固態生物轉化對植物性食品加工副產物生物活性影響的研究進展

陳嘉序傅亞平高 瑤肖 愈

(1. 湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128；2. 長沙商貿旅游職業技術學院，湖南 長沙 410116)

農業生產及食品加工過程中會產生大量的副產物殘渣，如果皮、麩皮、豆渣、薯皮、甘蔗渣等。FAO估計，全球每年約有13億t加工副產物被浪費，其中果蔬類占比45%，谷物類占比30%[1]。這些植物性加工副產物有機物含量高，是潛在的營養來源，同時生化需氧量(BOD)超標[2]，及時有效利用不僅可提高其經濟利用率，還可減少環境污染。植物性加工副產物可以通過各種方法來提高其價值，其中固態發酵是一種傳統而又新穎的加工方式，操作簡單、生產成本低、發酵代謝產物得率高、對環境無污染，在中國及東南亞地區具有悠久的歷史[3]。同時，可利用固態發酵技術獲取及強化對人體健康有益的一些生物活性成分[4]，如多酚、黃酮、植物多糖、類胡蘿卜素等。從系統發育上看，植物中的次生代謝產物的合成在植物的生長階段起到舉足輕重的作用[5]，例如黃酮和酚酸能保護活體植物免受光合作用過程中產生的自由基的侵害；萜類化合物可以吸引傳粉者等。此外，一些植物性副產物經發酵強化后，在人體中也能發揮不同的生物學功能，例如能夠降低心血管疾病和癌癥的發生率[6]，還具有抗菌、抗氧化、抗誘變和抗炎功能，以及抑制或誘導酶及其受體活性基因的表達等[7]。因此，利用廉價易得的農林副產物作為固態發酵基質來生產酶類或其他生物活性成分成為科研工作者的研究熱點。

文章擬綜合近年來國內外大量相關研究報道，詳細闡述固態生物轉化對植物性食品加工副產物產酶效率及潛在的應用價值，同時對固態發酵過程中副產物主要生物活性物質(酚類、黃酮、植物多糖等)及其功能活性的變化進行概述，以期為食品工業中植物性食品加工副產物的增值利用提供依據。

1 固態生物轉化過程中產酶研究

1.1 谷物加工副產物

谷物食品(禾谷類、薯類、豆菽類)是中國居民日常飲食的重要組成部分，具有豐富的營養價值，同時也是許多植物活性物質的重要來源，包括植物雌激素、酚類化合物、皂苷、植酸和固醇等[8]。食品工業中谷物加工過程包括清潔、分級、干燥、運輸、裝載、存儲、控制自動化、抽吸和過濾等，在谷物處理的每個階段都會產生可生物降解的副產物廢渣[9]。研究[10]表明，谷物類工業廢渣主要含有纖維素、淀粉、蛋白質、維生素和礦物質等營養元素。這些廢渣經預處理后可作為微生物固態發酵產酶的極佳基質(表1)，不但可以降低酶的生產成本，還能進一步提高酶的轉化效率，大大拓寬其工業應用的可能性。

谷物類副產物廢渣多含有豐富的纖維素，單菌發酵產高活性纖維素酶時廣泛選擇的菌種有Aspergillusniger、Trichoderma和Aspergillusoryzae。高大響等[11]以Aspergillusniger為菌種發酵豆渣，29 ℃下發酵84 h，得到纖維素酶最大活力為462 U/g。丁重陽等[12]利用Trichodermareesei固態發酵麥糟與玉米芯的混合物，干曲最高酶活可達 430 U/g。而纖維素酶是起協同作用的多酶體系，利用混合菌株的協同作用比純種菌株能產生更多不同酶切位點的纖維素酶[13]。涂璇等[14]研究表明，兩種曲霉(UF2和UA8)按比例混合發酵，其濾紙酶、微晶纖維素酶和羧甲基纖維素酶3種酶活性較單菌發酵(UA8)分別提高了2.2%～51.1%，20.7%～332.6%和29.4%～299.6%。通過生物轉化得到的纖維素酶已被廣泛應用于食品加工、飼料工業等領域，包括發酵產品的制造、黃酮類化合物等功能成分的提取、茶葉深加工、消除抗營養因子等[15]。

