藥食兩用植物酵素活性成分及發酵機理研究進展

尹歡 方偉

摘要：富含各種生物活性成分，且具有食藥兩用功能的植物資源成為酵素產品開發研究的新熱點。對藥食兩用植物酵素的活性成分和發酵機理進行綜述，以期為藥食兩用植物產品開發提供一定的參考。

關鍵詞：藥食兩用;酵素;活性成分;發酵機理

中圖分類號：R151???? 文獻標志碼：A??? doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2020.02.023

Research Progress on Active Components and Fermentation Mechanism of Medicinal and Edible Plants Ferment

YIN Huan FANG Wei

（1. College of Biological and Food Engineering，Huaihua University，Huaihua，Hu'nan 418008，China;

2.Key Laboratory of Research and Utilization of Ethno Medicinal Plant Resources of Hu'nan Province，

Huaihua，Hu'nan 418008，China）

Abstract：Plant resources，which are rich in all kinds of bioactive components and have the function of food and medicine，have become a new hot spot in the development and research of ferment products. The active components and the fermentation mechanism of both medicinal and edible plant ferments were reviewed in this paper，with a view to providing some references for the development of other medicinal and edible plant products.

Key words：medicinal and edible;ferment;active components;fermentation mechanism

酵素是指以動物、植物或菌類等為原料，經微生物發酵制得的含有特定生物活性成分的產品[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物質，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品開發研究的新熱點。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，我國衛計委陸續公布了共計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潛力。

對藥食兩用植物酵素的活性成分和發酵機理進行綜述，以期為其他藥食兩用植物產品開發利用提供參考。

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，能夠降低機體內活性氧引起的傷害，增強人體免疫力，大幅提高產品的保健價值。

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酵。SOD是一種特殊的金屬酶，能催化超氧陰離子自由基（O2-·）發生歧化反應，從而能有效清除機體內超氧陰離子由基（O2-·），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%。蛋白酶在人體內的主要功用是催化食物中蛋白質進行分解，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，其含量高于未發酵的沙棘果汁液。

1.2?? 多酚類

根據化學結構不同，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），其分子結構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]發現，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]發現，桑椹酵素在發酵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。

1.3?? 有機酸類

有機酸類是指分子結構中含有羧基（-COOH）的有機化合物，植物體內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]發現，在桑葚酵素發酵過程中乳酸和乙酸含量不斷升高，有機酸種類較發酵前有所增加，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之一。許多藥食兩用植物多糖在免疫系統、肝臟和核酸代謝等方面有重要作用。楊婧娟等人[10]發現，黃精經發酵后，黃精多糖含量達46.98%。秦哲[11]發現，在黃芪發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雜分子，具有抗炎、抗腫瘤、免疫調節等多種生物活性。孫亮[12]發現人參根經紅曲霉和總狀毛霉混合發酵后，其中總皂苷提高了1.75 mg/mL，單獨用總狀毛霉發酵后人參總皂苷提高了1.70 mg/mL。胡肖利[13]還發現，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]還發現枸杞經天然發酵后，風味物質發生明顯變化，在益生菌發酵下生成了20種酯類、9種醛類、23種醇類和3種芳香雜環類等揮發物質。

2?? 發酵機理

酵素發酵是各種植物、動物或菌類等食品原料在微生物作用下發生的復雜過程，微生物在自身的新陳代謝和生長過程中，實現物質代謝轉化，使發酵原料在分子水平上發生分解和結構改變，產生多種具有生物活性的酶類和復雜代謝產物。

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，同時微生物能促進中藥有效成分的溶出。通過微生物轉化產生藥理作用的次級代謝產物，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]用畢赤酵母發酵山楂汁，發現發酵后的山楂汁中蘋果酸大部分被降解，檸檬酸則未檢出，且產生了一些未知峰?？赡苁怯捎诋叧嘟湍冈诎l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。

2.2?? 乳酸菌發酵

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5%的CO2，且具有分解蛋白質和合成維B的能力[16]。作為藥食兩用植物酵素的發酵菌種主要是同型乳酸發酵菌（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。同型乳酸發酵指發酵終產物中有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。

乳酸菌同型發酵途徑見圖1[17-18]。

2.3?? 醋酸菌發酵

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 ℃。一般不產生色素，少數菌株產生水溶性色素。通常情況下氧氣作為最終電子受體，能夠將糖類、糖醇類或醇類氧化為相應的葡萄糖、酮或乙酸等物質，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]。醋酸菌將乙醇轉化為乙酸的主要代謝伴隨著次生代謝的發生，在次生代謝過程中生成的少量揮發性物質包括乙烷、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酵菌共同制備藥食兩用植物酵素，醋酸菌單一發酵主要用于工業生產釀造食醋及果醋飲料等。

2.4?? 霉菌發酵

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，也可促進發酵過程中產生少量的乙醇、乳酸、丁烯二酸及反丁烯二酸，從而豐富產品的風味[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，其發酵周期短，生長旺盛，可生產纖維素酶、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定性等優點[22]。蘇春雷等人[23]用米根霉和黑曲霉采用前發酵加主發酵方式制備余甘子酵素。研究表明，前發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生了淀粉酶和糖化酶等，使大分子量纖維素等物質發生降解，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?? 混菌發酵

混菌發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酵。利用微生物之間的互利共生關系發酵得到更加豐富的代謝產物。酵素的原料不同，在發酵過程中微生物的群落組成不同，如研究發現黑果枸杞酵素自然發酵過程中，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酵制備生姜酵素。研究發現，發酵液的pH值由5.85降至3.51，可能是酵母菌將蔗糖發酵成酒精、葡萄糖、果糖和CO2等，醋酸菌可將酒精轉化成乙酸，同時乳酸菌在相對無氧條件下將己糖轉化成乳酸等有機酸。此外，研究發現產品中風味物質的種類也發生明顯變化，可能是生姜液在酵母菌、乳酸菌和醋酸菌轉化下生成了酯類、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酵，造成酵母轉化乙醇的速率降低，乙醇濃度下降。

3?? 結語

近年來，隨著社會經濟的發展和消費者健康意識的提升，利用天然植物資源開發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品開發的新熱點。不同的藥食兩用植物活性成分不同，研究其發酵過程中的活性成分變化，有利于更好地發揮營養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空間。

現有藥食兩用植物酵素的報導多見于加工工藝的研究，關于發酵機理的研究有待持續深入。微生物作為酵素發酵主要因素，明確其在不同環境條件下的發酵機制有助于實現酵素產品的精準加工，使酵素產品的形式更加豐富多樣，滿足不同人群的健康需要。

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收稿日期：2019-08-15

基金項目：湖南省雙一流學科建設經費資助項目（201906）。

作者簡介：尹?? 歡（1999—?? ），女，在讀本科，研究方向為食品科學與工程。

通訊作者：方?? 偉（1984—?? ），男，碩士，講師，研究方向為藥食兩用資源與保健食品開發。