微生物发酵法降解谷物中抗营养因子的研究进展

花蕴，黄昆仑，梁志宏*

1(中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京，100048) 2(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心(中国农业大学)，北京，100048)

谷物(cereals and legumes)是以食用为目的的植物种子和果实，全世界有30多种[1]。抗营养因子(anti-nutritional factor)在谷物生长代谢过程中产生，可以保护谷物免受部分病虫侵害，但当人或禽畜摄食过多抗营养因子时，会影响消化吸收的功能，甚至不利于生长健康[2]。谷物中主要的抗营养因子包括胰蛋白酶抑制剂(trypsin inhibitor)和植酸(phytic acid)、非淀粉多糖(non-starch polysaccharides)、植物凝集素(lectin)等。在处理阶段，为了提高谷物原料及其加工制品的安全性，改善营养价值，提高产品质量，使其中的抗氧因子失活是重要步骤。目前已开发出许多不同的方法来消除或失活这些抗营养因子，主要包括物理失活、化学失活以及生物降解3类方法。

物理失活法是一类比较常用的手段，对于植物凝集素、胰蛋白酶抑制剂等热不稳定性的抗营养因子，可通过加热使其失活，热处理的失活效果往往和处理时间、外加压力及样品种类等因素有关[3]。热稳定的抗营养因子，如植酸、单宁等，可采用去皮、浸泡和研磨等手段减少其含量[4]。物理失活法操作简单，但处理过程会破坏谷物的营养成分。化学失活法是用化学试剂处理谷物，破坏抗营养因子的结构或断裂维持结构的化学键，使其失活。抗坏血酸、CuSO4、FeSO4和尿素等物质处理谷物，均能令胰蛋白酶抑制剂失活[5-6]。化学失活法虽操作便利、失活效果好，但化学试剂可能残存在原料中，造成污染。

与物理法和化学法相比，通过生物制剂降解抗营养因子相对安全且适用范围更广，生物法包括酶解法和微生物发酵法。酶解法是利用酶水解抗营养因子，使其含量降低。目前已发现碱性蛋白酶和中性蛋白酶都有降解大豆胰蛋白酶抑制剂的活性[7]，植酸酶处理米糠和麦麸可有效降低植酸含量[8]。但酶解法的酶解产物单一，想达到降解多种抗营养因子的效果，则需多种酶剂。微生物发酵法是利用微生物特定的代谢途径和代谢产物将抗营养因子分解。与酶解法相比，微生物发酵过程中代谢产物多样、所产酶系复杂，在降解抗营养因子的同时，其他大分子营养物质被分解，提高消化率。由于发酵过程中产生了芳香物质，发酵谷物会被赋予更多风味[9-10]，因此利用微生物发酵法处理谷物更具优势。本文主要综述了利用微生物发酵降解抗营养因子的发酵工艺和各类抗营养因子降解效果的研究进展。

1 微生物发酵法降解抗营养因子的发酵工艺

1.1 微生物发酵法运用的菌种

微生物发酵法需在原料中添加指定菌种，在适宜的条件下让其生产繁殖、积累菌体和产生代谢产物，目前，常用于降解抗营养因子的菌种包括芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌和部分霉菌等。在生产研究中，除利用单一菌种发酵外，也会选择2种及2种以上菌株进行混合发酵，各类谷物的发酵菌种选择见表1。

表1 不同谷物的发酵菌种及发酵效果Table 1 The fermentation strains and fermentation effects of different cereals and legumes

