固态生物转化对植物性食品加工副产物生物活性影响的研究进展

陈嘉序傅亚平高 瑶肖 愈

(1. 湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙 410128；2. 长沙商贸旅游职业技术学院，湖南 长沙 410116)

农业生产及食品加工过程中会产生大量的副产物残渣，如果皮、麸皮、豆渣、薯皮、甘蔗渣等。FAO估计，全球每年约有13亿t加工副产物被浪费，其中果蔬类占比45%，谷物类占比30%[1]。这些植物性加工副产物有机物含量高，是潜在的营养来源，同时生化需氧量(BOD)超标[2]，及时有效利用不仅可提高其经济利用率，还可减少环境污染。植物性加工副产物可以通过各种方法来提高其价值，其中固态发酵是一种传统而又新颖的加工方式，操作简单、生产成本低、发酵代谢产物得率高、对环境无污染，在中国及东南亚地区具有悠久的历史[3]。同时，可利用固态发酵技术获取及强化对人体健康有益的一些生物活性成分[4]，如多酚、黄酮、植物多糖、类胡萝卜素等。从系统发育上看，植物中的次生代谢产物的合成在植物的生长阶段起到举足轻重的作用[5]，例如黄酮和酚酸能保护活体植物免受光合作用过程中产生的自由基的侵害；萜类化合物可以吸引传粉者等。此外，一些植物性副产物经发酵强化后，在人体中也能发挥不同的生物学功能，例如能够降低心血管疾病和癌症的发生率[6]，还具有抗菌、抗氧化、抗诱变和抗炎功能，以及抑制或诱导酶及其受体活性基因的表达等[7]。因此，利用廉价易得的农林副产物作为固态发酵基质来生产酶类或其他生物活性成分成为科研工作者的研究热点。

文章拟综合近年来国内外大量相关研究报道，详细阐述固态生物转化对植物性食品加工副产物产酶效率及潜在的应用价值，同时对固态发酵过程中副产物主要生物活性物质(酚类、黄酮、植物多糖等)及其功能活性的变化进行概述，以期为食品工业中植物性食品加工副产物的增值利用提供依据。

1 固态生物转化过程中产酶研究

1.1 谷物加工副产物

谷物食品(禾谷类、薯类、豆菽类)是中国居民日常饮食的重要组成部分，具有丰富的营养价值，同时也是许多植物活性物质的重要来源，包括植物雌激素、酚类化合物、皂苷、植酸和固醇等[8]。食品工业中谷物加工过程包括清洁、分级、干燥、运输、装载、存储、控制自动化、抽吸和过滤等，在谷物处理的每个阶段都会产生可生物降解的副产物废渣[9]。研究[10]表明，谷物类工业废渣主要含有纤维素、淀粉、蛋白质、维生素和矿物质等营养元素。这些废渣经预处理后可作为微生物固态发酵产酶的极佳基质(表1)，不但可以降低酶的生产成本，还能进一步提高酶的转化效率，大大拓宽其工业应用的可能性。

谷物类副产物废渣多含有丰富的纤维素，单菌发酵产高活性纤维素酶时广泛选择的菌种有Aspergillusniger、Trichoderma和Aspergillusoryzae。高大响等[11]以Aspergillusniger为菌种发酵豆渣，29 ℃下发酵84 h，得到纤维素酶最大活力为462 U/g。丁重阳等[12]利用Trichodermareesei固态发酵麦糟与玉米芯的混合物，干曲最高酶活可达 430 U/g。而纤维素酶是起协同作用的多酶体系，利用混合菌株的协同作用比纯种菌株能产生更多不同酶切位点的纤维素酶[13]。涂璇等[14]研究表明，两种曲霉(UF2和UA8)按比例混合发酵，其滤纸酶、微晶纤维素酶和羧甲基纤维素酶3种酶活性较单菌发酵(UA8)分别提高了2.2%～51.1%，20.7%～332.6%和29.4%～299.6%。通过生物转化得到的纤维素酶已被广泛应用于食品加工、饲料工业等领域，包括发酵产品的制造、黄酮类化合物等功能成分的提取、茶叶深加工、消除抗营养因子等[15]。

