發酵果蔬營養組分與健康功效的研究進展

楊景惠,孫郡,宋勛禹,陳芳,馬晨

(中國農業大學 食品科學與營養工程學院,北京,100080)

果蔬營養豐富,能提供維生素、礦物質等人體必須營養素,同時富含膳食纖維、酚類化合物和生物堿等功能物質,具有良好的抗氧化、抗炎、提高免疫力和預防慢性疾病等功效。流行病學研究表明,膳食果蔬可以有效降低哮喘和過敏,預防和治療糖尿病、癌癥和心腦血管疾病等慢性疾病[1-2]。隨著人們生活品質的提高,綠色、健康、營養的果蔬制品受到眾多消費者的喜愛,發酵果蔬以其獨特的品質優勢受到廣泛關注。發酵果蔬是以水果與蔬菜為原材料,經過微生物發酵而成的食品,常用于發酵果蔬的微生物有乳酸菌(如乳桿菌、雙歧桿菌)和酵母菌。微生物發酵果蔬產酸、生香,賦予食品不同的風味口感。通過發酵,果蔬中的營養物質被最大程度地保留,并且發酵過程中微生物代謝出多種生物活性化合物,有效增強果蔬制品的功能特性。乳酸菌發酵提高了桑葚汁、針葉櫻桃和番石榴果實工業副產品中酚類和黃酮的含量,增強了水果產品的自由基清除能力[3-4]。發酵棗汁中γ-氨基丁酸、短鏈脂肪酸、共軛脂肪酸的含量顯著提高,體外實驗證實發酵棗汁具有良好的腸道微生物調節能力[5]。大量研究發現,發酵果蔬具有調節腸道菌群、提高免疫力、調節血糖血脂等健康功效。

1 發酵果蔬營養組分

發酵過程中,微生物利用果蔬中的營養物質進行自身代謝,通過不同微生物之間、微生物與營養物質之間復雜的作用,生成多種代謝產物,影響果蔬的貨架期、風味口感和營養價值。果蔬發酵過程產生大量有機酸,降低體系pH值,干擾有害微生物細胞膜電位,抑制其代謝功能,因此具有良好的抑菌作用。乳酸菌代謝也可產生多種抗菌活性成分,如細菌素、酚類化合物、H2O2、抗菌肽、胞外多糖等,抑制果蔬貯藏過程中有害微生物的生長[6]。因此,果蔬發酵被認為是一項提高食品安全性、延長產品保質期的有效策略。

微生物發酵是一個生成多種次級代謝產物的過程,發酵前后果蔬中的風味物質種類和含量均會發生變化[7],顯著改善果蔬的感官特性。果蔬發酵過程微生物水解果蔬汁中的多酚、硫代葡萄糖苷、多肽、代謝酶等,產生醇、酯類等一系列香氣物質,同時能夠減少植酸、單寧等不良風味化合物的含量[6],有機酸的生成也賦予了果蔬不同的風味口感。研究發現,石榴汁發酵后風味物質種類增加,產生異味的飽和直鏈醛類物質含量降低,呋喃類物質含量減少,醇類、酮類、烯烴類、萜烯類和苯衍生物含量升高,提高了石榴果實的水果香氣,有效改善了石榴汁的風味[8]。經4種乳酸菌發酵后的蘋果汁,多數與蘋果典型香氣相關的揮發性化合物在貯藏期間得以保留,發酵也使蘋果汁生成了新的化合物如乙醛和酮類化合物,增加了果汁中的芳香族成分[9]。張賽[10]發現復合菌種發酵棗漿中絕大多數揮發性物質呈上升趨勢,其中醛類和醇類物質香氣貢獻最大。植物乳桿菌(Lactiplantibacillusplantarum)發酵苦瓜汁改變了果汁的香氣特征,通過減少醛和酮類物質,增加醇和酸類物質,提高了苦瓜汁的風味[11]。利用耐乙醇的醋酸菌發酵西瓜汁可以提高果醋中的有機酸、游離氨基酸和酯類化合物含量,改善西瓜醋風味、口感和整體風味接受度[12]。4種乳酸菌混菌發酵刺梨果渣能夠增強其果香,減少刺激性澀味,改善產品風味[13]。

