随着人们生活水平的提高和健康意识增强,对新鲜、营养、健康、天然的非乳制品饮料的需求持续增长,素食主义、纯素食主义者以及高胆固醇患者和对牛奶蛋白过敏人群不断增加,近年来功能性益生菌发酵产品的开发成为食品行业研究热点,由发酵乳制品逐步转向谷物、水果和蔬菜等非乳制品[1]。乳酸菌(latic acid bacteria,LAB)发酵果蔬汁是以果汁、蔬菜汁为原料,经过LAB发酵,再进行调香调味的一类现代发酵食品[2]。果蔬汁富含维生素C、酚类和多糖等生物活性物质,可以作为机体功能健康成分的理想载体,为生命活动提供有益功能,包括抗氧化、免疫、抗炎等[3],同时具有诱人的口味和清爽的外观,可以为益生菌发酵提供良好基质,因而引起了人们广泛关注和重视[4]。目前采用LAB等益生菌发酵果蔬汁的研究报道较多,但有关发酵果蔬汁风味的综述鲜见报道。因此,为更好地阐明发酵果蔬汁风味的来源、形成途径等问题,本文从LAB发酵果蔬汁的作用、发酵对果蔬汁风味的影响及工艺优化等方面进行系统梳理,以期为LAB发酵果蔬汁的深度开发、风味调控等方面研究提供借鉴与参考。
1 LAB发酵果蔬汁的作用
1.1 提高果蔬汁的营养成分和生物利用率
LAB发酵过程中可利用果蔬汁的蛋白质、糖类、矿物质等营养成分进行代谢,产生生物活性物质,改善矿物质的利用率和消化率[5],使其具有更高的营养价值。一方面,LAB发酵产生大量乳酸,创造酸性环境提高果汁中维生素的稳定性[6],有效减缓酚类物质、维生素C、超过氧化物歧化酶等抗氧化物质的氧化分解速率[7],还能使钙、铁等微量元素转换为离子状态,易于人体消化吸收,提高了果蔬汁原有营养价值。另一方面,LAB及其活性产物的联合摄入,可以相互作用改善人体的健康状况。有研究表明,LAB发酵合成多种维生素(如维生素K、复合维生素B族等),B族维生素参与核酸合成、细胞代谢等,主要通过饮食和微生物菌群途径使人体获取,有利于维持人体正常机能[8]；合成γ-氨基丁酸,使得肝肾机能、免疫调节功效提升,起到降血压、镇静安神作用[9]；合成胞外多糖,具有益生元活性和抗氧化、抗炎、降低胆固醇活性[10]。这些化学反应改变了植物基质的组成,提高了化合物的生物利用率和消化率,有助于改善果蔬汁的营养价值,也有助于形成促进人体健康的有益化合物。
1.2 提升果蔬汁的感官品质
LAB通过水解果蔬汁中的多酚、硫代葡萄糖苷、多肽、代谢酶等方式,产生醇、酯、烯萜类等一系列香气物质[4]。同时LAB自身代谢可减少植酸、单宁等不良化合物生成[5],并产生腺苷、鸟嘌呤、次黄嘌呤等风味物质[11],改善果蔬汁的色、香、味等感官特性和营养品质。
1.3 提高果蔬汁保藏性能
LAB发酵产生多种拮抗代谢物,如有机酸、乙醇、过氧化氢、抗真菌化合物(脂肪酸、苯乳酸等)和细菌素[1]等,可抑制贮藏过程中酸敏感病原体等有害微生物生长,有利于保持其理化特性和感官品质,延长果蔬汁的货架期。
1.4 LAB发酵产生的不良影响
LAB发酵过程中也可能会出现果汁过度酸化、异味等现象,比如产生二乙酰基、生物胺(biogenic amine,BA)、槲皮素等少量不理想的成分[5]。BA具有毒性,主要通过微生物对氨基酸的脱羧作用而产生；双乙酰在发酵食品中很常见,也是啤酒中的重要的风味物质,但是大量存在于发酵果蔬汁中,常常会赋予果汁蒸煮味；槲皮素的产生可能会影响果汁的苦味,如发酵苹果汁等。因此,在果蔬汁加工过程中,针对发酵产生不良影响因素,可采取菌种改良、工艺优化等措施,以提高发酵果蔬汁的风味与品质。
2 LAB发酵对果蔬汁风味的影响
2.1 LAB发酵果蔬汁的呈味机制
