豆豉中氨基酸代谢及其对产品品质影响研究进展

摘要：氨基酸在豆豉中发挥着重要的营养功能，同时也是发酵品质中风味物质的主要来源。文章围绕豆豉中所含的氨基酸初步探讨了豆豉的营养功能，总结了豆豉发酵过程中的氨基酸变化途径，从风味和滋味角度探讨了氨基酸代谢对豆豉发酵过程中感官品质的影响，认为发酵温度、发酵时间以及发酵中的微生物菌种是造成豆豉品质变化的关键因素，因此，应筛选出适宜豆豉发酵的优良菌株并改善其发酵策略，以纯菌发酵替代自然发酵过程，提升豆豉产品的品质。

关键词：豆豉；氨基酸；代谢；微生物；风味

中图分类号：TS214.2""""" 文献标志码：A"""" 文章编号：1000-9973（2024）11-0213-08

Research Progress of Amino Acid Metabolism in Douchi and Its Effect on Product Quality

LI Jin-ge1，2， JI Yan-qing2， ZHANG Jian-ying2， LIN Xiang-na2，

TANG Xiao-juan2， LIU Yun-guo2*

（1.College of Bioscience and Technology， Yili Normal University， Yining 844500， China;

2.College of Life Sciences， Linyi University， Linyi 276000， China）

Abstract： Amino acids play an important nutritional function in Douchi， and are also the main source of flavor substances in fermentation quality. Based on the amino acids contained in Douchi， the nutritional function of Douchi is discussed preliminarily. The change ways of amino acids during Douchi fermentation are summarized. The effect of amino acid metabolism on sensory quality during Douchi fermentation is discussed from the perspective of flavor and taste. It is concluded that fermentation temperature， fermentation time and microbial strains in fermentation are the key factors that cause the quality change of Douchi.Therefore， the excellent strains suitable for Douchi fermentation should be screened out and the fermentation strategy should be improved. The natural fermentation process should be replaced by pure bacterial fermentation to improve the quality of Douchi products.

Key words： Douchi; amino acids; metabolism; microorganism; flavor

收稿日期：2024-04-26

基金项目：山东省重点研发计划项目（2019YYSP026）

作者简介：李金哥（1996—），女，硕士，研究方向：食品微生物。

*通信作者：刘云国（1977—），男，教授，博士，研究方向：食品微生物。

豆豉，通常以大豆属植物大豆或者黑豆为主要原材料，利用微生物群落发酵的方式制成的具有独特味道、丰富营养、深受消费者喜爱的一种常见的中国著名传统发酵型豆制品。豆子经过发酵后，原料中的大分子物质逐渐被水解成小分子的肽、糖和氨基酸，在某些情况下，还会间接作为芳香族产物的前体物质产生多种挥发性风味物质和功能性营养素[1-2]。在中国古代，豆豉被称作“幽菽”，本意是经过煮熟后的大豆，放置在幽闭的环境中发酵。据中医典籍《本草纲目》记载：“豆豉药用可祛风散寒、治消化不良，与其他类中药相配伍会起到一定的药用功效”[3]。近年来，相关研究发现，豆豉经美拉德反应（Maillard reaction）产生的类黑精具有抗氧化[4-6]、抗癌、抗炎抑菌、降血压和护肝等潜在的药用价值[7-9]。