蛋白酶和淀粉酶能将谷物类副产物中的大分子蛋白质和多糖降解为利于吸收利用的小分子肽类、氨基酸和简单糖类物质，被广泛运用于饲料生产业、复合酶制剂的制备以及果蔬加工等领域。吴慧清等[16]利用Neurosporasitophila为菌种发酵100 g蔗渣、600 g麸皮和300 g木薯渣等混合物，发酵后固体曲中糖化酶活力和蛋白酶活力分别为3 110，297 mg/(g·h)。李思聪[17]以Bacillussubtilis为菌种发酵豆渣基质，发酵前未检测到淀粉酶，发酵后淀粉酶活力达4.18 U/g。因Bacillussubtilis的次级代谢产物枯草菌素具有明显的抑菌作用，抑制发酵过程中有害微生物干扰，利于固态发酵饲料产品品质的提升[18]。

漆酶是一种多酚氧化酶，具有独特的催化特性。Ergun等[19]从蔗渣、麸皮、稻草和啤酒糟等农业废料中获得了这种酶。同样，以各种粮食作物副产物(麦麸、蔗渣和稻草)作为固体基质，通过不同的微生物(Pleurotusspvar、Pleurotusostreatus、Pyrenophoraphaeocomes)生产漆酶的研究较多[20]。得到的漆酶能与木质素、胺类化合物、芳香化合物等底物发生作用，且诸多反应的唯一产物只有水，因此能直接应用于食品、环保及造纸工业等领域[21]。

1.2 果蔬类加工副产物

近年来，果蔬生产和加工业成为中国农村经济的支柱产业，然而庞大的生产量也带来了大量果蔬加工副产物的产生。据统计[22]，中国果蔬加工业每年生产约1亿t的副产物残渣，且有逐年上涨的趋势。果蔬加工副产物包括果皮、汁囊残留物、薄膜、果核和种子，这些副产物含有丰富的可溶性糖、纤维素、半纤维素、果胶和精油等，但蛋白质含量偏低，不适宜作动物饲料，且燃烧处理会产生大量温室气体，加重温室效应[23]。研究[24]表明，果蔬加工副产物因其富含半纤维素和果胶，吸水率高，是固态生物转化产酶的极佳发酵基质，大多用于果胶酶、木聚糖酶、半乳糖醛酸酶和葡萄糖苷酶的生产(表1)。

果胶酶可大致分为聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶和果胶酯酶，是水果加工中最重要的酶。据报道[37]，现已发现有40多种微生物能产果胶酶，包括Aspergillus、Penicillium、Kluyveromyces及一些兼性厌氧细菌等。果胶酶是诱导性酶类，一般认为其产酶条件为底物中含有诱导物(果胶或半乳糖醛酸残基)，因而可选用富含果胶的诱导物(苹果皮、桔柑皮等)。田林茂等[38]以AspergillusnigerHG-1为菌种发酵苹果渣获取果胶酶，30 ℃下培养 48 h，果胶酶酶活力可达 22 248 U/g，高于以麸皮为主要原料时的酶活力。邓毛程等[39]采用菠萝皮粉作碳源和诱导物发酵生产果胶酶，当菠萝皮粉用量达到某一值时其产酶量最大，超出该范围时产酶量呈下降趋势，可能归因于菠萝皮中存在抑制产酶成分的累积。植物性副产物发酵生产得到的果胶酶在食品工业中的应用主要是果汁制造和果汁酿造，因其能提高出汁率，降低成本的同时，降解果胶质，使产品更易贮藏[38]。

