发酵果蔬汁功能特性及生物转化研究进展

李瑞雪，于江傲，冉军舰*，段 旭，赵瑞香，焦凌霞，杜晗笑，庞 帅

（1.河南科技学院 食品学院，河南 新乡 453003；2.河南科技学院 资源与环境学院，河南 新乡 453003）

天然多酚是指分子结构中有若干个酚性羟基的植物成分的总称，广泛分布在植物来源的食品和饮料中（如水果、蔬菜、谷类、茶、咖啡、可可、葡萄酒和果汁）。许多研究表明，多酚类化合物可以预防多种退行性疾病，包括心血管和神经退行性疾病及癌症的风险[1-4]。

发酵果蔬汁富含天然多酚，酚类物质按照化学结构可分为黄酮类和非黄酮类；按其结合状态可分为游离酚、结合酚和酯化酚等[5-8]。由于天然多酚类化合物具有多种生理活性，例如抗氧化性、抗肿瘤、抗动脉硬化等作用，部分多酚还具有雌激素拮抗作用。发酵果蔬汁中的天然多酚类化合物在体内经过一系列化学变化并且形成其衍生物以及分解物的过程称为生物转化，也叫代谢转化[9-12]。

生物利用度被定义为人体通过吸收某种物质用于人体生理功能或贮存的比例[13]。发酵果蔬汁中富含丰富的多酚成分，但是大量的多酚进入人体后，被消化吸收的仅有一小部分，造成大量的多酚成分浪费。因此，如何提高天然多酚的生物利用度，受到了专家学者们的重视[14-18]。大量研究表明，乳酸菌发酵产物，如乳酸、β-葡萄糖苷酶和β-半乳糖苷酶等。这些产物促进果蔬制品中多酚成分的生物转化，可以提高多酚类化合物的生物利用度[19-20]。为促进多酚类物质生物转化相关领域的研究，本文对乳酸菌发酵果蔬汁提高果蔬中天然多酚的生物利用度进行了综述，以期为开发益于人体健康的发酵果蔬汁提供依据。

1 乳酸菌发酵果蔬汁的功能特性

乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）是一种益生菌，因其能将碳水化合物发酵成乳酸，因而得名。乳酸菌主要包括乳杆菌属、链球菌属、双歧杆菌属、片球菌属和明串珠菌属等。乳酸菌对人们身体健康非常重要，是人体肠道内最重要的益生菌群，具有多种生理功能，包括：①能将乳糖转化成乳酸，促进人体乳糖吸收，避免乳糖不耐受症[21]；②乳酸菌能促进人体蛋白质、钙、镁等营养物质的吸收，产生维生素等有益物质[22]；③能够清除人体自由基，增强抗氧化性，抗衰老作用等；④具有调节人体胃肠道功能特性，保持人体肠道菌群均衡[23]；⑤在人体内能够抑制胆固醇吸收、降血压和降血脂等作用[24]；⑥增强人体免疫力和抵抗力[25]。大多数的乳酸菌在世界范围内被公认为“generally recognized as safe（GRAS）”等级的食品微生物[26]，已广泛应用于食品发酵工业的各个方面。乳酸菌还可以作为天然防腐剂，避免工业防腐剂添加；发酵后pH 值降低，使维生素等在酸性环境较稳定的营养物质更易保存[27-31]。我国水果蔬菜资源丰富，但是具有时令性和贮藏加工能力较差等缺点，造成部分果蔬原料浪费的情况。通过乳酸菌发酵果蔬汁，不仅解决了资源浪费，而且发酵果蔬饮料作为当前新兴的的绿色健康饮品，已然成为了新的经济增长点[32-34]。

