한약, 천연식물, 기타 발효탐구 2022 nature

[문형철]

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Effect of fermentation of chosen vegetables on the nutrient, mineral, and biocomponent profile in human and animal nutrition

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• Published: 04 August 2022

Effect of fermentation of chosen vegetables on the nutrient, mineral, and biocomponent profile in human and animal nutrition

• Piotr Kiczorowski, 
• Bożena Kiczorowska, 
• Wioletta Samolińska, 
• Marek Szmigielski & 
• Anna Winiarska-Mieczan 

Scientific Reports volume 12, Article number: 13422 (2022) Cite this article

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Abstract

In the present study, the dry matter, crude ash, crude protein, ether extract, and energy, macro- (Na, K, Ca, Mg, P), micro- (Zn, Cu, Fe) minerals, heavy metals (Pb, Cd), vitamin C, A, carotene, and phenolic content were determined in chosen raw and fermented vegetables. The dietary intake of several macro- and microconstituents per one serving (100 g or humans and animals: ducks and pigs) was calculated. The fermentation process was found to reduce water and increase fat content in the vegetables. Lower levels of vitamin C and phenols were also found in the fermented vegetables. The vitamin A and carotene content in the fermented carrots and peppers were increased in comparison with the raw vegetables. The fermentation process decreased the concentration of some basic nutrients, mineral content, vitamins C and A, and phenols. Broccoli, peppers, and red beet had the highest levels of the analyzed nutrients and bioconstituents. The fermentation process is regarded by nutritionists as beneficial to human health. The addition of fermented plants is recommended in animal nutrition as well. This process modifies the chemical composition of preserved vegetables, e.g. it reduces the concentration of dietary fiber, and brings favorable effects in poultry and pig nutrition.

요약

본 연구에서는 

건조 물질, crude ash , Crude 단백질, 에테르 추출물,

에너지, 거대(Na, K, Ca, Mg, P), 미량(Zn, Cu, Fe) 미네랄, 중금속(Pb, Cd),

비타민 C, A, 카로틴, 페놀 함량을

chosen raw and fermented vegetables 에서 측정했습니다.

1회 제공량(100g 또는 사람과 동물: 오리와 돼지)당

여러 가지 거대 및 미량 영양소의 섭취량을 계산했습니다.

발효 과정을 통해

야채의 수분 함량이 감소하고

지방 함량이 증가하는 것으로 나타났습니다.

발효된 채소에서도

비타민 C와 페놀의 함량이 낮았습니다.

발효된 당근과 고추의 비타민 A와 카로틴 함량은

생채소에 비해 증가했습니다.

발효 과정은

일부 기본 영양소, 미네랄 함량, 비타민 C와 A, 페놀의 농도를 감소시켰습니다.

브로콜리, 고추, 붉은 비트에는

분석된 영양소와 생체 구성 성분의 함량이 가장 높았습니다.

발효 과정은

영양학자들에 의해 인체 건강에 유익한 것으로 간주됩니다.

발효 식물의 첨가는 동물 영양에도 권장됩니다.

이 과정은 보존된 채소의 화학 성분을 변화시킵니다.

예를 들어,

식이섬유의 농도를 감소시키고

가금류와 돼지의 영양에 유익한 효과를 가져옵니다.

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Introduction

Lactic acid fermentation is a food preservation process carried out by lactic bacteria. It is believed that the first human experience with fermented food was accidental, and the introduction of such products to diet was associated with the need to improve the durability and storability of food in periods of limited availability. Currently, the lactic acid fermentation process is used not only for preservation purposes but also for manufacturing new processed food with health-enhancing and economic values1. Nowadays, fermented food is consumed in almost all countries of the world, although the type of raw materials and the fermentation methods are often specific for geographical regions or countries (Table 1). Many types of vegetables or fruits can be pickled, e.g. broccoli, cauliflower, carrots, onions, garlic, white radish, tomatoes, cucumbers, cabbage, green beans, beet greens, red beet, eggplants, peppers, and even strawberries, plums, pears, and olives2,3.

소개

젖산 발효는

유산균(lactic bacteria)에 의해 이루어지는 식품 보존 과정입니다.

Lactic acid fermentation is a food preservation process carried out by lactic bacteria

발효식품에 대한 최초의 인간 경험은

우연한 것으로 여겨지며,

이러한 제품을 식단에 도입한 것은 제한된 가용성 기간 동안

식품의 내구성과 저장성을 개선해야 할 필요성과 관련이 있습니다.

현재,

젖산 발효 공정은

보존 목적뿐만 아니라

건강 증진 및 경제적 가치를 지닌 새로운 가공 식품의 제조에도 사용되고 있습니다1.

오늘날, 발효 식품은

전 세계 거의 모든 국가에서 소비되고 있지만,

원재료의 종류와 발효 방법은 종종 지역이나 국가에 따라 다릅니다(표 1).

브로콜리, 콜리플라워, 당근, 양파, 마늘, 흰 무, 토마토, 오이, 양배추, 녹두,

비트 그린, 붉은 비트, 가지, 고추, 심지어 딸기, 자두, 배, 올리브 등2,3

많은 종류의 채소나 과일을 절일 수 있습니다.

Table 1 Lactic acid bacteria involved in the fermentation of selected vegetables2,13,16.

With the introduction of fermented vegetables in the human diet, this method of preservation of green fodder was applied in the nutrition of various species of animals. Traditionally, wet roughage is used for the production of silage administered to cattle. This method for preservation of fodder plants is also used in the nutrition of monogastric animals, e.g. poultry or pigs, which have a very sensitive gastrointestinal tract4. Due to the specificity of nutrient digestion and the physiological requirements of monogastric animals, feed has to be selected carefully in terms of both quality and quantity. No pre-fermentation occurs in the organism of these animals, and all activity of bacterial cultures takes place in the final segment of the gastrointestinal tract5. Fermented vegetables are often part of diets for these animals rather than forage used in cattle breeding6.

Modern science confirm‎s that fermented products contain many health-enhancing components, e.g. organic acids, ethanol, or other antimicrobial compounds inhibiting the growth of microorganisms responsible for deterioration processes leading to food spoilage and growth of food-borne pathogens7,8. Moreover, fermentation ensures unique food flavors and aromas and improves food texture and appearance. Functionality and economic value are the other attributes of the fermentation process itself9,10.

Fermented food used in human nutrition or animal feed is currently an important element of the diet influencing the function of the organism and the gastrointestinal tract. Lactic acid bacteria are responsible for the beneficial effect on health and taste values of fermented products11. They improve the nutritional quality of food and control some processes in the organism, e.g. the synthesis of nutritionally important compounds and enhancement of the bioavailability of nutrients in fermented raw materials. They also synthesize cellular enzymes and other bioactive ingredients stabilizing the gastrointestinal tract environment and stimulate digestion processes12,13. The increase in the number of lactic acid bacteria (LAB) during fermentation enhances conversion of phenolic compounds (e.g. flavonoids) into biologically active metabolites through the expression‎ of hydrolase, esterase, glycosyl decarboxylase, and phenolic acid reductase. The reaction of metabolites with anthocyanidins leads to the generation of e.g. alkyl catechols, which are capable of strong activation of oxidative stress response regulators in mammals. Thus, they induce the expression‎ of antioxidant and detoxifying enzymes protecting the organism against oxidative stress and chemical damage10,13.

The fermentation processes are accompanied by multidirectional modification of the basic chemical composition of processed raw materials in terms of the content of mineral elements and vitamins. The type of compounds formed during fermentation depends on the type of microorganisms involved; for instance, vitamins B, including folates and B12, can be synthesized by plant-associated bacteria11,14. Fermentation may remove toxic or undesirable food components, such as phytic acid chelating divalent metal ions, or reduce the level of heavy metals.15

Therefore, the aim of the study was to analyze the impact of the lactic acid fermentation process on changes in the basic chemical composition, selected minerals, heavy metals, vitamins, and phenols. Additionally, the fermentation of broccoli, carrots, red peppers, and red beet was assessed in terms of pH and the presence of organic acids.

발효 야채가 인간의 식단에 도입되면서,

이 녹색 사료 보존 방법이

다양한 동물들의 영양 공급에 활용되기 시작했습니다.

전통적으로,

습식 사료는 소에게 공급되는 사일리지 생산에 사용됩니다.

사료 식물을 보존하는 이 방법은

위장관이 매우 민감한 가금류나 돼지 같은 단위동물들의 영양 공급에도 사용됩니다4.

영양소 소화의 특수성과 단위동물들의 생리적 요구에 따라

사료는 품질과 양 모두 면에서 신중하게 선택되어야 합니다.

이 동물들의 체내에서는 발효가 일어나지 않으며,

세균 배양의 모든 활동은 위장관의 마지막 부분에서 이루어집니다5.

발효 야채는 가축 사육에 사용되는 사료가 아닌 이 동물들의 식단의 일부로 자주 사용됩니다6.

현대 과학에 따르면 발효 제품은

유기산, 에탄올, 또는 식품 부패를 유발하는 미생물의 성장을 억제하는 기타 항균 화합물7,8 등

건강에 좋은 성분을 많이 함유하고 있습니다.

organic acids, ethanol, or other antimicrobial compounds inhibiting the growth of microorganisms responsible for deterioration processes leading to food spoilage and growth of food-borne pathogens

또한,

발효는

독특한 음식 맛과 향을 보장하고

음식의 질감과 외관을 개선합니다.

기능성과 경제적 가치는

발효 과정 자체의 또 다른 특성입니다9,10.

인간 영양 또는 동물 사료에 사용되는 발효 식품은

현재 유기체와 위장관의 기능에 영향을 미치는

식단의 중요한 요소입니다.

젖산균은

발효 제품의 건강 및 맛에 대한 유익한 효과를 담당합니다11.

젖산균은

식품의 영양적 품질을 향상시키고,

발효 원료의 영양적 중요 화합물 합성 및 영양소의 생체 이용률 향상과 같은

유기체의 일부 과정을 제어합니다.

또한,

세포 효소와 기타 생체 활성 성분을 합성하여

위장 환경을 안정시키고 소화 과정을 자극합니다12,13.

