《Fermentation》：Emerging Solid-State Fermentation in Functional Foods: Bioactive Compounds, Functionality, Sensory Quality, Microbiota Influence and Industrial Perspectives
尽管固态发酵（SSF）长期以来已在多种传统情境下用于食品生产，但其当前正成为一项尤其具有前景的策略，用于以植物性原料和农工副产物流为基础开发功能性食品配料。该综述考察了SSF在提升食品基质营养、功能、感官及工艺特性方面应用的最新进展。现有证据表明，SSF能够通过促进酚类化合物的释放与生物转化，提高植物基底物的生物活性潜力，同时改善抗氧化能力、蛋白质消化率以及工艺功能表现。此外，该过程还可促进形成与食品相关的代谢产物，包括维生素、肽、有机酸及其他次级化合物，并减少部分抗营养、致敏及其他不期望成分。这些组成变化通常伴随着香气、挥发性谱、视觉属性以及较近时期受到关注的肠道微生物群相关效应的改变。文章重点关注以真菌为基础的发酵过程在谷物、豆类、水果副产物及其他利用不足底物增值化中的应用。该综述还讨论了工业界对SSF日益增长的兴趣，尤其涉及菌丝体食品、替代蛋白、功能性配料及饲料应用。尽管SSF展现出明确潜力，其更广泛实施仍需进一步研究与开发，以支持其在食品应用中的有效转化。
1. Introduction
固态发酵（SSF）自古即是食品生产的重要组成部分，早期应用可追溯至古埃及制面包及中国原酒等自然发酵实践。随后，该技术在亚洲传统食品体系中逐步发展成熟，典型代表是“Koji”工艺，即利用真菌发酵剂将谷物淀粉水解为可发酵糖，从而支撑酱油、味噌和米酒等产品制造。白酒、腐乳及谷物醋等体系也体现出固态微生物过程在提升谷物与豆类食品稳定性、消化性及感官品质方面的长期价值。
尽管SSF深植于传统食品加工，其作为生物技术平台的广泛认知主要集中在近几十年。该技术能够在低游离水或几乎无游离水条件下，于湿润固体底物表面支持微生物生长和生物转化，因此除保藏作用外，现已被广泛用于改善营养质量、消化率、功能特性及感官表现。同时，SSF与农业副产物及其他低利用度生物质具有良好兼容性，使其在循环化与可持续导向的食品系统中具有突出吸引力。文章据此将SSF视为一种不仅承载传统发酵属性，而且能够调控组成、优化功能并推动可持续食品体系构建的多用途工具。
2. Recent Advances in Food-Related Applications of SSF
近年研究显著拓展了SSF在食品领域中的应用范围，尤其集中于开发具有更优营养特征的配料。相关文献数量持续增长，表明其在科学界的重要性迅速提升。检索结果显示，当前食品相关SSF研究主要聚焦于谷物、豆类及其加工副产物，这些原料已成为功能性食品开发中最主要的底物来源。在微生物层面，丝状真菌最常见，尤其包括曲霉属（Aspergillus）、根霉属（Rhizopus）、红曲霉属（Monascus）、散囊菌属（Eurotium）和侧耳属（Pleurotus）；此外，乳酸菌和芽孢杆菌属（Bacillus spp.）也经常出现。多数研究仍停留在实验室尺度，常使用静态托盘、烧瓶、袋式或培养皿系统，而中试规模与受控反应器研究相对较少。这种底物类型、微生物选择和工艺开发程度的差异，直接影响了功能结果及其产业转化前景。
2.1. Antioxidants and Phenolic Compounds
在当前多种生物加工策略中，由丝状真菌或细菌介导的SSF已成为增强植物基食品基质生物活性潜力的有效手段。其作用主要见于谷物麸皮、豆类及相关副产物，这些底物兼具较高酚类潜力和明显增值空间。抗氧化特性的提升主要归因于微生物分泌的纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶等胞外酶系，这些酶可破坏细胞壁结构，促进原本以结合态、缀合态或难以接近形式存在的酚类释放。小麦麸皮、藜麦、牛油果籽、黑大豆、金合欢种子、柚皮及豆渣等多类基质中，均观察到总酚、黄酮或特定酚酸显著增加，同时还可能发生阿魏酸等前体物质向更具功能意义衍生物的代谢转化。
