植物基发酵奶热潮涌动，植物基酸奶市场面临问题及解决方案
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来源：食研君（ID:syj_21food），转载已获得授权。
近几年，植物奶的市场需求持续增长。2014年，仅在美国，植物奶的销售额便达到18亿美元。从全球角度看，预计复合年增长率（CAGR）超过10%，因此，至2023年，全球市场销售额估计将超过260亿美元（Bloomberg Surveillance 2015）。
数据来源：Bloomberg Surveillance (2015)
消费者对于植物奶的日益偏好是由不同的消费需求所驱动的：1、健康相关：比如乳糖不耐症和牛奶过敏，消费者对于牛奶激素和胆固醇的关注；2、关于动物的伦理道德争议；3、环境问题；4、生活方式向素食转变。
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不同来源植物奶所面临的难题
由于对乳品替代品的需求不断增长，各种植物被用于生产植物奶。相关的植物来源可以分为5类：1）豆类、2）坚果类、3）种子类、4）谷类、5）伪谷类。不同原料的特征不尽相同。关于不同来源的植物奶的介绍请见 | 燕麦奶、豆奶、椰奶......5大植物奶加工限制因素与应对策略
原料不同，相应的饮料在营养成分、感官及加工技术上有很大的区别。
1、营养不均衡
植物具有特殊的营养价值，比如豆类和种子，其蛋白质含量可与牛奶的蛋白质含量相媲美（当然，氨基酸的质量不能和牛奶相提并论）。此外，植物原料含有丰富的微量元素（维生素、矿物质），并含有生物活性物质，如抗氧化剂、膳食纤维和植物雌激素。植物激素可以降低骨质疏松症、心脏病、乳腺癌和更年期症状的风险，然而，其也可能造成不利的健康影响，这可能取决于人类的年龄、健康状况、甚至是特定肠道菌群的存在或缺失，因此未来，在这一领域需要更多的研究。
尽管植物原料具有很多有益特性，但是，仔细观察发现，商业化的植物奶在营养上并不均衡。特别是植物性饮料的蛋白质含量很低，大约50%的商业植物奶含有很少甚至不含蛋白质（＜0.5%），只有精选的大豆奶可以达到较高的牛奶蛋白质水平（3.7%）。此外，植物蛋白缺乏某些特定的氨基酸，比如赖氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸和色氨酸。某些维生素，比如维生素D和维生素B12，含量低甚至缺乏。此外，植物性产品可能含有抗营养因子，例如，植酸盐和皂苷与矿物质（Ca2+、Mg2+、Fe2+和Zn2+）形成不溶性复合物，从而降低生物利用度。低聚糖，如棉子糖、水苏糖，只能通过发酵被肠道微生物消化，所以容易导致肠胃胀气、腹泻和其他不适。胰蛋白酶和其他蛋白酶抑制剂会干扰肠道，它们会使相应的消化酶失活，从而干扰蛋白质的消化。
2、感官属性不佳
消费者和市场研究表明，口味对食物的选择有重要的影响。然而，植物奶天然风味的接受度不高。尽管某些成分，比如可溶性膳食纤维对质地和口感起到积极作用，植物奶仍然有令人不愉快的风味。比如以豆类为原料的产品带有豆腥味和泥土味。植物酚类（包括抗营养物质，如单宁和皂苷）、萜烯、硫代葡萄糖苷和黄酮类化合物，会赋予产品苦涩味和辛辣感。此外，产品的颜色，绿色、灰色或褐色（与植物原料相对应）；白垩质或砂质结构；由于不溶性颗粒存在而导致的口感变薄，都会对消费者的购买意愿产生负面影响。
3、理化性质不稳定
植物奶的生产一般采用连续单元操作。一般来说，植物奶是通过粉碎植物原料，将其可溶性部分提取到水中来制备的。最终产品的性能取决于原料，此外，还取决于均质、配方、乳化及储存条件。例如，来自淀粉类原料（比如谷类或伪谷类）的植物奶在灭菌（高压灭菌或巴氏灭菌）中很容易凝胶化，从而导致下游加工中的技术难题；种子和坚果中过多的脂肪含量可能导致不期望的相分离，降低产品的稳定性，因此，在加工过程中会去除这些物质。
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技术加工和营养强化--常规解决方案
为了解决以上难题，研究人员开发出了不同应对策略。比如，为了防止相分离和凝胶化，增加产品的稳定性，分离和（或）酶解多余的脂肪和淀粉；采用均质化破坏较大的颗粒，获得均匀的颗粒大小，从而提高产品的稳定性。
为了克服已知的营养和感官限制，植物奶通常会添加甜味剂、人工香料、蛋白质、氨基酸、矿物质和维生素。此外，采用预热处理（如焙烤、脱壳、漂白、烹煮和发芽），用于减少蛋白酶抑制剂等抗营养物质，减少和掩盖异味，改善口感和颜色。但是，有些抗营养物质，比如植酸盐，即使加热到100℃，也不能完全被破坏。
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单一发酵VS混合发酵--新型解决方案
