乳酸菌發酵豆乳研究進展

李學莉,胡海娥,*,張金桃,羅水平,梁洪源,李干龍,陳華芳

(1.廣州市東鵬食品飲料有限公司,廣東廣州 511330;2.廣東東鵬維他命飲料有限公司,廣東東莞 523170;3.深圳市東鵬飲料實業有限公司,廣東深圳 518055)

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乳酸菌發酵豆乳研究進展

李學莉1,胡海娥1,*,張金桃1,羅水平2,梁洪源1,李干龍3,陳華芳1

(1.廣州市東鵬食品飲料有限公司,廣東廣州 511330;2.廣東東鵬維他命飲料有限公司,廣東東莞 523170;3.深圳市東鵬飲料實業有限公司,廣東深圳 518055)

豆乳由于存在適口性差、含有抗營養成分等問題,其消費飲用受到限制。乳酸菌發酵可有效解決此問題,豆乳經乳酸菌發酵后風味改善、營養價值提高。本文就乳酸菌發酵豆乳常用菌株及發酵形式、發酵工藝、發酵過程中豆乳成分變化以及發酵豆乳功能性方面進行綜述,以期為乳酸菌應用于豆乳生產提供一定的參考。

豆乳,乳酸菌,發酵,成分變化,功能性

牛奶是世界公認的全營養天然蛋白源,但由于我國人口基數大,人均牛乳占有率不足發達國家的1/10[1],故有效地開發利用植物蛋白源成了新趨勢。大豆是我國傳統的農作物,2014年大豆的種植面積為659萬hm2、產量為1220萬噸[2],其中用于食品加工的大豆總量超過1000萬噸,占到國產大豆產量的近90%,并呈穩定增加的趨勢[3]。大豆中含有約40%的優質蛋白、20%的脂肪、27%的碳水化合物、多種維生素和礦物質,具有均衡的營養[1]。因此發展豆乳產業,以豆乳完全或部分替代牛乳,符合市場消費需要以及國家農業產業結構調整需要,有利于推動我國大豆產業健康、快速地發展。然而,豆乳存在的一些問題和缺陷限制了人們對其的飲用,如適口性差,含有豆腥味;含有難消化的α-半乳糖基低聚糖,如棉籽糖和水蘇糖,容易引發脹氣;含有胰蛋白酶抑制因子等抗營養因子。乳酸菌發酵是一種有效解決上述問題的生物法途徑,豆乳經乳酸菌發酵后風味改善、營養價值提高。本文就乳酸菌發酵豆乳常用菌株及發酵形式、發酵工藝、發酵過程中成分變化以及發酵豆乳功能性方面進行綜述,以期為乳酸菌應用于豆乳生產提供一定的參考。

1　發酵常用菌株及發酵形式

已報道的用于發酵豆乳的乳酸菌有乳桿菌屬(Lactobacillus,簡寫為L.)菌種10種:嗜酸乳桿菌(L.acidophilus)、保加利亞乳桿菌(L.bulgaricus)、布氏乳桿菌(L.buchneri)、纖維素乳桿菌(L.cellobiosis)、發酵乳桿菌(L.fermentum)、植物乳桿菌(L.plantarum)、干酪乳桿菌(L.casei)、瑞士乳桿菌(L.helveticus)、德氏乳桿菌(L.delbrueckii)、鼠李糖乳桿菌(L.Rhamnosus);鏈球菌屬(Streptococcus,簡寫為S.)菌種1種:嗜熱鏈球菌(S.theumophilus);雙歧桿菌屬(Bifidobacterium,簡寫為B.)菌種5種:動物雙歧桿菌(B.animalis)、嬰兒雙歧桿菌(B.infantis)、長雙歧桿菌(B.longum)、短雙歧桿菌(B.breve)、假短雙歧桿菌(B.pseudolongum)。

豆乳中含有的低聚糖主要為蔗糖(5.0%)、棉籽糖(1.1%)和水蘇糖(3.8%)[4],菌株對這三種糖的發酵利用及其繁殖能力是衡量菌株是否適用于豆乳發酵的重要指標。Mital和Steinkraus[5]就曾研究比較L.acidophilus、L.bulgaricus、L.buchneri、L.cellobiosis、L.fermentum、L.plantarum、S.theumophilus七種乳酸菌在豆乳中發酵特性。他們發現L.bulgaricus因為不能利用蔗糖、棉籽糖、水蘇糖,因此產酸少、活菌數低;L.acidophilus、S.theumophilus可以利用蔗糖,但不能利用棉籽糖、水蘇糖;L.buchneri、L.fermentum可利三種低聚糖,但是或產酸速度慢或產酸能力弱。綜合比較,其認為L.cellobiosis、L.plantarum有較好的繁殖能力和利用豆乳中低聚糖能力,適用于豆乳發酵。此外,其他研究表明L.casei[6-8]、L.delbrueckii[9-11]、B.animalis[12-14]、B.longum[9,12,15-16]、B.breve[17]等乳酸菌也為發酵豆乳常用、發酵特性較好的乳酸菌菌種。