發酵過程中,微生物的代謝活動使果蔬中多酚類化合物、胞外多糖、氨基酸和維生素等生物活性物質含量增加,提高了果蔬的功能特性。如表1所示,近年來國內外研究人員進行了大量工作,探討了不同果蔬發酵菌種及發酵果蔬營養特性。乳酸菌混菌發酵提高了針葉櫻桃和番石榴果實工業副產品中黃酮和總酚的含量,并改變了酚類化合物的組成[3]。乳酸菌發酵使番茄漿中番茄紅素、β-胡蘿卜素含量顯著增加,并且促進了順式番茄紅素異構體含量的增加,增強其生物利用度[14]。胞外多糖是乳酸菌在發酵過程中產生的糖聚合物,具有多種健康作用,例如抗氧化、抗微生物、免疫調節、降膽固醇、抗糖尿病和抗腫瘤等。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)是一種在人體中具有生理功能的非蛋白質氨基酸,是哺乳動物中樞神經系統中重要的抑制性神經遞質,具有降血壓、鎮靜安神、免疫調節等功效。研究發現,發酵過程中乳酸菌能夠利用谷氨酸脫羧酶催化L-谷氨酸或者其他鹽類生成GABA[15]。短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)發酵紅棗汁60 h后,紅棗汁中GABA的含量從58.70 mg/mL增加到288.04 mg/mL,提高了3.9倍[16]。荔枝汁由植物乳桿菌發酵24 h后,GABA含量由1.33 mg/kg增加至1.87 mg/kg,提高了40%,除植物乳桿菌本身能夠產生GABA,發酵創造的酸性低氧條件能增強果蔬組織通透性使荔枝組織中的GABA更好地溶出[17]。在發酵過程中,許多必需維生素,如維生素B2(核黃素)、維生素B9(葉酸)、維生素12(鈷胺素)或維生素K含量顯著增加,這些維生素參與維持人體的多種基本功能,如核酸合成、細胞代謝、心血管和骨骼健康等[18]。發酵微生物可以將復雜的化合物轉化為具有更高生物活性的代謝物。例如,復雜的多酚和類黃酮被酶水解成具有更高抗氧化活性和生物利用度的成分?？範I養因子的存在可能會降低機體對礦物質、蛋白質和碳水化合物的生物利用度,發酵可以作為中和食品中抗營養因子的方法。研究表明,發酵能夠減少植酸鹽、草酸鹽和單寧的含量以及增加植物和谷物產品中礦物質的生物利用度,促進微量營養素的吸收[18]。

表1 不同果蔬發酵菌種及營養特性Table 1 Fermentation strains and nutritional properties of different fruits and vegetables

2 發酵果蔬的功能特性

2.1 調節腸道微生態

腸道是人體中最重要的器官之一,腸道健康對于機體代謝、免疫等功能的正常運行具有重要意義。果蔬中富含植物性膳食纖維、有機酸和低聚糖等,能夠促進胃腸道對食物的消化吸收、增強胃腸道蠕動能力及調節腸道菌群平衡,有效改善胃腸道功能。同時,發酵果蔬中包含多種益生菌及其代謝產物。益生菌與腸道黏膜上皮細胞形成占位保護,抑制病原體在腸道表面的黏附,具有生物屏障作用,益生菌在腸道內定殖后,代謝產生短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、黏性多糖和多肽等生物活性物質,能夠有效改善便秘、緩解結腸炎、預防和治療消化道炎癥等[30]。水果酵素喂養可以提升小鼠胃腸動力和腸道機械運動[31]。鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)、植物乳桿菌等乳酸菌單菌和混菌發酵果蔬乳飲料均能有效促進便秘小鼠排便,其中混菌發酵組在促進小鼠排便、抑制腸道病原菌、調節腸動力神經遞質上有最佳的效果[32]。發酵荔枝可以保護腸道并改善小鼠腸道菌群組成,其灌胃小鼠腸道中厚壁菌門(Firmicutes)的相對豐度顯著增加,糞桿菌屬(Faecalibaculum)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)和阿克曼氏菌(Akkermansia)顯著增加[27]。羊棲菜酵素灌胃小鼠組糞便中有益菌乳桿菌屬和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等豐度升高,有害菌擬桿菌屬(Bacteroides)、幽門螺桿菌(Helicobacterpylori)等豐度下降,表明羊棲菜酵素能夠有效調節小鼠腸道菌群[33]。

