发酵果蔬营养组分与健康功效的研究进展

杨景惠,孙郡,宋勋禹,陈芳,马晨

(中国农业大学 食品科学与营养工程学院,北京,100080)

果蔬营养丰富,能提供维生素、矿物质等人体必须营养素,同时富含膳食纤维、酚类化合物和生物碱等功能物质,具有良好的抗氧化、抗炎、提高免疫力和预防慢性疾病等功效。流行病学研究表明,膳食果蔬可以有效降低哮喘和过敏,预防和治疗糖尿病、癌症和心脑血管疾病等慢性疾病[1-2]。随着人们生活品质的提高,绿色、健康、营养的果蔬制品受到众多消费者的喜爱,发酵果蔬以其独特的品质优势受到广泛关注。发酵果蔬是以水果与蔬菜为原材料,经过微生物发酵而成的食品,常用于发酵果蔬的微生物有乳酸菌(如乳杆菌、双歧杆菌)和酵母菌。微生物发酵果蔬产酸、生香,赋予食品不同的风味口感。通过发酵,果蔬中的营养物质被最大程度地保留,并且发酵过程中微生物代谢出多种生物活性化合物,有效增强果蔬制品的功能特性。乳酸菌发酵提高了桑葚汁、针叶樱桃和番石榴果实工业副产品中酚类和黄酮的含量,增强了水果产品的自由基清除能力[3-4]。发酵枣汁中γ-氨基丁酸、短链脂肪酸、共轭脂肪酸的含量显著提高,体外实验证实发酵枣汁具有良好的肠道微生物调节能力[5]。大量研究发现,发酵果蔬具有调节肠道菌群、提高免疫力、调节血糖血脂等健康功效。

1 发酵果蔬营养组分

发酵过程中,微生物利用果蔬中的营养物质进行自身代谢,通过不同微生物之间、微生物与营养物质之间复杂的作用,生成多种代谢产物,影响果蔬的货架期、风味口感和营养价值。果蔬发酵过程产生大量有机酸,降低体系pH值,干扰有害微生物细胞膜电位,抑制其代谢功能,因此具有良好的抑菌作用。乳酸菌代谢也可产生多种抗菌活性成分,如细菌素、酚类化合物、H2O2、抗菌肽、胞外多糖等,抑制果蔬贮藏过程中有害微生物的生长[6]。因此,果蔬发酵被认为是一项提高食品安全性、延长产品保质期的有效策略。

微生物发酵是一个生成多种次级代谢产物的过程,发酵前后果蔬中的风味物质种类和含量均会发生变化[7],显著改善果蔬的感官特性。果蔬发酵过程微生物水解果蔬汁中的多酚、硫代葡萄糖苷、多肽、代谢酶等,产生醇、酯类等一系列香气物质,同时能够减少植酸、单宁等不良风味化合物的含量[6],有机酸的生成也赋予了果蔬不同的风味口感。研究发现,石榴汁发酵后风味物质种类增加,产生异味的饱和直链醛类物质含量降低,呋喃类物质含量减少,醇类、酮类、烯烃类、萜烯类和苯衍生物含量升高,提高了石榴果实的水果香气,有效改善了石榴汁的风味[8]。经4种乳酸菌发酵后的苹果汁,多数与苹果典型香气相关的挥发性化合物在贮藏期间得以保留,发酵也使苹果汁生成了新的化合物如乙醛和酮类化合物,增加了果汁中的芳香族成分[9]。张赛[10]发现复合菌种发酵枣浆中绝大多数挥发性物质呈上升趋势,其中醛类和醇类物质香气贡献最大。植物乳杆菌(Lactiplantibacillusplantarum)发酵苦瓜汁改变了果汁的香气特征,通过减少醛和酮类物质,增加醇和酸类物质,提高了苦瓜汁的风味[11]。利用耐乙醇的醋酸菌发酵西瓜汁可以提高果醋中的有机酸、游离氨基酸和酯类化合物含量,改善西瓜醋风味、口感和整体风味接受度[12]。4种乳酸菌混菌发酵刺梨果渣能够增强其果香,减少刺激性涩味,改善产品风味[13]。

