黑蒜的营养功能及其加工工艺研究进展

大蒜(Allium sativum L.)属于百合科葱属,既可作为一种食物或烹饪原料,也可用作一种中草药,以“陆地上生长的天然抗生素”而闻名于世。大蒜含有多种生物活性成分,具有温脾、消食理气、抗菌消炎、降血糖血脂等多种作用[1]。大蒜在我国培育历史悠久、栽植面积广、产量高,多年来保持较高出口量,在我国单项农产品出口总额中位列第一。然而,大蒜有着特殊的刺激性气味和辛辣味,甚至会引起一些人的肠胃不适,这限制了大蒜的应用。人们尝试使用各种加工技术处理大蒜,以尽量减少大蒜异味、提高其适口性、保持或提升其有益的生物功能。

黑蒜的主要原料为新鲜的大蒜,在高温、高湿条件下加工一定时间而制成的大蒜深加工产品。黑蒜最早由日本人发明,经由韩国、西班牙、中国台湾等地逐渐发展并流传到内地,因良好的口感和较强的生理作用,深受消费者的喜爱并成为保健食品的新宠。黑蒜柔软、有弹性、甘甜可口,没有大蒜的辛辣味和刺激性臭味；与新鲜大蒜相比,黑蒜的化学成分发生了较大的变化,不仅提高了原有营养成分的含量,还产生了一些新的功能物质,从而具有更好的生理活性,如抗氧化、调节血糖血脂、抗肿瘤等。

本文主要总结了黑蒜的主要营养成分、生物功能、加工工艺和内生菌方面的研究内容,并且对黑蒜的未来发展及其应用做出展望。

1 黑蒜中的主要营养成分

大蒜的营养非常丰富,每100 g鲜蒜中含水分63.8 g,热量577.39 kJ,糖7.3 g,蛋白质5.2 g,脂肪0.2 g,钙10 mg,磷12.5 mg,铁1.3 mg,维生素B1 0.29 mg,维生素B2 0.06 mg,尼克酸0.8 mg,维生素C 7 mg。此外,还含有人体所必需的多种微量元素。大蒜经过酶化、熟化、干燥等过程加工成黑蒜后,营养成分大大提高,糖类化合物、有机酸、总酚等化合物含量增加,还产生类黑精、5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)等新物质,从而具有更高的营养价值及生理活性。

1.1 糖类

大蒜多糖是大蒜的主要成分,具有抗凝血、降血脂、预防动脉粥样硬化、抗癌抗肿瘤、降血糖和抗衰老等多种生理作用。目前相关研究多集中于多糖的提取、含量测定及其抗氧化性能研究。黑蒜和大蒜中多糖含量分别为98.67 mg/g和50.33 mg/g[2]。黑蒜粗多糖经热水浸提、旋转蒸发浓缩、离心、Sevag法除蛋白、沉淀洗涤、干燥等分离纯化过程得到,提取率为8.14%,用苯酚硫酸法测定其粗多糖纯度为43.0%[3]。采用木瓜蛋白酶辅助水提醇沉法提取黑蒜多糖,并对其提取方法进行优化,最佳的提取条件为：酶用量1.5%、酶作用pH 6.5、提取温度55 ℃、超声波时间75 min,在此条件下,黑蒜多糖的提取率可达10.15%[4]。黑蒜多糖具有良好的抗氧化性能,其保健价值值得进一步研究。

黑蒜相较于新鲜大蒜变得酸甜可口,在加工过程中,淀粉酶、果聚糖聚合酶的酶解作用及熟化过程中热力作用,使大蒜中的多糖逐渐分解为单糖(主要是葡萄糖和果糖)、双糖和低聚糖,提高了黑蒜的甜度。成品黑蒜中的还原糖含量占其干重的60%以上,是鲜蒜中的30～80倍[5]。

通过热处理获得的黑蒜糖组分主要包括果糖(57.14%)、蔗糖(7.62%)和葡萄糖(6.78%)。其中果糖的增加最为显著[黑蒜中(0.38±0.06)～(44.73±4.41) g/100 g DM],其次是葡萄糖[(0.21±0.02)～(2.51±0.24) g/100 g DM][6]。黑蒜加工过程中,还原糖的积累速度与温度有关,温度升高越快,还原糖累计速率越快,这表明大蒜多糖的降解主要是高温作用的结果。但是在恒定温度下研究灭酶对黑蒜褐变度及还原糖含量的影响,发现在70～90 ℃的条件下,果聚糖酶在极短的时间内已经完全失活,不参与还原糖的生成[7]。由此可以推测在黑蒜加工过程中还存在其他还原糖产生的途径。