2.2 抗氧化

自由基的過量產生可能導致多種連鎖反應(如脂質降解、炎癥過程和/或DNA損傷),最終導致細胞損傷和死亡。因此,自由基水平和細胞抗氧化能力之間的平衡具有重要意義。微生物發酵能顯著提高發酵體系中的自由基清除能力和超氧化物歧化酶活力水平[34]。酚類物質廣泛存在各種果蔬中,可作為還原劑、自由基清除劑和單態氧猝滅劑,有效防止機體細胞和生理水平的氧化[35]。研究表明,較高的自由基清除能力與較高的酚類物質含量間表現出正相關性。微生物發酵增加了果蔬中酚類化合物的種類和含量,增強其抗氧化能力。與未發酵果汁相比,植物乳桿菌發酵提高了石榴汁的總酚含量和抗氧化特性[36]。藍莓汁經過植物乳桿菌J26發酵后,酚類化合物含量增加43.42%,花青素含量增加15.38%,對DPPH、超氧陰離子和·OH 3種自由基的清除能力以及緩解H2O2導致的CaCo-2細胞氧化損傷能力顯著提高[20]。曹雪丹等[37]選用副干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)發酵甌柑汁10 d,甌柑汁內總酚含量顯著升高。發酵過程中,微生物的代謝活動可產生酚酸脫羧酶、還原酶等酶,將果蔬中的酚酸物質轉化為一系列具有更高生物活性的衍生物[38]。乳酸菌發酵增加了西印度櫻桃和番石榴副產物中具有高自由基清除活性的酚類成分,增強了水果副產品的抗氧化活性[3]。采用植物乳桿菌發酵蘋果汁,發酵后具有強抗氧化能力的根皮素、槲皮素和5-O-咖啡?？崴岬确宇惓煞趾匡@著增加,發酵蘋果汁DPPH自由基清除能力、ABTS陽離子自由基清除能力和對Raw 264.7細胞模型的抗氧化能力均顯著提高[39]。在棗泥發酵過程中,對香豆酸和阿魏酸幾乎完全代謝,而原兒茶酸、對羥基苯甲酸和蘆丁增加[5],發酵棗泥的抗氧化性顯著增加。有研究表明,植物乳桿菌能夠將對香豆酸和阿魏酸代謝為相應的還原型或乙烯基衍生物,這可能比它們的前體具有更高的生物活性[5]。此外,微生物發酵使高分子質量酚類化合物發生解聚,將復雜的酚類物質轉化為游離形式[40],進而提高酚酸在體內的消化和吸收率。發酵菌株的β-葡萄糖苷酶活性導致復雜或共軛的酚類化合物轉化為更簡單、更易于生物利用和生物可利用的活性化合物[36]。植物乳桿菌發酵桑葚汁過程中,多酚氧化酶將高分子質量酚類化合物解聚,從而使果汁中DPPH自由基清除能力提高了14.47%[4, 38]。綜上,乳酸菌能夠促進酚類化合物的轉化和高分子酚類化合物的解聚,提高果蔬制品的品質和功能。

發酵食品的抗氧化特性可能取決于發酵過程中釋放的其他抗氧化分子。據報道,乳酸菌和酵母菌可以通過產生抗氧化酶如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、NADH氧化酶和NADH過氧化物來清除活性氧[41]。PAN等[42]從乳球菌培養物中分離得到胞外多糖,具有較強的抗氧化能力,能夠增強機體自由基清除能力、降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)的形成,并顯著提高小鼠血清中過氧化氫酶(catalase, CAT)和SOD的活性。從植物乳桿菌培養物中分離得到的胞外多糖對·OH具有良好的清除能力,具有清除自由基、抑制脂質過氧化物形成的作用,并能夠減緩H2O2誘導的CaCo-2細胞氧化損傷[43]。

2.3 免疫調節

免疫力是人體自身的防御機制,提高免疫力有助于阻斷病毒的入侵、減少疾病的發生。人體免疫系統由固有免疫(非特異性免疫)和適應性免疫(特異性免疫)兩部分組成。免疫細胞指參與免疫應答或與免疫應答相關的細胞,主要包括淋巴細胞、樹突狀細胞、單核/巨噬細胞、粒細胞、肥大細胞等。免疫細胞分泌多種細胞因子對抗由病原體和病毒引起的多種感染,包括干擾素(interferon, IFN)、白細胞介素(interleukin, IL)和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)等。研究發現,灌胃發酵荔枝汁增強小鼠免疫器官指標(脾臟、胸腺)和抗氧化能力,改善細胞因子(IL-2、IL-6)和免疫球蛋白(IgA、IgG、SIgA)的分泌,緩解小鼠免疫功能障礙[27]。灌胃發酵無花果提取物能夠提高小鼠免疫應答,改善小鼠的體重、免疫器官(肝臟、胸腺、脾臟)的指標和免疫器官的組織病理學狀態,減輕免疫器官的損傷,增強小鼠免疫相關細胞因子IL-4、IL-6、TNF-α和IFN-γ的產生[44]。劉春花等[45]研究發現,植物酵素可以增強小鼠單核-巨噬細胞系統功能、NK細胞活性,提高機體非特異性免疫力,提高血清溶血素和溶菌酶水平,增強機體免疫功能。發酵胡蘿卜汁與生梨汁能夠增強小鼠脾淋巴細胞的增殖能力,提高T細胞表面CD3、CD4、CD8表達水平,促進血清中IFN-γ和IL-6的生成,增強小鼠機體免疫力[46]。WASTYK等[47]研究發現,膳食發酵食品能夠降低受試者血清中IL-6、IL-18和IL-12b等炎癥因子,抑制免疫細胞的過度反應,同時炎癥標志物的下降與微生物群多樣性的增加相一致,表明發酵食品能夠通過增加菌群多樣性,降低血液中炎癥反應標志物水平,緩解炎癥反應,提升機體免疫力,揭示了飲食干預下的菌群-免疫互作關系[47]。

