食用植物酵素中有機酸功能活性研究進展

黃 穎 任廷遠 萬紅瓊 謝 姣

(1. 貴州醫(yī)科大學環(huán)境污染與疾病監(jiān)控教育部重點實驗室公共衛(wèi)生學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；3. 甘肅省白銀市靖遠縣科學技術局，甘肅 白銀 730600)

目前，酵素產(chǎn)品因具有抗氧化、抗腫瘤、增強免疫等功能活性而被廣泛應用[1]。已有研究[2-3]表明，酵素保健功能是由多種物質(zhì)共同發(fā)揮作用而成，其中有機酸不僅因其具有調(diào)整腸道菌群能力、維護腸道形態(tài)及功能，還具有抗炎、抗氧化作用進而可緩解和治療結腸炎等多種腸道疾病而備受關注。而食用植物酵素是利用一種或多種益生菌發(fā)酵果蔬、谷物、菌藻、中草藥等而形成的富含多種酶、礦物質(zhì)、維生素、有機酸及其他代謝產(chǎn)物的固態(tài)和液態(tài)食品[4]。其中，食用植物酵素中有機酸主要源于植物原料及其他有益菌發(fā)酵，而發(fā)酵過程中有機酸含量和種類是一個動態(tài)過程，故研究有機酸與微生物群落共性變化規(guī)律，有助于生產(chǎn)過程中以有機酸為指標而進一步控制酵素中微生物發(fā)酵過程和品質(zhì)[5]。因此，文章擬主要綜述酵素中有機酸的組成、發(fā)酵過程中的變化、生理功能，以期為食用酵素有機酸評價體系及生理功能提供依據(jù)。

1 食用植物酵素簡介

近年來，隨著酵素在國外市場的迅速發(fā)展，中國酵素市場也開始孕育和發(fā)展，植物酵素目前逐步擴展到美容護膚、食品等方面[6-7]。而酵素主要源于果蔬等植物，這類食用植物是維生素、有機酸、礦物質(zhì)等營養(yǎng)素的主要來源，故食用植物酵素中相應的營養(yǎng)素種類和含量豐富，且含糖量低[8]，同時酵素產(chǎn)品經(jīng)發(fā)酵后其與普通乳制品替代品不同，即食用植物性酵素適用于乳糖不耐癥、牛奶過敏或純素食者。此外，隨著人們生活水平的逐步提高，健康意識逐步加強，對功能性食品的需求也與日俱增。而食用植物酵素具有多種保健功能如抗氧化[9]、美白護膚[10-11]、增強免疫[12-13]、抗腫瘤[14]、改善腸道菌群[15]等，與大眾的養(yǎng)生理念一致，故食用植物酵素具有廣闊的市場前景。

食用植物酵素發(fā)酵的本質(zhì)是微生物為了獲得能量和維持其合成代謝過程，降低了原基質(zhì)中碳水化合物和其他大分子含量，積累分解代謝產(chǎn)物，從而不斷改變整個體系物質(zhì)組成，最后達到平衡的過程，故酵素發(fā)酵機理為各種微生物基礎代謝的活動[16-17]。研究[18]表明，食用植物酵素發(fā)酵液在酵母菌、乳酸菌和醋酸菌等轉化下生成酯類、酸類和酚類等代謝產(chǎn)物，其風味物質(zhì)發(fā)生明顯變化。目前，植物酵素發(fā)酵過程中相關代謝產(chǎn)物主要有：① 多酚類，如類黃酮、單寧[19]；② 醇類，如乙醇、丁醇[20]；③ 有機酸類，如乳酸、蘋果酸等[21]；④ 酶類，如蛋白酶、SOD等[22]；⑤ 氨基酸和維生素等其他物質(zhì)[23-25]，豐富的代謝產(chǎn)物賦予了植物酵素特別的口感和風味。其中，有機酸對酵素的風味起重要作用，有機酸類物質(zhì)為酯類形成的前體物質(zhì)，它既能構成其他香味物質(zhì)，如金刺梨酵素中有機酸對風味的重要性僅次于酯類，還是重要的味感物質(zhì)使酵素口感豐滿[26]。因此，通過分析發(fā)酵酵素中有機酸的組成，可建立食用酵素的質(zhì)量評價體系來改善和指導酵素中風味和品質(zhì)，還可根據(jù)有機酸的性質(zhì)與作用機制，建立食用植物酵素有機酸功能性的評價體系[27]。

