秋豆等[43]探討了益生菌參與發酵芒果汁的理化性質變化規律，發酵后芒果汁中的活菌數為2.13×107cfu/mL，抗氧化性總體增高，營養成分含量增加，總酚含量較新鮮芒果汁增加13.24%，同時提升了芒果汁的口感，使果汁的顏色更加柔和、顆粒度增大，且分散更加均勻，狀態更穩定。申光輝等[44]對乳酸菌發酵低糖桑葚復合果醬進行工藝優化后，發現果醬呈現紫紅色，有良好的穩定性和口感，并含有桑葚的香氣和發酵香味。李達等[45]研制了新型復合益生菌發酵果蔬飲料，采用4 株益生菌復配成混合發酵劑，添加黃瓜漿、低聚果糖，發酵溫度36 ℃，發酵時間22 h，開發出的飲料具有濃郁的黃瓜清香，酸甜適中，益生菌活菌數量高，達9.9 Log cfu/mL。

3 展望

近年來，隨著果蔬精深加工產業的不斷發展，益生菌發酵逐漸被應用于各種果蔬、果蔬汁的生產、加工中。值得注意的是，益生菌在發酵果蔬汁中的研究仍存在諸多問題。首先，益生菌發酵作用對果蔬汁中酚類物質及抗氧化性等方面的影響機理尚不明確，仍需加強機理規律研究。其次目前益生菌發酵果蔬汁飲料多處于試驗室研究階段，大部分產品都不能實現產業化，而且用于果蔬汁發酵的優良菌株較少，不能充分發揮益生菌發酵作用，沒有有效地發酵果蔬汁原料產生良好的風味和營養物質，這就使得現有益生菌發酵果蔬汁產品風味不夠純正。再次應加大對直投式發酵劑制備技術的研究力度，旨在研發出真正發酵性能高、成本低的果蔬汁專用益生菌制劑。還有通過政府相關部門完善相關法律法規，不斷完善益生菌果蔬汁飲料的市場相關標準，提高益生菌果蔬汁飲品的市場準入門檻。最后，要不斷提升果蔬汁產品的穩定性，加大功能型混合益生菌發酵果蔬汁產品的研究力度，推進我國益生菌發酵果蔬產業的持續穩定發展。