1(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京,100083)2(山東省海洋資源與環(huán)境研究院 煙臺市海珍品質(zhì)量安全控制與精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺,264006)

摘 要 發(fā)酵是一種清潔、低能耗的傳統(tǒng)食品加工技術(shù),具有提高食品營養(yǎng)價值、延長食品貨架期、產(chǎn)生特殊風(fēng)味物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。海藻作為海洋植物,生長過程不占用淡水和土地資源,是一種可持續(xù)的食物來源,眾多研究者利用發(fā)酵技術(shù)處理海藻提高了其功能活性,產(chǎn)生了對人體健康有益的生物活性物質(zhì)。該文綜述了國內(nèi)外海藻及海藻發(fā)酵技術(shù)的研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)總結(jié)了海藻發(fā)酵前后γ-氨基丁酸、多糖、酚類等化學(xué)成分的變化,歸納了海藻發(fā)酵后在抗氧化、降血糖、抗血栓等方面潛在的功能,梳理了目前已有的海藻發(fā)酵功能性食品,并對未來海藻發(fā)酵的發(fā)展方向提出構(gòu)想,為開發(fā)具有特定功能活性的海藻發(fā)酵食品、擴(kuò)大海藻產(chǎn)品的品類提供參考。

海洋占全球總面積的70%左右,蘊(yùn)藏著豐富的海洋生物資源。海洋中低溫、高滲透壓的環(huán)境使得海洋生物在新陳代謝、生存及繁殖方式、適應(yīng)機(jī)制等方面具有顯著的特征,在進(jìn)化的過程中形成許多結(jié)構(gòu)新穎、活性多樣的功能分子,具有巨大的生產(chǎn)與科學(xué)應(yīng)用價值。海藻是海洋中的自養(yǎng)生物,能夠進(jìn)行光合作用[1],根據(jù)色素及化學(xué)成分的不同可以分為褐藻、綠藻、紅藻,在食品、化工、農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)能源等方面都有一定的應(yīng)用[2-4]。海藻作為傳統(tǒng)藥食兩用資源,近年來,因其可再生性而備受關(guān)注[5]。除直接食用外,海藻可經(jīng)粉碎或提取后添加到肉制品、乳制品、烘焙食品中,制成海藻香腸[6-7]、海藻酸奶[8]、海藻面包[9]等多種產(chǎn)品,在改善食品質(zhì)地的同時,也提高了其營養(yǎng)價值[10]。海藻脂質(zhì)含量低、多糖含量高、富含天然礦物質(zhì)、色素、多不飽和脂肪酸和維生素。含有大量陸生植物所不具有的、結(jié)構(gòu)多樣的生物活性代謝物,如多糖類、多酚類、甾醇類、黃酮類等成分,呈現(xiàn)出抗氧化、抗炎、抑菌等特性[11]。

海藻的功能性加工是指采用一定的加工方法提升海藻產(chǎn)品的功能活性或獲得功能活性成分的加工技術(shù),包含酶解法、化學(xué)提取法、微生物發(fā)酵法等[3]。其中,海藻中生物活性物質(zhì)的傳統(tǒng)提取方法如酸堿水解、高溫或溶劑萃取等存在耗時長、程序復(fù)雜、成本較高等問題,而且多酚、類胡蘿卜素等熱敏性物質(zhì)易降解損失[12]。發(fā)酵技術(shù)是一項(xiàng)綠色、低碳的食品加工技術(shù),廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各類發(fā)酵食品,如乳制品、酒精性飲料、發(fā)酵果蔬等。微生物在發(fā)酵過程中生產(chǎn)的多種聚合物水解酶可提高聚合物的消化率和生物利用度,產(chǎn)生了大量具有特殊生物活性的初級或次級代謝物,提高了產(chǎn)品的營養(yǎng)價值。此外,發(fā)酵能夠延長食品貨架期,將低值、易腐的自然資源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、有價值的商品[3,13]。研究表明,將發(fā)酵技術(shù)用于海藻的加工,可以提高其抗氧化性[14]、抗凝血[15]、抗糖尿病[16]等功能活性,為海藻功能性制品的開發(fā)提供幫助。本文綜述了海藻及海藻發(fā)酵工藝的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了海藻發(fā)酵前后化學(xué)成分的變化,對海藻發(fā)酵后潛在的功能特性進(jìn)行了歸納,梳理了海藻發(fā)酵功能性食品,并對海藻發(fā)酵未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 海藻發(fā)酵工藝