2 食用植物酵素有機酸研究進展

2.1 食用植物酵素有機酸的組成

有機酸是指具有酸性的有機化合物，大多數(shù)具有酸味植物中含有該類物質(zhì)，其具抗氧化、殺菌消炎、維持酸堿平衡、增強抵抗力等作用[28]。目前，有機酸包括天然有機酸和合成有機酸，而植物酵素中富含的大量有機酸，一方面來自于植物原料中天然存在的有機酸，另一方面來自于發(fā)酵過程中由于微生物代謝生成的產(chǎn)物。因此，不同植物原料來源酵素中有機酸的組成與含量差異較大，而不同菌種發(fā)酵的植物酵素中有機酸的含量和種類存在差異。

張思等[27]研究表明，市售的16種酵素中，由于食品原料和生產(chǎn)工藝不同，酵素產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，含有3～7種有機酸，且主要為乳酸、檸檬酸、蘋果酸和異丁酸，各種有機酸含量差異較大，對產(chǎn)品口感和風味有重要影響。研究[29]發(fā)現(xiàn)，金佛手酵素在自然發(fā)酵過程中有機酸組成多樣，主要含L-酒石酸、草酸、乙酸、L-蘋果酸、抗壞血酸、莽草酸、乳酸、檸檬酸和琥珀酸，乳酸、乙酸、檸檬酸和L-酒石酸為發(fā)酵過程中含量排名靠前的有機酸。此外，對4種不同原料配比的黑果枸杞酵素中有機酸種類及含量進行分析發(fā)現(xiàn)，4種酵素中有機酸的種類及含量不同，黑果枸杞酵素在發(fā)酵過程中的有機酸種類豐富，共檢出12或13種有機酸，其中含量較多的是乳酸、γ-氨基丁酸、抗壞血酸、草酸和蘋果酸[30]。此外，乳酸菌輔助超聲對葛根汁進行發(fā)酵，主要含有乳酸、草酸、抗壞血酸、γ-氨基丁酸、乙酸、檸檬酸、蘋果酸等，其中乳酸的酸味溫和適中，口感較好，也是發(fā)酵葛根汁的特征性風味酸[31]。綜上，不同植物原料與發(fā)酵方法中，食用植物酵素中有機酸種類不同，但其共有的有機酸種類主要有乳酸、酒石酸、乙酸、丁酸、檸檬酸等，其中乳酸是乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的主要有機酸，在發(fā)酵過程中變化最大。此外，發(fā)酵過程也會產(chǎn)生一些短鏈脂肪酸，如乙酸、丁酸等，此類短鏈脂肪酸對維持人體健康有益。

2.2 食用植物酵素發(fā)酵過程中有機酸的變化

食用植物酵素發(fā)酵時會產(chǎn)生新的有機酸且其原有的有機酸含量也會發(fā)生變化。林靈等[26]研究發(fā)現(xiàn)金刺梨發(fā)酵前后有機酸種類和含量均發(fā)生了顯著變化，有機酸含量總體升高、種類增多，較發(fā)酵前新增了3種有機酸，分別是乳酸、蘋果酸和醋酸；此外蘋果酸相較發(fā)酵前含量增長了7.51倍，檸檬酸含量較發(fā)酵前增長了3.42倍。以上有機酸變化的差異，除與原料密切相關外，主要源于微生物及各物質(zhì)間的相互轉化，使得發(fā)酵各階段處于一個動態(tài)變化過程[32]。微生物主要利用糖酵解、三羧酸循環(huán)和蘋果酸—乳酸發(fā)酵等途徑，代謝生成乳酸、醋酸、蘋果酸、檸檬酸、丙酮酸等有機酸，導致發(fā)酵過程中有機酸含量總體呈上升趨勢，由于發(fā)酵各時段微生物數(shù)量與代謝生理不同，所以各時段的總體增長趨勢有所差異[33]。研究[34]發(fā)現(xiàn)，聚類分析將百合酵素發(fā)酵過程分為3類，即適應期、增長期和平緩期，發(fā)酵第5～10天為適應期，該時期酶類物質(zhì)及微生物代謝產(chǎn)生的有機酸較少;發(fā)酵第15～60天為增長期，此階段有機酸含量顯著上升，微生物生長繁殖旺盛，產(chǎn)生大量代謝產(chǎn)物，包括豐富的有機酸，發(fā)酵第70～90天為平穩(wěn)期，有機酸含量趨于穩(wěn)定且含量較高。草莓酵素有機酸發(fā)酵初期，糖類物質(zhì)消耗較少，發(fā)酵液中的總酸變化不顯著，發(fā)酵中期發(fā)酵液的總酸濃度快速上升，總糖含量隨之快速下降，乳酸和醋酸等有機酸含量增多，發(fā)酵后期總糖和有機酸含量趨于穩(wěn)定[35]。這可能是發(fā)酵初期微生物菌群在此階段主要是適應環(huán)境，繁殖及代謝活動緩慢，產(chǎn)生的有機酸也較少；發(fā)酵中期，由于植物原料的降解，發(fā)酵液中的各種營養(yǎng)物質(zhì)豐富，產(chǎn)酸微生物大量繁殖并代謝產(chǎn)酸；發(fā)酵后期，由于較低pH抑制了微生物的生理活動，加上糖類物質(zhì)消耗導致總量不斷減少，微生物利用發(fā)酵液中有機酸作為碳源進行一系列代謝活動，另一方面可能與有機酸類物質(zhì)產(chǎn)生的酯類等風味物質(zhì)有關，導致有機酸含量在后期趨于穩(wěn)定或略有下降[36-37]。綜上，明確有機酸的組成及其變化規(guī)律，進而開展對酵素中有機酸性質(zhì)與特定生理活性的研究，有目的性地調(diào)節(jié)有機酸種類和含量，進而對酵素產(chǎn)品質(zhì)量控制及酵素有機酸調(diào)節(jié)機體生理功能進行綜合性評價提供理論基礎。