蛋白酶和淀粉酶能將谷物類副產物中的大分子蛋白質和多糖降解為利于吸收利用的小分子肽類、氨基酸和簡單糖類物質，被廣泛運用于飼料生產業、復合酶制劑的制備以及果蔬加工等領域。吳慧清等[16]利用Neurosporasitophila為菌種發酵100 g蔗渣、600 g麩皮和300 g木薯渣等混合物，發酵后固體曲中糖化酶活力和蛋白酶活力分別為3 110，297 mg/(g·h)。李思聰[17]以Bacillussubtilis為菌種發酵豆渣基質，發酵前未檢測到淀粉酶，發酵后淀粉酶活力達4.18 U/g。因Bacillussubtilis的次級代謝產物枯草菌素具有明顯的抑菌作用，抑制發酵過程中有害微生物干擾，利于固態發酵飼料產品品質的提升[18]。

漆酶是一種多酚氧化酶，具有獨特的催化特性。Ergun等[19]從蔗渣、麩皮、稻草和啤酒糟等農業廢料中獲得了這種酶。同樣，以各種糧食作物副產物(麥麩、蔗渣和稻草)作為固體基質，通過不同的微生物(Pleurotusspvar、Pleurotusostreatus、Pyrenophoraphaeocomes)生產漆酶的研究較多[20]。得到的漆酶能與木質素、胺類化合物、芳香化合物等底物發生作用，且諸多反應的唯一產物只有水，因此能直接應用于食品、環保及造紙工業等領域[21]。

1.2 果蔬類加工副產物

近年來，果蔬生產和加工業成為中國農村經濟的支柱產業，然而龐大的生產量也帶來了大量果蔬加工副產物的產生。據統計[22]，中國果蔬加工業每年生產約1億t的副產物殘渣，且有逐年上漲的趨勢。果蔬加工副產物包括果皮、汁囊殘留物、薄膜、果核和種子，這些副產物含有豐富的可溶性糖、纖維素、半纖維素、果膠和精油等，但蛋白質含量偏低，不適宜作動物飼料，且燃燒處理會產生大量溫室氣體，加重溫室效應[23]。研究[24]表明，果蔬加工副產物因其富含半纖維素和果膠，吸水率高，是固態生物轉化產酶的極佳發酵基質，大多用于果膠酶、木聚糖酶、半乳糖醛酸酶和葡萄糖苷酶的生產(表1)。

果膠酶可大致分為聚半乳糖醛酸酶、果膠裂解酶和果膠酯酶，是水果加工中最重要的酶。據報道[37]，現已發現有40多種微生物能產果膠酶，包括Aspergillus、Penicillium、Kluyveromyces及一些兼性厭氧細菌等。果膠酶是誘導性酶類，一般認為其產酶條件為底物中含有誘導物(果膠或半乳糖醛酸殘基)，因而可選用富含果膠的誘導物(蘋果皮、桔柑皮等)。田林茂等[38]以AspergillusnigerHG-1為菌種發酵蘋果渣獲取果膠酶，30 ℃下培養 48 h，果膠酶酶活力可達 22 248 U/g，高于以麩皮為主要原料時的酶活力。鄧毛程等[39]采用菠蘿皮粉作碳源和誘導物發酵生產果膠酶，當菠蘿皮粉用量達到某一值時其產酶量最大，超出該范圍時產酶量呈下降趨勢，可能歸因于菠蘿皮中存在抑制產酶成分的累積。植物性副產物發酵生產得到的果膠酶在食品工業中的應用主要是果汁制造和果汁釀造，因其能提高出汁率，降低成本的同時，降解果膠質，使產品更易貯藏[38]。

