植物酵素的發酵微生物、加工技術及潛在生理功能

摘要：植物酵素是一種以水果和蔬菜等為主要原料，添加或不添加輔料，經過微生物發酵制得的酵素產品的總稱，因其健康的保健理念而受到大眾的關注和喜愛。植物酵素富含益生菌、維生素、礦物質、特定的生物活性成分等，不僅含有植物本身的營養成分，而且微生物可將植物中的大分子轉化為小分子的營養素，可更好地被人體吸收和利用。植物酵素具有抗氧化、消炎抑菌、增強免疫力和抗腫瘤等潛在功能，這些功能受發酵基質、發酵微生物和加工技術的影響。但是，這些功能大多是基于體外實驗得出的，缺乏動物實驗和人群實驗的驗證。文章對植物酵素生產中常用的發酵微生物、加工技術和潛在生理功能等進行了系統性的綜述和討論，為植物酵素產業的健康發展提供了理論參考。

關鍵詞：植物酵素；發酵劑；加工技術；生理功能

中圖分類號：TS201.3""""" 文獻標志碼：A"""" 文章編號：1000-9973（2024）11-0200-05

Fermentation Microorganisms， Processing Technology and Potential

Physiological Functions of Plant Enzymes

SUN Mao-cheng1， WANG Ying-di1， FEI Peng2， ANG Yuan3， ZHOU Tie-li1， YANG Liu1*

（1.College of Food Science and Engineering， Changchun University， Changchun 130022， China;

2.Zhang Zhongjing School of Chinese Medicine， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004，

China; 3.College of Food and Bioengineering， Henan University of Science and

Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： Plant enzymes are a general term for enzyme products produced through microbial fermentation with fruit and vegetables as the main raw materials， with or without auxiliary materials. They have gained public attention and love due to their healthy healthcare concept. Plant enzymes are rich in probiotics， vitamins， minerals， specific bioactive components and so on. They not only contain the nutrients of plants themselves， but also microorganisms can convert large molecules in plants into small-molecule nutrients， which can be better absorbed and utilized by the human body. Plant enzymes have potential functions such as antioxidation， diminishing inflammation， inhibiting bacteria， enhancing immunity and anti-tumor， which are influenced by fermentation substrates， fermentation microorganisms and processing technology. However， most of these functions are based on in vitro experiments and lack validation through animal and population experiments. In this paper， systematic review and discussion on the commonly used fermentation microorganisms， processing technology and potential physiological functions during the processing of plant enzymes are conducted， which has provided theoretical references for the healthy development of the industry of plant enzymes.

Key words： plant enzymes; fermentation agent; processing technology; physiological function

收稿日期：2024-05-30

基金項目：吉林省教育廳科學研究項目（JJKH20240751KJ）；長春大學攀登計劃項目（zkp202108）

作者簡介：孫茂成（1984—），男，講師，博士，研究方向：益生菌、發酵食品和精準營養。

*通信作者：楊柳（1981—），女，副教授，博士，研究方向：農產品加工與貯藏。

植物酵素是指以水果、蔬菜、谷類、海藻類及菇類等可用于食品加工的植物為原料，添加或不添加輔料，經過微生物發酵制得的可供人類食用的酵素產品[1]。盡管酵素的英文名是enzyme，但是不能直接翻譯為酶，因為酵素中酶的占比很低，而且人體所需的酶不能直接從食物中獲取。酵素實際上是一類發酵食品，不能像酶那樣催化生化反應，但是在飲料、調味品和功能食品等多個領域顯示出廣闊的應用前景。例如在調味品行業，已經出現酵素醬油、酵素麻辣燙、火鍋調味料等新產品[2]。

