人参发酵工艺研究进展

浦凤玲，侯萍萍，张铁华

（吉林大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130062）

人参（Panax ginseng C.A.Mey）是一种多年生草本植物，主要生长于我国东北地区，被人们誉为“百草之王”和“东北三宝”之一。目前，人参皂苷[1]、人参多糖[2]、挥发油（萜类、醇类、脂肪酸类等）[3]和氨基酸[4-5]等[6]被发现是人参含有的主要化学成分。其中最主要的成分是人参皂苷，因为它是人参中最重要的一种生物活性有效成分[1，6-7]，分类上属于固醇类化合物，结构上是连接有糖链的三萜类皂苷。迄今，已经有超过150 种的人参皂苷被发现，超过50 种的人参皂苷被分离出来[8-9]。大量研究表明人参皂苷具有抗疲劳[10]、抗氧化[11]、抗肿瘤[12]、增强免疫力等功效[13]。另外，它还具有促进脂肪代谢的功能[14]，这可能会受到减肥人群的青睐；其能够降低血糖和血脂[15]，这个功效也会使含有人参皂苷的制品受到“三高”人群的青睐。人参皂苷主要类型有原型人参皂苷和稀有人参皂苷，由于具有显著的生理药理活性和极高的药用价值，稀有人参皂苷的应用前景十分广阔[16-17]，得到了广泛的研究和开发。稀有人参皂苷具有很多的医用和药用功能，比如人参皂苷Rg3 可以抑制炎症并消除热量[18]、抗疲劳[19]的作用；人参皂苷Re 具有保护心肌缺血组织、抗心肌细胞凋亡、抗心律失常以及对心肌细胞的减毒作用等[20]；人参皂苷Rg1具有显著的护肝作用[21]和延缓细胞衰老作用[22]。虽然它们具有如此显著的功能作用，但是大多数稀有人参皂苷比如 Rg3、Re、CK、Rg1 等在野生的人参当中很少被发现，含量极少，甚至在人工栽培的人参中更是基本没有[23-24]。通过研究发现，人参皂苷所含有的糖分子数量会影响它的的生理药理活性，具体的关系是：人参皂苷含有糖分子数量越多，它的生理和药理功能作用越少[25]。为了解决这一问题，很多科学家进行了大量试验研究，由于稀有皂苷与原型皂苷之间区别主要是糖分子的数量，所以可通过去糖基化作用将大量的原型人参皂苷转化为稀有人参皂苷，很多微生物在发酵过程中就能实现这一转化过程[26-27]，从而提高人参的药理学活性[28]。在我国，人参已经被批准作为一种新资源食品，所以，以人参为原料的各种功能性食品成为了研究的热点，人参发酵工艺的研究就是其中很重要的一部分。

1 人参发酵的机理

发酵是指利用微生物或生化手段来改变各种物质，然后通过使用由此产生的能量和代谢中间体来获得各种有用的物质。发酵是在如今的食品工业中得到了广泛应用的一种生物化学反应，近年来，各种发酵食品层出不穷并且受到消费者的青睐。微生物在代谢过程中的某些酶或酶系把人参中含量较多的人参皂苷转化成含有特殊功能基团的稀有人参皂苷的生物化学反应，就叫做人参发酵，也就是微生物转化[29]。在代谢过程中微生物产生的酶作用在人参皂苷的C-3、C-6、和C-20 位上连接的糖苷，水解掉部分或全部的糖苷，从而把Rb1、Rb2 等含量较多的人参皂苷转换成活性更高的稀有人参皂苷Rg3、CK、Rg1 等[30]。其中的微生物和酶作用和转化过程是非常复杂的，目前有很多研究探寻了人参皂苷的具体生物转化途径[26，31-32]，如郑飞等[33]通过高分离度快速液相色谱－四极杆飞行时间质谱（high resolution rapid liquid chromatographytime-of-flight mass spectrometry，RRLC-Q-TOF MS）法初步推算出，原二醇型人参皂苷在发酵过程中主要有两种转化途径：在第一种转化方法中，Rd 中从C-20释放的一分子葡萄糖后转化为Rg3，Rg3 进一步脱水生成Rg5 或Rk1。在第二种转化方法中，Rd 从C-3 中除去的一分子葡萄糖转化为F2，F2 从C-3 中除去一分子葡萄糖直接转化为CK[34]，也可除去C-20 位的一分子葡萄糖转化为Rh2。另外，乔梦丹等[35]发现在人参发酵中，还存在R 构型排列和S 构型排列的转化。通过总结各方面的研究，人参发酵其实就是其内部的人参皂苷通过各种复杂的作用和途径转化或者生成某些稀有人参皂苷的过程，而这些作用和途径就是研究的科研重点。

