發酵技術對食用種子及其制品改性的研究進展

王曉燕，孫培利，焦捷，蒲瑩，曹效海，2，王樹林，2，3*

（1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2.青海-甘肅食品研發與檢測聯合實驗室，青海 西寧 810016；3.青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

發酵技術是一種古老的食品生物技術[1]，通過微生物產生的內在有機催化劑將復雜的有機物質轉化為簡單的化合物[2]，被廣泛應用于食品工業，改善食品的營養價值、安全性、感官特性和功能特性[3]。根據發酵過程中的水分含量，將發酵分為固態發酵和液態發酵，根據發酵過程中涉及的微生物來源，有接種發酵和自然發酵[4]。

乳糖不耐受、膽固醇、致敏乳蛋白和素食主義的趨勢推動了非乳制品發酵載體的開發，食用種子在世界范圍內廣泛種植和消費，是能量、礦物質和維生素的極好來源，因此在不同的發酵載體中脫穎而出，在天然食品的營養和健康方面顯示出巨大的潛力[5-6]。將發酵技術應用于食用種子及其制品可賦予或提高其加工性能或營養特性[2-3，7]。在發酵食用種子及其制品的研究應用中多采用接種發酵以獲得穩定且優質的產品[8]，乳酸菌和雙歧桿菌是最常用于該類發酵的細菌，此外，枯草芽孢桿菌、真菌（霉菌）也常用于發酵食用種子及其制品[2，9-10]。為了更好地了解發酵技術對食用種子及其制品的影響，本文綜述了發酵技術對食用種子及其制品改性的相關應用研究。

1 發酵對加工性質的影響

微生物利用碳水化合物產生氣體、酸和酶，使可食用種子或其制品的淀粉理化特性發生了改變，影響其加工性質，進而使淀粉基食品在質構、口感和風味得到明顯的改善[11-12]。

發酵使得種子的淀粉結構和性質發生明顯改變，這種改變對于每一種發酵后的淀粉不盡相同。經過發酵后的淀粉顆粒表面遭到侵蝕，淀粉的重均分子量下降，結晶層改變，造成與結晶度呈負相關的淀粉水解敏感性發生改變[11，13-14，15-16]。食用種子及其制品經發酵后其糊化特性也會發生改變，如玉米淀粉和糙米淀粉發酵后的糊化焓發生明顯改變[16-17]，自然發酵的小麥淀粉具有較低的峰值黏度和最終黏度[11]，用植物乳桿菌發酵的高粱的凝膠化溫度和回生溫度降低，而峰值黏度、熱糊黏度、破裂黏度和最終黏度增加[18]，自然發酵后的高粱淀粉峰值黏度及回生值增加[13]，天然釀酒酵母發酵的玉米淀粉糊化后表觀黏度降低[15]，金絲雀種子淀粉自然發酵后對溶脹、回生具有更強的抵抗力，發酵后的淀粉具有更好的黏度特征[14]。王旭東等[19]用黑曲霉發酵高粱后其峰值黏度、最低黏度、最終黏度和衰減值明顯下降，回升值升高，糊化溫度降低，且其水溶指數提高了6倍。

發酵能夠提升可食用種子及其制品的食用品質。程鑫[17]將乳酸菌應用于糙米中，發酵后糙米的吸水性能提高，體積膨脹率增大，糙米飯硬度顯著降低了29.63%，黏性顯著升高了81.88%，使米粒之間黏結性更好，感官品質得到了顯著提升。Xing等[20]將戊糖片球菌作為饅頭制作的輔助培養物，可提高CO2產量，使得饅頭硬度降低并且比容增加，提高了饅頭的食用品質。將發酵麥麩添加至饅頭原料中可有效改善加工特性，與未發酵的麩皮相比，添加發酵麥麩有效降低了未發酵麩皮對混合粉料的粉質和拉伸性能的不利影響，并增加了面團的黏彈性和面包的體積[21-22]。