1.2 微生物发酵法的发酵工艺

研究发现，降解谷物抗营养因子的效果除与发酵菌种有关外，发酵工艺也对结果有很大影响。刘家维等[16]分别用液态发酵和固态发酵2种发酵方法对豆粕进行处理，比较发现，虽固态发酵也获得了比较理想的效果，但液态发酵对胰蛋白酶抑制剂的消除作用更好。李文立等[23]利用枯草芽孢杆菌、酵母菌和乳酸菌组合发酵豆粕，随着豆粕含水量增加和发酵时间延长，胰蛋白酶抑制剂活性迅速下降后趋于稳定。但随发酵温度升高，胰蛋白酶抑制剂活性先升高后下降。EGOUNLETY等[24]发现，大豆中胰蛋白酶抑制剂含量在发酵12 h时最低，随后随着发酵时间的延长其含量又略有增加。崔晨晓等[25]用酵母菌发酵小麦麸皮，发酵12 h后多酚含量明显增加，在36 h时多酚含量最高，之后持续发酵多酚含量反而降低。

2 微生物发酵法降解抗营养因子

2.1 微生物发酵法降解胰蛋白酶抑制剂

胰蛋白酶抑制剂在豆类中含量丰富[26]，会抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性，影响蛋白质水解。食用过多胰蛋白酶抑制剂含量丰富的食物，会降低生物体对营养物质的消化吸收，甚至造成胰腺肥大或增生[27]。因胰蛋白酶抑制剂的结构中存在二硫键，加热处理通常不能有效消除活性。但大多数大豆制品经发酵后都只含少量胰蛋白酶抑制剂[28]。ZHENG等[29]将具有高蛋白酶活性的暹罗芽孢杆菌，以10∶1(mL∶g)的比例接种在未灭菌的豆粕中，发酵24 h后，豆粕的蛋白结构变为相对较小的聚集体和较松散的网络状，胰蛋白酶抑制剂含量降低70.3%。和豆类的结果相似，RANJAN等[11]在脱油米糠中接种米根霉，固态发酵3 d后胰蛋白酶抑制剂活性显著降低。小麦蛋白可诱导小鼠出现免疫原发性肠功能障碍，CAMINERO等[30]筛选出具有高水解胰蛋白酶抑制剂能力的乳酸杆菌，并用可被该菌发酵的麦麸喂养小鼠，小鼠的肠功能障碍得到缓解，这证实了微生物发酵法可以改善麦麸抗营养性。

2.2 微生物发酵法降解植酸

植酸是谷物及坚果中磷的主要存在形式，目前仅在植物来源的食物中发现，肌醇磷酸酯和肌醇多磷酸酯是植酸最主要的形式[31]。植酸的抗营养作用主要表现在易与Ca2+、Fe3+和Zn2+等结合，导致矿物质不能被吸收，出现缺乏症状[32]。有学者认为，微生物发酵降低植酸含量的原因是发酵导致pH下降到植酸酶最适pH，高活性的植酸酶加快了对植酸的分解[33]。CIZEIKIENE等[34]利用乳酸菌替换酵母菌对黑麦面团进行发酵，然后将面团制成面包，并模拟胃肠道pH进行体外实验，结果表明，发酵面包中Fe、Zn、Mn、Ca和P等矿物质的溶解度平均提高30%，推断发酵过程中植酸被降解。另一种被广泛接受的观点认为，植酸含量降低是由于发酵过程中微生物产生了植酸酶[35]。JAIN等[36]运用枯草芽孢杆菌JJBS250处理小麦粉24 h后，植酸含量降低了55%，经SDS-PAGE证实，可溶性蛋白的释放量是在处理过程中逐步升高的。由此可见，芽孢杆菌极有可能在发酵过程中分泌植酸酶，并非只有产酸菌种会导致植酸失活。

2.3 微生物发酵法降解非淀粉多糖

谷物中的非淀粉类多糖是一种多糖聚合体，由糖苷键将糖醛酸和单糖连接起来，也可以形成支链结构，并与无机离子和蛋白质相结合。这些多糖难以被单胃生物的消化系统消化吸收，容易造成食糜在消化道内堆积，干扰消化酶正常功能，导致肠道微生物紊乱[19]。已经证明，乳酸菌发酵可以减少谷物中非淀粉多糖的含量。EJBY等[37]发现双歧杆菌对木聚糖及被阿拉伯糖基修饰的木寡糖表现出广泛的特异性，并可利用木三糖和木四糖。REFSTIE等[38]的研究证实了棉子糖也可被乳酸菌利用，饲料豆粕经乳酸菌发酵后棉子糖含量降低。除乳酸菌外，芽孢杆菌、霉菌等微生物对糖类抗营养因子也具有降解能力。张变英等[39]用黑曲霉对小麦进行固态发酵，发酵后提取液的相对黏度和戊聚糖含量都有所下降。