发酵过程中,微生物的代谢活动使果蔬中多酚类化合物、胞外多糖、氨基酸和维生素等生物活性物质含量增加,提高了果蔬的功能特性。如表1所示,近年来国内外研究人员进行了大量工作,探讨了不同果蔬发酵菌种及发酵果蔬营养特性。乳酸菌混菌发酵提高了针叶樱桃和番石榴果实工业副产品中黄酮和总酚的含量,并改变了酚类化合物的组成[3]。乳酸菌发酵使番茄浆中番茄红素、β-胡萝卜素含量显著增加,并且促进了顺式番茄红素异构体含量的增加,增强其生物利用度[14]。胞外多糖是乳酸菌在发酵过程中产生的糖聚合物,具有多种健康作用,例如抗氧化、抗微生物、免疫调节、降胆固醇、抗糖尿病和抗肿瘤等。γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)是一种在人体中具有生理功能的非蛋白质氨基酸,是哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经递质,具有降血压、镇静安神、免疫调节等功效。研究发现,发酵过程中乳酸菌能够利用谷氨酸脱羧酶催化L-谷氨酸或者其他盐类生成GABA[15]。短乳杆菌(Lactobacillusbrevis)发酵红枣汁60 h后,红枣汁中GABA的含量从58.70 mg/mL增加到288.04 mg/mL,提高了3.9倍[16]。荔枝汁由植物乳杆菌发酵24 h后,GABA含量由1.33 mg/kg增加至1.87 mg/kg,提高了40%,除植物乳杆菌本身能够产生GABA,发酵创造的酸性低氧条件能增强果蔬组织通透性使荔枝组织中的GABA更好地溶出[17]。在发酵过程中,许多必需维生素,如维生素B2(核黄素)、维生素B9(叶酸)、维生素12(钴胺素)或维生素K含量显著增加,这些维生素参与维持人体的多种基本功能,如核酸合成、细胞代谢、心血管和骨骼健康等[18]。发酵微生物可以将复杂的化合物转化为具有更高生物活性的代谢物。例如,复杂的多酚和类黄酮被酶水解成具有更高抗氧化活性和生物利用度的成分。抗营养因子的存在可能会降低机体对矿物质、蛋白质和碳水化合物的生物利用度,发酵可以作为中和食品中抗营养因子的方法。研究表明,发酵能够减少植酸盐、草酸盐和单宁的含量以及增加植物和谷物产品中矿物质的生物利用度,促进微量营养素的吸收[18]。

表1 不同果蔬发酵菌种及营养特性Table 1 Fermentation strains and nutritional properties of different fruits and vegetables

2 发酵果蔬的功能特性

2.1 调节肠道微生态

肠道是人体中最重要的器官之一,肠道健康对于机体代谢、免疫等功能的正常运行具有重要意义。果蔬中富含植物性膳食纤维、有机酸和低聚糖等,能够促进胃肠道对食物的消化吸收、增强胃肠道蠕动能力及调节肠道菌群平衡,有效改善胃肠道功能。同时,发酵果蔬中包含多种益生菌及其代谢产物。益生菌与肠道黏膜上皮细胞形成占位保护,抑制病原体在肠道表面的黏附,具有生物屏障作用,益生菌在肠道内定殖后,代谢产生短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、黏性多糖和多肽等生物活性物质,能够有效改善便秘、缓解结肠炎、预防和治疗消化道炎症等[30]。水果酵素喂养可以提升小鼠胃肠动力和肠道机械运动[31]。鼠李糖乳杆菌(Lactobacillusrhamnosus)、干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei)、植物乳杆菌等乳酸菌单菌和混菌发酵果蔬乳饮料均能有效促进便秘小鼠排便,其中混菌发酵组在促进小鼠排便、抑制肠道病原菌、调节肠动力神经递质上有最佳的效果[32]。发酵荔枝可以保护肠道并改善小鼠肠道菌群组成,其灌胃小鼠肠道中厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度显著增加,粪杆菌属(Faecalibaculum)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和阿克曼氏菌(Akkermansia)显著增加[27]。羊栖菜酵素灌胃小鼠组粪便中有益菌乳杆菌属和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等丰度升高,有害菌拟杆菌属(Bacteroides)、幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)等丰度下降,表明羊栖菜酵素能够有效调节小鼠肠道菌群[33]。