2 發酵對營養活性成分的影響

發酵食用種子及其制品具有多種多樣的營養活性成分，例如天然酚類物質、氨基酸、維生素等，發酵被證明是一種有效強化可食用種子及其制品活性成分的方法。

2.1 可溶性蛋白、多肽及氨基酸類活性成分變化

在發酵過程中，微生物利用其營養成分產生蛋白酶將蛋白質水解，使其可溶性蛋白含量增加，釋放出小肽和游離氨基酸，產生γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）。在 Zhang 等[23]、劉紅艷[24]、Dai等[25]、Shi等[26]的研究報告中均表明發酵后基質中的可溶性蛋白含量明顯上升，Koistinen 等[27]、Shi等[26]、Rizzello 等[28]的研究報告表明其小肽含量明顯增加，Shi等[26]、Rizzello等[28]、Mok等[2]、DE Pasquale等[29]的研究報告中表明食用種子及其制品經過發酵后其氨基酸含量明顯上升。發酵過程中形成的游離氨基酸有利于產GABA微生物代謝生成GABA。程鑫[17]用乳酸菌發酵糙米的研究結果表明糙米發酵后GABA的含量是原料糙米的3.02倍。Gan等[4]通過數據統計分析表明發酵是有效產生或提高GABA的途徑?？傊?，發酵是一種處理可食用種子及其制品提升蛋白、多肽及氨基酸活性成分含量的有價值的生物處理策略。

2.2 酚類化合物

天然酚類物質是以可溶性和結合的形式存在于植物中。近年來研究表明發酵可以改變食用種子及其制品的酚類組成和分布。Bei等[30]、吳寒[31]、Ayyash 等[32-33]、Aprodu 等[34]、Dai等[25]、劉紅艷[24]、?zkaya等[35]、Chen 等[36]、程鑫[17]、王家琛等[37]的研究報告中均表明經過發酵后基質中總酚含量明顯提高且其酚類形式發生變化。大多數研究報告表明發酵增加酚類物質，但并不是所有的發酵都能夠引起酚類化合物的增加，如Simwaka等[38]、Zieliński等[39]、CHIBUIKE 等[40]等發酵后樣品中酚類物質含量下降。

發酵過程中微生物的代謝通常也會引起活性成分的轉化，例如可將大豆異黃酮葡萄糖苷（如大豆苷元）轉化為苷元（如大豆苷元）。Handa等[9]、Jeong等[41]研究發現微生物發酵能夠轉化大豆糖苷型黃酮，使得糖苷形式的黃酮含量降低，糖苷配基異黃酮（大豆苷元、黃豆黃素和染料木黃酮）的含量增加，從而提升大豆的營養品質。酰化石柱糖苷（acylated steryl glucosides，ASGs）已經證明比甾基葡萄糖苷（steryl glucosides，SGs）具有更強的生物活性價值，米糠經米曲霉發酵后3種SGs含量分別下降了約35%，與SGs相比，ASGs的含量在發酵過程中增加了1.5倍，發酵米糠具有更好的生物活性價值[42]。

2.3 維生素

維生素是人體重要的必需營養素，食用種子是一些維生素良好的天然來源，發酵也會對維生素種類及含量產生影響。例如費氏丙酸桿菌可以合成活性維生素B12，經過7 d的發酵，有效提高了發酵基質的維生素 B12的含量[43]；Zieliński等[44]研究結果表明，液態發酵蕎麥后顯著增加了D-手性肌醇（維生素B的一種）的含量；Gabriele等[45]用酵母發酵3種菜豆可增加抗壞血酸含量；Aprodu等[34]研究結果表明，不同商品發酵劑對混合谷物面粉發酵時葉酸含量有所下降。

2.4 其它活性成分

在發酵食用種子及其制品中發現了許多其它的生物活性成分的產生或提高，例如纖維素或半纖維素、有機酸等。Xing等[20]發現與未發酵麥麩相比，發酵麥麩中可溶性膳食纖維含量顯著提高；Spaggiari等[46]用鼠李糖乳桿菌發酵麥麩后可溶性阿拉伯木聚糖濃度是原來濃度的3倍；?zkaya等[35]發現發酵燕麥麩皮后發酵樣品的可溶性、不溶性和總膳食纖維含量明顯高于對照樣品；用乳酸菌發酵可食用種子及其制品可產生乳酸；Gupta等[10]用乳酸菌發酵燕麥粉和Shi等[26]用乳酸菌固態發酵玉米和大豆的混合粉后均發現發酵產生了大量的乳酸；王梅等[47]用3種益生菌發酵劑固態發酵豆粕可顯著提高其有機酸含量，提高豆粕的營養品質。

