黑蒜的營養功能及其加工工藝研究進展

葉淼,劉春鳳,李梓語,鈕成拓,王金晶,鄭飛云,李崎*

1(江南大學 生物工程學院,江蘇 無錫,214122) 2(工業生物技術教育部重點實驗室(江南大學),江蘇 無錫,214122)

大蒜(AlliumsativumL.)屬于百合科蔥屬,既可作為一種食物或烹飪原料,也可用作一種中草藥,以“陸地上生長的天然抗生素”而聞名于世。大蒜含有多種生物活性成分,具有溫脾、消食理氣、抗菌消炎、降血糖血脂等多種作用[1]。大蒜在我國培育歷史悠久、栽植面積廣、產量高,多年來保持較高出口量,在我國單項農產品出口總額中位列第一。然而,大蒜有著特殊的刺激性氣味和辛辣味,甚至會引起一些人的腸胃不適,這限制了大蒜的應用。人們嘗試使用各種加工技術處理大蒜,以盡量減少大蒜異味、提高其適口性、保持或提升其有益的生物功能。

黑蒜的主要原料為新鮮的大蒜,在高溫、高濕條件下加工一定時間而制成的大蒜深加工產品。黑蒜最早由日本人發明,經由韓國、西班牙、中國臺灣等地逐漸發展并流傳到內地,因良好的口感和較強的生理作用,深受消費者的喜愛并成為保健食品的新寵。黑蒜柔軟、有彈性、甘甜可口,沒有大蒜的辛辣味和刺激性臭味；與新鮮大蒜相比,黑蒜的化學成分發生了較大的變化,不僅提高了原有營養成分的含量,還產生了一些新的功能物質,從而具有更好的生理活性,如抗氧化、調節血糖血脂、抗腫瘤等。

本文主要總結了黑蒜的主要營養成分、生物功能、加工工藝和內生菌方面的研究內容,并且對黑蒜的未來發展及其應用做出展望。

1 黑蒜中的主要營養成分

大蒜的營養非常豐富,每100 g鮮蒜中含水分63.8 g,熱量577.39 kJ,糖7.3 g,蛋白質5.2 g,脂肪0.2 g,鈣10 mg,磷12.5 mg,鐵1.3 mg,維生素B1 0.29 mg,維生素B2 0.06 mg,尼克酸0.8 mg,維生素C 7 mg。此外,還含有人體所必需的多種微量元素。大蒜經過酶化、熟化、干燥等過程加工成黑蒜后,營養成分大大提高,糖類化合物、有機酸、總酚等化合物含量增加,還產生類黑精、5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)等新物質,從而具有更高的營養價值及生理活性。

1.1 糖類

大蒜多糖是大蒜的主要成分,具有抗凝血、降血脂、預防動脈粥樣硬化、抗癌抗腫瘤、降血糖和抗衰老等多種生理作用。目前相關研究多集中于多糖的提取、含量測定及其抗氧化性能研究。黑蒜和大蒜中多糖含量分別為98.67 mg/g和50.33 mg/g[2]。黑蒜粗多糖經熱水浸提、旋轉蒸發濃縮、離心、Sevag法除蛋白、沉淀洗滌、干燥等分離純化過程得到,提取率為8.14%,用苯酚硫酸法測定其粗多糖純度為43.0%[3]。采用木瓜蛋白酶輔助水提醇沉法提取黑蒜多糖,并對其提取方法進行優化,最佳的提取條件為：酶用量1.5%、酶作用pH 6.5、提取溫度55 ℃、超聲波時間75 min,在此條件下,黑蒜多糖的提取率可達10.15%[4]。黑蒜多糖具有良好的抗氧化性能,其保健價值值得進一步研究。

黑蒜相較于新鮮大蒜變得酸甜可口,在加工過程中,淀粉酶、果聚糖聚合酶的酶解作用及熟化過程中熱力作用,使大蒜中的多糖逐漸分解為單糖(主要是葡萄糖和果糖)、雙糖和低聚糖,提高了黑蒜的甜度。成品黑蒜中的還原糖含量占其干重的60%以上,是鮮蒜中的30～80倍[5]。

通過熱處理獲得的黑蒜糖組分主要包括果糖(57.14%)、蔗糖(7.62%)和葡萄糖(6.78%)。其中果糖的增加最為顯著[黑蒜中(0.38±0.06)～(44.73±4.41) g/100 g DM],其次是葡萄糖[(0.21±0.02)～(2.51±0.24) g/100 g DM][6]。黑蒜加工過程中,還原糖的積累速度與溫度有關,溫度升高越快,還原糖累計速率越快,這表明大蒜多糖的降解主要是高溫作用的結果。但是在恒定溫度下研究滅酶對黑蒜褐變度及還原糖含量的影響,發現在70～90 ℃的條件下,果聚糖酶在極短的時間內已經完全失活,不參與還原糖的生成[7]。由此可以推測在黑蒜加工過程中還存在其他還原糖產生的途徑。

