传统食用植物酵素是以数十种蔬果为原料,利用高浓度的糖进行腌制,在酵母、乳酸菌等微生物的发酵下形成的褐色、黏稠性饮料[1]。广义上的食用植物酵素也指一些传统的发酵食品,如泡菜、纳豆、味增等[2]。食用植物酵素中不但含有发酵原料所固有的营养物质,还含有发酵所产生的醇类、酚类、有机酸、细菌素等[3],赋予了酵素良好的风味和清洁肠道、解酒护肝、抗氧化、抗菌、消炎等功效[4-6]。
随着食用植物酵素消费热、学术热、投资热的兴起,市场上的酵素产品越来越多,但由于存在原料种类繁多、工艺各异、功效不明确等问题,导致食用植物酵素的发展受到制约。目前,国内食用植物酵素还处于研究起步阶段,缺少自主知识产权的技术和深入人心的本土酵素品牌。本文对食用植物酵素的研究现状进行概述,以期为开发功能性食用植物酵素产品,提升产品品质以及实现其工业化生产提供参考。
1 食用植物酵素的微生物多样性
食用植物酵素的制备涉及丰富的植物原料,其微生物的多样性和丰度因原料和加工环境的不同而有所差异,导致酵素发酵机理复杂,发酵过程不易控制[7]。在高糖环境下,随着发酵的进行,部分微生物如酵母、乳酸菌快速生长成为优势菌群,为产品提供典型的感官特征[8]。但以传统方法制备酵素,易受病原菌污染,存在产品安全性差、质量不稳定、难以实现工业化生产等问题,对酵素微生物的结构和组成进行全面而深入的了解,是解决上述问题的基础[9]。
食用植物酵素中微生物的多样性分析,可采用传统培养法、高通量测序技术、末端限制性片段长度多态性分析、DNA宏条形码、寡核苷酸配型技术等方法[10]。邸鹏月等[11]采用宏基因组技术分析桑葚酵素中微生物的多样性及群落动态变化,发现乳杆菌属是整个发酵过程中的优势菌,魏斯氏菌属、片球菌属、明串珠菌属以及汉逊酵母主要作用于发酵前期,随着发酵过程中pH的降低,其含量减少,但醋酸杆菌属在整个发酵时期较稳定存在。CHIOU等[12]利用16S rRNA基因的454焦磷酸测序,研究发现k
so发酵期间,变形杆菌是起始菌群的优势门,发酵3 d后,双歧杆菌、白串珠菌、乳球菌和乳酸菌占细菌总数的96%以上；7 d后,未定义的“乳酸菌1”在的细菌总数中占了50%以上,但未定义的“乳酸菌1”似乎是一个难培养的菌种,迄今尚未分离。传统食用植物酵素菌落结构复杂,发酵机理不明确,对酵素不同发酵阶段的微生物多样性进行分析,能为研究酵素发酵机理、筛选优良优势菌种、实现工业生产由自然发酵到接种发酵的技术转变打下基础。
2 食用植物酵素的制备技术
工业生产食用植物酵素一般需要经过原料预处理、成分调整、主发酵、后处理等多个步骤,其典型发酵工艺流程如图1所示。
图1 食用植物酵素发酵工艺流程
FIG.1 Fermentation process of edible plant Jiaosu
食用植物酵素产品的质地、风味以及所获得的生物活性物质,主要受微生物类型和发酵基质(如温度和pH条件)2个因素影响[13-14]。若从菌种选育、原料配方、发酵条件、产品稳定性着手,对食用植物酵素的微生物类型和发酵基质进行控制,能提高产品品质,实现食用植物酵素的标准化、现代化生产。
2.1 原料配方优化
市场上的食用植物酵素往往由几十种甚至上百种果蔬、中药材制成,当某些成分混合在一起,可能会相互作用形成沉淀，或发生氧化分解,导致营养物质的丢失或减少[15]。此外,一些物质“过量”可能会产生副作用,比如高浓度的不溶性纤维会产生沙粒感、多酚含量过高会产生苦味和涩味[16]。食用植物酵素的配方决定了最终产品的功能特性,因而原料配方的优化有利于提高目标生物活性成分的含量和感官属性[17]。