豆乳發酵形式分為單一菌株發酵或多菌株混合發酵。單一菌株發酵具有工藝簡單、節約成本、易于實現工業化生產等特點[18],而多菌株混合發酵時某一菌株會產生促進其他菌株生長的益生因子,增強菌株的生長繁殖能力,因此能縮短發酵時間,促進代謝產物的大量產生,大幅度提升豆乳的營養保健功能[7,19],但是多菌株發酵工藝相對復雜,成本較高。

表1　七種乳酸菌在豆乳中的發酵特性比較[5]

2　發酵工藝

發酵工藝的研究主要集中在發酵底物選擇、接種量、發酵溫度、發酵時間等工藝條件的優化。牛乳和豆乳中的氮源、碳源存有很大差別,牛乳的主要蛋白為酪蛋白,而豆乳主要為大豆球蛋白;牛乳中有乳酸菌最好利用的乳糖,豆乳中大多數是不能被乳酸菌所利用的低聚糖和高聚糖[6]。因此多數發酵工藝研究常添加牛乳、蔗糖分別作為氮源和碳源,牛乳添加量10%～30%[7,20],蔗糖添加量8%～10%[20-21],豆漿料水比為1∶8～1∶10[6,22],乳酸菌接種量3%～5%[23-24],發酵溫度37、42、43 ℃[14,25-26],發酵時間4～48 h[24,27]。

3　發酵過程中成分變化

3.1抗營養成分的降解

3.1.1非消化性低聚糖的降解豆乳中含有的α-低聚半乳糖類如棉籽糖、水蘇糖(見圖1)是非消化性低聚糖,因為人體消化道缺乏能對其進行分解的α-半乳糖苷酶,所以人體不能消化棉籽糖、水蘇糖,而下游腸道中微生物菌群代謝這些糖類產氣后,會引起人體消化不良、腹脹、腹瀉[18]。乳酸菌能發酵產生α-半乳糖苷酶,對豆乳中的非消化性低聚糖進行降解,產生人體可吸收利用的半乳糖、葡萄糖、蔗糖等。根據α-半乳糖苷酶產生位點,乳酸菌可分為3類。一類是分泌型,將α-半乳糖苷酶直接分泌到細胞外,酶可直接接觸底物,但是容易受發酵基質pH、鹽分的影響;第二類是α-半乳糖苷酶固化在乳酸菌細胞質中,但是底物必須運載至乳酸菌細胞內才能被催化降解;第三類是α-半乳糖苷酶固化于細胞壁中,細胞壁能有效保護酶,同時底物易于擴散運輸[28]。因此屬于第三類乳酸菌。

圖1　α-低聚半乳糖類棉籽糖、水蘇糖的結構以及α-半乳糖苷酶對其的催化水解作用[28]Fig.1　Structures of the α-galactosides raffinose and stachyose and the α-galactosidase that catalyze their hydrolysis[28]

3.1.2胰蛋白酶抑制因子的降解胰蛋白酶抑制因子可與小腸液中胰蛋白酶、糜蛋白酶結合,生成無活性的復合物,導致腸道對蛋白質的消化、吸收及利用能力下降。同時,胰蛋白酶抑制劑因子與腸內胰蛋白酶結合后隨糞便排出體外,使腸內胰蛋白酶數量減少,引起胰腺反射性亢進,分泌量加大,增加內源氮損失[29]。目前,主要采用熱處理的方法來滅活胰蛋白酶抑制因子的活性,但是為達到徹底失活而采用的過度加熱能使豆乳中的蛋白質溶解度降低、營養物質遭到破壞[30]。而且,胰蛋白酶抑制因子比較耐熱,熱處理的效果有限[31-32]。Silva等[10]的研究表明,乳酸菌可降解豆乳中30%蛋白酶抑制因子,提高蛋白質消化率。因此,熱處理結合乳酸菌發酵是一種有效的去除胰蛋白酶抑制因子方式。