大蒜中性多糖經過水解后分子量明顯下降、低聚糖含量明顯升高,聚合度低于10的低聚糖含量由15%增加至75%以上[8]。與大蒜中性多糖相比,人造胃液對水解低聚糖影響較明顯,水解低聚糖的抵抗力較低,但其能顯著促進4種乳酸菌的增殖,降低發酵液pH,具有更強的益生作用。低聚果糖是一種功能性低聚糖,具有益生元作用,能促進腸道有益微生物的生長和功能。但采用目前工藝所制備的黑蒜中低聚果糖的含量有限,極大限制了黑蒜的益生元功能,因此,如何通過優化加工工藝增加低聚果糖的含量也是值得研究的方向之一。

1.2 有機酸

大蒜中的有機酸在營養吸收、消化和免疫方面起著重要的作用。大蒜的酸度為0.4%(以乳酸計),不會形成酸味。在熱處理過程中,黑蒜中總酸含量不斷增加,使得黑蒜具有酸味,美拉德反應會生成有機酸,主要是甲酸和乙酸,大蒜的pH值從6.42(鮮蒜)變化到5.00(40 ℃,45 d)及3.05(85 ℃,45 d)[7]。黑蒜加工前后的總酸含量變化較大,從鮮蒜的4.6 g/kg到黑蒜的33.61(60 ℃)、37.50(70 ℃)、30.96(80 ℃)和36.37 g/kg(90 ℃)[6]。

檸檬酸、乳酸、酒石酸、草酸和蘋果酸是黑蒜中的主要有機酸,大蒜提取物中存在檸檬酸、蘋果酸、乳酸、富馬酸等有機酸,而黑蒜提取物中富馬酸消失,新生成乙酸、甲酸、3-羥基丙酸和琥珀酸(黑蒜中含有較多的甲酸和乙酸)[9]。這些變化具有重要的意義,有機酸含量的增加不僅會帶來甜酸味,并且有利于蛋白質和多糖的水解以及黑蒜的微生物穩定性。大蒜熱處理后酸度增加的原因是在美拉德反應中消耗了大量的堿性基團(如氨基酸中的氨基)以及形成短鏈羧酸。

1.3 含硫化合物

在大蒜中的生物活性物質,含硫化合物占主要成分,蒜氨酸(S-烯丙基-L-半胱氨酸亞砜)、脫氧蒜氨酸(S-烯丙基-L-半胱氨酸)和γ-谷氨酰氨-S-烯丙基-L-半胱氨酸是大蒜中主要的含硫化合物。黑蒜中蒜氨酸、脫氧蒜氨酸、γ-谷氨酰氨半胱氨酸含量分別為0.36%～0.90%,0.36%～0.93%,0.83%～2.83%[10]。大蒜具有抗菌、降血壓、降血脂、抗癌、抗腫瘤等作用,這些都與大蒜中的含硫化合物有關。同時,硫合物也是大蒜的主要風味物質,賦予了大蒜獨特的辛辣風味。加熱過程中,大蒜中的蒜氨酸及脫氧蒜氨酸降解生成烯丙基硫化物等含硫化合物,其中一些具有淡香氣味。

黑蒜主要包括27種揮發性硫化物,其中含量較高的分別為3-乙烯基-3,4-二氫-1,2-二噻吩烷(17.56%)、二烯丙基二硫醚(17.53%)、2-乙基四氫噻吩(13.24%)、2-乙烯基-1,3-二噻烷(8.81%)、N,N′-二甲基硫脲等化合物(8.00%)。與大蒜相比,二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚含量顯著降低,這可能是大蒜經熱處理后刺激性氣味顯著降低的主要原因。熱處理后,黑蒜中的2-乙基四氫噻吩含量顯著高于大蒜,使得黑蒜產生一種淡香味。黑蒜中揮發性硫化物總量略低于大蒜,而二烯丙基二硫醚和二烯丙基三硫醚等刺激性揮發物質顯著降低,芳香化合物增加[11]。

由于大蒜品種、加工工藝和分析方法的不同,大蒜和黑蒜中的揮發性特征可能會發生變化,但這些結果均表明大蒜經過高溫處理后,刺激性氣味大大減少,香味物質增加。相較于大蒜,黑蒜中揮發性含硫化合物總量也有所增加,能有效抑制致癌物質亞硝胺類物質在生物體內的合成,抑制癌細胞的形成和生長,降低血壓、抗衰老,預治心腦血管等疾病。