2.3 食用植物酵素中有機酸的生理活性

2.3.1 抗氧化 方晟等[29]研究表明，金佛手酵素發(fā)酵過程中DPPH自由基清除率與琥珀酸呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)為0.786；超氧自由基清除率與乳酸含量具有顯著正相關(P<0.05)；羥基自由基清除率與乳酸和乙酸含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與草酸和L-酒石酸含量為顯著正相關(P<0.05)，說明金佛手酵素中有機酸具有一定的抗氧化作用，且與有機酸含量密切相關。此外，蔣增良等[38]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄酵素的還原力、DPPH自由基清除能力、羥基自由基清除能力、超氧自由基清除能力和ABTS自由基清除能力均與有機酸濃度相關，葡萄酵素中有機酸主要為蘋果酸、乙酸、酒石酸和檸檬酸[39]，微生物發(fā)酵代謝過程中積累了新的有機酸，如乙酸、丙酮酸、富馬酸和莽草酸，其良好的自由基清除能力，可能來自于有機酸與多種物質(zhì)協(xié)同作用。綜上，發(fā)酵可以顯著提高酵素抗氧化能力，其中乳酸、乙酸、草酸、酒石酸、琥珀酸等有機酸抗氧化作用顯著。

2.3.2 調(diào)整腸道菌群 食用植物酵素中的益生菌如乳酸菌，一方面可以粘附在腸道上皮，從而阻止大腸桿菌、沙門氏菌、梭狀芽孢桿菌等致病菌向腸道上皮內(nèi)的入侵，另一方面益生菌產(chǎn)生的有機酸，如乳酸和短鏈揮發(fā)性脂肪酸，可以為潛在致病性微生物創(chuàng)造限制性的生理環(huán)境，如降低pH值，從而達到調(diào)整腸道菌群的效果[6]。有機酸調(diào)整腸道菌群主要是在腸道發(fā)生結合反應，包括糖基化、羥基化和甲基化，酵素中有機酸對風味有重要作用外，還可以被腸道黏膜吸收利用，為腸黏膜代謝提供能源，促進黏膜生長、腸道細胞增殖和鈉離子吸收等作用，調(diào)整腸道菌群，以此降低腸道及慢性疾病的發(fā)病風險[40]。因此，食用植物酵素中所含有機酸有助于調(diào)整腸道菌群。