该过程不仅释放原有酚类，也会重塑其化学组成。例如，大豆异黄酮糖苷可转化为染料木素和大豆苷元等苷元形式，这些分子通常具有更高生物利用度和生物活性。除真菌外，乳酸菌在蛋白分离物、米糠、燕麦、小麦麸皮、扁豆和大豆制品等体系中，也可借助β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和木聚糖酶等作用促进酚类释放与转化。
在功能结果方面，SSF通常会带来可测量的抗氧化活性增强，这与酶促水解释放游离羟基及生成低分子量抗氧化代谢物有关。然而，酚类增加与抗氧化活性提升并非总呈线性关系，某些体系虽可溶性酚增加，但总抗氧化能力下降，提示发酵过程中也可能耗损关键抗氧化分子或破坏天然协同作用。因此，SSF对抗氧化性能的提升具有明显基质依赖性，评价时应结合整体生化重构，而非仅依据单一酚类指标判断。
2.2. Proteins and Food Functionality
植物蛋白在SSF过程中可发生显著结构、营养与工艺功能变化，从而提高其食品应用适宜性。该过程可被理解为一种酶促“预消化”，即微生物蛋白酶将贮藏蛋白降解为更小、更易消化的组分，同时生成具有附加生物功能的产物。在水稻、大麦、玉米、黑大豆和蚕豆等基质中，SSF能够提高蛋白质质量指标、改善必需氨基酸平衡，并增加赖氨酸、亮氨酸及支链氨基酸等含量。已有研究指出，蛋白消化率可提高12%–28%，这主要归因于复杂贮藏蛋白被裂解为更易被消化酶利用的片段。
与此同时，这种变化并不总是单向有利。在鹰嘴豆和燕麦体系中，平菇（Pleurotus ostreatus）可部分利用底物蛋白合成富含几丁质的真菌生物量，导致蛋白氮下降。因此，发酵后原生蛋白减少并不必然表示营养恶化，还需结合新形成生物量及可消化性变化综合解读。更重要的是，SSF可破坏植物组织细胞壁，提高蛋白可及性，并增强乳化性、吸水性等工艺特性，这对蛋白强化面粉及复杂食品体系中的功能性配料开发尤为关键。
细菌型SSF同样能调控蛋白结构与功能。乳酸植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）可在豆类蛋白分离物中诱导中等程度水解，提高溶解性并改变表面电荷；在绿扁豆中还可形成来自蚕豆球蛋白（vicilin）、伴蚕豆球蛋白（convicilin）和豆球蛋白（legumin）的特征肽谱，增加疏水性肽比例并提升跨上皮转运潜力。除提高消化性外，SSF还可释放低分子量生物活性肽，部分肽序列具有血管紧张素转化酶抑制潜力，或与Nrf2-KEAP1通路相关抗氧化反应有关。此外，发酵还可通过降解过敏原蛋白降低致敏性，例如白羽扇豆（Lupinus albus）中的β-conglutin可被显著降解。总体而言，真菌体系更利于深度基质破坏和强蛋白水解，而细菌体系则更适合受控食品发酵中的温和调控。
2.3. Other Bioactive Compounds
除酚类组成和蛋白功能改善外，SSF还可促进具有营养和药理意义的次级代谢物从头合成或选择性释放。低值农工副产物因此可转化为高附加值功能配料。一个突出例子是蛹虫草（Cordyceps militaris）在谷物和甘蔗渣混合底物上的SSF，可产生虫草素并促进腺苷与腺嘌呤前体积累，从而提高工业生产可行性。另一类重要进展是维生素生物强化，如谢氏丙酸杆菌（Propionibacterium freudenreichii）可在小麦麸和燕麦麸中原位生成活性维生素B
12，而玉米粉经可食真菌SSF和UV-B照射后，维生素D
2水平亦显著提高。
微生物代谢还会改变内源植物化学物的结构，使其具备更高生物利用度或活性。例如，蒸馏副产谷物中的美拉德反应产物（Maillard reaction products）可被溶解和转化；块茎豆（Apios americana）中的异黄酮糖苷则可转化为苷元。与此同时，SSF还能通过分解复杂碳水化合物及生成有机酸形成具有明确工艺价值的配料，如黑曲霉（Aspergillus niger）可在果渣中生成柠檬酸。部分豆类体系还表现出可溶性膳食纤维增加、不溶性纤维下降，从而潜在提高益生元价值和胃肠道健康相关性。