木聚糖是半纤维素的主要成分，是植物性饲料中存在的抗营养因子，使饲料消化利用率大大降低。利用固态发酵技术生产木聚糖酶具有成本低、效益高的优势。Seyis等[40]分别使用苹果渣、橙渣、橙皮、柠檬渣、柠檬皮、梨皮和香蕉皮作为Trichodermaharzianum1073 D3的发酵基质生产木聚糖酶，其中以苹果渣为基质产木聚糖酶酶活力最高。Mamma等[41]发现AspergillusnigerBTL产生的半乳糖醛酸酶、果胶酸裂解酶、木聚糖酶、β-木糖苷酶和蔗糖酶的产量最高，而NeurosporacrassaDSM 1129产生的内切葡聚糖酶产量最高。木聚糖酶反作用于甘蔗渣、玉米芯等天然半纤维素，分解得到木糖和低聚木糖，可作为葡萄糖替代物供糖尿病人食用；此外，还可作为增稠剂、脂肪替代物等加以应用[15]。

2 固态生物转化对植物性食品加工副产物生物活性物质的影响

植物性食品加工副产物经固态生物转化产生的各类生物活性物质见表2。

2.1 对酚类化合物的影响

酚类化合物由于其出色的体外抗氧化性能在食品和临床领域备受关注，其理想化学结构使得沿芳环的羟基更易于提供氢或电子，以实现自由基清除活性。据报道[58]，某些酚类化合物还具有抗菌、抗动脉粥样硬化、抗肿瘤、抗癌和抗炎等潜力。植物性副产物中酚类化合物只有少部分以可溶性形式存在，绝大部分以不溶性形式与细胞壁化学物质(包括果胶、纤维素、阿拉伯木聚糖和结构蛋白)通过共价键、酯键、醚苷键等相结合，难以提取，严重影响其生理活性功能的发挥[50]。发酵过程中，微生物通过次级代谢途径产生具备抗氧化性能的酚类物质，或者通过胞外酶的酶促作用从底物基质中释放出酚类物质[45]。酚类化合物主要可分为黄酮和酚酸两大类，常见的酚酸有阿魏酸、没食子酸、香草酸、鞣花酸、对羟基苯甲酸、香豆酸和芥子酸等。

表1 植物性食品加工副产物固态生物转化过程中的产酶

表2 植物性食品加工副产物经固态生物转化产生的各类生物活性物质

植物性副产物中酚酸类物质增加的根本原因是其结构的变化。胡博涵[69]采用分光光度法和HPLC法分析几种曲霉发酵麸皮中总酚酸和阿魏酸的释放量，随后对发酵麦麸进行电镜扫描，发现已由密质的交联结构变得疏松，交联结构断裂，内侧表面出现凹凸斑痕和空穴，从而使其释放出生物活性物质，提高了发酵麦麸中的总酚和阿魏酸含量，进而其抗氧化能力提高。杜小燕等[70]利用Aspergillusawamori发酵麦麸，发现Aspergillusawamori使束缚的阿魏酸游离出来，且咖啡酸、丁香酸和阿魏酸浓度高的酚类提取物，其抗氧化性也较强。

研究[45]表明，各种木质纤维素材料是生产没食子酸和鞣花酸的良好基质，尤其是发酵农作物及果蔬加工副产物，如豆粕、高粱秸秆、玉米芯、麦麸、石榴籽等。郭丽等[42]以Lentinusedodes为菌种发酵蓝莓果渣，其总酚和没食子酸含量均先上升后下降，且发酵第8天达最大值；酚类化合物含量上升除基质结构变化释放酚类物质外，还可能是由于发酵微生物合成了可溶性酚类化合物；鞣花酸含量逐渐下降，可能归因于鞣花酸中含有许多易被氧化的酚羟基，发酵过程中被氧化消耗[79]。

