酸浆是将红薯或者豆类等研磨成淀粉乳后放置一段时间,经微生物自然发酵,形成的一种淡黄色或乳白色的液体[1]。酸浆的种类很多,根据发酵原料的不同主要有红薯酸浆[2]、绿豆酸浆[3]、豆腐酸浆[4-5]和蔬菜浆水[6-7]等,此外还有豌豆酸浆[8]及黄酒生产用的米浆水[9]等。我国食用酸浆和利用酸浆进行农产品加工的历史悠久,比较典型的地方特色食品有北京豆汁、洛阳浆面条、西北地区的浆水面等;而在红薯、绿豆和黄豆等农产品加工过程中兑入相应酸浆,则可生产出高质量的淀粉和豆腐[10-11]。利用酸浆进行农产品加工不仅可以提高农产品的附加值,还可以增加农产品贮藏时间。此外,酸浆中微生物菌群是以对人体有益的乳酸菌为主[12],农产品经过乳酸菌发酵不仅能形成良好的感官风味和丰富的营养物质[13],还可产生对许多微生物和病原菌具有拮抗活性的物质[14],因此食用酸浆及利用酸浆加工的食物非常有益于人们的健康。
近年来,随着传统农产品加工方式越来越受到重视,关于酸浆的微生物多样性组成、酸浆中微生物的分离鉴定及其在农产品加工中的应用的研究越来越多。因此,本文对常见红薯酸浆、绿豆酸浆、豆腐酸浆和蔬菜浆水的制作工艺、应用和相应酸浆的研究进展等进行了综述,以使酸浆在传统农产品加工中能够继续传承并发扬光大。
1 常见酸浆的种类及其制作工艺
1.1 红薯酸浆及其制作工艺
红薯酸浆是酸浆法生产红薯淀粉的重要原料,是红薯浆自然发酵形成的,发酵好的红薯酸浆为青白色,pH值为3.5～4.0[15]。红薯酸浆的制作工艺是在红薯大量采收前,先收取少量新鲜红薯,将其洗净后,按红薯块鲜重与水1∶3的质量比进行高速粉碎磨浆,过滤后放置在阴凉处,敞口自然发酵,每4 h搅拌一次直至浆液呈青白色,有少量泡沫为止,此为最初发酵的红薯酸浆(头合浆)[15]。当红薯大量采摘后,将之前发酵好的酸浆按20%～30%兑入新制红薯浆中,搅拌并沉淀一定时间后,去除上层浆液,即撇缸;再向底层淀粉乳中加入2～3倍清水并搅拌,然后让淀粉乳自然沉淀并发酵(坐缸)至上层浆液呈乳白色,微酸,即为二合浆[16]。发酵好的酸浆,特别是二合浆具有促进淀粉颗粒沉降,提高淀粉纯度的功能,可用于红薯淀粉的加工生产。图1为红薯酸浆的制作工艺流程。
图1 红薯酸浆的制作工艺
Fig.1 Production process of sweet potato sour pulp
1.2 绿豆酸浆及其制作工艺
绿豆酸浆是将绿豆浸泡磨碎成浆后,经微生物自然发酵,形成的一种奶白色液体。绿豆酸浆的制作工艺一般是将绿豆加水浸泡后,按适当质量比加水磨浆,然后用箩筛或纱布过滤除渣,最后自然发酵[17]。当绿豆浆的颜色从原来的绿豆色变成奶白色,且pH下降至4.0左右,上层液体表面有少量气泡时则发酵完全,一般需要2 d的时间[18],此即头合浆。在后续生产中,可在过滤后的淀粉乳中兑入头合浆,使淀粉沉淀后,按照与红薯酸浆生产类似的流程,进行撇缸和坐缸,获得二合浆。发酵好的头合浆和二合浆都可以用于淀粉生产。北京豆汁和洛阳绿豆酸浆的制作工艺与上述大同小异。图2为绿豆酸浆的制作工艺流程。
图2 绿豆酸浆的制作工艺
Fig.2 Production process of mung bean sour pulp
1.3 豆腐酸浆及其制作工艺
豆腐酸浆是制作豆腐时产生的黄浆水经微生物自然发酵“变酸”形成的,可作为凝固剂用于豆腐点制[19]。豆腐酸浆的制作工艺是将泡过的大豆进行研磨,滤掉豆渣得到生豆浆,再将生豆浆进行煮沸得到熟豆浆;然后可以选择醋酸作为初次凝固剂点制豆腐得到初级黄浆水或以传统工艺制作的豆腐黄浆水作为初级黄浆水[20],由其直接发酵制得一代酸浆作为凝固剂点制豆腐。通过循环重复上述步骤两次,即可以得到三代豆腐酸浆,以消除原卤盐或醋酸的影响[21]。豆腐酸浆的pH值一般也在4.0左右[19,22]。图3为豆腐酸浆的制作工艺流程。
