固態(tài)發(fā)酵技術(shù)強(qiáng)化麩皮酚類物質(zhì)釋放的研究進(jìn)展

麩皮為谷物加工副產(chǎn)物，一般用作動(dòng)物飼料或釀酒原料而附加值較低，或作為農(nóng)業(yè)廢棄物直接丟棄而危害環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)麩皮高值化利用是亟待解決的重要課題。近年來(lái)，一些研究發(fā)現(xiàn)谷物中酚類物質(zhì)具有重要的功能特性，在預(yù)防癌癥、肥胖癥、糖尿病和心血管疾病等慢性疾病方面存在潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，麩皮酚類物質(zhì)大多以結(jié)合態(tài)形式存在于細(xì)胞壁中，生物利用度比較低。目前，因其成本效益和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)在促進(jìn)麩皮酚類物質(zhì)釋放發(fā)揮了重要作用。本文綜述了固態(tài)發(fā)酵技術(shù)、微生物資源挖掘，新型固態(tài)發(fā)酵策略等方面的最新進(jìn)展，以期為麩皮的高值化利用提供一定參考。

1 麩皮中的酚類化合物

麩皮中富含具有生理活性的酚類物質(zhì)，麩皮酚類物質(zhì)通常以游離態(tài)和結(jié)合態(tài)形式存在(圖1)，大多數(shù)以不溶性形式結(jié)合在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中。游離酚一般不與其他分子發(fā)生物理和化學(xué)作用，通常易溶于極性水/有機(jī)溶劑，易于被人體腸道吸收。結(jié)合態(tài)多酚通常以酯鍵或醚鍵連接到細(xì)胞壁多糖上，或通過(guò)離子鍵嵌入食品基質(zhì)大分子中。超過(guò)80%的阿魏酸在糊粉層和皮層中酯化成阿拉伯木聚糖和阿拉伯半乳聚糖，結(jié)合在細(xì)胞壁中；羥基苯甲酸通過(guò)羧基與細(xì)胞壁物質(zhì)的羥基形成酯鍵。結(jié)合態(tài)形式存在的酚類物質(zhì)，在消化道中的生物可及性較低，從而影響其生物活性。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，結(jié)合態(tài)形式存在的酚類物質(zhì)其含量和抗氧化性能遠(yuǎn)高于游離態(tài)[1]。因此，如何促麩皮酚類物質(zhì)的高效釋放成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

圖1 麩皮酚類化合物組成及其功能特性
Fig.1 Composition and functional properties of phenolic compounds in bran

2 固態(tài)發(fā)酵技術(shù)

2.1 概述

由于麥麩中酚類活性物質(zhì)在食品、化學(xué)和制藥工業(yè)中的潛在應(yīng)用，人們對(duì)提取活性物質(zhì)的發(fā)酵工藝愈發(fā)關(guān)注。從發(fā)酵體系狀態(tài)角度看，微生物發(fā)酵過(guò)程可分為2個(gè)類型：液態(tài)深層發(fā)酵(submerged fermentation，SMF)，是基于微生物在含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的液體培養(yǎng)基中的培養(yǎng)；固態(tài)發(fā)酵技術(shù)(solid-state fermentation，SSF)，包括微生物在無(wú)游離水(或接近無(wú)游離水)條件下在固體顆粒上的生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成。近年來(lái)，SSF可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用，屬于環(huán)境友好型的清潔生產(chǎn)技術(shù)，越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。由于其成本效益和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，固態(tài)發(fā)酵法已被確定為麩皮酚類物質(zhì)釋放的有力工具[2]。YIN等[3]從麩皮中分離出一株黑曲霉菌株用于麩皮固態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)其顯著提高了麥麩中結(jié)合態(tài)阿魏酸的釋放，其抗氧化和抗炎活性明顯優(yōu)于游離阿魏酸。對(duì)于固態(tài)發(fā)酵過(guò)程，基質(zhì)含水量一般在30%～85%，較低值可誘導(dǎo)微生物的孢子形成，而更高的水平可降低系統(tǒng)的孔隙率，限制氧的傳遞，并增加細(xì)菌污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 發(fā)酵微生物