LAB作为一种人体肠胃的益生菌,可以利用果蔬汁中的营养成分和风味物质作为基质快速生长和酸化,从而延长果蔬汁的货架期,这也是工业上利用LAB发酵果蔬汁的一个重要原因。LAB发酵是一个复杂的动态生化过程,对果蔬汁风味形成的作用机制如图1所示。不同的果蔬发酵基质富含不同的营养成分,不同的菌株产生不同的发酵特性,发酵过程中表现出不同的生长和代谢方式,导致发酵汁中有机酸、还原糖、挥发性风味成分的含量不同,从而改变了果蔬汁原有营养成分和香气成分,如水果蔬菜中原有的香气前体胞外酶或细胞由于LAB作用发生裂解生成香气化合物[12-13],这些香气成分与果蔬汁原有风味相结合,从而形成独特的LAB发酵果蔬汁风味[14]。
Glu为谷氨酸；Thr-苏氨酸；Tyr-酪氨酸；Arg-精氨酸；Met-甲硫氨酸；BCAA-支链氨基酸；AAA-芳香族氨基酸； DS-双乙酰合成酶；DR-双乙酰还原酶；BDH-2,3-丁二醇脱氢酶；ADH-醇脱氢还原酶
图1 LAB发酵对果蔬汁风味形成的作用机制
Fig.1 The mechanism of lactic acid bacteria fermentation on fruit and vegetable juice flavor formation
2.2 发酵对果蔬汁的糖、酸影响
葡萄糖、果糖等糖类和柠檬酸、苹果酸等有机酸是果蔬汁中最主要呈味物质,同时也是大部分风味物质的主要合成前体物质[15]。LAB通过糖代谢等途径消耗糖并产生有机酸,引起糖酸比下降,从而影响发酵后果蔬汁的感官品质。CHEN等[13]利用嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)等4种菌株发酵苹果汁,检测到还原糖逐渐被消耗,发酵后果汁的pH值均下降；GARCIA等[16]利用L.plantarum、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)等5种菌株发酵柑橘汁、葡萄汁和苹果汁,研究表明发酵过程中糖酸比变化与发酵底物、时间、菌株种类及接种量等因素密切相关[16]；石榴汁经过LAB发酵后,果汁中总糖含量下降(降低了28.1%),乳酸等有机酸浓度升高。还有研究发现,LAB在不消耗糖的作用下进行代谢,消耗柠檬酸产生醋酸盐、乳酸盐、双乙酰、乙酰氨基和二氧化碳,释放能量(ATP)并降低果汁酸度[17],如甜柠檬汁、杏汁的发酵。
酸是平衡水果中复杂多样的芳香风味的重要组分,产酸是LAB发酵最主要的特征。不同果蔬基质的酸含量与种类也不同,导致不同果蔬糖酸比差异较大,呈现出不同风味特征[18]。比如葡萄汁中最主要的有机酸是酒石酸和苹果酸,橙汁中以柠檬酸为主,苹果汁中苹果酸含量较多。苹果酸具有强烈而辛辣的味道,可以作为一种调味剂,但高含量的苹果酸会产生刺鼻的味道[19]。苹果酸在未发酵的果汁如苹果汁、西瓜汁、梨汁等含量较高[18],而在发酵和果汁储藏过程中其含量明显下降,与之相平衡的是产生大量的乳酸。例如,甜橙汁通过4种LAB发酵后检测到原有苹果酸含量显著下降、乳酸含量显著上升(原汁中未检测到乳酸),是由于LAB以苹果酸为碳源产生了乳酸,即苹果-乳酸发酵[20]。乳酸赋予了发酵果蔬汁以柔和的酸味,同时对蔬菜汁中青臭味具有掩蔽作用[21],有助于提升发酵产品的口感和质地。此外,乙酸的产生也对发酵果蔬的风味产生重要影响,赋予了果蔬汁强烈的、辛辣的醋味,其通过磷酸葡萄糖酸途径的醋酸激酶途径和柠檬酸代谢而产生[19]。
2.3 发酵对果蔬汁中游离氨基酸的影响