발효 과정에서 젖산균(LAB)의 수가 증가하면

가수분해 효소, 에스테르 가수분해 효소, 글리코실 데카르복실라제, 페놀산 환원효소의 발현을 통해

페놀 화합물(예: 플라보노이드)의 생체 활성 대사 산물로의 전환이 향상됩니다.

안토시아니딘과 대사 산물의 반응은

포유류에서 산화 스트레스 반응 조절제의 강력한 활성화를 가능하게 하는

알킬 카테콜 등의 생성을 유도합니다.

따라서,

이들은 산화 스트레스와 화학적 손상으로부터

유기체를 보호하는 항산화 및 해독 효소의 발현을 유도합니다10,13.

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16438-8

유산균(LAB)은 발효 식품 생산에 필수적이며, 여러 균주가 프로바이오틱스로 간주됩니다. 발효 식품에는 다량의 생균이 함유되어 있지만, 우리가 섭취하는 균이 장내 미생물 군집의 일원이 되는 정도는 아직 알려지지 않았습니다. 인간 표본에서 9445개의 메타게놈을 분석한 결과, 대변 표본에서 균의 유병률과 풍부도는 일반적으로 낮고, 연령, 생활 방식, 지리적 요인과 관련이 있으며, Streptococcus thermophilus와 Lactococcus lactis가 가장 많이 발견된다는 것을 입증했습니다. 또한, 발효 식품 미생물 군집에서 새로 재구성된 666개의 메타지놈 어셈블리드 게놈(MAGs)과 154,723개의 인간 MAGs 및 193,078개의 참조 게놈을 고려하여 식품과 장내 미생물 간의 게놈 기반 차이를 식별합니다. 우리의 대규모 게놈 전체 분석은 밀접하게 관련된 락토바실러스 균주가 식품과 장 환경 모두에서 발생한다는 것을 보여주고, 발효 식품이 실제로 장내 미생물 군집의 락토바실러스의 가능한 공급원으로 간주될 수 있다는 전례 없는 증거를 제공합니다.

발효 과정은

미네랄 성분과 비타민의 함량 측면에서

가공된 원료의 기본 화학 성분의 다방향적 변형을 동반합니다.

발효 과정에서 형성되는 화합물의 유형은

관련된 미생물의 유형에 따라 달라집니다.

예를 들어,

엽산과 비타민 B12를 포함한 비타민 B는

식물 관련 박테리아11,14에 의해 합성될 수 있습니다.

발효는

피틴산과 같은 독성 또는 바람직하지 않은 식품 성분을 제거하거나,

2가 금속 이온을 킬레이트하는 등

중금속의 수준을 감소시킬 수 있습니다.15

따라서

이 연구의 목적은

젖산 발효 과정이 기본 화학 성분, 선택된 미네랄, 중금속, 비타민, 페놀의 변화에 미치는

영향을 분석하는 것이었습니다.

또한,

브로콜리, 당근, 고추, 붉은 사탕무의 발효는

pH와 유기산의 존재 여부를 기준으로 평가되었습니다.

Results

Organic acids, pH, basic nutrients, and energy

The characteristics of the analyzed vegetables and the experimental design are shown in Table 2. Cucumber (CU.F) and peppers (PE.F) were the most easily fermented vegetables, which reached a stable fermentation level with an average pH value of 3.47 after 14 days (P = 0.027) (Table 3). The slowest fermentation rate was detected in broccoli, which was characterized by a pH value of 4.51 after 21 days. The intensity of fermentation was reflected in the level of lactic acid as well (P = 0.018). Its highest amount was determined in PE.F and BE.R (on average 33 g kg−1), and the lowest level was detected in BR.F and CA.F (on average 24.05 g kg-1). Significant differences were noted in the content of acetate acid (P = 0.031), which ranged from 3.8 to on average 4.4 g kg−1 (BR.F vs. CU.F, PE.F, and Be.F, respectively). The levels of propionate and butyrate were similar in all fermented vegetable

결과

유기산, pH, 기본 영양소, 에너지

분석된 채소의 특성과 실험 설계는 표 2에 나와 있습니다.

오이(CU.F)와 고추(PE.F)는 가장 쉽게 발효되는 채소로,

14일 후 평균 pH 값 3.47(P = 0.027)로 안정적인 발효 수준에 도달했습니다(표 3).

가장 느린 발효 속도는 브로콜리에서 발견되었으며,

21일 후 pH 값 4.51이 특징이었습니다.

발효의 강도는

젖산의 수준에도 반영되었습니다(P = 0.018).

가장 높은 양은 PE.F와 BE.R에서 측정되었으며(평균 33g kg-1),

가장 낮은 수준은 BR.F와 CA.F에서 측정되었습니다(평균 24.05g kg-1).

아세트산 함량에

상당한 차이가 나타났습니다(P = 0.031).

아세트산 함량은

3.8~4.4g/kg(BR.F vs. CU.F, PE.F, Be.F)로 나타났습니다.

발효된 채소류에서 프

로피오네이트와 부티레이트의 함량은 모두 비슷했습니다.

Table 2 Scientific and common names of experimental vegetables and abbreviations used in the experimental scheme.

Table 3 Content of organic acids (g kg−1) and pH of fermented vegetables.

The analyzed vegetables also differed in their chemical composition and energy value (Table 4). The highest concentration of dry matter (P = 0.022) was detected in the raw BR.R, CA.R, and PE.R samples (18.71, 16.02, and 14.82 g 100 g−1), while approx. 3.4-fold lower dry matter content was determined in CU.R (5.98 g 100 g−1). In turn, the highest content of mineral elements in crude ash was recorded in CU.R and BE.R (on average 1.41 g 100 g−1). The highest amount of crude protein (P = 0.033) was found in BR.R and BE.R (on average 2.63 g 100 g−1) as well as CA.R and PE.R (on average 1.40 g 100 g−1). The highest levels of crude fiber (P = 0.013) were determined in the BR.R, CA.R, and PE.R samples (on average 3.79 g 100 g−1). CU.R had an approx. 25% lower amount of crude fiber compared with vegetables characterized by the highest amount of this nutrient. In most variants, the fermentation process induced loss of dry matter, crude ash, crude protein, and crude fiber (P < 0.019 MANOVA). An opposite phenomenon was observed in the case of ether extract and energy. Although the vegetables exhibited low levels of ether extract, which did not exceed 1% of the sum of all nutrients, an even two-fold increase in its content was noted in the fermented vegetables (CU.R-CU.F, PE.R-PE.F). This was also reflected in changes in the energy value of the vegetables (P = 0.027). The highest calorific value was calculated for BR.R, PE.R, and BE.R (on average 17.45 kcal in 100 g−1), whereas CU.R had the lowest value of the parameter (8.29 kcal in 100 g−1). The fermentation process also increased the calorific value of most of the tested vegetables, but the greatest differences, even by 34%, were found in the case of cucumber (CU.R-CU.F).

분석된 채소들은 화학 성분과 에너지 가치 면에서도 차이가 있었습니다(표 4). 건조 물질 농도가 가장 높은 것은 원료 BR.R, CA.R, PE.R 샘플(18.71, 16.02, 14.82 g 100 g−1)이었고, CU.R(5.98 g 100 g−1)은 약 3.4배 낮은 건조 물질 함량을 보였습니다. 그 결과, 미정제 회분에서 가장 높은 광물질 함량을 기록한 것은 CU.R과 BE.R(평균 1.41g 100g-1)였습니다. 가장 많은 양의 조단백질(P=0.033)은 BR.R과 BE.R(평균 2.63g 100g-1)과 CA.R과 PE.R(평균 1.40g 100g-1)에서 발견되었습니다. 가장 높은 수준의 조섬유(P = 0.013)는 BR.R, CA.R, PE.R 샘플에서 확인되었습니다(평균 3.79g 100g-1). CU.R은 이 영양소가 가장 많은 채소에 비해 조섬유 함량이 약 25% 낮았습니다. 대부분의 변형에서 발효 과정으로 인해 건조 물질, 조회분, 조단백질, 조섬유 손실이 발생했습니다(P < 0.019 MANOVA). 에테르 추출물과 에너지의 경우에는 반대 현상이 관찰되었습니다. 발효된 채소(CU.R-CU.F, PE.R-PE.F)에서는 모든 영양소의 합계 중 1%를 초과하지 않는 낮은 수준의 에테르 추출물이 관찰되었지만, 그 함량이 2배나 증가했습니다. 이것은 야채의 에너지 값 변화에도 반영되었습니다(P = 0.027). BR.R, PE.R, BE.R의 열량이 가장 높았고(100g당 평균 17.45kcal), CU.R의 열량이 가장 낮았습니다(100g당 8.29kcal). 발효 과정은 대부분의 테스트 대상 채소의 발열량도 증가시켰지만, 오이의 경우 34%까지 가장 큰 차이가 나타났습니다(CU.R-CU.F).

Table 4 Basic nutrients (g·100 g−1 fresh matter) and pH of raw and fermented vegetables.

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Macro-, microelements, vitamins, and phenols

The analyzed vegetables had different levels of macroelements (Table 5). Fresh carrots (CA.R) and red beet (BE.R) turned out to be the richest sources of Na (87.63 and 69.29 g kg−1 fresh matter, respectively). The smallest amounts of this microelement were detected in PE.R (9.47 g kg−1 fresh matter). The table salt (NaCl) additive used in the fermentation process significantly increased the Na content in the fermented vegetables (P = 0.018). The highest accumulation of Na in plant tissues, which was approx. fivefold higher than that in the raw vegetables, was recorded in vegetables that naturally have relatively low levels of the element (BR.F, CU.F, PE.F). The highest K content (P = 0.032) was determined in BR.R and BE.R (318.2 and 287.7 g kg−1 fresh matter, respectively), and the highest Ca level (P = 0.045) was detected in BR.R, CA.R, and BE.R (46.09, 32.64, and 36.04 g kg−1 fresh matter, respectively). The average magnesium level in a majority of the tested vegetables (BR.R, CA.R, PE.R, BE.R) was estimated at 21.5 g kg−1 fresh matter, while 60% lower content was detected in cucumber (P = 0.029). Large differentiation was also observed in the content of P in the vegetables (P = 0.037). Broccoli (BR.R, 69.07 g kg−1) as well as carrots and peppers (CA.R and PE.R—on average 38.86 g kg−1 fresh matter) turned out to be the richest sources of this mineral. The fermentation process reduced the content of K, Ca, Mg, and P in all variants (P < 0.013 MANOVA). In comparison with raw vegetables, the highest fermentation-induced losses were detected in the content of macronutrients: K in CU.F (25.5%), Ca in BE.F (32%), Mg in CU.F (24%), and P in PE.F and CU.R (40 and 28%, respectively).

