食用植物酵素開發關鍵技術研究進展

易媛,左勇,*,黃雪芹,楊建飛,徐佳,馬倩,胡琨

1(四川輕化工大學 生物工程學院,四川 宜賓,644000)2(四川師范大學 生命科學學院,四川 成都,610101)

傳統食用植物酵素是以數十種蔬果為原料,利用高濃度的糖進行腌制,在酵母、乳酸菌等微生物的發酵下形成的褐色、黏稠性飲料[1]。廣義上的食用植物酵素也指一些傳統的發酵食品,如泡菜、納豆、味增等[2]。食用植物酵素中不但含有發酵原料所固有的營養物質,還含有發酵所產生的醇類、酚類、有機酸、細菌素等[3],賦予了酵素良好的風味和清潔腸道、解酒護肝、抗氧化、抗菌、消炎等功效[4-6]。

隨著食用植物酵素消費熱、學術熱、投資熱的興起,市場上的酵素產品越來越多,但由于存在原料種類繁多、工藝各異、功效不明確等問題,導致食用植物酵素的發展受到制約。目前,國內食用植物酵素還處于研究起步階段,缺少自主知識產權的技術和深入人心的本土酵素品牌。本文對食用植物酵素的研究現狀進行概述,以期為開發功能性食用植物酵素產品,提升產品品質以及實現其工業化生產提供參考。

1 食用植物酵素的微生物多樣性

食用植物酵素的制備涉及豐富的植物原料,其微生物的多樣性和豐度因原料和加工環境的不同而有所差異,導致酵素發酵機理復雜,發酵過程不易控制[7]。在高糖環境下,隨著發酵的進行,部分微生物如酵母、乳酸菌快速生長成為優勢菌群,為產品提供典型的感官特征[8]。但以傳統方法制備酵素,易受病原菌污染,存在產品安全性差、質量不穩定、難以實現工業化生產等問題,對酵素微生物的結構和組成進行全面而深入的了解,是解決上述問題的基礎[9]。

食用植物酵素中微生物的多樣性分析,可采用傳統培養法、高通量測序技術、末端限制性片段長度多態性分析、DNA宏條形碼、寡核苷酸配型技術等方法[10]。邸鵬月等[11]采用宏基因組技術分析桑葚酵素中微生物的多樣性及群落動態變化,發現乳桿菌屬是整個發酵過程中的優勢菌,魏斯氏菌屬、片球菌屬、明串珠菌屬以及漢遜酵母主要作用于發酵前期,隨著發酵過程中pH的降低,其含量減少,但醋酸桿菌屬在整個發酵時期較穩定存在。CHIOU等[12]利用16S rRNA基因的454焦磷酸測序,研究發現kso發酵期間,變形桿菌是起始菌群的優勢門,發酵3 d后,雙歧桿菌、白串珠菌、乳球菌和乳酸菌占細菌總數的96%以上；7 d后,未定義的“乳酸菌1”在的細菌總數中占了50%以上,但未定義的“乳酸菌1”似乎是一個難培養的菌種,迄今尚未分離。傳統食用植物酵素菌落結構復雜,發酵機理不明確,對酵素不同發酵階段的微生物多樣性進行分析,能為研究酵素發酵機理、篩選優良優勢菌種、實現工業生產由自然發酵到接種發酵的技術轉變打下基礎。

2 食用植物酵素的制備技術

工業生產食用植物酵素一般需要經過原料預處理、成分調整、主發酵、后處理等多個步驟,其典型發酵工藝流程如圖1所示。

圖1 食用植物酵素發酵工藝流程FIG.1 Fermentation process of edible plant Jiaosu

食用植物酵素產品的質地、風味以及所獲得的生物活性物質,主要受微生物類型和發酵基質(如溫度和pH條件)2個因素影響[13-14]。若從菌種選育、原料配方、發酵條件、產品穩定性著手,對食用植物酵素的微生物類型和發酵基質進行控制,能提高產品品質,實現食用植物酵素的標準化、現代化生產。

