食用酵素的研究进展

唐 超，江惠娟，苏二正

(南京林业大学 轻工与食品学院，江苏 南京 210037)

酵素是指以动物、植物和菌类等为原料，经微生物发酵制得的含有特定生物活性成分的产品[1]。2016年，中国生物发酵产业协会发布的《酵素产品分类导则》标准中，将酵素按产品应用领域分为食用酵素、环保酵素、日化酵素、饲用酵素和农用酵素；按其生产工艺分为纯种发酵酵素、群种发酵酵素和复合发酵酵素；按发酵原料种类分为植物酵素、菌类酵素、动物酵素和其他酵素；按产品形态分为液态酵素、固态酵素和半固态酵素[1]。食用酵素是一种风靡日本和我国台湾地区的功能性食品。在不断发展过程中，食用酵素的定义扩展为以酵母菌、乳酸菌和霉菌等益生菌发酵水果、蔬菜、糙米、菌类、药食同源中药和动物等原料而制成的一种含有特定活性物质的功能性食品[2-4]。近年来，食用酵素发展迅速，但我国大陆地区食用酵素相关研究尚处于起步阶段，与发达国家和地区相比，仍有较大差距，国外的食用酵素产品在国内的售价普遍昂贵。所以，自主研发的食用酵素产品在国内有广阔的市场前景。本文中，笔者综述了食用酵素的主要发酵微生物、生产方式、产品形态、主要功能和安全性，并对我国食用酵素的相关标准进行了介绍，最后分析了我国食用酵素产业存在的问题及其发展前景。

1 食用酵素主要发酵微生物

1.1 人工接种发酵用微生物

在许多食品发酵过程中，亚洲地区食品发酵过程的水解阶段以霉菌为主，产乙醇阶段以酵母为主。从世界范围内来看，酵母菌在发酵食品和饮料生产中起主要作用[5]。Valim等[6]利用星果(一种热带杨桃)为原料，在果浆中接种酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)进行发酵，获得了一种风味良好和低酸度的水果酒精酵素饮料。除了酵母菌，其他常用的真菌是霉菌，如黑曲霉、根霉和红曲霉。Fernandes等[7]利用青梅加工副产物为原料，分别接种黑曲霉、根霉进行固态发酵研究，经发酵作用后，总酚、类黄酮、抗氧化活性和极性脂质等都有增加。姜忠丽等[8]通过单因素和正交试验确定了糙米酵素红曲酒的发酵工艺模型及工艺参数，通过实验得出：以大米和糙米酵素为100%计，最适红曲霉添加量为10%，最适酵母加入量为1.0%，最佳原料与水的比例为1∶ 1.5，发酵温度控制在24～28 ℃，发酵8 d，可获得一种风味、色泽与功能性均上乘的饮品。除真菌外，也有接种细菌进行发酵，常用的是乳酸菌属的有益菌。Kim等[9]以土豆汁为原料，接种干酪乳酸菌发酵制得一种能够清除自由基，含有益生菌的功能酵素饮料。

1.2 自然接种发酵微生物

果蔬发酵中，最早也最稳定的是乳酸菌发酵，从中经常会分离到植物乳杆菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌、德氏乳杆菌和发酵乳杆菌等乳酸菌，这些乳酸菌是果蔬自身携带的一部分微生物。果蔬通过乳酸菌发酵后，可以提升产品的质量、口感、营养和保存期，同时能降低有害成分的含量[10]。在蔬菜自然发酵的起始阶段，明串珠菌属是优势微生物，从类似朝鲜泡菜的发酵蔬菜中分离得到的该类微生物，具有在低温下生长速度快、酶活力高的特性。在整个蔬菜自然发酵过程中，乳酸菌是主要的优势微生物[11]。益生肠球菌类是乳酸菌属中的一类微生物，遍布于自然界，在一些发酵乳制品的生产中，益生肠球菌是有益微生物，可以促成乳制品形成独特的风味和品质[12]。Jayabalan等[13]在研究红茶发酵产物的功能时发现，红茶自然发酵的微生物主要是一些酵母菌，含有拜氏接合酵母(Zygosaccharomycesbailii)和克劳森酒香酵母(Brettanomycesclaussenii)2种酵母菌。Kumar等[14]在研究热带水果酒精发酵时，分别用西瓜、西瓜和香蕉、西瓜和菠萝作为原料进行发酵，从这3种原料的自然发酵产物中分离鉴定出3种酵母菌，分别是Saccharomycescerevisiae、Torulosporadelbruckii和Kleocheraapicalata等。