매크로-미량 원소, 비타민, 페놀

분석된 채소들은

매크로-미량 원소의 함량이 서로 달랐습니다(표 5).

신선한 당근(CA.R)과 붉은 비트(BE.R)는

나트륨(Na)의 가장 풍부한 공급원으로 밝혀졌습니다(각각 87.63g/kg, 69.29g/kg).

이 미량 원소의 함량이 가장 낮은 것은

신선한 완두콩(PE.R)으로, 9.47g/kg의 함량이 검출되었습니다.

발효 과정에서 사용되는 식염(NaCl) 첨가제는

발효된 채소의 나트륨 함량을 크게 증가시켰습니다(P = 0.018).

식물 조직에서 나트륨이 가장 많이 축적된 것은

원료 채소보다 약 5배 더 높았는데,

이는 상대적으로 나트륨 함량이 낮은 채소(BR.F, CU.F, PE.F)에서 기록되었습니다.

가장 높은 K 함량(P=0.032)은

BR.R과 BE.R(각각 318.2와 287.7g kg−1 신선 물질)에서 확인되었고,

가장 높은 Ca 수준(P=0.045)은

BR.R, CA.R, BE.R(각각 46.09, 32.64, 36. 04 g kg−1 신선 물질, 각각).

대부분의 테스트 대상 채소(BR.R, CA.R, PE.R, BE.R)의 평균 마그네슘 수준은

21.5 g kg−1 신선 물질로 추정되었으며,

오이(P = 0.029)에서는 60% 낮은 함량이 검출되었습니다.

채소의 P 함량에서도 큰 차이가 관찰되었습니다(P = 0.037).

브로콜리(BR.R, 69.07g kg−1)와

당근, 고추(CA.R 및 PE.R—평균 38.86g kg−1 신선 물질)가

이 미네랄의 가장 풍부한 공급원으로 밝혀졌습니다.

발효 과정은

모든 변종에서 K, Ca, Mg, P의 함량을 감소시켰습니다(P < 0.013 MANOVA).

생채소에 비해 발효로 인한 손실이 가장 큰 영양소는

다량 영양소인 K(CU.F 25.5%), Ca(BE.F 32%), Mg(CU.F 24%), P(PE.F와 CU.R 각각 40%와 28%)였습니다.

Table 5 Macroelements in raw and fermented vegetables (g·kg−1 fresh matter).

In the group of the analyzed microelements, the highest content of Zn (P = 0.023) and Fe (P = 0.045) was exhibited by broccoli and red beet (BR.R, BE.R: on average 0.31 and 0.84 mg 100 g−1 fresh matter, respectively). The highest Cu level was determined in cucumber and red beet (CU.R, BE.R: on average 0.09 mg 100 g−1 fresh matter) (Table 6). In all fermented vegetables, the content of the analyzed microelements declined in comparison with the raw material (P < 0.07 MANOVA). The highest losses in the Zn content, amounting even to 47%, were recorded during the fermentation of broccoli (BR.F) and red beet (BE.F). The BE.F samples exhibited the highest (approx. 32%) reduction in the Cu content, compared with the raw vegetables. In turn, in terms of the Fe content, cucumbers (CU.F) and peppers (PE.F) turned out to be the most susceptible to the fermentation process, as an average 23% loss of this microelement was noted in the fermented samples of these vegetables. The analyzed raw vegetables contained from 8.28 (CA.R) to 4.28 µg g−1 fresh matter (PE.R) of Pb (P = 0.036) and from 0.057 (CU.R) to 0.031 µg g−1 fresh matter (BE.R) of Cd (P = 0.027). As in the case of the other microelements, a decline in the Pb content was recorded during the fermentation process. The loss was most intense in the CA.F, CU.F, and BE.F samples. In these vegetables, the content of this heavy metal was on average 18.5% lower than in the raw material. Slightly lower reduction of the contamination was noted in the case of the Cd content. The highest decline, on average by 12% vs. its level in the raw vegetables, was recorded in CA.F, PE.F, and BE.F.

분석된 미량 원소 그룹에서

브로콜리와 붉은 비트(BR.R, BE.R: 각각 평균 0.31 및 0.84 mg 100 g−1 신선 물질)가

가장 높은 Zn(P = 0.023) 및 Fe(P = 0.045) 함량을 나타냈습니다.

가장 높은 Cu 수준은

오이와 붉은 비트에서 확인되었습니다(CU.R, BE.R: 평균 0.09 mg 100 g−1 신선 물질)(표 6).

모든 발효 야채에서 분석된

미량 원소의 함량은

원료에 비해 감소했습니다(P < 0.07 MANOVA).

브로콜리(BR.F)와 붉은 비트(BE.F)의 발효 과정에서

47%에 달하는 가장 높은 Zn 함량 손실이 기록되었습니다.

BE.F 샘플은

생야채에 비해 Cu 함량이 가장 많이 감소했습니다(약 32%).

한편,

Fe 함량 측면에서

오이(CU.F)와 고추(PE.F)가 발효 과정에 가장 취약한 것으로 나타났습니다.

이 야채의 발효 샘플에서

이 미량 원소의 평균 23% 손실이 확인되었습니다.

분석된 생채소에는

Pb(P = 0.036)가 8.28(CA.R)~4.28 µg g−1 신선 물질(PE.R)에, Cd(P = 0.027)가 0.057(CU.R)~0.031 µg g−1 신선 물질(BE.R)에 함유되어 있었습니다.

다른 미량 원소의 경우와 마찬가지로,

발효 과정에서 납 함량이 감소하는 것이 관찰되었습니다.

손실은 CA.F, CU.F, BE.F 샘플에서 가장 심했습니다.

이 채소들에서 이 중금속의 함량은 원료보다 평균 18.5% 낮았습니다.

Cd 함량의 경우 오염 감소가 약간 더 낮았습니다.

평균적으로

생채소의 수준에 비해 12% 감소한 가장 큰 감소는

CA.F, PE.F, BE.F에서 기록되었습니다.

Table 6 Microelements and heavy metals in raw and fermented vegetables.

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The vegetables selected for the study were also characterized by high variability in the content of vitamins and phenols (Table 7). The highest levels of vitamin C (P = 0.037) were determined in the PE.R and BR.R samples (138.6 and 95.25 mg 100 g−1 fresh matter, respectively), whereas its average level in CA.R and BE.R was 4.9 mg 100 g−1 fresh matter. The highest content of vitamin A (P = 0.025) and carotene (P = 0.019) was determined in CA.R and in PE.R and BR.R (in the range from 987.5 and 1109 to 257.5 and 738.4 µg g−1 fresh matter). In turn, these compounds in the red beet were present only at the level of 2.35 (vitamin A) and 18.56 µg g−1 fresh matter (carotene). High variability was also noted in the content of total phenols (P = 0.041), which were present on average in the range from 787 (BR.R and PE.R) to even 25.9 µg g-1 fresh matter (CU.R). Similar to minerals, significant losses induced by the fermentation process were noted in the content of vitamins and phenols (P < 0.012 MANOVA). The highest losses, i.e. on average by 50%, in the content of vitamin C were recorded in vegetables that contained the lowest levels of this component (CA.F, BE.F, CU.F). Slightly different changes were observed in the case of vitamin A and carotenes. In some of the fermented vegetables, the content of these compounds decreased in comparison with the unprocessed raw material. The maximum loss of these bioactive compounds induced by the fermentation process amounted to 22% of vitamin A (BR.F and CU.F) and 25% of carotenes (CU.F). In turn, the fermented carrots and peppers had a 34–23% higher level of vitamin A (CA.F–PE.F) and approx. 24% higher content of carotenes (CA.F). A decrease in the content of total phenols in the vegetables was induced by the fermentation process. The highest losses of these compounds, i.e. 33 and 26%, were exhibited by CU.F and PE.F, respectively, compared to the raw material, whereas on average 21% losses of these bioactive compounds were recorded in the other fermented vegetables.

연구에 사용된 채소들은

비타민과 페놀 함량의 변동성이 큰 것이 특징이었습니다(표 7).

PE.R과 BR.R 샘플에서

가장 높은 수준의 비타민 C(P=0.037)가 측정되었습니다(각각 138.6mg/100g, 95.25mg/100g).

반면, CA.R과 BE.R의 평균 수준은 4.9mg/100g이었습니다.

비타민 A(P = 0.025)와 카로틴(P = 0.019)의 함량이 가장 높은 것은

CA.R과 PE.R, BR.R(987.5~1109~257.5~738.4 µg g−1 신선 물질)에서 확인되었습니다.

이 빨간 비트에 함유된 화합물은

비타민 A 2.35, 신선한 물질 1g당 18.56µg(카로틴) 수준에 불과했습니다.

총 페놀 함량(P = 0.041)에서도

높은 변동성이 관찰되었으며,

평균적으로 787(BR.R 및 PE.R)에서 심지어 25.9 µg g-1 신선 물질(CU.R)에 이르는 범위에서 존재했습니다.

미네랄과 마찬가지로,

발효 과정으로 인한 상당한 손실이

비타민과 페놀 함량에서 관찰되었습니다(P < 0.012 MANOVA).

비타민 C 함량에서 가장 큰 감소폭,

즉 평균 50%의 감소폭은

이 성분의 함량이 가장 낮은 채소(CA.F, BE.F, CU.F)에서 나타났습니다.

비타민 A와 카로틴의 경우에는

약간 다른 변화가 관찰되었습니다.

일부 발효 채소의 경우, 이러한 화합물의 함량이 가공되지 않은 원료에 비해 감소했습니다.

