加工工艺因素对黑蒜营养素与功效成分的影响

陈子兴，许明娇，黄雪松(暨南大学理工学院，广州　510632)



加工工艺因素对黑蒜营养素与功效成分的影响

陈子兴，许明娇，黄雪松
(暨南大学理工学院，广州510632)

摘要:综述了黑蒜中的水分、蛋白质、氨基酸、糖类、5－羟甲基糠醛、酚类、黄酮类、生物碱、阿霍烯等营养成分和功效，介绍了时间、预处理、温度等工艺因素对上述成分的影响，为黑蒜的生产工艺优化与品质研究提供了参考。

关键词:黑蒜;大蒜;成分;加工

黑蒜(black garlic)，又名黑大蒜、发酵黑蒜等，是由新鲜大蒜(Allium sativum)在高温高湿的条件下发酵一定时间所形成的新型蒜制品具有抗氧化、杀菌消炎、抗衰老、防癌抗癌、保肝护肝等多种保健功能［1］。黑蒜自2003年在日本被发明以来［2］，便在许多国家和地区得到不同程度的推广，其保健功能和营养价值也不断得到新的认识。相比大蒜而言，黑蒜具有功效多样、口感甘甜、无刺激性气味且食用方便等多种优点，因而更易受到消费者的青睐。

黑蒜产品形式多样，除了带皮、去皮、维持原蒜头进行包装等多种保持原蒜组织形态的黑蒜产品外，还有黑蒜粉、黑蒜饮料、黑蒜果酱、黑大蒜酱油、黑蒜醋等再制品［4］。目前有关黑蒜的加工方式、保健作用等进展的报道较多，但对于黑蒜加工过程中其主要营养与功能成分的变化情况及其影响因素却未见综述。本文在查阅了大量2011年以来的国内外文献后，对该问题进行分析，希望以此为黑蒜的生产提供借鉴，并为进一步凝练黑蒜的研究方向提供思路。

1　黑蒜与鲜蒜中营养素与功效成分的含量对比

黑蒜与鲜蒜在组成上有较大差异。由附表可见，成品黑蒜的含水量与果脯蜜饯(含水量为18%～20%)相似［5］，再加上其低聚糖含量高等因素降低了水分活度(目前还缺少这方面的测定数据)，使得黑蒜像果脯蜜饯等食品一样，也具有能够在常温下长期保存较长时间而不腐烂的特性。

附表中的大多数数据都是以湿基来表示各种成分的含量，其优点是可以直观地展示出蒜样中各种物质的百分含量。然而，由于干燥过程中水分含量是下降的，以湿基百分含量表示各物质的含量会得到“黑蒜中营养成分含量相对上升”的结论(下文在分析时间对黑蒜成分含量的影响时将不再赘述这一点)。但从理论上讲，大多数营养成分在加工过程中由于受热会分解，其含量应是减少的。因此，为了更好地得知黑蒜加工过程中各种成分含量的增减情况，剔除水分减少带来的影响，建议以干基百分含量对黑蒜中的成分进行表示，以便于比较它们的真实变化情况。

附表　黑蒜和大蒜中主要成分的含量　单位: g/100g

2　加工过程中影响黑蒜成分含量的因素

2.1时间

2.1.1水分随加工时间的变化

食品物料在干燥过程中，一般是先经历恒速干燥阶段而后进入降速干燥阶段。王玉荣［15］和刘宇峰［5］等测定了加工过程中黑蒜中的水分含量，发现随着发酵时间的延长，大蒜物料的水分逐渐减少，且干燥速率逐渐加大，即他们得到的干燥曲线与多数食品物料的干燥曲线并不完全一致。出现上述结果，一方面是由于干燥初期大蒜细胞尚未完全死亡，具有一定的“持水性”，所以初始干燥速率较小;另一方面则是因为大蒜原料中含有大量持水量较高的果聚糖，使得大蒜原料中结合水的含量较高，因而未表现出典型的恒速干燥过程。

2.1.2蛋白质及氨基酸随加工时间的变化

蛋白质是衡量黑蒜品质的一个指标，然而有关蛋白质含量在加工过程中变化情况的报道却不一致。刘宇峰［5］、姬妍茹［7］等人利用凯氏定氮法测定了加工过程中蛋白质的变化情况，发现扣除水分影响后，黑蒜干样在加工过程中粗蛋白的含量呈上升趋势，因此他们认为大蒜中原有的无机含氮物质、有机非蛋白含氮物质在加工过程中转化成了蛋白质。然而实际上，由于凯氏定氮法测定的是样品中的凯氏氮(Kjeldahl nitrogen)［16］，因此，粗蛋白含量上升的原因更可能是加工过程中非凯氏氮(即利用凯氏定氮法无法测出的氮)转化成了凯氏氮。此外，王卫东［17］等则观察到黑蒜加工后期蛋白质含量呈下降趋势，推测是受美拉德反应的影响所致。鉴于凯氏定氮法在测定蛋白质含量时的多种可能干扰，在使用凯氏定氮法前应先将样品中游离氨基酸(尤其是含硫氨基酸)等物质去除后再进行测定，以期得到更精准的结果。

