微生物發酵處理藥食同源植物研究進展

李宇邦, 吳軍林,2*, 李曼莎

1.廣東環凱微生物科技有限公司, 廣州 510663；2.廣東省微生物研究所, 廣州 510070

藥食同源植物是指兼具日常營養價值和臨床藥用價值的植物，涵括中醫學的食療和藥膳。我國古代本草著作對藥食同源植物進行了詳細記載，如《黃帝內經》中的“藥以祛之，食以隨之”和《備急千金要方》中的“夫為醫者，當須先洞曉病源，知其所犯，以食治之”均表明了大眾有著注重從飲食中尋求養生的傳統，可見藥食同源植物自古以來就深受喜愛，被廣泛用于日常飲食之中。

微生物發酵是指在適宜條件下利用微生物的分解作用，將原料經過特定的代謝途徑轉化為更易于被人體吸收、利用的產物的過程。通過微生物生長代謝活動促進活性成分分離，從而產生新的功效，增強藥用價值，促進機體對其的吸收利用[1,2]。早在4 000年前，微生物發酵開始被用于釀酒、醬、醋、豆豉等食品的制作[3,4]，后被廣泛用于利用苦杏仁和赤小豆等藥食同源植物制備六神曲、紅曲、淡豆豉[5]，現在逐漸開始應用于功能性食品的開發[6]。

本文通過對微生物發酵的常用菌種、作用機理和特點、技術進展及其在食品和醫藥領域的應用做一綜述，并對今后微生物發酵藥食同源植物的發展趨勢進行展望，以期為微生物發酵處理藥食同源植物產品的開發提供依據。

1 微生物發酵常用菌種

我國衛生部組織制定的《可用于食品的菌種名單》規定可以用于食品的菌種有29種，包括雙歧桿菌屬6種、乳桿菌屬14種、乳球菌屬3種、片球菌屬2種、費氏丙酸桿菌謝氏亞種、腸膜明串珠菌腸膜亞種、馬克斯克魯維酵母和嗜熱鏈球菌[7]。目前常用于藥食同源植物發酵的有8種(表1)，主要以雙歧桿菌和乳桿菌為主，其中，雙歧桿菌是由Tissier于1899年從健康的母乳兒糞便中分離出來的[16]，為革蘭氏陽性多形態細長桿菌，屬于專性厭氧菌，主要通過發酵糖類產生醋酸和乳酸；乳酸菌是革蘭氏陽性無芽胞的細長桿菌，除德氏乳桿菌為專性厭氧菌外，其余菌種為兼性厭氧菌或微需氧菌，通過發酵糖類產生乳酸。雙歧桿菌和乳桿菌是國內應用最多的益生菌，由于這2個菌種來源于人體，無毒副作用，且其生理效應功能顯著優于其他菌種，因而在食品工業中具有重要地位[17]。

表1 微生物發酵藥食同源植物常用菌種Table 1 Common strains used in the fermentation of medicinal and edible plants.

2 微生物發酵的作用機理和特點

微生物發酵主要利用真菌和細菌發酵過程中所產生的酶，通過酶的作用將一種物質轉化為另一種物質[18]。在利用微生物發酵法處理藥食同源植物的過程中，發揮作用的酶有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶等，其可在常溫常壓下對藥食同源植物中的黃酮、類固醇、生物堿、異黃酮、皂苷、植物甾醇和酚類等天然活性成分進行結構修飾，或使底物分子發生氧化、歧化、異構化、脂化、消旋化，從而轉化為價值更高的新化合物，增強生物活性，增強降血脂、抗腫瘤、促進消化吸收和溶解纖維蛋白等作用[19,20]。微生物發酵法處理藥食同源植物的特點是產生新的功效成分或提高有效成分含量。