발효 과정에 의해 유도된 이러한 생리활성 화합물의 최대 손실량은

비타민 A(BR.F와 CU.F)의 경우 22%, 카로틴(CU.F)의 경우 25%에 달했습니다.

발효된 당근과 고추는

비타민 A(CA.F-PE.F)의 경우 34-23% 더 높았고,

카로틴(CA.F)의 경우 약 24% 더 높았습니다.

발효 과정으로 인해 야채의 총 페놀 함량이 감소했습니다.

이러한 화합물의 손실은 원료에 비해 CU.F와 PE.F에서

각각 33%와 26%로 가장 높았으며,

다른 발효 야채에서는 평균 21%의 생리 활성 화합물 손실이 기록되었습니다.

Table 7 Chosen vitamins and phenols in raw and fermented vegetables.

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Calculation of dietary intake via consumption of one serving of raw and fermented vegetablesHumans

The results demonstrated that the consumption of one serving of fresh analyzed vegetables provided basic nutrients in the range of approx. 1.04–3.11% of daily protein (CU.R–BR.R), 0.29–1.40% of daily fat (BE.R – PE.R), and 0.41- average 0.86% of daily energy (CU.R–BR.R and BE.R) (Table 8). In a majority of the analyzed vegetables, the fermentation process reduced the amount of the basic nutrients that could potentially be used in the daily ration of human nutrition.

생채소 및 발효채소 1인분의 섭취를 통한 영양소 섭취량 계산 인간

그 결과, 분석된 신선한 채소 1인분의 섭취가 일일 단백질 섭취량의 1.04~3.11% 범위(CU.R-BR.R), 0.29~1. 일일 지방의 40%(BE.R – PE.R), 그리고 일일 에너지의 0.41- 평균 0.86%(CU.R–BR.R 및 BE.R) (표 8).

분석된 대부분의 채소에서 발효 과정은

인간 영양의 일일 배급량에 잠재적으로 사용될 수 있는

기본 영양소의 양을 감소시켰습니다.

Table 8 Percent coverage of the daily supply of selected nutrients, minerals, and vitamins via human consumption of one serving of raw and fermented vegetables.

Vegetables are a rich source of minerals and vitamins in the daily human diet (Table 8). The raw vegetables analyzed in the present study covered the required or recommended levels for minerals in human nutrition as follows: 193–576% of Ca (PE. – BR.R), 206–530% of Mg (CU.R – BR.R), 1.73–2.91% of Zn (CA.R – BE.R), 1.42–3.92% of Cu (BR.R–CU.R), 2.36–7.73 of Fe (CU.R–BR.R), 5.34–154% of vitamin C (CA.R and BE.R – PE.R), and 0.26–110% of vitamin A (BE.R–CA.R). As in the case of the basic nutrients, the amounts of available minerals and vitamins C and A decreased in the fermentation process in a majority of the vegetables.

채소는 일상적인 인간 식단에서 미네랄과 비타민이 풍부한 식품입니다(표 8). 본 연구에서 분석된 생채소는 인간 영양에 필요한 미네랄의 권장 수준을 다음과 같이 충족합니다. Ca의 193-576% (PE. – BR.R), Mg의 206-530% (CU.R – BR.R), Zn의 1.73-2.91% (CA.R – BE.R), Cu의 1.42-3.92% (BR.R-CU.R), 2.36-7. 철분 73% (CU.R–BR.R), 비타민 C 5.34–154% (CA.R 및 BE.R – PE.R), 비타민 A 0.26–110% (BE.R–CA.R).

기본 영양소의 경우와 마찬가지로,

대부분의 채소류에서 발효 과정에서

미네랄과 비타민 C, A의 함량이 감소합니다.

Animals

Vegetables are a source of nutrients in animal nutrition as well (Table 9). The amount of 100 g of dry matter of vegetables in the feed mixture can provide the organism of ducks with approx. 0.28–1.64% of daily protein (CU.R–BR.R), 0.11–1.06% of ether extract (BR.R–PE.R), 0.72–8.54 of crude fiber (BR.R–CA.R), and 0.27- average 0.55% of daily energy (CU.R – BR.R, CA.R, PE.R and BE.R). The values in the case of pigs are as follows: approx. 0.04–0.37% of daily protein (CU.R–BR.R), 0.19- average 1.27% of ether extract (CU.R–BR.R, PE.R), 0.62–6.64 of crude fiber (CU.R–CA.R), and 0.42- average 0.57% of daily energy (CU.R–BR.R, CA.R, PE.R, and BE.R). The fermentation process reduced the amount of vegetable-derived crude protein and fiber available for the monogastric animals and increased the amount of ether extract and energy.

동물

야채는 동물 영양의 영양소 공급원입니다(표 9). 사료 혼합물에서 건조 물질 100g의 야채는 오리의 유기체에 일일 단백질(CU.R–BR.R)의 약 0.28–1.64%, 0.11–1. 에테르 추출물(BR.R–PE.R)의 06%, 조섬유(BR.R–CA.R)의 0.72-8.54, 일일 에너지의 0.27-평균 0.55%(CU.R – BR.R, CA.R, PE.R 및 BE.R). 돼지의 경우, 그 값은 다음과 같습니다: 일일 단백질의 약 0.04-0.37%(CU.R-BR.R), 0.19- 평균 1.27%의 에테르 추출물(CU.R-BR.R, PE.R), 0.62-6. 조섬유(CU.R–CA.R) 64, 그리고 일일 에너지의 평균 0.57%(CU.R–BR.R, CA.R, PE.R, BE.R).

발효 과정은

단배류 동물에게 제공되는 식물성 조단백질과 섬유질의 양을 줄이고

에테르 추출물과 에너지의 양을 증가시켰습니다.

Table 9 Percent coverage of daily demand for selected nutrients, minerals, and vitamin A by raw and fermented vegetables (100 g dry matter) consumed by monogastric animals (ducks and pigs).

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In animal nutrition, vegetables are an important source of macro- and microelements as well as vitamins, regardless of supplementation with synthetic preparations (Table 9). The analyzed vegetables provided significant amounts covering the daily requirement in the case of the following minerals: Na: 5.41–82.54% (CU.R – CA.R) and 0.84–12.76% (CU.R–CA.R) (ducks and pigs, respectively), P: 3.26–21.46% (CU.R – BR.R, ducks), Ca: 1.02–5.86% (CU.R – BR.R, ducks), Mg: 1.13–6.04 and 0.56–2.41% (CU.R – BR.R, ducks and pigs). In the case of Ca and Zn daily requirement, the levels of Ca did not exceed 1.5% in pig nutrition and 0.08% of Zn daily demand in the nutrition for ducks and pigs. The content of vitamin A in the analyzed vegetables covered the daily demand in the range of 0.31–42.19 and 0.58–79.10% (ducks and pigs, CU.R–CA.R, respectively). The addition of salt as a preservative during the fermentation process caused a several-fold increase in the Na content in the fermented vegetables. In turn, the content of other minerals and vitamin A in the fermented vegetables covered a smaller percentage of the daily requirement for these nutrients than in the raw vegetables. The largest differences in the potential to cover the nutritional demand by the raw and fermented vegetables were noted in the case of Zn (even by over 50% BR.F) and vitamin A (on average by 30% BR.F, PE.F).

동물 영양학에서, 채소는 합성 보충제(표 9)를 보충하는 것과 관계없이 비타민뿐만 아니라 거시 및 미량 원소의 중요한 공급원입니다. 분석된 채소는 다음 미네랄의 경우 일일 권장량을 충족하는 상당한 양을 제공합니다: Na: 5.41–82.54% (CU.R – CA.R) 및 0.84–12. 76% (CU.R–CA.R) (각각 오리와 돼지), P: 3.26–21.46% (CU.R – BR.R, 오리), Ca: 1.02–5.86% (CU.R – BR.R, 오리), Mg: 1.13–6.04 및 0.56–2.41%(CU.R – BR.R, 오리와 돼지). Ca와 Zn의 일일 필요량의 경우, 돼지 영양에 있어서 Ca의 수준은 1.5%를 초과하지 않았고, 오리와 돼지 영양에 있어서 Zn의 일일 필요량의 0.08%를 초과하지 않았습니다. 분석된 채소의 비타민 A 함량은 일일 권장량인 0.31-42.19 및 0.58-79.10%(오리와 돼지, 각각 CU.R-CA.R)를 충족했습니다.

발효 과정에서 소금을 보존제로 첨가하면 발효된 채소의 나트륨 함량이 몇 배 증가합니다. 발효 야채에 함유된 다른 미네랄과 비타민 A의 함량은 생 야채보다 이러한 영양소의 일일 권장 섭취량에 비해 적은 비율을 차지했습니다. 생 야채와 발효 야채의 영양소 요구량을 충족하는 잠재력에서 가장 큰 차이를 보인 것은 아연(50% 이상의 BRF)과 비타민 A(평균 30%의 BRF, PEF)였습니다.

Discussion

Lactic fermentation is a natural process carried out by lactic acid bacteria (LAB) representing the orders Lactobacillales, Bacillales, and Bifidobacteriales8. They metabolize carbohydrates in biochemical processes, with lactic acid as the main metabolism product. It is a dominant organic acid produced by microorganisms during fermentation. In the analyzed vegetables subjected to the fermentation process, lactic acid constituted from 87 (cucumber) to 81% (broccoli) of the entire pool of organic acids. A similar composition of organic acids was also reported by Liu et al.21 in investigations of fermented broccoli leaves and stalks, where the microbiota was dominated by lactic acid bacteria. Similarly, in their study of some traditionally fermented vegetables, i.e. cucumber, carrots, olives, and cabbage, Dallal et al.22 found that lactic acid bacteria were the main microorganisms responsible for the fermentation process. However, the type of fermentation bacteria depends on the type of vegetables, geographic location, temperature, and even harvesting conditions and preparation method23. During fermentation, in addition to organic acids (lactic and acetic), lactic acid bacteria (LAB) produce other substances, e.g. diacetyl, ethanol, hydrogen peroxide, reuterin, acetaldehyde, acetoine, carbon dioxide, and bacteriocins24. These natural compounds serve as biopreservative agents inhibiting the growth of pathogenic, nonpathogenic, and spoilage microorganisms. They increase the safety of fermented food, thus extending the shelf life of food products25. Moreover, these ingredients have a beneficial effect by improving food flavor, aroma, and texture. Spontaneous fermentation of food ensures greater intensity of flavor and aroma than a controlled process based on the use of pure bacterial cultures7,26. In addition to the presence of biologically active substances generated during the fermentation process, the safety of fermented food is undoubtedly ensured by the reduced pH value, which stimulates the growth of fermentation bacteria in the range of 3.5–4.5, effectively inhibiting the multiplication of pathogenic microorganisms in food. The degree and rate of progressive acidification of plant material depends on its type and susceptibility to the fermentation process. A pH value of approx. 3.96 in traditional fermented Iranian vegetables was reported by Dallal et al.22, and pH in the range of 4.4–4.7 was determined in kimchi by Choi et al.9. In turn, the pH of the fermented Polish vegetables analyzed in the present study ranged on average from 3.51 to 4.51 (carrots, cucumber, red peppers, red beet, and broccoli).

