《武汉工程大学学报》  2020年06期 616-621   出版日期：2021-01-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ
功能酵素的研究进展


酵素是以动物、植物、菌类等为原料，添加或不添加辅料，经微生物发酵制得的含有特定生物活性成分的产品，其中含各种活性物、生物酶以及益生菌，具有丰富的营养和较高的经济价值［1-2］。我国的豆豉、泡菜、豆腐乳等也属酵素食品［3］。2018年中华人民共和国工业和信息化部颁布的《酵素产品分类导则》规定酵素按产品应用领域可分为食用酵素、饲用酵素、农用酵素、日化酵素、环保酵素及其他［1］。在我国，酵素产品价格偏高，在人群中的普及率和认可度较低，原因是我国关于酵素的研究仍然处于起步阶段，酵素的菌种筛选鉴定方法存在不足，酵素的制备工序大多是优化其发酵条件，检测产物在发酵过程中的含量变化。对于原料配比研究较少，酵素功能的研究主要倾向于食用酵素，处在体外试验阶段且关于抗氧化功能的研究居多，临床试验的研究偏少，其他类型酵素的研究处于边缘位置，需要大力研发并发挥其潜在的作用。另外，在宣传酵素产品的过程中存在不当宣传，其市场规范和法律法规方面有待改进。在此背景下，本文综述了酵素发酵菌种的筛选、微生物在发酵过程中的变化、酵素的发酵工艺和发酵机制、功能应用、安全问题以及市场规范，为酵素的相关研究提供科研思路，有利于酵素产业化发展。1　酵素发酵的菌种和发酵过程中微生物的变化1.1　酵素发酵菌种的分离自然酵素发酵中的微生物种类繁多，相互作用及菌落结构变化复杂，且从自然酵素中分离出的微生物最普遍的是酵母菌、乳酸菌［4］、沙如意等［5］，从自然发酵的水果酵素中筛选出的丘陵假丝酵母可以在起始pH值为1.5的发酵液中生长，并且筛选出的菌株均具有耐高糖和耐低pH值的特性。Prado等［6］从经过自然发酵的椰子水中分离一株植物乳杆菌AC-1，对大肠杆菌、伤寒沙门氏菌和金黄葡萄球菌有抑制作用，且在胃肠道条件下存活率更高。Giri等［7］从越南传统大米发酵饮料中分离出的植物乳杆菌L7在体外具有耐酸、胆汁耐受性和抗菌等特性。从自然发酵酵素中分离优良的酵素菌种，利用基因工程技术改良得到食品工业用菌种［8］以及采用杂交育种获得的菌种都可以用于酵素发酵，同时，采用上述基因工程技术或杂交育种上游技术结合下游的酵素发酵技术为酵素产业创新发展提供一种新的途径。1.2　酵素发酵过程中微生物的变化近年来，许多研究开始从基因组学和宏基因组学等方面入手，采用高通量测序技术对所获样本的信息进行对比分析，研究酵素发酵过程微生物多样性以及相关变化规律。齐天翊［9］通过高通量测序技术对4个不同发酵时段果蔬酵素中微生物群落结构变化进行比较，最终确定乳杆菌为优势菌群，最佳发酵周期为20 d，致病菌丰度最低。邸鹏月等［10］从桑葚酵素发酵过程中提取到的样本进行高通量测序及分析发现：乳杆菌属是桑葚酵素发酵过程中的优势菌，根据得到的数据推测发酵过程分为不同的阶段。微生物在发酵过程中的变化规律可以显示出酵素发酵的特点，以便于调整发酵周期，积累更多发酵产物，避免污染［11］。自然酵素发酵体系中微生物种类甚多，可作为人工接菌酵素发酵菌种的重要来源，对其加大开发力度，并广泛运用，利于酵素发酵过程的科学管控，得到高质量酵素产品。2　酵素的发酵工艺和发酵机制2.1　酵素的发酵工艺因原料种类丰富，产地不同，酵素制备要根据原料所含营养成分和用量来“量身定制”一套发酵工艺，以得到最大效益。酵素主要的发酵模式分为两类：传统的自然发酵和现代化的接菌发酵［12］。2.1.1　自然酵素的发酵工艺　早期的自然酵素发酵都是凭借环境和原料自带的微生物进行发酵，如薛淑龙等［13］将竹叶和适量水放入干净无菌的发酵罐里，密封放置于干燥阴凉处发酵230 d。