2.2 对黄酮的影响

植物性加工副产物是潜在的生物活性物质黄酮的重要来源，主要包括柚皮苷、橙皮苷、大豆异黄酮和芦丁等[72]。具有清除自由基、抗氧化[73]、降低癌症和糖尿病发生率、预防心脑血管疾病和抗微生物等多种药理作用[74]。黄酮是酚类化合物的最大组成部分，根据中央三碳的氧化程度、是否成环、B环的联接位点等特点，可将黄酮分为黄酮类、黄酮醇类、二氢黄酮类、异黄酮类、黄烷类和花色素类等多种结构类型。

黄酮多以O-糖苷的形式存在，与葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖等结合，O-β-糖苷键主要通过微生物α-糖苷酶在肠道中水解产生苷元[75]。Fukumoto等[76]指出，与糖基化黄酮相比，苷元型的抗氧化活性较高。微生物在发酵过程中产生丰富的酶系，如纤维素酶、果胶酶、β-葡萄糖苷酶、柚皮苷酶和α-鼠李糖苷酶等[77]。其中，β-葡萄糖苷酶作用于黄酮C3和C7位置上的键，使葡萄糖基团游离出来，得到活性更高的苷元；而α-L-鼠李糖苷酶可特异性切割许多天然葡萄糖苷末端的鼠李糖基，如柚皮苷、芦丁、槲皮苷和橙皮苷等[78]，提升了天然黄酮的功能活性。豆粕经Bacilluspumilus、Bacillussubtilis或Aspergillusoryzae等菌株发酵后会使得糖苷型异黄酮(大豆苷、黄豆黄苷和染料木苷)代谢为游离型异黄酮(大豆苷元、黄豆黄素和染料木素)，提高豆粕营养品质[79]。此外，王露[50]用Monascusspp.和BacillusBS2混合发酵番石榴叶，相对于未发酵基质，其总黄酮、槲皮素与山奈酚含量分别增加了2.0，13.0，6.8倍。有研究[80]认为，这可能是由于糖苷类化合物首先被去糖基化形成槲皮素-3-O-葡萄糖苷和山奈酚-3-O-葡萄糖苷，再由这些菌株分泌的β-葡萄糖苷酶使位于3-O和7-O位置的葡萄糖基团游离出来，得到苷元型的槲皮素和山奈酚。

郭丽等[42]以Lentinusedodes为菌种发酵蓝莓果渣，发酵第12天时花色苷含量达最大值1.878 mg/g。这可能是因为在纤维素酶和果胶酶的作用下，果渣的细胞壁被破坏，从而附着在纤维素、果胶质上的花色苷被释放出来。Hugnh等[80]研究表明，通过微生物发酵从植物副产物中生产高活性的黄酮时，细胞壁与天然黄酮的相对位置是一个重要的考虑因素。只有已知结合的类型和糖苷键连接的位置，才可以更好地选择所需的酶或微生物，从而从植物性加工副产物中获取可利用性更强、活性更高的黄酮。

2.3 对植物多糖的影响

植物多糖又称植物多聚糖，是一类由醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成的天然高分子多聚物，也是植物体内非常重要的一种生物活性物质，具有免疫调节、抗癌、抗氧化、预防心血管疾病、护肝以及抗辐射等多重功效[81]。目前，主要用于植物多糖生产的菌种有Xanthomonas、Leuconostoc、Sphingomonas和Alcaligenesgenera等[82]。贾丰[59]以Saccharomyce为菌种发酵苹果渣，最后经超声辅助热水浸提法获得了3种苹果渣多糖：苹果原渣多糖、苹果酒渣多糖和苹果醋渣多糖，此3种多糖为非晶态物质，呈无定型态结构，具有一定的抗氧化性和良好的加工特性。米糠多糖是具有多种生理活性的功能因子，主要以半纤维素的形式镶嵌于稻谷颖果皮。张超杰[60]利用Fomitopsispinicola发酵制备米糠多糖，当米糠多糖中阿拉伯糖、木糖、半乳糖及甘露糖所占比重较大时，抗氧化性较强。史俊祥[61]利用SaccharomycescerevisiaeCGMCC 2.119等4种菌发酵麸皮，发现Saccharomycescerevisiae与Bacillussubtilis混菌发酵时的效果最好，麸皮多糖产量为44.55 mg/g，且Diquat诱导的Wistar大鼠机体的氧化应激反应在麸皮多糖粗制品的参与下可以得到有效缓解。王园等[83]利用Saccharomycescerevisiae与Bacillussubtilis混菌发酵得到麸皮多糖具有较好的抗炎活性。由于植物多糖的分子量、聚合度以及结构均能影响其生物活性，并且聚合度越高，越不利于多糖在生物体内发挥活性作用，甚至对机体产生毒害作用[84]。因此，将多糖降解为小分子片段，降低分子量是多糖及其产品开发急待解决的问题。