2 食用酵素的发酵生产方式

食用酵素发酵的原料主要包括各类植物、动物和菌类等，可根据发酵食用酵素时所用原料种类的多少，分为单一原料发酵和混合原料发酵。

2.1 单一原料发酵

单一原料发酵能够保持原始材料的风味和感官，对于某些特定的原料，通过发酵作用不仅可以最大限度地保留其品质，还可以增加其营养成分。Moayedi等[15]利用番茄加工过程中的废弃物为单一原料，接种枯草芽孢杆菌发酵14 h后，获得了具有抗氧化性和抗菌活性的食用酵素。Kumar等[14]在研究热带水果酒精饮料时，分别用西瓜、西瓜和香蕉、西瓜和菠萝作为原料进行水果酒精发酵，实验发现，单一原料发酵制得的饮料比混合原料发酵制得的饮料有更好的品质。Fernandes等[7]以青梅果渣作为原料，分别接种黑曲霉和根霉进行固体发酵，结果发现，接种黑曲霉组的总酚含量和总黄酮含量都提升30%以上，接种根霉组的总酚含量和总黄酮含量都提升21%以上。牛广财等[16]以糙米为原料，接种酵母菌，于30 ℃条件下发酵6 h，以淀粉酶活力为测定指标，发酵结束后测定淀粉酶活力，平均值为442.2 U/g，所得产品呈乳白色，气味醇香，酸甜适口。莫大美等[17]以玫瑰为原料，采用响应面法优化酵母菌和乳酸菌的接种量和发酵时间，在双菌种优化条件下,再接种醋酸菌进行联合发酵，得到的酵素饮料具有独特的玫瑰红色、玫瑰花味、淡淡酒香和口感酸甜适宜等品质。

2.2 混合原料发酵

混合原料可以调节发酵体系中的碳氮比(C/N)，改善原料的结构特性，增强介质传递，提高微生物对原料的利用率，增加发酵体系的缓冲能力和有机负荷，减少毒性抑制，增加体系的稳定性，从而提高发酵效率[18]。

3 食用酵素产品形态

3.1 饮料类

饮料类酵素产品多是由水果发酵而成的，该类产品可以保持水果原有的风味，同时经过发酵，增加了营养成分，使机体易于吸收更多的有益成分，从而增加了营养物的吸收效率。此类产品具有方便、即食和营养丰富等优点。

Patra等[24]利用木橘为原料，经发酵后得到了富含抗氧化物质的一种饮料，可有效清除81.10%的1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)、34.44%的2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)以及33.33%的过氧化氢(H2O2)；同时含有多种营养成分，通过对其香气、颜色、味道、风味和余味评价，发现该饮料具有作为药用饮品的潜力。Kim等[25]将土豆汁接种干酪乳酸菌发酵72 h后，得到的发酵土豆汁保持50%以上的自由基清除能力；在酸性条件下，发酵土豆汁中有益菌的存活率保持在89%；该发酵土豆汁可以作为一种益生菌功能饮料，适合素食者和奶制品过敏者。Sabokbar等[26]将石榴汁和乳清混合接种酸乳酒曲发酵32 h，同时对发酵温度和酸乳酒曲接种量进行优化，经过发酵后，总酚含量和抗氧化活性显著提高，可以开发成一种新型的功能饮料。Lee等[27]把苹果汁和中草药(松针、黄芪和槲寄生)混合发酵40 d，所得苹果草药酒饮品相比于普通苹果酒有更高的总酚含量、透明度和游离氨基酸含量，感官方面与普通苹果酒相似，该苹果草药酒可作为一种新型功能饮料酒。

