发酵豆制品加工及功能研究

第0章 绪 论 0.1 发酵豆制品的发展与现状 大豆（Glycine max L. Merrill）起源于中国，古称“菽”，早在公元前2560年的黄帝时期就开始种植，与黍、稷、麦、稻并称为“五谷”。根据其种皮颜色不同，可分为黄豆、青豆、黑豆等。大豆加工制品发展至今，一般可分为非发酵豆制品和发酵豆制品两大类。其中，非发酵豆制品包括豆浆、豆腐、豆皮、豆干、豆丝、腐竹、豆腐脑和豆泡等；发酵豆制品包括豆酱、酱油、豆豉、腐乳、豆汁和霉豆渣等。 近年来研究显示，发酵豆制品不仅营养丰富，还具有抗氧化、降血压、溶血栓、提高免疫、降血糖、抗突变等生理保健功能。对发酵豆制品的进一步深入研究和开发，有利于满足人们对食物营养和保健功能并重的需求，提高人们的生活质量和水平；有利于传统发酵食品的现代化产业升级，创造更高的经济及社会价值；更有利于传承中国传统手工艺，推动中国文化世界化。 0.1.1 豆制品概述 1. 发酵豆制品 发酵豆制品是指以大豆为主要原料，经过微生物发酵而成的豆制食品，如豆酱、酱油、腐乳、豆豉、淡豆豉、霉豆腐和豆汁等。在微生物酶的催化下，大豆中的营养成分发生系列生物化学反应，使得发酵豆制品不仅风味独*、易于消化，更重要的是发酵过程中还产生许多新的功能性物质，如活性肽、不饱和脂肪酸、大豆苷元以及不同种类的维生素和矿物质等，使发酵豆制品在营养与保健方面更具优势。 发酵豆制品可根据食盐含量、发酵工艺、发酵菌种等方面进行分类。根据食盐含量的不同，可以分为有盐发酵和无盐发酵两种。有盐发酵豆制品包括酱油、豆酱、腐乳、豆豉、味噌等，多为调味品；无盐发酵豆制品包括纳豆、天培等。食盐在风味形成及贮藏性提高方面起到重要作用，但同时也可能会带来健康隐患，因此低盐是豆制品发酵工艺的发展方向，而无盐发酵豆制品更是引起人们广泛关注。根据发酵工艺不同，酱油可分为天然稀态发酵、低盐固态发酵、高盐稀态发酵等。天然稀态发酵不用种曲，主要依靠空气中自然存在的米曲霉等霉菌，菌种多而复杂，盐水的浓度高，后期通过日晒夜露进行自然发酵，有浓郁的酱香，但因发酵周期较长，工业运用较少；高盐稀态酱油盐水用量较多，酱醪呈流动状态，产品品质较高，香气成分多，营养物质丰富，但其生产周期也相对较长；目前，低盐固态工艺是国内现行酱油工艺中运用*广泛的一种工艺，较高的发酵温度可大幅缩短生产周期，但同时抑制了部分酶的活力，酯香味和口感会略差于其余两种方法。而根据发酵菌种的不同，豆制品还可大致分为细菌型发酵和霉菌型发酵。例如，纳豆是典型的细菌型发酵豆制品，其是将枯草芽孢杆菌均匀喷洒在冷却的大豆上，借助微生物蛋白酶生产出风味独*的发酵食品；而腐乳则是典型的霉菌型发酵豆制品，根据具体菌种和配料不同，*终生产为红方、白方、青方等产品。 2. 非发酵豆制品 大豆经过清洗、浸泡、磨浆、除渣、煮浆及成型等工艺直接制作而成的产品即为非发酵大豆制品。根据《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》（GB 2760—2014）中食品分类系统的规定，非发酵豆制品主要包括豆腐、豆干、豆干再制、新型豆制品等品类。 3. 发酵豆制品与非发酵豆制品的区别 非发酵豆制品和发酵豆制品都富含优质蛋白，营养丰富。而与非发酵豆制品相比，发酵豆制品在发酵过程中，原料中的碳水化合物、脂类、蛋白质等内源组分营养物质在多种微生物及酶的作用下被降解为单糖、氨基酸、不饱和脂肪酸、核黄素、多肽等更易于被人体吸收的小分子物质。此外，这些小分子物质与其他微生物代谢物一起，共同改善了豆制品的风味特征，并产生营养功能性。 0.1.2 发酵豆制品的功能 微生物的发酵作用可以将豆制品中许多难降解的物质转化成易于人体吸收的营养成分，大大提高了发酵豆制品的食用价值。