藥食兩用植物酵素活性成分及發(fā)酵機理研究進展

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)酵機理進行綜述，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、有機酸、多糖和皂苷類等活性成分，能夠降低機體內(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)進行分解，以及分解一些快要死亡的細胞。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 有機酸類

有機酸類是指分子結(jié)構(gòu)中含有羧基（-COOH）的有機化合物，植物體內(nèi)積累的有機酸參與了光合作用、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入酵母細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菌，其最適生長條件為pH值6.0，生長溫度37℃，體積分數(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能力及高效的蛋白表達、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，破壞了余甘子細胞壁，釋放出果實細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，進一步生成醋酸。但隨著發(fā)酵的進行，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)酵機制有助于實現(xiàn)酵素產(chǎn)品的精準加工，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。