海藻營養(yǎng)成分豐富,是微生物生長的良好培養(yǎng)基,海藻由于細(xì)胞壁較厚,導(dǎo)致生物活性物質(zhì)難以釋放,然而發(fā)酵過程中微生物產(chǎn)生的酶類可以分解海藻細(xì)胞壁,有利于化合物的釋放和提取。用于海藻發(fā)酵的原材料多為海藻切片、提取液或酶解液等形式,海藻切片發(fā)酵后可直接作為一種食品,海藻提取液及酶解液發(fā)酵后常需進(jìn)一步加工,可作為添加劑使用,表1顯示了不同形式海藻的前處理及發(fā)酵工藝。

表1 海藻的前處理及發(fā)酵工藝
Table 1 Pretreatment and fermentation process of seaweed

狀態(tài)原料前處理方式菌株發(fā)酵工藝參考文獻(xiàn)海藻酶解液 海帶與水料液比1∶30 (g∶mL),依此添加纖維素酶、果膠酶、堿性果膠酶,在其最適pH及溫度下進(jìn)行酶解釀酒酵母和植物乳桿菌海藻酶解液中加入蛋白胨、牛肉提取物和葡萄糖,pH調(diào)至6.2。121 ℃滅菌20 min,接種量1%,30 ℃、180 r/min培養(yǎng)2 d[17]海帶經(jīng)1%纖維素酶在45 ℃、pH 4.0下反應(yīng)2 h戊糖片球菌調(diào)節(jié)pH值至6.2～6.6,高壓滅菌,接種量為體積分?jǐn)?shù)l%,37 ℃恒溫培養(yǎng)15 h[18]海藻提取液 海帶粉與水料液比1∶15(g∶mL),121 ℃滅菌20 min,樣品在28 ℃,5 000 r/min下攪拌16 h,過0.2 μm膜短鏈桿菌BJ-20提取液中添加碳源、氮源和不同的游離氨基酸,37 ℃培養(yǎng)72 h[19]海藻切片新鮮收獲、干燥和冷凍的糖海帶切成0.5 cm×2 cm片狀植物乳桿菌200 g糖海帶加750 mL水,95 ℃處理15 min,冷卻至37 ℃,添加菌株,37 ℃培養(yǎng)48 h左右,pH達(dá)到4.5[20]新鮮海帶切成2 cm×2 cm片狀紅曲霉40 g海帶切片,添加由50 mL蒸餾水、8%的大豆粉、12%的糖配制的發(fā)酵液,30 ℃培養(yǎng)10 d[21]

初始糖含量對微生物的生長和繁殖十分重要。碳水化合物是海藻的主要成分,占海藻干重的50%～70%左右。褐藻主要含有海藻酸鹽和巖藻聚糖,紅藻含有半乳聚糖(如瓊脂、卡拉膠),綠藻的主要成分是纖維素和半纖維素。然而海藻所特有的部分多糖是不可發(fā)酵糖類,為滿足微生物的生長繁殖需求,在發(fā)酵的前處理階段,可利用纖維素酶對海藻進(jìn)行處理,使其中的不可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖[22]。此外,熱處理也是常用的前處理手段之一,其對海藻中糖類物質(zhì)的釋放有重要作用,研究表明海藻經(jīng)95 ℃加熱15 min,發(fā)酵液中總糖含量增加3.5～3.9倍[23]。

