药食两用植物酵素活性成分及发酵机理研究进展

2020-04-17尹欢方伟

农产品加工·上 2020年2期

关键词：活性成分酵素

尹欢方伟

摘要：富含各种生物活性成分，且具有食药两用功能的植物资源成为酵素产品开发研究的新热点。对药食两用植物酵素的活性成分和发酵机理进行综述，以期为药食两用植物产品开发提供一定的参考。

关键词：药食两用;酵素;活性成分;发酵机理

中图分类号：R151 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2020.02.023

Research Progress on Active Components and Fermentation Mechanism of Medicinal and Edible Plants Ferment

YIN Huan FANG Wei

（1. College of Biological and Food Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418008，China;

2.Key Laboratory of Research and Utilization of Ethno Medicinal Plant Resources of Hu'nan Province，

Huaihua，Hu'nan 418008，China）

Abstract：Plant resources，which are rich in all kinds of bioactive components and have the function of food and medicine，have become a new hot spot in the development and research of ferment products. The active components and the fermentation mechanism of both medicinal and edible plant ferments were reviewed in this paper，with a view to providing some references for the development of other medicinal and edible plant products.

Key words：medicinal and edible;ferment;active components;fermentation mechanism

酵素是指以动物、植物或菌类等为原料，经微生物发酵制得的含有特定生物活性成分的产品[1]，其中研究较多的是植物酵素。植物酵素中含有丰富的营养物质，如功效酶、多酚类化合物、有机酸、多糖、皂苷类，以及芳香类化合物如酯类、醛类和醇类等。

随着生活水平的提高，人们越来越关注健康饮食问题。富含各种生物活性成分兼具食药两用功能的植物资源成为酵素产品开发研究的新热点。药食两用植物指既是药品也是食品的植物，具有药用效果，也可作为食材加工处理。自2002年以来，我国卫计委陆续公布了共计101种药食两用品种，如丁香、罗汉果和黄精等。但用于酵素研究开发的植物资源仅10种左右，所以药食两用植物酵素的研究具有很大的开发潜力。

对药食两用植物酵素的活性成分和发酵机理进行综述，以期为其他药食两用植物产品开发利用提供参考。

1 活性成分

药食两用植物酵素中含有各种功效酶、多酚、有机酸、多糖和皂苷类等活性成分，能够降低机体内活性氧引起的伤害，增强人体免疫力，大幅提高产品的保健价值。

1.1 功效酶

功效酶有超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、蛋白酶和脂肪酶等[2]，来源于原料本身和微生物发酵。SOD是一种特殊的金属酶，能催化超氧阴离子自由基（O2-·）发生歧化反应，从而能有效清除机体内超氧阴离子由基（O2-·），具有防御氧毒、抗辐射、防治肿瘤等药用功效[3]。郭红莲等人[4]检测出枸杞酵素的超氧自由基清除率由39.57%增加至89.95%。蛋白酶在人体内的主要功用是催化食物中蛋白质进行分解，以及分解一些快要死亡的细胞。脂肪酶能水解油脂，被廣泛应用于减肥食品、保健品和化妆品中。葛朋烨[5]在研制的沙棘果汁酵素粉中检测出脂肪酶≥55 U/g，蛋白酶≥3 685 U/g，其含量高于未发酵的沙棘果汁液。

1.2 多酚类

根据化学结构不同，植物多酚分为水解单宁（酸酯类多酚）和缩合单宁（黄烷醇类多酚或原花色素），其分子结构中含有多元酚性羟基，包括黄酮类、类黄酮类、酚酸类及花色苷类等[6]。研究表明，多酚类成分具有较强的抗氧化性。潘梓源等人[7]发现，桂圆酵素总酚含量是桂圆水提液的5.05倍。新生成的酚类化合物16种，其中柚皮苷含量达3.32 μg/mL。刘涛等人[8]发现，桑椹酵素在发酵30 d后其总酚含量增加了5.0%，抗氧化能力增强且与总酚变化呈正相关。

1.3 有机酸类

有机酸类是指分子结构中含有羧基（-COOH）的有机化合物，植物体内积累的有机酸参与了光合作用、呼吸作用、氨基酸和酚类合成等代谢过程。韦仕静[9]发现，在桑葚酵素发酵过程中乳酸和乙酸含量不断升高，有机酸种类较发酵前有所增加，包括柠檬酸、草酸、苹果酸、琥珀酸、异戊酸和丙酮酸等，其中苹果酸和琥珀酸能够缓冲发酵液中乙酸的刺激性，强化桑葚酵素的口感。