1.4 多酚類物質

多酚廣泛分布于水果、蔬菜和谷類等日常食品中,并表現出強大的抗氧化能力。大蒜是食品中酚類化合物最豐富的來源之一。單寧、類黃酮和酚酸是黑蒜中的主要多酚物質。加工過程中,黑蒜多酚類物質經加熱水解,產生大量酚類小分子物質,釋放出更多的酚羥基,相對含量升高。羥基肉桂酸衍生物是經過不同加工程序的大蒜樣品中含量最高的酚酸,其中對香豆酸和鄰香豆酸的含量增加最為顯著(增加了14倍)[12]。大蒜加工成黑蒜后,總多酚含量顯著增加7～11倍,總黃酮和總酚酸含量分別增加1～5倍和4～8倍,使黑蒜具有比大蒜更強的抗氧化活性和過氧化物自由基清除能力[8]。

1.5 氨基酸

氨基酸是食物中的重要營養素,其組成及含量直接影響食品的營養價值,并與人類的味覺密切相關。大蒜中含氨基酸,加工成黑蒜后,游離氨基酸的含量和種類發生較大的變化。如表1所示[13]。

表1 大蒜與黑蒜中游離氨基酸含量的比較 單位：mg/100 g

新鮮大蒜富含游離氨基酸,如谷氨酰胺、天冬酰胺和谷氨酸等,還有賴氨酸、色氨酸和纈氨酸等必需氨基酸。大蒜經高溫加工成黑蒜后,蛋白質可能發生變性,部分氨基酸參與美拉德反應,另一部分氨基酸以游離狀態存在,構成黑蒜的營養物質。CHOI等[14]發現加工后的黑蒜除亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸外,其他氨基酸含量均下降。半胱氨酸是大蒜中含硫化合物的重要前體,也是產生氣味化合物的母體。黑蒜經熱加工后半胱氨酸含量顯著降低,黑蒜的低硫風味的形成可能與此相關。酪氨酸和天冬氨酸等酸性氨基酸以及谷氨酸、精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸含量隨著加工時間的延長而降低。極性氨基酸如蘇氨酸和絲氨酸以及非極性氨基酸如甘氨酸和丙氨酸的含量也有所下降。推測這些氨基酸的減少可能與美拉德反應有關,美拉德反應發生在胺(通常是氨基酸)和羰基化合物(通常是還原糖)之間。

1.6 類黑精

類黑精是在反應后期階段由美拉德反應活性中間產物經縮合、聚合等反應產生的褐色大分子含氮化合物。近來年,類黑精因其具有抗氧化、益生元和抗高血壓等作用受到越來越多的關注。

新鮮大蒜中未檢測到類黑精,而在鮮蒜被加熱處理成黑蒜時,黑蒜類黑精的總含量顯著增加,其濃度與加熱天數呈正相關,同時大蒜的色度增加。在72、75或78 ℃下加工大蒜一段時間會導致大蒜色度增加(整個大蒜鱗莖的HunterL值分別從52.05±0.38降低到18.01±0.32、18.04±0.25和19.06±0.26),而褐變的強度和速率高度取決于溫度和加工時間[15]。在420 nm處測定吸光度,觀察到在85 ℃下處理的樣品褐變強度迅速增加,直到第15天達到穩定狀態,在40～70 ℃下處理的大蒜樣品導致褐變強度的變化慢得多(40 ℃下為0.69,85 ℃下為2.05)[16]。

黑蒜的褐變程度與美拉德反應的進行有關,在280、320～360和420～450 nm處的吸光度與初始階段(糖胺縮合和Amadori重排)、中間階段(糖脫水、破碎和Strecker降解)和最終階段形成的產物相對應(羥醛縮合、聚合和雜環硝基化合物的形成)。在這3個階段產生的產物遵循類似的分布,有大量的中間產物,以及降解的蛋白質、肽和酚酸等化合物[17]。增加的類黑精逐漸導致大蒜樣品變黑,直至深棕色或黑色。