植物酵素因其潛在的生理功能受到大眾的廣泛關注，其中益生菌和活性成分是賦予其功能性的重要因素。植物酵素含有豐富的多酚、維生素、礦物質、氨基酸、有機酸和多糖等，具有清除自由基、抑制炎癥、抗菌、抗疲勞、清理腸道和增強免疫力等多種潛在活性[3]。此外，通過益生菌發酵生產的植物酵素不僅能夠改善酵素產品的風味，增加新的活性物質，而且產品質量較穩定，因此，益生菌發酵這種加工方式已逐漸取代傳統的自然發酵[4]。在植物酵素生產過程中應選用合適的發酵工藝及干燥技術，盡可能減少對益生菌和活性分子的破壞。文章綜述了植物酵素生產中使用的微生物、加工技術及潛在生理功能等研究進展，并對未來研究方向進行了探討，為植物酵素的標準化生產和功能化開發提供了理論參考。

1 植物酵素的常用發酵劑

發酵微生物是植物酵素生產的關鍵要素，直接關系到產品的質量和活性。傳統植物酵素的生產采用自然發酵，導致發酵微生物種類繁多且易受發酵環境的影響，因此容易造成不同批次產品的質量不穩定，甚至受到雜菌污染。益生菌發酵生產植物酵素多采用乳酸菌、酵母菌或復合發酵劑，可以克服自然發酵帶來的問題。

1.1 乳酸菌

乳酸菌是一種能用碳水化合物發酵乳酸的細菌，可以改善食品風味、延長食品貯藏期和促進人體健康等，它作為發酵劑廣泛應用于植物酵素的生產中，常用的乳酸菌發酵劑有保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌和嗜酸乳桿菌等[5]。葉朋飛等[6]用植物乳桿菌ST發酵的云參酶解液制備云參酵素，發現發酵顯著提高了云參酶解液中的蛋白酶活性和2，2-二苯基-1-苦基肼基（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除能力。Mantzourani等[7]用植物乳桿菌制備山茱萸櫻桃果汁酵素，發現乳酸菌發酵促進了簡單酚類化合物的轉化和高分子量酚類化合物的分解，降低了殘糖水平，提高了有機酸水平。可見，植物原料經過乳酸菌發酵后，發酵液中的生物活性物質含量顯著提高，植物酵素呈現明顯的生物活性。此外，乳酸菌發酵過程中可以產生乳酸和苯乳酸等有機酸，也可以產生γ-氨基丁酸和細菌素等活性成分，這對植物酵素的風味和潛在活性都有貢獻。植物酵素的乳酸菌發酵劑可分為單一乳酸菌和復合乳酸菌兩種，前者相對簡單，而后者存在菌種的復雜相互作用，因此亟待闡明復合菌種的互作機制以及對產品品質的影響。

1.2 酵母菌

酵母菌是單細胞真菌，本身具有較高的營養價值，宜生活在偏酸、偏糖的環境中，在發酵工業中應用十分廣泛，是植物酵素生產中優良的發酵劑[8]。在酵素生產中其發酵液具有高糖和低pH的特點，因此酵母菌在發酵過程中的耐受性影響了酵素產品的活性[9]。朱德艷[10]用酵母菌作為發酵劑制備葛根酵素，顯著提高了黃酮含量。張冰等[11]用酵母菌制備櫻桃酵素，得到脂肪酶酶活和還原力均較高的酵素產品。可見，酵母菌能顯著提高一些植物酵素中的功能酶活力和自由基清除能力。但是，酵母菌發酵容易產生氣體和酒精[12]，這對酵母型植物酵素的產品定位提出了更高的要求。

1.3 多菌復合發酵劑

多菌復合發酵劑是指由乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等多菌種混合而成的發酵劑，這極大保留了自然發酵中多種微生物協同發酵的特點，有利于酵素產品保留傳統的感官特性[13]。多菌復合發酵劑在植物酵素生產中的應用見表1。目前沒有明確多菌復合發酵對產品品質的影響，因此可以通過宏基因組和代謝組學等先進技術進一步揭示，這有助于多菌種的選用。發酵劑的菌種選擇也要注意植物原料的特點，因為有些菌種可能會導致植物中活性分子的降解。菌種的接入順序也可能對產品品質有一定的影響。