2 常见人参的种类及其功效

鲜人参经过不同的炮制方法可以得到多种炮制品[36]，常见的有生晒参、红参和黑参。黑参是新种类的人参炮制品，现在，无论是国内还是国外，几乎没有关于黑参研究的报道，只在韩国有一些少量的研究。在人参炮制过程中，皂苷成分种的酯键和糖苷键被分解，从而使原型人参皂苷转化为稀有人参皂苷，增加了人参中稀有皂苷的含量，再经过人参发酵后，稀有皂苷含量会明显增高，它的营养价值和生理功效也提升更多。

2.1 生晒参

生晒参是挑选合适的鲜人参经过清洗之后干燥制得[37]。邱楠楠等[38]用超高效液相色谱-电喷雾离子化串联质谱联用（ultra performance liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry，UPLC-ESI-MS-MS）方法测得生晒参中含有大量人参皂苷，特别是鲜人参中含量很少的稀有人参皂苷在生晒参中含量很高。而且根据喻春皓等[39]发现，经过酶法加工处理后，生晒参中高活性的次生皂苷会增多，它是由生晒参种的人参皂苷转化而来的。由此可以推测，经过发酵之后的生晒参将会生成更多的稀有皂苷，营养成分会更加的丰富，药理作用更加显著。

2.2 红参

红参是在生晒参的基础上再经蒸煮制得，蒸制后的人参皂苷总含量有所增加，而且随着蒸制时间长短的不同，各种皂苷的增减量都不一样[40]，红参具有许多药理功能，如抗氧化、抗疲劳[41]和抗炎活性，红参还能表现出抗细胞凋亡作用。另外，发酵后的红参被发现在发酵产物中多糖成分增加[42]，原型皂苷和稀有皂苷之间发生转换，还会产生新的活性物质，发酵后的红参的不仅活性成分更易被肠道吸收，而且抑制癌细胞的能力也大大增强[43]。

2.3 黑参

黑参为五加科植物人参经九蒸九曝的传统的方式、再反复蒸制烘干炮制得到的一种新型人参炮制品[44]。最初黑参是通过一种传统的方法制得，随着对黑参研究的深入，很多炮制黑参的方法被发现，但是到目前为止黑参的制作还没有标准的方法。可以明确的是与生晒参和红参相比，黑参中的稀有皂苷含量都有更大的提高[45-46]。在药理作用方面，黑参中的活性成分具有更强的抗炎、抗伤害作用、抗肿瘤作用、增强免疫力作用等[47]。如 Jung K[48]和 Han M S 等[49]研究发现发酵后的黑参及其中的稀有人参皂苷对大鼠肾毒性具有预防和改善的有益作用，

3 人参发酵工艺优化

3.1 人参发酵微生物的选择

目前，乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢杆菌[50-51]是用于进行人参发酵的主要微生物。有单一菌种进行的发酵，也有几种不同的菌种混合使用进行发酵。不同的菌种对于人参发酵的影响是不一样的，最终转化得到的稀有皂苷也不完全相同。