发酵豆制品中功能性成分的来源主要有以下几个方面：一是发酵豆制品原料本身的营养成分，如异黄酮、大豆皂苷、纤维素和大豆多糖等成分，在发酵过程中被微生物分解成更小分子的大豆苷元等物质，更有利于人体的吸收利用；二是豆制品在发酵过程中，微生物自身生长代谢合成的新成分，如γ-氨基丁酸、胞外多糖、纳豆激酶等。这些活性物质被证明具有抗血栓、抗抑郁、抗癌、抗病毒、提高免疫等多种作用，在功能食品开发上具有广阔前景（Cao et al.，2019）。 1. 降血压作用 心血管疾病是一种严重威胁人类的常见病，而高血压则是其主要的致病因子之一。血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme，ACE）可以将血管紧张素Ⅰ转化为血管紧张素Ⅱ，后者是一种强烈的血管收缩物质，它可以使血管平滑肌收缩引起升压效果，ACE则起着限速酶的作用。因此可以通过抑制ACE的活性来达到降血压的作用。有研究发现大豆原料在发酵过程中产生了具有较强活性的ACE抑制肽，可有效降低血压（Daliri et al.，2020）。 2. 抗氧化作用 抗氧化一直是人们不断研究的方向，且人们越来越追求在饮食中摄取天然抗氧化成分。发酵豆制品中抗氧化作用的活性物质主要是异黄酮类物质、大豆皂苷和大豆多肽。其中研究*多的是异黄酮，1931年Walt首次从大豆粉中分离出染料木苷和大豆黄苷。之后相继从大豆制品中分离出9种异黄酮糖苷（即糖苷型大豆异黄酮）和3种相应的糖苷配基（即苷元型大豆异黄酮），共12种。但是，大豆中异黄酮常以糖苷结合形式存在，活性较低，不利于吸收。而发酵产生的β-葡萄糖苷酶能够使其分解成苷元形式，使其雌激素受体结合活性提高30倍，人体吸收量更大，吸收更快。而根据人体代谢跟踪研究，发现人体对大豆发酵食品中的异黄酮利用率和代谢率都有所增加，也为之后进一步结合人体和微生物研究提高异黄酮利用率的研究奠定了基础（Jang et al.，2020）。此外异黄酮的双酚结构可以与自由基反应达到猝灭自由基的效果，终止自由基的连锁反应，也可通过螯合金属离子抑制脂质过氧化。与黄豆相比，黑豆发酵后整体抗氧化活性更高，并且发现通过高产蛋白水解酶的芽孢杆菌发酵可以提高*终产物的抗氧化能力（Sanjukta et al.，2022）。 3. 溶血栓及降血脂作用 纳豆激酶是由枯草芽孢杆菌产生的一种丝氨酸蛋白酶，它主要的功能是溶解血栓，也作为新一代的溶栓药物得到相应的发展与研究。大豆发酵食品中的纳豆激酶对降血脂具有良好功效，为其作为降血脂药物和保健品奠定了基础。除此之外，大豆发酵食品中普遍存在的植物乳杆菌发酵的大豆发酵酸奶也在动物试验中被发现对高脂肪饮食导致的肥胖起到了很好的抑制作用（Li et al.，2020）。 4. 抗癌作用 癌症是人类疾病史上的一类难题，乳腺癌、前列腺癌和结肠癌是三大常见和危险的癌症。发酵豆制品具有较好的抗癌效果。研究表明，用泡盛曲霉（Aspergillus awamori）发酵大豆，所得的提取物对皮肤黑色素瘤有显著的抑制效果。除此之外，从发酵大豆中分离出的异黄酮对慢性粒细胞白血病（CML）有一定的治疗和预防作用，因为异黄酮可以诱导K562细胞周期停止、自噬甚至凋亡，通过对异黄酮抗白血病作用的转基因组学研究，为之后的白血病靶向治疗等提供了新的治疗方向（Wu et al.，2020）。 5. 免疫调节作用 机体的免疫功能是靠机体的免疫系统实现的。免疫系统是由免疫器官、免疫细胞及免疫分子组成。很多因素对免疫系统起调节作用，其重要性在于维持机体免疫功能的动态平衡，保持机体的健康。研究表明乙醇提取物和异黄酮苷元都对人的免疫细胞有刺激作用，会使细胞因子TNF-α、IL-6以及诱导型一氧化氮合酶和环氧合酶的水平显著提高，同时大豆中的异黄酮可逆转莨菪碱诱导引起的认知紊乱，增加类胆碱酶的活性，抑制大脑中神经炎症的发生，并且发酵后的豆制品中异黄酮的抑制效果优于大豆。 6. 