一般來說，發酵對可食用種子及其制品的各種營養因子都有不同程度的影響，這可能與微生物介導的生物合成或降解有關。鑒于這些營養活性成分對人體健康的益處，有望利用產生或提高活性成分的微生物來開發富含活性成分的產品。

3 發酵對抗營養因子的影響

發酵可以有效降解存在于植物的抗營養因子，例如植酸、單寧、大豆球蛋白等，有效提升可食用種子及其制品的營養特性和安全性。Rezaei等[21]、劉紅艷[24]、Chibuike等[40]、Yildirim 等[48]、Gabriele 等[45]、Simwaka 等[38]、Spaggiari等[46]、DE Pasquale 等[29]等的研究報告中表明發酵能夠明顯降低發酵基質的植酸成分。Shi等[26]、Zhang等[23]研究發現發酵能夠顯著降低豆粕中的大豆球蛋白和β-伴大豆球蛋白，Simwaka等[38]、DE Pasquale等[29]、劉紅艷[24]、Chibuike 等[40]等研究發現經過發酵后發酵基質中的單寧含量明顯降低。DE Pasquale等[29]、張拓[49]發現發酵能夠有效降解玉米烯酮。因此，微生物發酵技術成為有效去除抗營養因子的加工策略。

4 發酵對生物活性的影響

發酵后的食用種子通常含有更豐富的活性成分，這些活性成分使得發酵產品及其提取物具有多種生物活性，如抗氧化、抗高血壓、抗癌和減脂等。

4.1 抗氧化作用

發酵可以影響食用種子及其制品中的活性成分，從而改變其抗氧化能力，發酵后食用種子及其制品提取物體外抗氧化活性見表1。

表1 發酵后食用種子及其制品提取物體外抗氧化活性Table 1 Antioxidant activity extracted from edible seeds and their products after fermentation

如表1所示，種子及其制品發酵后，其提取物的體外抗氧化能力大多數會有明顯地提高。在細胞試驗和動物實驗中也有此發現，如從發酵藜麥淀粉中提取純化的小肽能使角質形成細胞NCTC2544，受到氧化應激后表現出抗氧化活性[28]；對小鼠灌胃靈芝發酵小麥水提物，可以提高D-半乳糖致衰小鼠血清和肝臟中的抗氧化酶活力，提高小鼠對氧自由基的抵抗能力，降低氧自由基過氧化損傷，延緩D-半乳糖的致衰作用[3]。可見，發酵技術可以有效提升種子及其制品抗氧化能力。

4.2 降血壓

研究表明，近年來一些發酵食用種子及其制品在體內外均有降壓作用。血管緊張素轉換酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）在控制血壓方面發揮著核心作用。Ruan等[50]發現發酵豆粕中肽含量和體外抑制ACE活性提高，發酵豆粕中的多肽導致自發性高血壓大鼠在3 h時收縮壓顯著降低。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經羅伊氏乳酸桿菌3種發酵谷物均有較好的ACE抑制作用[32]。雙歧桿菌發酵的羽扇豆和藜麥也具有顯著的ACE抑制活性[33]?？莶菅挎邨U菌發酵的豆粕對ACE具有較強的抑制作用[25]。

4.3 降血糖

微生物發酵過程改變可食用種子及其制品淀粉結構且產生活性成分，使得發酵產品可以抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性，具有降血糖的潛力。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經羅伊氏乳酸桿菌發酵后3種發酵谷物對α-葡萄糖苷酶抑制活性增強，其中羽扇豆的抑制作用最強，且發酵藜麥具有較強的抑制α-淀粉酶活性[32]。雙歧桿菌發酵的羽扇豆和藜麥對α-葡萄糖苷酶抑制作用顯著增加[33]。小麥粉中添加10%～20%發酵大麥粉的掛面蒸煮與感官品質雖有所下降，但可降低面條的預測血糖生成指數，使其成為中血糖生成指數的食物[51]。用植物乳桿菌發酵大麥提取β-葡聚糖，與未發酵相比，發酵后的β-葡聚糖能更好抑制α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和脂肪酶的活性以及膽固醇的吸附[6]。Lopes等[52]發現發酵增強了藜麥降低具有高水平簡單碳水化合物飲食血糖生成指數的能力，在喂食補充有發酵藜麥日糧的大鼠中，食物攝入、血糖和脂質水平以及附睪脂肪組織的積累均有所降低，表明發酵的藜麥具有潛在的降血糖和減脂作用。