微生物群落的组成及其代谢活动对豆豉的产量和质量起着决定性作用[10-11]，发酵中微生物群落是豆豉品质形成的核心[12]。经过发酵等一系列复杂反应后释放出的游离氨基酸、脂肪酸和挥发性化合物增强了豆豉的营养价值，同时也增添了它的风味[13]。一般根据参与发酵的微生物来源不同，将其分为自然发酵型豆豉和人工接种发酵型豆豉。豆豉的制作最早可追溯到中国春秋战国时期[14]，并在唐代传入日本。豆豉主要的制作流程包括制曲（前期）阶段和后发酵阶段两部分，制作豆豉时，首先需要筛选出颗粒饱满、无虫蛀的豆子进行清洗和浸泡，预处理后开始高温蒸煮，需控制蒸煮的时间，时间既不能过长，又不能过短，蒸煮后即可进入豆豉的制曲阶段，待豆子表面产生黏性物质，搅拌后出现拉丝时视作制曲完成。通常根据参与制曲的优势微生物菌群的不同，将发酵型豆豉产品再次细分为细菌型豆豉与霉菌型豆豉两大类别，主要依靠细菌蛋白酶的细菌型豆豉既可以采用自然发酵的方式也可采用人工投放枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）或者乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）等微生物单菌发酵或多菌混合发酵的方式进行发酵制作；霉菌型豆豉又大致细分为毛霉型、根霉型、米曲霉型、脉孢霉型等类型，中国重庆所产永川豆豉、湖南所产浏阳豆豉和印度尼西亚的天培（tempeh）是典型的霉菌型豆豉，而水豆豉和日本纳豆（natto）是细菌型豆豉的代表。在我国，豆豉的主要产地不同，不同的豆豉产品风味各异，并且一定程度上代表着地方特色，其中永川豆豉产自重庆、四川东部；易门豆豉产自云南；八宝豆豉产自山东临沂；浏阳豆豉产自湖南；罗定豆豉和阳江豆豉产自广东等。豆豉之所以被世界美食爱好者广泛接受，与它富含氨基酸、蛋白质等营养元素分不开。根据目前有关豆豉的研究状况来看，自然发酵型豆豉的研究主要集中于理化指标的测定[15-16]、风味物质的测定[17]和微生物群落动态演替分析[18-19]等表征方面；而人工接种发酵型豆豉的研究更倾向于菌种选择、品质分析和生产工艺条件的优化等。研究指出，不同大豆发酵食品中氨基酸构成不同，这与发酵菌群不同有关[20]，不同发酵工艺影响了不同豆豉产品的感官特征[21]。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，众多研究表明呈味氨基酸对味觉特征起到突出的贡献作用。

1 豆豉中氨基酸的营养功能

膳食与疾病的关系极为密切，氨基酸作为构成人体营养所需蛋白质的基本物质在诸多方面发挥着关键作用，它与免疫、神经、心血管、内分泌等各类疾病有着密切关联，甚至影响人体的生长发育、激素调节和功能代谢等各种健康问题，由氨基酸代谢障碍所引发的机体代谢疾病已有400多种。20种氨基酸中存在着8种不能直接合成的必需氨基酸，此类氨基酸只能从食品中摄取，豆豉中丰富的植物蛋白作为必需氨基酸和非必需氨基酸的重要来源，具有良好的营养功能，并广泛参与细胞生物活性和生理调节[22-24]，一般来讲，食品中所含有的人体必需氨基酸比例越接近于人体需要，营养价值越高，分光光度法、氨基酸分析仪法、高效液相色谱法、高效液相色谱-质谱联用法等检测方法可以对豆豉中氨基酸含量进行测定。管泳宇[25]利用氨基酸自动分析仪检测两种发酵豆豉的氨基酸种类，其中包含精氨酸（arginine，Arg）、谷氨酸（glutamate，Glu）、脯氨酸（proline，Pro）、亮氨酸（leucine，Leu）、缬氨酸（valine，Val）、甲硫氨酸（methionine，Met）等。其中，Arg能够调节能量中摄入与消耗之间的平衡关系和促进脂肪消耗，研究发现，利用Arg的生物化学特性促进如葡萄糖和脂肪酸等能量底物的基因表达，对减少肥胖、增肌和改善人体代谢起到重要作用[26]，同时可以预防高血压和动脉粥样硬化[27]。Glu不仅可以应用于医疗中减轻肝性昏迷，参与颅内蛋白代谢，改善儿童智力发育，而且L-Glu还可以应用于食品生产行业，是良好的代盐剂、营养增补剂和生化试剂[28]。研究指出谷氨酰胺（glutamine，Gln）是Glu的酰胺，作为组织和血液中占比较高的游离氨基酸，不仅能为肠道上皮细胞和淋巴细胞提供能量，而且能够通过促进淋巴细胞增殖修复受损的肠道黏膜，以保护肠道健康[29-30]。Pro作为唯一一个亚氨基酸，具有促进肌肉生长、调节免疫力和能量代谢功能；Leu可能会调节泛素蛋白酶，抑制蛋白分解[31]，降低机体血糖[32]；Val有着良好的抗氧化、清除自由基和增强神经兴奋的功能，主要可以预防和改善人脑部细胞不受损伤[33-35]。由于豆类本身富含营养物质，随着植物基肉类似物（plant-based meat analogs，PBMA）市场需求的大大增加[36]，大豆蛋白衍生的两种肽具有降胆固醇和抗氧化的作用，抗氧化肽N端的疏水氨基酸和C端的Trp、Glu、Leu、Ile、Met、Val和Tyr能够增加肽的抗氧化活性[37]，并且植物源抗氧化肽优于动物源抗氧化肽，其安全性较高、分子量低、活性高、易被人体吸收[38]。此外，大豆异黄酮通过雌激素受体途径预防乳腺癌和前列腺癌的发生而逐渐被科学界公认[39]。豆豉中氨基酸具有调节蛋白质代谢、脂代谢、糖代谢等营养物质代谢的功能并能够使机体内环境维持在稳定的状态，同时，发酵动力学受氨基酸的质量和数量的影响较大，不少研究表明氨基酸是仅次于碳化合物被微生物吸收利用的主要营养物质之一[40-41]。