2.4 微生物发酵法降解凝集素

植物凝集素是一种糖蛋白，易附着在红细胞上引起凝集反应。富含植物凝集素的食物经过消化道，其中的凝集素与肠上皮细胞结合，影响肠上皮细胞的物质运输和水解功能，阻碍肠道对营养物质的吸收，引发全身性的反应[40]。由于凝集素具有明显热敏性，热加工或熟制过程即可消除其生物活性，不需要采取其他处理，因此，利用微生物发酵消除植物凝集素的研究相对较少。在已有研究中，关于植物凝集素在微生物发酵过程中是否降解有不同说法，BARKHOLT等[41]认为乳酸菌发酵对豆类凝集素没有任何影响，但是付弘贇等[42]发现蜡样芽孢杆菌和植物乳杆菌混合发酵36 h，对豆类凝集素的消除作用显著。

2.5 微生物发酵法降解其他抗营养因子

除上述抗营养因子外，谷物中还存在一些含量较少或范围较小的抗营养因子，如过敏原、单宁等。β-伴大豆球蛋白是一种大豆中的抗原蛋白，可以穿过消化道上皮细胞，或与表面受体结合，产生特异性抗体，释放炎性因子，影响肠道的消化功能和通透性，导致过敏反应[43]。AGUIRRE等[44]发现乳酸菌可以降解β-伴大豆球蛋白的α′-亚基。单宁在小麦、玉米、大麦和粟米中含量丰富，动物摄食后会抑制消化酶活性，减少蛋白质的分解，影响摄食量[45]。有学者认为乳酸菌发酵可以水解谷物中的单宁和植酸[46]。发酵引起的单宁含量降低可能是由于菌群产生多酚氧化酶或单宁酶，对单宁产生了水解作用。但是由于不同微生物产生单宁降解酶的过程存在差异，而且也有研究发现，微生物发酵对单宁物质的降解作用并不明显。ELYAS等[47]研究发现，在室温下发酵36 h并不会导致小米发酵样品的单宁含量发生变化。

3 总结与展望

综上所述，微生物发酵法被广泛用于谷物抗营养因子的降解，对实际生产也发挥着极其重要的作用。其降解原理可以归结为：在发酵过程中微生物产生的酶类可以水解这些抗营养因子；发酵过程导致pH变化，对酸碱敏感的物质变性，谷物自身的部分酶系被激活，从而消除了抗营养作用；在微生物的生长繁殖过程中，部分蛋白类、多糖类的抗营养因子被用于微生物的生理代谢活动。与物理、化学方法相比，微生物发酵法的降解效果更显著，适用于各类抗营养因子。此外，微生物发酵还能将大分子物质降解成更易消化的小分子，积累微生物有益的代谢产物，提高谷物消化率，加强营养价值，改善口味口感。

但是微生物发酵法目前也面临着处理时间长、处理设备复杂等问题，其中部分菌种的安全性也仍需评定，且在培养和发酵过程中，微生物菌剂的活性很难控制和保证，难以达到稳定、一致的效果。OSMAN[48]的研究发现，经传统乳酸菌发酵后的粟米样品，单宁含量会随着发酵过程的进行出现先升后降的现象。因此，寻找安全、稳定、能同时消除多种抗营养因子的发酵菌种、选择快速、合适并易于操作的发酵方式以及将微生物发酵法运用到更多品种谷物中，将是微生物发酵法降解谷物抗营养因子的未来发展方向。