2.1 原料配方優化

市場上的食用植物酵素往往由幾十種甚至上百種果蔬、中藥材制成,當某些成分混合在一起,可能會相互作用形成沉淀，或發生氧化分解,導致營養物質的丟失或減少[15]。此外,一些物質“過量”可能會產生副作用,比如高濃度的不溶性纖維會產生沙粒感、多酚含量過高會產生苦味和澀味[16]。食用植物酵素的配方決定了最終產品的功能特性,因而原料配方的優化有利于提高目標生物活性成分的含量和感官屬性[17]。

FERNANDES等[18]利用食品添加劑來提高雜糧飲料的穩定性和功能性。研究表明,大麥、燕麥、蕎麥和紅米的最佳復配比例分別為3.34∶3.98∶2.48∶0.26(質量比),低聚果糖7.5%、車前草殼0.10%、黃原膠0.04%、瓜爾膠0.06%(均為質量分數)是提高雜糧飲料性能的最佳選擇,適用于開發低血糖指數雜糧飲料。王乃馨等[19]對牛蒡酵素飲料的原料配比和飲料配方進行了優化：牛蒡20.00%、山楂48.24%、枸杞10.72%、蘋果3.92%,其他水果蔬菜17.12%(均為質量分數)；飲料最佳配方為：酵素添加量13.65%,白糖添加量15%,蜂蜜添加量2.95%(均為質量分數),該條件下酵素飲料的感官得分最高,風味良好。張旭普等[20]為促進糙米酵素中釀酒酵母和植物乳桿菌快速生長,以活菌數為指標對傳統糙米酵素發酵培養基組分進行了優化,最佳成分(g/100 mL)為：蜂蜜3.38、糙米10.71、NaCl 0.24、小麥芽0.25、大麥芽0.50、(NH4)2SO40.50和茶葉粉0.025,最終的活菌數為優化前的9.37倍。

2.2 發酵菌種的選育

自然發酵可能會受腐敗菌和病原微生物污染,使酵素的感官風味、營養物質和流變特性不可預測[21]。優勢菌種的選育有利于改善基質本身的微生物體系,加速和控制發酵進程,促進微生物安全性,改善產品質地[22]。因此,發酵菌種的選育是食用植物酵素發酵工藝中的重要環節。目前,工業生產食用植物酵素多使用商業菌株,但商業菌株存在代謝靈活性低、對原料的適應性差、缺少特異性等弊端[23]。從原料中篩選適應于特定植物基質的本地微生物,可以延長產品貨架期、改善產品性能,使其感官特性標準化,是解決上述缺陷的關鍵技術[24-25]。

LIAO等[26]基于生產甘露醇和雙乙酰的能力,從芒果皮和芒果肉中篩選出LeuconostocmesenteroidesMPL18和MPL39,作為混合發酵劑發酵芒果汁。與未發酵的芒果汁相比,發酵后的芒果汁總糖降低、甘露醇和雙乙酰含量升高、DPPH自由基清除能力增加、有機酸的種類增多；MICHALAK等[27]從天然發酵的卷曲甘藍中篩選出3株發酵能力最佳的菌株作為混合發酵劑,分別是LactobacillusparaplantarumG2114、L.plantarum332 和Pediococcuspentosaceus2211,有效促進了樣品酸化,并提高活菌數、抗氧化活性和抑菌活性;王海英[28]從自然發酵的番木瓜酵素中篩選出2株優勢植物乳桿菌L8和L2,以及2株畢赤酵母Y2和Y13,用于復合發酵番木瓜酵素。結果表明,復合發酵產酸和抗氧化能力均優于自然發酵。

2.3 發酵條件優化

發酵條件的優化是提高酵素品質的有效手段。通常以功效酶活力、感官品評、生物活性物質含量或抗氧化活性等為指標,采用正交設計和響應面法,對影響食用植物酵素品質的料液比、初始糖度、菌種接種量、發酵時間、發酵溫度等條件進行優化,得到最適發酵條件。

