食用植物酵素中有机酸功能活性研究进展

黄 颖 任廷远 万红琼 谢 姣

(1. 贵州医科大学环境污染与疾病监控教育部重点实验室公共卫生学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025；3. 甘肃省白银市靖远县科学技术局，甘肃 白银 730600)

目前，酵素产品因具有抗氧化、抗肿瘤、增强免疫等功能活性而被广泛应用[1]。已有研究[2-3]表明，酵素保健功能是由多种物质共同发挥作用而成，其中有机酸不仅因其具有调整肠道菌群能力、维护肠道形态及功能，还具有抗炎、抗氧化作用进而可缓解和治疗结肠炎等多种肠道疾病而备受关注。而食用植物酵素是利用一种或多种益生菌发酵果蔬、谷物、菌藻、中草药等而形成的富含多种酶、矿物质、维生素、有机酸及其他代谢产物的固态和液态食品[4]。其中，食用植物酵素中有机酸主要源于植物原料及其他有益菌发酵，而发酵过程中有机酸含量和种类是一个动态过程，故研究有机酸与微生物群落共性变化规律，有助于生产过程中以有机酸为指标而进一步控制酵素中微生物发酵过程和品质[5]。因此，文章拟主要综述酵素中有机酸的组成、发酵过程中的变化、生理功能，以期为食用酵素有机酸评价体系及生理功能提供依据。

1 食用植物酵素简介

近年来，随着酵素在国外市场的迅速发展，中国酵素市场也开始孕育和发展，植物酵素目前逐步扩展到美容护肤、食品等方面[6-7]。而酵素主要源于果蔬等植物，这类食用植物是维生素、有机酸、矿物质等营养素的主要来源，故食用植物酵素中相应的营养素种类和含量丰富，且含糖量低[8]，同时酵素产品经发酵后其与普通乳制品替代品不同，即食用植物性酵素适用于乳糖不耐症、牛奶过敏或纯素食者。此外，随着人们生活水平的逐步提高，健康意识逐步加强，对功能性食品的需求也与日俱增。而食用植物酵素具有多种保健功能如抗氧化[9]、美白护肤[10-11]、增强免疫[12-13]、抗肿瘤[14]、改善肠道菌群[15]等，与大众的养生理念一致，故食用植物酵素具有广阔的市场前景。

食用植物酵素发酵的本质是微生物为了获得能量和维持其合成代谢过程，降低了原基质中碳水化合物和其他大分子含量，积累分解代谢产物，从而不断改变整个体系物质组成，最后达到平衡的过程，故酵素发酵机理为各种微生物基础代谢的活动[16-17]。研究[18]表明，食用植物酵素发酵液在酵母菌、乳酸菌和醋酸菌等转化下生成酯类、酸类和酚类等代谢产物，其风味物质发生明显变化。目前，植物酵素发酵过程中相关代谢产物主要有：① 多酚类，如类黄酮、单宁[19]；② 醇类，如乙醇、丁醇[20]；③ 有机酸类，如乳酸、苹果酸等[21]；④ 酶类，如蛋白酶、SOD等[22]；⑤ 氨基酸和维生素等其他物质[23-25]，丰富的代谢产物赋予了植物酵素特别的口感和风味。其中，有机酸对酵素的风味起重要作用，有机酸类物质为酯类形成的前体物质，它既能构成其他香味物质，如金刺梨酵素中有机酸对风味的重要性仅次于酯类，还是重要的味感物质使酵素口感丰满[26]。因此，通过分析发酵酵素中有机酸的组成，可建立食用酵素的质量评价体系来改善和指导酵素中风味和品质，还可根据有机酸的性质与作用机制，建立食用植物酵素有机酸功能性的评价体系[27]。

2 食用植物酵素有机酸研究进展

2.1 食用植物酵素有机酸的组成

有机酸是指具有酸性的有机化合物，大多数具有酸味植物中含有该类物质，其具抗氧化、杀菌消炎、维持酸碱平衡、增强抵抗力等作用[28]。目前，有机酸包括天然有机酸和合成有机酸，而植物酵素中富含的大量有机酸，一方面来自于植物原料中天然存在的有机酸，另一方面来自于发酵过程中由于微生物代谢生成的产物。因此，不同植物原料来源酵素中有机酸的组成与含量差异较大，而不同菌种发酵的植物酵素中有机酸的含量和种类存在差异。

