發酵大蒜加工過程中功能物質與抗氧化活性的變化研究

唐仕榮，陳尚龍，苗敬芝，高菲，孫苗

(1.徐州工程學院 食品(生物)工程學院，江蘇 徐州 221018；2.徐州工程學院 江蘇省食品資源開發與質量安全重點建設實驗室，江蘇 徐州 221018)

大蒜是一種古老的藥食兩用植物，具有健脾、抗菌、提高免疫力、降血壓、抗腫瘤等作用。但常常由于其刺激性和蒜臭味導致無法得到消費者的廣泛認可。新鮮大蒜在高溫高濕條件下自然發酵而成的發酵大蒜，又稱黑蒜，無新鮮大蒜的蒜臭味及刺激性氣味，入口香甜，成為了國內外研究的熱點。大蒜發酵過程中，自身組織破壞后，發生一系列的酶促反應和非酶褐變反應，主要包括美拉德反應、焦糖化反應等，美拉德反應的最終產物——類黑素是黑色的主要來源[1]。據報道，發酵大蒜在保留大蒜原有主要功能成分的基礎上，蛋白質、氨基酸等營養成分更加豐富，多酚類物質含量提高5倍以上，抗氧化能力明顯增強，生理活性更加突出[2]；發酵過程中蛋白質大量轉化成為人體必需的氨基酸，對增強免疫力、消除疲勞、促進生長代謝具有重要的作用，對糖尿病、高血壓、高血脂以及癌癥等有明顯的預防和治療作用[3]。發酵大蒜研發以來，在日本、韓國、新加坡等地迅速風靡，成為大眾推崇的保健食品之一。

傳統黑蒜發酵工藝較為簡單，新鮮大蒜在高溫高濕條件下自然發酵60～90天，直到蒜瓣都變成黑色，發酵周期較長，生產成本較高。隨著工藝的優化，對大蒜進行預處理和提高發酵溫度能明顯縮短發酵時間[4]，對大蒜進行冷凍處理、高溫短時加熱、超聲預處理等能提高大蒜發酵過程中還原糖、總酚等物質的含量，但預處理工藝較為繁瑣。這些工藝優化的重點在于發酵溫度、濕度和時間等工藝參數的確定，對大蒜發酵過程中營養成分的變化研究不多，沒有深入研究大蒜發酵過程中各種成分的變化規律，特別是營養物質、功能成分以及功能活性之間的關系。為深入研究大蒜的發酵規律，本試驗在前期研究的基礎上，采用恒溫恒濕發酵法，重點考察大蒜發酵過程中總糖與還原糖、蛋白質與氨基酸等營養成分以及總多酚與大蒜素等抗氧化物質隨時間的變化關系，探討不同條件下發酵大蒜營養成分與抗氧化活性間的變化關系，對優化發酵工藝，促進功能物質生成，保證黑蒜品質與功能活性具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大蒜：采購于徐州七里溝農貿市場；大蒜素(標準品)：上海源葉生物科技有限公司；乙腈(色譜純)：國藥集團化學試劑有限公司；福林酚試劑、考馬斯亮藍、乙醇等：均為分析純。

1.2 儀器與設備

Agilent 1100高效液相色譜儀 美國安捷倫科技有限公司；TU-1810紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；ZH-TH-80恒溫恒濕箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 發酵大蒜的制備

采用恒溫恒濕發酵，在溫度70 ℃、濕度80%條件下發酵，每5天取出適量大蒜進行還原糖、氨基酸、多酚等物質含量及抗氧化活性分析。

1.4 檢測方法

1.4.1 大蒜多糖和還原糖的測定

適量大蒜經純水提取，采用苯酚-硫酸法測定多糖[5]，3,5-二硝基水楊酸顯色法測定還原糖[6]，根據提取液體積計算多糖和還原糖提取率。

1.4.2 蛋白質和氨基酸的測定

適量大蒜經純水提取多糖，粗蛋白采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[7]，游離氨基酸采用茚三酮顯色法測定[8]，根據提取液體積計算提取率。

1.4.3 總多酚含量的測定

以沒食子酸為標準物質，采用Folin-Ciocalteu法測定總多酚[9]。根據提取液體積計算提取率。

1.4.4 大蒜素的高效液相色譜分析

樣品提?。? g左右的大蒜加100 mL 70%乙醇，破碎，攪拌10 min，超聲波超聲提取30 min，4000 r/min離心10 min，上清液抽濾，測量提取液體積，待測。

色譜條件：色譜柱Diamonsil Plus C18柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；流動相：V甲醇∶V水為80∶20；柱溫25 ℃；檢測波長254 nm；進樣量20 μL。