发酵，可以帮助改善植物奶的感官特性、营养价值、质地和微生物的安全性，从而避免添加通常被认为是人工的添加剂成分。
迄今为止，以植物为基础的牛奶发酵主要使用单一培养的微生物，如乳酸菌、杆菌和酵母等。最近，两种或两种以上微生物混合发酵的新概念被提出。企图利用混合发酵中的协同增效作用，最大程度的改善营养价值、质地、感官等属性。
1、营养价值
发酵可以增加蛋白质的含量，微生物的发酵可以提高植物蛋白的溶解度和氨基酸组成。
单一发酵：以双歧杆菌为例，双歧杆菌显著提高了豆制品饮料的粗蛋白含量。此外，用植物乳杆菌发酵豆粕可以有益的增加赖氨酸等必需氨基酸。值得注意的是，特定微生物在发酵过程中合成维生素，包括维生素K和B族维生素。与人工强化相比，天然维生素的强化被广泛认为更安全、更自然、更环保。
混合发酵：混合发酵与单一发酵相比，植物奶的蛋白质含量和必需氨基酸组成或有很大的差异。与相应的单一培养相比，对花生进行嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌的联合发酵，显著提高了总蛋白和赖氨酸、蛋氨酸以及色氨酸的含量。来自豇豆和鹰嘴豆的菌株的自发联合发酵，使蛋氨酸水平提高了约6倍。此外，混合发酵会影响维生素的形成，植物乳杆菌SM39和费氏丙酸杆菌DF13共同发酵，会提高叶酸和维生素B12的含量。
2、抗营养物质和矿物质的有效性
单一发酵：单一发酵与其他处理方式（如烹煮、发芽、浸泡）相结合，可显著降低植物性食品中鞣质、植酸盐和氰化物等抗营养物质的水平。例如，小米发酵可显著降低各种不需要的抗营养物质（植酸盐、单宁、胰蛋白抑制剂），同时提高了矿物质的可提取性和消化率。
混合发酵：混合发酵有助于减少抗营养物质，并增加矿物质的有效性。在去除豇豆中植酸和胰蛋白酶抑制剂方面，嗜酸乳杆菌和植物乳杆菌的混合培养比单个菌株的发酵更有效。同样，混合培养的嗜热链球菌CCRC14085和婴儿双歧杆菌CCRC14603显著降低了大豆中的植酸（80%）和皂苷（30%）水平。进一步研究发现，与单一培养相比，鲍氏乳杆菌和植物乳杆菌B4495混合发酵可使钙的生物利用度提高约6倍。
3、生物活性成分
单一发酵：发酵能够增加生物活性物质的浓度或生物利用度。使用具有β-葡萄糖苷酶功能的微生物发酵大豆可以使葡萄糖苷异黄酮转化为具有更高生物活性和生物利用度的苷元异黄酮。植物乳杆菌能够将芝麻乳中芝麻素酚三糖苷转化为具有增强自由基清除活性的芝麻素酚苷元。
混合发酵：对大豆进行发酵时，布拉氏链球菌与5种乳杆菌的混合培养将超过95%的葡萄糖苷异黄酮转化为苷元异黄酮。但是，与单一培养的菌株相比，其他混合菌株的生物转化效率较低，例如，当嗜热链球菌与婴儿双歧杆菌，长双歧杆菌和瑞士乳杆菌混合时，检测到较弱的生物转化。这一观察结果再次强调了菌种选择在调节不同混合培养之间协同效应的重要性。
4、感官特性
单一发酵：发酵可以改善植物奶的感官特性。例如，微生物发酵降低了植物原料的豆腥味，原因可能是由于发酵使正己醛和正己醇缺失。此外，发酵可以产生理想的挥发性香味，例如二乙酰（2,3-丁二酮），它可以提供一种类似黄油的香气，是在基于谷物发酵的过程中散发出来的。乙醛，具有苹果气味，并带有甜味，在花生、谷物和大豆发酵期间，浓度增加。此外，植物奶的风味也受氨基酸水平变化的影响。
混合发酵：虽然单一发酵在降低异味分子己醛和己醇含量方面似乎与混合发酵效果相当，但是混合发酵在产生更优的增味剂方面似乎更有效果。例如，乙醛是酸奶风味形成的关键 ，两种或更多的混合培养，有利于其大量的形成。德式乳杆菌保加利亚亚种和唾液链球菌嗜热亚种的混合配合，不仅降低了花生奶的豆香，还显著提高了花生奶的白度、粘度和平滑度。
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小结
植物奶的市场正在迅速增长。然而，这些产品的营养不均衡和不良感官特性仍然限制了它们的消费。发酵，特别是混合培养发酵的使用，在改善植物原料的营养质量和感官特性方面具有巨大的潜力。
以往的研究表明，混合发酵的效果强烈的依赖于物种和菌株。目前仍采用试错法（trial and error approaches）进行应变组合。由于我们对所涉及的微生物相互作用的了解还很不充分，预测混合发酵的效果是很困难的。所以，如何更合理地选择和组合具有可预测协同相互作用的菌株，对于开发更智能的发酵过程和生产更好的产品是非常有价值的。
参考文献：
Fermentation of plant-based milk alternatives for improved flavour and nutritional value；Appl Microbiol Biotechnol. 2019; 103(23): 9263–9275.
文章原标题：单一发酵VS混合发酵，植物奶风味及营养价值改善方案
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