2 植物酵素的加工技術

植物酵素的加工技術是建立在發酵劑基礎上的，選擇和優化合理的加工技術才能最大程度地保證產品的質量、營養價值和安全性。

2.1 發酵技術

發酵技術是植物酵素制備過程中必不可少的一步。為提高益生菌活性、原料的轉化率并降低生產成本，在生產時要考慮料液比、發酵菌種組合、接種量及接入順序、攪拌速度、發酵時間、發酵溫度和通氣狀況等因素對酵素品質的影響[17]。白琳等[18]用單因素實驗和響應面實驗對藍莓酵素的發酵工藝進行研究，最終確定最佳工藝條件為發酵時間36 h、發酵溫度37 ℃、初始接種量5.5×106 CFU/mL、初始可溶性固形物含量11 °Brix，該發酵條件下藍莓酵素超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活力最佳。此外，對于多種原料的植物酵素，還應注意多組分之間的相互作用，合理選擇原料和配比，防止出現品質下降的現象。

2.2 干燥技術

植物酵素的主要存在形式有液體和酵素粉，液體酵素往往需要通過滅菌制成口服液，但是其營養成分會遭到一定程度的破壞[19]；而酵素粉由于攜帶方便、易于保存等特點更受歡迎。酵素粉制作過程中最關鍵的技術是干燥[20]，目前，常見的干燥技術有噴霧干燥法、真空冷凍干燥法和噴霧-真空冷凍聯合干燥法等[21-22]，比較了一些常用干燥技術的優缺點，總結了其在酵素食品中的應用（見表2）。在選用干燥技術時，一定要結合益生菌存活率、營養成分性質和生產成本進行綜合考慮。噴霧干燥保護劑已經成為研究熱點，既可節約干燥成本，又可以較好地保留益生菌活性和營養成分。

2.3 微膠囊技術

植物酵素的品質主要基于益生菌和活性物質兩方面。通常認為益生菌黏附并定植于腸道中是發揮其益生作用的前提，且濃度要達到108 CFU/mL以上[28-29]。然而，大多數益生菌的抗逆境能力較差，首先在加工過程中，熱處理可殺死細菌；其次，益生菌對胃酸和膽汁等消化液的耐受性可能較低；加之一些活性成分易于降解失活。因此，為了盡可能保證產品的品質，可在生產中加入保護技術，例如微膠囊技術[30]。

徐曉琳等[31]采用內源乳化法對益生菌進行處理，再用殼聚糖二次包衣制備微膠囊。結果發現最終制備的益生菌微膠囊具有良好的包埋率，酵素粉經過人工胃液處理后菌體存活率較高，經人工腸液處理后釋放率高達80%。田懷香等[32]發明了一種微膠囊水果酵素粉，益生菌在模擬消化液中存活率顯著提高。可見，采用微膠囊技術對益生菌進行包埋可能實現定點釋放，但是微膠囊的制備方法很多，選擇適合植物酵素工業化生產的制備方法顯得尤為重要。

3 植物酵素的潛在生理功能

植物酵素的銷售大多依賴于對產品功能性的宣傳。然而，這些功能多數是基于文獻報道或體外實驗結果得來的，缺乏動物實驗和人群實驗數據的支持[33]。

3.1 抗氧化性

抗氧化性與植物酵素中存在的酚類、多糖、檸檬酸或礦物質有關，發酵通常可以促進植物原料中酚類物質的釋放和轉化，從而提高抗氧化性。李杰等[34]制備核桃青皮果蔬酵素時發現，主要抗氧化成分抗壞血酸和總花青素的含量在經過乳酸菌和酵母菌發酵后顯著提高。Zulkawi等[35]研究了一種用乳酸菌和酵母菌發酵水果、蔬菜、海藻、豆類和谷類所制成的復合酵素食品Xeniji，通過鐵離子還原抗氧化能力實驗發現，多酚和檸檬酸可以提高Xeniji的抗氧化性，且可以顯著提高小鼠肝臟的抗氧化能力。可見，很多酵素產品都具有抗氧化作用，對于不同發酵原料的植物酵素，可通過篩選不同菌株來提高抗氧化性。此外，酵素的抗氧化性可能也與其他生理功能有關，如抑菌、抗炎、抗腫瘤等。

