乳酸菌发酵豆乳研究进展

李学莉,胡海娥,*,张金桃,罗水平,梁洪源,李干龙,陈华芳

(1.广州市东鹏食品饮料有限公司,广东广州 511330;2.广东东鹏维他命饮料有限公司,广东东莞 523170;3.深圳市东鹏饮料实业有限公司,广东深圳 518055)



乳酸菌发酵豆乳研究进展

李学莉1,胡海娥1,*,张金桃1,罗水平2,梁洪源1,李干龙3,陈华芳1

(1.广州市东鹏食品饮料有限公司,广东广州 511330;2.广东东鹏维他命饮料有限公司,广东东莞 523170;3.深圳市东鹏饮料实业有限公司,广东深圳 518055)

豆乳由于存在适口性差、含有抗营养成分等问题,其消费饮用受到限制。乳酸菌发酵可有效解决此问题,豆乳经乳酸菌发酵后风味改善、营养价值提高。本文就乳酸菌发酵豆乳常用菌株及发酵形式、发酵工艺、发酵过程中豆乳成分变化以及发酵豆乳功能性方面进行综述,以期为乳酸菌应用于豆乳生产提供一定的参考。

豆乳,乳酸菌,发酵,成分变化,功能性

牛奶是世界公认的全营养天然蛋白源,但由于我国人口基数大,人均牛乳占有率不足发达国家的1/10[1],故有效地开发利用植物蛋白源成了新趋势。大豆是我国传统的农作物,2014年大豆的种植面积为659万hm2、产量为1220万吨[2],其中用于食品加工的大豆总量超过1000万吨,占到国产大豆产量的近90%,并呈稳定增加的趋势[3]。大豆中含有约40%的优质蛋白、20%的脂肪、27%的碳水化合物、多种维生素和矿物质,具有均衡的营养[1]。因此发展豆乳产业,以豆乳完全或部分替代牛乳,符合市场消费需要以及国家农业产业结构调整需要,有利于推动我国大豆产业健康、快速地发展。然而,豆乳存在的一些问题和缺陷限制了人们对其的饮用,如适口性差,含有豆腥味;含有难消化的α-半乳糖基低聚糖,如棉籽糖和水苏糖,容易引发胀气;含有胰蛋白酶抑制因子等抗营养因子。乳酸菌发酵是一种有效解决上述问题的生物法途径,豆乳经乳酸菌发酵后风味改善、营养价值提高。本文就乳酸菌发酵豆乳常用菌株及发酵形式、发酵工艺、发酵过程中成分变化以及发酵豆乳功能性方面进行综述,以期为乳酸菌应用于豆乳生产提供一定的参考。

1　发酵常用菌株及发酵形式

已报道的用于发酵豆乳的乳酸菌有乳杆菌属(Lactobacillus,简写为L.)菌种10种:嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)、保加利亚乳杆菌(L.bulgaricus)、布氏乳杆菌(L.buchneri)、纤维素乳杆菌(L.cellobiosis)、发酵乳杆菌(L.fermentum)、植物乳杆菌(L.plantarum)、干酪乳杆菌(L.casei)、瑞士乳杆菌(L.helveticus)、德氏乳杆菌(L.delbrueckii)、鼠李糖乳杆菌(L.Rhamnosus);链球菌属(Streptococcus,简写为S.)菌种1种:嗜热链球菌(S.theumophilus);双歧杆菌属(Bifidobacterium,简写为B.)菌种5种:动物双歧杆菌(B.animalis)、婴儿双歧杆菌(B.infantis)、长双歧杆菌(B.longum)、短双歧杆菌(B.breve)、假短双歧杆菌(B.pseudolongum)。

