微生物制品营养和保健功能的研究

马跃超，崔 毅，陈 宁，徐庆阳

（1．天津科技大学 生物工程学院，天津300457；2．天津科技大学 代谢控制发酵技术国家地方联合工程实验室，天津300457）

国民健康是国家和社会能够稳定发展的基础，是我国“十三五”阶段规划的重要发展战略目标之一。特别是在当今我国经济快速发展和物质生活水平不断提高的环境下，人们对健康的关注程度和投资意愿也在不断提高［1］。在各项健康相关的领域中，饮食营养与国民日常生活的关联最为密切，因而受到我国政府和国民的高度重视，并且成为了我国健康产业中的一项重要环节［2］。随着生物科技的发展进步，研究人员发现并证实了微生物制品对于维持人体健康具有重要作用。从营养价值方面来看，微生物制品含有丰富的蛋白质、氨基酸、碳水化合物、维生素和不饱和脂肪酸等营养物质，易于消化吸收，能够快速被机体转化和利用；另一方面，微生物制品还含有大量的具有生理活性功能的物质，能够参与调节机体代谢，改善机体内部的微环境，增强机体免疫力，因此还具有保健和预防疾病的功能［3］。

我国自古便有食用微生物制品的习惯，根据李时珍所著的《本草纲目》和陈藏器所著的《本草拾遗》中的记载，我国早在几千年前便将食用菌作为传统中药的组成成分用于医治疾病或改善体质，如耳熟能详的灵芝、冬虫夏草等均属于食用菌的范畴［4－5］；另外，食用菌作为“味之美者”更是我国饮食文化中不可缺少的部分，如早在唐代韩鄂所著的农书《四时纂要》中就详细地描述了构菌（金针菇）的栽培方式，而同样是唐代的苏恭所著的《唐本草注》则记录了利用五种不同木质基质栽培蕈耳（木耳）的具体方式，随后在浙江省的庆元、景宁和龙泉一带又兴起了香菇的栽培［6］。随着现代微生物培养技术的发展，人们能够利用廉价的原料培养出大量的微生物菌体细胞，如常见的面包酵母菌、啤酒酵母和双歧杆菌等。现代科学研究表明：经过选育的微生物其细胞中的蛋白质含量高达40%～60%，而一般谷物的蛋白质含量仅为10%左右。因此，以微生物细胞加工制成的菌体蛋白作为食品添加剂，能够显著地提高食物中的蛋白质含量，同时还能够补充多种氨基酸、维生素和糖类等营养成分，有效地维持人体生理功能。除了直接食用，微生物还被用于酿造各类发酵食品、饮料和调味剂等，如常见的腐乳、酱油、醋和酒等都是以各种营养物作为培养基，经过微生物发酵制成［7］。经过微生物发酵，食品改变较大，比如风味得到提升和改善，生物活性物质含量增加，有害物质含量降低等，不仅食用口感得到提升，更易于被人体消化吸收，还能够补充人体所需的营养素以及肠道有益菌群［8］。随着生物科技的进步，当今的微生物制品不仅保留了传统微生物制品的优点和特色，还通过改良菌种性能，优化培养基和培养条件等手段，使微生物制品的口感和风味得到进一步提升，并且使其所含营养成分的比例更接近人体需求［9］。由于当代的微生物培养技术更为成熟，微生物制品的生产不再受地域、气候等自然环境的限制，并且具有产量高、生产周期短、成本低和安全性高等特点，易于实现高效、绿色的工业生产［10］。因此，在人们注重饮食健康的当今和将来，微生物制品是动植物源食品的优良代替品和营养补充剂［11］。

1 微生物制品的营养价值和保健功能

1．1 食用菌

市场上常见的微生物制品可根据微生物在食品生产过程中扮演的角色不同分为：食用菌、菌体蛋白、发酵食品以及益生菌剂等。其中食用菌主要是指各类可食用的、子实体硕大的大型真菌。从营养价值角度来看，食用菌因其蛋白质含量较高，平均约为20%～40%左右，相当于牛肉、猪肉中的蛋白质含量，因此又有“植物肉”的别称［12］。陈巧玲［13］的研究表明，在餐桌上常见的几种食用菌中，杏鲍菇、香菇和茶树菇的粗蛋白含量较高，分别为27．86%，32．54%和36．08%，且所含氨基酸种类齐全，必需氨基酸含量较高，与人体所需的水平较为接近，是理想的营养来源。同时，食用菌中的脂肪含量较低，且以对人体有益的不饱和脂肪酸为主，因此是较肉类更健康的蛋白质来源［14－15］。