大蒜中性多糖经过水解后分子量明显下降、低聚糖含量明显升高,聚合度低于10的低聚糖含量由15%增加至75%以上[8]。与大蒜中性多糖相比,人造胃液对水解低聚糖影响较明显,水解低聚糖的抵抗力较低,但其能显著促进4种乳酸菌的增殖,降低发酵液pH,具有更强的益生作用。低聚果糖是一种功能性低聚糖,具有益生元作用,能促进肠道有益微生物的生长和功能。但采用目前工艺所制备的黑蒜中低聚果糖的含量有限,极大限制了黑蒜的益生元功能,因此,如何通过优化加工工艺增加低聚果糖的含量也是值得研究的方向之一。

1.2 有机酸

大蒜中的有机酸在营养吸收、消化和免疫方面起着重要的作用。大蒜的酸度为0.4%(以乳酸计),不会形成酸味。在热处理过程中,黑蒜中总酸含量不断增加,使得黑蒜具有酸味,美拉德反应会生成有机酸,主要是甲酸和乙酸,大蒜的pH值从6.42(鲜蒜)变化到5.00(40 ℃,45 d)及3.05(85 ℃,45 d)[7]。黑蒜加工前后的总酸含量变化较大,从鲜蒜的4.6 g/kg到黑蒜的33.61(60 ℃)、37.50(70 ℃)、30.96(80 ℃)和36.37 g/kg(90 ℃)[6]。

柠檬酸、乳酸、酒石酸、草酸和苹果酸是黑蒜中的主要有机酸,大蒜提取物中存在柠檬酸、苹果酸、乳酸、富马酸等有机酸,而黑蒜提取物中富马酸消失,新生成乙酸、甲酸、3-羟基丙酸和琥珀酸(黑蒜中含有较多的甲酸和乙酸)[9]。这些变化具有重要的意义,有机酸含量的增加不仅会带来甜酸味,并且有利于蛋白质和多糖的水解以及黑蒜的微生物稳定性。大蒜热处理后酸度增加的原因是在美拉德反应中消耗了大量的碱性基团(如氨基酸中的氨基)以及形成短链羧酸。

1.3 含硫化合物

在大蒜中的生物活性物质,含硫化合物占主要成分,蒜氨酸(S-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜)、脱氧蒜氨酸(S-烯丙基-L-半胱氨酸)和γ-谷氨酰氨-S-烯丙基-L-半胱氨酸是大蒜中主要的含硫化合物。黑蒜中蒜氨酸、脱氧蒜氨酸、γ-谷氨酰氨半胱氨酸含量分别为0.36%～0.90%,0.36%～0.93%,0.83%～2.83%[10]。大蒜具有抗菌、降血压、降血脂、抗癌、抗肿瘤等作用,这些都与大蒜中的含硫化合物有关。同时,硫合物也是大蒜的主要风味物质,赋予了大蒜独特的辛辣风味。加热过程中,大蒜中的蒜氨酸及脱氧蒜氨酸降解生成烯丙基硫化物等含硫化合物,其中一些具有淡香气味。

黑蒜主要包括27种挥发性硫化物,其中含量较高的分别为3-乙烯基-3,4-二氢-1,2-二噻吩烷(17.56%)、二烯丙基二硫醚(17.53%)、2-乙基四氢噻吩(13.24%)、2-乙烯基-1,3-二噻烷(8.81%)、N,N′-二甲基硫脲等化合物(8.00%)。与大蒜相比,二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚含量显著降低,这可能是大蒜经热处理后刺激性气味显著降低的主要原因。热处理后,黑蒜中的2-乙基四氢噻吩含量显著高于大蒜,使得黑蒜产生一种淡香味。黑蒜中挥发性硫化物总量略低于大蒜,而二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚等刺激性挥发物质显著降低,芳香化合物增加[11]。

由于大蒜品种、加工工艺和分析方法的不同,大蒜和黑蒜中的挥发性特征可能会发生变化,但这些结果均表明大蒜经过高温处理后,刺激性气味大大减少,香味物质增加。相较于大蒜,黑蒜中挥发性含硫化合物总量也有所增加,能有效抑制致癌物质亚硝胺类物质在生物体内的合成,抑制癌细胞的形成和生长,降低血压、抗衰老,预治心脑血管等疾病。

1.4 多酚类物质

多酚广泛分布于水果、蔬菜和谷类等日常食品中,并表现出强大的抗氧化能力。大蒜是食品中酚类化合物最丰富的来源之一。单宁、类黄酮和酚酸是黑蒜中的主要多酚物质。加工过程中,黑蒜多酚类物质经加热水解,产生大量酚类小分子物质,释放出更多的酚羟基,相对含量升高。羟基肉桂酸衍生物是经过不同加工程序的大蒜样品中含量最高的酚酸,其中对香豆酸和邻香豆酸的含量增加最为显著(增加了14倍)[12]。大蒜加工成黑蒜后,总多酚含量显著增加7～11倍,总黄酮和总酚酸含量分别增加1～5倍和4～8倍,使黑蒜具有比大蒜更强的抗氧化活性和过氧化物自由基清除能力[8]。

