发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性及品质改善研究进展.pdf
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1、孙逊,李菲,张雨,等.发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性及品质改善研究进展 J.食品工业科技,2023,44(19):471480.doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022110298SUN Xun,LI Fei,ZHANG Yu,et al.Research Progress on Fermentation Strategies,Biological Activities and Quality Improvements ofFermented Fruit and Vegetable JuicesJ.Science and Technology of Food Indu
2、stry,2023,44(19):471480.(in Chinese with Englishabstract).doi:10.13386/j.issn1002-0306.2022110298 专题综述 发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性及品质发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性及品质改善研究进展改善研究进展孙逊1,李菲2,张雨1,赵婧1,戈建华3,李全宏1,*(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083;2.青岛大学生命科学学院,山东青岛 266071;3.华戈五谷控股有限公司,河北沧州 061600)摘要:随着消费者对健康饮食的日益重视,具有保健作用的发酵果蔬汁相关产品引起了研究者
3、的广泛关注。果蔬是微生物生长的理想基质,果蔬汁发酵后会产生丰富的营养物质和多种功能活性,因此实现了果蔬高值化利用,使得未来发酵果蔬汁系列产品有着广阔的应用市场。本文综述了果蔬汁的常见发酵方式,发酵后的生物活性成分、功能活性以及发酵对果蔬汁的品质改善作用,对发酵果蔬汁行业的发展具有一定的指导意义。关键词:果蔬,发酵,营养物质,生物活性,功能食品本文网刊:中图分类号:TS201.3 文献标识码:A 文章编号:10020306(2023)19047110DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2022110298ResearchProgressonFermentationStrat
4、egies,BiologicalActivitiesandQualityImprovementsofFermentedFruitandVegetableJuicesSUNXun1,LIFei2,ZHANGYu1,ZHAOJing1,GEJianhua3,LIQuanhong1,*(1.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.College of Life Science,Qingdao University,Qingdao 2
5、66071,China;3.Huage Wugu Holding Co.,Ltd.,Cangzhou 061600,China)Abstract:As the consumers pay more and more attention to a healthy diet,fermented fruit and vegetable juice relatedproducts with health benefits are attracting extensive notice.Fruits and vegetables are ideal substrates for microbial gr
6、owth.Fermented fruit and vegetable juices are rich in nutrients with many function,adding more value to the products,whichcould have a broader market in the future.In this paper,the common fermentation strategies,the dominating bioactiveingredients,the functional activities and the effect of ferment