大蒜中含有多种氨基酸，在加工过程中，不同氨基酸的变化情况不尽相同。Choi等人［18］测定了35d加工过程中黑蒜的氨基酸含量变化情况，结果显示:亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、天冬门氨酸、组氨酸、甘氨酸的含量在加工过程中先上升而后下降;缬氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、谷氨酸、赖氨酸、丝氨酸的含量在加工过程中逐渐下降;精氨酸、苏氨酸、丙氨酸的含量在加工过程中呈波动下降的趋势;苯丙氨酸的含量波动上升。Liang等人［9］则测定了90d加工过程中氨基酸的变化情况:异亮氨酸、缬氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、赖氨酸、精氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、焦谷氨酸的含量先上升后下降;苏氨酸、色氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、γ－氨基丁酸的含量一直下降。可以看出，Choi等和Liang等的试验结果中并不完全一致，这可能与蒜样、加工时长以及试验所取的样本数目有关。从加工的后期来看，大多数氨基酸的含量均呈下降趋势，结合黑蒜加工过程中颜色的变化情况，可推测加工后期黑蒜中的氨基酸发生美拉德反应转化成了黑色素。然而，由于美拉德反应中黑色素的生成机理十分复杂，因此黑蒜中各种氨基酸的具体转化途径尚不明确。

蒜氨酸(S－烯丙基－L－半胱氨酸亚砜，SACS)是大蒜的主要功效成分之一，其含量一般随着加工时间的延长而下降。姬妍茹［7］等人发现，在加工过程中，黑蒜干样蒜氨酸的含量先大幅度下降，中期变化较小，而后期又波动性回升。这是由于加工初期温度较低(一般为30～40℃)，而蒜氨酸酶的最适温度为35℃左右［19］，因此黑蒜加工初期蒜氨酸在蒜氨酸酶的作用下急骤减少，当温度逐渐升高达到60℃后，蒜氨酸酶的活性迅速下降［20］，故蒜氨酸的含量也不再大幅度变化。而后期蒜氨酸含量的回升原作者认为可能与蒜蛋白的分解等有关，然而由于蛋白质中不含有蒜氨酸，因此蛋白质分解不会引起蒜氨酸含量的上升。推测其含量回升是其他含硫化合物如γ－谷酰胺半胱氨酸水解或氧化的结果［21］，有待进一步证实鉴于蒜氨酸在评价黑蒜品质方面的重要性，明晰其转化机理和变化规律十分必要。

S-烯丙基-L-半胱氨酸(S-allyl cysteine，SAC)是大蒜和黑蒜中的一种具有高稳定性的有机硫功效成分，具有抗氧化、抗癌等多种生理活性［22］。随着黑蒜加工时间的延长，SAC的含量大幅度上升: Bae等［22］发现40℃的条件下SAC的增加量最多，由初始的19.61μg/g上升到124.67μg/g，提高了将近5倍。SAC的可能生成途径有两种:其一是SAC由γ-谷氨酰半胱氨酸在γ-谷氨酰转肽酶(γ-GTP)的催化下形成［23］，其二是SAC由蒜氨酸的转化生成［22］。由于γ-GTP在高温下十分容易失活，故第一种途径在黑蒜的加工过程中不太可能实现，至于第二种途径的可能性，还有待进一步研究。

2.1.3糖类随加工时间的变化

糖类是影响黑蒜口感的主要因素。鲜蒜中的多糖主要为果聚糖类多糖［24］，淀粉的含量为零或者极低。然而，刘宇峰等［5］却测得鲜蒜的淀粉含量约为8.85 %，并发现加工过程中黑蒜干样的淀粉含量呈下降趋势。出现这一结果可能是由于其利用国家标准GB/T 5009.9—2008［25］测定淀粉，而该标准在测定淀粉时没有排除果聚糖易于在酸性条件下水解成还原糖这一因素的干扰，故所测得的结果实际上包含了大量果聚糖在内的多糖。