在固態(tài)發(fā)酵條件下，選擇合適的微生物菌株非常重要，發(fā)酵微生物的選擇直接決定最終SSF的效果。微生物發(fā)酵能夠提高麩皮中酚類物質(zhì)含量，主要源于微生物定殖后細(xì)胞壁發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致酚類物質(zhì)釋放；由于微生物在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的不同木質(zhì)素降解酶和水解酶的作用，結(jié)合的酚類物質(zhì)被釋放；此外，一些可溶性酚類化合物可能被微生物合成[4]。目前，包括細(xì)菌類、酵母類、霉菌類在內(nèi)的多種微生物可用于SSF過(guò)程，如表1所示。納豆桿菌(Bacillus natto)處理小米麩皮，纖維素和半纖維素降解，形成更多的多孔性疏松結(jié)構(gòu)，總酚含量和DPPH自由基清除能力增加[5]。植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum 423)發(fā)酵處理米糠和小麥麩皮，抗氧化活性明顯增強(qiáng)，研究發(fā)現(xiàn)主要抗氧化活性成分為酸類(70.21%)和酮類(10.64%)，同時(shí)增強(qiáng)了硫化物和芳香族化合物等風(fēng)味物質(zhì)[6]?；钚愿山湍赴l(fā)酵大麥麩皮，多酚含量隨發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)而明顯增加，發(fā)酵6 d達(dá)到最高為420.4 μg GAE/mL，抗氧化性能也明顯提升[7]。相類似，釀酒酵母發(fā)酵米糠中酚類物質(zhì)種類和含量增加，賦予米糠無(wú)麩餅干易接受的品質(zhì)感觀屬性[8]。然而，由于發(fā)酵培養(yǎng)基中的低含水量，在SSF發(fā)酵體系中霉菌類一般是比較常用的微生物，特別是一些絲狀菌的菌絲能夠穿透麩皮介質(zhì)，同時(shí)能夠分泌豐富酶系如淀粉酶、果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶、幾丁質(zhì)酶、蛋白酶、脂肪酶和β-半乳糖苷酶等，是生產(chǎn)酶制劑的優(yōu)良細(xì)胞工廠。因此，絲狀菌在SSF產(chǎn)生生物活性物質(zhì)中具有巨大的潛力[9]。

表1 不同類型微生物用于麩皮發(fā)酵
Table 1 Different types of microorganisms used in bran fermentation

霉菌類如黑曲霉、米曲霉和泡盛曲霉等，普遍應(yīng)用于發(fā)酵食品生產(chǎn)，通常被認(rèn)為是食品級(jí)微生物[10]。泡盛曲霉(Aspergillus awamori ATCC 38854)和米曲霉(Aspergillus oryzae ATCC 22787)固態(tài)發(fā)酵提高了黑米糠醇提物的抗氧化活性；總酚含量增加，原兒茶酸和阿魏酸增加最顯著，發(fā)酵3 d后達(dá)到最大值，泡盛曲霉發(fā)酵提取物為1 660.6 g/g[11]。ABD等[12]利用少孢根霉(Rhizopus oligosporus F0020)和紅曲霉(Monascus purpureus F0061)固態(tài)發(fā)酵米糠，酚類組成發(fā)生明顯變化，其中香草酸、咖啡酸和4-羥基苯甲酸發(fā)酵后顯著增加。絲狀類真菌發(fā)酵可以有效促進(jìn)麩皮酚類物質(zhì)的釋放，但在發(fā)酵體系中，菌絲往往緊密纏繞在麩皮介質(zhì)中，精準(zhǔn)定量絲狀菌的生物量相對(duì)困難，發(fā)酵過(guò)程菌體生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)規(guī)律有待進(jìn)一步闡明。我國(guó)傳統(tǒng)釀造食品歷史悠久，其中蘊(yùn)藏著豐富的菌種資源庫(kù)，挖掘具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“風(fēng)土”微生物資源，并評(píng)價(jià)其功能特性，有望獲得促進(jìn)麩皮酚類物質(zhì)高效釋放的菌種資源。

3 驅(qū)動(dòng)麥麩酚類物質(zhì)釋放的策略解析

3.1 復(fù)合菌系發(fā)酵技術(shù)

單一菌系處理麩皮往往存在發(fā)酵效率較低的缺陷，限制了其在麩皮發(fā)酵中的應(yīng)用。菌種間的代謝協(xié)同有助于提升SSF效果，可以通過(guò)菌種混合培養(yǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)?；旌吓囵B(yǎng)發(fā)酵是指由2種或2種以上微生物組成的發(fā)酵過(guò)程，實(shí)現(xiàn)混合培養(yǎng)菌種代謝的協(xié)同效應(yīng)。近年來(lái)，微生物混合菌系發(fā)酵具有一系列優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)菌種之間的分工來(lái)分配代謝負(fù)擔(dān)，具備有效轉(zhuǎn)化復(fù)雜底物的能力。SHAHAB等[16]構(gòu)建了里氏木霉、兼性厭氧乳酸菌與專性厭氧乳酸菌共培養(yǎng)菌系，以纖維素與木糖混合底物發(fā)酵，獲得了0.35 g丁酸/g碳水化合物，高于可溶性底物或添加商業(yè)纖維素分解酶的轉(zhuǎn)化率。