7、ation on the quality improvements of fermented fruit andvegetable juices are reviewed.Overall,this review has a guiding significance for the development of fermented fruit andvegetable juices industry.Keywords:fruits and vegetables;fermentation;nutrients;biological activities;functional food 果蔬富含碳水化
8、合物、维生素、矿物质和酚类化合物等营养物质,是国际公认的健康食品,许多研究证明食用果蔬可以降低慢性疾病风险12,因此天然果蔬制品受到越来越多消费者的青睐。但是由于新鲜果蔬含水量比较高,适合微生物的繁殖导致其容易腐烂,这对运输和贮藏提出了很大的挑战。近年来,随着种植技术的发展和品种的优化,果蔬产量不断增加,然而也带来了大量优质果蔬的滞销,造成了资源 收稿日期:20221128 作者简介:孙逊(1999),女,硕士研究生,研究方向:天然产物提取及应用、果蔬加工,E-mail:。*通信作者:李全宏(1966),男,博士,教授,研究方向:天然功能因子的提取与保健食品理论与技术、农产品精深加工与产业化的
9、理论与实践,E-mail:quanhong_。第 44 卷 第 19 期食品工业科技Vol.44 No.192023 年 10 月Science and Technology of Food IndustryOct.2023 的严重浪费3;另一方面,由于加工技术的落后,目前果蔬制品主要是以鲜销和初级加工制品(如罐头、果蔬汁)为主,种类单一,果蔬深加工产业发展极其缓慢,越来越难以满足消费者的需求。发酵制品在我国有着悠久的历史,早在汉朝腐乳就已经出现,北魏的齐民要术详细介绍了古人用菘菜腌制酸菜的方法。发酵是一种操作简单、低成本、可持续的技术,并能延长果蔬的保质期4。新鲜果蔬汁经过发酵不仅可以保留基
10、本营养成分、降解有毒化合物,而且还会产生大量新的对健康有益的活性成分并改善食品风味,从而提高果蔬的附加值和利用率。调查显示益生菌产品已占据世界功能性食品市场份额的 65%,发酵果蔬汁因其显著的健康效益和良好风味而发展成为新流行的益生菌产品5。基于上述发展现状,本文对发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性成分、功能活性和发酵对果蔬汁的品质改善作用进行归纳和总结,旨在为深入研究发酵对果蔬汁营养和功能性质的影响提供参考。1发酵果蔬汁的发酵方式发酵是一种生物转化过程,其实质是利用微生物生产有益代谢产物。通过发酵可以提高果蔬的安全性、营养价值、感官特性以及延长保质期,因而是一种操作简单且经济环保的生物技术2。如
11、图 1 所示,常见的方式包括自然发酵、接种内源菌种发酵以及商业菌种发酵。表 1 是对上述三种不同发酵方式的举例,介绍了不同果蔬原料经各种方式发酵后产品特点。新鲜果蔬发酵方式接种发酵自然发酵适宜条件下发酵适宜条件下发酵商业菌种活化菌株内源菌种基因鉴定图 1 发酵果蔬汁的发酵方式Fig.1 Fermentation strategies of fermented fruit and vegetable juices 表 1 发酵果蔬汁的发酵方式Table 1 Fermentation strategies of fermented fruit and vegetable juices发酵方式原料发
12、酵菌种主要特点参考文献优缺点自然发酵刺梨酿酒酵母、乳酸片球菌、棘皮鞘氨醇单胞菌提高了果酒的总酸含量,降低了还原糖含量,抗氧化能力显著提升6操作简便、成本较低,但发酵时间过长、对腐败菌和病原菌的抑制效果不佳、发酵菌群未知导致产品易受污染、保质期短,以及发酵产品感官品质的不可预测性红树莓毕赤酵母属和哈萨克斯坦酵母属促进了酶和多糖等活性物质的产生7柿子伯克霍尔德菌、乳酸菌、醋酸菌、酵母菌等超氧阴离子清除活性显著提高20.15%,总黄酮和多酚含量也显著提高8内源菌种发酵蓝莓植物乳酸菌、发酵乳杆菌活菌数超过10.0 log CFU/mL,乳酸显著升高;总酚含量提高6.1%81.2%,体外抗氧化能力提高3
