藥食兩用植物酵素活性成分及發(fā)酵機(jī)理研究進(jìn)展

尹 歡 ，方 偉 ，2

（1.懷化學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，湖南懷化 418008；2.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室，湖南懷化 418008）

酵素是指以動物、植物或菌類等為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵制得的含有特定生物活性成分的產(chǎn)品[1]，其中研究較多的是植物酵素。植物酵素中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如功效酶、多酚類化合物、有機(jī)酸、多糖、皂苷類，以及芳香類化合物如酯類、醛類和醇類等。

隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注健康飲食問題。富含各種生物活性成分兼具食藥兩用功能的植物資源成為酵素產(chǎn)品開發(fā)研究的新熱點。藥食兩用植物指既是藥品也是食品的植物，具有藥用效果，也可作為食材加工處理。自2002年以來，我國衛(wèi)計委陸續(xù)公布了共計101種藥食兩用品種，如丁香、羅漢果和黃精等。但用于酵素研究開發(fā)的植物資源僅10種左右，所以藥食兩用植物酵素的研究具有很大的開發(fā)潛力。

對藥食兩用植物酵素的活性成分和發(fā)酵機(jī)理進(jìn)行綜述，以期為其他藥食兩用植物產(chǎn)品開發(fā)利用提供參考。

1 活性成分

藥食兩用植物酵素中含有各種功效酶、多酚、有機(jī)酸、多糖和皂苷類等活性成分，能夠降低機(jī)體內(nèi)活性氧引起的傷害，增強人體免疫力，大幅提高產(chǎn)品的保健價值。

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]，來源于原料本身和微生物發(fā)酵。SOD是一種特殊的金屬酶，能催化超氧陰離子自由基（）發(fā)生歧化反應(yīng)，從而能有效清除機(jī)體內(nèi)超氧陰離子由基（），具有防御氧毒、抗輻射、防治腫瘤等藥用功效[3]。郭紅蓮等人[4]檢測出枸杞酵素的超氧自由基清除率由39.57%增加至89.95%。蛋白酶在人體內(nèi)的主要功用是催化食物中蛋白質(zhì)進(jìn)行分解，以及分解一些快要死亡的細(xì)胞。脂肪酶能水解油脂，被廣泛應(yīng)用于減肥食品、保健品和化妝品中。葛朋燁[5]在研制的沙棘果汁酵素粉中檢測出脂肪酶≥55 U/g，蛋白酶≥3 685 U/g，其含量高于未發(fā)酵的沙棘果汁液。

1.2 多酚類

根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，植物多酚分為水解單寧（酸酯類多酚）和縮合單寧（黃烷醇類多酚或原花色素），其分子結(jié)構(gòu)中含有多元酚性羥基，包括黃酮類、類黃酮類、酚酸類及花色苷類等[6]。研究表明，多酚類成分具有較強的抗氧化性。潘梓源等人[7]發(fā)現(xiàn)，桂圓酵素總酚含量是桂圓水提液的5.05倍。新生成的酚類化合物16種，其中柚皮苷含量達(dá)3.32 μg/mL。劉濤等人[8]發(fā)現(xiàn)，桑椹酵素在發(fā)酵30 d后其總酚含量增加了5.0%，抗氧化能力增強且與總酚變化呈正相關(guān)。

1.3 有機(jī)酸類

有機(jī)酸類是指分子結(jié)構(gòu)中含有羧基（-COOH）的有機(jī)化合物，植物體內(nèi)積累的有機(jī)酸參與了光合作用、呼吸作用、氨基酸和酚類合成等代謝過程。韋仕靜[9]發(fā)現(xiàn)，在桑葚酵素發(fā)酵過程中乳酸和乙酸含量不斷升高，有機(jī)酸種類較發(fā)酵前有所增加，包括檸檬酸、草酸、蘋果酸、琥珀酸、異戊酸和丙酮酸等，其中蘋果酸和琥珀酸能夠緩沖發(fā)酵液中乙酸的刺激性，強化桑葚酵素的口感。

1.4 多糖類

植物多糖是由單糖之間脫水形成糖苷鍵，并以糖苷鍵線性或分支連接而成多于20個糖基的鏈狀聚合物，是維持生物體生命活動正常運行的基本物質(zhì)之一。許多藥食兩用植物多糖在免疫系統(tǒng)、肝臟和核酸代謝等方面有重要作用。楊婧娟等人[10]發(fā)現(xiàn)，黃精經(jīng)發(fā)酵后，黃精多糖含量達(dá)46.98%。秦哲[11]發(fā)現(xiàn)，在黃芪發(fā)酵過程中黃芪多糖含量與得率分別從36.01%，2.73%升至66.59%，4.35%。