食用菌富含多种生物活性物质，主要包括：食用菌多糖、抗氧化维生素、萜类化合物以及核酸降解物［16］，对调节机体代谢、改善营养平衡和提高免疫力等方面具有重要作用。食用菌多糖是一类由10个以上的单糖连接构成、具有分支结构的活性多糖，研究表明食用菌多糖具有抗氧化功能，能够清除体内 OH－和 O2－自由基［17－18］。此外，食用菌多糖还能够增强机体免疫力、抑制细菌和病毒感染。食用菌多糖能够刺激巨噬细胞和淋巴T细胞的释放，激活机体的免疫系统，促进免疫因子的生成和释放，并且可以通过对免疫系统的调节间接抑制肿瘤［19－20］。罗青［21］和王红岩［22］等的研究表明，灵芝提取物能够对革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌起到抑制作用；雷艳［23］的研究表明羊肚菌多糖对多种细菌和放线菌具有较强的抑制作用，但是对于酵母菌和霉菌的抑制作用不明显。食用菌含有丰富的抗氧化维生素，如尼克酸、B族维生素和维生素D原等，这些抗氧化维生素能够消除体内自由基、增强机体免疫力［24］。食用菌中最重要的活性物质是三萜类化合物，也是灵芝等药用菌类发挥药效的主要成分，三萜类化合物能够降低血脂、保护肝脏，具有镇静和止痛的功效，对于心血管、神经系统以及免疫系统都具有较强的调节功能［25］。此外，食用菌所含的环磷酸核苷酸属于核酸降解物，能够有效地抑制细胞生长和分化，因此被广泛应用于治疗牛皮癣、冠心病等疾病［26］。

1．2 菌体蛋白

日常生活中常见的菌体蛋白主要为酵母菌体蛋白。酵母菌是一种单细胞真核微生物，因其具有细胞结构简单、遗传和代谢机制清晰、生长繁殖速率快等优势，被广泛地应用于多个生产和研究领域［27］。酵母菌的蛋白质含量在50%左右，远高于常见食物中的蛋白质含量，且富含人体所需的全部必需氨基酸以及多种维生素、维生素前体物和丰富的微量元素等营养物质［28－29］。由于酵母细胞易培养、易分离，并且具有较高的营养价值，因此成为了常见的营养补充剂。在医疗和保健领域，酵母菌主要被用于补充营养、调整机体代谢以及改善维生素缺乏症和消化不良症等［30－32］。酵母菌细胞中除了含有丰富的B族维生素以外，还含有大量的麦角甾醇（维生素D的前体物质），经过紫外线处理的酵母菌细胞能够作为维生素D补充剂，具有促进钙离子吸收的功效［33－34］。

在食品领域，酵母菌体蛋白主要作为营养强化剂和调味剂使用。由于酵母细胞富含蛋白质、维生素以及微量元素等营养物质，将其作为食品添加剂可有效提高食品的营养价值，如在面包、馒头和饼干等以淀粉为主要原料的食品中添加酵母菌体蛋白，能够使产品的营养成分更全面，更符合人体的营养需求［35］。核酸类物质是二代味精的重要成分，酵母细胞中的核酸类物质占细胞干重的比例接近10%，因此，以自溶的酵母菌细胞制成的酵母膏或酵母浸出粉作为食品添加剂，不仅能够改善产品的营养组成，还具有提升产品风味的功效，例如在豆制品、膨化食品和加工肉类食品等产品中添加酵母浸出物，能够显著提升产品的风味和浓郁感［36］。