豆乳中含有的低聚糖主要为蔗糖(5.0%)、棉籽糖(1.1%)和水苏糖(3.8%)[4],菌株对这三种糖的发酵利用及其繁殖能力是衡量菌株是否适用于豆乳发酵的重要指标。Mital和Steinkraus[5]就曾研究比较L.acidophilus、L.bulgaricus、L.buchneri、L.cellobiosis、L.fermentum、L.plantarum、S.theumophilus七种乳酸菌在豆乳中发酵特性。他们发现L.bulgaricus因为不能利用蔗糖、棉籽糖、水苏糖,因此产酸少、活菌数低;L.acidophilus、S.theumophilus可以利用蔗糖,但不能利用棉籽糖、水苏糖;L.buchneri、L.fermentum可利三种低聚糖,但是或产酸速度慢或产酸能力弱。综合比较,其认为L.cellobiosis、L.plantarum有较好的繁殖能力和利用豆乳中低聚糖能力,适用于豆乳发酵。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]等乳酸菌也为发酵豆乳常用、发酵特性较好的乳酸菌菌种。

豆乳发酵形式分为单一菌株发酵或多菌株混合发酵。单一菌株发酵具有工艺简单、节约成本、易于实现工业化生产等特点[18],而多菌株混合发酵时某一菌株会产生促进其他菌株生长的益生因子,增强菌株的生长繁殖能力,因此能缩短发酵时间,促进代谢产物的大量产生,大幅度提升豆乳的营养保健功能[7,19],但是多菌株发酵工艺相对复杂,成本较高。

表1　七种乳酸菌在豆乳中的发酵特性比较[5]

2　发酵工艺

发酵工艺的研究主要集中在发酵底物选择、接种量、发酵温度、发酵时间等工艺条件的优化。牛乳和豆乳中的氮源、碳源存有很大差别,牛乳的主要蛋白为酪蛋白,而豆乳主要为大豆球蛋白;牛乳中有乳酸菌最好利用的乳糖,豆乳中大多数是不能被乳酸菌所利用的低聚糖和高聚糖[6]。因此多数发酵工艺研究常添加牛乳、蔗糖分别作为氮源和碳源,牛乳添加量10%～30%[7,20],蔗糖添加量8%～10%[20-21],豆浆料水比为1∶8～1∶10[6,22],乳酸菌接种量3%～5%[23-24],发酵温度37、42、43 ℃[14,25-26],发酵时间4～48 h[24,27]。

3　发酵过程中成分变化

3.1抗营养成分的降解

3.1.1非消化性低聚糖的降解豆乳中含有的α-低聚半乳糖类如棉籽糖、水苏糖(见图1)是非消化性低聚糖,因为人体消化道缺乏能对其进行分解的α-半乳糖苷酶,所以人体不能消化棉籽糖、水苏糖,而下游肠道中微生物菌群代谢这些糖类产气后,会引起人体消化不良、腹胀、腹泻[18]。乳酸菌能发酵产生α-半乳糖苷酶,对豆乳中的非消化性低聚糖进行降解,产生人体可吸收利用的半乳糖、葡萄糖、蔗糖等。根据α-半乳糖苷酶产生位点,乳酸菌可分为3类。一类是分泌型,将α-半乳糖苷酶直接分泌到细胞外,酶可直接接触底物,但是容易受发酵基质pH、盐分的影响;第二类是α-半乳糖苷酶固化在乳酸菌细胞质中,但是底物必须运载至乳酸菌细胞内才能被催化降解;第三类是α-半乳糖苷酶固化于细胞壁中,细胞壁能有效保护酶,同时底物易于扩散运输[28]。因此属于第三类乳酸菌。

图1　α-低聚半乳糖类棉籽糖、水苏糖的结构以及α-半乳糖苷酶对其的催化水解作用[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与小肠液中胰蛋白酶、糜蛋白酶结合,生成无活性的复合物,导致肠道对蛋白质的消化、吸收及利用能力下降。同时,胰蛋白酶抑制剂因子与肠内胰蛋白酶结合后随粪便排出体外,使肠内胰蛋白酶数量减少,引起胰腺反射性亢进,分泌量加大,增加内源氮损失[29]。目前,主要采用热处理的方法来灭活胰蛋白酶抑制因子的活性,但是为达到彻底失活而采用的过度加热能使豆乳中的蛋白质溶解度降低、营养物质遭到破坏[30]。而且,胰蛋白酶抑制因子比较耐热,热处理的效果有限[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,提高蛋白质消化率。因此,热处理结合乳酸菌发酵是一种有效的去除胰蛋白酶抑制因子方式。