海藻的發(fā)酵方式有固態(tài)發(fā)酵、半固態(tài)發(fā)酵、液態(tài)發(fā)酵,主要取決于所使用的菌種及生產(chǎn)的產(chǎn)品特性,固態(tài)發(fā)酵適用于大部分真菌和革蘭氏陽性細(xì)菌,紅曲霉、米曲霉等菌種常用于海藻醬的固態(tài)與半固體發(fā)酵[12]。液態(tài)發(fā)酵適用于對水分含量要求較高的微生物,能夠獲得大量的次生代謝產(chǎn)物,廣泛應(yīng)用于飲料及各種食品配料的生產(chǎn)。海藻發(fā)酵常用的菌種有細(xì)菌、酵母菌和霉菌等。乳酸菌對糖的分解能力強(qiáng)、產(chǎn)酸量高,是海藻發(fā)酵最常用的菌株。研究表明,乳酸菌可促進(jìn)多糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)分解,具有增強(qiáng)抗氧化、抗炎活性和免疫調(diào)節(jié)的作用[24]。與其他植物源相比,海藻中的蛋白質(zhì)和碳水化合物含量相對較高,成為乳酸菌發(fā)酵的優(yōu)良底物。同時也可通過外加添加葡萄糖、蛋白胨等碳、氮源以促進(jìn)微生物的生長。

發(fā)酵技術(shù)通過微生物將復(fù)雜的底物代謝成簡單的生物活性成分,可以通過控制和優(yōu)化發(fā)酵過程,實(shí)現(xiàn)對特定產(chǎn)物的富集。發(fā)酵過程中菌株的添加量、可發(fā)酵糖類的濃度、發(fā)酵條件等都會影響發(fā)酵效果,海藻發(fā)酵工藝的研究主要集中于這些領(lǐng)域[25-26]。但在探索發(fā)酵菌種、海藻發(fā)酵工藝與發(fā)酵產(chǎn)物之間的相關(guān)性方面比較欠缺。

2 海藻發(fā)酵前后化學(xué)成分的變化

2.1 γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)是一種非蛋白質(zhì)氨基酸,由谷氨酸在谷氨酸脫羧酶的作用下脫羧生成,是中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)[27],具有降低血壓、促進(jìn)記憶等作用,微生物發(fā)酵法是生產(chǎn)GABA的有效途徑之一。乳酸菌是主要的發(fā)酵菌株[28],其中短乳桿菌 BJ-20是高效發(fā)酵生產(chǎn)GABA的常用菌株。有研究表明,接種短乳桿菌BJ-20的海帶液發(fā)酵5 d后谷氨酸可全部轉(zhuǎn)化為GABA,而未接種該菌株的發(fā)酵液中未能檢測到該轉(zhuǎn)化[29]。此外,又有研究者發(fā)現(xiàn)酵母浸出液可能是觸發(fā)谷氨酸轉(zhuǎn)化為GABA的激活劑[19]。除乳酸菌外,米曲霉也被證明是一類有效的發(fā)酵菌種,研究表明,米曲霉(Aspergillus oryzae)接種的海帶提取物在發(fā)酵第6天時GABA的含量提高了近3倍[30]。以上試驗(yàn)證明,海藻中的谷氨酸能夠在微生物的作用下脫羧轉(zhuǎn)化為GABA,但更多能夠利用海藻進(jìn)行微生物發(fā)酵生產(chǎn)GABA的菌株還需進(jìn)一步的篩選優(yōu)化。

2.2 蛋白質(zhì)和氨基酸

隨著人們可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng),人們對素食蛋白質(zhì)的需求越來越廣泛。除了大豆和豌豆,海藻也是植物基蛋白質(zhì)的良好來源。大多數(shù)海藻含有所有必需氨基酸,有望成為天然鮮味化合物的來源。然而,由于海藻細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu),人類腸道中的微生物和酶類無法有效分解,導(dǎo)致海藻蛋白質(zhì)和氨基酸的利用率較低[31]。因此,發(fā)酵成為提高海藻蛋白質(zhì)和氨基酸利用率的有效途徑之一,有研究[17]表明利用釀酒酵母和植物乳桿菌混合發(fā)酵海帶可顯著提高其蛋白質(zhì)和氨基酸含量。此外,大多數(shù)用于發(fā)酵的發(fā)酵劑具有高度的蛋白水解性,海藻中的蛋白質(zhì)通過發(fā)酵可以產(chǎn)生多種具有生物活性或增強(qiáng)風(fēng)味特性的多肽,是目前的研究熱點(diǎn)之一[32-33]。以蛋白質(zhì)含量較高的海藻作為原料,利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)活性肽正成為未來海藻發(fā)酵的研究方向之一。