图3 豆腐酸浆的制作工艺
Fig.3 Production process of tofu sour pulp
1.4 蔬菜浆水及其制作工艺
蔬菜浆水,是以芹菜、包菜等蔬菜为主料加少量面粉和大量水自然发酵而成的[23]。其制作工艺一般是先将芹菜、包菜等蔬菜洗净切段或块,焯水晾凉后加入制备好的面汤(用面粉、水按质量比 1∶200煮制)或米汤装入缸或罐中,再加入用老浆水做的引子[24],并在缸口或罐口加盖纱布,借助于蔬菜表面和原始浆水中的有益微生物,利用蔬菜原料初加工处理时流出的汁液,让其自然发酵,最终获得成品[25]。发酵好的蔬菜浆水呈乳白色,味酸。图4为蔬菜浆水的制作工艺流程。
图4 蔬菜浆水的制作工艺
Fig.4 Production process of vegetable Jiangshui
综述所述,由于几种酸浆的制作原料和工艺不同,导致其最终发酵产物也略有不同,各酸浆的基本特性如表1所示。
表1 几种酸浆的基本特性
Table 1 The basic characteristics of several sour pulp
酸浆种类项目原料颜色pH气味主要成分文献来源红薯酸浆红薯青白色,少量泡沫3.5～4.0清香味,微酸水、淀粉、还原糖、有机酸、氨基酸等[15-16]绿豆酸浆绿豆乳白色,少量泡沫4.0～5.0酸香味、豆香味水、蛋白质、纤维素、淀粉、有机酸、多肽、氨基酸、可溶性糖及灰分等[17-18]豆腐酸浆大豆棕黄色,少量泡沫3.4～3.8浓酸味水、蛋白质、氨基酸、有机酸、可溶性糖、挥发性物质、大豆异黄酮等[21,26]蔬菜浆水芹菜、包菜、莴苣、萝卜缨等乳白色、淡白色3.7～4.9酸醇味、清香味水、有机酸、氨基酸、维生素、还原糖、挥发性物质等[27-28]
2 酸浆的应用
2.1 红薯酸浆的应用
红薯酸浆可以用来做浆面条,即把红薯酸浆当水,面条直接煮入;但因红薯酸浆具有季节性,所以其主要还是应用在红薯淀粉生产中。在生产红薯淀粉时加入酸浆,不仅对红薯有防止褐变的效果,而且可加速淀粉与蛋白质的分离,提高淀粉纯度[29];故酸浆法淀粉纯净、洁白、耐煮、综合利用价值高,且有较好的咀嚼性[30]。红薯淀粉的生产除酸浆法外,还有一种旋流法,然而2种方法生产的淀粉有很多特性不同,如DENG等[31]研究表明,酸浆法淀粉的表观直链淀粉、Al、Mg、Fe、Zn含量、粒度、XRD结晶峰强度、糊化焓、峰值黏度、消减率均低于旋流法淀粉,而蛋白质、脂肪、灰分、P、K、Ca含量则均高于旋流法淀粉;酸浆法淀粉的L值、膨胀力(55～95 ℃)、溶解度(55～95 ℃)和稳定比均高于旋流法淀粉;此外,酸浆法淀粉表面有较清晰凹坑和裂纹样的腐蚀痕迹,而旋流法淀粉颗粒表面光滑。另有研究表明,红薯酸浆因为含有大量乳酸菌而酸度较高,对番茄、草莓等具有很好的防霉效果[32-33]。利用酸浆法生产红薯淀粉在我国的河北、四川、山东、河南等地使用广泛[34]。图5为酸浆法制作红薯淀粉工艺流程。
图5 酸浆法生产红薯淀粉的工艺流程[16]
Fig.5 Process flow of sweet potato starch by sour pulp method
2.2 绿豆酸浆的应用