1.1 调节胃肠道菌群

乳酸菌发酵果蔬汁的一个最重要的功能特性就是调节人体肠道菌群，抑制人体肠道内有害菌的繁殖。乳酸菌发酵果蔬汁中的多种微生物可分泌维生素、有机酸、酶和无毒的抗菌物质来改善肠道微生态[35]。王报贵等[36]研究发酵泡菜中乳酸菌对非酒精性脂肪肝病的小鼠肠道菌群稳态的影响，发酵泡菜中分离出来的菌株经16S rDNA分子生物学特征鉴定为植物乳杆菌，将两组小鼠别用磷酸盐缓冲溶液（phosphate buffered saline，PBS）和菌液进行灌胃，检测粪便菌种多样性。结果表明，经过菌液进行灌胃的小鼠粪便中双歧杆菌与乳杆菌含量显著提高（P＜0.05）；肠球菌、肠杆菌和脆弱拟杆菌的含量降低。曲巍等[37]研究发现，采用高通量测序技术分析复合益生菌对小鼠肠道菌群失调症状具有调节作用。靳志敏等[38]通过研究对小鼠灌胃不同剂量的植物乳杆菌X3-2B对小鼠肠道菌群的调节作用，结果表明，小鼠肠道菌群中，肠杆菌和肠球菌含量显著降低（P＜0.05），说明植物乳杆菌对肠道内致病菌有一定抑制作用，以及对肠道微生态具有调节作用。

1.2 免疫调节作用

乳酸菌发酵果蔬汁中的微生物能在人体肠道内繁殖，刺激腹膜内的巨噬细胞，使之产生干扰素，从而发挥吞噬作用，巨噬细胞通过吞噬、摄取和消灭感染的细胞、病毒以及损伤的细胞、衰老的红细胞以促进细胞分裂，增强机体免疫力[39]。陈丽娥等[40]从西北地区泡菜等传统食物中提取的乳酸菌中，发现发酵乳杆菌691能够使免疫力低下小鼠免疫力显著提高，该菌株使免疫力低下小鼠的胸腺指数与脾脏指数显著提高。王喆等[41]研究发现，植物乳杆菌TD109具有免疫调节作用，该菌株从西藏传统乳制品中分离得来，研究结果表明，灌服TD109的小鼠免疫脏器比其他组小鼠的免疫脏器发育得到了显著的促进，小鼠血清中的白介素-2（interleukin-2，IL-2）和干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）质量浓度显著提高，肿瘤坏死因子显著降低，表明植物乳杆菌TD109通过促进小鼠免疫脏器发育以及血清中IL-2和IFN-γ增加、肿瘤坏死因子降低来提高免疫功能。

1.3 抗氧化作用

乳酸菌发酵果蔬汁的抗氧化作用对延缓机体衰老具有重要作用，陈亚楠等[42]对植物乳杆菌发酵的陈皮柑饮料进行抗氧化能力检测，结果表明，该饮料对2,2'-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（2,2'-azino-bis-（3-ethylbenzthiazoline-6-sulfonate），ABTS）自由基和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基的清除率分别为99.14%和93.58%，说明发酵陈皮柑饮料具有很强的抗氧化能力。高洁[43]在乳酸菌发酵酸浆果汁的研究中，进行了发酵酸浆果汁与酸浆果原汁的抗氧化能力测定，结果表明，当发酵酸浆果汁与酸浆果原汁对ABTS自由基与羟自由基清除率达到50%时，体积分数分别为2.297%和3.553%，12.56%和24.68%，说明发酵后的酸浆果汁对ABTS自由基和羟自由基的清除能力比酸浆果原汁强，进一步说明了发酵酸浆果汁的抗氧化能力强。HASHEMI S M B等[44]研究植物乳杆菌LS5发酵甜柠檬汁，结果发现，甜柠檬汁经植物乳杆菌LS5发酵后，DPPH自由基清除能力显著增加（P＜0.05）。柠檬汁的抗氧化活性显著提高。MOUSAVI Z E等[45]研究结果表明，植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌能够在石榴汁中生长并代谢酚类化合物，发酵可提高果汁的清除自由基的作用。自由基清除效果的改善可能与酚类化合物自由形式的增加以及通过发酵产生其他副产品有关。

1.4 其他作用

除此之外，乳酸菌发酵果蔬汁还有降低胆固醇、抗疲劳、增加营养风味的作用。降低胆固醇作用机制可能是乳酸菌发酵过程中产生了利于人体吸收利用的活性物质[46]；抗疲劳作用机理可能是发酵过程中产生可以改变人体能量代谢的活性物质[47]；乳酸菌发酵过程中产生的各种酶可以增加果蔬汁的营养风味[48]。