2.3 酚類

酚類是植物應(yīng)對外界環(huán)境變化產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物,具有抗氧化、抑菌等多種生物活性。微生物發(fā)酵過程破壞植物細(xì)胞壁,導(dǎo)致酚類物質(zhì)增加并轉(zhuǎn)化為具有更高生物活性的簡單可溶性酚類[3]。有研究表明,利用Monascus purpureus和Monascus kaoliang發(fā)酵海帶和裙帶菜后,總酚含量顯著提高[34]。在使用德氏乳桿菌發(fā)酵紅藻24 h后,總酚含量呈現(xiàn)出相同的趨勢[35]。而且,利用米曲霉發(fā)酵馬來西亞3種藻類的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,主要酚類咖啡酸的含量均顯著增加,部分樣品中綠原酸、沒食子酸的含量也明顯升高[36]。與新鮮海藻相比,發(fā)酵后的海藻表現(xiàn)出更高的抗氧化活性,這通常被認(rèn)為與酚類等物質(zhì)的增加有關(guān)。因此發(fā)酵是提高酚類物質(zhì)的重要途徑之一,但使其抗氧化活性提高的目標(biāo)酚類物質(zhì)及其產(chǎn)生的機(jī)理亟待進(jìn)一步的探究。

2.4 海藻多糖

多糖是海藻的主要成分,如纖維素、海藻酸鹽、褐藻膠、巖藻多糖等,具有抗氧化、抗衰老、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等功效[37-39],是目前海藻衍生物的研究熱點(diǎn)之一。此外,海藻中的部分多糖為低發(fā)酵糖,難以被食品加工微生物利用,但可通過腸道益生菌發(fā)酵改變腸道菌群的組成,促進(jìn)人體腸道健康,具有成為益生元的潛力[40]。海藻多糖由于其天然的生理活性,未來可用于開發(fā)安全有效、副作用小的藥物,成為合成藥物的替代來源,受到制藥行業(yè)的廣泛關(guān)注。發(fā)酵過程中,微生物及其相關(guān)酶可使海藻多糖解聚有助于增加其溶解度,或使其分解及化學(xué)修飾獲得具有某種活性的海藻多糖衍生物[32]。有研究表明,紅藻(Pachymeniopsis elliptica)2～6周的發(fā)酵產(chǎn)物抗凝血活性較高,含有豐富的抗凝血化合物,分離純化結(jié)果表明該活性物質(zhì)可能是酸性多糖抗凝血化合物,純化后的多糖被認(rèn)為是抗凝血藥物的替代來源[41]。

3 海藻發(fā)酵后的潛在功能活性

3.1 抗氧化性

氧化應(yīng)激可導(dǎo)致人體多種疾病,食用抗氧化劑可以清除自由基和活性氧,減少氧化應(yīng)激。海藻是天然抗氧化劑的豐富來源。近年來,研究者試圖探究海藻發(fā)酵前后抗氧化活性的變化,為天然抗氧化劑的開發(fā)提供方向[42]。海藻發(fā)酵后展現(xiàn)出較強(qiáng)的自由基清除能力,紅曲霉發(fā)酵海帶后抗氧化性顯著增強(qiáng),對ABTS陽離子自由基的清除能力達(dá)97.78%,對FRAP自由基的清除能力增強(qiáng)了約4倍[21]。暹羅芽孢桿菌發(fā)酵海帶后對DPPH自由基的清除能力顯著提高,表現(xiàn)出較好的抗氧化性能,能夠減少紫外線照射皮膚產(chǎn)生的氧化應(yīng)激,展現(xiàn)出在化妝品行業(yè)中的應(yīng)用潛力[43]。此外,體內(nèi)試驗(yàn)也表明,海藻發(fā)酵后能夠增強(qiáng)人體抗氧化酶的活性。KANG等[44]利用短乳桿菌 BJ-20發(fā)酵海帶,將含有發(fā)酵海帶的軟膠囊給藥4周后,受試者血清中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活力顯著提高,使各種疾病涉及的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛的含量顯著降低。海藻發(fā)酵后抗氧化活性的增強(qiáng)通常與酚類物質(zhì)的增加有關(guān),發(fā)酵導(dǎo)致海藻細(xì)胞壁被破壞,促進(jìn)酚類物質(zhì)的釋放,酚類化合物可以通過螯合金屬離子,防止自由基形成,改善內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)[45]。