13、4.0%9内源菌株具有较强的发酵环境适应性,但筛选出适宜的特定果蔬发酵的内源菌种过程较为复杂,周期长番茄植物乳杆菌活菌数显著高于外源菌株,并且在储存期间内源植物乳杆菌发酵的番茄汁也具有更高的抗坏血酸、谷胱甘肽含量和总抗氧化活性10胡萝卜、菜豆和西葫芦植物乳杆菌、短乳杆菌、戊糖小球菌等pH迅速下降,碳水化合物大量消耗11商业菌种商业发酵剂具有严格的质量保证和质量控制,能够对整个发酵生产过程更好的控制,并将发酵失败的风险降到最低,但对果蔬基质的适应能力不如内源菌株强单一菌种苹果植物乳杆菌、瑞士乳杆菌等植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌表现出较强的苹果酸转化成乳酸能力13甘薯双歧杆菌等发酵后可溶性膳食纤维、总多
14、酚含量、有机酸含量和甘薯渣稳定性均有所提高14胡柚植物乳杆菌、发酵乳杆菌pH显著降低,酸度和VC显著提高15复合菌种杏乳酸菌和双歧杆菌混合菌种发酵的样品在发酵结束后活菌数更高17苹果酿酒酵母和植物乳杆菌发酵产生新的挥发物,显著改善了苹果汁风味18石榴植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌可溶性固形物降到4.63%,可滴定酸含量增加到 0.88 mg/mL19梨植物乳杆菌、瑞士乳杆菌和干酪乳杆菌植物乳杆菌和干酪乳杆菌混合发酵具有较强的DPPH自由基清除能力20佛手柑三种植物乳杆菌二元组合发酵的pH、葡萄糖和果糖消耗量、乳酸生成量和DPPH自由基清除的效果显著提高22 472 食品工业科技2023 年 10 月
15、1.1自然发酵自然发酵是无人为接种菌种,由原料中的原生菌群进行发酵的过程。在水分、温度适宜的条件下,新鲜果蔬可发生自然发酵2。彭欢等6以刺梨为原料,通过自然发酵制备刺梨果酒,结果表明发酵显著提高了果酒的总酸含量,降低了还原糖含量,抗氧化能力也显著提升。红树莓经过自然发酵产生了酶和多糖等活性物质,通过高通量测序分析出红树莓中的微生物组成,为其产业化生产奠定基础7。Wang 等8研究了自然发酵柿子醋过程中微生物的组成和风味物质的变化,结果表明,从属水平上主要的细菌是伯克霍尔德菌(Burkholderia)、乳酸菌(Lactobacillus)、醋酸菌(Acetobacter);主要的真菌是酵母菌(
16、Sac-charomyces)、枝孢菌属(Cladosporium)。发酵结束后超氧阴离子自由基清除活性显著提高了 20.15%,总黄酮和多酚含量也显著提高。虽然自然发酵作为一种传统的发酵技术带来了巨大的经济效益,但是仍然有很多因素限制它的发展,比如发酵时间过长、对腐败菌和病原菌的抑制效果不佳、发酵菌群未知导致产品易受污染、保质期短,以及发酵产品感官品质的不可预测性等。因此,采用接种发酵的方式来控制发酵过程是一种更合理的选择。1.2内源菌种发酵发酵果蔬汁最终的质量和风味的好坏主要取决于发酵剂的选择。每种果蔬在发酵过程中都有其独特的优势菌群,这些优势菌群主要受自身物理和营养条件的影响,研究证明采
17、用原料中分离的特有菌群作为发酵剂更有利于发酵的进行。Li 等9从番茄、蓝莓等水果中分离出植物乳酸菌和发酵乳杆菌接种到蓝莓汁中进行发酵,发酵 48 h 后,活菌数超过 10.0 logCFU/mL,乳酸含量上升到 2184.90 mg/L,总酚含量提高 6.1%81.2%,体外抗氧化能力提高 34.0%。Di等10将从番茄中分离的植物乳杆菌发酵剂与外源菌株进行比较,结果表明,外源菌株的生长和酸化潜伏期更长,25 发酵 17 h 后,内源菌株活菌数从约7.0 log CFU/mL 上升到约 9.6 log CFU/mL,而外源植物乳杆菌的含量约为 8.5 log CFU/mL。并且在储存期间,与外
18、源植物乳杆菌发酵的番茄汁相比,内源植物乳杆菌发酵的番茄汁也具有更高的抗坏血酸、谷胱甘肽含量和抗氧化活性。选用内源分离菌种发酵胡萝卜、菜豆和西葫芦,结果显示与外源菌株相比,发酵后内源菌株的 pH 下降更快且碳水化合物消耗更多。在维生素 C 浓度、颜色指数、硬度和感官性状方面,内源和外源菌株也有显著差异11。内源菌株具有较强的发酵环境适应性,且其发酵的果蔬汁具有较高的营养价值,但筛选出适宜的特定果蔬发酵的内源菌种过程较为复杂,周期长。1.3商业菌种发酵商业发酵剂是用于生产发酵食品的标准化接种物,具有严格的质量保证和质量控制。商业菌种的使用能够对整个发酵生产过程更好的控制,并将发酵失败的风险降到最低
19、12。目前,果蔬发酵主要使用的商业菌种是乳酸菌,如植物乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和瑞士乳杆菌等,其次还有酵母菌和醋酸菌。这些商业发酵剂通常采用单一或者混合菌种发酵的方式生产果蔬发酵产品。1.3.1 单一菌种发酵与自然发酵相比,使用单一菌种发酵可以大大缩短发酵时间,更有利于工业化生产。Wu 等13选择植物乳杆菌、瑞士乳杆菌等 6 种乳酸菌发酵富士苹果汁,结果表明富士苹果汁是乳酸菌良好的发酵基质,发酵结束后活菌数最高达到12.7 log CFU/mL,植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌表现出较强的苹果酸转化成乳酸的能力,最终产生的乳酸大于 6.5 mg/mL。Zhu 等14利用 4 种乳酸菌和 1 种双歧