絲狀真菌黑曲霉和米曲霉在麥麩平板中共培養(yǎng)，2種菌株分布均勻，并且混合培養(yǎng)物比單一培養(yǎng)分泌更多的細(xì)胞壁降解酶[17]。與單菌系培養(yǎng)相比，米曲霉和枯草芽胞桿菌混合培養(yǎng)，顯著提升了底物總酚含量，增強(qiáng)了底物營(yíng)養(yǎng)特性[18]。紅曲霉和枯草芽胞桿菌共培養(yǎng)，發(fā)酵燕麥的總酚含量是未發(fā)酵燕麥的23倍，游離酚和結(jié)合酚的抗氧化活性增強(qiáng)[19]。紅曲霉(Monascus anka GIM 3.592)和釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae GIM 2.139)混合發(fā)酵石榴葉，石榴葉總酚含量特別是綠原酸、蘆丁和槲皮素的釋放明顯提升，顯示更強(qiáng)的DPPH自由基清除能力以及抗菌能力，提高了番石榴葉的藥用價(jià)值[20]。因此，通過(guò)優(yōu)化2種或多種微生物共培養(yǎng)發(fā)酵體系，可以有效改善單一菌種發(fā)酵效率低的缺陷。

3.2 預(yù)處理耦合發(fā)酵技術(shù)

目前，一些新興的物理預(yù)處理方法如蒸汽爆破、超微粉碎、螺桿擠壓和微波加熱等技術(shù)，逐漸應(yīng)用于纖維素輔助改性過(guò)程中，如表2所示。超微粉碎有助于增加麥麩顆粒表面積，提高其生物利用度，KONG等[21]采用蒸汽爆破輔助超細(xì)磨工藝，麩皮總酚含量明顯增加，自由基清除活力明顯增強(qiáng)。白酒產(chǎn)生的黃水預(yù)處理稻殼，顯著降低了稻殼硬度，增強(qiáng)了稻殼骨架結(jié)構(gòu)的彈性[22]。微波加熱技術(shù)有助于破壞纖維結(jié)構(gòu)而使其更易降解，DI等[23]研究了微波加熱輔助FeCl3催化水解纖維素，葡萄糖產(chǎn)率為39.9 mol%。LI等[24]利用EBI處理米糠纖維，發(fā)現(xiàn)纖維素的結(jié)晶區(qū)斷裂，木質(zhì)素與半纖維素的連接斷裂。麩皮致密的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，往往需要一定預(yù)處理手段進(jìn)行輔助改性，有利于后續(xù)固態(tài)發(fā)酵。發(fā)酵前對(duì)黑米糠的預(yù)熱處理顯著增加了酚酸的含量，尤其是阿魏酸和原兒茶酸。隨后的發(fā)酵進(jìn)一步增加了黑米糠提取物中酚酸的含量；酚酸含量的增加導(dǎo)致抗氧化活性增加[11]。糙米經(jīng)過(guò)螺桿擠壓處理，經(jīng)過(guò)乳酸菌(Lactobacillus fermentum GIM 1.985)與釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae GIM 2.213)混合發(fā)酵后，游離酚、共軛酚和結(jié)合酚均明顯增加，酚類組成中阿魏酸、對(duì)香豆酸、肉桂酸、山奈酚和槲皮素的含量較高，并具有較高抗氧化活性[25]。因此，預(yù)處理耦合麩皮發(fā)酵是提升麩皮酚類物質(zhì)釋放的重要途徑。

表2 不同預(yù)處理技術(shù)用于麩皮改性
Table 2 Different pretreatment used for wheat bran modification

3.3 菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)