3.1.3醛类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饱和脂肪酸过氧化反应产生的。醛类不仅导致豆乳的不良风味,而且有害于人体健康。传统的方法通过加热钝化脂肪氧合酶抑制醛类的产生,但此法未能有效除去醛类。乳酸菌发酵能有效降解醛类,形成有机酸类。Tsangalis等[12]研究发现,经过乳酸菌发酵48 h后,豆乳中的己醛和戊醛可分别被降解69.4%和46.5%,董喜梅[33]亦报道了相似的研究结果。

3.2糖类的降解和有机酸的生成

乳酸菌发酵豆乳过程中,降解其中的蔗糖、棉籽糖、水苏糖等糖类后的产物主要为有机酸。有机酸主要为乳酸和醋酸,乳酸和醋酸摩尔比一般为3∶2[34],但会随乳酸菌菌种和发酵时间不同而存有差异[16]。有机酸的形成会使发酵豆乳pH降低并促成豆乳凝结,凝结pH为5.7左右,而商业化酸牛乳的凝结pH范围为4.2～4.4[35]。有机酸的生成可增加发酵豆乳的独特风味,抑制有害微生物的繁殖,促进胃液分泌和胃肠蠕动,促进机体对钙、磷、铁的吸收[36]。

3.3蛋白质的降解

豆乳中的蛋白质为大豆球蛋白,经乳酸菌发酵,变成氨基酸和肽类物质。吴琼等[37]的研究表明,与未发酵豆乳相比,植物乳杆菌、两歧双岐杆菌单菌种和混合菌种发酵豆乳蛋白质含量基本保持不变,但分子质量为200 ku和80 ku的蛋白质基本被全部降解,小分子质量蛋白条带均有所增加;小肽含量分别增加了19.4%、22.16%和27.12%;氨基酸总含量分别增加了8.22%、10.61%和9.95%。益生菌发酵之后对豆乳大分子蛋白质起到了预消化作用,同时有效降低了豆乳的豆腥味,改善了豆乳的风味。Donkor等[9]的研究发现,乳酸菌降解蛋白质形成的肽类物质更易于被人体吸收,其中形成的ACE(血管紧张素转换酶)抑制肽具有抗心血管疾病和降血压活性。

3.4脂肪及脂肪酸的转化

吴琼[38]研究发现,豆乳经植物乳杆菌发酵12 h后,脂肪含量降低了8.15%。Park等[15]采用5株链球菌(S-type)发酵豆乳,结果表明发酵后豆乳中的脂肪含量由发酵前的197 mg/g降至164.4 mg/g,并且亚油酸、亚麻酸含量降低,油酸、硬脂酸含量升高,不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸值降低。豆乳中的亚麻酸和产生豆腥味的己醛含量呈正相关[39],包括亚麻酸在内的不饱和脂肪酸易发生氧化,生成醛类产生不良风味。因此,低水平的亚麻酸含量和不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸值有助于改善贮藏过程中发酵豆乳的风味以及脂肪的氧化稳定性。

3.5矿物质和维生素的转化

Hou等以BifidobacteriumlongumB6和B.infantisCCRC 14633两种双歧杆菌发酵豆乳48 h后,豆乳中的核黄素(维生素B2)和硫胺素(维生素B1)分别提高20.7%和12.1%、烟酸降低23.3%。Rekha等[35]以5种乳酸菌分别组合1种酵母菌发酵豆乳,发现核黄素和烟酸含量升高、硫胺素含量降低。乳酸菌自身可合成并释放出多种维生素如硫胺素、叶酸、烟酸、维生素B6和维生素B12,不同的乳酸菌种类合成量存在很大差异,维生素的降低则是微生物摄取利用的结果[40]。

豆乳中的植酸会与矿质元素结合,降低矿质元素的生物利用度。乳酸菌发酵过程中会形成植酸酶,可降解50%植酸,使矿质元素游离,增加其生物可利用度[41]。乳酸菌发酵豆乳后,可使钙、镁、锌的生物可利用度分别增加502.7%、7.4%、445.0%,但铁的生物可利用度有所降低[42]。