3.1.3醛類的降解豆乳的豆腥味主要源于其中的己醛和戊醛,己醛和戊醛是由脂肪氧合酶催化不飽和脂肪酸過氧化反應產生的。醛類不僅導致豆乳的不良風味,而且有害于人體健康。傳統的方法通過加熱鈍化脂肪氧合酶抑制醛類的產生,但此法未能有效除去醛類。乳酸菌發酵能有效降解醛類,形成有機酸類。Tsangalis等[12]研究發現,經過乳酸菌發酵48 h后,豆乳中的己醛和戊醛可分別被降解69.4%和46.5%,董喜梅[33]亦報道了相似的研究結果。

3.2糖類的降解和有機酸的生成

乳酸菌發酵豆乳過程中,降解其中的蔗糖、棉籽糖、水蘇糖等糖類后的產物主要為有機酸。有機酸主要為乳酸和醋酸,乳酸和醋酸摩爾比一般為3∶2[34],但會隨乳酸菌菌種和發酵時間不同而存有差異[16]。有機酸的形成會使發酵豆乳pH降低并促成豆乳凝結,凝結pH為5.7左右,而商業化酸牛乳的凝結pH范圍為4.2～4.4[35]。有機酸的生成可增加發酵豆乳的獨特風味,抑制有害微生物的繁殖,促進胃液分泌和胃腸蠕動,促進機體對鈣、磷、鐵的吸收[36]。

3.3蛋白質的降解

豆乳中的蛋白質為大豆球蛋白,經乳酸菌發酵,變成氨基酸和肽類物質。吳瓊等[37]的研究表明,與未發酵豆乳相比,植物乳桿菌、兩歧雙岐桿菌單菌種和混合菌種發酵豆乳蛋白質含量基本保持不變,但分子質量為200 ku和80 ku的蛋白質基本被全部降解,小分子質量蛋白條帶均有所增加;小肽含量分別增加了19.4%、22.16%和27.12%;氨基酸總含量分別增加了8.22%、10.61%和9.95%。益生菌發酵之后對豆乳大分子蛋白質起到了預消化作用,同時有效降低了豆乳的豆腥味,改善了豆乳的風味。Donkor等[9]的研究發現,乳酸菌降解蛋白質形成的肽類物質更易于被人體吸收,其中形成的ACE(血管緊張素轉換酶)抑制肽具有抗心血管疾病和降血壓活性。

3.4脂肪及脂肪酸的轉化

吳瓊[38]研究發現,豆乳經植物乳桿菌發酵12 h后,脂肪含量降低了8.15%。Park等[15]采用5株鏈球菌(S-type)發酵豆乳,結果表明發酵后豆乳中的脂肪含量由發酵前的197 mg/g降至164.4 mg/g,并且亞油酸、亞麻酸含量降低,油酸、硬脂酸含量升高,不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸值降低。豆乳中的亞麻酸和產生豆腥味的己醛含量呈正相關[39],包括亞麻酸在內的不飽和脂肪酸易發生氧化,生成醛類產生不良風味。因此,低水平的亞麻酸含量和不飽和脂肪酸/飽和脂肪酸值有助于改善貯藏過程中發酵豆乳的風味以及脂肪的氧化穩定性。

3.5礦物質和維生素的轉化

Hou等以BifidobacteriumlongumB6和B.infantisCCRC 14633兩種雙歧桿菌發酵豆乳48 h后,豆乳中的核黃素(維生素B2)和硫胺素(維生素B1)分別提高20.7%和12.1%、煙酸降低23.3%。Rekha等[35]以5種乳酸菌分別組合1種酵母菌發酵豆乳,發現核黃素和煙酸含量升高、硫胺素含量降低。乳酸菌自身可合成并釋放出多種維生素如硫胺素、葉酸、煙酸、維生素B6和維生素B12,不同的乳酸菌種類合成量存在很大差異,維生素的降低則是微生物攝取利用的結果[40]。

豆乳中的植酸會與礦質元素結合,降低礦質元素的生物利用度。乳酸菌發酵過程中會形成植酸酶,可降解50%植酸,使礦質元素游離,增加其生物可利用度[41]。乳酸菌發酵豆乳后,可使鈣、鎂、鋅的生物可利用度分別增加502.7%、7.4%、445.0%,但鐵的生物可利用度有所降低[42]。

3.6大豆異黃酮的轉化

大豆異黃酮是異黃酮類植物激素的一種,具有抗氧化、抗炎、抗心血管疾病、抗腫瘤、類雌激素樣活性及抗雌激素活性等生理功能[42],按化學結構可分為大豆異黃酮苷(Glucosides)和大豆異黃酮苷元(Aglycones)二大類。人體對大豆異黃酮苷元的吸收比大豆異黃酮苷快,而且吸收的量也高很多[43]。豆乳中的異黃酮主要以大豆異黃酮苷的形式存在,苷元形式的含量很低,一般不超過總含量的15%[13]。乳酸菌發酵豆乳過程中,會產生β-葡萄糖苷酶,將大豆異黃酮苷轉化為大豆異黃酮苷元,轉化率可達97.55%～98.43%[12]。