1.5 氨基酸

氨基酸是食物中的重要营养素,其组成及含量直接影响食品的营养价值,并与人类的味觉密切相关。大蒜中含氨基酸,加工成黑蒜后,游离氨基酸的含量和种类发生较大的变化。如表1所示[13]。

表1 大蒜与黑蒜中游离氨基酸含量的比较 单位：mg/100 g

Table 1 Content of free amino acids in garlic and black garlic

氨基酸大蒜黑蒜天门冬氨酸137.58±1.09180.36±14.16苏氨酸94.23±0.81137.52±12.00丝氨酸57.71±0.2973.44±53.64谷氨酸242.27±0.81269.06±22.51脯氨酸77.72±0.25127.71±10.46甘氨酸52.93±0.2168.25±6.17丙氨酸53.62±0.4160.46±3.68半胱氨酸53.58±0.11102.02±9.81缬氨酸60.80±0.5880.00±9.07甲硫氨酸37.81±0.1471.91±7.04异亮氨酸47.89±0.0171.46±7.90亮氨酸71.25±0.7697.26±10.49酪氨酸47.18±0.5263.02±8.87苯丙氨酸87.50±0.04101.80±10.83组氨酸42.87±0.9652.31±6.58赖氨酸90.02±0.9296.84±9.20蛋氨酸31.16±0.4127.30±1.97精氨酸242.67±1.07250.47±19.16总计1 528.75±0.831 931.13±175.48

新鲜大蒜富含游离氨基酸,如谷氨酰胺、天冬酰胺和谷氨酸等,还有赖氨酸、色氨酸和缬氨酸等必需氨基酸。大蒜经高温加工成黑蒜后,蛋白质可能发生变性,部分氨基酸参与美拉德反应,另一部分氨基酸以游离状态存在,构成黑蒜的营养物质。CHOI等[14]发现加工后的黑蒜除亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸外,其他氨基酸含量均下降。半胱氨酸是大蒜中含硫化合物的重要前体,也是产生气味化合物的母体。黑蒜经热加工后半胱氨酸含量显著降低,黑蒜的低硫风味的形成可能与此相关。酪氨酸和天冬氨酸等酸性氨基酸以及谷氨酸、精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸含量随着加工时间的延长而降低。极性氨基酸如苏氨酸和丝氨酸以及非极性氨基酸如甘氨酸和丙氨酸的含量也有所下降。推测这些氨基酸的减少可能与美拉德反应有关,美拉德反应发生在胺(通常是氨基酸)和羰基化合物(通常是还原糖)之间。

1.6 类黑精

类黑精是在反应后期阶段由美拉德反应活性中间产物经缩合、聚合等反应产生的褐色大分子含氮化合物。近来年,类黑精因其具有抗氧化、益生元和抗高血压等作用受到越来越多的关注。

新鲜大蒜中未检测到类黑精,而在鲜蒜被加热处理成黑蒜时,黑蒜类黑精的总含量显著增加,其浓度与加热天数呈正相关,同时大蒜的色度增加。在72、75或78 ℃下加工大蒜一段时间会导致大蒜色度增加(整个大蒜鳞茎的Hunter L值分别从52.05±0.38降低到18.01±0.32、18.04±0.25和19.06±0.26),而褐变的强度和速率高度取决于温度和加工时间[15]。在420 nm处测定吸光度,观察到在85 ℃下处理的样品褐变强度迅速增加,直到第15天达到稳定状态,在40～70 ℃下处理的大蒜样品导致褐变强度的变化慢得多(40 ℃下为0.69,85 ℃下为2.05)[16]。

黑蒜的褐变程度与美拉德反应的进行有关,在280、320～360和420～450 nm处的吸光度与初始阶段(糖胺缩合和Amadori重排)、中间阶段(糖脱水、破碎和Strecker降解)和最终阶段形成的产物相对应(羟醛缩合、聚合和杂环硝基化合物的形成)。在这3个阶段产生的产物遵循类似的分布,有大量的中间产物,以及降解的蛋白质、肽和酚酸等化合物[17]。增加的类黑精逐渐导致大蒜样品变黑,直至深棕色或黑色。