3.2 胶囊类

将酵素装入胶囊中，可以做到全封闭，内容物与空气隔绝开，避免功能成分氧化失效或降解等[28]。将在胃液中易受到破坏的酵素成分装入胶囊中做成肠溶胶囊后，到达肠道内才溶解，可有效提高酵素功能成分在肠胃中的有效浓度。此外，胶囊中的内容物是定量的，可以做到准确的服用量。刘铭[29]在其发明专利中以火龙果、木瓜、草莓、柠檬和花蜜为原料，经发酵、急冷固化和干燥后，碾磨成粉末装入胶囊中，制得了一种便于携带的食用酵素胶囊。该酵素胶囊富含多元氨基酸和消化酶，对长期便秘、营养不良和贫血的人有较好的疗效。李翔[30]以普洱茶提取物与各种中药的晒干粉末混合制得一种普洱茶酵素软胶囊，该制剂能够提高血氧饱和度，适用于多种心血管疾病。

3.3 粉剂类

粉剂类食用酵素物化性质稳定，制作工艺简单，同时能够节约包装和运输成本，使用方便，用时溶于水即可。其中，可湿性粉剂能更好地储存，适应环境能力更强[31]。董珂[32]在其发明专利中将各种原料按比例装入发酵罐，经发酵、过滤后得到酵素原液,然后在60 ℃条件下，进行常压或减压干燥，制成粉剂，得到食用酵素粉。朱雨[33]将荔枝与罗汉果和干莲子配合后，再加入干玫瑰花瓣、干荷花瓣和干洋槐花瓣调味，经发酵、过滤和干燥制得粉剂食用酵素，该酵素具有益气补血、补脾益胃及养心安神等功效。

4 食用酵素的主要功能

4.1 抗氧化功能

机体在代谢过程中会产生自由基，如超氧自由基、羟基自由基、过氧化氢和超氧化物自由基等，由于这类自由基具有很强的氧化性，会对机体产生严重的危害。人体本身含有抗氧化修复系统，但仍然需要额外摄入抗氧化物质以协助机体的抗氧化作用[34]。

Jimenezescrig等[35]的研究表明：胡萝卜素作为一种抗氧化成分，可以使活性氧失活，从而清除自由基，因此能够延迟或阻止氧的损害。胡萝卜素主要存在于绿色菜叶中。Serrano等[36]将绿色菜叶发酵处理后，β-胡萝卜素的含量由原来的22%上升到67%，叶黄素的含量由原来的27%上升到77%。黄海等[37]以黑果腺肋花楸(简称黑果)为原料，利用植物乳杆菌发酵制备黑果酵素，并对其体外抗氧化活性进行了研究，结果表明，黑果酵素清除超氧阴离子能力和清除DPPH 自由基能力比未发酵前分别提高了1.69和0.088倍。Song等[38]利用辣椒叶作为原料，接种2种乳酸菌进行发酵，得到的辣椒叶酵素饮料中，γ-氨基丁酸、总酚和黄酮类化合物的含量都明显增加，同时对DPPH自由基、超氧化物自由基的清除能力和α-葡萄糖苷酶抑制能力都有效增加。Aruoma等[39]将木瓜酵素用于由H2O2引起的DNA损伤恢复研究，提前将处理的木瓜酵素加入到PC12神经细胞(嗜铬细胞瘤细胞)中，随后加入H2O2，结果表明，加入木瓜酵素能够显著提高细胞的生存力和保持细胞的形态。当木瓜酵素质量浓度大于10 μg/mL时，DNA损伤程度明显下降；当木瓜酵素质量浓度为50 μg/mL时，降低H2O2引起的遗传毒性能力是空白组的1.5倍。Imao等[40]测定木瓜酵素清除自由基的能力发现，质量浓度为50 mg/mL的木瓜酵素能够清除80%的羟基自由基，将木瓜酵素持续注射到老鼠左侧大脑皮层4周后，能够降低脂类过氧化物的含量，同时能够增强大脑皮层和海马体中SOD酶的活性。杨洋等[41]用邻苯三酚自氧化法、水杨酸法和DPPH 分析法分别研究木瓜酵素对超氧阴离子自由基、羟基自由基和DPPH自由基的清除能力，并与同等条件下抗坏血酸抗氧化作用比较，结果表明木瓜酵素具有一定的抗氧化能力。