果蔬汁中游离氨基酸等含氮物质的存在,在发酵过程中会对果蔬汁的风味品质产生一定的影响。游离氨基酸作为挥发性化合物的前体,如芳香族氨基酸(aromatic amino acid,AAA)是挥发性酚类、醚类和某些含芳香环类香气物质的合成前体[15],它们可与多种受体相互作用,从而改变最终产品的挥发性特征,呈现出多种风味,如发酵汁中的果香、酯香等特征香气风味,参与风味形成的还包括支链氨基酸(branched-chain amino acid,BCAA)[7,15]。例如,新鲜石榴汁通过2株L.plantarum发酵后,其中原有的BCAA(异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸)和AAA(酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸)下降,脂肪族氨基酸(天冬氨酸、丙氨酸和精氨酸)浓度上升,主要是由于L.plantarum消耗BCAA和AAA的同源2-酮酸而获得能量(ATP),再与2-酮戊二酸合成脂肪族氨基酸导致了其含量升高[22]。
由于游离氨基酸的代谢作用和有机酸的修饰作用,可以直接或间接影响内源性褐变的酶,从而影响果蔬基质的氧化和感官特性(色、香、味),在一定程度上保持了果蔬的天然色泽、抗氧化活性,提高了产品的营养、感官和流变性能[1]。在蔬菜汁中,部分蛋白质由于水解作用和LAB的转换作用,生成风味物质,如蛋氨酸代谢产生甲烷硫醇等,在一定程度上影响了蔬菜汁的色、香、味[23]。但由于氨基酸在水果和蔬菜中含量相对较低,因此对风味影响程度相对较低[15]。
2.4 发酵对果蔬汁中多酚化合物的影响
多酚类化合物是果蔬汁中重要的生物活性化合物,包括单体多酚(黄酮和酚酸)和多体多酚(水解单宁和缩合单宁),这些化合物直接关系到食品的感官特征,如香气、涩味和颜色。其中,酚类对香气的贡献主要是由于挥发性酚的存在,通过醇水解和LAB代谢而得[24]；而涩味的产生是由于黄酮类化合物如黄烷醇、儿茶素等,酚酸如鞣花酸、没食子酸等,水解单宁如鞣花单宁等物质的存在,给果蔬汁带来一种皱缩和干燥的感觉,是导致果蔬汁涩味的关键因素,通常存在于橙汁和沙棘汁[25]等。
LAB具有β-葡萄糖苷酶,在发酵过程中能够水解酚类糖苷,从而产生酸性成分、具有抗氧化活性的化合物和影响食品香气的化合物[24]。鞣花酸和花色苷是其中的代表性物质,它们作为果汁中的抗氧化剂,具有抑制氧化反应和清除自由基的能力,为保护果蔬汁原有的色泽和滋味提供了条件。鞣花酸由鞣花单宁水解产生；花青素是由β-葡萄糖苷酶水解产生,其在酸性环境比碱性环境稳定,有利于维持果汁或蔬菜汁的粉色、红色、淡紫色、蓝色和紫色。同时单宁的水解降低了果蔬汁原有涩味,提供给果蔬产品较好的口感。
LAB如L.plantarum具有两种可诱导的酚酸脱羧酶,将果蔬汁中的酚酸物质如香豆酸、阿魏酸和咖啡酸等脱羧到它们相应的乙烯基衍生物[24],较低浓度的乙烯基衍生物可以提供令人愉快的香气,但较高浓度的乙烯基衍生物会产生令人不快的味道[26],如4-乙烯基苯酚和4-乙烯基愈创木酚等,它们是发酵食品如酱油等的重要风味物质,被批准为食品添加剂,这些化合物的产生丰富了果蔬汁原有的色泽、香气和滋味。
2.5 发酵对果蔬汁中类胡萝卜素的影响
类胡萝卜素是果蔬汁中一种重要的天然色素,包括胡萝卜素和叶黄素,它们的存在对发酵汁的香气产生重要影响。胡萝卜是类胡萝卜素含量极其丰富的一种蔬菜,经过LAB发酵后类胡萝卜素含量显著提升,主要通过两条途径：一是LAB发酵过程中合成类胡萝卜素；二是发酵过程中果汁中的大分子变化,增加了类胡萝卜素的释放,从而提高其在果蔬汁中的含量[27]。番茄是一种最广泛用于加工的蔬菜,富含番茄红素,LAB在发酵过程中分解细胞基质,使类胡萝卜素更有效,提高了蔬菜汁中的番茄红素和总类胡萝素水平[28],改善了番茄原汁的色泽、黏度、保健和风味特性。BARTKIENE等[29]采用不同株LAB对番茄浆粕进行乳酸发酵,可使番茄总类胡萝卜素含量增加33.6%～ 41.1%,其中番茄红素含量增加24.8%～50%,β-胡萝卜素含量增加69%,使得发酵番茄浆具有更鲜艳的色泽和更好的口感,增加了消费者的接受度。
2.6 发酵对果蔬汁中挥发性化合物的影响