許多研究發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)的含量與α-淀粉酶、木聚糖酶和纖維素酶的活性有很好的相關(guān)性。α-淀粉酶處理燕麥，使沒(méi)食子酸含量提高了2.6倍(0.38 mg/g燕麥)，咖啡酸含量提高了2.4倍，其他酚類含量提高了1.0～1.8倍[32]。木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶處理小麥麩皮，可溶性低聚木糖和酚酸含量增加，抗氧化能力增強(qiáng)[33]。纖維素酶處理顯著提高了燕麥麩皮大多數(shù)酚類化合物的利用率，咖啡酸提高了97%，香蘭素提高了28%，對(duì)香豆酸提高了105%，阿魏酸提高了914%[34]。LIU等[35]通過(guò)糊化、液化和復(fù)合酶水解連續(xù)處理米糠，與單獨(dú)糊化相比，復(fù)合酶水解顯著提高總酚、黃酮含量，分別提高46.24%、79.13%；阿魏酸釋放量最大，其次是原兒茶酸，然后是槲皮素。然而，在發(fā)酵處理體系中，纖維素酶活性相對(duì)較低，這可能導(dǎo)致不溶性酚類物質(zhì)不能充分釋放[36]。為進(jìn)一步提高麩皮中酚類物質(zhì)含量和生物活性，需要酶促降解麩皮細(xì)胞壁以釋放酚類物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)麥麩的菌酶協(xié)同發(fā)酵。

菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)，是在微生物發(fā)酵的同時(shí)添加復(fù)合酶制劑，可有效克服酶量分泌不足的缺陷。KATINA等[37]采用發(fā)酵法提高了黑麥麩皮總酚和游離阿魏酸的水平，在用天然谷物發(fā)酵麩皮的過(guò)程中，烷基間苯二酚含量略有增加，但在用去皮谷物發(fā)酵麩皮的過(guò)程中，烷基間苯二酚的含量有所下降，發(fā)現(xiàn)麩皮內(nèi)源乳酸菌和谷物外層酶促進(jìn)了發(fā)酵過(guò)程中麩皮的變化。植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum CECT 748)發(fā)酵與葡聚糖酶的水解相結(jié)合，提高了小扁豆在抗氧化、抗高血壓和降血糖方面的有益效果[38]。徐磊等[39]添加復(fù)合酶制劑(酸性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶)協(xié)同干酪乳桿菌發(fā)酵薏米，多肽和總酚濃度顯著提高，抗氧化性能明顯高于單獨(dú)菌種發(fā)酵方式。纖維素酶能從燕麥中釋放出大量不溶性酚類物質(zhì)，與傳統(tǒng)發(fā)酵體系相比，酶解發(fā)酵體系進(jìn)一步提高了可溶性和不溶性酚類物質(zhì)的含量(分別提高了24.38%和31.05%)，可溶性酚類物質(zhì)中沒(méi)食子酸、綠原酸和阿魏酸的含量分別提高了42.49%、85.79%和46.42%[40]。相類似地，LIU等[41]分析乳酸菌發(fā)酵和復(fù)合酶水解顯著提高了α-淀粉酶蒸煮預(yù)處理米糠水溶液的總酚和抗氧化活性。因此，菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)麩皮高值化的重要途徑，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)增加生物活性化合物的含量和生物利用度來(lái)增強(qiáng)其營(yíng)養(yǎng)特性。

4 展望

我國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵食品中蘊(yùn)藏著豐富的菌種資源[42]，可以從中挖掘食品級(jí)微生物資源并評(píng)價(jià)其功能特性用于麩皮固態(tài)發(fā)酵過(guò)程。盡管SSF是生態(tài)友好型的，基于更低的能量需求和更少的廢水產(chǎn)生以及更低的細(xì)菌污染風(fēng)險(xiǎn)，在開(kāi)發(fā)麩皮酚類物質(zhì)中發(fā)揮了重要作用[43]。但SSF為三相非均相過(guò)程，包括固相、液相和氣相，此類培養(yǎng)過(guò)程往往存在熱量積聚、傳質(zhì)和傳熱不均一性等問(wèn)題。因此，提升固態(tài)發(fā)酵過(guò)程傳質(zhì)和傳熱均一性，開(kāi)發(fā)面向工業(yè)化的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器是未來(lái)麩皮固態(tài)發(fā)酵研究的重要方向。此外，結(jié)合新型固態(tài)發(fā)酵技術(shù)(圖2)如復(fù)合菌系發(fā)酵技術(shù)、預(yù)處理耦合發(fā)酵技術(shù)和菌酶協(xié)同發(fā)酵技術(shù)等策略在麩皮酚類物質(zhì)釋放中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)麩皮酚類物質(zhì)工業(yè)化高效制備奠定基礎(chǔ)。

圖2 新型發(fā)酵策略在麩皮固態(tài)發(fā)酵中的應(yīng)用
Fig.2 Novel fermentation strategies applied in solid-state fermentation of bran