3.6大豆异黄酮的转化

大豆异黄酮是异黄酮类植物激素的一种,具有抗氧化、抗炎、抗心血管疾病、抗肿瘤、类雌激素样活性及抗雌激素活性等生理功能[42],按化学结构可分为大豆异黄酮苷(Glucosides)和大豆异黄酮苷元(Aglycones)二大类。人体对大豆异黄酮苷元的吸收比大豆异黄酮苷快,而且吸收的量也高很多[43]。豆乳中的异黄酮主要以大豆异黄酮苷的形式存在,苷元形式的含量很低,一般不超过总含量的15%[13]。乳酸菌发酵豆乳过程中,会产生β-葡萄糖苷酶,将大豆异黄酮苷转化为大豆异黄酮苷元,转化率可达97.55%～98.43%[12]。

4　发酵豆乳的功能性

4.1改善肠道健康

发酵豆乳中的乳酸菌可以抑制肠道有害微生物,调节肠道菌群[44]。发酵豆乳中残留的适量非消化低聚糖(水苏糖、棉籽糖)作为益生元,被乳酸菌发酵利用后,产生大量短链脂肪酸(SCFA),作为乳酸菌的能量来源,既有利于其本身的生长,又可抑制肠道球菌、芽孢杆菌等有害菌的生长,进而提高肠道生物屏障功能,抵御病原体对宿主的侵袭和转移[18]。

4.2抗高血压

高血压和ACE呈紧密正相关关系,研究发现,大豆蛋白降解产生的ACE抑制肽能够降低原发性高血压大鼠的收缩压,当原发性高血压大鼠口服不同剂量的ACE抑制肽时,其收缩压明显降低很多[45]。Tsai等[46]用5种乳酸菌发酵豆乳,生产出一种没有苦味,但是比传统发酵豆乳含有更多ACE抑制肽的豆乳制品。乳酸菌发酵豆乳产生ACE抑制肽的氨基酸结构已经被鉴定,如Ile-Pro-Pro和Val-Pro-Pro两种肽,经人体摄食实验证明具有显著的抗高血压作用[9]。

4.3降血脂

乳酸菌作为一种益生菌,己有大量研究报道具有突出的降胆固醇功能,而豆乳中也含有丰富的降血脂功效成分[47]。大豆蛋白能显着降低血清总胆固醇(TC)、低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)和甘油三酯(TG)水平,显着增加高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)水平,从而降低患高胆固醇血症成年人的血脂水平[48]。此外,大豆异黄酮也能显著改善血清TG水平[49]。豆乳对血脂水平的生物作用机制还可能与其他成分如植酸、纤维和小肽成分等有关[50]。

4.4免疫调节

人体的免疫系统分为特异性免疫和非特异性免疫系统。乳酸菌能通过激活这两种免疫系统发挥免疫调节功能,其可刺激非特性免疫应答,如提高霍乱小鼠体内IgA(免疫球蛋白A)含量、提高感染轮状病毒而腹泻的幼儿体内特异性抗体的分泌;还可刺激特性免疫应答,如提高肿瘤坏死因子(TNF-α)和白细胞介素-6(IL-6)分泌[51]。其作用机制为乳酸菌细胞壁中含有肽聚糖、多糖、磷酸质,是刺激免疫反应的佐剂物质。此外,豆乳中含有的多糖[52]、大豆异黄酮[53]等活性物质也有一定的免疫调节作用。

4.5缓解妇女绝经后紊乱症

妇女绝经后紊乱症主要是由于体内雌激素的发生变化,绝经后紊乱症会增加患乳腺癌和骨病的风险性。乳酸菌发酵后的豆乳含有丰富的人体易吸收大豆异黄酮苷元,妇女摄入后雌激素代谢效率提高[54]。乳酸菌还可改变肠道菌群提高大豆异黄酮苷元的生物利用度,从而提高其吸收率[55],缓解妇女绝经后紊乱症。