在类黑精中,呋喃类的相对含量最高,其次为吡咯类、噻吩类、烷烃、糠醛类、酚类等。类黑精具有较高的金属离子螯合活性和抗氧化能力,且与分子量呈正相关。体外模拟消化结果表明类黑精几乎是不可消化的。α淀粉酶和盐酸处理均显著降低了黑蒜类黑精的金属离子螯合活性和抗氧化能力,体外模拟消化后仍能保持在60%以上。这表明类黑精具有较高的生物利用度和生物可及性。试验证明口服类黑精可以显著降低高脂饮食诱导肥胖小鼠的体重增加和白色脂肪组织质量,逆转了糖耐量,特别是大剂量的类黑精。同时口服类黑精后,小鼠的肠道微生物环境得到改善,细菌多样性和丰富度增加[18]。上述研究均表明黑蒜类黑精具有很大的应用潜力。同时,黑蒜类黑精作为膳食纤维在糖尿病和肥胖方面具有很大的应用潜力,作为一种有效的抗氧化剂,还可在食品添加剂或功能性食品中得到广泛的应用。

1.7 5-HMF

5-HMF是一种五碳环芳香醛,可通过还原糖(如葡萄糖或果糖)和氨基酸在高温美拉德反应过程中的催化脱水形成,也可以通过已糖在酸性环境中直接降解形成。食品中的5-HMF的形成高度依赖于加工和储存条件,如温度和pH值。

5-HMF作为美拉德反应的关键中间产物,不仅影响黑蒜的生物活性,而且影响黑蒜的感官效果,可作为预测黑蒜加工速率的重要检测指标。核磁共振氢谱分析表明,鲜蒜中未发现5-HMF,而黑蒜在加工过程中产生大量的5-HMF,热处理90 d后得到的黑蒜提取物中5-HMF的含量比加热25 d后增加了6倍以上。LIANG等[9]使用5-HMF的量作为加热5和25 d后获得的鲜蒜和黑蒜提取物的差异标记。黑蒜中5-HMF的含量在热处理过程中显著增加,实际增加量取决于加工温度。加工温度越高,5-HMF含量增加越快。在60 ℃下制备的黑蒜中5-HMF的水平以缓慢的速率增加至1.88 g/kg(约为70 ℃、80 ℃和90 ℃下制备的黑蒜中5-HMF的0.39～0.46倍)。在80或90 ℃下5-HMF含量快速增加,但黑蒜会产生苦味[19]。而冷冻预处理可使黑蒜中的5-HMF含量增加25%(从208.5 μg/g增加到260.7 μg/g)[20]。

但目前对于5-HMF的安全性仍存在较大争议,高浓度的5-HMF具有细胞毒性,对人体组织和内脏器官具有刺激性,在体内具有致癌性。黑蒜加工过程中5-HMF的形成途径途径仍知之甚少,在鲜蒜加工成黑蒜的过程中检测5-HMF含量的有效方法有待进一步研究。

2 黑蒜的生物功能

大蒜热处理加工成黑蒜后,易被人体吸收。黑蒜含有丰富的功能性成分,如多酚、含硫化合物、类黑精等,在这些化合物的共同作用下,黑蒜具有比新鲜大蒜更强大的生物功能。

2.1 抗氧化、抗衰老作用

抗氧化活性是黑蒜最突出的特点。黑蒜具有较高的DPPH自由基、ABTS阳离子自由基、·OH和

清除活性,从而发挥抗氧化作用。黑蒜的抗氧化能力的增强与新的抗氧化化合物的产生密切相关。在黑蒜的加工过程中,多酚类化合物(包括黄酮类化合物)、β-carboline类生物碱、5-HMF、类黑精等物质的增加或产生,对抗氧化性能的提高均起着有效作用[21]。

黑蒜中的大蒜素能与脂质相结合,结合产物具有与维生素E相同的功能,即抗衰老以及预防动脉粥样硬化；黑蒜中的蒜氨酸酶及其乙醇萃取物也有一定的抗衰老作用；黑蒜中胱氨酸能促进细胞的增殖,而且具有排毒养颜的作用；黑蒜中含有丰富的锗元素,具有良好的抗衰老作用[13]。

LEE等[21]通过对3周龄的患糖尿病的小鼠分别饲喂正常饲料和添加冻干普通大蒜和黑蒜,7周后分别测定肝水平的脂类过氧化物以及抗氧化酶的活性。黑蒜的抗氧化能力是普通大蒜的4倍以上；与对照组小鼠相比,饲喂黑蒜的小鼠体内硫代巴比妥酸反应物质水平显著降低；超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶活性和过氧化氢酶的活性显著升高。CHOI等[14]发现,黑蒜中多酚类和黄酮类物质含量在21 d内显著增加。通过DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力,发现黑蒜的抗氧化能力明显提高。体外、体内实验均证明黑蒜具有较强的抗氧化能力和抗衰老作用。