2.1 產生新的成分

微生物可對藥食同源植物中的天然活性成分進行生物轉化或分解，改變其原有的生物活性，產生新的成分或功效[21]。其作用機理主要表現在4個方面：①藥食同源植物中的活性成分與微生物代謝產物反應可轉化為新的成分，如桑葚中的蛋白質及氨基酸在植物乳酸菌NCU137酶系作用下，能夠發生脫羧降解生成醇類，從而產生新的20種香氣成分[22]；②藥食同源植物活性成分在微生物發酵條件下分解產生新的成分，如枳殼在發酵過程中，新北圣草苷、橙皮苷和新橙皮苷等黃酮成分脫糖基轉化為4種新的單糖苷[23]；③微生物在藥食同源植物有效成分的作用下代謝可產生具有新功效的次生代謝產物，如植物乳桿菌LactobacillusplantarumFCJX 102和嗜酸乳桿菌LactobacillusacidophiluFCJX 104在山楂與葛根提取液中發酵產生1種乙醛脫氫酶，可將麻痹神經的乙醛轉化成無毒的乙酸，從而增強發酵產物醒酒護肝的效果[24]；④藥食同源植物活性成分與微生物次生代謝產物反應產生新的成分，如在微生物發酵覆盆子的過程中，覆盆子中的阿拉伯糖和甘露醇與來自于真菌Clonostachysrogersoniana的聚酮母核結合產生新的代謝產物，使得發酵后聚酮類化合物的含量水平顯著升高[25]。

此外，藥食同源植物與微生物之間可發生協同作用，藥食同源植物中原有的營養物質有助于微生物的分裂、生長，進一步促進生物轉化的發生。如枸杞和山藥浸提物中豐富的營養成分和抗氧活性，對嚴格厭氧雙歧桿菌B.adolescentis具有顯著的促生長影響[8]；菊花水煎液能促進長雙歧桿菌的體外增殖與活性，縮短雙歧桿菌的培養時間[12]。

2.2 增加有效成分含量

微生物發酵可增加藥食同源植物的有效成分含量，主要原因有2個:①發酵過程中藥食同源植物中多個物質轉化為同一物質[26]，如傘狀犁頭霉AbsidiacorymbiferaAS2可將黃芪中的黃芪甲苷Ⅰ、異黃芪苷Ⅰ、黃芪甲苷Ⅱ和異黃芪苷Ⅱ均轉化為芪甲Ⅳ，使發酵后黃芪甲Ⅳ的含量提高4倍[27]。②微生物可以改變藥食同源植物天然活性成分的物質結構，提高有效成分的溶出率，如利用甲基營養型芽孢桿菌N-14菌株發酵黃芪，可增加黃芪總多糖的溶出率，使提取得率提高了10倍以上[28]；雙歧桿菌發酵對生、炒麥芽提取液多糖的溶出率也有顯著影響，發酵后生麥芽多糖含量和炒麥芽多糖含量均顯著提高[10]。

3 微生物發酵藥食同源植物技術進展

采用微生物發酵技術處理藥食同源植物歷史悠久，隨著科技的發展和創新，使得微生物發酵效率也逐步提高。傳統發酵技術主要采用自然接種、多菌種發酵，菌種為自然環境中的真菌和細菌，發酵過程中加入的微生物種類繁多，但真正發揮作用的菌種數量有限，如在豆豉發酵中發揮作用的主要是產生脂肪酶、淀粉酶和蛋白酶的芽孢桿菌和乳酸菌，但通常還會摻雜其他菌種，如曲霉、根霉和毛霉等，在發酵過程中損耗營養、降低效率，同時容易污染發酵產物[29]。

隨著實時熒光定量PCR和RNAi等現代技術的發展以及對微生物多樣性研究的深入開展，現代發酵技術可根據微生物發酵藥食同源植物過程中菌落的變化規律及其組成結構的變化，篩選出有利菌種[30]。如利用26S rDNA序列分析，從枸杞果園土壤、枸杞鮮果表面的活菌中篩選得到可用于發酵枸杞果酒的孢漢遜酵母(Hanseniasporauvarum)和戴爾有孢圓酵母(Torulasporadelbrueckii)，將2種酵母以3∶1比例混合發酵，與傳統釀酒酵母單獨發酵相比，篩選后的菌種發酵含有更多種類的香氣成分[31]。