4.6抗炎

Liao等[56]的研究发现,嗜热链球菌CCRC 14805和双歧杆菌CCRC 14603发酵豆乳的甲醇提取物可以抑制脂多糖诱导的RAW 264.7巨噬细胞一氧化氮(NO)产生量和TNF-α、IL-6等炎症因子产生量,发挥抗炎作用。植物乳杆菌发酵豆乳可以通过抑制巨噬细胞NO、前列腺素E-2(PEG-2)、胞内活性氧(ROS)的过量产生和抑制促炎基因的表达,起抗炎作用。体内研究方面,刘宁[57]的研究发现,保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵豆乳对葡聚糖硫酸钠诱导的大鼠溃疡性结肠炎有显著防治作用,其作用机制可能与发酵豆乳的抗氧化损伤及阻断核转录因子-kB p65的活化有关。

4.7抗肿瘤

肠道中有害菌产生的亚硝酸、吲哚、亚硝胺等物质是强致癌物。乳酸菌影响肠道菌群,抑制了肠内有害菌的产生,使各种有害物质(致癌诱变剂)的浓度降低,减少了肿瘤的发生[57]。乳酸菌自身也有抗肿瘤作用,其通过调节免疫系统,即增强自然杀伤细胞活力、提高细胞因子分泌等对抗肿瘤细胞[51]。Ohta等[58]发现乳酸菌发酵豆乳有抗乳腺癌的作用,他将其归因于大豆异黄酮的作用。Kaga等[59]的研究也表明,摄入乳酸菌和豆乳组合有显著抗小鼠乳腺癌作用,效果优于单独摄入乳酸菌或豆乳。

4.8护肝

嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌发酵豆乳对大鼠非酒精性脂肪肝有一定的保护作用[60]。两歧双歧杆菌、干酪乳杆菌和植物乳杆菌发酵豆乳可以有效降低高脂饮食小鼠血清总胆固醇和甘油三酯水平,起到保护肝脏的作用[61]。嗜热链球菌grx90发酵豆乳可通过抗氧化活性发挥护肝作用,即基于乳酸菌活菌体及其代谢产物,通过增强机体抗氧化酶活性降低过氧化物的积累以增强抗氧化能力,从而实现对酒精诱导小鼠急性氧化损伤的保护作用[62]。

5　总结与展望

豆乳发酵常用的乳酸菌菌株为乳杆菌属中的L.cellobiosis、L.plantarum、L.casei、L.delbrueckii和双歧杆菌属的B.animalis、B.longum、B.breve等,发酵形式分为单一菌株发酵或多菌株混合发酵。发酵工艺为牛乳添加量10%～30%、蔗糖添加量8%～10%、豆浆料水比为1∶8～1∶10、乳酸菌接种量3%～5%以及发酵温度37、42、43 ℃,发酵时间4～48 h。乳酸菌发酵过程中,非消化性低聚糖、胰蛋白酶抑制因子、醛类抗营养成分发生降解,糖类、有机酸、蛋白质、脂肪及脂肪酸、矿物质、维生素、大豆异黄酮降解或转化,既保留了豆乳原有的营养价值,又形成复杂的风味成分和功能成分,因此豆乳经乳酸菌发酵后营养价值提高、风味改善,并具有改善肠道健康、抗高血压、降血脂、免疫调节、缓解妇女绝经后紊乱症、抗炎、抗肿瘤、护肝等诸多生理功能。

随着人们生活水平的提高和观念的改变,人们更注重食品的营养成分和保健功能,天然植物源食品和益生菌发酵食品必定是本行业未来的发展趋势。乳酸菌发酵豆乳具有良好的营养结构和功能性,具有良好的市场前景。欧美各国和日韩对乳酸菌发酵豆乳的研究方兴未艾,并有众多商业化产品成品问世,我国无论在科学研究或工业化生产方面尚存在差距。此外,我国面临着调整农业产业结构、振兴大豆产业、推进豆制品深加工发展的局势。因此,发展即营养又健康的乳酸菌发酵豆乳具有重要意义。

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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

李学莉(1989-)，男，硕士，研究方向：食品研发及质量检测，E-mail：xueli-li@qq.com。

胡海娥(1970-)，女，高级工程师，研究方向：食品研发及质量管理，E-mail：huhaie@szeastroc.com。

TS201.3

A

1002-0306(2016)12-0385-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.065