不同种类的香气物质存在于果蔬汁中,对最终发酵产品的感官质量和消费者的接受度有至关重要的影响。LAB发酵利用果蔬汁中挥发性或非挥发性化合物代谢或产酶,合成大量的芳香化合物和它们的前体[12],同时发酵减少了果汁中原有异味,如不良的醛类等[30]。不同发酵基质发酵产生不同特征香气物质,表现出不同香味(表1),包括醇、酯、烯萜、醛和脂肪类挥发性化合物等。
表1 LAB发酵不同果蔬汁的主要香气成分及其风味
Table 1 Main aroma components and flavor of different fruit and vegetable juices fermented by lactic acid bacteria
发酵基质发酵菌株发酵产生的主要香气物质香气香味参考文献苹果汁副干酪乳杆菌、动物双歧杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌酯类(58.51%～61.27%):丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸己酯;醇类(37.73%～46.30%):6-甲基-5-庚烯-2-醇、乙醇、正丁醇、正己醇、芳樟醇、香茅醇;醛酮类(7.29%):乙醛、反-2-己烯醛、甲基庚烯酮、香叶基丙酮、2-壬酮、2-十一烷酮、2-庚酮酯香、果香、焦甜香、青香、未成熟的草莓香、浓青带甜的木青香、玫瑰香、柑橘类花香、绿叶清香、柠檬草般的香气、青草味等[30]石榴汁植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌酯类(42.59%):乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸乙酯、柠檬酸乙酯;醇类(35.75%):正丁醇、壬醇、正己醇、苯乙醇、2-庚醇、叶醇;醛酮类(6.78%):2,2-二甲基己-4-炔-3-酮、2-壬酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、3,4-己二酮水果香、苹果皮香、菠萝皮香、草莓香、茴香、梅子香、玫瑰香、柠檬香、青草-草药香、酒香、青草香、脂肪香、清香、奶油香等[31]猕猴桃汁植物乳杆菌、副干酪乳杆菌酯类(53.33%):丁酸乙酯、苯甲酸甲酯、乙酸己酯、乙酸乙酯、己酸烯丙酯、(E)-乙酸-2-己烯-1-醇酯;醇类(24.21%):正己醇、正庚醇、反式-2-己烯-1-醇、正丁醇、4-萜烯醇;醛类(10.97%):乙醛、正己醛、正庚醛、壬醛、癸醛、反-2-十二烯醛;酮类(7.35%):2-甲基-3-戊酮、3-辛酮、香叶基丙酮;烯萜类(1.18%):2-蒎烯、2,4-二甲基苯乙烯、2-莰烯水果香、甜橙香、玫瑰香、油脂香、辛辣香气、奶油香、迷迭香、凤梨香、糖果清香、柑橘和柠檬香、酮香、青香、淡淡的薰衣草香、蘑菇、干酪、香蕉和梨的香气等[32]剁辣椒汁发酵乳杆菌酯类(33.37%):亚油酸乙酯、乙酸乙酯、辛酸已酯、;醇类(24.66%):(E)-2-己烯-1-醇、苯乙醇、香叶醇;醛酮类(7.27%):苯甲醛、苯乙醛、2-庚酮、己酮、苯乙酮;烯萜类(6.67%):D-柠檬烯清香、微带果香的酒香、白兰地酒香味、果香、青香、玫瑰花香、柠檬香、类似风信子香、山楂香等[33]蓝莓汁植物乳杆菌醇类(43.33%):异戊醇、乙醇、异丁醇、3-甲基-1-丁醇;酯类(18.22%):乙酸乙酯、丙烯酸异丁酯、甲酸甲酯;酮类(4.89%):苯乙酮、2-丁酮、2-十一烷酮;烯萜类(3.85%):月桂烯、芳樟醇、香叶醇奶油香、甜香、果香、乳酪香、植物香、生涩味等[34]南瓜浆瑞士乳杆菌醇类(50.13%):2-甲基丙醇、3-甲基-1-丁醇、1-戊醇、1-己醇;酮类(8%):3-乙基-2-戊酮、3-羟基-2-丁酮、2-庚酮、2-壬酮、2,3-丁二酮、β-紫