4　發酵豆乳的功能性

4.1改善腸道健康

發酵豆乳中的乳酸菌可以抑制腸道有害微生物,調節腸道菌群[44]。發酵豆乳中殘留的適量非消化低聚糖(水蘇糖、棉籽糖)作為益生元,被乳酸菌發酵利用后,產生大量短鏈脂肪酸(SCFA),作為乳酸菌的能量來源,既有利于其本身的生長,又可抑制腸道球菌、芽孢桿菌等有害菌的生長,進而提高腸道生物屏障功能,抵御病原體對宿主的侵襲和轉移[18]。

4.2抗高血壓

高血壓和ACE呈緊密正相關關系,研究發現,大豆蛋白降解產生的ACE抑制肽能夠降低原發性高血壓大鼠的收縮壓,當原發性高血壓大鼠口服不同劑量的ACE抑制肽時,其收縮壓明顯降低很多[45]。Tsai等[46]用5種乳酸菌發酵豆乳,生產出一種沒有苦味,但是比傳統發酵豆乳含有更多ACE抑制肽的豆乳制品。乳酸菌發酵豆乳產生ACE抑制肽的氨基酸結構已經被鑒定,如Ile-Pro-Pro和Val-Pro-Pro兩種肽,經人體攝食實驗證明具有顯著的抗高血壓作用[9]。

4.3降血脂

乳酸菌作為一種益生菌,己有大量研究報道具有突出的降膽固醇功能,而豆乳中也含有豐富的降血脂功效成分[47]。大豆蛋白能顯著降低血清總膽固醇(TC)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和甘油三酯(TG)水平,顯著增加高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平,從而降低患高膽固醇血癥成年人的血脂水平[48]。此外,大豆異黃酮也能顯著改善血清TG水平[49]。豆乳對血脂水平的生物作用機制還可能與其他成分如植酸、纖維和小肽成分等有關[50]。

4.4免疫調節

人體的免疫系統分為特異性免疫和非特異性免疫系統。乳酸菌能通過激活這兩種免疫系統發揮免疫調節功能,其可刺激非特性免疫應答,如提高霍亂小鼠體內IgA(免疫球蛋白A)含量、提高感染輪狀病毒而腹瀉的幼兒體內特異性抗體的分泌;還可刺激特性免疫應答,如提高腫瘤壞死因子(TNF-α)和白細胞介素-6(IL-6)分泌[51]。其作用機制為乳酸菌細胞壁中含有肽聚糖、多糖、磷酸質,是刺激免疫反應的佐劑物質。此外,豆乳中含有的多糖[52]、大豆異黃酮[53]等活性物質也有一定的免疫調節作用。

4.5緩解婦女絕經后紊亂癥

婦女絕經后紊亂癥主要是由于體內雌激素的發生變化,絕經后紊亂癥會增加患乳腺癌和骨病的風險性。乳酸菌發酵后的豆乳含有豐富的人體易吸收大豆異黃酮苷元,婦女攝入后雌激素代謝效率提高[54]。乳酸菌還可改變腸道菌群提高大豆異黃酮苷元的生物利用度,從而提高其吸收率[55],緩解婦女絕經后紊亂癥。

4.6抗炎

Liao等[56]的研究發現,嗜熱鏈球菌CCRC 14805和雙歧桿菌CCRC 14603發酵豆乳的甲醇提取物可以抑制脂多糖誘導的RAW 264.7巨噬細胞一氧化氮(NO)產生量和TNF-α、IL-6等炎癥因子產生量,發揮抗炎作用。植物乳桿菌發酵豆乳可以通過抑制巨噬細胞NO、前列腺素E-2(PEG-2)、胞內活性氧(ROS)的過量產生和抑制促炎基因的表達,起抗炎作用。體內研究方面,劉寧[57]的研究發現,保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌發酵豆乳對葡聚糖硫酸鈉誘導的大鼠潰瘍性結腸炎有顯著防治作用,其作用機制可能與發酵豆乳的抗氧化損傷及阻斷核轉錄因子-kB p65的活化有關。