如附表所示，新鲜大蒜中还原糖的含量不多，其种类包括葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖等［8］。鲜蒜在加工成黑蒜的过程中，还原糖的含量大幅度上升。王玉荣等人［15-17］用3，5-二硝基水杨酸(DNS)法测定了加工过程中还原糖的变化情况，发现其含量随时间的延长而持续上升。然而，卢福芝等人［18］用DNS法测定了两个工艺中还原糖的变化，发现其含量均先上升而后小幅下降; Liang等人［9］测得的葡萄糖和果糖的含量也是先上升而后又下降一定幅度。从他们的结果来看，还原糖含量一开始上升是果聚糖水解引起的，而卢福芝和Liang等发现，发酵后期还原糖含量下降则可能与Maillard反应的程度有关，王玉荣等人的试验结果没有出现下降趋势可能是在其试验条件下Maillard反应进行的程度不大。

卢福芝等人［27］还采用蒽酮比色法测定了可溶性糖的变化情况，发现其含量先上升后下降，而安东［28］的试验结果则显示可溶性糖的含量呈下降趋势。两者结果不同的可能原因是所取的蒜样初始含水量不同。

2.1.4 5-羟甲基糠醛(5-HMF)随加工时间的变化

HMF是黑蒜中的呈色物质之一。卜利伟等［29］发现黑蒜加工过程中HMF的生成符合一级反应的特征，其阿雷尼乌斯公式是(1)式:

(1)式中: K为反应速率常数，min－1; T为绝对温度，K，其反应活化能为32.11kJ/mol。

安东［28］则观察到在80℃和90℃的加工条件下，HMF的含量先上升而后下降。综合上述结果，HMF在前期的生成符合一级反应的规律，而后期则随温度等条件的不同而表现出不同的特征，其具体原因仍有待进一步研究。

2.1.5酚类和黄酮类物质随加工时间的变化

酚类和黄酮类也是黑蒜中的重要抗氧化物质［10］。在加工过程中，酚类和黄酮类物质的干基含量均随加工时长的不同而有不同程度的提高。据研究，黑蒜的总酚和黄酮类物质的含量在加工过程中均随时间的延长而增加，这可能是结合型多酚和黄酮逐步得到释放的结果。而安东［28］的试验结果则显示总酚的含量先增加后下降，推测是由于试验过程中酚类物质受到某些氧化剂的氧化以至含量降低。

2.1.6生物碱随加工时间的变化

生物碱(alkaloid)是一类具有生理活性的碱性含氮有机化合物。Ichikawa等人［30］在老蒜(经10个月以上自然熟化的大蒜)中发现了4种1，2，3，4-四氢-β-咔啉类衍生物(1，2，3，4-tetrahydro-β-carboline derivatives，THβCs)［3］(附图)。Ichikawa等［30］通过试验发现，这几类生物碱都有较强的过氧化氢清除能力，且这些生物碱在鲜蒜中并不存在; Sato等人［31］则证实了黑蒜中存在MTCCs这一结论，但其结果显示鲜蒜中也有微量的MTCCs。至于黑蒜中MTCdiCs以及MTCCs的具体含量及其含量随时间的变化情况还有待进一步研究。

附图　四氢－β－咔啉类衍生物的化学结构

2.1.7阿霍烯随加工时间的变化

阿霍烯(Z，E-Ajoene)，又名大蒜烯、蒜烯，是一种具有抗微生物、降胆固醇等［32］生理活性的硫化物。周广勇等［33］发现，黑蒜加工过程中阿霍烯的含量随时间的延长而线性上升，且其变化趋势与大蒜辣素基本一致;通过比较，他们推测蒜氨酸在加工过程中经大蒜辣素向阿霍烯转化。然而，由于试验缺少阿霍烯标准样品，仅进行半定量分析，其结果具有一定的不确定性。为了得到黑蒜加工的不同阶段阿霍烯的准确含量，可在相同的试验条件下利用标准品测定保留时间并进一步进行定量分析。

2.1.8其他

黑蒜的加工除了对上述成分的含量有影响外，还对其他的许多成分也有影响，如乙醇的含量随加工时间延长而显著降低［9］，乙酸、甲酸、琥珀酸、氨基葡萄糖、5-羟甲基糠酸(5-hydroxymethyl-2-furoic acid，5-HMFA)、3-羟基丙酸(3-hydroxypropionic acid)等物质在鲜蒜中不存在，但随加工时间延长逐渐形成与积累［9］。黑蒜干样中游离脂肪的含量变化不太明显［5］。

2.2发酵温度

黑蒜的加工温度对其成品各成分的含量也有显著影响，一般而言，发酵温度越高，黑蒜中各种营养素和功效成分的变化越明显，该效应与延长发酵时间是一致的。因此，为了达到一定的质量指标(如色值等)，既可以通过升高温度或延长发酵时间得以实现，也可以两者相结合从而快速地达到色值等质量要求。