晏殊［14］用无菌水将9种水果洗净，进行去皮去核并切块处理，按质量比1∶1与白糖混合并打浆，再放入灭菌后的玻璃瓶中，室温下密封发酵180 d。随着研究的进行，研究发现传统的自然发酵工艺周期较长，可变因素对酵素的发酵过程影响较大，发酵条件不受控制，导致发酵失败。使自然酵素发酵条件从启动发酵至终止发酵都保持不变，为保证发酵成功提供一个新的思路。张艳明等［15］以牛蒡、山药为原料，优化原料配比，控制温度和发酵时间，其发酵周期缩短，酵素口感柔和且风味独特。郭俊花等［16］利用苹果皮渣制备天然酵素并优化工艺条件，其最佳发酵条件为苹果皮渣添加量为400 g/L、加糖量90 g/L、初始pH为5.5、发酵时间150 d，该酵素可用于红富士苹果的生长，使单果品质有所提高。2.1.2　人工接菌酵素的发酵工艺　人工接菌酵素发酵工艺是将酵母菌、乳酸菌等接种至原料中，控制发酵条件。战伟伟等［17］将合适比例的酵母菌与双歧杆菌接入蓝靛果与椰子果浆，发酵温度33 ℃，发酵时间70 d，最终得到蓝靛果椰子酵素总黄酮含量为20.31 mg/g、SOD酶活力为56.74 U/mL。舒旭晨等［18］利用酵母菌和乳酸菌复合发酵石斛，发酵温度31 ℃，发酵时间8 d后酵素羟自由基清除率为34.79%，且比单菌发酵更具有明显优势。后续研究还出现一些较为系统且工序复杂的酵素制备方法，李凡等［19］将白首乌洗净，经过液化糖化、灭菌等处理后得到首乌汁，首先接入体积分数0.2%酵母菌，发酵24 h；再接入体积分数3%复合乳酸菌；在4~8 ℃后发酵12 h，最后得到首乌酵素SOD酶活力达到4.23×104 U/L，且含大量活菌，首乌的异味得到改善。莫大美等［20］以玫瑰花为原料，先接入1.99%的酵母菌进行发酵之后，接着接种1.27%的乳酸菌，再在优化基础上接种2%醋酸菌继续发酵20 d，得到玫瑰花酵素SOD酶活达245.3 U/mL，且酵素口感酸甜适宜。目前对酵素原料配方的研究报道比较少，乔沈［21］添加生物硒制备生物硒蔬菜酵素，其抗氧化能力比普通无硒酵素强。杨婧娟等［22］采用最优混料设计法优化原料配方，增强酵素抗氧化和抑菌作用。刘敏等［23］经过比较水果、蔬菜、中草药等不同原料组合发酵，证明酵素中活性物质含量及抗氧化性随着物料的添加量和品种的增加而升高，单一的蔬菜酵素活性物质最少。2.1.3　自然发酵与接菌发酵工艺　自然酵素的发酵工艺类似于传统发酵，目前存在一定的缺陷，而人工接菌发酵工艺虽然从某些方面讲更具优势，但仍然存在不足。梅子龙等［24］以大球盖菇为原料，分别进行自然发酵和人工接菌发酵，结果表明人工接菌发酵的酵素比自然发酵具有更强的抗氧化能力，脂肪酶和淀粉酶活有所提高，有机酸种类增加，而蛋白酶和纤维素酶活力、乳酸和总酸含量比自然酵素低。肖梦月等［25］在自然拐枣酵素中筛选分离获得酿酒酵母和植物乳杆菌各1株，再接种至拐枣进行人工接菌发酵，发酵时间明显缩短，对糖的使用量也大大减少。自然酵素发酵过程不易控，接菌发酵工艺发酵周期相对较短，发酵过程稳定。这两种发酵方式在产业化发展中仍需进一步对比研究，有利于酵素制备产业创新性发展。2.2　酵素的发酵机制目前的研究主要是对发酵产物检测之后进行对比分析，发掘发酵菌种的发酵特性，有利于充分理解并掌握酵素的发酵机制。如酵母菌是兼性厌氧菌，在酵素发酵过程中将可发酵糖转化为乙醇、水和CO2，在合适的条件下还能产生乳酸、酒石酸、苹果酸等［26］。韦仕静［27］研究桑葚酵素发酵过程中植物乳杆菌对花青素的转化，初步发现：原儿茶酸是花青素的转化产物之一，隐绿原酸、绿原酸、咖啡酸并非桑葚酵素中花青素的转化产物，后经过液质分析发现，除原儿茶酸外，桑葚中的花青素经植物乳杆菌发酵后新增了8种酚酸，初步确定为桑葚酵素花青素的转化产物。Kaprasob等［28］利用5种益生菌分别进行发酵腰果梨汁，在整个发酵过程中，嗜酸乳杆菌自身具有合成维生素B1（Vitamin B1，VB1）的能力，不需要VB1也可以生长，因此可使发酵腰果梨汁中的VB1含量保持较高水平。