토론

젖산 발효는

락토바실러스, 바실러스, 비피도박테리움8과를 대표하는

유산균(LAB)에 의해 수행되는 자연적인 과정입니다.

이들은 생화학 과정에서 탄수화물을 대사하며, 유산이 주요 대사 산물입니다. 발효 과정에서 미생물에 의해 생성되는 지배적인 유기산입니다. 발효 과정을 거친 채소를 분석한 결과, 전체 유기산 중 87%(오이)에서 81%(브로콜리)를 차지하는 것으로 나타났습니다. Liu 외.도 발효된 브로콜리 잎과 줄기를 조사한 결과, 유사한 유기산 구성을 보고했는데, 이때 미생물 군집은 젖산균이 지배적이었습니다.21

마찬가지로,

전통적으로 발효된 채소,

즉 오이, 당근, 올리브, 양배추를 연구한 Dallal 등은22

젖산균이 발효 과정을 담당하는 주요 미생물이라는 사실을 발견했습니다.

그러나

발효 박테리아의 유형은

채소의 종류, 지리적 위치, 온도, 심지어 수확 조건과 준비 방법에 따라 달라집니다23.

발효 과정에서

젖산균(LAB)은 유기산(젖산과 아세트산) 외에도

디아세틸, 에탄올, 과산화수소, 루테린, 아세트알데히드, 아세토인, 이산화탄소,

그리고24가지 박테리오신과 같은 다른 물질들을 생성합니다.

이러한

천연 화합물들은

병원성 미생물, 비병원성 미생물, 부패성 미생물의 성장을 억제하는

생물학적 방부제 역할을 합니다.

발효 식품의 안전성을 높여 식품의 유통 기한을25 연장합니다. 또한, 이러한 성분들은 음식의 맛, 향, 질감을 개선하는 데 도움이 됩니다. 음식의 자발적 발효는 순수한 박테리아 배양물을 사용하는 통제된 공정보다 더 강렬한 맛과 향을 보장합니다7,26.

발효 과정에서 생성되는 생물학적 활성 물질의 존재 외에도,

발효 식품의 안전성은

3.5~4.5 범위에서 발효 박테리아의 성장을 촉진하는 감소된 pH 값에 의해 보장되며,

이는 식품 내 병원성 미생물의 증식을 효과적으로 억제합니다.

식물 재료의 점진적 산성화 정도와 속도는

발효 과정에 대한 유형과 민감도에 따라 달라집니다.

전통적인 발효 이란 채소의 pH 값은

약 3.96으로 Dallal 등 22에 의해 보고되었으며,

김치의 pH는 4.4-4.7 범위로 Choi 등 9에 의해 결정되었습니다.

이번 연구에서 분석된 발효 폴란드 야채의 pH는 평균 3.51에서 4.51 사이였습니다(당근, 오이, 고추, 붉은 비트, 브로콜리).

The content of basic nutrients determined in the analyzed vegetables was similar to values reported by other researchers27,28,29,30,31,32. The fermentation process reduced most of the basic nutrients in the vegetables. Reduced crude ash, crude protein, and fiber contents in fermented corn seeds were observed by Ejigui et al.1. A similar phenomenon was reported by Ifesan et al.33 in their investigations of leafy vegetables Amaranthus hybridus, Telfairia occidentalis, Vernonia amygdalina, and Pterocarpus mildbraedii fermented in a traditional way. Losses of nutrients during the fermentation process are associated with the increasing nutritional needs of the growing lactic acid bacteria and meeting their metabolic requirements when the fermented plant material becomes a medium for these microorganisms22. Researchers highlight the role of the degree of hydration of raw material subjected to fermentation, e.g. by repeated rinsing, soaking, and addition of water, as it can largely determine the intensity of changes in the content of basic nutrients in fermented plants. A relatively low water level in relation to the dry matter of fermenting plant material may increase acidity but concurrently inhibit the development of the desired microbiota34. However, despite the lower content of protein in fermented foods, a higher degree of digestibility of this nutrient has been reported35. During fermentation, proteases produced by microorganisms partially degrade and release some proteins, thereby increasing the levels of peptides and free amino acids. Higher bioavailability has been determined in the case of cystine, histidine, and asparagine. Additionally, reduced amounts of anti-nutritional compounds promoting protein cross-linking (e.g. phenolic and tannin compounds) and inhibiting digestive enzymes (e.g. trypsin and chymotrypsin inhibitors) have been reported36.

분석된 채소의 기본 영양소 함량은 다른 연구자들이 보고한 수치와 유사했습니다27,28,29,30,31,32. 발효 과정은 채소의 기본 영양소 대부분을 감소시켰습니다. 발효 옥수수 씨앗의 조단백질, 조섬유, 조회분 함량이 감소하는 현상이 Ejigui 외 연구진에 의해 관찰되었습니다1. Ifesan 외 연구진도 전통적인 방식으로 발효시킨 잎채소인 Amaranthus hybridus, Telfairia occidentalis, Vernonia amygdalina, Pterocarpus mildbraedii에 대해 조사한 결과, 이와 유사한 현상이 보고되었습니다33. 발효 과정에서 영양소의 손실은 성장하는 유산균의 영양 요구가 증가하고 발효된 식물 재료가 이 미생물의 배지가 될 때 대사 요구 사항을 충족하는 것과 관련이 있습니다22. 연구자들은 발효된 식물의 기본 영양소 함량 변화의 강도를 크게 결정할 수 있는 반복적인 헹굼, 담그기, 물 추가 등의 발효 과정을 거친 원료의 수화 정도를 강조합니다. 발효되는 식물 재료의 건조 물질에 비해 상대적으로 낮은 수위는 산도를 증가시킬 수 있지만, 동시에 원하는 미생물 군집의 발달을 억제할 수 있습니다34. 그러나 발효 식품의 단백질 함량이 낮음에도 불구하고, 이 영양소의 소화율이 더 높다는 보고가 있습니다35. 발효 과정에서 미생물에 의해 생성된 프로테아제가 일부 단백질을 분해하고 방출하여 펩타이드와 유리 아미노산의 수준을 증가시킵니다. 시스틴, 히스티딘, 아스파라긴의 경우 생체 이용률이 더 높은 것으로 확인되었습니다. 또한, 단백질 교차 결합을 촉진하고(예: 페놀 및 탄닌 화합물) 소화 효소를 억제하는(예: 트립신 및 키모트립신 억제제) 항영양 화합물의 양이 감소한 것으로 보고되었습니다36.

The present study has shown an increase in the fat content in the fermented vegetables, especially in the broccoli, cucumber, and peppers. A similar effect of fermentation was reported by Ifesan et al.33 in analyses of green parts of grapevine and amaranth, where the increase in the content of this nutrient reached from 20 to even 40%. Nevertheless, contradictory data can be found in the literature as well. In a study conducted by Aziz et al.37, the reduction of the content of fat and energy in fermented broccoli and artichoke was ascribed to a decline in the carbohydrate fraction. The authors emphasize that the value of metabolic energy and other energy values are largely influenced by e.g. crude fiber levels during the vegetation period. In addition to the type of plant material, soil fertility, climatic conditions, and agrotechnical measures have an impact on changes in nutrient levels during the fermentation process38.

The mineral composition of the vegetables selected for the present study confirm‎s that they can be a good source of minerals in the diet of humans10,33 and animals39. Very high levels of Na were determined in the fermented vegetables, which was associated with the use of salt in the traditional fermentation process. Such high salt content in fermented vegetables constitutes a certain limitation to the consumption thereof by humans40 and animals41. On the other hand, salt enhances the palatability of meals in the human diet42 and animal feed mixtures, where it is sometimes added to mask the flavor of feed materials with lower sensory attractiveness43. Besides its role in the sensory value, a high concentration of Na+ enhances the transport of active and nutritional substances into the bacterial cell, thereby accelerating and optimizing the fermentation process44. The levels of most macroelements were lower in the fermented vegetables than in the raw material. The fermentation process is accompanied with leakage of sap together with certain amounts of minerals from plant tissues45. However, minerals, especially Fe2+, Ca2+, Na+, Mg2+, and Zn2+, are indispensable for a proper course of the fermentation process46. In particular, Fe2+ and Ca2+ ions serve as coagulants necessary for agglomeration and multiplication of anaerobic microorganisms during the fermentation process. Moreover, Ca2+ ions are biocatalytic ions for microorganisms accelerating the biodegradation process. However, an excess concentration of these ions may inhibit the growth of lactic acid bacteria via dehydration of their cells. Magnesium ions in fermented vegetables act as mediators and support substrate utilization for optimization of the bacterial metabolic pathway47. The fermentation of the vegetables contributed to a favorable phenomenon, i.e. reduction of the level of such heavy metals as Cu, Pb, and Cd, which are relatively difficult to remove from plant material via culinary processing or during the preparation of animal feed. This phenomenon is probably the result of metal binding to the cell walls of fermentation bacteria and fungi. These metals are captured mainly in the adsorption process (ionic, chemical, and physical). The carboxyl, amino, hydroxyl, phosphate, and sulfhydryl groups present in the external structures of microorganisms are involved in heavy metal chelation48. Most frequently, heavy metal ions are adsorbed via complexation with negatively charged reaction sites on the cell surface49. As reported by Salehizadeh and Shojaosadati50, bacteria of the genus Bacillus are effective in binding Pb, Zn, and Cu. Microorganisms fermenting various parts of green plants may exhibit varied efficiency in removal of heavy metals. The highest effectiveness in the removal in the order Ni > Cd > Pb > Cu > Cr was exhibited by fermented root biomass roots. In turn, stem and leaf biomass removed metals in the following order: Ni > Pb > Cd > Cr and Ni > Cd > Cu > Pb > Cr, respectively15. As shown by Joshi et al.51, carrot pulp fermenting bacteria were very effective in binding Pb, Ni, Zn, and Fe.