安东［28］设置了70℃、80℃和90℃三个温度对大蒜进行恒温发酵并测定了多种组分的变化情况，发现发酵温度越高，HMF的积累速度越快，可溶性糖含量的下降速度也越快;此外，在80℃条件下，黑蒜含水量下降最快，即干燥速率最快。然而，从理论上讲，干燥速率的大小取决于大蒜内部水分的转移速率和表面水分的汽化速率。一般温度越高，空气湿度越低，则干燥速率越快。安东的试验结果未呈现出温度与干燥速率的正相关关系，原因可能是加工过程中各实验组的空气湿度或密封程度没有保持一致。

卢福芝等［27］采取两个不同的变温发酵工艺对鲜蒜进行发酵，其结果显示发酵温度对还原糖的含量有较大的影响，但对可溶性糖的含量影响不大。

2.3预处理工序

黑蒜加工过程中的预处理方式主要有冷冻预处理和加压预处理。

王海粟等［28］对鲜蒜采用－20℃的冷冻预处理后再进行加工，发现成品中还原糖、总酚、游离氨基酸的含量总体上比未经过冷冻处理的黑蒜成品要高，各成分的含量分别可达到(48.50±0.44)×10－2g/g、10.44± 0.53mg/g、(54.90±0.61)×10－2mg/g;成品中的一些氨基酸如天门冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸的含量明显高于未经过冷冻预处理的黑蒜中相应成分的含量;经冷冻处理所制得的黑蒜的感观品质也更好。

钟成等［35］在室温、300 MPa的条件下，对黑蒜分别保压0、5、10、15和20min再进行加工并测定其营养素和功效成分的含量。总体上看，经过保压处理的黑蒜，其总糖和黄酮含量比没有经过保压处理的黑蒜低;保压时间为15min的黑蒜总酚含量可达13.20mg/g，比不经保压预处理或者用其他保压时间处理的黑蒜都高。

2.4制备方法

黑蒜除了可在高温高湿的条件下发酵外，还可在高温高压的环境中进行制备，其成品称为非发酵黑蒜。赵岩［36］发现，非发酵黑蒜中的各种氨基酸含量均较发酵黑蒜高。非发酵黑蒜中的总氨基酸含量约为6.36 %，比发酵黑蒜高3.44 %左右;非发酵黑蒜的总酚含量也比发酵黑蒜的总酚含量高出0.69mg没食子酸/100mg。

此外，除了常见的固态发酵黑蒜，还有将蒜瓣破碎后再进行发酵的液态发酵方法。液态发酵对黑蒜成分的影响也随着具体工艺条件的不同而不同［37］。

3　结论

黑蒜的组成十分复杂，本文仅综述了已有研究的相关成分的变化情况，不包括那些暂未见文献报道的物质如皂苷、果聚糖、甘露聚糖、凝集素、酶类等。总的来讲，人们对黑蒜的成分及其在加工过程中变化规律的认识还不够全面，而且，由于不同研究者所使用的加工技术、加工设备、原料的生理状态、测定方法等有所差别，导致结果不尽相同，有时甚至出现相互矛盾的情况。此外，本文仅将各加工工艺因素独立开来进行分析，未涉及不同因素之间的交互作用。因此，为了更好地探索各种物质的变化规律、寻找最佳工艺条件，还须进一步通过控制变量、应用合理的试验设计、采取统一化的表示方法(如区分干基含量与湿基含量)等措施，以获得可靠的试验结论，从而为确定最佳生产工艺、揭示黑蒜独有的生物活性和保健作用等提供依据。

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(责任编辑李燕妮)

Effects of Processing Parameters on Nutrient and Functional Components of Black Garlic

CHEN Zi-xing，XU Ming-jiao，HUANG Xue-song
(College of Science and Engineering，Guangzhou 510632，China)

Abstract:Black garlic is a fermented garlic product containing many kinds of nutrient and functional components including the moisture content，protein，amino acids，carbohydrates，5－hydroxymethylfurfural，phenols，flavonoids，alkaloids，ajoene and other components．The paper reviewed the nutrient components and its function of black garlic，and presented the factors which could affect the components of garlic including time，temperature，pretreatment methods，and so on，which could afford reference for the optimization of production process and the quality of research of black garlic．

Keywords:black garlic; Allium sativum; component; manufacture

通讯作者:黄雪松(1957—)，男，教授，博士生导师，研究方向:功能性食品。

作者简介:陈子兴(1994—)，男，本科生，研究方向:功能性食品。

基金项目:广东省科技厅资助(项目编号: 2013B020311011)。