综上所述，豆豉中的氨基酸能提供人体所需营养并促进身体健康，但是影响豆豉中氨基酸含量的发酵机理尚待深入探讨，因此，需要定性和定量分析豆豉样品中代谢物及代谢物组成变化过程，提高必需氨基酸含量，对影响氨基酸生物转化的因素进行人为控制。

2 豆豉氨基酸代谢及其对感官品质的影响

微生物的发酵过程是形成豆豉独特色泽、风味和营养的关键，是豆豉加工工艺中极为重要的环节[42]。多肽酶和蛋白酶可将大豆蛋白分解转化成多肽和氨基酸，在豆豉的发酵过程中，这些产物为豆豉增添了丰富的风味。具有芳香活性的醛类、酸类、醇类、酯类和其他种类的风味化合物是由氨基酸的酶催化反应产生的，主要包括转氨基化反应、脱羧酸脱氢反应、脱氢反应和酯化反应[43]。氨基酸是呈味物质的重要来源，因此豆豉氨基酸代谢对感官品质的影响更值得深入探讨。

2.1 氨基酸的代谢

代谢是控制发酵的手段，影响着豆豉中的营养组分。在肠道中，氨基酸在微生物分解代谢下产生短链脂肪酸、芳香族化合物、含硫化合物、多胺、氨等物质，这些氨基酸代谢物极有可能对宿主的细胞或组织产生有益或有害的生理影响[44]。利用UPLC-MS/MS的代谢组学分析食用菌豆豉的品质时，发现抗氧化能力会随着发酵时间的延长而增强，这可能是由于异黄酮糖苷转化为氨基酸及其衍生物、游离脂肪酸、苷元、酚酸类物质[45]。近年来，研究人员利用生物技术手段研究了豆豉发酵中微生物代谢途径以及不同菌株之间的差异。Xie等[46]对永川毛霉型豆豉发酵优势真菌的基因组进行了测定，分析了发酵制曲时期总状毛霉中氨基酸的代谢通路。氨基酸的合成代谢途径见图1。

2.2 氨基酸对豆豉感官品质的影响

选择豆豉食品时，感官品质对消费者的选择偏好极为重要，凡是能够用触觉、嗅觉、视觉和味觉进行品质特性评价的都被称为“感官品质”。迄今为止，感官分析已经被广泛应用于豆类发酵食品的创新开发、市场准入评估、品质评价等方面。各种味觉多重结合促成了鲜味、咸味、余味丰富且多样的豆豉感官风味。