2.2 抗菌消炎作用

大蒜素和硫化丙烯在黑蒜杀菌中,效果明显,具有广谱抗菌作用。此外,黑蒜中的挥发性成分和浸出液等对多种病原菌都有明显的抑制或杀灭作用。最低抑菌浓度(金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌)显著降低,且显示出相加和协同效应[22]。KIM等[23]用氯仿提取黑蒜中5-HMF,研究其对TNF-α刺激的脐静脉内皮细胞的内皮细胞粘附因子和单核细胞粘附性的表达变化,结果表明,黑蒜5-HMF具有消炎作用,可作为动脉粥样硬化等血管疾病的潜在治疗药物。

2.3 调节血压、血脂、血糖作用

随着生活水平的改善,“三高”问题逐渐显现,已经成为人类致命的“头号杀手”。而研究发现黑蒜具有降低血压、血脂、血糖等多种功效。

RIED等[24]利用黑蒜提取物辅助降压药判断降压效果,结果表明黑蒜辅助的降压效果更好。JUNG等[25]使用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)发酵黑蒜,然后用3种不同剂量的发酵黑蒜喂食高脂肪的过度肥胖小鼠,相同剂量的酿酒酵母发酵黑蒜比普通黑蒜更有效的抵抗高脂肪饮食诱导的肥胖并发症。对高脂肪大鼠饲喂不同剂量黑蒜提取物,发现食用黑蒜提取物会降低SREBP-1C基因的表达,从而导致脂质和胆固醇代谢的下调,促使总脂质、甘油三酯和胆固醇的血液水平降低[26]。

黑蒜在降低血糖方面效果显著、优点突出、无副作用,同时具有很强的抗氧化能力,可预防糖尿病并发症,是降糖药的首选之一。SI等[27]使用保加利亚乳杆菌制备黑蒜,并进行妊娠期糖尿病的临床试验。40周后,分别于空腹血糖和口服葡萄糖耐量试验后1和2 h测定患者血糖水平,结果发现保加利亚乳杆菌促进了吡喃葡萄糖向呋喃葡萄糖苷的转化,降低了空腹血糖、1和2 h血红蛋白水平,有效改善了妊娠糖尿病。

2.4 抗癌抗肿瘤作用

研究发现黑蒜还具有抗肿瘤作用,黑蒜对胃癌、肝癌、肺癌、白血病、乳腺癌和结肠癌等癌症都表现出优异的体外和体内治疗效果。

体外试验表明,黑蒜提取物处理的GC-7901人胃癌细胞凋亡呈剂量依赖性,并能抑制荷瘤小鼠肿瘤的体内生长。血清超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、IL-2及脾脏、胸腺指数的升高,表明黑蒜的抗肿瘤作用可能与其抗氧化和免疫调节作用有关[28]。黑蒜水提取液对肝肿瘤癌有着明显的生长抑制作用,在移植昆明小鼠H22肝癌细胞后,黑蒜抑瘤有效率达40%以上[29]。在黑蒜己烷提取物能显著抑制白血病细胞U937的增殖,抑制的效果与作用浓度、作用凋亡时间呈正相关,并有一定的量效关系,使用10 μg/mL的黑蒜己烷提取物处理U937细胞24 h后,细胞存活率下降60%[30]。

在黑蒜的含硫化合物中,S-烯丙基半胱氨酸(SAC)和 S-烯丙基巯基-半胱氨酸起着主要的抗癌作用,此外,黑蒜的加工过程使得大蒜中的蛋白质转化为氨基酸,促进人体吸收,对提高人体免疫力、减缓疲劳、防癌抗癌有一定的作用。黑蒜中硒、锗等微量元素也具有重要的抗癌作用。

2.5 对肝脏和心脏的保护作用

无论是在体外还是体内,黑蒜都具有比大蒜更高的抗氧化性和抗炎活性,可对肝脏和心脏能够起到一定的保护作用。研究发现在患有慢性酒精损伤的大鼠中,黑蒜具有保护肝脏的作用,黑蒜能够改善脂质分布,使得血浆中天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶、碱性磷脂酶和乳酸脱氢酶等水平显著降低[31]。此外,黑蒜中富含SAC和多酚类物质,可能通过在缺血再灌注过程中对冠状动脉产生舒张作用,阻止缺血再灌注诱导的心肌收缩力下降,从而发挥心肌保护作用[32]。

2.6 增强免疫力作用

机体的免疫功能是由淋巴细胞、单核细胞和其他有关细胞及其产物的相互作用完成的。黑蒜中的脂溶性挥发油能显著提高机体内巨噬细胞的吞噬机能,有效增强免疫系统的作用。同时,由于蛋白质在加工过程中转化为氨基酸,还能有效提高人体的免疫能力。维生素C含量的增加也能增强人体免疫力。