绿豆酸浆的主要用途是生产绿豆淀粉和制作传统风味食品。在绿豆淀粉生产过程中兑入酸浆,淀粉颗粒会迅速凝集变大,形成絮凝体,快速沉降下来[35]。研究表明使用酸浆法生产出来的绿豆淀粉更适合用来制作粉丝[36],如酸浆法提取淀粉就是被誉为“粉丝之王”的龙口粉丝生产的关键[37]。制作绿豆淀粉的流程与红薯淀粉制作的流程类似,只是绿豆磨浆之前要先用水浸泡过夜。此外,绿豆酸浆在传统风味食品的制作中也有广泛的应用。北京豆汁作为一种历史悠久的传统发酵制品,以其独特的风味和丰富的营养倍受北京人的青睐,其本质就是一种绿豆酸浆。因为豆汁也是以绿豆为原料,经过泡豆、磨豆、沉淀、粉浆分离、发酵和熬制等一系列工艺得到的一种糊状流体发酵制品,它以酸味为主,掺杂着些许特殊的臭味[38]。再如洛阳的传统风味美食——浆面条,也是用绿豆酸浆替代水进行面条煮制的,研究发现绿豆酸浆中谷氨酸、缬氨酸和赖氨酸的滋味活性值(taste active value,TAV)较高,使浆面条形成了以酸味和鲜味为主的独特口感[18]。
2.3 豆腐酸浆的应用
豆腐在我国已有两千多年的历史,根据制作工艺不同,有卤水、石膏、内酯、酸浆豆腐等种类,其中酸浆豆腐是以制作豆腐的副产物——黄浆废水自然发酵后作为凝固剂,进行点制豆腐的[39]。酸浆豆腐其味道独特,口感醇香细腻,弹性较好,属天然绿色食品,深得消费者的喜爱[20]。此外,根据黄浆废水具有丰富营养物质,能够进行乳酸发酵的特点,可以黄浆废水为原料,在添加纯种乳酸菌和牛奶后进行发酵,制备功能性乳酸发酵饮料,实现黄浆废水的资源化[40]。图6为酸浆豆腐的制作工艺流程。
图6 酸浆豆腐生产的工艺流程[41]
Fig.6 Process flow of sour pulp tofu
2.4 蔬菜浆水的应用
蔬菜浆水发酵好后,其中的蔬菜和浆水都能食用,是西北地区如陕西安康、甘肃天水和宁夏固原等地浆水面的主要配料[42]。用浆水做浆水面,就是用发酵好的浆水放入调料后,再加水兑入面条制作而成的。浆水中营养成分丰富,主要含有氨基酸、维生素、醇类、有机酸等多种易被人体消化吸收的营养物质[6],具有促进消化,降低胆固醇,改善肠道功能等益生作用[43],这些物质不仅使浆水具有较高的营养价值,而且赋予了浆水独特的口感风味[44]。西北地区发展浆水产业,可以带动乡村振兴,村民种的芹菜等农产品不愁卖不了,浆水厂不愁收不来新鲜的蔬菜。通过发酵制作成浆水菜可以延长蔬菜的保质期[45],酸浆水发酵提高了食品的安全性和营养价值,从而提高了农产品的附加值。
3 酸浆的研究进展
酸浆在我国农产品加工中的应用历史悠久,大大促进了农产品资源的利用。近年来,研究人员对各种酸浆展开了大量研究,如酸浆沉淀淀粉的机理、酸浆中微生物多样性的分析、酸浆中微生物的分离和功能鉴定及其在农产品加工中的应用等。
3.1 酸浆法絮凝淀粉和凝固蛋白的机理研究
在淀粉生产过程中加入酸浆可以加快淀粉的沉降速度,促进淀粉与蛋白质、纤维等杂质的快速分离,酸浆质量的好坏及用量多少,直接关系到淀粉提取率及以淀粉为原料制作的产品质量[46]。那么酸浆法测定淀粉的机理是什么呢?最早的研究机理始于北京粉丝厂与北京大学合作,最开始学者认为酸浆能够沉淀淀粉是酸浆中的酸在起作用,但通过研究发现,酸浆法沉降淀粉的过程中,是微生物在起主要作用,其中乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)对淀粉有很好的凝集作用;而这种凝集作用主要依赖于乳酸乳球菌菌体表面具有一种对淀粉具有特异性识别能力的蛋白[47-48]。李新华等[49]采用zeta电位测定、粒度分析及离子键检测,研究发现副干酪乳杆菌对甘薯淀粉的絮凝过程是基于“架桥”机理,淀粉颗粒与菌体间靠离子键结合,絮凝作用使悬浊液中淀粉平均粒径减小,密度增大,导致淀粉颗粒凝聚沉降;通过热处理和酶处理发现絮凝活性是菌体本身的蛋白质类物质而非其代谢产物。刘黎莹[50]研究发现,溶菌酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶对印度尼西亚醋酸杆菌(Acetobacter indonesiensis)发酵液絮凝绿豆淀粉的活性都有不同程度的抑制作用,其中胰蛋白酶和胃蛋白酶的抑制作用较大,因而认为絮凝活性物质可能是糖蛋白一类的物质。另有大量研究表明,酸浆对淀粉的沉降能力还受到某些金属阳离子的影响。