蛋白质分子质量较大，很难进入味觉细胞并刺激到生物体的味觉器官，往往以降解的方式变成小分子的肽和氨基酸来刺激大脑味觉中枢系统。目前，氨基酸的呈味价值已被食品行业所证实，主要起味道作用的是氨基酸结构式上的基团，不同的氨基酸会赋予产品不同的滋味，根据氨基酸可提供的滋味将氨基酸分为鲜味氨基酸、甜味氨基酸、芳香族氨基酸和苦味氨基酸4种[47]。其中，谷氨酸、天冬氨酸和琥珀酸具有鲜味；丙氨酸、色氨酸和甘氨酸具有甜味；异亮氨酸和酪氨酸具有苦味；缬氨酸微甘后苦。氨基酸的呈味特征见表1[48]。代谢通路富集分析表明，豆豉中存在的鲜味、咸味和酸味极有可能与丙氨酸、谷氨酸和天冬氨酸的代谢通路相关；苦味则关系到氨基酰-tRNA的生物合成[49]。鲜味成分可增强咸味感知，也是豆豉感官评价中的基本味觉标志，减盐增鲜是豆豉产品面临的问题，NaCl添加量直接关系到低盐饮食的健康理念，在研究食盐代替物对郫县豆瓣酱发酵的影响中表明，NaCl添加量关系到豆豉的保鲜防腐、酸化、调味、色泽和结构等特性，加入食盐替代物如L-组氨酸、葡萄糖酸钠、KCl和L-赖氨酸复配可起到一定的减盐调味作用[50-52]。研究发现，乳酸是影响浏阳豆豉和阳江豆豉酸味的主要代谢物，L-苹果酸则是影响永川豆豉酸味的主要代谢物。利用顶空固相微萃取/气相色谱-质谱法（HS-SPME/GC-MS）结合电子感官技术对不同发酵时期的毛霉型豆豉进行评价，发现亮氨酸氨肽酶对大豆多肽起到脱苦效果，且存在脯氨酸氨肽酶与亮氨酸氨肽酶底物互补关系，致使感官评价中涩味和苦味在后酵阶段呈现下降趋势[53-55]。利用电子舌（E-tongue）研究味觉物质发酵周期变化时，测定分析发现蛋白质水解产生的与味觉相关的氨基酸包括谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸和丙氨酸，并且游离氨基酸和氨基酸衍生物是味觉特征的主要来源[56]。因此，综上，在制作发酵型豆豉时，需要充分考虑制作工艺对豆子蛋白质结构的影响及工艺与氨基酸之间存在的互作关系。

2.3 氨基酸衍生物对风味品质的影响

氨基酸、碳水化合物、有机酸和酚类物质的丰度差别影响食品的味道差异[57]，食品中风味物质是以碳水化合物、脂肪酸和氨基酸等前体物质参与的多种代谢过程所生成的产物[58-59]，豆豉整体风味通常以醛类、酯类、酚类和醇类为主，一些氨基酸的存在是合成显著增加产品风味和香味的挥发性化合物的前体物质，在酶促或加热的条件下，氨基酸可与有机酸或者糖类反应生成氨基酸衍生物[60]。此类化合物不但是构成蛋白质的基本单元，而且使氨基酸与其他化合物反应生成包括氨基酸衍生物、肽、多肽和其他蛋白质类化合物[61-62]，例如，亮氨酸生物合成与异戊醇及其乙酸盐的形成密切相关[63]。呈味肽很大程度上取决氨基酸的呈味特征，能够强化谷氨酸和氯化钠的滋味强度[64-65]。游离氨基酸（free amino acids，FAA）作为含氮滋味化合物，广泛存在豆豉中，研究发现游离氨基酸源自蛋白质的降解，是构成一些重要挥发性化合物的前体物质，其中谷氨酸和天冬酰胺通过释放与味道有关的元素形成大量的味觉肽，小分子肽对发酵成熟期的产品味道做出巨大贡献[66-67]。豆豉游离氨基酸组成变化见表2[68]。对豆豉风味的研究表明，豆豉散发出的坚果味、水果味和可可香来源于高浓度的2，6-二甲基吡嗪、乙酸乙酯和苯甲醛[69]。苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸同属芳香族氨基酸，苯丙氨酸和酪氨酸协同抑制芳香族氨基酸生物合成3-脱氧-D-阿拉伯-庚酮糖-7-磷酸（DAHP）合成酶的活力，色氨酸能增强这种抑制作用，3种氨基酸共同存在时可以达到最大的抑制作用。大量的研究表明，氨基酸衍生物的确带来了美好的风味，然而发酵中尤其要注意避免发酵过度，过度发酵会起到反作用，导致氨基酸降解生成氨气或者二氧化碳，使其鲜味丢失甚至变苦，并不利于产品品质的提升[25]。研究领域应该进一步扩大到对不同类型氨基酸衍生物的绿色合成方法，进而阐明氨基酸衍生物在发酵过程中对产品品质的贡献。