罗兰酮;酯类(4.37%):乙酸乙酯、辛酸乙酯、己酸乙酯、乙酸己酯;醛类(0.35%):己醛、戊醛、辛醛、壬醛;烯萜类(0.41%):双戊烯、左旋-β-蒎烯清香、果香、奶香味、新鲜味、土腥味、香蕉香、多汁味、奶酪味、动物脂味等[35]芒果汁植物乳杆菌、干酪乳杆菌萜烯类(58.03%):β-罗勒烯、β-月桂烯、β-石竹烯;醇类(20.09%):苯乙醇、苯甲醇、甲基-1-丁醇、2-辛醇;酯类(7.99%):乙酸乙酯、丙位辛内酯;酮类(2.94%):丁二酮、2-己酮、2-庚酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮刺激性芒果味、蜂蜜味、玫瑰味、丁香味、花香、果香等[36]柑橘全果汁植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、副干酪乳杆菌烯萜类(87.11%):β-月桂烯、β-萜品烯、β-榄香烯、D-柠檬烯;醇类(4.17%):香茅醇、异戊醇;酯类(4.13%):乙酸乙酯、乙酸香叶酯香脂香气、柠檬香、茴香、橘子香、玫瑰香、苹果白兰地香、辛辣味、甜果香味等[37]胡萝卜浆干酪乳杆菌、植物乳杆菌醛酮类(30.97%):2,3-丁二酮、5-甲基-2-己酮、甲基庚烯酮、β-环柠檬醛;烯萜类(25.97%):β-石竹烯、月桂烯、罗勒烯、α-法呢烯;酯类(19.31%):甲酸庚酯;醇类(7.54%):异戊醇、1-辛烯-3-醇;丁香与松脂香、甜奶油味、柠檬草香、水果香、清香、香脂气息、橙花油及芳草香气、苹果和白兰地的香气、淡淡的带甜的薰衣草香气等[38]杨桃汁鼠李糖乳杆菌、副干酪乳杆菌、瑞氏乳杆菌酮类(30.72%～40.84%):双乙酰、丙酮、2-壬酮;醛类(18.72%～35.92%):苯甲醛、甲苯甲醛;醇类(17.76%～25.24%):芳樟醇、异戊醇、1-辛烯-3-醇、2-乙基己醇黄油香、果香、坚果和杏仁香、柑橘和花香、奶油香、蘑菇香、水果香等[39]
2.6.1 醇类对发酵果蔬汁风味的影响
醇类是果蔬中的一大类挥发物,广泛存在于石榴、芒果、葡萄、青瓜等。比如,石榴汁中α-松油醇是其主要芳香成分,赋予石榴汁花香和百合香味；浑浊苹果汁中1-丁醇和1-己醇是主要挥发物,赋予果汁甜味；2-甲基-1-丁醇赋予苹果汁与麦芽、葡萄酒和洋葱相关的香气[19]。
在发酵过程中,醇类物质含量增加,主要是通过醛类化合物脱氢进一步还原成醇而生成,或是亚油酸和亚麻酸的降解产物,如己醇、2-己烯-1-醇等[12]。接骨木果汁通过L.casei发酵后产生己醇和2-己烯-1-醇,具有青香、芳香味、接骨木香味[40]；红辣椒汁通过类布氏乳杆菌(Lactobacillus parabuchneri)发酵产生2-苯乙醇,一种重要的苯丙氨酸衍生物,具有玫瑰花香味,也存在其他发酵食品中,如奶酪、葡萄酒、威士忌等[41]。
醇类也是苹果汁芳香特性来源的优势化合物之一,苹果汁发酵后产生的关键香气包括乙醇、6-甲基-5-庚烯-2-醇、2-甲基-1-丁醇、正丁醇和正己醇[30]。其中,6-甲基-5-庚烯-2-醇带有明显的焦甜味,在苹果汁中含量和香气值高,赋予果汁青香；正乙醇赋予果汁水果芳香气息。乙醇(酒精)是LAB发酵后产生的第二大挥发性物质[39],是苹果、接骨木、杨桃等果蔬汁甜香的来源。CHEN等[13]对苹果汁发酵后,果汁中的酒精含量是未发酵果汁的10倍；LU等[39]采用副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)、鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)发酵杨桃汁,发酵过程中亚油酸和亚麻酸氧化产生1-辛烯-3-醇、乙基己醇等醇类,有助于杨桃果汁饮料呈现香菇味、甜果味。此外,醇类也可以作为果汁中其他芳香物质的溶剂,因此对果蔬汁的整体香气做出了重要贡献[42]。