冯永辉等[33]连续5 d给予小鼠腹腔注射黑蒜提取物溶液,第6天处死小鼠后分离培养其脾细胞,检测其自然杀伤细胞杀伤活性、脾细胞培养上清液中NO的分泌水平和IL-2、IL-4、IFN-γ和TNF-α的水平等,验证了黑蒜提取物能够显著提高自然杀伤细胞的杀伤活性,增强对机体异常细胞的监视和清除能力。此外,黑蒜提取物还能提高白细胞、淋巴细胞、鼠李糖乳杆菌的含量,从而增强机体免疫力[34]。

2.7 其他功能

黑蒜还能增加大鼠海马中的椎体神经元总数,改善空间记忆能力[35]；提高大鼠浦肯细胞数量,增进运动协调能力[36]；调整Th1/Th2型应答平衡,抑制IG-33-ST2信号途径,改善小鼠过敏性哮喘等[37]。

3 黑蒜的加工工艺

目前市售黑蒜主要是在高温高湿的条件下经过一系列化学反应、美拉德反应自然形成的。微生物发酵具有绿色、安全等特性,随着人们健康意识的不断提高,绿色的生物转化技术逐渐成为研究热点。部分研究者也将微生物发酵用于黑蒜加工中,使其具有更好的生物活性及生理功效。

3.1 非发酵加工工艺

目前,我国的黑蒜加工技术主要是从日本和韩国引入,在此基础上对原有的加工技术进行改进,目前黑蒜加工工艺主要是非发酵加工工艺,又分为固态加工和液态加工。

3.1.1 固态加工工艺

固态加工是目前生产黑蒜最常用的方式。选取新鲜饱满的完整大蒜在高温及一定湿度条件下,不添加任何物质进行培养。固态加工的工艺流程包括：大蒜的选取、去皮和蒂1～2层、清洗、分级挑选、高温高湿加工、杀菌消毒、包装等工序。有研究发现加工90 d的黑蒜比培养30 d的黑蒜营养成分更为丰富,这可能是因为培养时间短,有效成分含量积累量少。30 d培养时间虽然缩短了生产周期,但其糖类、多酚等物质含量比90 d培养黑蒜略低,而90 d培养的黑蒜生产周期长、效率低、生产成本增加。因此如何调整工艺,在缩短生产周期的同时获得营养物质含量高的黑蒜成为亟待解决的问题。预处理和高温高湿是常用的两种方式。

高压预处理的方式对黑蒜的营养成分含量影响显著,但保压预处理后黑蒜总糖含量和DPPH自由基清除能力降低,效果不佳[38]。采用低温冷冻和高温水煮2种方法对大蒜进行预处理,比较不同预处理过程中营养品质特性。结果表明,相较于高温水煮预处理及对照组黑蒜,经低温冷冻预处理黑蒜的成熟时间可缩短4 d。且低温冷冻加工所得到的黑蒜还原糖、总酚、氨基态氮含量较高,均优于高温水煮预处理和未处理黑蒜[39]。因此,经低温冷冻预处理的黑蒜质量更好。朱新鹏等[40]采用微波预处理方法制备黑蒜,并对其预处理工艺进行优化。相较于未经微波预处理的黑蒜,在最优预处理条件下制备的黑蒜总酚、还原糖及总酸含量极显著提高,蒜氨酸变化不显著,感官评价较高。采用抑制呼吸、低温冷冻、超声波等方法处理大蒜,可有效提高黑蒜中还原糖和氨基态氮的含量,缩短黑蒜的加工时间、降低能耗,改善功能成分。

黑蒜的预处理方式虽不尽相同,但均可有效缩短黑蒜加工时间,提高加工效率,同时提高黑蒜中的功能性成分,加强功能效果。因此,在黑蒜生产应用中,对大蒜进行预处理是有必要的。

3.1.2 液态加工工艺

液态加工是指把新鲜的大蒜破碎成蒜泥,加入一定比例的水作为基质进行加工。液态加工工艺包括：大蒜选取、去皮、清洗、破碎、真空密封、培养箱培养、干燥、包装等工序。

液态培养条件下培养黑蒜,有着更短的加工时间。与大蒜及固态培养的黑蒜相比,液态培养黑蒜的总氨基酸和各单体氨基酸含量都有所增加,多酚含量也大幅提高。由此可见,液态加工黑蒜的抗氧化能力更佳,DPPH自由基清除率实验结果也证明了这一点。罗学仓等[41]发现,蒜泥与水质量比为2∶1,破碎粒度为4 mm,变温培养为70～80 ℃时,是液态培养的最佳工艺。此条件下,黑蒜总酚含量增加5倍,超氧化物歧化酶活性提高15倍,黑蒜呈黑褐色,无蒜臭味。

