益生菌在发酵果蔬汁中的研究进展

张鑫，刘光鹏，宋烨，李继兰，周大森

（中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250014）

益生菌是通过改善肠道菌群平衡，对食用者的身体健康及生理功能产生有益作用的一类活性微生物，可增强肠道免疫系统的免疫调节作用。益生菌发酵过程所产生的代谢物包括有机酸及短链脂肪酸等物质，这些物质能促进宿主肠道对营养成分的吸收，实现对宿主生理过程的调节作用；此外，研究发现益生菌对于缓解人类机体的乳糖不耐症、提升人体免疫调节能力都有极大的促进作用。目前，承载益生菌的功能食品主要是乳制品，但由于它的贮藏期短，且不适于乳糖不耐症或乳糖酶缺乏的人群，因此促生出多种新型益生菌类产品，由于果蔬中含有维生素、多酚类、生物碱、黄酮、萜类化合物等多种生物活性化合物，采用益生菌发酵可使果蔬中酚类、黄酮类等的抗氧化性增强，使其成为兼具果蔬营养成分和益生菌独特保健功能的功能性食品，开发发酵果蔬汁新产品，对提高人们健康水平具有积极意义。

益生菌应用于果蔬发酵可追溯到20 世纪60 年代。近年来，随着人们对益生菌发酵果蔬产品技术研究的不断深入，关于益生菌用于果蔬汁饮料加工中的报道也在不断增加。通过采用益生菌生物发酵技术开发出既有营养又具有功能性的发酵果蔬汁产品，是果蔬精深加工关键技术的延伸，不仅可以延长果蔬汁保质期，抑制杂菌生长，还能获得更好的发酵风味和营养价值，而且大大丰富了果蔬制品的种类，解决了制约果蔬精深加工产业发展的瓶颈问题。日本、美国、法国、德国、韩国等一些国家都进行了发酵果蔬汁的研究与开发，尤其是日本，在益生菌发酵果蔬汁研究与应用方面处于领先地位。国内外益生菌果蔬产品正在向多元化方向发展，产品线不断拓宽。本文通过深入分析益生菌对果蔬汁的改良作用和益生菌发酵果蔬汁研究现状，指出未来发展方向，为益生菌在发酵果蔬汁中的进一步研究和产品开发奠定了基础。

1 益生菌对果蔬汁的改良作用

益生菌具有调节人体肠道菌群平衡及抗肿瘤等多重功能[1-3]。而果蔬含有丰富的营养物质，是益生菌发酵的良好载体。采用益生菌发酵果蔬汁能够综合果蔬与益生菌发酵的优点，使发酵制品不仅具有果蔬原有的口味与营养物质，还能产生发酵特殊的风味和营养成分，如有机酸、维生素、氨基酸和各种酶等，从而实现了果蔬汁原料风味与发酵风味的融合，使果蔬汁中既含有益生菌，又增加了功能成分的含量，开发出具有保健功能的益生菌发酵果蔬汁。

1.1 促进肠道健康

益生菌在发酵果蔬汁时产生大量的有机酸，不仅可以降低肠道pH 值，造成局部酸性环境，还能降低氧化还原电势，这些作用共同维持着肠道内的微生态平衡。朱艳等[4]通过研究发现，益生菌发酵果蔬汁能够帮助提升饮用者的肠道益生菌黏附能力。朱珺等[5]研究表明，植物乳杆菌发酵的果蔬汁可明显改善肠胃道内微生态环境，增强肠道蠕动能力。

1.2 改善果蔬汁的风味

益生菌发酵后果蔬汁的风味更丰富，且口感较谷物和豆类更容易被消费者接受。主要是由于在发酵期间，一方面，益生菌利用果蔬汁中的营养物质进行生殖代谢；另一方面，由于微生物的生长代谢作用，果蔬汁中的风味物质如酚类、酯类等物质的含量及组成会发生一系列的变化，明显改善果蔬汁风味，使产品的香气组成更加丰富。风味感官是评价果蔬汁的重要指标。胡贝多等[6]研究了益生菌发酵对红枣汁抗氧化活性、理化指标及香气的影响，结果显示通过益生菌发酵，可以明显改变红枣汁的香气成分。Di 等[7]比较了石榴汁发酵前后香气组成的区别，结果发现，发酵前含有更高水平的醛类和含硫化合物，发酵后醇类、酮类、烯烃类含量较高。