木聚糖是半纖維素的主要成分，是植物性飼料中存在的抗營養因子，使飼料消化利用率大大降低。利用固態發酵技術生產木聚糖酶具有成本低、效益高的優勢。Seyis等[40]分別使用蘋果渣、橙渣、橙皮、檸檬渣、檸檬皮、梨皮和香蕉皮作為Trichodermaharzianum1073 D3的發酵基質生產木聚糖酶，其中以蘋果渣為基質產木聚糖酶酶活力最高。Mamma等[41]發現AspergillusnigerBTL產生的半乳糖醛酸酶、果膠酸裂解酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和蔗糖酶的產量最高，而NeurosporacrassaDSM 1129產生的內切葡聚糖酶產量最高。木聚糖酶反作用于甘蔗渣、玉米芯等天然半纖維素，分解得到木糖和低聚木糖，可作為葡萄糖替代物供糖尿病人食用；此外，還可作為增稠劑、脂肪替代物等加以應用[15]。

2 固態生物轉化對植物性食品加工副產物生物活性物質的影響

植物性食品加工副產物經固態生物轉化產生的各類生物活性物質見表2。

2.1 對酚類化合物的影響

酚類化合物由于其出色的體外抗氧化性能在食品和臨床領域備受關注，其理想化學結構使得沿芳環的羥基更易于提供氫或電子，以實現自由基清除活性。據報道[58]，某些酚類化合物還具有抗菌、抗動脈粥樣硬化、抗腫瘤、抗癌和抗炎等潛力。植物性副產物中酚類化合物只有少部分以可溶性形式存在，絕大部分以不溶性形式與細胞壁化學物質(包括果膠、纖維素、阿拉伯木聚糖和結構蛋白)通過共價鍵、酯鍵、醚苷鍵等相結合，難以提取，嚴重影響其生理活性功能的發揮[50]。發酵過程中，微生物通過次級代謝途徑產生具備抗氧化性能的酚類物質，或者通過胞外酶的酶促作用從底物基質中釋放出酚類物質[45]。酚類化合物主要可分為黃酮和酚酸兩大類，常見的酚酸有阿魏酸、沒食子酸、香草酸、鞣花酸、對羥基苯甲酸、香豆酸和芥子酸等。

表1 植物性食品加工副產物固態生物轉化過程中的產酶

表2 植物性食品加工副產物經固態生物轉化產生的各類生物活性物質

植物性副產物中酚酸類物質增加的根本原因是其結構的變化。胡博涵[69]采用分光光度法和HPLC法分析幾種曲霉發酵麩皮中總酚酸和阿魏酸的釋放量，隨后對發酵麥麩進行電鏡掃描，發現已由密質的交聯結構變得疏松，交聯結構斷裂，內側表面出現凹凸斑痕和空穴，從而使其釋放出生物活性物質，提高了發酵麥麩中的總酚和阿魏酸含量，進而其抗氧化能力提高。杜小燕等[70]利用Aspergillusawamori發酵麥麩，發現Aspergillusawamori使束縛的阿魏酸游離出來，且咖啡酸、丁香酸和阿魏酸濃度高的酚類提取物，其抗氧化性也較強。

研究[45]表明，各種木質纖維素材料是生產沒食子酸和鞣花酸的良好基質，尤其是發酵農作物及果蔬加工副產物，如豆粕、高粱秸稈、玉米芯、麥麩、石榴籽等。郭麗等[42]以Lentinusedodes為菌種發酵藍莓果渣，其總酚和沒食子酸含量均先上升后下降，且發酵第8天達最大值；酚類化合物含量上升除基質結構變化釋放酚類物質外，還可能是由于發酵微生物合成了可溶性酚類化合物；鞣花酸含量逐漸下降，可能歸因于鞣花酸中含有許多易被氧化的酚羥基，發酵過程中被氧化消耗[79]。