FERNANDES等[18]利用食品添加剂来提高杂粮饮料的稳定性和功能性。研究表明,大麦、燕麦、荞麦和红米的最佳复配比例分别为3.34∶3.98∶2.48∶0.26(质量比),低聚果糖7.5%、车前草壳0.10%、黄原胶0.04%、瓜尔胶0.06%(均为质量分数)是提高杂粮饮料性能的最佳选择,适用于开发低血糖指数杂粮饮料。王乃馨等[19]对牛蒡酵素饮料的原料配比和饮料配方进行了优化：牛蒡20.00%、山楂48.24%、枸杞10.72%、苹果3.92%,其他水果蔬菜17.12%(均为质量分数)；饮料最佳配方为：酵素添加量13.65%,白糖添加量15%,蜂蜜添加量2.95%(均为质量分数),该条件下酵素饮料的感官得分最高,风味良好。张旭普等[20]为促进糙米酵素中酿酒酵母和植物乳杆菌快速生长,以活菌数为指标对传统糙米酵素发酵培养基组分进行了优化,最佳成分(g/100 mL)为：蜂蜜3.38、糙米10.71、NaCl 0.24、小麦芽0.25、大麦芽0.50、(NH4)2SO40.50和茶叶粉0.025,最终的活菌数为优化前的9.37倍。
2.2 发酵菌种的选育
自然发酵可能会受腐败菌和病原微生物污染,使酵素的感官风味、营养物质和流变特性不可预测[21]。优势菌种的选育有利于改善基质本身的微生物体系,加速和控制发酵进程,促进微生物安全性,改善产品质地[22]。因此,发酵菌种的选育是食用植物酵素发酵工艺中的重要环节。目前,工业生产食用植物酵素多使用商业菌株,但商业菌株存在代谢灵活性低、对原料的适应性差、缺少特异性等弊端[23]。从原料中筛选适应于特定植物基质的本地微生物,可以延长产品货架期、改善产品性能,使其感官特性标准化,是解决上述缺陷的关键技术[24-25]。
LIAO等[26]基于生产甘露醇和双乙酰的能力,从芒果皮和芒果肉中筛选出Leuconostoc mesenteroides MPL18和MPL39,作为混合发酵剂发酵芒果汁。与未发酵的芒果汁相比,发酵后的芒果汁总糖降低、甘露醇和双乙酰含量升高、DPPH自由基清除能力增加、有机酸的种类增多；MICHALAK等[27]从天然发酵的卷曲甘蓝中筛选出3株发酵能力最佳的菌株作为混合发酵剂,分别是 Lactobacillus paraplantarum G2114、L.plantarum 332 和Pediococcus pentosaceus 2211,有效促进了样品酸化,并提高活菌数、抗氧化活性和抑菌活性;王海英[28]从自然发酵的番木瓜酵素中筛选出2株优势植物乳杆菌L8和L2,以及2株毕赤酵母Y2和Y13,用于复合发酵番木瓜酵素。结果表明,复合发酵产酸和抗氧化能力均优于自然发酵。
2.3 发酵条件优化
发酵条件的优化是提高酵素品质的有效手段。通常以功效酶活力、感官品评、生物活性物质含量或抗氧化活性等为指标,采用正交设计和响应面法,对影响食用植物酵素品质的料液比、初始糖度、菌种接种量、发酵时间、发酵温度等条件进行优化,得到最适发酵条件。