2.3.3 增強飽腹感，預防肥胖 食用植物酵素中有機酸如丙酸、丁酸和乙酸，在飽腹感級聯(lián)反應中發(fā)揮作用，而以上短鏈脂肪酸主要通過控制腸道激素(如肽PYY和胰高血糖素樣肽)的表達來調(diào)節(jié)食物的攝入，丙酸通過延遲胃排空率和降低血糖和胰島素反應使人產(chǎn)生飽腹感，丁酸、丙酸和乙酸鹽均能防止飲食引起的肥胖和胰島素抵抗，可誘導腸道激素和減少食物攝入量[41-43]。對嗜酸乳桿菌和弗氏丙酸桿菌發(fā)酵飲料的飽腹效果進行評價，食用富含丙酸的發(fā)酵飲料明顯增加了飽腹感，同時通過視覺模擬反應評估發(fā)現(xiàn)其饑餓感降低[44]。有機酸中的短鏈脂肪酸通常是通過發(fā)酵產(chǎn)生[45]，故可利用益生菌發(fā)酵產(chǎn)生丙酸、乙酸和/或丁酸來作為生產(chǎn)引起飽腹感的酵素食品，可增強飽腹感并預防由飲食誘導的肥胖。

2.3.4 抗腫瘤 丁酸有抑制HCT-116細胞增殖的作用，丁酸標準溶液以劑量—效應依賴性誘導細胞凋亡，且凋亡誘導作用與增殖抑制作用強弱順序一致，乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物能誘導HCT-116細胞凋亡，DNA發(fā)生片段化，說明發(fā)酵產(chǎn)物誘導細胞凋亡是其抑制細胞增殖的重要途徑；凋亡誘導作用與增殖抑制作用強弱順序也一致，說明發(fā)酵產(chǎn)物中的丁酸含量直接影響發(fā)酵產(chǎn)物的抗癌作用[46]，其作用機制可能是營養(yǎng)腸黏膜、恢復細胞生理增殖模式和增強谷氨酰胺酶活性誘導細胞凋亡[47]。故酵素中含有的短鏈脂肪酸，如γ-氨基丁酸具有抗腫瘤作用，這為開發(fā)預防結腸癌作用的酵素功能性食品提供了理論依據(jù)。

2.3.5 抑菌抗炎 酵素食品中富含有機酸，而有機酸對腸道pH調(diào)節(jié)有重要作用，如李寧等[48]研究發(fā)現(xiàn)，微生物酵素有預防術后早期感染作用，使環(huán)境pH下降呈酸性，促進腸道蠕動，并對病原菌有拮抗作用，能提高消化道局部免疫抗菌功能，同時可使全身其他黏膜組織產(chǎn)生特異性免疫效應，共同達到抑制致病菌感染的功效。Lamia等[49]研究發(fā)現(xiàn)，由葡萄汁與紅茶共發(fā)酵所形成的酵素液，其發(fā)酵過程中產(chǎn)生的乙酸及其他代謝產(chǎn)物，對細菌有抑制作用，能夠起到抑菌抗炎效果。綜上，酵素食品中有機酸的抗菌抗炎作用主要是在控制腸道管腔pH中發(fā)揮作用，從而影響其對低pH敏感的細菌(包括部分病原體)的水平[50]。

2.3.6 其他作用 除以上功能外，有機酸還可能具有降低心腦血管疾病風險、降血脂等其他作用。有研究[51]表明，乳酸菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸，主要是乙酸、丙酸和丁酸，作為最終產(chǎn)品短鏈脂肪酸可能會降低患胃腸道疾病和心血管疾病的患病率。梁艷花[52]研究發(fā)現(xiàn)，紅棗乳酸飲料較紅棗汁有明顯降血脂功能，其中有機酸、多酚物質(zhì)和其他發(fā)酵產(chǎn)物可能有協(xié)助降血脂的效果。

3 結論與展望

發(fā)酵過程中不同時間的微生物群落、代謝物的變化規(guī)律與酵素的品質(zhì)、功能和安全性密切相關，其中有機酸的監(jiān)測可在一定程度上反映微生物對底物的利用程度，預測發(fā)酵完成時間，也可以作為區(qū)分是否有異常發(fā)酵的重要指標之一[53]。中國對酵素產(chǎn)品中有機酸的評價體系研究甚少，其中有機酸調(diào)節(jié)腸道菌群能力評價體系的評價指標單一，且缺乏科學的試驗數(shù)據(jù)，后續(xù)可進一步對酵素中有機酸的作用機制進行研究，并提出有機酸的綜合評價體系。微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的有機酸種類和含量不僅對發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)和風味有重要影響，還會影響酵素特定生理活性的發(fā)揮，如何準確調(diào)控發(fā)酵過程中有機酸的含量和種類是目前待解決的難題之一。