在類黑精中,呋喃類的相對含量最高,其次為吡咯類、噻吩類、烷烴、糠醛類、酚類等。類黑精具有較高的金屬離子螯合活性和抗氧化能力,且與分子量呈正相關。體外模擬消化結果表明類黑精幾乎是不可消化的。α淀粉酶和鹽酸處理均顯著降低了黑蒜類黑精的金屬離子螯合活性和抗氧化能力,體外模擬消化后仍能保持在60%以上。這表明類黑精具有較高的生物利用度和生物可及性。試驗證明口服類黑精可以顯著降低高脂飲食誘導肥胖小鼠的體重增加和白色脂肪組織質量,逆轉了糖耐量,特別是大劑量的類黑精。同時口服類黑精后,小鼠的腸道微生物環境得到改善,細菌多樣性和豐富度增加[18]。上述研究均表明黑蒜類黑精具有很大的應用潛力。同時,黑蒜類黑精作為膳食纖維在糖尿病和肥胖方面具有很大的應用潛力,作為一種有效的抗氧化劑,還可在食品添加劑或功能性食品中得到廣泛的應用。

1.7 5-HMF

5-HMF是一種五碳環芳香醛,可通過還原糖(如葡萄糖或果糖)和氨基酸在高溫美拉德反應過程中的催化脫水形成,也可以通過已糖在酸性環境中直接降解形成。食品中的5-HMF的形成高度依賴于加工和儲存條件,如溫度和pH值。

5-HMF作為美拉德反應的關鍵中間產物,不僅影響黑蒜的生物活性,而且影響黑蒜的感官效果,可作為預測黑蒜加工速率的重要檢測指標。核磁共振氫譜分析表明,鮮蒜中未發現5-HMF,而黑蒜在加工過程中產生大量的5-HMF,熱處理90 d后得到的黑蒜提取物中5-HMF的含量比加熱25 d后增加了6倍以上。LIANG等[9]使用5-HMF的量作為加熱5和25 d后獲得的鮮蒜和黑蒜提取物的差異標記。黑蒜中5-HMF的含量在熱處理過程中顯著增加,實際增加量取決于加工溫度。加工溫度越高,5-HMF含量增加越快。在60 ℃下制備的黑蒜中5-HMF的水平以緩慢的速率增加至1.88 g/kg(約為70 ℃、80 ℃和90 ℃下制備的黑蒜中5-HMF的0.39～0.46倍)。在80或90 ℃下5-HMF含量快速增加,但黑蒜會產生苦味[19]。而冷凍預處理可使黑蒜中的5-HMF含量增加25%(從208.5 μg/g增加到260.7 μg/g)[20]。

但目前對于5-HMF的安全性仍存在較大爭議,高濃度的5-HMF具有細胞毒性,對人體組織和內臟器官具有刺激性,在體內具有致癌性。黑蒜加工過程中5-HMF的形成途徑途徑仍知之甚少,在鮮蒜加工成黑蒜的過程中檢測5-HMF含量的有效方法有待進一步研究。

2 黑蒜的生物功能

大蒜熱處理加工成黑蒜后,易被人體吸收。黑蒜含有豐富的功能性成分,如多酚、含硫化合物、類黑精等,在這些化合物的共同作用下,黑蒜具有比新鮮大蒜更強大的生物功能。

2.1 抗氧化、抗衰老作用

黑蒜中的大蒜素能與脂質相結合,結合產物具有與維生素E相同的功能,即抗衰老以及預防動脈粥樣硬化；黑蒜中的蒜氨酸酶及其乙醇萃取物也有一定的抗衰老作用；黑蒜中胱氨酸能促進細胞的增殖,而且具有排毒養顏的作用；黑蒜中含有豐富的鍺元素,具有良好的抗衰老作用[13]。

LEE等[21]通過對3周齡的患糖尿病的小鼠分別飼喂正常飼料和添加凍干普通大蒜和黑蒜,7周后分別測定肝水平的脂類過氧化物以及抗氧化酶的活性。黑蒜的抗氧化能力是普通大蒜的4倍以上；與對照組小鼠相比,飼喂黑蒜的小鼠體內硫代巴比妥酸反應物質水平顯著降低；超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶活性和過氧化氫酶的活性顯著升高。CHOI等[14]發現,黑蒜中多酚類和黃酮類物質含量在21 d內顯著增加。通過DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力,發現黑蒜的抗氧化能力明顯提高。體外、體內實驗均證明黑蒜具有較強的抗氧化能力和抗衰老作用。

2.2 抗菌消炎作用

大蒜素和硫化丙烯在黑蒜殺菌中,效果明顯,具有廣譜抗菌作用。此外,黑蒜中的揮發性成分和浸出液等對多種病原菌都有明顯的抑制或殺滅作用。最低抑菌濃度(金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌)顯著降低,且顯示出相加和協同效應[22]。KIM等[23]用氯仿提取黑蒜中5-HMF,研究其對TNF-α刺激的臍靜脈內皮細胞的內皮細胞粘附因子和單核細胞粘附性的表達變化,結果表明,黑蒜5-HMF具有消炎作用,可作為動脈粥樣硬化等血管疾病的潛在治療藥物。