이 연구에 따르면 발효 야채, 특히 브로콜리, 오이, 고추의 지방 함량이 증가하는 것으로 나타났습니다. Ifesan 등은 포도나무와 아마란스의 녹색 부분 분석에서 발효의 유사한 효과를 보고했습니다. 이 영양소의 함량이 20%에서 40%까지 증가했습니다.33 그럼에도 불구하고, 상반되는 데이터가 문헌에서도 발견됩니다. Aziz et al.37이 수행한 연구에서 발효된 브로콜리와 아티초크의 지방과 에너지 함량 감소는 탄수화물 함량의 감소 때문이라고 합니다. 저자들은 대사 에너지와 다른 에너지 값이 식물 성장 기간 동안의 조섬유 수준 등에 의해 크게 영향을 받는다고 강조합니다. 식물 재료의 종류 외에도 토양 비옥도, 기후 조건, 농업 기술적 조치 등이 발효 과정에서 영양소 수준의 변화에 영향을 미칩니다38.

본 연구에 사용된 채소의 미네랄 성분은 인간10,33, 동물39의 식단에서 미네랄의 좋은 공급원이 될 수 있음을 확인해 줍니다. 발효 야채에서 매우 높은 수준의 나트륨이 검출되었으며, 이는 전통적인 발효 과정에서 소금을 사용했기 때문인 것으로 추정됩니다. 발효 야채의 높은 염분 함량은 인간과 동물의 섭취에 일정한 제한을 가합니다40. 반면에, 소금은 인간의 식사와 동물 사료 혼합물의 기호성을 향상시키며, 때로는 감각적 매력이 낮은 사료 재료의 맛을 감추기 위해 첨가되기도 합니다43. 감각적 가치 외에도, 높은 농도의 Na+는 박테리아 세포 내로 활성 물질과 영양 물질의 수송을 촉진하여 발효 과정을 가속화하고 최적화합니다44. 발효된 채소의 대부분의 거대 원소 수준은 원료보다 낮았습니다. 발효 과정은 식물 조직에서 일정량의 미네랄과 함께 수액의 누출을 동반합니다45. 그러나 미네랄, 특히 Fe2+, Ca2+, Na+, Mg2+, Zn2+는 발효 과정의 적절한 진행에 필수적입니다46. 특히, Fe2+와 Ca2+ 이온은 발효 과정에서 혐기성 미생물의 응집과 증식을 위한 응고제 역할을 합니다. 또한, Ca2+ 이온은 미생물의 생분해 과정을 촉진하는 생체 촉매 이온입니다. 그러나 이러한 이온이 과도하게 집중되면 젖산균의 세포 탈수를 통해 젖산균의 성장을 억제할 수 있습니다. 발효 야채에 함유된 마그네슘 이온은 매개체 역할을 하며 세균 대사 경로의 최적화를 위한 기질 활용을 지원합니다47. 야채의 발효는 식물성 재료에서 요리 가공 또는 동물 사료 준비 과정에서 상대적으로 제거하기 어려운 중금속(Cu, Pb, Cd 등)의 수준을 감소시키는 유리한 현상에 기여했습니다. 이 현상은 아마도 발효 박테리아와 곰팡이의 세포벽에 금속이 결합한 결과일 것입니다. 이러한 금속은 주로 흡착 과정(이온, 화학, 물리)에서 포획됩니다. 미생물의 외부 구조에 존재하는 카르복실기, 아미노기, 수산기, 인산기, 설프히드릴기는 중금속 킬레이트화에 관여합니다48. 대부분의 경우, 중금속 이온은 세포 표면의 음전하를 띤 반응 부위와의 착물화를 통해 흡착됩니다49. Salehizadeh와 Shojaosadati가 보고한 바에 따르면, 바실러스 속의 박테리아는 Pb, Zn, Cu를 결합하는 데 효과적입니다50. 녹색 식물의 다양한 부위를 발효하는 미생물은 중금속 제거에 다양한 효율성을 보일 수 있습니다. 발효된 뿌리 바이오매스 뿌리는 Ni > Cd > Pb > Cu > Cr의 순서로 제거 효율이 가장 높았습니다. 줄기와 잎 바이오매스는 Ni > Pb > Cd > Cr, Ni > Cd > Cu > Pb > Cr의 순서로 금속을 제거했습니다15. Joshi et al.51에 따르면, 당근 펄프 발효 박테리아는 Pb, Ni, Zn, Fe를 결합하는 데 매우 효과적이었습니다.

Fermentation of vegetables is often associated with changes in the content of vitamins and other biologically active substances. Vitamins are essential to human and animal health, as these molecules are co-factors for many enzymes involved in all types of metabolism supporting the function of organs52. The vitamin C content in the analyzed material was reduced by up to 50%. A similar phenomenon and magnitude thereof were reported by Ifesan et al.33 in studies of grapevine leaves, Pterocarpus mildbraedii, and Vernonia amygdalina and by Grzelakowska et al.14, who analyzed cucumbers. With its strong antioxidant properties, vitamin C is a very good preservative of fermented vegetables. It plays an important role in the regulation of antioxidant mechanisms protecting cells and body fluids against oxidative stress (i.e. it affects the rate of aging). However, vitamin C is one of the most unstable vitamins. It is easily decomposed by under ultraviolet radiation, elevated temperature, and heavy metals. As suggested by Grzelakowska et al.14, fermentation-related vitamin C losses are determined by two factors: the release and activation of ascorbinase from damaged cell structures and the oxygen access. The low pH values noted during fermentation may limit the action of ascorbinase; hence, the decrease in the vitamin C content is mainly related to the process of oxidation with atmospheric oxygen14. In the fermented vegetables analyzed in the present study, the content of vitamin A and carotenes declined in comparison with their levels in the raw material. Carotenes are bioactive substances serving e.g. as vitamin A precursors. Researchers have reported variable effects of fermentation of vegetables on the level of these compounds13,53.

They emphasize that changes in the β-carotene content during fermentation are highly variable, depending on the plant material and fermentation conditions. Similarly, both losses (broccoli, cucumber, red beet) and an increase in their content (carrots, red peppers) were recorded in the present study. An increase in carotene content in fermented peppers was reported by Lee et al.53. Other changes observed in the composition of these compounds included an increase in the content of volatile carotenoid derivatives, e.g. β-ionone, β-cyclocitral, α-ionone, and β-damascenone, which gradually increased during the fermentation process. β-damascenon is characterized by fruity and floral aromas, which significantly improves the flavor and aroma of fermented vegetables. An almost 70% increase in the carotene content in fermented tomatoes was reported by Bartkiene et al.31. As shown by Chavasit et al.54, bacteria occurring naturally in fermented vegetables, e.g. Chinese cabbage, have an ability to induce an apparent increase in the content of β-carotene after 2 weeks of storage. The authors noted a visible increase in the content of β-carotene ranging from 30 to 40%. They explained these results by the enhanced release of β-carotene from carrots during processing and even storage. It is assumed that the increase in carotenes in fermented plants may actually be related to structural changes induced by fermentation, which may increase the ability to extract carotenoids13. There are also many reports of carotene losses in the process of fermentation of vegetables. Such a phenomenon was reported by Kun et al.55 after 24-h fermentation of carrot juice by Bifidobacteria. The authors found that the levels of α-carotene and β-carotene were reduced by even 25%. Similar carotene losses in fermented tomatoes accompanied by a substantial increase in the level and bioavailability of lycopene were found by Cooperstone et al.56. Slightly different conclusions were formulated by Oloo et al.12 in their investigations of sweet potatoes and oranges fermented by Lactobacillus plantarum. They recorded approximately 94% β-carotene retention after the fermentation process. As emphasized by the authors, lactic acid fermentation preserves β-carotene much more efficiently than other technologies of vegetable food and feed processing, e.g. steaming, blanching, or drying.

야채의 발효는 종종 비타민과 기타 생물학적 활성 물질의 함량 변화와 관련이 있습니다. 비타민은 인간과 동물의 건강에 필수적입니다. 이러한 분자는 모든 유형의 신진대사에 관여하는 많은 효소의 보조 인자로서 장기의 기능을 지원하기 때문입니다52. 분석된 재료의 비타민 C 함량은 최대 50%까지 감소했습니다. 이와 유사한 현상과 그 정도는 포도나무 잎, Pterocarpus mildbraedii, Vernonia amygdalina에 대한 연구에서 Ifesan et al.33에 의해, 그리고 오이를 분석한 Grzelakowska et al.14에 의해 보고되었습니다. 항산화 작용이 강한 비타민 C는 발효 야채의 보존에 아주 좋은 역할을 합니다. 비타민 C는 산화 스트레스(즉, 노화 속도)로부터 세포와 체액을 보호하는 항산화 메커니즘의 조절에 중요한 역할을 합니다. 그러나 비타민 C는 가장 불안정한 비타민 중 하나입니다. 자외선, 고온, 중금속에 쉽게 분해됩니다. Grzelakowska 외.14가 제안한 바와 같이, 발효와 관련된 비타민 C 손실은 손상된 세포 구조에서 아스코르빈아제의 방출과 활성화, 그리고 산소 접근이라는 두 가지 요인에 의해 결정됩니다. 발효 과정에서 낮은 pH 값이 관찰되는 것은 아스코르빈아제의 작용을 제한할 수 있기 때문이며, 따라서 비타민 C 함량의 감소는 주로 대기 중 산소를 이용한 산화 과정과 관련이 있습니다14. 본 연구에서 분석된 발효 야채의 경우, 비타민 A와 카로틴의 함량이 원재료의 수준에 비해 감소했습니다. 카로틴은 비타민 A의 전구물질로 작용하는 생체 활성 물질입니다. 연구자들은 야채 발효가 이러한 화합물의 수준에 미치는 영향이 다양하다고 보고했습니다13,53.