1.5 皂苷類

植物皂苷是由糖鏈與苷元三萜、甾體或甾體生物堿通過糖苷鍵相連而成的一類復(fù)雜分子，具有抗炎、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等多種生物活性。孫亮[12]發(fā)現(xiàn)人參根經(jīng)紅曲霉和總狀毛霉混合發(fā)酵后，其中總皂苷提高了1.75 mg/mL，單獨用總狀毛霉發(fā)酵后人參總皂苷提高了1.70 mg/mL。胡肖利[13]還發(fā)現(xiàn)，歸芪參草功能酵素中含有黃芪甲苷、黨參炔苷和人參皂苷Re等多種活性成分。

1.6 其他活性成分

藥食兩用植物酵素中還含有豐富的其他種類的活性成分。郭紅蓮等人[4]還發(fā)現(xiàn)枸杞經(jīng)天然發(fā)酵后，風(fēng)味物質(zhì)發(fā)生明顯變化，在益生菌發(fā)酵下生成了20種酯類、9種醛類、23種醇類和3種芳香雜環(huán)類等揮發(fā)物質(zhì)。

2 發(fā)酵機(jī)理

酵素發(fā)酵是各種植物、動物或菌類等食品原料在微生物作用下發(fā)生的復(fù)雜過程，微生物在自身的新陳代謝和生長過程中，實現(xiàn)物質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化，使發(fā)酵原料在分子水平上發(fā)生分解和結(jié)構(gòu)改變，產(chǎn)生多種具有生物活性的酶類和復(fù)雜代謝產(chǎn)物。

藥食兩用植物中黃酮類、多糖類和皂苷類等成分可為微生物的生長提供營養(yǎng)，同時微生物能促進(jìn)中藥有效成分的溶出。通過微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生藥理作用的次級代謝產(chǎn)物，達(dá)到增強藥效和降低毒副作用等目的。藥食兩用植物酵素利用的微生物主要為酵母菌、乳酸菌、醋酸菌和霉菌等。

2.1 酵母菌發(fā)酵

酵母菌為單細(xì)胞真核微生物，最適生長pH值為5.0，最適生長溫度為25℃。酵母菌的代謝類型屬于兼性厭氧型，當(dāng)酵母菌的生存環(huán)境中缺乏足夠的氧氣時，酵母菌會利用葡萄糖大量合成乙醇和CO2；當(dāng)酵母的生存環(huán)境中存在足量的氧氣時，酵母菌通過糖酵解和三羧酸途徑將進(jìn)入酵母細(xì)胞的糖類徹底氧化成水和CO2，在此過程中酵母菌也會將一些中間代謝產(chǎn)物排除胞外，如乳酸、酒石酸和蘋果酸等。另外，酵母菌在缺氧的條件下生長速度較快[14]。趙玉平等人[15]用畢赤酵母發(fā)酵山楂汁，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后的山楂汁中蘋果酸大部分被降解，檸檬酸則未檢出，且產(chǎn)生了一些未知峰?？赡苁怯捎诋叧嘟湍冈诎l(fā)酵過程中通過某種作用機(jī)制消耗檸檬酸和蘋果酸，而生成乙酸、酒石酸和一些其他物質(zhì)。

2.2 乳酸菌發(fā)酵

乳酸菌是一類革蘭氏陽性、無芽孢及微量需氧型細(xì)菌，其最適生長條件為pH值6.0，生長溫度37℃，體積分?jǐn)?shù)5%的CO2，且具有分解蛋白質(zhì)和合成維B的能力[16]。作為藥食兩用植物酵素的發(fā)酵菌種主要是同型乳酸發(fā)酵菌（乳酸乳桿菌、嗜酸乳桿菌和保加利亞乳桿菌等）、兼性異型發(fā)酵菌（干酪乳桿菌和植物乳桿菌）和嗜熱鏈球菌等。同型乳酸發(fā)酵指發(fā)酵終產(chǎn)物中有90%以上是乳酸，其主要通過糖酵解途徑，每利用一單位的葡萄糖可生成2個單位的乳酸和2個單位的ATP，理論上可全部將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，主要為乳桿菌屬、鏈球菌屬和片球菌屬的一部分。

乳酸菌同型發(fā)酵途徑見圖1[17-18]。

2.3 醋酸菌發(fā)酵

醋酸菌屬于革蘭氏陰性菌或變種，無芽孢，最適生長pH值為5.0～6.5，最適生長溫度為28～30℃。一般不產(chǎn)生色素，少數(shù)菌株產(chǎn)生水溶性色素。通常情況下氧氣作為最終電子受體，能夠?qū)⑻穷?、糖醇類或醇類氧化為相?yīng)的葡萄糖、酮或乙酸等物質(zhì)，且大部分醋酸菌能夠使用硫酸銨作為唯一氮源，而利用氨合成所有氨基酸[19]。醋酸菌將乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸的主要代謝伴隨著次生代謝的發(fā)生，在次生代謝過程中生成的少量揮發(fā)性物質(zhì)包括乙烷、乙醛、甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸異戊酯、丁醇、甲基丁醇和3-羥基-2-丁酮[20]。目前，常用醋酸菌與其他發(fā)酵菌共同制備藥食兩用植物酵素，醋酸菌單一發(fā)酵主要用于工業(yè)生產(chǎn)釀造食醋及果醋飲料等。