抗抑郁作用 抑郁症作为一种常见的精神障碍性疾病，主要表现为持久显著的情绪低落，临床表现上，严重者会出现极端厌世的情绪和自杀行为，严重地影响了人们的心理健康和日常生活。其因为高患病率、高致残率和高复发率，广受人们关注，如今临床多采用西药治疗，存在一定的副作用，且起效缓慢。 γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）是一种非蛋白质组成的天然氨基酸。据研究，大豆本身并不含有GABA，而在发酵豆制品，如淡豆豉中却含有大量的GABA，其对神经递质的调节功效被认为和淡豆豉解表除烦的功能密切相关。今后可以对其抗抑郁的相关机理进行进一步的研究，通过提取其中功能成分或利用相关微生物进行高活性改造也是下一步功能性食品发展的一个方向。 7. 对神经性退行性疾病作用 如今高度老年化已成为全球人口趋势，根据《2019年世界人口展望》（修订版），预计到2050年全球65岁及以上人口比例将接近16%，到2100年将达到23%。阿尔茨海默病和帕金森病作为常见的神经退行性病变，与高龄密切相关，但是还没有很好的治疗方法。所以通过饮食和功能性食品进行相关预防的措施备受关注，发酵豆制品的营养价值及其中有效成分的临床效果研究也有进一步发展。在韩国、日本等多个国家，发酵豆制品及相关菌种已被允许作为功能性健康食品进行加工和销售。 大豆异黄酮在各种动物研究中被证明具有保护神经的作用，其带有的抗氧化活性和对于雌激素受体的亲和力也被认为可能与减轻阿尔茨海默病相关的病症和减缓其进程密切相关。大豆苷元等能抑制细胞凋亡，影响线粒体自噬，推测异黄酮对帕金森病也有很强的预防潜力。发酵大豆食品的摄入还会影响人体肠道微生物群，而有新研究也表明肠道微生物组成和平衡与神经退行性疾病风险密切相关。 8. 其他作用 发酵豆制品除了具有以上功能作用之外，还具有抗衰老、降血糖等作用。如今新冠病毒广受关注，日本相关研究也认为纳豆对新冠病毒具有一定的预防抵抗作用（Oba et al.，2021），而在很多国家，发酵豆制品和其中的微生物资源也作为功能食品和保健食品资源被广泛开发和宣传。我国也有大量的传统发酵豆制品，目前多以传统的调味型发酵豆制品为主。随着发酵豆制品促健康作用的研究和报道不断深入，人们对于发酵豆制品的消费理念不再局限于调味品的范畴，越来越多的功能型发酵豆制品渐渐走进人们的视野，成为人们追求的促健康功能性食品之一。 0.1.3 发酵豆制品的生产现状 目前，我国发酵豆制品发展迅速，产品种类增多，规模不断壮大，工业化速度加快，形成了一系列高知名度的发酵豆制品品牌，迅速占据了大中城市的主流市场，对全国豆制品产业的发展起到了示范和带头作用。但相较于国际上先进的发酵食品产业，我国发酵豆制品产业仍较多采用多菌种混合固态发酵、手工或半机械化操作，生产效率低且能耗高，存在产品质量不稳定、环保压力大等问题；同时相关企业的研发投入较少，行业集中度低，核心技术不强，市场竞争力亟待提升。因此，我国发酵豆制品产业的可持续健康发展依赖于全面转型升级。 1. 发酵豆制品工艺和技术的提高 发酵豆制品的生产关键是菌种，用自然发酵技术来生产发酵豆制品，生产过程很难被人为精确控制。因此通过筛选发酵过程中的优势菌株进行纯菌发酵，既可以减少或者防止杂菌生成有害成分，从而保证成品的食品安全，同时也可以尽可能保留发酵豆制品的风味与营养。除此之外，可采用诱变育种技术，并对其生理及代谢规律进行深入研究，从而提高生产菌株的酶活力。随着分子生物学的发展，也可利用现代基因工程技术构建新的优良菌株，同时对其生理和遗传特性进行更进一步的研究，从而提高发酵豆制品生产的技术水平。 现代传统发酵菌种改良及工艺优化常用的方法有混菌改良发酵、酶制剂发酵技术等。混菌改良发酵指采用两种或多种微生物的协同作用共同完成某发酵过程的一种新型发酵技术，是纯种发酵技术的新发展。该技术可提高发酵效率，并有助于改善传统发酵豆制品的风味。目前，混菌改良发酵在腐乳