薛兢兢等[52]采用高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）方法，通过分析人参发酵液中的氨基酸含量在发酵前后的变化，对人参发酵工艺中菌株的筛选进行了优化。结果表明，单一乳酸菌发酵人参产生的氨基酸种类多且含量高。而复合益生菌（酵母菌+乳酸菌）发酵之后的发酵液中氨基酸的种类和数量都没有单一乳酸菌发酵液中的多。并且，在单一乳酸菌的人参发酵液中七种皂苷和蛋白质氨基酸及多糖含量均高于人参提取液，说明单一乳酸菌发酵人参的效果要高于复合益生菌。陈玲[53]以人参粗提物为底物，研究乳酸菌对人参皂苷的转化，发现乳酸菌促进了原人参二醇型皂苷的转化，而且转化效果最好的乳酸菌是鼠李糖乳杆菌。对于不同种类菌种的筛选，陈贺等[54]从苹果、葡萄、辣白菜、酸菜等果蔬样品中筛选高活性菌株，分离出48 种菌株与人参粉末进行微生物固体发酵，测试结果为属于巴氏醋酸杆菌的Y11菌株为人参发酵的最高活性菌株。因为稀有人参皂苷CK 能够被Y11 通过转化人参中的 Rb1 等主皂苷得到，在固体发酵物中CK 的含量达到0.11 mg/g。还有Joanne SH Tan 等[55]研究发现，与鼠李糖乳杆菌相比，乳酸乳球菌在人参发酵过程中具有更高的生物转化率。夏晚霞[56]用HPLC 方法检测了人参提取物发酵前后9种人参皂苷含量的变化，从5 种乳酸菌（植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、副干酪乳杆菌和发酵乳杆菌）中筛选适合发酵转化人参皂苷的乳酸菌，结果显示植物乳杆菌发酵产生的稀有皂苷F2 和Rg3 含量相对于其他4 种菌类都较高。

除了在微生物的作用下进行发酵，人参还经常与其他的产品结合一起进行发酵。如苏玲等[57]用灵芝[58]与人参进行共发酵，不仅人参的抗氧化活性得到提高，而且稀有人参皂苷含量比如Rg3、Rf 等的含量也会提升。郑飞等[33]研究发现鲜人参与仙人掌果配伍发酵后，稀有人参皂苷由发酵前的19 种增加到了发酵后的27 种。

3.2 人参发酵环境因素的优化

人参发酵的影响因素有：菌种和底物的选择、反应温度、反应pH 值、反应时间和基质含水量等[59]。不同菌种进行发酵时的最优条件是不同的。刘涛[30]在研究筛选最佳菌种的同时，就确定了植物乳杆菌的最佳发酵工艺条件为：发酵时间16 d，发酵温度为37 ℃，发酵初始pH 值定为6.0，菌种的接种量为1.0%，与夏晚霞等[56]探讨得到的发酵工艺条件相似，按照此发酵工艺通过乳酸菌发酵后，发酵液中稀有皂苷含量大大增加，且过程中可能有其他种类的皂苷生成。丛悦怡等[60]探究了红曲霉对人参的固态发酵工艺，以转化得到Rg3 含量最高为标准，得到最优的工艺参数。当发酵菌种为枯草芽孢杆菌时，同样以转化得到Rg3 含量最高为标准，陈旸等[61]探索得到的最佳发酵工艺为：以乳酸细菌培养基（de Man，Rogosa，Sharpe medium，MRS）为发酵培养基、在发酵温度为35 ℃下，把发酵pH 值定为7.0，发酵2 d。有些工艺条件只针对某种皂苷的转化，如李亨等[62]用正交试验的方法优选了人参皂苷Re转化为Rg2 的发酵工艺，采用HPLC 法分析，确定最佳发酵工艺为：酶解温度为60 ℃、加酶量10%、发酵时间为10 d。孙亮[63]通过大量的试验探究了人参根固体发酵最佳条件，该试验一共探究了4 类菌种发酵的最佳条件，分别为：①乳杆菌：时间为2 d；温度为40 ℃；pH 值为5.0；最佳发酵培养基为MRS 培养基。②枯草芽孢杆菌：时间 2 d；温度 35 ℃；pH 值为 7.0；最佳发酵培养基为MRS 培养基。③红曲霉：时间6 d；温度30 ℃；pH 值为7.0；基质含水量为50 %，与丛悦怡等得到的最佳发酵工艺相类似。④总状毛霉：时间5 d；温度28 ℃；pH 值为6.0；基质含水量为50%。⑤利用多菌种进行复合发酵，乳酸菌：枯草芽孢杆菌∶红曲霉∶总状毛霉=2∶2∶1∶1（质量比）是最合适的菌种比例；培养时间真菌为5 d，细菌为3 d；发酵温度30 ℃；发酵pH 值为7.0；基质含水量为50%，但是相比于单一菌种的固体发酵，人参总皂苷含量还是有所下降。