HASSANI等[29]采用响应面法对高粱籽粒的预处理条件进行了优化：浸泡度41%,发芽温度27 ℃,发芽7 d。在此条件下,增加了发芽谷物的淀粉酶活性及部分生物活性成分；李凡等[30]以白首乌为原料,先接种0.2%的梅山酵母,30 ℃下振荡发酵24 h,再接种3%比例为1∶1(体积比)的嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌,37 ℃静置发酵36 h,最后于4～8 ℃低温后发酵12 h产香，此发酵条件下的酵素含有大量益生菌和功效酶；KOH等[31]以发酵时间、菌株存活力、α-葡萄糖苷酶抑制活性以及感官评价为指标,利用响应面法得到最佳工艺,当南瓜泥浓度约为40%,接种量为8 lg CFU/mL,接种温度为35 ℃时,产品具有较高的益生菌存活率、抑α-葡萄糖苷酶活性和良好的感官品质；洪厚胜等[32]优化了多菌种发酵葡萄果渣酵素的工艺条件,结果表明当发酵初始pH 5.0、糖添加量8%、活菌接种量12%(体积分数)、超声时间60 min时,葡萄果渣酵素气味独特、口感滋味良好,多酚含量、原花青素浓度及抗氧化能力较高。
2.4 产品的稳定性研究
食用植物酵素可分为活菌型酵素和非活菌型酵素两类。非活菌型酵素需在发酵完成后采用巴氏灭菌、超高温瞬时灭菌或微波灭菌等方法对酵素进行灭活,而活菌型酵素需要在储存、零售和消费的整个过程中有严格的冷链条件以保证益生菌的活性。食用植物酵素的功能特性主要来源于酵素中的益生菌以及益生菌发酵后所产生的各种生物活性成分,因此在货架期期间,需要维持这些生物活性物质和益生菌的稳定性,在某种程度上限制了食用植物酵素的发展[32]。
为保持益生菌活性,VIVEK等[34]对喷雾干燥的Sohiong益生菌果粉在储藏期间的物理稳定性进行了评价，结果表明喷雾干燥技术对植物乳杆菌在长时间贮藏后的存活率(106 cells/g)有一定的保护作用；R
A等[35]研究了草本提取物对6种益生菌型乳酸菌生存能力的影响，结果表明瓜汁中抗氧化成分与植物酚提取物的协同作用,提高了益生菌乳酸菌在4 ℃冷藏条件下的存活率；BATISTA等[36]通过添加葡萄糖氧化酶来增加益生菌酸奶的性能,与市售酸奶相比,葡萄糖氧化酶酸奶的乳酸和益生菌培养物活性适宜,pH值较低,双乙酰、共轭亚油酸和多不饱和脂肪酸的值较高。此外,微胶囊化和纳米胶囊化技术也可用于保护益生菌免受酸性介质的伤害[37]。
3 食用植物酵素的生物活性成分
果蔬中含有生物活性营养分子,如营养素、维生素、矿物质、纤维等,以及非营养植物化学物质,如酚类化合物、类黄酮、生物活性肽等。乳酸菌发酵能使生物活性化合物的结构和类型发生变化,生成生物活性肽、短链脂肪酸或多糖等分子,并将酚类化合物转化为具有附加生物价值的分子[38]。食用植物酵素作为功能性食品,对其生物活性成分的研究也成为热点。
3.1 有机酸
在微生物作用下,食用植物酵素通过发酵能产生乳酸、乙酸、山梨酸和醋酸等有机酸,有利于产品维持酸性,防止腐败微生物和致病菌的生长,提高产品安全性[39],并且能赋予产品独特的风味与口感[40],因此将有机酸作为食用植物酵素发酵的一项指标具有重要意义。
蒋增良等[41]对葡萄酵素中有机酸种类、含量及其体外抗氧化性能进行了研究。葡萄酵素中含有酒石酸、乙酸、柠檬酸、丙酮酸、莽草酸和富马酸,并以前3种为主；MUYANJA等[42]研究了Bushera酵素发酵过程中产生的有机酸,主要包括乳酸、琥珀酸、丙酮酸、DL-焦谷氨酸、甲酸和柠檬酸,其中乳酸含量最高；方晟等[43]采用高效液相色谱法分析了百合酵素自然发酵过程中有机酸种类,其中以乳酸和醋酸为主,且含有草酸、L-酒石酸、L-苹果酸、莽草酸、柠檬酸及琥珀酸,这些有机酸是影响百合酵素抗氧化活性的重要因素。
