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. 貴州醫科大學環境污染與疾病監控教育部重點實驗室公共衛生學院，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共同發揮作用而成，其中有機酸不僅因其具有調整腸道菌群能力、維護腸道形態及功能，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酵果蔬、谷物、菌藻、中草藥等而形成的富含多種酶、礦物質、維生素、有機酸及其他代謝產物的固態和液態食品[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酵，而發酵過程中有機酸含量和種類是一個動態過程，故研究有機酸與微生物群落共性變化規律，有助于生產過程中以有機酸為指標而進一步控制酵素中微生物發酵過程和品質[5]。因此，文章擬主要綜述酵素中有機酸的組成、發酵過程中的變化、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。

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展，中國酵素市場也開始孕育和發展，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、礦物質等營養素的主要來源，故食用植物酵素中相應的營養素種類和含量豐富，且含糖量低[8]，同時酵素產品經發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。

食用植物酵素發酵的本質是微生物為了獲得能量和維持其合成代謝過程，降低了原基質中碳水化合物和其他大分子含量，積累分解代謝產物，從而不斷改變整個體系物質組成，最后達到平衡的過程，故酵素發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物，其風味物質發生明顯變化。目前，植物酵素發酵過程中相關代謝產物主要有：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[23-25]，豐富的代謝產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，有機酸類物質為酯類形成的前體物質，它既能構成其他香味物質，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使酵素口感豐滿[26]。因此，通過分析發酵酵素中有機酸的組成，可建立食用酵素的質量評價體系來改善和指導酵素中風味和品質，還可根據有機酸的性質與作用機制，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，大多數具有酸味植物中含有該類物質，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，另一方面來自于發酵過程中由于微生物代謝生成的產物。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工藝不同，酵素產品質量參差不齊，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，對產品口感和風味有重要影響。研究[29]發現，金佛手酵素在自然發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現，4種酵素中有機酸的種類及含量不同，黑果枸杞酵素在發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，也是發酵葛根汁的特征性風味酸[31]。綜上，不同植物原料與發酵方法中，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酵產生的主要有機酸，在發酵過程中變化最大。此外，發酵過程也會產生一些短鏈脂肪酸，如乙酸、丁酸等，此類短鏈脂肪酸對維持人體健康有益。

2.2 食用植物酵素發酵過程中有機酸的變化

食用植物酵素發酵時會產生新的有機酸且其原有的有機酸含量也會發生變化。林靈等[26]研究發現金刺梨發酵前后有機酸種類和含量均發生了顯著變化，有機酸含量總體升高、種類增多，較發酵前新增了3種有機酸，分別是乳酸、蘋果酸和醋酸；此外蘋果酸相較發酵前含量增長了7.51倍，檸檬酸含量較發酵前增長了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間的相互轉化，使得發酵各階段處于一個動態變化過程[32]。微生物主要利用糖酵解、三羧酸循環和蘋果酸—乳酸發酵等途徑，代謝生成乳酸、醋酸、蘋果酸、檸檬酸、丙酮酸等有機酸，導致發酵過程中有機酸含量總體呈上升趨勢，由于發酵各時段微生物數量與代謝生理不同，所以各時段的總體增長趨勢有所差異[33]。研究[34]發現，聚類分析將百合酵素發酵過程分為3類，即適應期、增長期和平緩期，發酵第5～10天為適應期，該時期酶類物質及微生物代謝產生的有機酸較少;發酵第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，產生大量代謝產物，包括豐富的有機酸，發酵第70～90天為平穩期，有機酸含量趨于穩定且含量較高。草莓酵素有機酸發酵初期，糖類物質消耗較少，發酵液中的總酸變化不顯著，發酵中期發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，發酵后期總糖和有機酸含量趨于穩定[35]。這可能是發酵初期微生物菌群在此階段主要是適應環境，繁殖及代謝活動緩慢，產生的有機酸也較少；發酵中期，由于植物原料的降解，發酵液中的各種營養物質豐富，產酸微生物大量繁殖并代謝產酸；發酵后期，由于較低pH抑制了微生物的生理活動，加上糖類物質消耗導致總量不斷減少，微生物利用發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產生的酯類等風味物質有關，導致有機酸含量在后期趨于穩定或略有下降[36-37]。綜上，明確有機酸的組成及其變化規律，進而開展對酵素中有機酸性質與特定生理活性的研究，有目的性地調節有機酸種類和含量，進而對酵素產品質量控制及酵素有機酸調節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]研究發現，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協同作用。綜上，發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的入侵，另一方面益生菌產生的有機酸，如乳酸和短鏈揮發性脂肪酸，可以為潛在致病性微生物創造限制性的生理環境，如降低pH值，從而達到調整腸道菌群的效果[6]。有機酸調整腸道菌群主要是在腸道發生結合反應，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，調整腸道菌群，以此降低腸道及慢性疾病的發病風險[40]。因此，食用植物酵素中所含有機酸有助于調整腸道菌群。

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，在飽腹感級聯反應中發揮作用，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)的表達來調節食物的攝入，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酵飲料的飽腹效果進行評價，食用富含丙酸的發酵飲料明顯增加了飽腹感，同時通過視覺模擬反應評估發現其饑餓感降低[44]。有機酸中的短鏈脂肪酸通常是通過發酵產生[45]，故可利用益生菌發酵產生丙酸、乙酸和/或丁酸來作為生產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，乳酸菌發酵產物能誘導HCT-116細胞凋亡，DNA發生片段化，說明發酵產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，說明發酵產物中的丁酸含量直接影響發酵產物的抗癌作用[46]，其作用機制可能是營養腸黏膜、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，這為開發預防結腸癌作用的酵素功能性食品提供了理論依據。

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調節有重要作用，如李寧等[48]研究發現，微生物酵素有預防術后早期感染作用，使環境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]研究發現，由葡萄汁與紅茶共發酵所形成的酵素液，其發酵過程中產生的乙酸及其他代謝產物，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，乳酸菌產生短鏈脂肪酸，主要是乙酸、丙酸和丁酸，作為最終產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]研究發現，紅棗乳酸飲料較紅棗汁有明顯降血脂功能，其中有機酸、多酚物質和其他發酵產物可能有協助降血脂的效果。

3 結論與展望

發酵過程中不同時間的微生物群落、代謝物的變化規律與酵素的品質、功能和安全性密切相關，其中有機酸的監測可在一定程度上反映微生物對底物的利用程度，預測發酵完成時間，也可以作為區分是否有異常發酵的重要指標之一[53]。中國對酵素產品中有機酸的評價體系研究甚少，其中有機酸調節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據，后續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。微生物在發酵過程中產生的有機酸種類和含量不僅對發酵產品的品質和風味有重要影響，還會影響酵素特定生理活性的發揮，如何準確調控發酵過程中有機酸的含量和種類是目前待解決的難題之一。