目前,关于酸浆豆腐中蛋白质凝固的机理研究还较少,如叶青[51]研究发现,干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)YQ336发酵产生的乳酸是大豆蛋白凝固的主要原因,乳酸的加入使豆浆的pH降至大豆蛋白等电点而形成凝胶,同时大豆和水中所含的金属离子促进了肽链之间的聚合,使得凝胶结构更加致密。XU等[52]研究发现,豆腐酸浆中有机酸、金属离子和酶一起促进豆腐凝结,其中有机酸是主要的促成因素。张志衡等[53]研究了酸浆豆腐凝固过程中蛋白亚基的含量变化和蛋白凝胶微观结构变化,结果表明在一定的酸浆添加量范围内,随着酸化速率的增大,豆乳中色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸残基逐渐暴露,豆乳疏水性增强,豆乳聚集过程加快,在此过程中豆乳稳定性、蛋白质分子结构以及形成凝胶的微观结构均发生显著变化。
3.2 酸浆的微生物组成多样性研究
酸浆是由微生物发酵形成的,但其中主要有哪些微生物呢?这就需要对其中的微生物组成多样性进行研究。研究微生物组成的方法很多,包括传统的纯培养法和现代高通量测序法[54]。传统方法的优势是可以得到纯培养菌株,高通量测序技术能直观快速地分析环境样品中微生物群落结构,尤其可获取菌群丰度和非可培养微生物的信息[42]。
吴企禾[55]采用高通量测序分析发现,自然发酵甘薯酸浆主要以厚壁菌门的乳杆菌属(Lactobacillus,55.3%)、明串珠菌属(Leuconostoc,23.8%)、芽孢杆菌属(Bacillus,2.9%)和变形菌门的假单胞菌属(Pseudomonas,2.0%)为主;其中乳杆菌属是其中的优势菌,明串珠菌属为次优势菌。范鑫诺[56]采用高通量测序技术,研究发现洛阳传统绿豆酸浆中细菌的优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes),优势菌属为乳杆菌属(Lactobacillus)和乳球菌属(Lactococcus),而寡发酵乳杆菌(Lactobacillus oligofermentans)、未分类乳球菌属(unclassified_Lactococcus)是对应的优势种,植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、弯曲乳杆菌(Lactobacillus curvatus)、食木薯乳杆菌(Lactobacillus manihotivorans)等是次优势种。费永涛[26]通过高通量测序发现,乳杆菌是豆腐酸浆水中的优势菌属,所占的比例为95.31%,而毕赤酵母属(Pichia)、肠球菌属(Enterococcus)、芽孢杆菌属和醋酸菌属(Acetobacter)所占比例分别只有0.90%、0.04%、0.02%和0.09%。上述研究表明,虽然各种酸浆发酵原料不同,但微生物组成均以厚壁菌门的乳酸杆菌为主。
3.3 酸浆中乳酸菌鉴定与性能研究
酸浆中的微生物主要以乳酸菌为主,目前,已有大量的乳酸菌菌株从各种酸浆中被分离出来,其产酸能力和淀粉絮凝能力等功能特性亦被详尽研究。