1.3 提升果蔬汁的营养价值

果蔬汁在发酵过程中产生的低聚糖作为一种双歧因子，可平衡人体肠道菌群，在人体内起到营养作用。有研究表明，柑橘汁、苹果汁、梨汁和胡萝卜汁混合物经双歧杆菌发酵后，维生素C、β-胡萝卜素和叶酸等含量分别增加了2、1.5、2.5 倍[8]。果蔬汁中多糖在发酵过程中水解生成低聚糖等有益成分，可作为具有人体营养保健功能的双歧因子[9-10]。有报道称，果蔬汁经酵母发酵后其营养价值得到提高，且更易吸收，主要由于酵母发酵果蔬汁过程中可形成氨基酸、B 族维生素及其他活性成分（如谷胱甘肽、麦角固醇），提高产品营养价值[11]。

1.4 改善果蔬汁的功能特性

益生菌发酵果蔬汁可综合果蔬和益生菌的功能特性，明显提高果蔬汁的营养价值与功能特性，如营养保健、免疫调节、预防心血管疾病、抗氧化等。

1.4.1 营养保健作用

益生菌发酵果蔬汁具有营养保健功能。WANG 等[12]以嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌和副干酪乳杆菌发酵银杏仁汁，银杏仁汁中乳酸菌活菌数达到8.0 Log cfu/mL 以上，萜烯内酯含量提高1.6 倍，总酚物质总量增加约9%，ABTS 自由基清除能力提高35.3%～39.8%，可有效抑制大肠杆菌等致病菌的生长。汤超等[13]发现发酵木瓜汁对四氯化碳诱导的肝损伤有一定防护作用，可降低谷丙转氨酶、谷草转氨酶活性和肝组织TGF-β、TLR4、IL-1β mRNA 水平，改善小鼠肝组织健康水平。

1.4.2 免疫调节作用

发酵果蔬汁中含有钙、锌、铁、铜等多种微量元素，能促进人体骨骼发育，促进胃肠蠕动，具有调节免疫功能。有研究报道，发酵过程中，发酵组石榴汁透明质酸抑制率始终大于未发酵组，在发酵结束时，其抗过敏能力提高了2.68 倍[14]。发酵胡萝卜汁与生梨汁可增强小鼠脾淋巴细胞增殖能力，并提高CD3、CD4、CD8 表达水平，促进血清中IFN-γ 和IL-6 的生成，从而提高小鼠机体免疫力[15]。

1.4.3 预防心血管疾病

发酵果蔬汁中多酚类物质具有双向调节脂质代谢作用，且低聚糖或膳食纤维可当作益生因子通过调节结肠微生物的生长来降低血脂。KIM等[16]研究发现，发酵果蔬汁可抑制血管紧张素转化酶的活性，从而降低心血管疾病发生的概率。也有研究报道，乳酸菌及其相关制品能够降低介质及血清中的胆固醇含量，降低心血管疾病发病的可能性[17]。

1.4.4 抗氧化作用

发酵果蔬汁通常具有较强的抗氧化性，由于果蔬汁中含有丰富的酚类物质，且发酵过程中可能会释放更多游离酚，同时产生超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等。靳玉红等[18]测定了以枣为主要原料制成的产品（红枣乳酸发酵饮料、枣酒、新鲜枣汁、枣酪饮料及酸枣汁饮料）的抗氧化功效的差异，试验以DPPH 自由基清除能力、ABTS 自由基清除能力、Fe3+还原能力及总抗氧化能力作为抗氧化能力评价指标，经实验得出五组实验样品中红枣乳酸菌发酵饮料的抗氧化能力最强。LI 等[19]研究提出，发酵桑葚汁可减少D-半乳糖氧化，降低丙二醛和蛋白质羰基，增加谷胱甘肽酶和超氧化物歧化酶含量，进而使小鼠机体的抗氧化能力得到提升。

1.4.5 防癌抗癌

当人体内有过多的活性氧自由基时，会激活致癌原，并抑制胞内抗氧化防御系统[20]。益生菌发酵果蔬汁过程中产生较多的抗氧化物质，如多酚类物质能有效清除体内自由基。赖婷等[21]选用不同的乳酸菌接种桂圆汁，通过测定发酵前后总酚、结合酚、游离酚和黄酮类含量，发现不同的乳酸菌均能不同程度地提高总酚和总黄酮含量及总抗氧化能力。有研究报道，乳酸菌发酵产生的胞外多糖具有抑制肿瘤、提高机体免疫力的功效[22]。

1.5 提高果蔬汁的安全性，延长保质期

益生菌除有以上生物保护作用外，还能提高果蔬汁的安全性。益生菌发酵果蔬汁过程中，作为优势菌群，能与其他微生物产生竞争抑制关系，抑制其他微生物繁殖。如许多果蔬中都含有一定量的硝酸盐，在发酵过程中某些杂菌可将硝酸盐转化成亚硝酸盐，并进一步形成对人体有害的亚硝酸胺，而有研究发现发酵果蔬汁中的乳酸菌可以减少亚硝酸盐含量[23]。赵珊等[24]以胡萝卜、木瓜为原料，选用植物乳杆菌DMDL 9010 发酵混合果蔬汁，采用最优工艺条件，即果蔬汁含量60%（v/v），胡萝卜与木瓜质量比1:3，蔗糖添加量10%（v/v），接种量6%（v/v）34℃发酵18 h，使开发的活菌性与灭菌型果蔬汁货架期分别可达28 d 和3 个月，大大延长了果蔬汁的保质期。