그들은 발효 과정에서 β-카로틴의 함량 변화가 식물 재료와 발효 조건에 따라 매우 다양하다고 강조합니다. 마찬가지로, 브로콜리, 오이, 붉은 비트 등의 감소와 당근, 고추 등의 증가가 모두 이 연구에서 기록되었습니다. 발효 고추의 카로틴 함량 증가에 대한 연구는 Lee 등의 연구에서 보고되었습니다.53. 이러한 화합물의 구성에서 관찰된 다른 변화에는 휘발성 카로티노이드 유도체의 함량 증가가 포함됩니다. 발효 과정에서 점차 증가하는 β-이오논, β-사이클로시트랄, α-이오논, β-다마스세논. β-다마스세논은 과일 향과 꽃 향이 특징이며, 발효 야채의 풍미와 향을 크게 향상시킵니다. 발효 토마토의 카로틴 함량이 거의 70% 증가했다는 보고가 Bartkiene et al.에 의해 발표되었습니다.31. Chavasit et al.54에 따르면, 배추와 같은 발효 야채에 자연적으로 존재하는 박테리아는 2주 동안 보관하면 β-카로틴 함량이 눈에 띄게 증가하는 것을 유도하는 능력이 있습니다. 저자들은 β-카로틴 함량이 30~40%까지 눈에 띄게 증가하는 것을 확인했습니다. 그들은 이 결과를 당근을 가공하고 저장하는 과정에서 베타카로틴이 더 많이 방출되기 때문이라고 설명했습니다. 발효된 식물에서 카로틴이 증가하는 것은 발효에 의해 유발된 구조적 변화와 관련이 있을 수 있으며, 이로 인해 카로티노이드를 추출하는 능력이 증가할 수 있다고 추정됩니다13. 야채를 발효하는 과정에서 카로틴이 손실된다는 보고도 많이 있습니다. 이러한 현상은 비피도박테리아에 의한 당근 주스의 24시간 발효 후 Kun 등55에 의해 보고되었습니다. 저자들은 α-카로틴과 β-카로틴의 수준이 25%까지 감소한다는 것을 발견했습니다. 리코펜의 수준과 생체 이용률이 크게 증가한 발효 토마토에서 유사한 카로틴 손실이 발견되었습니다.56 Oloo 등은 락토바실러스 플란타럼에 의해 발효된 고구마와 오렌지에 대한 연구에서 약간 다른 결론을 내렸습니다12. 그들은 발효 과정 후 약 94%의 β-카로틴이 유지된다는 것을 기록했습니다. 저자들이 강조했듯이, 젖산 발효는 찌기, 데치기, 건조 등 다른 채소 식품 및 사료 가공 기술보다 훨씬 더 효율적으로 β-카로틴을 보존합니다.

Different levels of antioxidant activity are observed in plant-derived foods subjected to lactic acid fermentation, which is probably related to the release of bioactive compounds with such conjugate phytochemicals as phenols. Nevertheless, the phenolic compound metabolism by lactobacilli in food fermentation is still poorly characterized57. The levels of these compounds in fermented vegetables are most often reduced, which is also accompanied by a decline in the content of flavonoids. Concurrently, the activity of lycopene and antioxidants is enhanced58. An opposite phenomenon was noted in studies of fruits. Sirilun et al.59 reported an increase in the total phenolic content and the antioxidant activity in Syzygium cumini L. fruit juice fermented by Lb. paracasei strain HII01, and Bujna et al.60 observed an increase in the amount of phenols and antioxidant activity in apricot juice. The functional value of vegetable phenols is well known, but their biological properties depend on the degree of absorption thereof in the gastrointestinal tract. Human and animal tissues and biological fluids do not contain esterases, which hydrolyze chlorogenic acid in order to release caffeic acid. This task is carried out only by the gastrointestinal microbiota. Free caffeic acid is absorbed in the stomach and small intestine more efficiently than chlorogenic acid61. Dihydrocaffeic acid exhibits high bioavailability and better antioxidant properties than its precursor, i.e. caffeic acid62. Therefore, through bacterial bioconversion, fermented vegetables are enriched with phenolic derivatives with increased bioavailability to humans and animals. As shown by Filannino et al.57 in investigations of fermented broccoli puree, Lactobacillus spp. strains exhibited specific metabolism of phenolic acids, e.g. hydroxybenzoic acids (protocatechuic acid), hydroxycinnamic acids (caffeic and p-coumaric acids), and hydroxycinnamic acid derivatives (chlorogenic acid). Similarly, L. plantarum consistently contributed to the highest functional value of modulation of phenol metabolism in fermented vegetables. The fermentation process carried out in this way yielded a product with an above-average content of phenolic acids that were highly bioavailable to the human or animal organism.

Vegetables provide nutrients necessary for the health and proper function of the organism. They are naturally low in fat and calories. In human and animal diets, they are the main source of bioactive substances, e.g. minerals, vitamins, or other biologically active compounds11. Vegetables are recommended as the basis of the diet in human nutrition. For the adult population, 4–5 daily servings of vegetables are recommended for consumption at regular intervals18. Although it reduced the content of most basic nutrients, minerals, and vitamins, the fermentation process is regarded by nutritionists as beneficial to human health. It contributes to an increase in the bioavailability of these nutrients and stabilization of the gastrointestinal tract environment due to the presence of lactic acid bacteria and reduced pH values24,61. Additionally, the probiotic bacteria present in fermented food can boost metabolism and intensify decomposition and removal of toxins. Subjects that consume greater amounts of products from this group as part of a healthy balanced diet are less likely to develop some chronic diseases, e.g. obesity or gastrointestinal diseases. Additionally, their immune system is mobilized to ensure higher resistance to viral, bacterial, and fungal infections63. A risky component of traditionally fermented food is the high salt content, especially in pickled cucumbers; hence, it is recommended to limit consumption of these products64.

As in the human diet, the presence of fermented plants is recommended in animal nutrition. The fermentation process modifies the chemical composition of preserved vegetables, e.g. it reduces the concentration of dry matter and certain nutrients. The reduction of the content of dietary fiber, i.e. one of the most important nutrients in feed for animals, is a favorable phenomenon in poultry and pig nutrition65,66. Although dietary fiber should be contained in feed rations at the levels of 3–4% in piglets, 6% in fattening pigs, 10% in sows, 3–4% in broiler chickens and turkeys, 5–9% in geese, and 5–6% in ducks for proper functioning of the gastrointestinal tract, its excess may deteriorate the digestibility of feed mixtures19,20. Fiber enhances intestinal peristalsis and shortens the food transit time in the intestines. Its excess amounts in the food ration may also cause deficiencies in energy, protein, or other nutrients. It can also cause flatulence and diarrhea, which only exacerbates the problem of worsened feed conversion and a decline in weight gain rates67,68. Currently, the nutrition of animals in intensive production is based on industrial fodder, which mainly consists of dietary fiber-rich cereals. The introduction of fermented fodder into animal diet can optimize the amount and quality of fiber. The safety of administration of silage to animals is ensured by its high quality achieved by fermentation of high-quality vegetables and maintenance of anaerobic conditions with rapid achievement of low pH69. Chemical and biological additives that rapidly reduce silage pH and prevent oxygen degradation are frequently used in animal production70. Properly prepared and administered silage is an excellent feed with considerable health-enhancing and probiotic effects on farm animals71. However, various undesirable microorganisms can colonize silage at an insufficiently low pH value or oxygen availability. A higher probability of such spoilage is noted when large amounts of plants for animals are ensiled in piles or bales72. The undesirable microorganisms are represented by e.g. Clostridium botulinum, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes, Escherichia coli, other Enterobacteriaceae species, and molds. Animal health may also be threatened by metabolites produced by these microorganisms, e.g. butyric acid or mycotoxins produced by certain molds6. Therefore, to ensure the safety of silage, it is important to monitor its quality constantly at every stage of preparation and application.

유산 발효를 거친 식물성 식품에서 다양한 수준의 항산화 작용이 관찰되는데, 이는 아마도 페놀과 같은 생리활성 화합물의 방출과 관련이 있을 것입니다. 그럼에도 불구하고, 식품 발효 과정에서 락토바실리에 의한 페놀 화합물의 대사는 아직 제대로 밝혀지지 않았습니다57. 발효 야채에서 이러한 화합물의 수준은 대부분 감소하는 경향이 있으며, 이는 플라보노이드 함량의 감소와도 관련이 있습니다. 동시에, 리코펜과 항산화제의 활동이 강화됩니다58. 과일에 대한 연구에서는 반대 현상이 관찰되었습니다. Sirilun 등 59은 Lb. paracasei 균주 HII01에 의해 발효된 Syzygium cumini L. 과일 주스의 총 페놀 함량과 항산화 활성이 증가했다고 보고했으며, Bujna 등 60은 살구 주스의 페놀 함량과 항산화 활성이 증가했다고 관찰했습니다. 식물성 페놀의 기능적 가치는 잘 알려져 있지만, 이들의 생물학적 특성은 위장관에서 흡수되는 정도에 따라 달라집니다. 인간과 동물의 조직과 생물학적 체액에는 카페산을 방출하기 위해 클로로겐산을 가수분해하는 에스테라아제가 포함되어 있지 않습니다. 이 작업은 위장 미생물군집에 의해서만 수행됩니다. 카페인은 클로로겐산보다 위와 소장에서 더 효율적으로 흡수됩니다61. 디하이드로카페인은 그 전구체인 카페인보다 생체이용률이 높고 항산화 효과가 더 뛰어납니다62. 따라서 발효 야채는 박테리아의 생체 전환을 통해 인간과 동물에게 더 높은 생체이용률을 가진 페놀 유도체로 강화됩니다. 발효 브로콜리 퓌레에 대한 Filannino 등의 연구에 따르면, 락토바실러스 종은 페놀산(예: 하이드록시벤조산(프로토카테츄산), 하이드록시신남산(카페산 및 p-쿠마르산), 하이드록시신남산 유도체(클로로겐산) 등)의 특정 대사를 나타냈습니다. 마찬가지로, L. plantarum은 발효 야채의 페놀 대사 조절 기능에서 가장 높은 기능적 가치를 지속적으로 기여했습니다. 이러한 방식으로 수행된 발효 과정은 인간이나 동물 유기체에 생체이용률이 높은 페놀산의 평균 이상의 함량을 가진 제품을 생산했습니다.