2.2 對黃酮的影響

植物性加工副產物是潛在的生物活性物質黃酮的重要來源，主要包括柚皮苷、橙皮苷、大豆異黃酮和蘆丁等[72]。具有清除自由基、抗氧化[73]、降低癌癥和糖尿病發生率、預防心腦血管疾病和抗微生物等多種藥理作用[74]。黃酮是酚類化合物的最大組成部分，根據中央三碳的氧化程度、是否成環、B環的聯接位點等特點，可將黃酮分為黃酮類、黃酮醇類、二氫黃酮類、異黃酮類、黃烷類和花色素類等多種結構類型。

黃酮多以O-糖苷的形式存在，與葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖等結合，O-β-糖苷鍵主要通過微生物α-糖苷酶在腸道中水解產生苷元[75]。Fukumoto等[76]指出，與糖基化黃酮相比，苷元型的抗氧化活性較高。微生物在發酵過程中產生豐富的酶系，如纖維素酶、果膠酶、β-葡萄糖苷酶、柚皮苷酶和α-鼠李糖苷酶等[77]。其中，β-葡萄糖苷酶作用于黃酮C3和C7位置上的鍵，使葡萄糖基團游離出來，得到活性更高的苷元；而α-L-鼠李糖苷酶可特異性切割許多天然葡萄糖苷末端的鼠李糖基，如柚皮苷、蘆丁、槲皮苷和橙皮苷等[78]，提升了天然黃酮的功能活性。豆粕經Bacilluspumilus、Bacillussubtilis或Aspergillusoryzae等菌株發酵后會使得糖苷型異黃酮(大豆苷、黃豆黃苷和染料木苷)代謝為游離型異黃酮(大豆苷元、黃豆黃素和染料木素)，提高豆粕營養品質[79]。此外，王露[50]用Monascusspp.和BacillusBS2混合發酵番石榴葉，相對于未發酵基質，其總黃酮、槲皮素與山奈酚含量分別增加了2.0，13.0，6.8倍。有研究[80]認為，這可能是由于糖苷類化合物首先被去糖基化形成槲皮素-3-O-葡萄糖苷和山奈酚-3-O-葡萄糖苷，再由這些菌株分泌的β-葡萄糖苷酶使位于3-O和7-O位置的葡萄糖基團游離出來，得到苷元型的槲皮素和山奈酚。

郭麗等[42]以Lentinusedodes為菌種發酵藍莓果渣，發酵第12天時花色苷含量達最大值1.878 mg/g。這可能是因為在纖維素酶和果膠酶的作用下，果渣的細胞壁被破壞，從而附著在纖維素、果膠質上的花色苷被釋放出來。Hugnh等[80]研究表明，通過微生物發酵從植物副產物中生產高活性的黃酮時，細胞壁與天然黃酮的相對位置是一個重要的考慮因素。只有已知結合的類型和糖苷鍵連接的位置，才可以更好地選擇所需的酶或微生物，從而從植物性加工副產物中獲取可利用性更強、活性更高的黃酮。

2.3 對植物多糖的影響

植物多糖又稱植物多聚糖，是一類由醛糖或酮糖通過糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，也是植物體內非常重要的一種生物活性物質，具有免疫調節、抗癌、抗氧化、預防心血管疾病、護肝以及抗輻射等多重功效[81]。目前，主要用于植物多糖生產的菌種有Xanthomonas、Leuconostoc、Sphingomonas和Alcaligenesgenera等[82]。賈豐[59]以Saccharomyce為菌種發酵蘋果渣，最后經超聲輔助熱水浸提法獲得了3種蘋果渣多糖：蘋果原渣多糖、蘋果酒渣多糖和蘋果醋渣多糖，此3種多糖為非晶態物質，呈無定型態結構，具有一定的抗氧化性和良好的加工特性。米糠多糖是具有多種生理活性的功能因子，主要以半纖維素的形式鑲嵌于稻谷穎果皮。張超杰[60]利用Fomitopsispinicola發酵制備米糠多糖，當米糠多糖中阿拉伯糖、木糖、半乳糖及甘露糖所占比重較大時，抗氧化性較強。史俊祥[61]利用SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.119等4種菌發酵麩皮，發現Saccharomycescerevisiae與Bacillussubtilis混菌發酵時的效果最好，麩皮多糖產量為44.55 mg/g，且Diquat誘導的Wistar大鼠機體的氧化應激反應在麩皮多糖粗制品的參與下可以得到有效緩解。王園等[83]利用Saccharomycescerevisiae與Bacillussubtilis混菌發酵得到麩皮多糖具有較好的抗炎活性。由于植物多糖的分子量、聚合度以及結構均能影響其生物活性，并且聚合度越高，越不利于多糖在生物體內發揮活性作用，甚至對機體產生毒害作用[84]。因此，將多糖降解為小分子片段，降低分子量是多糖及其產品開發急待解決的問題。