3.2 多酚类化合物
食用植物酵素发酵过程中的水解反应可以增加酚类化合物和类黄酮的数量,提高其抗氧化活性[44]。NG等[45]检测了发酵金线莲中的天然抗氧化成分,有总酚、抗坏血酸、生育酚等,并表明乳酸发酵后其抗氧化活性的增加可能与总酚类化合物的增加有关；高庆超等[45]分析了不同黑果枸杞酵素发酵前后活性成分及抗氧化活性的变化,结果表明4种不同配方酵素的总黄酮、总酚含量和SOD酶活性均升高,但花青素含量下降,综合发酵之后的各项活性成分指标来看,干果黑枸杞单独发酵的质量水平较好；
LVAREZ等[47]研究了日本葡萄糖酸杆菌发酵草莓对其非花青素含量的影响,共鉴定出44个非花青素酚类化合物,其中5种为首次报道：单没食子酸二葡萄糖、5-羟基阿魏酰己糖、二氢山奈酚己糖苷、山奈酚新橙皮苷和菊苣酸。在发酵过程中,大部分酚类化合物的含量增加,浓度最高的是儿茶素、香豆蔻酰己糖苷及没食子酸葡萄糖苷。
3.3 其他活性成分
除上述生物活性物质,食用植物酵素中还含有多糖、维生素、生物活性肽、氨基酸和蛋白质等营养物质。OKADA等[48]从酵素中发现了3种经发酵生成的糖类,鉴定为β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖、海带二糖和麦芽糖,其中β-D-吡喃果糖-(2→6)-D-吡喃葡萄糖是一种新的糖,具有较低的甜度和消化率;KANCABAS等[49]发现boza可以被认为是良好的血管紧张素转化酶(angiotensin converting enzyme,ACE)抑制肽的来源,而ACE抑制肽具有降血压和清除自由基等生理功能;WANG等[50]量化了康普茶中具有保肝作用的功能成分,发现D-蔗糖酸-1,4-内酯可能是在康普茶中具有保护肝脏功能的关键功能成分。
4 总结与展望
尽管我国食用植物酵素行业起步较晚,但随着科研人员的不懈努力,食用植物酵素的研发已经取得一定的进展。高品质食用植物酵素的开发与酵素的配方、发酵微生物、发酵条件、产品稳定性及所含成分息息相关。有机酸和总酚含量是评价酵素品质的主要指标,但酵素中有机酸和多酚类物质的种类因产品原料不同而差异比较明显,目前仍缺乏明确的标准；工艺方面主要研究了通过配方优化、发酵剂筛选、发酵条件优化来提高产品的功能特性和感官品质,但食用植物酵素原料丰富,发酵微生物多样,导致发酵工艺各异,缺乏标准化。综上所述,食用植物酵素的工业化发展还存在部分问题亟待解决。
食用植物酵素的混菌发酵是一个复杂的体系,其制备工艺和品质优化是酵素新产品开发的关键点和难点。为持续提高食用植物酵素品质、推动酵素产业发展,生产出具有民族特色的酵素产品,后续研究应针对以下方面：(1)基于传统的自然发酵工艺,探究菌群结构与变化、微生物组功能及代谢产物动态变化,进而进行其功能优化调控。(2)对酵素自然发酵菌种进行选育和鉴定,以及优化发酵工艺,开发具有典型风味及高营养价值的食用植物酵素。(3)开发新兴技术,提高活性物质稳定性。(4)制定相关标准,完善评价体系,加强质量控制,推进产业良性发展。随着对上述问题的深入研究和科研的有序开展,食用植物酵素产业将得到大力发展。
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