4.2 抗菌消炎功能

红茶酵素中的主要色素是茶黄素和茶红素，它们是通过儿茶素的氧化作用形成的[42]。Sang等[43]设计了3种不同的抗炎模型，用来评价红茶酵素茶黄素提取物的抗炎能力，结果表明茶黄素提取物具有很高的抗炎活性。Ayed等[44]将葡萄汁与红茶共发酵，用测试菌对发酵液进行抗菌实验，结果发现，发酵液对所有测试菌都具有抑制作用。进一步分析发现，发酵液具有抗菌活性是因为在发酵过程中乙酸含量增加，并且生成一些其他代谢产物。米糠是稻米加工业的副产物，含有丰富的营养物质，如蛋白质、油脂、碳水化合物、维生素和矿物质等[45-47]，但是由于脂肪酶和脂肪氧合酶的作用，游离脂肪酸容易受到氧化而腐败，其利用价值受到限制[48]。Li等[49]将米糠接种有益微生物发酵制得一种酵素饮料，该饮料能够明显抑制埃希氏大肠杆菌(E.coli)和绿脓杆菌的生长。Kumar等[50]从发酵蔬菜中分离得到4种乳酸菌，这4种菌都能够在低pH (3.0)下存活4 h，对肠道内的致病菌(阪崎肠杆菌、鼠伤寒沙门菌、弗氏志贺菌、李斯特菌、嗜水气单胞菌和小肠结肠炎耶尔森氏菌)具有拮抗作用，能够抑制肠道致病菌的生长。

4.3 美白养颜功能

刘丽君[51]以红茶酵素为主要原料制备了一种具有排毒、活肤和抗氧化等功效的美白面霜，集红茶、中药、生化美白剂及发酵代谢美白活性成分等优势于一身，是一种新型安全有效的美白护肤产品。董银卯等[52]以火龙果为原料，发酵制得的火龙果酵素SOD酶的整体活力在300 U/mL左右，这表明火龙果酵素在体内具有较好的清除自由基的能力和美容功效。龚宵等[53]以火龙果、荔枝和西番莲为原料，发明了一种酵素饮料，充分保留了水果中的营养物质，稀有的植物性蛋白能与重金属离子结合，从而起到排毒养颜的作用，在酵母的作用下产生SOD，具有美白功效。

4.4 保护肠道功能

水溶性膳食纤维具有较高的锁水性，易被肠道菌群降解，生成大量的短链脂肪酸，可以直接为肠黏膜细胞提供能量，还能调节肠道内pH，抑制机体炎性反应，促进肿瘤细胞凋亡的作用。非水溶性膳食纤维不易被肠道菌群降解，能够促进乳酸杆菌和双歧杆菌的生长，在一定程度上可以抑制肠球菌和肠杆菌的增殖[54-56]。火龙果含有丰富的矿物质、植物白蛋白、水溶性膳食纤维、不饱和脂肪酸、维生素、黄酮和黄酮醇物质[57]。董银卯等[52]以火龙果为原料，接种酵母菌，发酵制得的火龙果酵素含有丰富的膳食纤维，具有润肠和预防大肠癌的功能。林茂等[58]的发明专利以火龙果为原料，添加红糖、冰糖，于22～28 ℃下发酵12～20 d，制得的酵素有效保留了火龙果的营养成分，该酵素可以调节人体肠道菌群，促进营养吸收，改善体内微环境等。

5 食用酵素的安全性

5.1 食用酵素发酵用微生物的安全性

人工接种发酵生产酵素大多使用的微生物都是经过国家卫生部批准的、可用于食品的菌种或传统上用于食品生产加工的菌种，因此安全性是有保障的。自然接种发酵生产酵素，由于环境中存在微生物的多样性和复杂性，可能有一些有害菌会参与发酵过程，因此，这种方式生产的食用酵素一定要通过安全性评价后才能上市销售。乳酸菌是食用酵素生产中最常用的发酵菌种，乳酸菌属中的植物乳杆菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌、德氏乳杆菌和发酵乳杆菌等常被作为有益菌用于乳制品的生产，形成了乳制品的独特口感和品质。然而，乳酸菌属中的肠球菌比较复杂，有些益生肠球菌可用于乳制品加工，但是，另外有部分肠球菌是病原菌，对抗生素能够自发地获得耐药性。因此，在筛选肠球菌作为发酵剂时，对其进行毒性和耐药性安全评估是极其重要的[12]。