HASSANI等[29]采用響應面法對高粱籽粒的預處理條件進行了優化：浸泡度41%,發芽溫度27 ℃,發芽7 d。在此條件下,增加了發芽谷物的淀粉酶活性及部分生物活性成分；李凡等[30]以白首烏為原料,先接種0.2%的梅山酵母,30 ℃下振蕩發酵24 h,再接種3%比例為1∶1(體積比)的嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌,37 ℃靜置發酵36 h,最后于4～8 ℃低溫后發酵12 h產香，此發酵條件下的酵素含有大量益生菌和功效酶；KOH等[31]以發酵時間、菌株存活力、α-葡萄糖苷酶抑制活性以及感官評價為指標,利用響應面法得到最佳工藝,當南瓜泥濃度約為40%,接種量為8 lg CFU/mL,接種溫度為35 ℃時,產品具有較高的益生菌存活率、抑α-葡萄糖苷酶活性和良好的感官品質；洪厚勝等[32]優化了多菌種發酵葡萄果渣酵素的工藝條件,結果表明當發酵初始pH 5.0、糖添加量8%、活菌接種量12%(體積分數)、超聲時間60 min時,葡萄果渣酵素氣味獨特、口感滋味良好,多酚含量、原花青素濃度及抗氧化能力較高。

2.4 產品的穩定性研究

食用植物酵素可分為活菌型酵素和非活菌型酵素兩類。非活菌型酵素需在發酵完成后采用巴氏滅菌、超高溫瞬時滅菌或微波滅菌等方法對酵素進行滅活,而活菌型酵素需要在儲存、零售和消費的整個過程中有嚴格的冷鏈條件以保證益生菌的活性。食用植物酵素的功能特性主要來源于酵素中的益生菌以及益生菌發酵后所產生的各種生物活性成分,因此在貨架期期間,需要維持這些生物活性物質和益生菌的穩定性,在某種程度上限制了食用植物酵素的發展[32]。

為保持益生菌活性,VIVEK等[34]對噴霧干燥的Sohiong益生菌果粉在儲藏期間的物理穩定性進行了評價，結果表明噴霧干燥技術對植物乳桿菌在長時間貯藏后的存活率(106cells/g)有一定的保護作用；RA等[35]研究了草本提取物對6種益生菌型乳酸菌生存能力的影響，結果表明瓜汁中抗氧化成分與植物酚提取物的協同作用,提高了益生菌乳酸菌在4 ℃冷藏條件下的存活率；BATISTA等[36]通過添加葡萄糖氧化酶來增加益生菌酸奶的性能,與市售酸奶相比,葡萄糖氧化酶酸奶的乳酸和益生菌培養物活性適宜,pH值較低,雙乙酰、共軛亞油酸和多不飽和脂肪酸的值較高。此外,微膠囊化和納米膠囊化技術也可用于保護益生菌免受酸性介質的傷害[37]。

3 食用植物酵素的生物活性成分

果蔬中含有生物活性營養分子,如營養素、維生素、礦物質、纖維等,以及非營養植物化學物質,如酚類化合物、類黃酮、生物活性肽等。乳酸菌發酵能使生物活性化合物的結構和類型發生變化,生成生物活性肽、短鏈脂肪酸或多糖等分子,并將酚類化合物轉化為具有附加生物價值的分子[38]。食用植物酵素作為功能性食品,對其生物活性成分的研究也成為熱點。

3.1 有機酸

在微生物作用下,食用植物酵素通過發酵能產生乳酸、乙酸、山梨酸和醋酸等有機酸,有利于產品維持酸性,防止腐敗微生物和致病菌的生長,提高產品安全性[39],并且能賦予產品獨特的風味與口感[40],因此將有機酸作為食用植物酵素發酵的一項指標具有重要意義。