3.2 消炎抑菌作用

酵素發酵過程中生成的活性物質包括有機酸、多肽、氨基酸和寡糖等，它們可以通過破壞細胞壁或細胞膜、抑制蛋白質合成等方式達到消炎抑菌的效果，且隨著發酵過程中酚類、有機酸、糖類等物質的增加，具有協同抗菌作用。因此，酵素的抑菌作用與其抑菌成分密切相關[36-37]。董銀卯等[38]對酵素的抑菌功效進行評估發現，酵素可有效抑制大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌等。伊媛媛等[39]對桑葚酵素、果蔬膳食纖維酵素、愛醒植物酵素、玫瑰酵素、老姜酵素和五白植物酵素進行抑菌性研究，觀察這些酵素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌作用。結果顯示，桑葚酵素、五白植物酵素、愛醒植物酵素和果蔬膳食纖維酵素對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抑制作用。可見，盡管原材料、發酵劑、生產工藝和處理方法不同導致抑菌實驗的結果存在差異，但發現一些植物酵素具有潛在的消炎抑菌作用。

3.3 增強免疫力

經益生菌發酵的植物酵素中富含胞外多糖和多肽等活性物質，這些物質可增強非特異性和特異性免疫反應，從而提高機體免疫力[40]。Zulkawi等[41]通過評估血清細胞因子水平、脾臟T細胞和NK細胞群以及脾細胞對小鼠淋巴瘤細胞的細胞毒性，證明了經乳酸菌和酵母菌發酵的酵素食品Xeniji中生成的β-胡蘿卜素、植物二氫番茄紅素、多酚、檸檬酸和必需氨基酸可以增強小鼠的免疫力。戴凌燕等[42]研究了糙米酵素提取物對高脂血癥大鼠臟體比、肝臟脂肪和消化酶的影響，結果表明糙米酵素提取物能顯著降低肝、肺、心、腎的臟體比，具有增強免疫力的作用。

3.4 抗腫瘤

植物酵素在抵抗腫瘤細胞增殖中也具有潛在作用。Evilla等[43]研究表明，米糠酵素提取物可以誘導白血病細胞MOLT-4的細胞死亡，并對N13小膠質細胞發揮免疫調節作用，說明米糠酵素具有一定的體外抗腫瘤活性。Lu等[44]研究了植物酵素對H22肝癌模型小鼠的抗腫瘤作用，結果表明植物酵素可通過誘導細胞凋亡、延長小鼠壽命來抵抗肝癌的惡化。

3.5 其他功能

由于發酵原料、發酵劑及發酵方法的不同，制備的植物酵素可能具有一些特殊的功效。由表3可知，植物酵素還具有美白、解酒、調節血糖和防曬等獨特的潛在作用。總之，盡管植物酵素在動物實驗中也表現出一定的生物活性，因此需要進行人群實驗來確定。

4 結語與展望

近年來，對于植物酵素的研究逐漸深入，并取得了一定的進展，但是未來的發展仍然充滿挑戰，尤其是功能性酵素的研發。首先，植物酵素中含有豐富的活性物質，應明確發酵過程中各類活性分子的組成、含量和存在形式的變化規律，以及微生物和分子之間以及分子和分子之間的相互作用情況。其次，在發酵微生物選育時，應優先選擇在胃腸道消化環境中具有優秀抗逆性的菌株，還應關注在植物酵素中的益生菌高密度培養技術，最大程度地在產品中增加益生菌和生物活性成分的含量。再次，也應關注植物酵素中后生元的種類、含量和潛在的生物活性。最后，應闡明植物酵素中影響生理功能的主要因素和作用機制。相信解決上述問題以后，植物酵素的應用將逐漸擴大到食品工業的各個細分領域，例如食品添加劑和調味料等行業。

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