3.2 降血糖

糖尿病是一種慢性疾病,主要表現(xiàn)為血糖過高,嚴(yán)重者可引發(fā)心腦血管疾病等多種并發(fā)癥。糖尿病發(fā)病率逐年升高,已成為世界公共衛(wèi)生健康問題[46]。α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶是2種參與糖代謝的酶,海藻發(fā)酵后具有α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制作用,展現(xiàn)出治療糖尿病的潛力。胰島素抵抗(insulinresistance, IR)是2型糖尿病的典型特征之一,YUE等[16]利用釀酒酵母和2株乳酸桿菌分步發(fā)酵海帶,發(fā)酵產(chǎn)物對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制活性顯著增強(qiáng)。同時,發(fā)酵海帶能夠提高IR-HepG2細(xì)胞葡萄糖代謝的能力,通過促進(jìn)葡萄糖消耗和糖原合成實(shí)現(xiàn)降血糖的目的。利用德氏乳桿菌、植物乳桿菌發(fā)酵壇紫菜后,α-葡萄糖苷酶的抑制活性也顯著提高[47]。此外,研究也表明,海帶米酒上清液對可引起IR的蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase1B,PTP1B)具有較強(qiáng)的抑制作用,含7.5%～12.5%海帶提取物的上清液對PTP1B的抑制效果可達(dá)99.24%～102.54%[48]。高級糖基化終產(chǎn)物是誘發(fā)糖尿病及其他疾病的因素之一,對植物乳桿菌發(fā)酵海藻的抗糖基化作用的研究發(fā)現(xiàn),在牛血清蛋白-果糖模型中,裙帶菜等4種日本市售海藻發(fā)酵萃取液表現(xiàn)出較高的抗糖基化能力[49]。綜上可知,海藻發(fā)酵產(chǎn)物表現(xiàn)出對糖代謝酶的抑制作用及抗糖基化作用,具有開發(fā)抗糖尿病食品的潛力。

3.3 抗血栓

肝素具有強(qiáng)大的抗凝血活性,是使用最廣泛的用于治療抗血栓的藥物。但是肝素生產(chǎn)困難、副作用強(qiáng)且口服利用率低,因此,研究人員致力于尋找安全、高效的用于治療血栓栓塞性疾病的藥物[50]。發(fā)酵可以使馬尾藻中的大分子轉(zhuǎn)化為抗凝血的硫酸化多糖,凝血試驗(yàn)結(jié)果顯示,硫酸化多糖可延長活化部分凝血活酶時間和凝血酶原時間,而對凝血酶時間試驗(yàn)沒有影響,結(jié)果表明ASP的抗凝血活性是通過抑制內(nèi)源性和外源性凝血途徑實(shí)現(xiàn)的[51],海藻發(fā)酵產(chǎn)物的抗凝血作用與多糖的轉(zhuǎn)化密切相關(guān),其中硫酸化多糖的產(chǎn)生被認(rèn)為是抗凝血作用提高的主要原因。SHOBHARANI等[15,52]利用從海洋中分離的菌株發(fā)酵馬尾藻,發(fā)酵后所有樣品的抗凝血活性均增強(qiáng),且抗凝活性的增強(qiáng)與總糖含量呈正相關(guān)。通過對抗凝血多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定,推測抗凝血作用可能與甘露糖醛酸有關(guān)。