2.3 調節血壓、血脂、血糖作用

隨著生活水平的改善,“三高”問題逐漸顯現,已經成為人類致命的“頭號殺手”。而研究發現黑蒜具有降低血壓、血脂、血糖等多種功效。

RIED等[24]利用黑蒜提取物輔助降壓藥判斷降壓效果,結果表明黑蒜輔助的降壓效果更好。JUNG等[25]使用釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發酵黑蒜,然后用3種不同劑量的發酵黑蒜喂食高脂肪的過度肥胖小鼠,相同劑量的釀酒酵母發酵黑蒜比普通黑蒜更有效的抵抗高脂肪飲食誘導的肥胖并發癥。對高脂肪大鼠飼喂不同劑量黑蒜提取物,發現食用黑蒜提取物會降低SREBP-1C基因的表達,從而導致脂質和膽固醇代謝的下調,促使總脂質、甘油三酯和膽固醇的血液水平降低[26]。

黑蒜在降低血糖方面效果顯著、優點突出、無副作用,同時具有很強的抗氧化能力,可預防糖尿病并發癥,是降糖藥的首選之一。SI等[27]使用保加利亞乳桿菌制備黑蒜,并進行妊娠期糖尿病的臨床試驗。40周后,分別于空腹血糖和口服葡萄糖耐量試驗后1和2 h測定患者血糖水平,結果發現保加利亞乳桿菌促進了吡喃葡萄糖向呋喃葡萄糖苷的轉化,降低了空腹血糖、1和2 h血紅蛋白水平,有效改善了妊娠糖尿病。

2.4 抗癌抗腫瘤作用

研究發現黑蒜還具有抗腫瘤作用,黑蒜對胃癌、肝癌、肺癌、白血病、乳腺癌和結腸癌等癌癥都表現出優異的體外和體內治療效果。

體外試驗表明,黑蒜提取物處理的GC-7901人胃癌細胞凋亡呈劑量依賴性,并能抑制荷瘤小鼠腫瘤的體內生長。血清超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、IL-2及脾臟、胸腺指數的升高,表明黑蒜的抗腫瘤作用可能與其抗氧化和免疫調節作用有關[28]。黑蒜水提取液對肝腫瘤癌有著明顯的生長抑制作用,在移植昆明小鼠H22肝癌細胞后,黑蒜抑瘤有效率達40%以上[29]。在黑蒜己烷提取物能顯著抑制白血病細胞U937的增殖,抑制的效果與作用濃度、作用凋亡時間呈正相關,并有一定的量效關系,使用10 μg/mL的黑蒜己烷提取物處理U937細胞24 h后,細胞存活率下降60%[30]。

在黑蒜的含硫化合物中,S-烯丙基半胱氨酸(SAC)和S-烯丙基巰基-半胱氨酸起著主要的抗癌作用,此外,黑蒜的加工過程使得大蒜中的蛋白質轉化為氨基酸,促進人體吸收,對提高人體免疫力、減緩疲勞、防癌抗癌有一定的作用。黑蒜中硒、鍺等微量元素也具有重要的抗癌作用。

2.5 對肝臟和心臟的保護作用

無論是在體外還是體內,黑蒜都具有比大蒜更高的抗氧化性和抗炎活性,可對肝臟和心臟能夠起到一定的保護作用。研究發現在患有慢性酒精損傷的大鼠中,黑蒜具有保護肝臟的作用,黑蒜能夠改善脂質分布,使得血漿中天冬氨酸轉氨酶、丙氨酸轉氨酶、堿性磷脂酶和乳酸脫氫酶等水平顯著降低[31]。此外,黑蒜中富含SAC和多酚類物質,可能通過在缺血再灌注過程中對冠狀動脈產生舒張作用,阻止缺血再灌注誘導的心肌收縮力下降,從而發揮心肌保護作用[32]。

2.6 增強免疫力作用

機體的免疫功能是由淋巴細胞、單核細胞和其他有關細胞及其產物的相互作用完成的。黑蒜中的脂溶性揮發油能顯著提高機體內巨噬細胞的吞噬機能,有效增強免疫系統的作用。同時,由于蛋白質在加工過程中轉化為氨基酸,還能有效提高人體的免疫能力。維生素C含量的增加也能增強人體免疫力。

馮永輝等[33]連續5 d給予小鼠腹腔注射黑蒜提取物溶液,第6天處死小鼠后分離培養其脾細胞,檢測其自然殺傷細胞殺傷活性、脾細胞培養上清液中NO的分泌水平和IL-2、IL-4、IFN-γ和TNF-α的水平等,驗證了黑蒜提取物能夠顯著提高自然殺傷細胞的殺傷活性,增強對機體異常細胞的監視和清除能力。此外,黑蒜提取物還能提高白細胞、淋巴細胞、鼠李糖乳桿菌的含量,從而增強機體免疫力[34]。