20、杆菌单独发酵甘薯渣,并对其营养成分、抗氧化活性、挥发性物质及稳定性进行评价。研究显示发酵后可溶性膳食纤维、总酚含量、有机酸含量和甘薯渣稳定性均有所提高。束文秀等15选择植物乳杆菌和发酵乳杆菌分别发酵胡柚汁,结果表明,胡柚汁是两种乳酸菌生长的优良基质,活菌数均超过 8 logCFU/mL,pH 较发酵前显著下降,而维生素 C 含量显著升高。Gao 等16的研究表明将苦瓜用植物乳杆菌发酵后显著提高了总酚和总黄酮含量,发酵显著改变了果汁的香气,使其具有更理想的风味。1.3.2 复合菌种发酵经过多菌种协同作用可以改善果蔬的品质,产生更加丰富的活性物质。Bujna 等17将乳酸菌和双歧杆菌混合培养物接种
21、到杏汁中,结果显示,混菌发酵杏汁在发酵结束后活菌数更高,乙酸的浓度是单菌发酵的两倍左右,而乳酸含量接近。Li 等18用酿酒酵母和植物乳杆菌分阶段发酵苹果汁,研究表明,发酵后黄酮类化合物、维生素 C 和 B6含量增加。发酵后酮类和酸类得到富集,显著改善了苹果汁风味。刘晓翠等19采用乳酸菌复配的方式发酵石榴汁,结果表明,乳酸菌复配发酵显著改善了石榴汁的品质,特别是植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌复配能显著降低石榴汁的可溶性固形物,总酚和花色苷含量显著提高,提升了石榴汁的抗氧化效果。Wang 等20研究植物乳杆菌 90、瑞士乳杆菌 76 和干酪乳杆菌37 在单菌和混菌发酵条件下发酵梨汁,结果表明,混菌发酵梨汁
22、活菌数明显高于单菌发酵。植物乳杆菌90 和干酪乳杆菌 37 发酵梨汁由于香草酸和熊果苷含量增加,具有较强的 DPPH 自由基清除能力。Wu 等21以植物乳杆菌和短乳杆菌按 1:2 的比例发酵葡萄汁,结果显示混菌发酵可以富集酚类化合物,增强抗氧化能力,同时赋予葡萄汁的特色香气和宜人风味。Hashemi 等22探究单一和复合菌株发酵佛手柑果汁,结果表明,与单一菌株发酵相比,复合菌株发酵的佛手柑汁的 pH 值、葡萄糖和果糖消耗量、乳酸和甲酸生成量、柠檬酸消耗量和 DPPH 自由基清除的效果显著提高。可见,复合菌种发酵果蔬产品不仅第 44 卷 第 19 期孙逊,等:发酵果蔬汁的发酵方式、生物活性及品质
23、改善研究进展 473 可以丰富营养成分,改善风味,还有利于功能活性的提升。复合菌种发酵主要涉及不同菌种之间的共生或互生作用,其代谢机制比单菌发酵更为复杂,发酵产物更加丰富。2发酵果蔬汁的生物活性成分经果蔬汁发酵后酚类化合物、胞外多糖、B 族维生素和矿物质等生物活性成分含量显著提高,这些生物活性成分赋予了果蔬汁抗氧化活性、降血糖活性、降血压活性等多种功能活性。发酵后果蔬汁中主要生物活性成分的具体变化如表 2 所示。2.1酚类化合物酚类化合物是一种天然抗氧化剂,能预防与氧化应激相关的疾病,主要存在于果蔬中。Shang 等23研究了佛手瓜自然发酵过程中酚类物质的动态变化,发现类黄酮物质木犀草素、芹黄
24、素、香叶木素和异鼠李素的含量在发酵过程中显著增加,相关性分析表明 8 种酚类化合物与抗氧化活性的增加高度相关。植物乳杆菌产生的阿魏酸酯酶能催化阿魏酸从共轭酚酸中释放出来,单宁酶可以将儿茶素和没食子酸代谢为原儿茶酸,酚类物质的释放和转化是发酵后猕猴桃汁抗氧化活性提高的原因24。Kwaw 等25观察到桑葚汁经过乳酸菌发酵后总酚含量显著提高,这归因于乳酸菌水解酶将复杂的酚类水解为小分子酚,菌株的总酚含量不同主要与水解酶的水解能力的差异有关。Tlais 等26探究乳酸菌发酵对酸菜中酚类含量变化的影响,结果发现,乳酸菌通过酚酸还原酶或脱羧酶对酚酸进行代谢,将咖啡酸转化为二氢咖啡酸和 4-乙基儿茶酚,阿魏
25、酸转化为二氢阿魏酸,辛酸转化为 4-乙烯基乙酰酚,3-羟基苯甲酸转化为儿茶酚,衍生物与前体相比具有更好抗氧化活性。简而言之,果蔬发酵后酚类物质含量增加,一方面是与发酵导致植物细胞壁破坏从而释放出酚类物质有关;另一方面是与微生物中各种酶类导致大分子酚类物质水解以及酚类物质的转化有关。2.2胞外多糖胞外多糖是微生物在生长过程中分泌到细胞壁外的一种次级代谢产物,其不仅可以改善发酵果蔬汁的流变特性,还具有抗氧化、抗肿瘤和免疫调节等多种生物活性12。目前胞外多糖的合成机制主要包括单糖分子进入细胞质,合成葡糖-1-磷酸,胞外多糖重复单元的合成以及胞外多糖的聚合输出四个步骤27。很多研究已证实果蔬发酵后可以
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