現代發酵技術還可根據發酵產物含量和發酵過程中的酶活力選用特定的菌種或酶，更具目的性，從而縮短藥食同源植物的微生物發酵時間。如利用傳統發酵技術發酵六神曲，參與發酵過程的菌種均來自于自然環境，發酵得到的產物穩定性難以控制。而現代發酵技術采用高效液相色譜法檢測六神曲發酵過程中有效成分苦杏仁苷和青蒿素的含量變化，同時檢測菌種數量變化以及淀粉酶和蛋白酶的酶活力，確定最優發酵菌種和最佳菌種數量，從而提高六神曲的質量與穩定性[32]。通過在納豆、赤小豆發酵過程中檢測納豆激酶酶活力，考察得到酶活力最高時，原料中黃豆和赤小豆的比例、發酵溫度和時間等條件，相對傳統的納豆發酵，能夠顯著提高其發酵效率和產品風味[33]。

此外，在微生物發酵藥食同源植物的過程中，隨著產物中有效成分含量的升高，大部分菌種的生長能力受到影響，酶活力也會下降，降低了發酵效率。但現代光譜分析技術的使用可以改善這一情況。如在乳酸菌發酵薏苡仁過程中，隨著薏苡仁多糖含量的升高導致大部分乳酸菌的生長受到限制，然而利用紫外分光光度法監測多糖含量和菌落生長的情況，篩選出薏苡仁多糖培養基中生長特性較強的植物乳桿菌Sc6-3和干酪乳桿菌NM01，可使薏苡仁多糖的得率提高4倍[34]。黃芪經乳酸菌發酵的過程中，隨著黃芪多糖含量的提高，乳酸菌的生長受到抑制，而通過苯酚-硫酸法、紫外分光光度法測定黃芪發酵過程中的多糖含量，并采用平板菌落計數法測定活菌數，篩選出具有共生關系的植物乳桿菌和屎腸球菌，可使發酵產物得率提高95.5%[35]。

與傳統微發酵技術中的自然接種相比，現代發酵技術可根據發酵目的、發酵條件篩選出對特定條件具有一定耐受能力的微生物，從而擺脫生存條件對微生物生長的限制，縮短發酵時間，提高發酵效率，并有效避免雜菌污染，保證發酵過程的穩定性及安全性。

4 微生物發酵藥食同源植物在食品和醫藥領域的應用

4.1 在食品領域中的應用

在食品領域中常利用乳酸菌或酵母菌等微生物發酵藥食同源植物，以增加其營養價值、改善口感，目前普遍用于生產果酒、果醋、乳酸飲料等食品。

果酒是以植物果實為原料，利用酵母菌低溫發酵釀制而成的一種風味獨特的保健食品。利用微生物發酵藥食同源植物釀造果酒，可以根據口味選擇添加適當的微生物以改善藥食同源植物的口感，如發酵沙棘釀制果酒過程中，利用酒球菌可將沙棘中的蘋果酸轉化為乳酸，降低沙棘的酸澀和粗糙，使其口感更為柔和[36]。此外，接種量和發酵時間也是發酵過程中影響果酒口感的重要因素，利用酵母菌發酵白果制作果酒時，發酵時間越長，白果果酒的口感越純正，這主要與酵母量增長速度有關[37]。微生物發酵還能夠增強果酒的抗氧化、抗疲勞、延緩衰老等作用，如通過微生物發酵山藥黃酒，協同山藥的養陰功效和黃酒的養肝作用，能夠增加黃酒的功效，并提高山藥的營養價值[38]。

果醋富含氨基酸、維生素、有機酸和微量元素，以其獨特的風味與藥食同源植物結合開發的功能性食品更易被消費者接受。利用微生物發酵藥食同源植物制作果醋，能夠解決傳統工藝中利用浸提法提取活性成分過程中的效率低、耗能大、不利于保存等問題。葛根黃酮具有顯著的生津、解肌除煩作用，然而由于不便提取導致不利于開發，但采用乳酸菌、醋酸菌和酵母菌發酵葛根得到的葛根醋，制作方便，富含葛根黃酮，且口感良好[39]。此外，通過微生物發酵能夠增強果酒緩解疲勞、抗氧化和抑菌等作用，同時，由于醋酸菌具有調節腸道平衡的作用，將其用于山楂果醋的制作過程中，能夠協同山楂增強開胃消食的功效[40]。