在抗营养因子与不良成分控制方面，SSF同样展现出重要潜力。植酸可被显著降解，从而提升锌、钙、镁和铁等矿物质生物可及性；单宁、胰蛋白酶抑制剂及某些毒理关注物亦可降低。乳酸菌参与时，还可减少黄曲霉毒素B
1、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、15-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇、总生物胺及部分霉菌毒素。由于SSF具有低水分活度特征，其本身也可能限制病原菌增殖，增强加工过程中的微生物学稳定性。整体而言，SSF不仅用于富集有益代谢物，也可用于转化或减少限制营养、工艺和安全价值的不利成分。
2.4. Sensory Properties
SSF引发的生化重塑会重构发酵基质的代谢物与挥发性化合物谱，因此不仅影响营养和功能性，也深刻作用于感官品质。其一项重要意义在于削弱植物基配料中常见的不良气味与味道。例如，发酵可降低酸味、豆腥味、青草味或腐败味相关挥发物，同时使挥发性构成更为复杂，生成蘑菇样、可可样、果香或甜香特征。己醛等典型豆腥/青草气味分子在部分体系中可被有效调控，而不同接种组合和微生物演替则决定了香气形成路径和终产品一致性。
近期研究进一步表明，SSF的感官效应不仅是去除异味，还包括通过受控代谢定向生成目标香气活性化合物。在生咖啡、白酒、红茶及豆-燕麦天贝样产品中，已观察到酯类、醇类、醛类、酮类及吡嗪类物质的系统性改变，这些变化可增强果香、蜂蜜香、烘烤香、坚果香、黄油香、木质香或花香等感知特征。特定菌株，尤其酵母、曲霉和毛霉，在风味导向调控中表现出明显菌株特异性。
关于视觉属性，现有文献相对有限，但已报道SSF可通过色素生物合成或内源色素相关化合物转化改变食品外观。黄色豌豆粉经开菲尔（kefir）发酵后用于无麸质面包，可使面包瓤更黄；小麦经红曲霉（Monascus ruber）发酵后可形成红色色素，使面包颜色更深、更红；茶叶经Eurotium cristatum发酵后，干茶由深绿色转向金黄色，茶汤则由浅黄绿色转为深琥珀棕色。这些现象说明SSF对感官品质的塑造涉及香气、滋味与外观多个维度。
2.5. Effects on Gut Microbiota and Intestinal Health
SSF来源食品对肠道微生物群的影响是近年新兴研究方向，但现有证据主要来自体外结肠发酵模型或动物实验，因此需谨慎解释。较一致的观察结果是，部分发酵底物可促进更高的微生物多样性，并使菌群结构朝向潜在更健康的方向转变，如降低厚壁菌门/拟杆菌门比值，增加乳杆菌属（Lactobacillus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium），并减少部分潜在促炎或机会致病类群。与此同时，某些经SSF处理的膳食纤维或多糖组分可富集短链脂肪酸（SCFA）产生菌。
在功能层面，这些菌群变化常伴随乙酸、丙酸和丁酸等SCFA生成增加。相关代谢物不仅可为结肠细胞供能，也与紧密连接蛋白如ZO-1和occludin表达上调相关，从而有助于维持肠屏障完整性并减轻炎症反应。发酵咖啡渣等案例亦显示，SSF可增加低聚糖含量，并在实验条件下支持远端结肠SCFA生成及阿克曼菌（Akkermansia）富集。
此外，通过在发酵过程中引入特定菌株进行生物强化，还可能更有针对性地调节后续微生物群生态和代谢流，例如促进L-乳酸等理想异构体积累。不过，作者强调，这些结果尚不能直接外推为人体可测健康获益。未来研究需优先开展设计严谨的人体干预试验，并结合超越菌群组成变化本身的功能性标志物进行评价。
3. Industry Adoption of SSF