1.4 多糖类

植物多糖是由单糖之间脱水形成糖苷键，并以糖苷键线性或分支连接而成多于20个糖基的链状聚合物，是维持生物体生命活动正常运行的基本物质之一。许多药食两用植物多糖在免疫系统、肝脏和核酸代谢等方面有重要作用。杨婧娟等人[10]发现，黄精经发酵后，黄精多糖含量达46.98%。秦哲[11]发现，在黄芪发酵过程中黄芪多糖含量与得率分别从36.01%，2.73%升至66.59%，4.35%。

1.5 皂苷类

植物皂苷是由糖链与苷元三萜、甾体或甾体生物碱通过糖苷键相连而成的一类复杂分子，具有抗炎、抗肿瘤、免疫调节等多种生物活性。孙亮[12]发现人参根经红曲霉和总状毛霉混合发酵后，其中总皂苷提高了1.75 mg/mL，单独用总状毛霉发酵后人参总皂苷提高了1.70 mg/mL。胡肖利[13]还发现，归芪参草功能酵素中含有黄芪甲苷、党参炔苷和人参皂苷Re等多种活性成分。

1.6 其他活性成分

药食两用植物酵素中还含有丰富的其他种类的活性成分。郭红莲等人[4]还发现枸杞经天然发酵后，风味物质发生明显变化，在益生菌发酵下生成了20种酯类、9种醛类、23种醇类和3种芳香杂环类等挥发物质。

2 发酵机理

酵素发酵是各种植物、动物或菌类等食品原料在微生物作用下发生的复杂过程，微生物在自身的新陈代谢和生长过程中，实现物质代谢转化，使发酵原料在分子水平上发生分解和结构改变，产生多种具有生物活性的酶类和复杂代谢产物。

药食两用植物中黄酮类、多糖类和皂苷类等成分可为微生物的生长提供营养，同时微生物能促进中药有效成分的溶出。通过微生物转化产生药理作用的次级代谢产物，达到增强药效和降低毒副作用等目的。药食两用植物酵素利用的微生物主要为酵母菌、乳酸菌、醋酸菌和霉菌等。

2.1 酵母菌发酵

酵母菌为单细胞真核微生物，最适生长pH值为5.0，最适生长温度为25 ℃。酵母菌的代谢类型属于兼性厌氧型，当酵母菌的生存环境中缺乏足够的氧气时，酵母菌会利用葡萄糖大量合成乙醇和CO2;当酵母的生存环境中存在足量的氧气时，酵母菌通过糖酵解和三羧酸途径将进入酵母细胞的糖类彻底氧化成水和CO2，在此过程中酵母菌也会将一些中间代谢产物排除胞外，如乳酸、酒石酸和苹果酸等。另外，酵母菌在缺氧的条件下生长速度较快[14]。赵玉平等人[15]用毕赤酵母发酵山楂汁，发现发酵后的山楂汁中苹果酸大部分被降解，柠檬酸则未检出，且产生了一些未知峰。可能是由于毕赤酵母在发酵过程中通过某种作用机制消耗柠檬酸和苹果酸，而生成乙酸、酒石酸和一些其他物质。

2.2 乳酸菌发酵

乳酸菌是一类革兰氏阳性、无芽孢及微量需氧型细菌，其最适生长条件为pH值6.0，生长温度 37 ℃，体积分数5%的CO2，且具有分解蛋白质和合成维B的能力[16]。作为药食两用植物酵素的发酵菌种主要是同型乳酸发酵菌（乳酸乳杆菌、嗜酸乳杆菌和保加利亚乳杆菌等）、兼性异型发酵菌（干酪乳杆菌和植物乳杆菌）和嗜热链球菌等。同型乳酸发酵指发酵终产物中有90%以上是乳酸，其主要通过糖酵解途径，每利用一单位的葡萄糖可生成2个单位的乳酸和2个单位的ATP，理论上可全部将葡萄糖转化为乳酸，主要为乳杆菌属、链球菌属和片球菌属的一部分。