3.4 降血壓

高血壓是一種慢性疾病,嚴(yán)重影響我國國民身體健康狀況,長期高血壓還可能引發(fā)中風(fēng)、冠心病等一系列疾病[53]。人體血壓與升壓系統(tǒng)腎素-血管緊張素系統(tǒng)和降壓系統(tǒng)激肽釋放酶-激肽系統(tǒng)密切相關(guān),血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin I-converting enzyme, ACE)在血壓調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用,抑制ACE是治療高血壓的一種有效方法[54]。利用戊糖乳桿菌 SN001發(fā)酵馬尾藻,通過對ACE的抑制效果以及動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價,證明了發(fā)酵后的馬尾藻具有降血壓作用[55]?？莶菅挎邨U菌、酵母菌液態(tài)發(fā)酵紫菜的醇溶性提取物對ACE的抑制率達(dá)206%,顯著高于100 μg/mL卡托普利的抑制效果[56]。具有ACE抑制作用的物質(zhì)主要包括多糖和肽類[53,57],海藻正是碳水化合物及蛋白質(zhì)的良好來源,因此,有望利用微生物發(fā)酵海藻制備具有ACE抑制效果的成分。

3.5 降血脂

高脂血癥主要表現(xiàn)為總膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白膽固醇水平升高,高密度脂蛋白膽固醇水平降低,脂質(zhì)代謝紊亂可能會引發(fā)心血管疾病,對人體健康造成巨大的威脅。目前,學(xué)者們已利用發(fā)酵技術(shù)挖掘到了海藻潛在的降血脂功能。洛伐他汀能夠抑制膽固醇酯酶的活性,SURAIYA等[58]以海帶為底物,利用Monascus purpureus發(fā)酵制得的洛伐他汀樣品具有較高的超氧化物歧化酶活性和膽固醇酯酶抑制活性。YUE等[17]利用植物乳桿菌和釀酒酵母組合作為發(fā)酵劑,發(fā)酵液的膽汁酸結(jié)合能力提高,對胰脂肪酶的抑制效果顯著增加,能影響肝臟膽固醇代謝,使總膽固醇和甘油三酯降低到正常水平的效果與降血脂藥辛伐他汀組相似,而使低密度脂蛋白膽固醇的降低效果優(yōu)于辛伐他汀。張卿[59]篩選出能夠利用海帶中可溶性糖的短乳桿菌進(jìn)行發(fā)酵,通過動物試驗(yàn)表明,發(fā)酵顯著降低了高脂飲食大鼠肝臟的甘油三酯及膽固醇水平。

3.6 肝保護(hù)活性

肝臟是人體代謝毒性的重要器官,過量飲酒及不健康的飲食習(xí)慣都是造成肝損傷的重要因素。研究表明發(fā)酵海藻具有潛在的肝保護(hù)活性,特別是過度飲酒引起的肝損傷。乙醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase,ADH)和乙醛脫氫酶(acetaldehyde dehydrogenase,ALDH)是2種酒精代謝所必需的酶,研究者將短乳桿菌BJ-20發(fā)酵海帶加入釀酒酵母酒精代謝模型中,結(jié)果顯示,添加0.4%的發(fā)酵海帶能夠提高ADH和ALDH的活性,有助于緩解過度飲酒的癥狀[60]。LEE等[61]同樣使用短乳桿菌BJ-20發(fā)酵海帶,探究對乙醇和CCl4誘導(dǎo)的大鼠肝損傷模型的作用,結(jié)果表明發(fā)酵海帶顯著降低了大鼠血漿中血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶、γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶和丙二醛水平,同時提高了肝組織中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性。短乳桿菌BJ-20發(fā)酵海帶通過提高抗氧化酶活性,實(shí)現(xiàn)了對氧化應(yīng)激大鼠的肝保護(hù)作用[62]。