吴企禾[55]从自然发酵甘薯酸浆中分离出肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)(76.36%)、假肠膜明串珠菌(Leuconostoc pseudomesenteroides)(20%)和Leuconostoc sp.(3.64%)3种明串珠菌,其中L. mesenteroides是酸浆整个发酵过程的优势菌株,亦是淀粉絮凝率最高的菌株。王天琪等[57]从自然发酵绿豆酸浆筛选出7株具有絮凝效果的菌株,经形态观察、生理生化实验及16S rDNA测序分析等鉴定絮凝力最高的菌株为乳酸乳球菌。张莉力等[58]从自然发酵北京豆汁中筛选到一株既可以加速豆汁与淀粉分离,又具有优良豆汁发酵性能的乳酸乳球菌乳酸亚种(Lactococcus lactis subsp.lactis)。刘琳琳等[59]从云南建水酸浆中分离得到短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、棒状乳杆菌(Lactobacillus coryniformis)、L. curvatus、融合魏斯氏菌(Weissella confusa)和锥状乳杆菌(Lactobacillus concavus)5 种乳酸菌,为开发新型益生菌发酵豆制品提供了新的资源。张宸瑞[60]从云南腐乳生产企业自然发酵酸浆水中分离到发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum)、棉子糖乳球菌(Lactococcus raffinolactis)、L. plantarum、铅黄肠球菌(Enterococcus casseliflavus)和副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)等多种乳酸菌,并对其生长温度、产酸能力、耐酸能力、耐渗透压能力等特性进行了详细的研究,为利用混合菌种发酵黄浆水研究奠定了基础。赵利花[61]从陕西、河南等地的蔬菜浆水中分离纯化出36株L. brevis、48株L. plantarum和7株类布氏乳杆菌(Lactobacillus parabuchneri),这些菌株普遍具有抑菌性,且部分菌株具有降解亚硝酸盐和胆固醇等益生特性。Wu等[62]研究发现,无论是在体外试验还是在小鼠体内试验,从浆水中分离L. fermentum JL-3均表现出了较高的尿酸降解能力,表明其可作为治疗高尿酸血症的辅助药物。HU等[63]对从蔬菜浆水、四川泡菜和粪便中分离的15株乳酸菌的抗氧化活性进行了研究,结果发现来自浆水中的菌株发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentans)J2-5和J2-9不仅对2,2-二苯基-1-羟基(DPPH)、羟基自由基和超氧阴离子自由基具有很强的清除能力,还具有较强的H2O2耐受性、疏水性和自聚集能力,可将其作为功能性食品、卫生保健和护肤的潜在抗氧化剂。乳酸菌作为安全的食品发酵菌种,在传统农产品加工中发挥了重要作用,而各种酸浆为具有特定功能的乳酸菌资源的挖掘提供了很好的来源。
3.4 酸浆中微生物在相应农产品加工中的应用研究