张思等[27]研究表明，市售的16种酵素中，由于食品原料和生产工艺不同，酵素产品质量参差不齐，含有3～7种有机酸，且主要为乳酸、柠檬酸、苹果酸和异丁酸，各种有机酸含量差异较大，对产品口感和风味有重要影响。研究[29]发现，金佛手酵素在自然发酵过程中有机酸组成多样，主要含L-酒石酸、草酸、乙酸、L-苹果酸、抗坏血酸、莽草酸、乳酸、柠檬酸和琥珀酸，乳酸、乙酸、柠檬酸和L-酒石酸为发酵过程中含量排名靠前的有机酸。此外，对4种不同原料配比的黑果枸杞酵素中有机酸种类及含量进行分析发现，4种酵素中有机酸的种类及含量不同，黑果枸杞酵素在发酵过程中的有机酸种类丰富，共检出12或13种有机酸，其中含量较多的是乳酸、γ-氨基丁酸、抗坏血酸、草酸和苹果酸[30]。此外，乳酸菌辅助超声对葛根汁进行发酵，主要含有乳酸、草酸、抗坏血酸、γ-氨基丁酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸等，其中乳酸的酸味温和适中，口感较好，也是发酵葛根汁的特征性风味酸[31]。综上，不同植物原料与发酵方法中，食用植物酵素中有机酸种类不同，但其共有的有机酸种类主要有乳酸、酒石酸、乙酸、丁酸、柠檬酸等，其中乳酸是乳酸菌发酵产生的主要有机酸，在发酵过程中变化最大。此外，发酵过程也会产生一些短链脂肪酸，如乙酸、丁酸等，此类短链脂肪酸对维持人体健康有益。

2.2 食用植物酵素发酵过程中有机酸的变化

食用植物酵素发酵时会产生新的有机酸且其原有的有机酸含量也会发生变化。林灵等[26]研究发现金刺梨发酵前后有机酸种类和含量均发生了显著变化，有机酸含量总体升高、种类增多，较发酵前新增了3种有机酸，分别是乳酸、苹果酸和醋酸；此外苹果酸相较发酵前含量增长了7.51倍，柠檬酸含量较发酵前增长了3.42倍。以上有机酸变化的差异，除与原料密切相关外，主要源于微生物及各物质间的相互转化，使得发酵各阶段处于一个动态变化过程[32]。微生物主要利用糖酵解、三羧酸循环和苹果酸—乳酸发酵等途径，代谢生成乳酸、醋酸、苹果酸、柠檬酸、丙酮酸等有机酸，导致发酵过程中有机酸含量总体呈上升趋势，由于发酵各时段微生物数量与代谢生理不同，所以各时段的总体增长趋势有所差异[33]。研究[34]发现，聚类分析将百合酵素发酵过程分为3类，即适应期、增长期和平缓期，发酵第5～10天为适应期，该时期酶类物质及微生物代谢产生的有机酸较少;发酵第15～60天为增长期，此阶段有机酸含量显著上升，微生物生长繁殖旺盛，产生大量代谢产物，包括丰富的有机酸，发酵第70～90天为平稳期，有机酸含量趋于稳定且含量较高。草莓酵素有机酸发酵初期，糖类物质消耗较少，发酵液中的总酸变化不显著，发酵中期发酵液的总酸浓度快速上升，总糖含量随之快速下降，乳酸和醋酸等有机酸含量增多，发酵后期总糖和有机酸含量趋于稳定[35]。这可能是发酵初期微生物菌群在此阶段主要是适应环境，繁殖及代谢活动缓慢，产生的有机酸也较少；发酵中期，由于植物原料的降解，发酵液中的各种营养物质丰富，产酸微生物大量繁殖并代谢产酸；发酵后期，由于较低pH抑制了微生物的生理活动，加上糖类物质消耗导致总量不断减少，微生物利用发酵液中有机酸作为碳源进行一系列代谢活动，另一方面可能与有机酸类物质产生的酯类等风味物质有关，导致有机酸含量在后期趋于稳定或略有下降[36-37]。综上，明确有机酸的组成及其变化规律，进而开展对酵素中有机酸性质与特定生理活性的研究，有目的性地调节有机酸种类和含量，进而对酵素产品质量控制及酵素有机酸调节机体生理功能进行综合性评价提供理论基础。

2.3 食用植物酵素中有机酸的生理活性

2.3.1 抗氧化 方晟等[29]研究表明，金佛手酵素发酵过程中DPPH自由基清除率与琥珀酸呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.786；超氧自由基清除率与乳酸含量具有显著正相关(P<0.05)；羟基自由基清除率与乳酸和乙酸含量呈极显著正相关(P<0.01)，与草酸和L-酒石酸含量为显著正相关(P<0.05)，说明金佛手酵素中有机酸具有一定的抗氧化作用，且与有机酸含量密切相关。此外，蒋增良等[38]研究发现，葡萄酵素的还原力、DPPH自由基清除能力、羟基自由基清除能力、超氧自由基清除能力和ABTS自由基清除能力均与有机酸浓度相关，葡萄酵素中有机酸主要为苹果酸、乙酸、酒石酸和柠檬酸[39]，微生物发酵代谢过程中积累了新的有机酸，如乙酸、丙酮酸、富马酸和莽草酸，其良好的自由基清除能力，可能来自于有机酸与多种物质协同作用。综上，发酵可以显著提高酵素抗氧化能力，其中乳酸、乙酸、草酸、酒石酸、琥珀酸等有机酸抗氧化作用显著。