在不考虑发酵菌种的情况下，对人参发酵的最优发酵工艺大概总结概括为：将发酵温度设置为30 ℃～40 ℃，发酵 pH 值为 6.0 或者 7.0 的情况下，发酵 2 d～6 d 或者16 d，选择发酵培养基为MRS 培养基，将基质含水量定为50%。

4 人参发酵产品研究现状

作为国家卫生部批准的新资源食品，人参因为其特有的营养价值而受到人们的青睐。随着生活水平的提高，与人参相结合研发出的各种营养新功能食品出现在人们的生活中。其中最常见的人参发酵产品有人参液，如人参口服液、人参酒、人参酸奶、人参干酪等。

很多研究者进行了人参发酵产品的研制，如南博等[64]用高效菌种植物乳杆菌发酵的人参液为原料，配制成发酵人参口服液，优化发酵人参口服液的配方，当蜂蜜、柠檬汁、甜菊糖、枣汁分别占比7%、1%、7%、3%时，得到的发酵人参口服液清爽可口，酸甜适中，可改善人参特有的苦涩感，说明以上配方为人参发酵口服液的最佳配方。初琦等[65]在人参浆液中加入大米糖化液，通过Kefir 粒（主要由乳酸菌、酵母菌和醋酸菌的某些属种组成，是一种非常珍贵的微生物资源）中微生物之间的相互作用进行人参发酵，最终制得人参米酒。组织人员进行感官评价，结果是Kefir 人参米酒质地均一，有光泽，香味醇厚，有香米香味及淡酒香气，最重要的是，人参的土腥味经过发酵之后被极大的降低了，而人参总皂苷含量在发酵之后得到提高。钟浩等[66]通过微生物发酵生产人参酒，在人参酒中活性物质能够被更好地保留，不仅产品的风味较好[67]，而且酒精含量低。最受欢迎的人参发酵产品是人参酸奶，酸奶是近年来一直受到人们喜爱的一种乳制品，能够给人体健康带来许多益处，而人参也是一种药食同源的植物，王银平[68]将人参超声粉碎后加入酸奶中制得一种人参酸奶，发现这种人参酸奶具有明显的抗氧化功能。也有将人参超微粉与其他物质混合后加入酸奶中，如杨宗霖[69]将人参超微粉与桑葚汁混合，并添加到原料奶中制备人参桑葚酸奶，营养丰富、口味优良。由于人参粉颜色偏棕色，且本身稍带苦味，所以为了掩盖人参在食品加工时暴露出的颜色和苦味，王睦[70]用聚合乳清蛋白对人参皂苷进行包埋，结果发现不仅有效掩盖了人参的颜色和苦味，而且酸奶的持水力和蛋白含量也被显著提高。另外，人参中的另一重要成分人参多糖也会对乳酸菌的发酵产生影响，主要影响在于可以提高菌种的产酸速度[71]，而且可以制得人参多糖酸奶，其各种营养成分含量均高于一般酸奶。

5 结论与展望

大量的研究证明，人参通过发酵可以大幅度提高其稀有皂苷的含量，提高人参的药理活性和营养价值。在人参发酵工艺不断被优化的前提下，人们能以人参作为原料制作越来越多的食品和药品，在食品上人参的风味可以不断被改善，得到风味和营养都俱佳的食品，制造出与更多种其他产品相结合的新型食品。随着发酵工艺不断的研究发展，我国传统的人参加工产业将进入一个新的阶段。