2.2 抗氧化

自由基的过量产生可能导致多种连锁反应(如脂质降解、炎症过程和/或DNA损伤),最终导致细胞损伤和死亡。因此,自由基水平和细胞抗氧化能力之间的平衡具有重要意义。微生物发酵能显著提高发酵体系中的自由基清除能力和超氧化物歧化酶活力水平[34]。酚类物质广泛存在各种果蔬中,可作为还原剂、自由基清除剂和单态氧猝灭剂,有效防止机体细胞和生理水平的氧化[35]。研究表明,较高的自由基清除能力与较高的酚类物质含量间表现出正相关性。微生物发酵增加了果蔬中酚类化合物的种类和含量,增强其抗氧化能力。与未发酵果汁相比,植物乳杆菌发酵提高了石榴汁的总酚含量和抗氧化特性[36]。蓝莓汁经过植物乳杆菌J26发酵后,酚类化合物含量增加43.42%,花青素含量增加15.38%,对DPPH、超氧阴离子和·OH 3种自由基的清除能力以及缓解H2O2导致的CaCo-2细胞氧化损伤能力显著提高[20]。曹雪丹等[37]选用副干酪乳杆菌(Lactobacillusparacasei)发酵瓯柑汁10 d,瓯柑汁内总酚含量显著升高。发酵过程中,微生物的代谢活动可产生酚酸脱羧酶、还原酶等酶,将果蔬中的酚酸物质转化为一系列具有更高生物活性的衍生物[38]。乳酸菌发酵增加了西印度樱桃和番石榴副产物中具有高自由基清除活性的酚类成分,增强了水果副产品的抗氧化活性[3]。采用植物乳杆菌发酵苹果汁,发酵后具有强抗氧化能力的根皮素、槲皮素和5-O-咖啡酰奎尼酸等酚类成分含量显著增加,发酵苹果汁DPPH自由基清除能力、ABTS阳离子自由基清除能力和对Raw 264.7细胞模型的抗氧化能力均显著提高[39]。在枣泥发酵过程中,对香豆酸和阿魏酸几乎完全代谢,而原儿茶酸、对羟基苯甲酸和芦丁增加[5],发酵枣泥的抗氧化性显著增加。有研究表明,植物乳杆菌能够将对香豆酸和阿魏酸代谢为相应的还原型或乙烯基衍生物,这可能比它们的前体具有更高的生物活性[5]。此外,微生物发酵使高分子质量酚类化合物发生解聚,将复杂的酚类物质转化为游离形式[40],进而提高酚酸在体内的消化和吸收率。发酵菌株的β-葡萄糖苷酶活性导致复杂或共轭的酚类化合物转化为更简单、更易于生物利用和生物可利用的活性化合物[36]。植物乳杆菌发酵桑葚汁过程中,多酚氧化酶将高分子质量酚类化合物解聚,从而使果汁中DPPH自由基清除能力提高了14.47%[4, 38]。综上,乳酸菌能够促进酚类化合物的转化和高分子酚类化合物的解聚,提高果蔬制品的品质和功能。

发酵食品的抗氧化特性可能取决于发酵过程中释放的其他抗氧化分子。据报道,乳酸菌和酵母菌可以通过产生抗氧化酶如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、NADH氧化酶和NADH过氧化物来清除活性氧[41]。PAN等[42]从乳球菌培养物中分离得到胞外多糖,具有较强的抗氧化能力,能够增强机体自由基清除能力、降低丙二醛(malondialdehyde, MDA)的形成,并显著提高小鼠血清中过氧化氢酶(catalase, CAT)和SOD的活性。从植物乳杆菌培养物中分离得到的胞外多糖对·OH具有良好的清除能力,具有清除自由基、抑制脂质过氧化物形成的作用,并能够减缓H2O2诱导的CaCo-2细胞氧化损伤[43]。

2.3 免疫调节

免疫力是人体自身的防御机制,提高免疫力有助于阻断病毒的入侵、减少疾病的发生。人体免疫系统由固有免疫(非特异性免疫)和适应性免疫(特异性免疫)两部分组成。免疫细胞指参与免疫应答或与免疫应答相关的细胞,主要包括淋巴细胞、树突状细胞、单核/巨噬细胞、粒细胞、肥大细胞等。免疫细胞分泌多种细胞因子对抗由病原体和病毒引起的多种感染,包括干扰素(interferon, IFN)、白细胞介素(interleukin, IL)和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)等。研究发现,灌胃发酵荔枝汁增强小鼠免疫器官指标(脾脏、胸腺)和抗氧化能力,改善细胞因子(IL-2、IL-6)和免疫球蛋白(IgA、IgG、SIgA)的分泌,缓解小鼠免疫功能障碍[27]。灌胃发酵无花果提取物能够提高小鼠免疫应答,改善小鼠的体重、免疫器官(肝脏、胸腺、脾脏)的指标和免疫器官的组织病理学状态,减轻免疫器官的损伤,增强小鼠免疫相关细胞因子IL-4、IL-6、TNF-α和IFN-γ的产生[44]。刘春花等[45]研究发现,植物酵素可以增强小鼠单核-巨噬细胞系统功能、NK细胞活性,提高机体非特异性免疫力,提高血清溶血素和溶菌酶水平,增强机体免疫功能。发酵胡萝卜汁与生梨汁能够增强小鼠脾淋巴细胞的增殖能力,提高T细胞表面CD3、CD4、CD8表达水平,促进血清中IFN-γ和IL-6的生成,增强小鼠机体免疫力[46]。WASTYK等[47]研究发现,膳食发酵食品能够降低受试者血清中IL-6、IL-18和IL-12b等炎症因子,抑制免疫细胞的过度反应,同时炎症标志物的下降与微生物群多样性的增加相一致,表明发酵食品能够通过增加菌群多样性,降低血液中炎症反应标志物水平,缓解炎症反应,提升机体免疫力,揭示了饮食干预下的菌群-免疫互作关系[47]。