2.6.2 酯类对发酵果蔬汁风味的影响
酯类是水果中的主要芳香成分之一,如乙酸乙酯被认为是石榴汁中典型的甜味组分,也是蓝莓、黑莓、覆盆子等浆果类水果的主要香气成分；乙酸己酯、丁酸乙酯和己酸乙酯赋予浑浊苹果汁水果味和甜味[19]；3-辛烯-1-乙酸酯具有强烈的石榴种子气味,是紫色番石榴果实的关键香气成分[43]。
发酵过程中酯类化合物的产生主要通过酯化和醇解两条途径,前者是短链脂肪酸(如有机酸等)与醇类在酯化酶作用下形成酯类化合物(酯化),后者通过酰基转移酶或酯酶的作用下与乙酰辅酶A合成酯类物质(醇解)[14]。石榴汁通过LAB发酵后产生乙酸乙酯、乙酸甲酯,增加了果汁甜香味和酯香味[43]；胡萝卜浆发酵后产生了甲酸乙酯、甲酸庚酯和乙酸辛酯,赋予发酵汁菠萝香、玫瑰香和果香[44]；苹果汁发酵产生的酯类特征香气物质包括2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丙酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯和2-甲基丁酸甲酯等,前两种酯类物质含量最高,占香气含量超过24%,对发酵苹果浆整体香气贡献最大,赋予更强烈的果香、花香[14]。
2.6.3 烯萜类对发酵果蔬汁风味的影响
烯萜类化合物是一种代表性香味物质,也是天然植物中挥发性化合物的重要组成部分,以糖缀合的形式存在于许多蔬菜和水果中,如橙汁[20]、辣椒汁[41]、柠檬汁等。通过LAB发酵后,果蔬汁中的烯萜化合物含量显著增加,主要是由于酸水解、酶水解并从糖苷中释放出来。LAB代谢导致β-葡萄糖苷酶破坏烯萜糖苷键,促进烯萜释放。LAB表现出β-葡萄糖苷酶活性,也能够修饰和生物合成萜类化合物[41]。红辣椒是发酵蔬菜的关键成分之一,因其具有一种独特的辛辣和辣的感觉。LEE等[41]采用L.parabuchneri对辣椒汁进行发酵,研究发现发酵期间烯萜类化合物含量逐渐增加,如β-紫罗兰酮、β-大马士革酮、柠檬烯、β-月桂烯、γ-松油烯等,其中β-大马士革酮具有水果和花香味,且发酵前未检测出,其主要是通过类胡萝卜素、新黄素降解形成。同时,发酵果汁的颜色在贮藏过程中比非发酵果汁更加稳定。在发酵浑浊苹果汁中,烯萜类化合物的浓度升高,如D-柠檬烯等,赋予了果汁柠檬味、橙子味和柑橘甜香[19],改善了果蔬汁的香气成分、色泽滋味,赋予发酵汁更好的风味品质。另外,在发酵过程中,一些不良烯萜类化合物含量的降低,如α-水芹烯、β-律草烯等,可减少胡萝卜浆等果蔬汁原有的苦味和土腥味,从而使胡萝卜浆的风味得到极大的改善。这一现象可能是由于LAB发酵使烯萜类化合物发生氧化反应,进一步降解生成酮类等物质,从而使其含量降低[44]。
2.6.4 醛类、酮类和脂肪类对发酵果蔬汁风味的影响
挥发性香气物质除了醇、酯、烯萜类等主要的香气成分,在发酵时被保留或富集,也有一些新的化合物如乙醛和酮类化合物产生,虽然含量极微,但仍然是构成发酵果蔬汁特征风味的重要物质之一。
醛类是苹果汁重要的挥发性化合物,其中己醛和(E)-2-己烯醛是最主要的醛类,赋予苹果汁绿叶清香、脂肪香和青草香味[19]。但是醛类物质极其不稳定,大多数醛类,如己醛和2-己烯醛,在发酵后减少,主要是由于LAB发酵过程中将其还原为醇或氧化为酸而造成。其中,乙醛被认为是发酵食品中的主要特色风味化合物,主要是由苏氨酸代谢产生,是LAB代谢的中间体,赋予果汁自然、清香和水果香的风味。苯甲醛也是果蔬汁发酵后产生的一种重要醛类物质,具有樱桃及坚果香味,微量的苯甲醛能赋予果蔬汁独特的香气[44]。但醛类化合物对果蔬香气的影响主要与其含量有关,低浓度时醛类化合物提供的水果味对果汁风味产生积极的影响,浓度高时却对发酵产品香气产生负面影响。例如,鲜杨桃汁通过瑞士乳杆菌(Lactobacillus helveticus)、L.paracasei和L.rhamnosus发酵后,产生了少量苯甲醛、甲苯甲醛等醛类物质,具有坚果香、杏仁香味,丰富了果蔬汁香气香味[39]。