以大蒜素為標準物質，配制不同濃度標準樣品進樣分析，繪制標準曲線，由標準曲線定量分析供試溶液中大蒜素的濃度，根據提取液體積計算大蒜素提取率。

1.5 抗氧化活性分析

1.5.1 DPPH自由基清除能力的測定

利用DPPH自由基的無水乙醇溶液呈紫色，在517 nm波長處有最大吸收，吸光度與濃度呈線性關系。加入抗氧化劑時使DPPH自由基數量減少，溶液顏色變淺，分光光度法測定吸光度變化，計算其抗氧化能力。具體測定方法參見文獻[10]。

1.5.2 超氧自由基清除能力的測定

在弱堿性條件下，鄰苯三酚能發生自氧化反應，生成超氧陰離子自由基和有色中間產物，該中間產物在320 nm波長處有特征吸收峰。加入清除劑時能迅速與超氧自由基反應，從而阻止中間產物的積累，致使溶液吸收減弱。具體測定方法參見文獻[11]。

2 結果與分析

2.1 發酵過程中總糖和還原糖含量的變化

還原糖和總糖含量的高低直接影響最終產品的口感和變黑速率。發酵過程中每5天取樣測定蒜樣中還原糖和總糖含量，結果見圖1。

圖1 黑蒜發酵過程中總糖和還原糖含量的變化

由圖1可知，大蒜發酵過程中，總糖和還原糖含量均呈先逐漸上升，達到最大值之后緩慢下降的趨勢。這可能是由于在發酵過程中，大蒜中的淀粉等在淀粉酶作用下，被分解成多糖類物質，總糖含量逐漸上升，20天時達到最大；之后由于美拉德反應加快，多糖被消耗的速率大于生成速率，導致含量逐漸降低。研究表明還原糖是美拉德反應的主要物質。大蒜發酵初期還原糖含量增長緩慢，之后迅速增加，25天時達到最大值3.768 mg/g。這可能是由于發酵初期多糖含量較低，分解速率較慢，隨著多糖含量的增加和美拉德反應的加快，還原糖的積累逐漸增大；美拉德反應最終生成棕色甚至黑色的類黑素物質，還原糖作為大蒜黑化反應的前體物質也將隨著發酵的進行而逐漸被消耗，導致黑蒜甜味減弱[12]。因此，為提高黑蒜品質，初期可以適當提高發酵溫度以加快還原糖的生成速率，后期適當降低發酵溫度以減緩還原糖的轉化消耗速率，從而有利于還原糖的積累和黑蒜良好口感的形成。

2.2 發酵過程中氨基酸和蛋白質含量的變化

氨基酸是人體合成蛋白質的重要原料，補充適量氨基酸對人體有著重要的作用。氨基酸含量高低直接影響發酵大蒜的品質，氨基酸大多來源于蛋白質的分解，大蒜發酵過程中蛋白質和氨基酸的含量變化見圖2。

圖2 黑蒜發酵過程中蛋白質和氨基酸含量的變化

由圖2可知，發酵過程中，大蒜中氨基酸的含量先快速增長，25天時達到最大值2.012 mg/g，之后緩慢下降。大蒜中氨基酸量的增加主要來源于蛋白質的分解。在發酵初期，美拉德反應速率較慢，美拉德反應消耗氨基酸的速率遠低于蛋白質分解生成氨基酸的速率，因此氨基酸含量逐漸增加；隨著發酵時間的增加，美拉德反應速率加快，氨基酸的消耗速率大大增加，導致氨基酸的含量逐漸降低。對大蒜中蛋白質而言，其含量逐漸增大，30天之后增長變緩，這可能是由于大蒜中其他含氮物質轉化為蛋白質的同時存在部分蛋白質分解為氨基酸導致蛋白質含量有所降低[13]。但發酵大蒜中氨基酸和蛋白質的含量均高于新鮮大蒜，極大地提高了黑蒜的營養價值。

2.3 發酵過程中總多酚含量的變化

多酚是發酵大蒜中重要的功能性成分，其含量高低影響著大蒜的抗氧化功效。大蒜發酵過程中總多酚含量的變化見圖3。

圖3 黑蒜發酵過程中總多酚含量的變化

由圖3可知，發酵過程中，大蒜總多酚含量先緩慢增長，之后迅速增大到最大值，比新鮮大蒜中多酚含量高4.15倍。研究表明：大蒜發酵過程中大分子物質分解生成小分子物質，能釋放出更多的酚羥基，使其多酚含量得到提高，主要為沒食子酸類化合物，具有良好的抗氧化能力[14]。發酵后期，多酚類物質可能發生縮合反應，生成褐色物質，導致總多酚含量出現下降趨勢。

2.4 發酵過程中大蒜素含量的變化

大蒜素是新鮮大蒜風味的主要標志物質，但大蒜素不穩定，在受熱、光照等作用下容易發生降解。大蒜發酵過程中大蒜素含量的變化見圖4。

圖4 黑蒜發酵過程中大蒜素含量的變化

由圖4可知，發酵初期，大蒜素含量隨著大蒜的發酵迅速降低，10天后緩慢下降，發酵40天的黑蒜中大蒜素含量僅為新鮮大蒜的11%左右，幾乎沒有新鮮大蒜的刺激性氣味。研究認為，經過長時間的發酵與熟化，不穩定的大蒜素可能轉化為其他抗氧化能力更強的含硫化合物[15]，使得發酵大蒜的體外抗氧化能力明顯高于新鮮大蒜。