2.7 其他功能

黑蒜還能增加大鼠海馬中的椎體神經元總數,改善空間記憶能力[35]；提高大鼠浦肯細胞數量,增進運動協調能力[36]；調整Th1/Th2型應答平衡,抑制IG-33-ST2信號途徑,改善小鼠過敏性哮喘等[37]。

3 黑蒜的加工工藝

目前市售黑蒜主要是在高溫高濕的條件下經過一系列化學反應、美拉德反應自然形成的。微生物發酵具有綠色、安全等特性,隨著人們健康意識的不斷提高,綠色的生物轉化技術逐漸成為研究熱點。部分研究者也將微生物發酵用于黑蒜加工中,使其具有更好的生物活性及生理功效。

3.1 非發酵加工工藝

目前,我國的黑蒜加工技術主要是從日本和韓國引入,在此基礎上對原有的加工技術進行改進,目前黑蒜加工工藝主要是非發酵加工工藝,又分為固態加工和液態加工。

3.1.1 固態加工工藝

固態加工是目前生產黑蒜最常用的方式。選取新鮮飽滿的完整大蒜在高溫及一定濕度條件下,不添加任何物質進行培養。固態加工的工藝流程包括：大蒜的選取、去皮和蒂1～2層、清洗、分級挑選、高溫高濕加工、殺菌消毒、包裝等工序。有研究發現加工90 d的黑蒜比培養30 d的黑蒜營養成分更為豐富,這可能是因為培養時間短,有效成分含量積累量少。30 d培養時間雖然縮短了生產周期,但其糖類、多酚等物質含量比90 d培養黑蒜略低,而90 d培養的黑蒜生產周期長、效率低、生產成本增加。因此如何調整工藝,在縮短生產周期的同時獲得營養物質含量高的黑蒜成為亟待解決的問題。預處理和高溫高濕是常用的兩種方式。

高壓預處理的方式對黑蒜的營養成分含量影響顯著,但保壓預處理后黑蒜總糖含量和DPPH自由基清除能力降低,效果不佳[38]。采用低溫冷凍和高溫水煮2種方法對大蒜進行預處理,比較不同預處理過程中營養品質特性。結果表明,相較于高溫水煮預處理及對照組黑蒜,經低溫冷凍預處理黑蒜的成熟時間可縮短4 d。且低溫冷凍加工所得到的黑蒜還原糖、總酚、氨基態氮含量較高,均優于高溫水煮預處理和未處理黑蒜[39]。因此,經低溫冷凍預處理的黑蒜質量更好。朱新鵬等[40]采用微波預處理方法制備黑蒜,并對其預處理工藝進行優化。相較于未經微波預處理的黑蒜,在最優預處理條件下制備的黑蒜總酚、還原糖及總酸含量極顯著提高,蒜氨酸變化不顯著,感官評價較高。采用抑制呼吸、低溫冷凍、超聲波等方法處理大蒜,可有效提高黑蒜中還原糖和氨基態氮的含量,縮短黑蒜的加工時間、降低能耗,改善功能成分。

黑蒜的預處理方式雖不盡相同,但均可有效縮短黑蒜加工時間,提高加工效率,同時提高黑蒜中的功能性成分,加強功能效果。因此,在黑蒜生產應用中,對大蒜進行預處理是有必要的。

3.1.2 液態加工工藝

液態加工是指把新鮮的大蒜破碎成蒜泥,加入一定比例的水作為基質進行加工。液態加工工藝包括：大蒜選取、去皮、清洗、破碎、真空密封、培養箱培養、干燥、包裝等工序。

液態培養條件下培養黑蒜,有著更短的加工時間。與大蒜及固態培養的黑蒜相比,液態培養黑蒜的總氨基酸和各單體氨基酸含量都有所增加,多酚含量也大幅提高。由此可見,液態加工黑蒜的抗氧化能力更佳,DPPH自由基清除率實驗結果也證明了這一點。羅學倉等[41]發現,蒜泥與水質量比為2∶1,破碎粒度為4 mm,變溫培養為70～80 ℃時,是液態培養的最佳工藝。此條件下,黑蒜總酚含量增加5倍,超氧化物歧化酶活性提高15倍,黑蒜呈黑褐色,無蒜臭味。