微生物是很多传统农产品加工的主力军,在从酸浆等发酵类食品中获得了大量的微生物菌种后,最主要的是要将其应用于相应农产品加工中,对此学者们也开展了大量的研究。王淋枫等[34]发现,副干酪乳杆菌参与沉降可加速淀粉的下沉,提高生产效率,其制得的淀粉在一些性质上也获得提高,以此淀粉制得的粉条在口感及食用品质上均得到提高,说明该菌在农产品加工中具有极大的应用价值。叶青等[64]研究发现,豆腐酸浆中干酪乳杆菌的产乳酸量能力强,纯种发酵无有害菌掺入,作为豆腐凝固剂使用,延长了酸浆豆腐的保质期,可以代替自然发酵酸浆,可作为一种新型的酸浆豆腐凝固剂进行工业生产。吴燕等[65]将从西北地区浆水中分离的发酵乳杆菌SJ-1应用于浆水发酵,发现其不仅产酸能力强,还能使浆水中醛酮类物质含量以及芳香烃、萜类等香气成分含量增加,并有效降低浆水中的亚硝酸盐。张莉力等[66]将从自然发酵北京豆汁中筛选到的一株乳酸乳球菌乳酸亚种LLY003应用于豆汁发酵,确定了其发酵豆汁的最佳发酵工艺,提高了发酵豆汁的食用安全性和产品质量的稳定性,也为实现发酵豆汁的工业化生产提供了技术参考。韩梅[67]利用LLY003开发了以豆汁和蔗糖为主要原料的豆汁发酵饮料,其蛋白质含量达到 1.8 g/100 g,乳酸菌总数为 3×1011 CFU/mL,且在产品中未检出霉菌、酵母菌、大肠菌和其他致病菌,纯种发酵既使得发酵饮料的营养价值得到了提高,也保证了豆汁发酵饮料的安全性。李璞钰[68]从宁夏浆水中筛选出高产β-葡萄糖苷酶且耐酸性强的植物乳杆菌YHG1-155,将其应用于沙棘果汁的发酵,发酵后的沙棘汁不仅口感更为柔和细腻、酸甜适中;且抗氧化活性也明显提升。
综上所述,酸浆中的菌体蛋白是加速红薯淀粉和绿豆淀粉絮凝的主要因素,而酸浆中的有机酸则可使大豆豆浆中的蛋白质结构发生变化,进而促进豆腐凝结。高通量测序发现,各种酸浆都具有以厚壁菌门的乳杆菌属为主的丰富的微生物多样性;具有优良发酵特性和益生特性的乳酸菌不断地从各种酸浆中分离出来,不仅可用于传统淀粉、豆腐和蔬菜浆水等的生产,亦可用于开发各种具有特定功能的发酵饮料和食品等。
4 酸浆在农产品加工中的展望
4.1 酸浆生产面临的问题
虽然各种酸浆都具有独特的风味、特定的营养价值,在各种农产品加工中也具有很多优点,但酸浆的食用及其应用也存在一些问题。如直接用来制作浆水面的蔬菜浆水和绿豆酸浆等都是小作坊式的自然混菌发酵,很容易因为生产原料、环境卫生和操作人员的影响,使发酵产品中致病菌和腐败菌等有害微生物大量繁殖,甚至含有毒素,造成食品安全隐患。再如利用酸浆法生产淀粉,还都停留在沿袭传统工艺作坊式的水平上,主要是依靠经验,生产常受到原料、气候、操作方法等外界因素的影响,容易导致酸浆的絮凝活力不稳定,淀粉沉淀效果差;并且还存在生产原料的淀粉提取率低,蛋白和纤维素等其他成分得不到充分利用,造成资源浪费从而导致淀粉生产成本过高的问题[36]。此外,对酸浆法絮凝淀粉和凝固豆腐的理论研究尚不够深入细致,还有很多地区生产中即使有一些好的方法和经验也未能上升到理论水平。
4.2 酸浆未来研究展望
酸浆法的出现,是我国劳动人民智慧的结晶。近年来,传统的农产品加工技术越来越受到重视,因此非常有必要对酸浆及其在农产品加工中的应用开展更深入的研究。第一,在酸浆研究中,可继续聚焦于不同酸浆微生物类群的分析,深入探究发酵原料、环境条件等对酸浆微生物类群的影响。研究酸浆中的微生物类群不仅对有效提升酸浆法的生产效率起关键性作用,还对维持和改善酸浆发酵食品的独特风味具有重要意义,特别是利用已有优势菌群进行相应酸浆的发酵,也更能保障食品安全。第二,也可对酸浆的生产工艺进行深入研究,从原料和操作条件等方面进行工艺优化,以保证发酵产品质量的稳定性。第三,对酸浆法生产淀粉和凝固豆浆的机理尚需进一步研究,并在其基础上开发新的淀粉和酸浆豆腐生产工艺,实现酸浆法生产淀粉和豆腐的工业化,这对于节约加工原料、能源和环境保护等都具有十分重要的意义。第四,还可对酸浆中乳酸菌等微生物的益生特性开展进一步的研究,以挖掘有利于功能性保健食品开发和生产的优良菌种。
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