2 微生物对天然多酚化合物生物转化影响

多酚对人体的健康益处已在许多流行病学和营养学研究中得到证实，可预防多种退行性疾病，包括心血管和神经退行性疾病，还可预防一些癌症[49]。多酚类化合物一般被分为3大类：①小分子酚酸类物质，如绿原酸、水杨酸、阿魏酸和桂皮酸等；②单宁，大部分是多酚的聚合物，又分为缩合单宁和水解单宁，缩合单宁是由黄烷醇类物质链接而形成不同聚合度的多酚，也叫原花色素，水解单宁是由没食子酸与葡萄糖等糖类上的羟基成酯而形成；③多羟基黄酮类，一类为花色苷，另一类为黄酮及其糖苷[50]。存在于植物性食品中的大量多酚，如绿原酸、咖啡酸、阿魏酸和芦丁，可到达结肠区域，被肠道菌群代谢，从而生成各种较简单的可吸收酚类化合物[51]。

2.1 多酚类化合物的生物利用度

多酚在常见的苹果、梨等水果中含量高达200～300 mg/100 g，多酚总摄入量通常可达1 g/d。根据不同的多酚类物质，人体摄取50 mg多酚后，血浆中总代谢物含量为0～4 μmol/L，在排泄物中含有摄入剂量的0.3%～43%[52]，由此可见，多酚虽然在食物中含量高，但是因其低水溶性、低稳定性以及被动扩散的方式，导致人体对多酚的利用度却很低。S′WIECA M等[53]在研究咖啡酸生物利用度中，在面包中加入5%的咖啡酸，利用体外消化模型进行试验，结果表明，面包中的咖啡酸、香草酸等物质使其具有高抗氧化活性，但是生物利用度比较低。多酚是一类生物活性物质，生物利用度低，代谢强度大。一些研究表明，多酚类物质的剂量可能是决定其生物利用度的因素，这意味着与低剂量相比，高剂量的多酚类物质有时会产生不同的效果[54]。此外，有报道表明，膳食多酚可被益生菌代谢，释放芳香烃和小酚酸，从而改变黄酮的生物活性和生物利用度[55]。

2.2 肠道菌群对多酚类化合物转化的影响

人类的肠道菌群是由500多种细菌组成的，其中99%以上是厌氧菌。肠道菌群总生物量达100万亿，能够产生对寄主的营养和健康有重要影响的酶，并参与其代谢活动[56]。成人肠道微生物群的代谢能力可高达肝脏代谢率的100倍。因此，肠道微生物群对食物中各种化合物的代谢非常重要，对其中许多人来说，肠道微生物转化在其体内发挥的作用至关重要[57]。人体肠道微生物菌群具有广泛的水解活性，当多酚到达结肠时会被肠道菌群产生的酶分解，从而提高多酚在体内的生物利用度。这些酶负责O-葡萄糖苷水解从而释放苷元，并且使芳香环中碳碳键裂解，导致化学结构变化，与天然化合物相比，产生更小的具有高抗氧化活性的代谢物[58]。此外，多酚在肠道中可分解为较小的酚酸，以便于在肠黏膜中吸收。HIGDON J V等[59]研究发现，表儿茶素的共轭形式在胆汁中排除，然后到达大肠，被大肠菌群进一步代谢转化。多酚类化合物在肠道内通过微生物产生的酶进行类似的代谢转化，并释放出代谢产物；同时，每种酚类化合物在不同人群之间的健康效应不同，是肠道微生物生态个体间差异性决定其吸收的结果[60]。

2.3 乳酸菌对多酚类化合物生物转化的影响

乳酸菌可以促进果蔬制品中多酚成分的生物转化，提高多酚的生物利用度[61]。乳酸菌的发酵产物中的β-葡萄糖苷酶通过催化糖苷键的水解，从β-葡萄糖苷的非还原端除去吡喃糖残基，从而提高多酚类葡萄糖苷的生物利用度[62]。REKHA C R等[63]研究发现，发酵豆乳中产生β-葡萄糖苷酶的乳酸菌对异黄酮糖苷生物转化为苷元、矿物质和维生素来提高生物利用度。PARK SB等[64]在研究乳酸菌生物转化绿茶提取物的试验中得出结论，发酵茶经过乳酸菌的发酵，其中表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素和表儿茶酸的含量降低，使酚类化合物的利用度提高。LEE H J等[65]在乳酸菌发酵桑叶提取物的研究中，得出乳酸菌发酵的桑叶提取物中，总多酚、总黄酮和绿原酸含量高于未经发酵的桑叶提取物。YE J H等[66]在乳酸菌发酵转化西兰花菜汁中酚类化合物的研究中发现，西兰花样品中总酚含量为289 μg/g，经发酵后西兰花中总酚含量显著升高，其含量为903～3 105 μg/g，发酵后生成的根皮酸含量为624～2 727 μg/g，是其总酚含量增加的原因。