发酵果蔬中的益生菌及发酵过程产生的生物活性化合物可增强机体的免疫反应,提高机体免疫力。发酵大豆中分离得到的乳酸菌增强了脾脏中NK细胞活性[48],从发酵果蔬中得到的乳酸菌与酵母混合物增强了小鼠免疫力[49]。益生菌增强免疫系统反应的分子机制可能是通过与上皮细胞、树突细胞和T细胞的相互作用,诱导TGF-β、IL-6、IL-10等多种细胞因子的产生[48]。短双歧杆菌生物合成的表面胞外多糖,在酸性和胆盐环境中对菌体具有保护作用,胞外多糖通过抑制宿主的免疫应激反应,促进双歧杆菌在肠道中的定殖并抑制肠道致病菌的生长[50]。小片球菌产生的β-葡聚糖具有免疫调节作用,它调节CaCo-2细胞中促炎标志物的产生,改善个体对病原体的免疫系统反应[51]。

2.4 预防酒精性肝损伤

酒精性肝损伤(alcoholic liver disease, ALD)是一种因长期饮酒导致的慢性肝脏疾病。随着酒精消费人群逐年升高,酒精滥用和酒精依赖成为当今世界日益严重的公共卫生问题。酒精性肝损伤的机制复杂,主要有乙醇及其有害代谢产物乙醛对肝脏的损伤、氧化应激、免疫反应和炎症等。酒精在人体内的主要代谢依靠乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)和乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase, ALDH),ADH分解乙醇生成乙醛,乙醛在ALDH的作用下转化为无毒的乙酸。当摄入过量酒精时,高乙醇浓度能诱导细胞色素P450 2E1(CYP2E1)活性明显增强并伴随活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生,ROS的产生引起氧化应激和炎症反应,导致肝损伤。血清中谷草转氨酶(aspartate aminotransferase, AST)、谷丙转氨酶(alanine aminotransferase, ALT)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)、谷氨酰转移酶(gamma-glutamyltransferase, GGT)的活性可作为早期肝损伤的指标。果蔬发酵中所含的ADH分解酒精,降低AST、ALT和MDA的含量,进而减少机体中的酒精含量,起到解酒护肝的作用。灌胃诺丽果发酵汁后,急性酒精性肝损伤模型小鼠血清中的AST、ALT、ALP和GGT含量均显著降低,证明该发酵汁对急性酒精性肝损伤具有良好的预防作用[52]。乳杆菌和酵母菌发酵的枸杞酵素可以显著降低HepG2细胞内MDA的产生,减少AST、ALT及乳酸脱氢酶的分泌量,增加SOD酶活力及ADH的激活率,缓解酒精性肝损伤[53]。发酵后的木通提取物中ADH活性增加,能够加速受试者体内乙醇的分解,降低血浆乙醇浓度,缓解酒精宿醉[54]。植物发酵液能显著降低慢性酒精诱导肝损伤小鼠血清中AST、ALT活性,减轻肝损伤程度;通过抑制肝脏中乙醇诱导的ADH、ALDH活性升高及CYP2E1 mRNA表达,恢复机体酒精代谢功能;调控血清细胞因子IL-1β、IL-6的表达、肝脏Stat3 mRNA的表达,减轻酒精代谢对机体造成的氧化损伤和炎症反应[55]。研究表明,果蔬发酵液可以通过阻止活性氧介导的线粒体信号通路,抑制肝细胞凋亡,保护小鼠酒精性肝损伤[56]。