2 益生菌发酵果蔬汁研究现状

2.1 果蔬汁发酵专用益生菌菌株

2.1.1 发酵果蔬益生菌的来源及种类

20 世纪80 年代，FIEMING 等[25-26]以圆白菜为原料，对自然发酵酸菜微生物区系进行了研究，得出发酵过程中的主体微生物为乳酸菌，同时对酸菜发酵微生物的动态展开研究，发现抑制酸菜发酵过早进入同型发酵阶段可避免酸菜过酸，并产生更多的风味物质。乳酸菌是最早发现用于发酵果蔬的益生菌。随着人们对发酵果蔬中益生菌认识的深入，相继发现了酵母菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、乳酪杆菌、植物乳杆菌等一系列益生菌，并将其应用到果蔬汁发酵中。

目前应用于果蔬汁发酵的益生菌主要有乳杆菌（植物乳杆菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌、唾液乳杆菌、嗜酸乳杆菌和鼠李糖乳杆菌等）、双歧杆菌（两歧双歧杆菌、长双歧杆菌等）、嗜热链球菌和酵母菌。WANG 等[27]和FILANNINO等[28]分别以乳酪杆菌和植物乳杆菌单一菌株发酵石榴汁，均开发出了风味以及健康功效俱佳的益生菌发酵石榴汁饮品。曾琼[29]以80～90 ℃灭菌的苹果汁、火龙果汁、梨汁和木瓜汁等复合果汁为发酵原料，酵母菌和乳酸菌复配比1:2，在37 ℃条件下恒温发酵62～70 h，得到一种口感独特、营养丰富的复合益生菌发酵果汁。马晓伟等[30]以紫心火龙果作为发酵原料，添加由产乳酸芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌、植物乳杆菌组成的复配发酵剂0.1 g/100 mL，添加8.5%的白砂糖，30 ℃发酵后制得的火龙果饮料色泽自然透亮、澄清透明、具有清雅和谐的果香。赵敏[31-32]分别以胡萝卜汁和西红柿汁为原料接种双歧杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和乳酸杆菌在36～39℃发酵18～24h，分别得到了胡萝卜和西红柿益生菌发酵饮料。

2.1.2 发酵果蔬益生菌的筛选和鉴定

目前，大量研究表明，通过高效筛选技术与科学的体内功能性评价体系相结合的方法，选育出既有优良果蔬汁发酵特性又有利于人体肠道生态平衡的功能性果蔬汁发酵专用益生菌菌株。熊涛[33]详细地分析了优良果蔬发酵专用菌种的高通量筛选和鉴定，通过对筛选菌种开展发酵性能研究，选育出能较好适应蔬菜汁发酵环境、并表现出良好生长态势的优良菌株植物乳杆菌NCU116。总之，研发活性较高、成本较低的果蔬汁发酵专用菌株仍是未来益生菌发酵果蔬产业发展的必然趋势[33]。

2.2 果蔬汁发酵专用益生菌剂的培养技术

目前，为更好地制备高活性、低成本的益生菌菌剂，主要采用益生菌高密度培养技术，该技术的建立为后续高活性益生菌剂的制备打下了良好的基础。益生菌菌体高密度培养技术（high cell density culture，HCDC）主要指采用一定的培养技术和装备来提高单位培养液中益生菌菌体的密度，与普通培养方式相比有显著提高。外界环境如培养基组成、温度、pH、溶氧量等因素对益生菌菌体的生长代谢有重要影响，此外，菌体生长过程的限制性代谢产物积累也可能会极大地限制了细菌在培养基质中的最大生长密度。例如乳酸菌在普通培养基质中能够达到的最高活菌数为107～108cfu/mL，若向培养基质中加入适当的缓冲盐调节培养基质的酸度，可使乳酸菌的活菌数达到109cfu/mL。目前国内主要采取培养基成分优化结合分批培养或者补料流加培养的方式来达到乳酸菌菌体密度高度培养的目的，由此得到的乳酸菌菌体密度一般在109～1010cfu/mL[34-36]。Siti Marhaida Mustafa 等[37]研究了温度和pH 对用于发酵石榴汁的益生菌的影响，结果发现，干酪乳杆菌发酵石榴汁，在37 ℃、pH3.5～4.0的条件下生长曲线更好，生物量密度更高。