發酵果蔬中的益生菌及發酵過程產生的生物活性化合物可增強機體的免疫反應,提高機體免疫力。發酵大豆中分離得到的乳酸菌增強了脾臟中NK細胞活性[48],從發酵果蔬中得到的乳酸菌與酵母混合物增強了小鼠免疫力[49]。益生菌增強免疫系統反應的分子機制可能是通過與上皮細胞、樹突細胞和T細胞的相互作用,誘導TGF-β、IL-6、IL-10等多種細胞因子的產生[48]。短雙歧桿菌生物合成的表面胞外多糖,在酸性和膽鹽環境中對菌體具有保護作用,胞外多糖通過抑制宿主的免疫應激反應,促進雙歧桿菌在腸道中的定殖并抑制腸道致病菌的生長[50]。小片球菌產生的β-葡聚糖具有免疫調節作用,它調節CaCo-2細胞中促炎標志物的產生,改善個體對病原體的免疫系統反應[51]。

2.4 預防酒精性肝損傷

酒精性肝損傷(alcoholic liver disease, ALD)是一種因長期飲酒導致的慢性肝臟疾病。隨著酒精消費人群逐年升高,酒精濫用和酒精依賴成為當今世界日益嚴重的公共衛生問題。酒精性肝損傷的機制復雜,主要有乙醇及其有害代謝產物乙醛對肝臟的損傷、氧化應激、免疫反應和炎癥等。酒精在人體內的主要代謝依靠乙醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase, ADH)和乙醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH),ADH分解乙醇生成乙醛,乙醛在ALDH的作用下轉化為無毒的乙酸。當攝入過量酒精時,高乙醇濃度能誘導細胞色素P450 2E1(CYP2E1)活性明顯增強并伴隨活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產生,ROS的產生引起氧化應激和炎癥反應,導致肝損傷。血清中谷草轉氨酶(aspartate aminotransferase, AST)、谷丙轉氨酶(alanine aminotransferase, ALT)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)、谷氨酰轉移酶(gamma-glutamyltransferase, GGT)的活性可作為早期肝損傷的指標。果蔬發酵中所含的ADH分解酒精,降低AST、ALT和MDA的含量,進而減少機體中的酒精含量,起到解酒護肝的作用。灌胃諾麗果發酵汁后,急性酒精性肝損傷模型小鼠血清中的AST、ALT、ALP和GGT含量均顯著降低,證明該發酵汁對急性酒精性肝損傷具有良好的預防作用[52]。乳桿菌和酵母菌發酵的枸杞酵素可以顯著降低HepG2細胞內MDA的產生,減少AST、ALT及乳酸脫氫酶的分泌量,增加SOD酶活力及ADH的激活率,緩解酒精性肝損傷[53]。發酵后的木通提取物中ADH活性增加,能夠加速受試者體內乙醇的分解,降低血漿乙醇濃度,緩解酒精宿醉[54]。植物發酵液能顯著降低慢性酒精誘導肝損傷小鼠血清中AST、ALT活性,減輕肝損傷程度;通過抑制肝臟中乙醇誘導的ADH、ALDH活性升高及CYP2E1 mRNA表達,恢復機體酒精代謝功能;調控血清細胞因子IL-1β、IL-6的表達、肝臟Stat3 mRNA的表達,減輕酒精代謝對機體造成的氧化損傷和炎癥反應[55]。研究表明,果蔬發酵液可以通過阻止活性氧介導的線粒體信號通路,抑制肝細胞凋亡,保護小鼠酒精性肝損傷[56]。