酮味道强烈,与浓度高低无关,主要通过微生物氧化或脱羧途径产生,包括2-甲基-3-戊酮、3-辛酮、香叶基丙酮、4-庚酮,2-壬酮等[13]。其中,3-辛酮是发酵猕猴桃汁产生的关键香气,具有酮香、青香及淡淡的薰衣草香,并有蘑菇、干酪、水果的清香[32]；2-壬酮的产生为果汁带来了果香,在发酵椰子汁、发酵胡柚汁中均有发现[45]。在L.rhamnosus发酵杨桃汁中,双乙酰和乙脲是产量最高的主要酮类物质[39],这两种芳香化合物可能来自丝氨酸或柠檬酸分解代谢；苹果汁通过L.acidophilus、L.plantarum和发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum)三种菌混合发酵后,检测到酮类中2-十一烷酮、2-庚酮和2-壬酮仅在发酵后产生,虽然它们的最终浓度低于它们的阈值,但它们可以协同促进发酵苹果汁的香气特征[19]。
挥发性脂肪酸是果蔬汁发酵后产生的另一个重要的挥发性成分,这些酸主要来源于酯类水解或糖、有机酸和氨基酸的水解作用。例如,发酵杨桃汁中乙酸、己酸和(E)-2-己烯酸的产量较高,可能是其相应酯类的水解活性较高而导致[39]。
3 优化发酵工艺改善果蔬汁风味
3.1 发酵菌种的改良
果蔬原料含有较高含量的糖和酸,存在不可消化的营养素、抗营养素和抗生长因子,其中包括一些酚类化合物。L.plantarum作为最常用的发酵菌株,能够在多酚含量高的基质上生长,然而大部分LAB无法在高酚环境下生存[5],且在食品加工、贮藏等过程中受环境影响遭到破坏,导致存活率低、贮藏性能不稳定,从而影响了发酵果蔬汁的最终感官风味。目前国内外已采取一系列方法改良益生菌发酵性能,提高益生菌的稳定性与发酵饮料的风味品质。改良菌株的方法主要包括：①基因转录,诱导菌株特定的基因转录从而响应酚类物质的存在,迅速改变其酶代谢,以适应高酚类含量果蔬的发酵；②固定化、微胶囊化、纳米胶囊包埋益生菌,提高LAB存活率,产生更多的生物活性物质；③喷雾干燥、冷冻干燥制成益生菌冻干粉,维持贮藏过程中发酵食品的感官品质[46]；④采用紫外线诱变使菌株耐受性变异,结合亚致死pH,培育耐酸性能较好的益生菌等等。
不同LAB发酵产生不同风味,同一种菌的不同株的发酵风味也不同[25],主要是在修饰香气和风味相关化合物时发挥的作用不同,比如L.plantarum和L.casei发酵后使果蔬汁鲜味增加,L.acidophilus提供了发酵后的酸味,L.fermentum影响了挥发性风味物质的生成[36]。因此,选择合适的菌株用于水果和蔬菜的发酵是至关重要的。目前,在食品工业生产实践中,常常采用菌株复配等方式进行果蔬汁发酵,充分利用不同菌种的生长特性和代谢特性等优势,提升饮料功能和感官特性。MARKKINENA等[25]采用6株L.plantarum发酵沙棘汁,研究表明以L.plantarum DSM 1055发酵的果汁中酸和酒精含量最高,L.plantarum DSM 13273发酵的果汁中酮含量最高,采用L.plantarum DSM 16365与L.plantarum DSM 100813复配发酵,发酵速度快,挥发性酸产量少,对天然沙棘汁中酯类、萜类物质等重要风味物质损失小；DE LA FUENTE等[4]研究了以短乳杆菌(Lactobacillus brevis)和L.plantarum共同发酵的橙汁牛奶饮料,研究发现其中总酚类、总类胡萝卜素含量和总抗氧化能力均较未发酵组有所提高,虽然培养基出现酸化现象,但这些LAB仍保持活性,与对照组相比具有更好的感官品质。