3.7 其他

除上述抗氧化、抗糖尿病等活性外,海藻發(fā)酵產(chǎn)物還具有潛在的延緩認(rèn)知障礙、抑制肥胖、抗炎等功能,其相關(guān)發(fā)酵原料、菌株及作用機(jī)制見表2。阿爾茨海默癥患者大腦中乙酰膽堿酯酶活性較高,因此,海藻發(fā)酵后對乙酰膽堿酯酶的抑制效果展現(xiàn)出延緩認(rèn)知障礙的潛力,但具體發(fā)揮作用的生物活性物質(zhì)有待進(jìn)一步分離純化確認(rèn)。胰脂肪酶是脂肪代謝過程中的關(guān)鍵酶,體外試驗(yàn)表明,發(fā)酵后的海藻具有較強(qiáng)的胰脂肪酶抑制作用[34,47],通過抑制脂肪的消化和吸收,起到減肥的功效。有研究表明發(fā)酵后產(chǎn)生的GABA也具有減肥的功效,通過提高血清腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子水平,刺激肌肉相關(guān)生長因子的釋放,產(chǎn)生抗肥胖效應(yīng)[68]。炎癥反應(yīng)可應(yīng)對組織損傷和感染,當(dāng)細(xì)胞受到免疫刺激時,巨噬細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子,以對抗外來抗原、促進(jìn)組織恢復(fù)和抗原去除。然而,過度激活促炎細(xì)胞和產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子可能導(dǎo)致細(xì)胞損傷。海藻本身的抗炎效應(yīng)已經(jīng)得到驗(yàn)證,而發(fā)酵過程可以促進(jìn)藻類抗炎物質(zhì)的釋放,不僅可避免傳統(tǒng)的萃取工藝,還可提高抗炎活性。

表2 海藻發(fā)酵產(chǎn)物的部分功能活性作用
Table 2 Partial functional activity of seaweed fermentation products

功能原料菌株效果及機(jī)制參考文獻(xiàn)延緩認(rèn)知障礙海帶野生海帶中分離出的內(nèi)生真菌發(fā)酵的次生代謝產(chǎn)物具有抑制乙酰膽堿酯酶的功能和高抗氧化活性[63]海帶短乳桿菌BJ-20食用發(fā)酵海帶顯著提高了神經(jīng)心理測試分?jǐn)?shù),對老年人短期記憶具有一定的改善作用[64]抑制肥胖海帶鼠李糖乳桿菌、長雙歧桿菌、乳雙歧桿菌添加海帶的發(fā)酵液顯著抑制肥胖大鼠模型體重增加量,調(diào)節(jié)腸道菌群,改善腸道健康,達(dá)到減肥效果[65]海帶、裙帶菜Monascus purpureus、Monascus kaoliang具有較強(qiáng)的胰脂肪酶抑制活性[34]紅毛藻德氏乳桿菌、植物乳桿菌2組發(fā)酵液均具有較強(qiáng)的脂肪酶抑制活性,此外,發(fā)酵液能夠抑制口腔致病菌,進(jìn)而起到減肥的功效[35]抗炎海帶白色靈芝、黃酒酵母2種發(fā)酵液均能降低促炎因子ILs、TNF-α和MMP-9的含量,通過影響Nrf2信號通路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因的表達(dá),從分子水平上抑制促炎因子基因的表達(dá),實(shí)現(xiàn)抗炎的目的[66]海帶枯草芽孢桿菌通過降低脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生、NF-B (p65)的磷酸化、前列腺素E2和NO的產(chǎn)生來增強(qiáng)抗炎作用[67]