1．3 微生物发酵食品

微生物发酵食品是经过微生物发酵制得的食品，不仅味道更加香醇，营养种类也更为丰富，而且在经过微生物的一系列代谢之后，还会产生许多具有生物活性功能的物质，原料中的有害成分减少，食品的经济价值也得到了提升。传统发酵食品具有悠久的历史，且具有国家和地区特色，例如中国的腐乳、酱油和醋，日本的纳豆和清酒，韩国的泡菜，以及西方国家的干酪和酸奶等［37］。传统发酵食品一般使用谷物、豆类、蔬菜、乳类以及肉类等常见的原料，所用的微生物主要包括细菌、酵母菌和霉菌，根据菌株是否经过纯化又分为混菌发酵（也称自然发酵）和纯种发酵，发酵方式包括固态发酵和液态发酵［38］。中国的传统发酵食品大部分以谷物为原料，以糯米和大豆为主，使用的微生物主要为霉菌和酵母菌；西方国家则更喜欢以牛奶、牛肉和猪肉作为原料，经过乳杆菌、乳链球菌和霉菌的发酵制成酸奶、干酪和香肠。

在发酵过程中，微生物产生的酶能够将原料降解，因此，传统发酵食品首先具有营养更容易被人体吸收的特点［39］。如在豆类制品的发酵过程中，微生物所产生的酶将不溶性高分子物质降解为可溶性的低分子物质，产生大豆中原本含量较低的营养物质，例如维生素、氨基酸和核苷酸等，同时仍然保留大豆自身的异黄酮和低聚糖等生物活性物质［40］。在常见的豆类发酵食品中，豆豉有助于增强肠胃功能和预防高血压，纳豆含有丰富的纳豆激酶可以溶解血栓，预防心脑血管疾病［41］。发酵乳制品则主要以食草动物如牛、羊和马的乳为原料，经过乳杆菌、乳球菌、乳链球菌和双歧杆菌等微生物发酵而成。在发酵过程中，微生物同样将乳自身的各种成分降解为小分子物质，同时促进磷和钙的溶解，使各种营养物质更易于被人体吸收。微生物在利用营养物质的同时，还会产生一些代谢产物如多糖、低聚糖、氨基酸、有机酸、多肽和抗生素等［42］。微生物自身的糖基转移酶和糖苷水解酶能够将食物中的碳水化合物转化生成低聚糖，低聚糖的特点是不会被人体消化系统分泌的淀粉酶降解，因此能够直接进入肠道并促进肠道益生菌生长，从而实现调节人体微生态的作用［43］。微生物通过降解食物中的蛋白质并以其为原料，产生大量食物本身不具有的多肽和游离氨基酸，这些营养物质不仅比蛋白质更容易被人体消化吸收，并且具有特殊的生物功能，如帮助机体降低血脂、改善脂肪代谢和提高肌肉强度等［44］。红曲霉在发酵的过程中会产生类似降胆固醇药物的物质，该物质能够弱化胆固醇合成代谢，从而降低机体胆固醇含量；而大豆发酵食品中微生物合成的蛋白黑素以及类黑精能够抑制血管紧张素转换酶的活性，对于降低血压有一定帮助［45］。

1．4 益生菌剂

在食用微生物发酵食品时，必须注意到微生物本身也对人体有一定的益处，部分微生物能够在人类肠道中生存，并产生对人体有益的物质，如乳酸菌能够产生乳酸，有助于抑制有害菌的生长，维持肠道正常功能［46］。因此，这些有益于人体健康的菌群被赋予了“益生菌”的名称。益生菌能够影响机体的新陈代谢，对于改善乳糖不耐受症、减缓急性湿疹症状以及预防结肠癌的发生具有一定作用；益生菌能够在肠道中长期生存，并持续产生一些代谢物，这些代谢物部分能够刺激人体免疫系统释放更多的免疫蛋白，帮助提高人体免疫力，部分能够抑制或激活人体相应的酶，从而影响人体自身代谢物的合成，如通过抑制胆固醇的合成帮助人体降低血浆中的胆固醇浓度；另外，益生菌寄生于肠道中，能够抑制有害菌群的生长，从而起到调节体内微生态的作用，对于预防和辅助治疗腹泻、便秘、消化不良以及细菌感染等疾病具有重要意义。通过饮食主动补充益生菌有利于调节人类肠道有益菌群的数量，也可以选择一些专门的微生物菌剂，有目的的补充某一种或几种益生菌［47－50］。目前可用于食品添加或者制成菌剂的益生菌主要包括：双歧杆菌属、乳杆菌属和链球菌属中的部分菌株，其中仅鼠李糖乳杆菌、动物双歧杆菌、乳双歧杆菌和嗜酸乳杆菌能够应用于婴儿食品的添加［51］。