3 影响豆豉中氨基酸种类和含量的因素

3.1 发酵温度和时间

发酵温度、发酵时间、微生物优势菌种等因素都会影响豆豉中氨基酸的种类和含量，并且发酵条件的控制在一定程度上可能改变豆豉整个后发酵过程中的风味特征。

研究表明，温度对豆豉发酵的影响至关重要，维系着发酵的速率、质构、色泽与味道，决定发酵是否成功。温度的变化会直接影响食品的发酵速率，进而间接影响食品中挥发性风味物质的变化，李爱君等[70]针对豆豉产品品质指标的相关分析，测定4种细菌型豆豉发酵过程中温度与氨基酸含量的变化，认为高温可能加速美拉德反应速率并消耗鲜味氨基酸。除此之外，在利用HS-GC-IMS探究发酵时间与不同挥发性物质（VOC）的关系时，发现浏阳豆豉在不同发酵时期的VOC组成差异显著，发酵过程中会释放大量的挥发性化合物[16]。谢亮[71]在研究豆豉最优发酵时间时发现，随着发酵时间的延长，样品中的α-氨基酸含量呈现上升趋势且口感在α-氨基酸含量最高时达到最佳。

3.2 微生物菌种

细菌与真菌群落之间会相互作用且作用关系十分复杂，甚至来自不同产地的豆豉中的细菌群落存在着明显的差异[72-73]。微生物以各种代谢途径影响着豆豉发酵且与感官特性和品质的形成密切相关，人工发酵时选用合适的微生物发酵菌种与豆豉的氨基酸含量有一定关联，并会对豆豉的发酵速率起到控制作用。李薇等[74]采用高通量测序探讨了永川毛霉型豆豉细菌和真菌群落动态变化，毛霉和根霉优势菌株的共同作用产生多种酶类，影响豆豉独特的风味和分解大豆蛋白。Yang等[75]在研究郫县豆瓣酱微生物群落动态时发现细菌和真菌中的酶均影响游离氨基酸和挥发性化合物的特征，曲霉、芽孢杆菌属和乳杆菌属对天冬氨酸（Asp）、Leu、β-紫罗兰酮和2-乙酰基吡咯等风味化合物的调控起到积极作用。毛霉型和根霉型豆豉相对于曲霉型豆豉会产生更多的酯类和吡嗪类化合物，酱香味道更浓。微生物群落的演替规律介导了豆豉的风味特征，贝莱斯芽孢杆菌参与在制曲阶段多种挥发性物质的合成，葡萄球菌属和德巴利酵母属与整个后发酵过程中的风味形成密切相关[76]。

由此可见，筛选培育优良接种菌株的方式相比于传统自然状态下发酵的豆豉可在提高豆豉营养成分的基础上间接地控制豆豉中的生物胺含量，对生产优质豆豉产品和保证发酵豆制品的安全性至关重要[77]。