乳酸飲料是由牛奶經乳酸菌發酵而成的，具有改善腸道健康、促進消化的作用，同時使藥食同源植物活性成分更易被人體吸收。山藥富含粘液質、尿囊素、氨基酸、多種維生素和礦物質等成分，以乳酸發酵山藥，改善山藥的口感的同時，利用微生物的分解作用能夠促進山藥的天然活性成分分解，更利于被人體吸收利用[41]。乳酸菌和藥食同源植物還具有協同作用，如白扁豆具有滋養脾胃的功效，利用乳酸菌發酵白扁豆制作酸奶，能夠發揮白扁豆和乳酸菌飲料健胃、助消化的雙重保健作用[42]。

此外，還可以將微生物發酵藥食同源植物應用于果凍、果醬、涼茶等食品。如盛瑋和謝筆鈞[43]以乳酸菌發酵山藥和鮮牛奶，制作的山藥果凍口感細膩、味道良好，且具有健脾補腎的保健作用；利用乳酸菌發酵桑葚、枸杞制備果醬，可以使產品具有桑葚和枸杞的風味和功效[44]；陳康等[45]利用乳桿菌PMO發酵金銀花研制涼茶，可改善涼茶口感，提高益生菌增殖活性。上述結果均表明，微生物發酵藥食同源植物應用于食品領域，能夠改善藥食同源植物口感，通過微生物發酵處理使活性成分更利于被人體吸收，還可協同微生物的作用提高產品的營養價值。

4.2 在醫藥領域中的應用

微生物發酵是藥食同源植物炮制方法之一，如神曲、淡豆豉、紅曲、麥芽等，微生物發酵比一般物理方法處理更高效，其在醫藥領域中主要起到增強療效和改變藥性2個方面的作用。如采用微生物發酵大豆制作淡豆豉，能夠增強大豆解肌發表、解郁除煩的功效[46]；采用靈芝為發酵菌種發酵處理當歸，可使靈芝和當歸的抗氧化活性提高[47]。此外，微生物發酵藥食同源植物可改變產物的藥性，如發酵淡豆豉時，以桑葉、青篙發酵，藥性偏于寒涼，多用于風熱感冒；以麻黃、紫蘇發酵，藥性偏于辛溫，多用于風寒感冒[48]。目前微生物發酵藥食同源植物在醫藥領域中的應用相對較少，可能與微生物發酵過程周期長、生產成本高有關，需要對發酵原料、發酵菌種、發酵時間嚴格控制，才能使微生物發酵藥食同源植物在醫藥領域得到更好地發展。

5 展望

微生物發酵技術在我國處于發展階段，各方面尚未成熟，利用微生物發酵法處理藥食同源植物還存在諸多問題，如符合國際安全認證的菌種數有限、發酵處理時間長、轉化條件不明確、轉化過程易受外界因素影響等。這些問題影響著微生物發酵藥食同源植物的應用前景。

目前，對于利用微生物發酵藥食同源植物產生的新成分的相關研究報道尚少，對提高有效成分含量的報道占絕大多數，且應用于果酒、果醋、乳酸飲料等食品方面的研究以增加風味為主，有關發酵提高產品功效或產生新功效的產品較少，后續的產品開發研究應從加強對微生物發酵后新產生成分或藥理作用方面展開。

對于功能性食品，我國衛生部公布的《真菌類保健食品評審規定》和《益生菌類保健食品評審規定》對其使用菌種范圍作出了嚴格的規定[49]，但在微生物增加藥食同源植物的成分和療效的研究中，多采用自然界篩選得到的規定以外的其他菌種，這無疑對利用微生物發酵法處理藥食同源植物開發功能性食品的開發造成局限。此外，目前對微生物發酵法在藥食同源植物中的應用，除了果酒、果醋、乳酸飲料等飲品，在醫藥領域應用的研究較少，這可能與微生物發酵藥食同源植物的周期長、生產成本高等原因有關，期望微生物發酵技術的進步能夠彌補藥食同源植物在醫藥領域或保健功能領域應用的不足，使藥食同源植物的藥用價值得到合理開發利用。