4 基于發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的海藻功能性食品

功能性食品是一類具有特定保健功能,但不以治療為目的,不對人體產(chǎn)生危害的休閑食品,除補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)之外,其部分功能活性成分顯著高于一般食品,適宜大多數(shù)沒有特殊疾病的人群[69]。海藻發(fā)酵后產(chǎn)生的多種功能活性成分,具有抗氧化、抗凝血等功效,具備制備功能性食品的潛力。目前,學(xué)者們利用海藻發(fā)酵技術(shù)已開發(fā)了多種具有不同功能特性的食品。劉茂等[70]研發(fā)的發(fā)酵型海帶-蘋果復(fù)合果汁飲料以海帶汁、蘋果汁、白砂糖為主要原料,以植物乳桿菌作為發(fā)酵菌種,通過工藝優(yōu)化,獲得一款風(fēng)味優(yōu)良、營養(yǎng)豐富、抗氧化性強(qiáng)的復(fù)合發(fā)酵飲料,該產(chǎn)品對DPPH自由基的清除能力達(dá)73.2%。研究者利用植物乳桿菌DW12作為發(fā)酵劑生產(chǎn)富含GABA的發(fā)酵型植物飲料,在蔗糖6%、味精1%、初始pH 6.0時GABA的產(chǎn)量最高[71]。陳美齡等[72]以海帶為原料,釀酒曲和葡萄酒果酒專用酵母SY為發(fā)酵劑,研制得到了一款發(fā)酵型海藻酒,該產(chǎn)品在發(fā)酵25 d時產(chǎn)品抗氧化性最佳。

5 總結(jié)與展望

消費(fèi)者越來越重視飲食對健康的影響,開發(fā)功能性食品的需求日益增加。目前,已有眾多研究證明了從海洋生物中獲取多糖、活性肽、酚類等天然活性化合物的可行性[73-74]。海藻是新型生物活性化合物的重要來源,是生產(chǎn)功能性食品的優(yōu)良原材料,我國的海藻資源十分豐富,但仍以干制、鹽制等初級加工為主,迄今未得到充分的開發(fā)利用[75]。微生物發(fā)酵技術(shù)作為食品加工的重要途徑之一,已經(jīng)具備較為成熟的技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。利用發(fā)酵技術(shù)處理海藻,不僅能促進(jìn)海藻功能成分的釋放,而且可將海藻中復(fù)雜的活性成分轉(zhuǎn)化為具有更高生物活性、更易吸收的小分子物質(zhì)[12]。因此,發(fā)酵技術(shù)在海藻功能性食品加工和生產(chǎn)功能活性化合物領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用潛力。在實(shí)際生產(chǎn)中,一方面可以將發(fā)酵后的海藻直接開發(fā)為功能性食品,如海藻液態(tài)發(fā)酵后調(diào)味制成功能性飲品、海藻固態(tài)發(fā)酵后制成海藻醬、即食海藻片等;另一方面,也可將海藻發(fā)酵產(chǎn)物添加到食品中,改善食品品質(zhì),增強(qiáng)食品的功能活性,開發(fā)功能性休閑零食。此外,可以根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的特定活性,有針對性地開發(fā)特定的海洋藥物,提高海藻的應(yīng)用價值。

本綜述全面總結(jié)了國內(nèi)外海藻發(fā)酵的工藝、功能活性的變化和應(yīng)用等相關(guān)研究,為海藻功能性食品的研究和利用提供參考。目前,越來越多的研究工作者投身到藻類精深加工的研究之中,然而海藻發(fā)酵的研究仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn),如應(yīng)用于海藻發(fā)酵的菌株有限,海藻和微生物的種類、發(fā)酵條件與發(fā)酵產(chǎn)物之間的相關(guān)性尚不清晰;發(fā)酵產(chǎn)物中具體發(fā)揮功能活性的物質(zhì)及其作用機(jī)制有待深入研究;關(guān)于海藻發(fā)酵產(chǎn)物的保存及功能性食品的創(chuàng)新方面的研究較少等。因此,在未來的海藻發(fā)酵研究工作中,可針對不同海藻種類和微生物組合進(jìn)行大規(guī)模篩選,嘗試從海洋、傳統(tǒng)發(fā)酵食品等環(huán)境中分離菌株,進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)酵條件,以便獲得最優(yōu)的發(fā)酵工藝,提高發(fā)酵海藻產(chǎn)品中功能活性成分的含量。同時,進(jìn)一步研究海藻的發(fā)酵機(jī)制,重點(diǎn)研究藻類細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的變化,酶、代謝產(chǎn)物及功能活性物質(zhì)的作用機(jī)理等。此外,充分考慮營養(yǎng)價值和風(fēng)味特性之間的平衡將有助于拓展海藻發(fā)酵產(chǎn)品在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

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