目前,對黑蒜液態培養的研究較少,但與傳統方法相比,液態加工方式具有工藝簡單、加工時間短、成本低、營養價值高、生物功能強等優點,是一種較好的大蒜加工方法。

3.2 發酵加工工藝

近年來,越來越多的研究者把重心轉移到生物轉化上來,其具有綠色健康的特性,不但沒有人工合成產物的副作用,同時還具有多種生物活性和生理功效。利用微生物發酵技術能夠提高發酵產物中的功能性組分的含量,例如多酚類化合物、蛋白質與多肽、膳食纖維等等,是一種綠色又環保的生物轉化手段。

通過發酵加工工藝處理后,黑蒜的生物活性有所提高。JUNG等[25]使用兩段發酵法進行發酵。在第一階段培養中,將釀酒酵母接種在含有黑蒜提取物的培養基中培養,以增加生理活性物質的濃度。后過濾加熱提取培養液,去除細胞,蒸發后將溶液冷凍干燥,冷藏保存。通過小鼠試驗發現與傳統方法制備的黑蒜相比,使用釀酒酵母(S.cerevisiae)發酵的黑蒜具有更強的體外抗氧化性,在糖尿病和肥胖小鼠中表現出更強的保肝、護腎、降血脂和減肥作用。此外,研究發現：用枯草芽胞桿菌發酵的大蒜含有高含量的穩定亞硝酸鹽[42]。通過急性飼喂不同劑量的濃縮發酵大蒜,可以有效降低自發性高血壓大鼠的收縮壓,并呈劑量依賴性。

SI等[27]使用保加利亞乳桿菌發酵黑蒜,發酵結束后,用無菌水沖洗大蒜,并在50 ℃培養箱中干燥。乳酸菌發酵黑蒜的抗氧化性顯著提高,并有效預防妊娠糖尿病的功效。

芽胞桿菌(如枯草芽胞桿菌、阿耶波多氏芽胞桿等)具有很強的產酸能力,發酵液中加入一定量的芽胞桿菌可使食品具有獨特的醇香、花香和果香等風味[43]。而作為食品發酵行業中最常見的益生菌——乳酸菌,在食品工業上已經被廣泛使用。乳酸菌能夠調節人體內腸道微生態,改善人體膽固醇,調節血壓等。經過乳酸菌發酵后,原料中的成分會被乳酸菌進行生物轉化,不僅能夠增強原料的營養價值(如增加多酚類、酸類、膳食纖維、可溶性蛋白質與多肽等物質的含量)、改善食品的風味和品質(如降低植酸的含量),同時還能提高原料中的功能性成分的生理活性(如降血糖、血壓、抗癌等)[44-45]。

如何利用微生物的益生作用增強黑蒜的生物活性,改善黑蒜的風味和品質,菌種的選擇、發酵工藝的確定及優化、安全性等問題都還有待進一步研究。

4 黑蒜內生菌

植物內生菌(endophyte)是指部分或全部生命周期生活在植物組織中的微生物。自然生態系統中所有的健康植物體都與內生菌共存,這些內生菌分泌多種次生代謝產物,誘導植物產生系統抗性。因此,植物內生菌可起到生物防治、增產菌劑等多種作用。

姬妍茹等[46]采用常規的分離培養方法研究了黑蒜加工過程中大蒜總菌和內生菌的數量變化規律。大蒜表面及內部沒有嚴格意義的真菌存在,但有大量的好氧和厭氧菌存在。黑蒜加工過程中,大蒜的總菌群和內生菌群先迅速增加,然后急劇下降,最后微生物數量逐步趨向于零。當溫度達到60 ℃以上時,大蒜表面的細菌基本失去活力,只有部分內生菌存活,而持續反復的溫度升降,使得內生菌活性逐漸被抑制直至失去活力。在黑蒜加工的第96 h分離出1株產黑色素細菌,經鑒定為枯草芽胞桿菌S8nyzx-1[47]。該菌能在大蒜汁培養基中生長,且生長旺盛、耐熱性強、產黑色素。將其接種至生蒜瓣,50 ℃下48 h蒜瓣變黑,而未接種蒜瓣則呈淡黃色,說明該菌液對大蒜由白蒜變成黑蒜具有一定的作用。

QIU等[48]采用傳統培養法對大蒜及黑蒜內生菌進行了分離鑒定,從大蒜中的菌落數量高于黑蒜,說明黑蒜加工過程中微生物群系發生了一些變化,數量略有減少,且內生細菌(枯草芽胞桿菌、甲基營養芽胞桿菌、解淀粉芽胞桿菌)是大蒜和黑蒜的優勢菌。該結果與姬妍茹等[46]的結果相似。