2.3 益生菌剂的评价技术

通过对益生菌剂进行评价，不仅要保证菌剂具有优良的生物活性，还要确保益生菌剂在加工、贮藏和运输过程中的稳定性，并在最大程度上保证益生菌的活性。高活性益生菌剂除了要保持益生菌活性，还要尽量减少环境中的活性水分。除去益生菌所在环境中活性水分的方法主要有喷雾干燥法和真空冷冻干燥法。由于国内外使用喷雾干燥技术制备益生菌剂存活率低，更倾向于采用真空冷冻干燥法，菌剂存活率约80%。潘艳等[38]的试验表明，海藻糖、谷氨酸钠、蔗糖、山梨醇和乳糖对植物乳杆菌的保护作用最为突出，乳酸菌存活率达到78.9%。潘旭琳等[39]优化了7 种保护剂，结果发现，乳酸菌存活率可达到86%。益生菌冻干菌粉活菌数基本在1010cfu/g 左右，且冻干时间一般需要30 h 以上。

2.4 益生菌发酵复合果蔬汁技术

益生菌发酵复合果蔬汁是目前研究的主流方向，其功能一般强于单一的果蔬汁，发酵果蔬汁功能品质的变化主要取决于发酵基质、工艺等条件。张亚雄等[40]以单一果蔬汁及复合果蔬汁为发酵原料，保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌为发酵菌种，分别制作了果蔬乳酸发酵饮料及果蔬乳酸发酵型果冻。夏其乐等[41]以杨梅汁为主要原料，加入一定比例的胡萝卜汁和番茄汁，接种保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌等进行发酵，其研究结果表明，杨梅汁、胡萝卜汁和番茄汁所占比例分别为15%、7.5%和7.5%，保加利亚乳杆菌接种量2%、嗜热链球菌接种量2%，植物乳杆菌接种量5%为最佳工艺参数。这些研究为我国益生菌发酵果蔬汁产业的发展奠定了重要的理论基础，同时也有助于开发出以市场需求为导向的品种丰富、品质优良的功能型果蔬食品。

2.5 功能性果蔬汁产品开发技术

近年来，以市场需求为导向，针对功能性果蔬汁产品开发，益生菌发酵果蔬汁技术研究更深入。何嘉敏等[42]为提高益生菌果蔬汁产品质量，运用顶空固相微萃取-气质联用法分析了益生菌果蔬汁的挥发性成分，并由此对生产工艺提出了优化的解决方案。刘秋豆等[43]探讨了益生菌参与发酵芒果汁的理化性质变化规律，发酵后芒果汁中的活菌数为2.13×107cfu/mL，抗氧化性总体增高，营养成分含量增加，总酚含量较新鲜芒果汁增加13.24%，同时提升了芒果汁的口感，使果汁的颜色更加柔和、颗粒度增大，且分散更加均匀，状态更稳定。申光辉等[44]对乳酸菌发酵低糖桑葚复合果酱进行工艺优化后，发现果酱呈现紫红色，有良好的稳定性和口感，并含有桑葚的香气和发酵香味。李达等[45]研制了新型复合益生菌发酵果蔬饮料，采用4 株益生菌复配成混合发酵剂，添加黄瓜浆、低聚果糖，发酵温度36 ℃，发酵时间22 h，开发出的饮料具有浓郁的黄瓜清香，酸甜适中，益生菌活菌数量高，达9.9 Log cfu/mL。

3 展望

近年来，随着果蔬精深加工产业的不断发展，益生菌发酵逐渐被应用于各种果蔬、果蔬汁的生产、加工中。值得注意的是，益生菌在发酵果蔬汁中的研究仍存在诸多问题。首先，益生菌发酵作用对果蔬汁中酚类物质及抗氧化性等方面的影响机理尚不明确，仍需加强机理规律研究。其次目前益生菌发酵果蔬汁饮料多处于试验室研究阶段，大部分产品都不能实现产业化，而且用于果蔬汁发酵的优良菌株较少，不能充分发挥益生菌发酵作用，没有有效地发酵果蔬汁原料产生良好的风味和营养物质，这就使得现有益生菌发酵果蔬汁产品风味不够纯正。再次应加大对直投式发酵剂制备技术的研究力度，旨在研发出真正发酵性能高、成本低的果蔬汁专用益生菌制剂。还有通过政府相关部门完善相关法律法规，不断完善益生菌果蔬汁饮料的市场相关标准，提高益生菌果蔬汁饮品的市场准入门槛。最后，要不断提升果蔬汁产品的稳定性，加大功能型混合益生菌发酵果蔬汁产品的研究力度，推进我国益生菌发酵果蔬产业的持续稳定发展。