2.4 乳酸菌发酵对多酚类化合物抗氧化活性的影响

乳酸菌发酵果蔬汁过程中代谢产物的变化也会影响抗氧化活性。乳酸菌发酵主要以多酚和多糖为底物，将其转化为酚酸和乳酸，从而降低果蔬汁pH值。pH值与微生物生长以及植物化学物质的结构变化有关，pH值的变化可以通过改变抗氧化化合物如花青素、儿茶素、维生素C等的含量和结构来影响抗氧化活性[67]。MOUSAVI Z E等[68]对嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌发酵石榴汁的抗氧化活性变化研究中发现，鲜石榴汁中的花青素通常与糖发生糖基化反应，经过发酵对糖的消耗会导致游离羟基和相关苷元的释放，从而提高酚类化合物的生物利用度以及抗氧化活性。HE L等[69]在干酪乳杆菌对桑叶青贮饲料抗氧化活性与化学成分的研究中发现，经干酪乳杆菌发酵处理的桑叶中，总黄酮含量与抗氧化活性明显增加。SUTHANTHANGJAI W等[70]从黑比诺葡萄皮中提取的具有代表性的花青素采用植物乳杆菌WCFS1进行发酵，其主要代谢产物为没食子酸和原儿茶酸，转化率高、抗氧化活性增强。LEE M等[71]研究发现，用嗜热链球菌S10发酵的黑豆奶将大豆苷元和染料木素进行转化，发酵过后黑豆奶中总酚含量、DPPH自由基清除率和还原力均有所提高。一般来说，包括类黄酮在内的许多多酚类物质都以糖苷的形式存在，发酵可以引起糖苷的生物转化，可以通过增加植物性食品中黄酮类化合物的释放来提高抗氧化活性，是增加天然抗氧化物质的有效方法[72]。

2.5 研究现状中的不足

目前，乳酸菌对多酚类化合物的代谢转化研究主要集中在黄酮类成分，对其他多酚种类的研究相对较少。乳酸菌利用不同的多酚类化合物为底物，代谢产物不同，对人体产生的影响也不同。在有微生物发酵参与的多酚类化合物生物转化的过程中，多酚类成分的转化产物大都还未被确定，需要研究人员通过更先进的仪器设备和研究手段，如超高效液相色谱-四极杆-飞行时间串联质谱和全二维气相色谱-飞行时间质谱等分析检测仪器来发现多酚类成分的衍生物成分。乳酸菌发酵代谢转化多酚类化合物的代谢机制也是需要未来通过代谢组学等技术手段攻克的难题之一。另外，酚类化合物通过肠道微生物群转化为酚酸或内酯结构，结肠是微生物发酵的主要场所，代谢物在血浆中循环，通过尿液排出。肠-肝循环确保它们在血浆中的停留时间比母体化合物延长，因此这些代谢物可能会产生全身效应，但这些效应尚未得到充分研究。乳酸菌发酵果蔬汁中多酚物质生物利用度提高的研究多为实验室条件下进行，并不适用于大规模工业生产，乳酸菌发酵果蔬汁在工业上的应用仍亟待解决。

3 结论与展望

传统的果蔬汁产品缺乏发酵特有风味，同时果蔬汁中的多酚成分消化吸收率低，造成资源浪费。果蔬汁是乳酸发酵的适宜底物或益生菌载体，活性乳酸菌与水果和蔬菜的特性相结合，具有许多营养优势。经过乳酸菌发酵的果蔬汁中多酚类化合物在发酵和在人体肠道内被代谢转化为小分子代谢产物，从而提高生物利用率，增强机体抗氧化能力和免疫调节功能。乳酸菌发酵果蔬汁中提高多酚类化合物的代谢转化和生物利用度的研究，仍然是未来需要面对的难题，多酚类化合物的代谢转化仍不充分，生物利用率还有进一步提高的空间。