4.7抗腫瘤

腸道中有害菌產生的亞硝酸、吲哚、亞硝胺等物質是強致癌物。乳酸菌影響腸道菌群,抑制了腸內有害菌的產生,使各種有害物質(致癌誘變劑)的濃度降低,減少了腫瘤的發生[57]。乳酸菌自身也有抗腫瘤作用,其通過調節免疫系統,即增強自然殺傷細胞活力、提高細胞因子分泌等對抗腫瘤細胞[51]。Ohta等[58]發現乳酸菌發酵豆乳有抗乳腺癌的作用,他將其歸因于大豆異黃酮的作用。Kaga等[59]的研究也表明,攝入乳酸菌和豆乳組合有顯著抗小鼠乳腺癌作用,效果優于單獨攝入乳酸菌或豆乳。

4.8護肝

嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌發酵豆乳對大鼠非酒精性脂肪肝有一定的保護作用[60]。兩歧雙歧桿菌、干酪乳桿菌和植物乳桿菌發酵豆乳可以有效降低高脂飲食小鼠血清總膽固醇和甘油三酯水平,起到保護肝臟的作用[61]。嗜熱鏈球菌grx90發酵豆乳可通過抗氧化活性發揮護肝作用,即基于乳酸菌活菌體及其代謝產物,通過增強機體抗氧化酶活性降低過氧化物的積累以增強抗氧化能力,從而實現對酒精誘導小鼠急性氧化損傷的保護作用[62]。

5　總結與展望

豆乳發酵常用的乳酸菌菌株為乳桿菌屬中的L.cellobiosis、L.plantarum、L.casei、L.delbrueckii和雙歧桿菌屬的B.animalis、B.longum、B.breve等,發酵形式分為單一菌株發酵或多菌株混合發酵。發酵工藝為牛乳添加量10%～30%、蔗糖添加量8%～10%、豆漿料水比為1∶8～1∶10、乳酸菌接種量3%～5%以及發酵溫度37、42、43 ℃,發酵時間4～48 h。乳酸菌發酵過程中,非消化性低聚糖、胰蛋白酶抑制因子、醛類抗營養成分發生降解,糖類、有機酸、蛋白質、脂肪及脂肪酸、礦物質、維生素、大豆異黃酮降解或轉化,既保留了豆乳原有的營養價值,又形成復雜的風味成分和功能成分,因此豆乳經乳酸菌發酵后營養價值提高、風味改善,并具有改善腸道健康、抗高血壓、降血脂、免疫調節、緩解婦女絕經后紊亂癥、抗炎、抗腫瘤、護肝等諸多生理功能。

隨著人們生活水平的提高和觀念的改變,人們更注重食品的營養成分和保健功能,天然植物源食品和益生菌發酵食品必定是本行業未來的發展趨勢。乳酸菌發酵豆乳具有良好的營養結構和功能性,具有良好的市場前景。歐美各國和日韓對乳酸菌發酵豆乳的研究方興未艾,并有眾多商業化產品成品問世,我國無論在科學研究或工業化生產方面尚存在差距。此外,我國面臨著調整農業產業結構、振興大豆產業、推進豆制品深加工發展的局勢。因此,發展即營養又健康的乳酸菌發酵豆乳具有重要意義。

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Progress in researches on lactic acid bacteria-fermented soymilk

LI Xue-li1,HU Hai-e1,*,ZHANG Jin-tao1,LUO Shui-ping2,LIANG Hong-yuan1,LI Gan-long3,CHEN Hua-fang1

(1.Guangzhou Eastroc Food & Beverage Co.,Ltd.,Guangzhou 511330,China;2.Guangdong Eastroc Vitamin Beverage Co.,Ltd.,Dongguan 523170,China;3.Shenzhen Eastroc Beverage Industrial Co.,Ltd.,Shenzhen 518055,China)

The consumption of soymilk was hindered due to its drawbacks of unfavorable palatability and containing anti-nutritional components. These problems could be solved by fermentation of lactic acid bacteria. The flavor and nutritional value of soymilk was improved after the fermentation. The strains of lactic acid bacteria commonly used in soymilk fermentation and the fermentation mode,processing technology of fermentation,changes in components of soymilk during fermentation,and functions of lactic acid bacteria-fermented soymilk were reviewed in this paper. Therefore,reference was provided to the application of lactic acid bacteria in soymilk manufacture.

soymilk;lactic acid bacteria;fermentation;components changes;function

2015-11-09

李學莉(1989-)，男，碩士，研究方向：食品研發及質量檢測，E-mail：xueli-li@qq.com。

胡海娥(1970-)，女，高級工程師，研究方向：食品研發及質量管理，E-mail：huhaie@szeastroc.com。

TS201.3

A

1002-0306(2016)12-0385-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.065