但傳統培養內生菌的方法局限性較大,一些細菌在可培養性和可重復性方面的能力有限。因此利用Illumina MiSeq測序技術(細菌的16S rRNA V3-V4高變區)增加了對大蒜及黑蒜內生菌的認識[49]。結果顯示黑蒜中微生物群落劃分為45門1 125個不同的屬,以熱毒桿菌屬(Thermus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、鏈球菌屬(Streptococcus)和短尾單胞菌屬(Brevundimonas)4個不同屬為主。黑蒜培養第0天,變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)為優勢門,總數為96.86%。隨著加工的進行,豐度高的門基本相同,但相對豐度變化較大。具體來說,變形菌門從0 d 96.86%下降至第12天的44.53%,但厚壁菌門、放線菌門以及異常球菌-棲熱菌門分別從1.04%、0.67%和0.18%增加到20.47%、8.84%和8.54%,表明微生物群落結構在12 d的熱處理后發生了巨大的變化。在此過程中,黑蒜樣品的微生物多樣性和豐度顯著增加。這一結果與傳統培養法所得結果相差較大,這證明了兩種方法直接存在顯著差異。

基于KEGG對16S rRNA標記基因序列的代謝途徑進行了預測,表明氨基酸代謝、碳水化合物代謝和膜轉運在黑蒜發酵過程中起重要作用。大蒜系統中的營養物質和生物活性物質在不同階段參與微生物群落的代謝途徑,并與微生物產生的物質直接或間接的相互作用。這些作用受到加工條件的極大影響,并最終決定黑蒜產品的特性。新產生的功能性化合物(如低聚糖等)在有益和有害微生物的生長中起著不同的作用?？傊?大蒜系統中的關鍵化合物與共存微生物之間存在廣泛的相互作用還需要更多的研究,因為這些相互作用會使大蒜在轉化為黑蒜過程中的成分變化進一步復雜化。

大蒜內生菌可以發酵葡萄糖、乳糖、蔗糖和大蒜多糖,具有很強的耐熱性,并產生大量的有機酸和生物活性物質(如胞外多糖),這些活性物質能顯著增強黑蒜的功能,延長其貯藏期,提高其安全性,說明大蒜內生菌的代謝能力具有重要的生物技術應用價值。而大蒜中典型的內生菌數量較少,對其進行一定的體外分離和擴大培養,以探索其功能是有必要的。因此,利用內生菌加速黑蒜加工,提高黑蒜風味和功能物質,延長貯藏期將成為今后的研究熱點。相關分析也表明微生物群落的多樣性和一些屬(如熱菌屬和芽胞桿菌屬)與黑蒜的還原糖、總酚和總酸含量呈顯著正相關,但微生物在黑蒜品質形成過程中的作用仍有待研究。今后,通過代謝組學和現代儀器分析檢測技術探究黑蒜培養過程中的化學反應和微生物群落在黑蒜品質形成中的作用將是研究的重點之一。

5 總結與展望

大蒜在加工成黑蒜后,主要成分如糖類、有機酸、多酚等都顯著提高,新生成類黑精和5-HMF兩種物質使得黑蒜比大蒜具有更高的營養價值和功效。黑蒜不僅具有良好的抗氧化、抗衰老作用,對記憶和神經系統也具有保護作用,還具有抗癌、抗炎、抗過敏、降血糖、保肝護心等作用。黑蒜作為一種新興的保健食品逐漸受到人們的喜愛,具有良好的市場前景。

目前黑蒜的主要加工方式是在高溫高濕條件下自然培養,以固態加工方式為主。有研究者意識到生物轉化不僅沒有人工合成產物的副作用,同時還可增加產品的生物活性和生理功效,利用微生物發酵技術使得黑蒜的營養成分含量更高,提高了黑蒜的生理功能,為黑蒜產業化的發展提供了新的思路。但以下幾方面問題有待進一步解決：(1)發酵中菌種的選擇、添加方式及添加工藝仍不成熟,不同菌種對黑蒜營養物質及生理功能的影響及其機制仍不明晰；(2)傳統黑蒜的加工周期較長,一般需要在高溫高濕的條件下維持2～3個月甚至更長,如何在生物轉化過程中縮短黑蒜的加工時間、提高生產效率、節能減排；(3)研究者們通過傳統培養和Illumina MiSeq測序技術相結合對黑蒜內生菌進行了分離鑒定,了解了黑蒜培養過程中內生菌的變化趨勢。但黑蒜內生菌的存在對黑蒜的營養物質、風味物質和生物活性的影響有待進一步探究；(4)作為一種新興的大蒜深加工產品,目前有關黑蒜深加工的生產規范、質量標準和安全性指標的制定等問題也亟待解決。