2.5 調節血糖血脂、緩解肥胖

由于攝入高糖高脂高鹽食物以及缺乏運動等不良生活習慣,高血糖、高血脂的發病率在世界范圍內逐年增加,導致嚴重的健康問題。研究發現,植物乳桿菌發酵能夠提高苦瓜的血糖、血脂調節作用,與未發酵苦瓜組相比,灌胃發酵苦瓜能明顯改善II型糖尿病大鼠的體重、血糖、血清胰島素、血脂和氧化應激水平,降低血清中ALT、AST、肌酐(creatinine, CREA-J)和尿素氮(urea nitrogen, UREA)水平,修復胰島、肝臟和腎臟病理損傷[28]。通過抑制α-葡萄糖苷酶活性來降低餐后和空腹血糖已成為預防高血糖的有效手段。植物乳桿菌發酵藍莓汁對α-葡萄糖苷酶的抑制率為47.41%,比未發酵組提高了43%[20]。研究發現,發酵蘋果汁對α-葡萄糖苷酶活性的抑制率顯著高于未發酵蘋果汁,在提取物∶蒸餾水=1時,發酵蘋果汁對α-葡萄糖苷酶活性的抑制率達到91.77%,接近阿卡波糖的抑制率,表明出優異的降血糖潛力[57]。動物實驗也表明發酵蘋果汁能夠通過降低甘油三酯(triacylglycerol, TG)、總膽固醇(total cholesterol, TC)、低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C)和增加高密度脂蛋白膽固醇(high-density lipoprotein cholesterol, HDL-C)顯著調節血脂水平[57]?？莶菅堪麠U菌發酵的南瓜提取物抑制高脂飲食誘導的小鼠體重增加,降低血清中的胰島素和葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽(glucose-dependent insulinotropic peptide, GIP)水平,并通過抑制脂肪生成/脂肪生成轉錄因子(PPAR-γ、C/EBP-α、C/EBP-β、C/EBP-γ和SREBP-1C)的mRNA表達來調節血漿脂質[58]。研究發現,發酵食品中的乳酸菌菌株具有膽鹽水解酶活性,可與膽固醇結合將其轉化為膽汁酸[59],代謝產生的胞外多糖能夠結合膽固醇并減少其吸收,有效降低膽固醇水平[60]。YU等[61]從6株耐酸耐膽鹽的乳酸菌中篩選出可降低膽固醇的雙歧桿菌和植物乳桿菌,膽固醇去除率分別為67.57%和64.22%,其發酵獼猴桃汁能抑制高脂血癥小鼠的體重增加,有效調節膽固醇水平。從自然發酵陳醋中分離得到的植物乳桿菌NF4在模擬胃腸道液體中存活率較高,膽固醇清除率高達55.8%,具有潛在降血脂功效[62]。

肥胖是機體內脂肪大量堆積造成的一種身體不良狀態,可造成機體內分泌、代謝系統和免疫系統等異常,增加慢性疾病發病風險。研究表明,食用泡菜通過降低受試者空腹血糖、TC、LDL-C水平,減輕體重和脂肪組織重量來緩解肥胖[63]。在高脂肪飲食誘導的肥胖大鼠模型中,灌胃發酵秋子梨提取物顯著改善肥胖相關生物標志物(包括TC、瘦素、胃饑餓素、GIP、脂聯素、促炎性細胞因子)的水平,抑制高脂肪飲食誘導的脂肪基因表達和增加脂肪酸氧化相關基因的表達,增強腸道微生物的多樣性,表現出改善肥胖及肥胖相關代謝紊亂性疾病的潛力[64]。

3 展望

果蔬發酵依賴于微生物適應和代謝營養底物的能力,由于果蔬中抑制因子(如酚類)的普遍存在、可發酵碳水化合物的缺乏、酸性環境的脅迫等因素,微生物的生存及生長受到巨大挑戰。因此,篩選得到具有優良發酵性能的果蔬發酵專用菌株并建立發酵專用菌庫對該產業發展具有重要意義。目前,發酵果蔬功能特性的研究大多集中在體外研究,較少有深層次的機制研究,同時人類在飲食、生活方式和腸道微生物組等方面具有多樣化,因此需要構建更加全面的微生物及其發酵果蔬產品的營養功能評價體系,以明確發酵果蔬的健康功效。同時,應針對不同人群的需求開展相關的營養功能研究,強化發酵果蔬產品的個性化開發,以滿足不同消費者的多元化需求。未來,要加快發酵果蔬功能性食品的開發,不斷提高產品品質,促進我國發酵果蔬產業的持續穩定發展。