蔣增良等[41]對葡萄酵素中有機酸種類、含量及其體外抗氧化性能進行了研究。葡萄酵素中含有酒石酸、乙酸、檸檬酸、丙酮酸、莽草酸和富馬酸,并以前3種為主；MUYANJA等[42]研究了Bushera酵素發酵過程中產生的有機酸,主要包括乳酸、琥珀酸、丙酮酸、DL-焦谷氨酸、甲酸和檸檬酸,其中乳酸含量最高；方晟等[43]采用高效液相色譜法分析了百合酵素自然發酵過程中有機酸種類,其中以乳酸和醋酸為主,且含有草酸、L-酒石酸、L-蘋果酸、莽草酸、檸檬酸及琥珀酸,這些有機酸是影響百合酵素抗氧化活性的重要因素。

3.2 多酚類化合物

食用植物酵素發酵過程中的水解反應可以增加酚類化合物和類黃酮的數量,提高其抗氧化活性[44]。NG等[45]檢測了發酵金線蓮中的天然抗氧化成分,有總酚、抗壞血酸、生育酚等,并表明乳酸發酵后其抗氧化活性的增加可能與總酚類化合物的增加有關；高慶超等[45]分析了不同黑果枸杞酵素發酵前后活性成分及抗氧化活性的變化,結果表明4種不同配方酵素的總黃酮、總酚含量和SOD酶活性均升高,但花青素含量下降,綜合發酵之后的各項活性成分指標來看,干果黑枸杞單獨發酵的質量水平較好；LVAREZ等[47]研究了日本葡萄糖酸桿菌發酵草莓對其非花青素含量的影響,共鑒定出44個非花青素酚類化合物,其中5種為首次報道：單沒食子酸二葡萄糖、5-羥基阿魏酰己糖、二氫山奈酚己糖苷、山奈酚新橙皮苷和菊苣酸。在發酵過程中,大部分酚類化合物的含量增加,濃度最高的是兒茶素、香豆蔻酰己糖苷及沒食子酸葡萄糖苷。

3.3 其他活性成分

除上述生物活性物質,食用植物酵素中還含有多糖、維生素、生物活性肽、氨基酸和蛋白質等營養物質。OKADA等[48]從酵素中發現了3種經發酵生成的糖類,鑒定為β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖、海帶二糖和麥芽糖,其中β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖是一種新的糖,具有較低的甜度和消化率;KANCABAS等[49]發現boza可以被認為是良好的血管緊張素轉化酶(angiotensin converting enzyme,ACE)抑制肽的來源,而ACE抑制肽具有降血壓和清除自由基等生理功能;WANG等[50]量化了康普茶中具有保肝作用的功能成分,發現D-蔗糖酸-1,4-內酯可能是在康普茶中具有保護肝臟功能的關鍵功能成分。

4 總結與展望

盡管我國食用植物酵素行業起步較晚,但隨著科研人員的不懈努力,食用植物酵素的研發已經取得一定的進展。高品質食用植物酵素的開發與酵素的配方、發酵微生物、發酵條件、產品穩定性及所含成分息息相關。有機酸和總酚含量是評價酵素品質的主要指標,但酵素中有機酸和多酚類物質的種類因產品原料不同而差異比較明顯,目前仍缺乏明確的標準；工藝方面主要研究了通過配方優化、發酵劑篩選、發酵條件優化來提高產品的功能特性和感官品質,但食用植物酵素原料豐富,發酵微生物多樣,導致發酵工藝各異,缺乏標準化。綜上所述,食用植物酵素的工業化發展還存在部分問題亟待解決。

食用植物酵素的混菌發酵是一個復雜的體系,其制備工藝和品質優化是酵素新產品開發的關鍵點和難點。為持續提高食用植物酵素品質、推動酵素產業發展,生產出具有民族特色的酵素產品,后續研究應針對以下方面：(1)基于傳統的自然發酵工藝,探究菌群結構與變化、微生物組功能及代謝產物動態變化,進而進行其功能優化調控。(2)對酵素自然發酵菌種進行選育和鑒定,以及優化發酵工藝,開發具有典型風味及高營養價值的食用植物酵素。(3)開發新興技術,提高活性物質穩定性。(4)制定相關標準,完善評價體系,加強質量控制,推進產業良性發展。隨著對上述問題的深入研究和科研的有序開展,食用植物酵素產業將得到大力發展。