目前,对黑蒜液态培养的研究较少,但与传统方法相比,液态加工方式具有工艺简单、加工时间短、成本低、营养价值高、生物功能强等优点,是一种较好的大蒜加工方法。

3.2 发酵加工工艺

近年来,越来越多的研究者把重心转移到生物转化上来,其具有绿色健康的特性,不但没有人工合成产物的副作用,同时还具有多种生物活性和生理功效。利用微生物发酵技术能够提高发酵产物中的功能性组分的含量,例如多酚类化合物、蛋白质与多肽、膳食纤维等等,是一种绿色又环保的生物转化手段。

通过发酵加工工艺处理后,黑蒜的生物活性有所提高。JUNG等[25]使用两段发酵法进行发酵。在第一阶段培养中,将酿酒酵母接种在含有黑蒜提取物的培养基中培养,以增加生理活性物质的浓度。后过滤加热提取培养液,去除细胞,蒸发后将溶液冷冻干燥,冷藏保存。通过小鼠试验发现与传统方法制备的黑蒜相比,使用酿酒酵母(S.cerevisiae)发酵的黑蒜具有更强的体外抗氧化性,在糖尿病和肥胖小鼠中表现出更强的保肝、护肾、降血脂和减肥作用。此外,研究发现：用枯草芽胞杆菌发酵的大蒜含有高含量的稳定亚硝酸盐[42]。通过急性饲喂不同剂量的浓缩发酵大蒜,可以有效降低自发性高血压大鼠的收缩压,并呈剂量依赖性。

SI等[27]使用保加利亚乳杆菌发酵黑蒜,发酵结束后,用无菌水冲洗大蒜,并在50 ℃培养箱中干燥。乳酸菌发酵黑蒜的抗氧化性显著提高,并有效预防妊娠糖尿病的功效。

芽胞杆菌(如枯草芽胞杆菌、阿耶波多氏芽胞杆等)具有很强的产酸能力,发酵液中加入一定量的芽胞杆菌可使食品具有独特的醇香、花香和果香等风味[43]。而作为食品发酵行业中最常见的益生菌——乳酸菌,在食品工业上已经被广泛使用。乳酸菌能够调节人体内肠道微生态,改善人体胆固醇,调节血压等。经过乳酸菌发酵后,原料中的成分会被乳酸菌进行生物转化,不仅能够增强原料的营养价值(如增加多酚类、酸类、膳食纤维、可溶性蛋白质与多肽等物质的含量)、改善食品的风味和品质(如降低植酸的含量),同时还能提高原料中的功能性成分的生理活性(如降血糖、血压、抗癌等)[44-45]。

如何利用微生物的益生作用增强黑蒜的生物活性,改善黑蒜的风味和品质,菌种的选择、发酵工艺的确定及优化、安全性等问题都还有待进一步研究。

4 黑蒜内生菌

植物内生菌(endophyte)是指部分或全部生命周期生活在植物组织中的微生物。自然生态系统中所有的健康植物体都与内生菌共存,这些内生菌分泌多种次生代谢产物,诱导植物产生系统抗性。因此,植物内生菌可起到生物防治、增产菌剂等多种作用。

姬妍茹等[46]采用常规的分离培养方法研究了黑蒜加工过程中大蒜总菌和内生菌的数量变化规律。大蒜表面及内部没有严格意义的真菌存在,但有大量的好氧和厌氧菌存在。黑蒜加工过程中,大蒜的总菌群和内生菌群先迅速增加,然后急剧下降,最后微生物数量逐步趋向于零。当温度达到60 ℃以上时,大蒜表面的细菌基本失去活力,只有部分内生菌存活,而持续反复的温度升降,使得内生菌活性逐渐被抑制直至失去活力。在黑蒜加工的第96 h分离出1株产黑色素细菌,经鉴定为枯草芽胞杆菌S8nyzx-1[47]。该菌能在大蒜汁培养基中生长,且生长旺盛、耐热性强、产黑色素。将其接种至生蒜瓣,50 ℃下48 h蒜瓣变黑,而未接种蒜瓣则呈淡黄色,说明该菌液对大蒜由白蒜变成黑蒜具有一定的作用。

QIU等[48]采用传统培养法对大蒜及黑蒜内生菌进行了分离鉴定,从大蒜中的菌落数量高于黑蒜,说明黑蒜加工过程中微生物群系发生了一些变化,数量略有减少,且内生细菌(枯草芽胞杆菌、甲基营养芽胞杆菌、解淀粉芽胞杆菌)是大蒜和黑蒜的优势菌。该结果与姬妍茹等[46]的结果相似。