2.4 對其他生物活性物質的影響

2.4.1 植物色素 植物色素也是重要的生物活性物質之一，具有營養、保鍵、藥用、著色作用等諸多功能活性，且食用安全，對促進人體健康有很大幫助[85]。Buzzini等[86]利用Rhodotorulaglutinis和Debaromycescastellii混菌發酵玉米糖漿(通過玉米淀粉的酸水解獲得的工業副產物)可以有效提高類胡蘿卜素產量。Miura等[87]研究證明，來自Erwiniauredovora的crtE、crtB、crtI和crtY以及來自Agrobacteriumaurantiacum的crtZ和crtW基因均可以生物合成類胡蘿卜素，將這些基因簇移入食品級酵母Candidautilis，發現轉基因酵母能獲取更多的蝦青素、β-類胡蘿卜素和番茄紅素。

2.4.2 單細胞蛋白 單細胞蛋白又稱微生物菌體蛋白，含有豐富的蛋白質(占干細胞重量的60%～82%)、碳水化合物、脂肪、維生素和核酸等營養元素[88]。據報道[89]，酵母菌和類酵母菌株是利用植物性加工副產物(馬鈴薯渣、木薯渣和甘蔗渣等)生產單細胞蛋白最經濟的菌種，其中甘蔗渣又成為被研究得最多的底物之一。Khan等[90]以Saccharomycescerevisiae為菌種發酵5種不同的果蔬加工副產物(香蕉皮、芒果渣、甜橙皮、石榴皮和蘋果渣)，發現以香蕉皮作為基質時獲取的單細胞蛋白含量最高，占粗蛋白含量的58.62%。

2.4.3 真菌毒素 作為一類生物活性物質，真菌毒素在農業上對害蟲的生物防治起重要作用。Desgranges等[91]利用固態發酵技術通過植物性副產物廢渣生產Beauveriabassiana以期獲取真菌毒素殺滅害蟲，其原理是Beauveriabassiana分生孢子附著在宿主表面建立病原性相互作用，隨后真菌分泌一系列酶(幾丁質酶、酯酶、蛋白酶和脂肪酶)滲透至害蟲表皮并進入體內，最后毒素進入淋巴組織，破壞其免疫系統。

3 總結與展望

植物性食品加工工業中產生的大量副產物因其利用不足而造成的經濟受損和環境破壞問題十分嚴峻。食品工業未來的發展方向必定在于尋求適宜的處理方式使這些有機副產物殘渣變為低成本、高價值的產品。盡管現階段各類生物活性物質的開發利用手段日益先進，但其食品安全問題仍需特別注意。如某些微生物在發酵過程中會產生有毒化合物，某些微生物蛋白可能會引起人體過敏反應，單細胞蛋白中的核酸會導致胃腸道疾病[91]等，因此還需進一步加強各類生物活性物質的體內外毒理學研究，才能有效明確食品工業中各類副產物固態生物轉化工藝的實施手段，為從植物性加工副產物中獲取的生物活性物質在食品保健、飼料研發、醫藥制品等諸多領域更深層次的開發利用提供理論依據。