2.5 發酵過程中抗氧化活性的變化

將大蒜提取液適當稀釋，分別移取不同濃度樣品做DPPH自由基和超氧自由基清除試驗，分析樣品濃度與抗氧化能力之間的關系。一般采用清除率50%時的濃度即IC50值來衡量樣品的自由基清除能力，IC50值越小，其清除自由基的能力越強，抗氧化能力也越強。發酵過程中大蒜 IC50值的變化見圖5。

圖5 黑蒜發酵過程中抗氧化活性的變化

由圖5可知，發酵大蒜提取液對DPPH自由基和超氧自由基清除能力的IC50值隨著發酵時間的延長剛開始迅速降低，而后緩慢減小，30天后IC50值下降非常緩慢，表明隨著發酵的進行，大蒜對DPPH自由基和超氧自由基的清除能力不斷增強，30天之后黑蒜的抗氧化能力幾乎達到最大，繼續發酵，抗氧化能力提高非常有限。發酵40天的黑蒜提取液對DPPH自由基和超氧自由基清除能力的IC50值分別為0.857，0.764 mg/mL，抗氧化能力是新鮮大蒜的11.25倍和9.22倍。實驗發現，黑蒜提取液對DPPH自由基和超氧自由基清除效果與樣品濃度之間呈較明顯的量效關系，樣品濃度越大，清除率越高；發酵15天之后，黑蒜提取液濃度最大時對DPPH自由基和超氧自由基的清除率均大于90%，表明黑蒜具有良好的抗氧化能力。研究認為，大蒜發酵過程中美拉德反應產生的氨基酸、糖類、多酚以及含硫化合物等量的增加是抗氧化能力顯著提高的根本原因[16]。

2.6 發酵過程中營養物質含量與抗氧化活性間的相關性分析

采用SPSS 23.0計算大蒜發酵過程中各物質含量與抗氧化活性間的相關性，見表1。

表1 黑蒜發酵過程中物質含量與抗氧化活性間的相關性分析

注：“*”表示顯著相關，P<0.05；“**”表示極顯著相關，P<0.01。

由表1可知，超氧自由基清除能力的IC50值與DPPH自由基清除能力的IC50值呈極顯著正相關(r=0.976，P<0.01)，大蒜素的含量與DPPH自由基清除能力的IC50值呈極顯著正相關(r=0.992，P<0.01)，而總糖、還原糖、氨基酸、蛋白質、總多酚等物質含量與DPPH自由基清除能力的IC50值呈負相關。由于IC50值與自由基清除能力呈負相關關系，則總糖、還原糖、氨基酸、蛋白質、總多酚等物質含量與DPPH自由基清除能力呈正相關，其中蛋白質、氨基酸、還原糖等物質含量與DPPH自由基清除能力呈極顯著正相關(P<0.01)，與多酚含量呈顯著正相關(P<0.05)，表明蛋白質、氨基酸、還原糖、多酚是發酵大蒜中最主要的抗氧化成分，為提高發酵大蒜的抗氧化能力，應優化發酵參數，綜合考慮，盡可能提高這些成分的含量。

3 結論

恒溫恒濕條件下發酵大蒜，重點考察了發酵過程中總糖和還原糖、蛋白質與氨基酸、多酚與大蒜素等物質隨時間的變化規律。結果表明：大蒜外觀顏色隨發酵時間的延長逐漸變黑，新鮮大蒜特有的刺激性氣味和辛辣味逐漸減弱，到最后幾乎沒有。總糖和還原糖含量均先上升后緩慢下降，碳水化合物的積累使得發酵大蒜具有一定的甜度，增強了口感。大蒜發酵過程中其他含氮化合物轉化蛋白質的同時，蛋白質大量分解產生了包含人體必需的游離氨基酸，使得發酵大蒜中氨基酸和蛋白質的含量明顯高于新鮮大蒜，大大提高了大蒜的營養價值?？偡雍康娘@著增加賦予了發酵大蒜更強的抗氧化性。相關性分析表明：蛋白質、氨基酸、還原糖和總酚含量與發酵大蒜抗氧化能力呈顯著正相關，是發酵大蒜中最主要的抗氧化物質。因此，發酵大蒜是一種具有良好抗氧化功能的營養保健食品，發酵過程是一系列物理化學反應共同作用的結果，應根據各物質含量的變化規律合理控制發酵溫度、濕度和時間，進一步優化大蒜發酵工藝參數，以達到最佳的產品外觀、口感、營養成分和功能活性。