2 微生物制品产业和市场

我国是微生物制品的生产和消费大国，食用菌年产量占全球总产量的70%以上，产量超过3 000万t。目前已经形成集约化的规模栽培生产方式，并且产量持续增长，目前在我国种植业中的总产值排名居第六位，仅次于粮、棉、油、菜和果。苏雅迪［52］研究发现，从1997年开始，我国食用菌产量的增长速度远远超过了世界平均值，2000年至2016年，我国食用菌产量增加了5倍多。2005至2016年间，食用菌产量由1 334．6万t增长到3 596．7万t，年复合增长率为9．4%；产值由585亿元增长到2 516．4亿元，年复合增长率为14．2%。，市场规模还有望继续保持10%左右的高速增长。截至2017年我国共有500余家大型食用菌生产企业，2016年10月至2017年9月的数据统计表明，2017年中国食用菌总产量达256．3t［53］。

微生物发酵食品在我国食品市场上也占有重要地位，在发酵豆类制品中，酱油是产量最大、应用最广的产品，2017年统计结果表明，酱油年产量已经达到1 090万t［54－55］。在发酵乳制品上，虽然我国北方游牧民族在早期就利用微生物将乳汁转变成便于携带和贮存的固态乳制品，但是现代乳制品的发酵技术却起步较晚，直到1998年才开始进入快速增长期。目前，我国乳制品发酵技术已经较为成熟，中低温发酵乳制品的开发以及奶粉类产品质量的提升使得我国乳制品市场竞争力不断提升。根据2016年的统计数据，我国乳制品的年产量已经超过0．27亿t，总收入超过3 000亿元，平均利润约占总收入的7．3%［56－57］。

随着国民健康意识的提升以及人们对微生物制品认识的深入，越来越多的国民开始关注微生物制品，并且使用微生物制品代替部分日常食品。目前，包括中国在内的部分国家已经在食品、保健品以及医药领域推广微生物制品，微生物制品的应用呈上升和全球化的趋势。日本是目前益生菌产业最为发达的国家，投放市场的益生菌产品有数千种，2003—2006年的年营业额增长就已经超过5亿美元。中国的益生菌市场虽然较日本落后，也呈现出上升趋势，2010年我国益生菌产品市场规模约222亿元，2017年上升至553亿元，预计到2023年市场规模将达到1420亿元。卫生部颁布了可食用菌种的名单，制定了相应的规范，此外SFDA也批准了22种益生菌活菌制品可作为医疗药品使用，为中国微生物制品行业的发展提供了保障［51］。目前，在许多大、中型城市已经呈现出消费者对益生菌制品消费的倾向。

3 结 论

微生物制品包括食用菌、菌体蛋白、发酵食品以及益生菌剂等，不仅含有丰富的人体所需营养成分，并且各类营养物质通常以小分子的形式纯在，更容易被人体转化和吸收。此外，微生物制品中还含大量的生理活性物质，能够参与调节人体代谢，改善消化、神经和免疫系统的功能，有助于提高机体免疫力以及预防和治疗部分疾病。同时，微生物制品中所含有的益生菌也会随着食物一起进入肠道，抑制对人体有害的菌群的生长，从而起到调节人体微生态环境的作用。随着我国国民保健意识的提升，饮食健康已经成为新的消费时尚，微生物制品市场发展前景相当可观。目前，为了促进我国微生物制品行业和市场的发展，仍然有许多工作要做。首先，为了加深国民对微生物制品的认识，应继续加强对于微生物制品的宣传工作和对消费者的引导工作，进一步拓展微生物制品市场；同时，相关部门需要及时颁布行业标准和规范，并且执行好监管工作，保证微生物制品行业的稳健发展；此外，由于我国微生物制品行业起步较晚，技术相对落后，因此需要加强相关菌种和技术的研发工作。尽早开发出一系列拥有自主知识产权的高科技、高效率的微生物制品生产工艺流程，对于我国微生物制品行业的发展至关重要。