圖1 乳酸菌同型發(fā)酵途徑

2.4 霉菌發(fā)酵

米根酶的最適生長溫度為30～33℃，菌絲較為高大、粗糙。根霉分泌的淀粉酶的活力較高，除了具有糖化作用外，也可促進(jìn)發(fā)酵過程中產(chǎn)生少量的乙醇、乳酸、丁烯二酸及反丁烯二酸，從而豐富產(chǎn)品的風(fēng)味[21]。黑曲霉屬半知菌亞門、絲孢綱、絲孢目、叢梗孢科，是絲狀真菌的一個常見種，其發(fā)酵周期短，生長旺盛，可生產(chǎn)纖維素酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶、糖化酶、果膠酶、脂肪酶和葡萄糖氧化酶等多種酶，具有不產(chǎn)毒、較強的外源基因表達(dá)能力及高效的蛋白表達(dá)、分泌和修飾能力，以及重組子具有很高的遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點[22]。蘇春雷等人[23]用米根霉和黑曲霉采用前發(fā)酵加主發(fā)酵方式制備余甘子酵素。研究表明，前發(fā)酵游離氨基酸含量和總酚含量的變化趨勢均為先上升后下降，這可能是由于米根霉和黑曲霉產(chǎn)生了淀粉酶和糖化酶等，使大分子量纖維素等物質(zhì)發(fā)生降解，破壞了余甘子細(xì)胞壁，釋放出果實細(xì)胞中游離氨基酸和游離多酚。另一方面，可能因為隨著前發(fā)酵時間增加，微生物生長過量，對游離氨基酸和總酚的消耗大于生成。

2.5 混菌發(fā)酵

混菌發(fā)酵是指利用原料中自然分布的微生物或者人為使用2種及以上微生物進(jìn)行酵素發(fā)酵。利用微生物之間的互利共生關(guān)系發(fā)酵得到更加豐富的代謝產(chǎn)物。酵素的原料不同，在發(fā)酵過程中微生物的群落組成不同，如研究發(fā)現(xiàn)黑果枸杞酵素自然發(fā)酵過程中，樣品中未檢測到醋酸菌，而是酵母菌、乳酸菌和霉菌在發(fā)酵期間起主要作用[24]。有研究人員用酵母菌、副干酪乳酸菌和醋酸桿菌發(fā)酵制備生姜酵素。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵液的pH值由5.85降至3.51，可能是酵母菌將蔗糖發(fā)酵成酒精、葡萄糖、果糖和CO2等，醋酸菌可將酒精轉(zhuǎn)化成乙酸，同時乳酸菌在相對無氧條件下將己糖轉(zhuǎn)化成乳酸等有機(jī)酸。此外，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中風(fēng)味物質(zhì)的種類也發(fā)生明顯變化，可能是生姜液在酵母菌、乳酸菌和醋酸菌轉(zhuǎn)化下生成了酯類、酸類和酚類等。劉加友[25]證實了酵母菌和乳酸菌在葛根發(fā)酵液中存在互利共生作用：酵素中的氧氣含量降低，酵母厭氧發(fā)酵開始，乙醇濃度開始增加，醋酸菌將乙醇氧化成乙醛，進(jìn)一步生成醋酸。但隨著發(fā)酵的進(jìn)行，還原糖被不斷消耗殆盡，醋酸菌代謝積累的乙醇抑制了酵母厭氧發(fā)酵，造成酵母轉(zhuǎn)化乙醇的速率降低，乙醇濃度下降。

3 結(jié)語

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費者健康意識的提升，利用天然植物資源開發(fā)新型健康食品成為新潮流，尤其是利用藥食兩用植物資源開發(fā)的新型健康食品備受市場青睞。藥食兩用植物富含各種生物活性成分，兼具食藥兩用特點也使其成為酵素產(chǎn)品開發(fā)的新熱點。不同的藥食兩用植物活性成分不同，研究其發(fā)酵過程中的活性成分變化，有利于更好地發(fā)揮營養(yǎng)功效和提高保健價值。截至目前，我國官方公告的藥食兩用品種有101種，但是用于酵素研究開發(fā)的植物資源僅10種左右。藥食兩用植物酵素的研究還有很大的開發(fā)空間。

現(xiàn)有藥食兩用植物酵素的報導(dǎo)多見于加工工藝的研究，關(guān)于發(fā)酵機(jī)理的研究有待持續(xù)深入。微生物作為酵素發(fā)酵主要因素，明確其在不同環(huán)境條件下的發(fā)酵機(jī)制有助于實現(xiàn)酵素產(chǎn)品的精準(zhǔn)加工，使酵素產(chǎn)品的形式更加豐富多樣，滿足不同人群的健康需要。