2.4 对其他生物活性物质的影响

2.4.1 植物色素 植物色素也是重要的生物活性物质之一，具有营养、保键、药用、着色作用等诸多功能活性，且食用安全，对促进人体健康有很大帮助[85]。Buzzini等[86]利用Rhodotorulaglutinis和Debaromycescastellii混菌发酵玉米糖浆(通过玉米淀粉的酸水解获得的工业副产物)可以有效提高类胡萝卜素产量。Miura等[87]研究证明，来自Erwiniauredovora的crtE、crtB、crtI和crtY以及来自Agrobacteriumaurantiacum的crtZ和crtW基因均可以生物合成类胡萝卜素，将这些基因簇移入食品级酵母Candidautilis，发现转基因酵母能获取更多的虾青素、β-类胡萝卜素和番茄红素。

2.4.2 单细胞蛋白 单细胞蛋白又称微生物菌体蛋白，含有丰富的蛋白质(占干细胞重量的60%～82%)、碳水化合物、脂肪、维生素和核酸等营养元素[88]。据报道[89]，酵母菌和类酵母菌株是利用植物性加工副产物(马铃薯渣、木薯渣和甘蔗渣等)生产单细胞蛋白最经济的菌种，其中甘蔗渣又成为被研究得最多的底物之一。Khan等[90]以Saccharomycescerevisiae为菌种发酵5种不同的果蔬加工副产物(香蕉皮、芒果渣、甜橙皮、石榴皮和苹果渣)，发现以香蕉皮作为基质时获取的单细胞蛋白含量最高，占粗蛋白含量的58.62%。

2.4.3 真菌毒素 作为一类生物活性物质，真菌毒素在农业上对害虫的生物防治起重要作用。Desgranges等[91]利用固态发酵技术通过植物性副产物废渣生产Beauveriabassiana以期获取真菌毒素杀灭害虫，其原理是Beauveriabassiana分生孢子附着在宿主表面建立病原性相互作用，随后真菌分泌一系列酶(几丁质酶、酯酶、蛋白酶和脂肪酶)渗透至害虫表皮并进入体内，最后毒素进入淋巴组织，破坏其免疫系统。

3 总结与展望

植物性食品加工工业中产生的大量副产物因其利用不足而造成的经济受损和环境破坏问题十分严峻。食品工业未来的发展方向必定在于寻求适宜的处理方式使这些有机副产物残渣变为低成本、高价值的产品。尽管现阶段各类生物活性物质的开发利用手段日益先进，但其食品安全问题仍需特别注意。如某些微生物在发酵过程中会产生有毒化合物，某些微生物蛋白可能会引起人体过敏反应，单细胞蛋白中的核酸会导致胃肠道疾病[91]等，因此还需进一步加强各类生物活性物质的体内外毒理学研究，才能有效明确食品工业中各类副产物固态生物转化工艺的实施手段，为从植物性加工副产物中获取的生物活性物质在食品保健、饲料研发、医药制品等诸多领域更深层次的开发利用提供理论依据。