5.2 食用酵素发酵中微生物代谢产物的安全性

食用酵素发酵用微生物都是益生菌，经这些益生菌的发酵作用，会生成各种有益的代谢产物。但是由于微生物酵素发酵过程多为混菌共生发酵，整个发酵过程变化很复杂，又难以控制，因此不可避免地会生成一些有害物质。Ohimain[59]的研究显示，在霉菌、酵母菌和细菌产生的果胶酶作用下，果蔬发酵过程会产生甲醇。由于发酵果蔬产量逐年递增，食用该类产品后引起甲醇中毒的案例也在逐年增加。

5.3 食用酵素生产过程的卫生质量安全

很多食用酵素产品大多采用传统技术进行生产，生产规模不大，设备简单，技术含量不高，多为自然发酵[60]，卫生质量安全得不到保证，具有潜在的健康隐患。采用传统方法生产食用酵素时，发酵过程变化复杂，难以掌控，容易被致病菌污染[61]。因此，食用酵素生产企业建议使用现代发酵工程技术替代传统发酵工艺，并制定严格的企业生产操作规程，确保食用酵素产品的卫生质量安全。

6 我国酵素相关标准

酵素在日本、中国台湾地区已经发展成相当成熟的产业，在中国大陆的兴起还是近几年的事，但是由于我国地域辽阔，酵素生产原料资源丰富，酵素产业发展势头迅猛。为了进一步促进酵素产业的发展，规范相关酵素生产企业的生产行为，2016年，中国生物发酵产业标准化技术委员会提出并归口，中国生物发酵产业协会酵素分会组织起草的团体标准《酵素产品分类导则》(T/CBFIA 08001—2016)和《食用酵素良好生产规范》(T/CBFIA 08001—2016)已于2016年9月9日对外发布，2016年10月1日正式实施。《食用植物酵素》(T/CBFIA 08003—2016)也已于2017年6月1日正式实施。这3个标准规定了酵素相关产品的术语、定义和分类，明确了食用酵素(食用植物酵素)生产应遵守的生产规范。

7 总结与展望

在日本，每天有超过2 000万人在服用酵素产品，食用酵素在日本一年可达1 000 亿日元的消费额。在中国台湾地区，一年食用酵素的市场规模也已超过60亿台币，而衍生的酵素概念商品更是渗透至绝大多数食品行业。食用酵素2007年开始进入中国大陆市场，正式发展也就近5年内，可以说我国食用酵素产业还处于成长期。分析我国食用酵素产业现状，主要存在以下问题：①人们对食用酵素的认识与酵素养生概念还非常陌生，仍然处于认识阶段；②目前市场上食用酵素产品的生产工艺大多是日本专利，国内缺乏具有自主知识产权的工艺技术；③我国食用酵素产品还没有形成产业品牌效应；④食用酵素相关标准、法规不健全；⑤不少食用酵素经营者为促进销售，对酵素的功效夸大宣传，给潜在消费者带来更多疑虑，进而对食用酵素行业产生信任危机。

虽然我国食用酵素起步较晚，产业发展还存在很多问题，但是我国食用酵素产业发展势头良好。根据统计[62]，2012年我国食用酵素产值为0.5亿元，2013年产值为0.6亿元，同比增长20%；2014年产值为0.9亿元，同比增长50%；2015年产值为1.4亿元，增速也达到了55.56%；2016年酵素行业产值为2.3亿元，比上年增长了64%。随着人们对食用酵素认知程度的提高，我国相关科研机构、企业研发投入的增加以及国家标准、法规的不断健全，食用酵素产业将快速步入高速发展期，有望达到千亿元的产业规模，食用酵素也必定会成为国人青睐的健康养生食品。

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