乳酸菌同型发酵途径见图1[17-18]。

2.3 醋酸菌发酵

醋酸菌属于革兰氏阴性菌或变种，无芽孢，最适生长pH值为5.0～6.5，最适生长温度为28～30 ℃。一般不产生色素，少数菌株产生水溶性色素。通常情况下氧气作为最终电子受体，能够将糖类、糖醇类或醇类氧化为相应的葡萄糖、酮或乙酸等物质，且大部分醋酸菌能够使用硫酸铵作为唯一氮源，而利用氨合成所有氨基酸[19]。醋酸菌将乙醇转化为乙酸的主要代谢伴随着次生代谢的发生，在次生代谢过程中生成的少量挥发性物质包括乙烷、乙醛、甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸异戊酯、丁醇、甲基丁醇和 3 -羟基- 2 -丁酮[20]。目前，常用醋酸菌与其他发酵菌共同制备药食两用植物酵素，醋酸菌单一发酵主要用于工业生产酿造食醋及果醋饮料等。

2.4 霉菌发酵

米根酶的最适生长温度为30～33 ℃，菌丝较为高大、粗糙。根霉分泌的淀粉酶的活力较高，除了具有糖化作用外，也可促进发酵过程中产生少量的乙醇、乳酸、丁烯二酸及反丁烯二酸，从而丰富产品的风味[21]。黑曲霉属半知菌亚门、丝孢纲、丝孢目、丛梗孢科，是丝状真菌的一个常见种，其发酵周期短，生长旺盛，可生产纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶、糖化酶、果胶酶、脂肪酶和葡萄糖氧化酶等多种酶，具有不产毒、较强的外源基因表达能力及高效的蛋白表达、分泌和修饰能力，以及重组子具有很高的遗传稳定性等优点[22]。苏春雷等人[23]用米根霉和黑曲霉采用前发酵加主发酵方式制备余甘子酵素。研究表明，前發酵游离氨基酸含量和总酚含量的变化趋势均为先上升后下降，这可能是由于米根霉和黑曲霉产生了淀粉酶和糖化酶等，使大分子量纤维素等物质发生降解，破坏了余甘子细胞壁，释放出果实细胞中游离氨基酸和游离多酚。另一方面，可能因为随着前发酵时间增加，微生物生长过量，对游离氨基酸和总酚的消耗大于生成。

2.5 混菌发酵

混菌发酵是指利用原料中自然分布的微生物或者人为使用2种及以上微生物进行酵素发酵。利用微生物之间的互利共生关系发酵得到更加丰富的代谢产物。酵素的原料不同，在发酵过程中微生物的群落组成不同，如研究发现黑果枸杞酵素自然发酵过程中，样品中未检测到醋酸菌，而是酵母菌、乳酸菌和霉菌在发酵期间起主要作用[24]。有研究人员用酵母菌、副干酪乳酸菌和醋酸杆菌发酵制备生姜酵素。研究发现，发酵液的pH值由5.85降至3.51，可能是酵母菌将蔗糖发酵成酒精、葡萄糖、果糖和CO2等，醋酸菌可将酒精转化成乙酸，同时乳酸菌在相对无氧条件下将己糖转化成乳酸等有机酸。此外，研究发现产品中风味物质的种类也发生明显变化，可能是生姜液在酵母菌、乳酸菌和醋酸菌转化下生成了酯类、酸类和酚类等。刘加友[25]证实了酵母菌和乳酸菌在葛根发酵液中存在互利共生作用：酵素中的氧气含量降低，酵母厌氧发酵开始，乙醇浓度开始增加，醋酸菌将乙醇氧化成乙醛，进一步生成醋酸。但随着发酵的进行，还原糖被不断消耗殆尽，醋酸菌代谢积累的乙醇抑制了酵母厌氧发酵，造成酵母转化乙醇的速率降低，乙醇浓度下降。

3 结语

近年来，随着社会经济的发展和消费者健康意识的提升，利用天然植物资源开发新型健康食品成为新潮流，尤其是利用药食两用植物资源开发的新型健康食品备受市场青睐。药食两用植物富含各种生物活性成分，兼具食药两用特点也使其成为酵素产品开发的新热点。不同的药食两用植物活性成分不同，研究其发酵过程中的活性成分变化，有利于更好地发挥营养功效和提高保健价值。截至目前，我国官方公告的药食两用品种有101种，但是用于酵素研究开发的植物资源仅10种左右。药食两用植物酵素的研究还有很大的开发空间。

现有药食两用植物酵素的报导多见于加工工艺的研究，关于发酵机理的研究有待持续深入。微生物作为酵素发酵主要因素，明确其在不同环境条件下的发酵机制有助于实现酵素产品的精准加工，使酵素产品的形式更加丰富多样，满足不同人群的健康需要。

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