4 调控豆豉发酵过程，改善其产品品质

4.1 筛选适宜的发酵菌株

发酵菌株的选择对食品发酵行业的影响不可小觑，适宜的发酵菌株为产品提供了独特的风味和营养价值，目前，各种新颖的人工菌株选育策略促进了发酵工业的快速发展，氨基酸高产菌株的选育推进了食品生物行业的改革[78]，豆类食品的研究大多由传统的自然发酵转变为人工接种菌株发酵工艺条件的优化，周旭等[79]通过比较永川豆豉米曲霉制曲和传统自然制曲的理化性质和微生物群落，认为不同的制曲工艺的确会对永川豆豉的产品品质有一定的影响。兰光群[80]以枯草芽孢杆菌GUTU09、毛霉菌、乳酸菌和双歧杆菌等几种不同的菌株发酵组合制备出有助于提升纳豆中纳豆激酶含量和提升感官品质的新型纳豆发酵剂配方。乳酸菌不但能够抑制发酵过程中存在的有害微生物的生长，而且能够产生游离氨基酸，赋予食品醇厚的滋味[81-82]。Hu等[83]在酱油发酵中发现，添加酵母、乳酸菌和增加醇类、挥发性酸类、酯类物质与减少有害生物胺相关。以上研究表明筛选适宜的发酵菌株对改善豆豉产品的品质起到突出贡献，目前，特异性菌种被广泛应用于食品行业[84]，逐渐推进发酵食品工业朝安全、健康、靶向应用方向发展，研究并分析豆豉发酵过程中内源微生物特异性代谢将成为未来菌种保藏和应用发展的新动力。

4.2 改善发酵策略

单一化的自然发酵形式不利于企业的规模化批次生产，影响企业的生产效率。目前，传统加工的豆制品容易表现出内在的品质缺陷，如豆腥味、易染杂菌、发酵周期不可控、抗营养成分含量高以及出现为延长保质期而添加过量盐、添加防腐剂和配方老旧等问题。针对以上问题应该采取新的加工策略，例如非热处理、膳食纤维改性、酸处理和定制发酵等，从而优化和改进豆制品的健康功效和品质。以纯菌发酵替代传统自然发酵，在纯菌发酵豆豉过程中对原料的品质、发酵时间、发酵温度、接菌量、接菌配比等参数设计响应面优化实验，之后对发酵特征进行详细分析，结合滋味、风味、质地和品相等，确立出最佳的豆豉纯菌发酵工艺。

5 结语

开发健康且美味的食品、减少使用化学合成原料是目前食品行业的发展趋势。影响豆豉产品品质的因素是多元的、可控的，任何科学研究都要把握好安全、健康、营养的前提才能够在风味感官层面上进行改良和优化。营养和风味之间基本存在着“降解-转化-平衡”的关系，其中恰到好处的互作关系能够完美地呈现出豆豉产品中不可多得的味觉品质。如何权衡优势微生物菌属发酵，将微生物发酵作用达到最优化逐渐成为市场各类豆豉产品生产的目标和市场准入着眼点。首先，滋味和风味作为豆豉感官评价中最关键的评价因素直接影响消费者的购买意愿，因此，对风味物质进行定性定量分析是豆豉发酵工艺中十分关键的一步。其次，利用豆豉中含有的风味组分化学结构来分析产品之间的关系，可以加强产品的品控和质量分级，同时有助于实现产品改良及新产品开发。由于豆类中不饱和脂类含量较高，发生氧化作用时会导致大豆蛋白产品出现令人不愉快的豆腥味，如何利用微生物发酵做到既保证营养又保证鲜美味道不易流失是该研究领域的难题。研究发酵改良工艺进而寻找出发酵食品工艺中响应面优化适配度是目前和未来食品的主题方向，未来研究应进一步结合多组学技术，开发和利用微生物菌种资源，深入探讨微生物参与下的代谢途径信息，从而完善发酵工业产品的生产品质。

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