2.5 调节血糖血脂、缓解肥胖

由于摄入高糖高脂高盐食物以及缺乏运动等不良生活习惯,高血糖、高血脂的发病率在世界范围内逐年增加,导致严重的健康问题。研究发现,植物乳杆菌发酵能够提高苦瓜的血糖、血脂调节作用,与未发酵苦瓜组相比,灌胃发酵苦瓜能明显改善II型糖尿病大鼠的体重、血糖、血清胰岛素、血脂和氧化应激水平,降低血清中ALT、AST、肌酐(creatinine, CREA-J)和尿素氮(urea nitrogen, UREA)水平,修复胰岛、肝脏和肾脏病理损伤[28]。通过抑制α-葡萄糖苷酶活性来降低餐后和空腹血糖已成为预防高血糖的有效手段。植物乳杆菌发酵蓝莓汁对α-葡萄糖苷酶的抑制率为47.41%,比未发酵组提高了43%[20]。研究发现,发酵苹果汁对α-葡萄糖苷酶活性的抑制率显著高于未发酵苹果汁,在提取物∶蒸馏水=1时,发酵苹果汁对α-葡萄糖苷酶活性的抑制率达到91.77%,接近阿卡波糖的抑制率,表明出优异的降血糖潜力[57]。动物实验也表明发酵苹果汁能够通过降低甘油三酯(triacylglycerol, TG)、总胆固醇(total cholesterol, TC)、低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C)和增加高密度脂蛋白胆固醇(high-density lipoprotein cholesterol, HDL-C)显著调节血脂水平[57]。枯草芽胞杆菌发酵的南瓜提取物抑制高脂饮食诱导的小鼠体重增加,降低血清中的胰岛素和葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽(glucose-dependent insulinotropic peptide, GIP)水平,并通过抑制脂肪生成/脂肪生成转录因子(PPAR-γ、C/EBP-α、C/EBP-β、C/EBP-γ和SREBP-1C)的mRNA表达来调节血浆脂质[58]。研究发现,发酵食品中的乳酸菌菌株具有胆盐水解酶活性,可与胆固醇结合将其转化为胆汁酸[59],代谢产生的胞外多糖能够结合胆固醇并减少其吸收,有效降低胆固醇水平[60]。YU等[61]从6株耐酸耐胆盐的乳酸菌中筛选出可降低胆固醇的双歧杆菌和植物乳杆菌,胆固醇去除率分别为67.57%和64.22%,其发酵猕猴桃汁能抑制高脂血症小鼠的体重增加,有效调节胆固醇水平。从自然发酵陈醋中分离得到的植物乳杆菌NF4在模拟胃肠道液体中存活率较高,胆固醇清除率高达55.8%,具有潜在降血脂功效[62]。

肥胖是机体内脂肪大量堆积造成的一种身体不良状态,可造成机体内分泌、代谢系统和免疫系统等异常,增加慢性疾病发病风险。研究表明,食用泡菜通过降低受试者空腹血糖、TC、LDL-C水平,减轻体重和脂肪组织重量来缓解肥胖[63]。在高脂肪饮食诱导的肥胖大鼠模型中,灌胃发酵秋子梨提取物显著改善肥胖相关生物标志物(包括TC、瘦素、胃饥饿素、GIP、脂联素、促炎性细胞因子)的水平,抑制高脂肪饮食诱导的脂肪基因表达和增加脂肪酸氧化相关基因的表达,增强肠道微生物的多样性,表现出改善肥胖及肥胖相关代谢紊乱性疾病的潜力[64]。

3 展望

果蔬发酵依赖于微生物适应和代谢营养底物的能力,由于果蔬中抑制因子(如酚类)的普遍存在、可发酵碳水化合物的缺乏、酸性环境的胁迫等因素,微生物的生存及生长受到巨大挑战。因此,筛选得到具有优良发酵性能的果蔬发酵专用菌株并建立发酵专用菌库对该产业发展具有重要意义。目前,发酵果蔬功能特性的研究大多集中在体外研究,较少有深层次的机制研究,同时人类在饮食、生活方式和肠道微生物组等方面具有多样化,因此需要构建更加全面的微生物及其发酵果蔬产品的营养功能评价体系,以明确发酵果蔬的健康功效。同时,应针对不同人群的需求开展相关的营养功能研究,强化发酵果蔬产品的个性化开发,以满足不同消费者的多元化需求。未来,要加快发酵果蔬功能性食品的开发,不断提高产品品质,促进我国发酵果蔬产业的持续稳定发展。