微生物代谢途径存在差异，发酵产物变化较大，从微生物代谢的角度研究酵素的发酵机制，并应用于工业化生产，促进酵素产品的品质，以满足人们对于健康饮食的需求［26］。3　酵素产品的功能酵素中含有不同种类活性物质，从而具备不同生物功效（见表1），为食品行业、种植业、养殖业以及日化行业带来福音，既迎合了现代人对健康生活追求，也符合农业绿色可持续发展观念。相关研究表明食用酵素作为发酵功能食品具有辅助人们预防多种疾病，补充营养，促进人体健康的潜在价值，但是其作用机理、临床试验等方面仍需进一步研究。在开发新型功能酵素的过程中，一方面是探索新的发酵菌种，另一方面是在自然界寻找发现含有特殊功能活性成分的酵素原材料，从而开发出新型功能酵素，为人们的生产生活提供更多的便利。酵素除了在食品领域有突出贡献，还在动物饲料添加、促进作物生长和土壤改良以及日化领域都有重要的应用。4　酵素产品的安全性和质量规范我国对于酵素的研究逐渐扩展，但还未对酵素品质出台相关规范制度，酵素制备工艺及检测方法不够完善统一［45］。市场上酵素产品种类五花八门，价格不菲，质量不过关，功效被过度宣传，给消费者、生产者以及市场监管者带来多种不必要的麻烦。4.1　酵素产品的安全性酵素发酵工艺主要存在生物危害和化学危害2种。生物危害涉及到有毒或致病杂菌污染及菌种变异等，化学危害则是农药残留及重金属、化学试剂的混入［46］。酵素发酵过程可能存在杂菌污染，或者物质经过微生物转化可能产生有害物质，最终导致酵素质量不合格。除不断改进工艺技术，监测发酵过程外，原料处理以及发酵罐设计也十分必要，最终都是要保证酵素产品的安全性，使消费者放心使用酵素产品。4.2　酵素产品的质量规范当前各企业及高校简化酵素发酵过程，追根溯源研究其明确的成分及功能［47］，以提升其品质。酵素质量评价标准还未完成，成分鉴定及检测方法标准未统一［48］。2018年中华人民共和国工业和信息化部颁布的《植物酵素》《酵素产品分类导则》中关于酵素的检测方法尚不明确，有待细化和完善。一方面，各科研机构共同研究和努力，不断地提升酵素发酵工艺技术，提高并稳定酵素产品质量，另一方面，随着国家加大对酵素市场的监管力度，进一步完善法律法规和酵素的相关质量检测标准，规范商家的不当宣传行为，让人们对酵素有一个正确的认识，从而促使酵素产业发展良好，为人们提供更多消费选择，利于酵素产业长期发展。5　结　论当前关于酵素的研究正逐渐多样化，从优良菌种选育到工艺优化，以及发酵机制和功能作用等方向扩展和深入研究，最近几年，还成立了中国生物发酵产业协会酵素分会，并且制定了关于酵素的行业标准，且每年各地还举办了关于酵素的博览会，有利于大众对其有一个更为清楚的认识。为使酵素成为让消费者放心使用的绿色健康产品，形成一条从源头到市场的完整的生产销售产业链条，在市场上占据足够的优势，仍需做以下思考和研究：1） 从酵素的配方、菌种培育和选用、发酵工艺、功能效用以及产品保存等几个主要方面入手，利用更新发展的相关技术辅助酵素的发酵，研究的主要目的在于弄清楚酵素的主要作用成分及发酵菌种在发酵过程中的代谢产物，酵素的作用机制，并掌握一套成熟的发酵工艺，以便于工业化生产。2） 市场的严格监管和把控也需要跟上酵素产业发展的脚步，逐步统一和完善酵素的质量和安全标准，从生产到运输和保存以及销售都要有明确的规定，不同类型的酵素必须满足一定条件才可投入生产进行销售，酵素的作用成分需明确标明，必要时标明适宜人群和注意事项，在销售过程中不能进行误导宣传。3） 本土酵素的研制在不同程度需依托各个学科方面的知识和技术，从而降低酵素生产成本和提升酵素品质，摆脱对进口酵素产品的依赖，增强国民对本土酵素产品的信心，对此，我国酵素产品的自主研发和生产就显得极为必要。