尽管SSF在工业中的实施晚于传统液态或半固态食品发酵技术，但其在食品相关产业中的采用正稳步增加。现有企业分布显示，食品领域已成为SSF产业化的主要驱动力之一。当前工业应用主要集中在菌丝体食品、替代蛋白、芳香与功能性配料以及饲料导向产品，说明SSF在农食系统中具有较宽的技术覆盖面。许多企业还依赖食品副产流、废弃物及其他低值残余生物质作为底物，进一步强化了其与循环生物经济战略之间的联系。
在生产可行性方面，SSF若能使用低成本底物并直接将发酵固体作为最终配料，可在无需复杂提取或纯化时显著降低成本。然而，工业盈利性仍取决于足够的生产率、稳定可重复的产品质量及有效的过程控制。基质预处理、发酵阶段通气与温度控制，以及干燥等后处理步骤均带来能耗与成本压力。副产物流的季节性与组成波动还会增加连续化生产和标准化控制难度，并对食品安全管理提出更高要求。
消费者接受度也是产业推进的重要变量。菌丝体食品的市场接受不仅取决于其健康与可持续利益，也与消费者对霉菌、天然性及厌恶感的联想相关。监管层面同样关键，特别是在欧洲语境下，真菌子实体与对应菌丝体的监管地位可能不同，后者在商业化前可能需要新型食品授权。除直接食品外，SSF还被用于开发菌丝体材料、生物农用投入品及环境修复方案，虽不直接构成食品产品，却可在循环农业和可持续食物链中发挥支撑作用。大量初创企业的涌现也说明SSF商业模式正在可持续创新框架下快速吸引资本与政策关注。
4. Gaps and Critical Sight
尽管SSF在食品系统中的研究进展迅速，若干关键缺口仍限制其广泛应用。首先，不同研究之间可比性不足。特定目标功能所对应的最优微生物-底物组合高度依赖具体基质，而发酵条件、提取程序和分析方法缺乏标准化，再加上底物固有变异性，使得研究结果难以横向比较，也难以提炼出普适结论。
第二，关于SSF诱导功能变化的机制解释仍不够充分。抗氧化能力提升通常与酚类增加相关，但肽、美拉德反应产物、有机酸及其他微生物代谢物亦可能共同贡献；挥发性谱变化也并不自动意味着感官改善，除非有系统性感官验证支持。同理，肽多样性增加或特定菌群富集，只能视为潜在功能信号，而非直接健康证据。因此，未来研究应将组成分析、靶向生物活性测定、感官评价及适宜的生物学验证模型结合起来。
第三，多数研究仅将发酵底物与未经发酵原料比较，而现实中这些配料通常还要经历蒸煮、焙烤、挤压、压实或复杂配方加工。由于这些后续处理可能削弱多酚、肽、维生素等有益成分的稳定性，未来应在更真实的终端使用情境下，将SSF衍生配方与加工对照进行比较。除此之外，SSF还应从更广义视角评价，即其不仅可改善原料组成，也可能在食品加工辅助成分、包装相关分子以及饲料升级方面发挥作用。
在工艺放大方面，托盘式系统虽已较成熟，但过程强化仍是重大挑战。填充床等反应器有望改善生产率和控制水平，但传热传质受限及固体基质非均一性依然突出。为减轻这些限制，已有研究探索滴滤系统、嗜热菌株利用、实时传感和数据驱动建模等策略。与此同时，技术经济分析与生命周期评价在食品导向SSF中仍然不足。已有相关系统研究提示，下游纯化可能成为环境和经济负担热点；但若发酵固体可直接作为最终配料，则该负担可明显降低。因此，未来的规模化路径必须从一开始就综合考虑产品形式、回收策略、环境成本与经济可行性。
5. Conclusions and Future Perspectives
综合全文，SSF虽源于古老食品实践，但在现代功能性食品开发中仍具有高度现实意义。其在多类植物基基质中经常表现为促进酚类释放与生物转化、提高蛋白消化性和工艺功能、生成多种生物活性代谢物，并在部分情况下减少抗营养、致敏或其他不良成分。同时，这些组成变化往往伴随香气、感官属性以及肠道微生物群相关参数的改变，显示SSF对于功能食品设计的多维价值。
更重要的是，SSF不应仅被理解为改善组成的单一步骤，而应被视为可将低值植物原料和农工副产流转化为高营养、高技术和潜在健康价值配料的综合生物加工平台。其最终效果受底物类型、原料组成、发酵微生物以及发酵前后操作共同决定，因此高度依赖具体体系。未来要充分释放其食品应用潜力，仍需加强工艺标准化、真实后加工条件下的效果评价、超越体外实验的生物学验证，以及技术经济和生命周期层面的系统整合。总体而言，SSF的意义已超越单一配料改良，指向更可持续且功能导向的食品系统构建。