3.2 发酵基质的优化
不同果蔬原料是影响发酵果蔬汁风味的最主要因素。例如,苹果、梨和蓝莓汁经L.plantarum发酵后果汁中果香和花香味突出[34],青瓜、葡萄汁发酵后酒味明显、刺激性气味增强,柑橘汁发酵后酸味更重、发酵气味增强等[15],因此选择合适的果蔬基质用于生产发酵尤为重要。目前工业上改良发酵基质最为广泛的方式是通过添加食品添加剂或挥发性化合物,掩盖不愉快的香气和滋味,提高果蔬汁的感官特性和功能特性。比如在果汁中添加甜味菊、果葡糖浆等甜味剂掩盖酸味；添加乳酸抑制苹果酸代谢,以防过量的二氧化碳的产生；添加牛奶,增加原有pH,提高益生菌稳定性[8]；蔬菜汁如卷心菜汁中添加一定量的食盐控制LAB生长,提高产品的安全性和感官质量；添加碳水化合物(菊粉或低聚果糖)和益生元(膳食纤维或纤维素)维持发酵果蔬汁的色泽,提升果蔬产品的整体感官风味。
3.3 发酵加工工艺的改进
果蔬汁发酵新技术攻克的难点是减少果蔬在加工过程中营养和感官特性的损失,增加发酵果蔬汁的功能性。发酵前处理工艺如杀菌方式等对果蔬汁中的营养物质和活性物质的生物利用度有决定性影响[28],从而影响发酵后果蔬汁的感官品质。果蔬汁杀菌方式主要包括热杀菌(巴氏杀菌、高温短时杀菌、超高温瞬时杀菌)和冷杀菌(超高静压杀菌、脉冲电场杀菌、超声波杀菌等)[15]。其中,巴氏杀菌是最常用的杀菌技术,但其对果蔬风味破坏性较大,冷杀菌技术可以更好地保存水果和蔬菜的天然营养,最大程度地减少对果蔬汁原有风味的破坏,同时抑制有害微生物的生长。DOGAN等[47]研究了L.plantarum发酵和非热处理对混合蔬菜汁的影响,研究发现通过紫外线处理(ultraviolet light treatment,UV)、超声波处理(ultrasonic treatment,US)或US-UV联合非热处理处理可最大限度地保留蔬菜汁原有风味品质,提高了蔬菜汁中酚类、黄酮类物质的含量与整体抗氧化活性,提升了果蔬汁的综合感官品质。
目前,发酵工艺优化集中在果蔬汁的比例、菌种接种量、发酵温度、时间、pH等方面,以最终产品的感官评价为衡量标准。张开平等[48]以圣女果和越南青皮玉芒为原料,采用保加利亚乳杆菌(Lactobacillus bulgaricus)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)共同发酵,当圣女果汁与芒果汁配比为1∶3,发酵温度为42 ℃,发酵时间为14 h,接种量为5%,产品口感较好,具有芒果和圣女果的天然风味；李鹏程等[49]以L.plantarum和L.casei为发酵菌株,探讨了菌种配比、果蔬汁含量、蔗糖与葡萄糖添加含量、温度等参数对西瓜-番茄果蔬发酵的影响,菌株配比为1∶2、果蔬汁44.4%、蔗糖5%、葡萄糖6%、发酵温度40 ℃,此时发酵西瓜-番茄果蔬汁中有机酸含量丰富,口感最佳。
4 研究展望
近年来,LAB发酵果蔬汁饮料作为一种既能保藏营养又具有独特风味的新型饮料,成为了食品行业领域新的研究热点[1-2],研发具有营养、安全、健康、风味独特的果蔬饮料等功能性食品,将成为未来饮料领域的研究重点和发展趋势,市场应用前景广阔。整体来看,我国的益生菌发酵果蔬饮料市场还处于起步阶段,目前研究大多集中于不同底物、菌种的精准复配研究,发酵前处理技术与过程控制的优化研究,对发酵果蔬制品风味有关研究不够精深,还面临诸多问题与挑战,例如不同果蔬基质与益生菌之间的相互作用关系及风味形成机制、益生菌菌株的存活率与稳定性研究、发酵后风味的调配与贮藏过程的稳定性、提高新型功能饮料的感官品质和可接受度以及发酵食品安全性等问题,还有待后续深入研究[46-50]。
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