2.3.2 调整肠道菌群 食用植物酵素中的益生菌如乳酸菌，一方面可以粘附在肠道上皮，从而阻止大肠杆菌、沙门氏菌、梭状芽孢杆菌等致病菌向肠道上皮内的入侵，另一方面益生菌产生的有机酸，如乳酸和短链挥发性脂肪酸，可以为潜在致病性微生物创造限制性的生理环境，如降低pH值，从而达到调整肠道菌群的效果[6]。有机酸调整肠道菌群主要是在肠道发生结合反应，包括糖基化、羟基化和甲基化，酵素中有机酸对风味有重要作用外，还可以被肠道黏膜吸收利用，为肠黏膜代谢提供能源，促进黏膜生长、肠道细胞增殖和钠离子吸收等作用，调整肠道菌群，以此降低肠道及慢性疾病的发病风险[40]。因此，食用植物酵素中所含有机酸有助于调整肠道菌群。

2.3.3 增强饱腹感，预防肥胖 食用植物酵素中有机酸如丙酸、丁酸和乙酸，在饱腹感级联反应中发挥作用，而以上短链脂肪酸主要通过控制肠道激素(如肽PYY和胰高血糖素样肽)的表达来调节食物的摄入，丙酸通过延迟胃排空率和降低血糖和胰岛素反应使人产生饱腹感，丁酸、丙酸和乙酸盐均能防止饮食引起的肥胖和胰岛素抵抗，可诱导肠道激素和减少食物摄入量[41-43]。对嗜酸乳杆菌和弗氏丙酸杆菌发酵饮料的饱腹效果进行评价，食用富含丙酸的发酵饮料明显增加了饱腹感，同时通过视觉模拟反应评估发现其饥饿感降低[44]。有机酸中的短链脂肪酸通常是通过发酵产生[45]，故可利用益生菌发酵产生丙酸、乙酸和/或丁酸来作为生产引起饱腹感的酵素食品，可增强饱腹感并预防由饮食诱导的肥胖。

2.3.4 抗肿瘤 丁酸有抑制HCT-116细胞增殖的作用，丁酸标准溶液以剂量—效应依赖性诱导细胞凋亡，且凋亡诱导作用与增殖抑制作用强弱顺序一致，乳酸菌发酵产物能诱导HCT-116细胞凋亡，DNA发生片段化，说明发酵产物诱导细胞凋亡是其抑制细胞增殖的重要途径；凋亡诱导作用与增殖抑制作用强弱顺序也一致，说明发酵产物中的丁酸含量直接影响发酵产物的抗癌作用[46]，其作用机制可能是营养肠黏膜、恢复细胞生理增殖模式和增强谷氨酰胺酶活性诱导细胞凋亡[47]。故酵素中含有的短链脂肪酸，如γ-氨基丁酸具有抗肿瘤作用，这为开发预防结肠癌作用的酵素功能性食品提供了理论依据。

2.3.5 抑菌抗炎 酵素食品中富含有机酸，而有机酸对肠道pH调节有重要作用，如李宁等[48]研究发现，微生物酵素有预防术后早期感染作用，使环境pH下降呈酸性，促进肠道蠕动，并对病原菌有拮抗作用，能提高消化道局部免疫抗菌功能，同时可使全身其他黏膜组织产生特异性免疫效应，共同达到抑制致病菌感染的功效。Lamia等[49]研究发现，由葡萄汁与红茶共发酵所形成的酵素液，其发酵过程中产生的乙酸及其他代谢产物，对细菌有抑制作用，能够起到抑菌抗炎效果。综上，酵素食品中有机酸的抗菌抗炎作用主要是在控制肠道管腔pH中发挥作用，从而影响其对低pH敏感的细菌(包括部分病原体)的水平[50]。

2.3.6 其他作用 除以上功能外，有机酸还可能具有降低心脑血管疾病风险、降血脂等其他作用。有研究[51]表明，乳酸菌产生短链脂肪酸，主要是乙酸、丙酸和丁酸，作为最终产品短链脂肪酸可能会降低患胃肠道疾病和心血管疾病的患病率。梁艳花[52]研究发现，红枣乳酸饮料较红枣汁有明显降血脂功能，其中有机酸、多酚物质和其他发酵产物可能有协助降血脂的效果。

3 结论与展望

发酵过程中不同时间的微生物群落、代谢物的变化规律与酵素的品质、功能和安全性密切相关，其中有机酸的监测可在一定程度上反映微生物对底物的利用程度，预测发酵完成时间，也可以作为区分是否有异常发酵的重要指标之一[53]。中国对酵素产品中有机酸的评价体系研究甚少，其中有机酸调节肠道菌群能力评价体系的评价指标单一，且缺乏科学的试验数据，后续可进一步对酵素中有机酸的作用机制进行研究，并提出有机酸的综合评价体系。微生物在发酵过程中产生的有机酸种类和含量不仅对发酵产品的品质和风味有重要影响，还会影响酵素特定生理活性的发挥，如何准确调控发酵过程中有机酸的含量和种类是目前待解决的难题之一。