但传统培养内生菌的方法局限性较大,一些细菌在可培养性和可重复性方面的能力有限。因此利用Illumina MiSeq测序技术(细菌的16S rRNA V3-V4高变区)增加了对大蒜及黑蒜内生菌的认识[49]。结果显示黑蒜中微生物群落划分为45门1 125个不同的属,以热毒杆菌属(Thermus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、链球菌属(Streptococcus)和短尾单胞菌属(Brevundimonas)4个不同属为主。黑蒜培养第0天,变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)为优势门,总数为96.86%。随着加工的进行,丰度高的门基本相同,但相对丰度变化较大。具体来说,变形菌门从0 d 96.86%下降至第12天的44.53%,但厚壁菌门、放线菌门以及异常球菌-栖热菌门分别从1.04%、0.67%和0.18%增加到20.47%、8.84%和8.54%,表明微生物群落结构在12 d的热处理后发生了巨大的变化。在此过程中,黑蒜样品的微生物多样性和丰度显著增加。这一结果与传统培养法所得结果相差较大,这证明了两种方法直接存在显著差异。

基于KEGG对16S rRNA标记基因序列的代谢途径进行了预测,表明氨基酸代谢、碳水化合物代谢和膜转运在黑蒜发酵过程中起重要作用。大蒜系统中的营养物质和生物活性物质在不同阶段参与微生物群落的代谢途径,并与微生物产生的物质直接或间接的相互作用。这些作用受到加工条件的极大影响,并最终决定黑蒜产品的特性。新产生的功能性化合物(如低聚糖等)在有益和有害微生物的生长中起着不同的作用。总之,大蒜系统中的关键化合物与共存微生物之间存在广泛的相互作用还需要更多的研究,因为这些相互作用会使大蒜在转化为黑蒜过程中的成分变化进一步复杂化。

大蒜内生菌可以发酵葡萄糖、乳糖、蔗糖和大蒜多糖,具有很强的耐热性,并产生大量的有机酸和生物活性物质(如胞外多糖),这些活性物质能显著增强黑蒜的功能,延长其贮藏期,提高其安全性,说明大蒜内生菌的代谢能力具有重要的生物技术应用价值。而大蒜中典型的内生菌数量较少,对其进行一定的体外分离和扩大培养,以探索其功能是有必要的。因此,利用内生菌加速黑蒜加工,提高黑蒜风味和功能物质,延长贮藏期将成为今后的研究热点。相关分析也表明微生物群落的多样性和一些属(如热菌属和芽胞杆菌属)与黑蒜的还原糖、总酚和总酸含量呈显著正相关,但微生物在黑蒜品质形成过程中的作用仍有待研究。今后,通过代谢组学和现代仪器分析检测技术探究黑蒜培养过程中的化学反应和微生物群落在黑蒜品质形成中的作用将是研究的重点之一。

5 总结与展望

大蒜在加工成黑蒜后,主要成分如糖类、有机酸、多酚等都显著提高,新生成类黑精和5-HMF两种物质使得黑蒜比大蒜具有更高的营养价值和功效。黑蒜不仅具有良好的抗氧化、抗衰老作用,对记忆和神经系统也具有保护作用,还具有抗癌、抗炎、抗过敏、降血糖、保肝护心等作用。黑蒜作为一种新兴的保健食品逐渐受到人们的喜爱,具有良好的市场前景。

目前黑蒜的主要加工方式是在高温高湿条件下自然培养,以固态加工方式为主。有研究者意识到生物转化不仅没有人工合成产物的副作用,同时还可增加产品的生物活性和生理功效,利用微生物发酵技术使得黑蒜的营养成分含量更高,提高了黑蒜的生理功能,为黑蒜产业化的发展提供了新的思路。但以下几方面问题有待进一步解决：(1)发酵中菌种的选择、添加方式及添加工艺仍不成熟,不同菌种对黑蒜营养物质及生理功能的影响及其机制仍不明晰；(2)传统黑蒜的加工周期较长,一般需要在高温高湿的条件下维持2～3个月甚至更长,如何在生物转化过程中缩短黑蒜的加工时间、提高生产效率、节能减排；(3)研究者们通过传统培养和Illumina MiSeq测序技术相结合对黑蒜内生菌进行了分离鉴定,了解了黑蒜培养过程中内生菌的变化趋势。但黑蒜内生菌的存在对黑蒜的营养物质、风味物质和生物活性的影响有待进一步探究；(4)作为一种新兴的大蒜深加工产品,目前有关黑蒜深加工的生产规范、质量标准和安全性指标的制定等问题也亟待解决。

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