4.4 抑癌作用

天然酚類、多肽類、氨基酸類、多糖類等多種生物活性物質被認為是潛在的抑癌活性成分，發酵食用種子及其制品具有抑癌作用。全麥羽扇豆、藜麥和小麥經羅伊氏乳酸桿菌發酵后，3種發酵谷物對結腸癌細胞（Caco-2）和乳腺癌細胞（MCF-7）具有抑制增殖活性的作用[32]。雙歧桿菌發酵的羽扇豆、藜麥、小麥對結腸癌細胞（Caco-2）和乳腺癌細胞（MCF-7）具有細胞毒性活性[33]。Xiao等[53]用植物乳桿菌Dy-1發酵大麥提取物可以通過調控細胞凋亡相關蛋白，以時間和劑量依賴性方式抑制癌細胞HT-29的增殖。Jo等[54]從發酵大麥中分離出的BF-E2-P多糖可以激活小鼠的先天免疫系統，抑制結腸26-M3.1癌細胞的轉移。

4.5 減脂作用

研究結果表明發酵后的食用種子及其制品產品含有多種活性成分，還具有減脂功效。程珂等[55]發現用植物乳桿菌發酵大麥的提取物能顯著降低秀麗隱桿線蟲的脂肪沉積，而未發酵的大麥提取物則未見此效果，從發酵大麥中分離出濃度為16 μg/mL酚類化合物、480 μg/mL 蛋白質、480 μg/mL 總糖，分別能使秀麗線蟲的脂肪沉積量下降39%、26%及12%，發酵大麥提取物能顯著抑制秀麗線蟲體內脂肪的積累，其中酚類化合物降低脂肪沉積的效果尤為顯著。孫鑫娟等[56]發現用植物乳桿菌發酵大麥的β-葡聚糖和未發酵大麥β-葡聚糖均能顯著提高線蟲的運動行為能力，從而增加線蟲的能量消耗，以減少線蟲的體內脂肪沉積，在相同劑量時發酵的大麥β-葡聚糖的抑制效果優于未發酵大麥β-葡聚糖。Jo等[54]發現植物乳桿菌dy-1發酵大麥的提取物和酚類化合物能夠明顯抑制3T3-L1脂肪細胞的脂肪生成且增強褐變，而未發酵的大麥提取物則無此效果。Xiao等[57]發現發酵的大麥提取物可以降低高脂飲食誘導的肥胖SD大鼠的體重、血脂白色脂肪的質量和棕色脂肪細胞的大小，獲得更多的肩胛棕色脂肪并促進線粒體中的脫氫酶活性，通過激活棕色脂肪產熱，增加棕色脂肪質量和能耗的增加，降低了大鼠的肥胖。

4.6 其它生物活性

某些發酵食用種子及其制品的提取物具有胃腸道保護、提高免疫力等作用。Lim等[58]發現三重發酵大麥提取物通過加強機體抗氧化防御系統和抗炎作用對胃黏膜損傷的大鼠具有積極的胃保護作用。Kim等[59]發現從發酵的大麥中分離出的多糖可以增強巨噬細胞免疫活性。

5 結論與展望

發酵技術在改性食用種子方面具有很大的潛力，可以促進食用種子及其制品更加符合加工生產的需要或具有潛在的健康益處。食用種子作為飲食的重要來源，為機體提供大量的營養成分，發酵技術對食用種子及其制品的改性策略使得研究者可以更好地研究開發新型加工基質或健康產品。

目前國內對于發酵改性食用種子及其制品的研究還是停留在飼料加工層面。近年來，粗糧化飲食觀念的普及使得研究者熱衷于開發感官品質優良且更具健康益處的谷物產品，口感粗糙被人們廣泛應用于飼料的可食用種子及其制品重新回到了人們的視野，發酵技術的引入使其加工品質得到了明顯的改善且具有更好的營養價值。利用發酵技術改性食用種子及其制品，有利于資源的開發利用且提供合理的飲食導向，可推動食品產業的發展。