채소는 유기체의 건강과 적절한 기능에 필요한 영양소를 제공합니다. 채소는 자연적으로 지방과 칼로리가 낮습니다. 인간과 동물의 식단에서 채소는 미네랄, 비타민 또는 기타 생물학적 활성 화합물과 같은 생체 활성 물질의 주요 공급원입니다11. 채소는 인간 영양의 기본 식단으로 권장됩니다. 성인 인구의 경우, 일정한 간격으로 채소를 4~5회 섭취하는 것이 좋습니다18. 발효 과정은 대부분의 기본 영양소, 미네랄, 비타민 함량을 감소시키지만, 영양학자들은 발효 과정이 인체 건강에 유익하다고 생각합니다. 발효 과정에서 젖산균이 존재하고 pH 수치가 낮아지기 때문에 이러한 영양소의 생체 이용률이 증가하고 위장 환경이 안정화됩니다24,61. 또한, 발효 식품에 존재하는 프로바이오틱 박테리아는 신진대사를 촉진하고 독소의 분해 및 제거를 강화할 수 있습니다. 건강한 식단의 일환으로 이 그룹의 제품을 많이 섭취하는 사람들은 비만이나 위장병과 같은 만성 질환에 걸릴 가능성이 적습니다. 또한, 면역 체계가 활성화되어 바이러스, 박테리아, 곰팡이 감염에 대한 저항력이 높아집니다63. 전통적으로 발효된 식품의 위험한 요소는 특히 피클에 함유된 높은 염분 함량입니다. 따라서 이러한 제품의 섭취를 제한하는 것이 좋습니다64.

인간 식단에서와 마찬가지로, 동물 영양에 있어서도 발효 식물의 섭취가 권장됩니다. 발효 과정은 보존된 채소의 화학 성분을 변화시킵니다. 예를 들어, 건조 물질과 특정 영양소의 농도를 감소시킵니다. 동물 사료에서 가장 중요한 영양소 중 하나인 식이섬유의 함량을 감소시키는 것은 가금류와 돼지의 영양에 유리한 현상입니다65,66. 식이섬유는 위장관의 적절한 기능을 위해 자돈의 경우 3-4%, 비육돈의 경우 6%, 모돈의 경우 10%, 육계와 칠면조의 경우 3-4%, 거위의 경우 5-9%, 오리의 경우 5-6%의 비율로 사료 배합에 포함되어야 하지만, 그 양이 과도하면 사료 혼합물의 소화율이 떨어질 수 있습니다19,20. 섬유질은 장 연동 운동을 촉진하고 장에서 음식물이 통과하는 시간을 단축시킵니다. 사료에 섬유질이 과다하게 함유되어 있으면 에너지, 단백질 또는 기타 영양소가 부족해질 수 있습니다. 또한, 헛배부름과 설사를 유발할 수 있으며, 이는 사료 전환율 저하와 체중 증가율 감소 문제를 악화시킬 뿐입니다67,68. 현재, 집중 생산 방식의 동물 영양은 주로 식이섬유가 풍부한 곡물로 구성된 산업용 사료를 기반으로 합니다. 발효 사료를 동물 사료에 도입하면 섬유질의 양과 질을 최적화할 수 있습니다. 고품질 채소를 발효시켜 낮은 pH69를 빠르게 달성하고 혐기성 조건을 유지함으로써 고품질의 사일리지 공급이 가능해집니다. 사일리지 pH를 빠르게 낮추고 산소 분해를 방지하는 화학 및 생물학적 첨가제는 동물 생산에 자주 사용됩니다70. 제대로 준비되고 관리된 사일리지(silage)는 농장 동물에게 상당한 건강 증진 및 프로바이오틱 효과를 주는 우수한 사료입니다71. 그러나, 다양한 바람직하지 않은 미생물은 pH 값이 충분히 낮지 않거나 산소가 충분하지 않은 상태에서 사일리지에 서식할 수 있습니다. 이러한 부패의 확률은 동물용 식물을 대량으로 쌓아 놓거나 묶음으로 묶을 때 더 높습니다72. 바람직하지 않은 미생물은 예를 들어 다음과 같이 나타납니다. 클로스트리듐 보툴리눔, 바실러스 세레우스, 리스테리아 모노사이토제네스, 대장균, 기타 장내 세균, 곰팡이. 동물 건강은 또한 이러한 미생물에 의해 생성된 대사 산물, 예를 들어 특정 곰팡이에 의해 생성된 부티르산이나 마이코톡신6에 의해 위협받을 수 있습니다. 따라서 사일리지의 안전을 보장하기 위해서는 준비 및 적용의 모든 단계에서 품질을 지속적으로 모니터링하는 것이 중요합니다.

Conclusion

Both fresh and fermented vegetables are good sources of nutrients and bioactive compounds. The largest amounts of basic components were recorded for the concentration of dry matter (broccoli and carrots) and crude fiber (broccoli, carrots, peppers, and red beet). The highest levels of Ca and Mg were found in broccoli, carrots, and red beet, K in broccoli and red beet, and vitamin A, carotene, and phenolic compounds in carrots, peppers, and broccoli. The fermentation process reduced the water content in plant tissues, which contributed to a relative increase in the concentration of nutrients, with the exception of crude fat and energy. The fermentation process contributed to the generation of large amounts of lactic acid in the vegetables, which can stabilize the gastrointestinal tract environment. Additionally, the process increased the amounts of vitamin A and carotene in carrots and red peppers, while reduced levels of these components were observed in the other vegetables. All fermented vegetables were characterized by lower levels of heavy metals, i.e. Cu, Pb, and Cd. Despite the relative loss of some nutrients and bioactive compounds, the physical and chemical changes induced by the fermentation process provided vegetables with new functionalities, e.g. probiotic character and durability. The reduced pH of the vegetables increased their microbiological stability and extended their shelf life.

결론
신선한 채소와 발효된 채소 모두 영양소와 생체 활성 화합물의 좋은 공급원입니다. 건조 물질(브로콜리와 당근)과 조섬유(브로콜리, 당근, 고추, 붉은 비트)의 농도에서 가장 많은 양의 기본 성분이 기록되었습니다. Ca와 Mg의 최고 수준은 브로콜리, 당근, 붉은 비트에서, K는 브로콜리와 붉은 비트에서, 비타민 A, 카로틴, 페놀 화합물은 당근, 고추, 브로콜리에서 발견되었습니다. 발효 과정은 식물 조직의 수분 함량을 감소시켰고, 이로 인해 조지방과 에너지를 제외한 영양소 농도가 상대적으로 증가했습니다. 발효 과정은 채소에 다량의 젖산을 생성하는 데 기여했으며, 이 젖산은 위장관의 환경을 안정화할 수 있습니다. 또한, 이 과정은 당근과 고추에 비타민 A와 카로틴의 양을 증가시키는 반면, 다른 채소에서는 이러한 성분의 수준이 감소하는 것으로 나타났습니다. 발효된 모든 채소는 중금속(Cu, Pb, Cd) 함량이 낮았습니다. 일부 영양소와 생리 활성 화합물의 상대적 손실에도 불구하고, 발효 과정에 의해 야채에 새로운 기능(프로바이오틱 특성, 내구성 등)이 부여되었습니다. 야채의 pH가 낮아짐에 따라 미생물학적 안정성이 향상되고 유통 기한이 연장되었습니다.

Materials and methods

Plant material and fermentation conditions

The investigations were conducted on five vegetables species. All methods were used in accordance with the relevant UE guidelines/regulations/legislation. Vegetables that are most often fermented in traditional cuisines and used in animal nutrition in Europe (including Poland), Asia, and America were selected for the investigations (Table 1). The characteristics of the analyzed vegetables and the experimental design are shown in Table 2. Whole fresh plant materials were purchased in a specialist shop in 2019 (Lublin, Poland). As specified by the seller, the raw vegetables originated from a farm localized in the southeast of Poland.

The fermentation process was carried out in accordance with the traditional recipe used in the Polish cuisine. 1-L sterile glass jars were used for the fermentation. Approximately 600 g of raw vegetables were shredded into ca. 1 cm thick pieces and placed in the jars. Spice additives that are used traditionally in Eastern Europe for vegetable fermentation, i.e. 20 g of horseradish (Armoracia rusticana), 10 g of garlic (Allium sativum), 0.2 g of pepper (Piper nigrum), 0.5 g of white mustard (Sinapis alba), and 20 g of dill (Anethum graveolens), were placed in each jar. The vessels with the material were filled with brine with a NaCl concentration of 2.5%. The amount of the brine was sufficient to cover the sliced vegetables completely. The jars were then covered with screw caps and kept at 24 °C for 3 weeks. Afterwards, the jars were transferred to refrigeration conditions (6 °C) in order to slow down and equalize the fermentation activity. Four repetitions of the fermentation process with four jars containing fermented vegetables were carried out (for each vegetable separately).

Organic acids, pH measurement, and basic composition

The content of organic acids in the fermented vegetables was determined with gas chromatography on an Agilent Technologies 6890 N gas chromatograph with a FID detector; carrier: helium; HP-5 capillary column with an internal diameter of 320 μm and a length of 28.5 m; FID detector temperature 250–260 °C, 2.0 min73.

The proper course of the fermentation process was verified via weekly measurements of the acidity of the fermentation juice. The optimal acidity of pH 3–4 for lactic acid bacteria inhibiting the development of potential pathogens was assumed as the fermentation safety criterion, as proposed by Montet et al.16. The measurements were carried out using a Pen Type Meters EZDO 6011A Waterproof pH Meter with a regular electrode (GMM, Taiwan).

The chemical analyses were conducted in three replications of each combination of vegetables. The content of dry matter (Method 44-15A) and basic nutrients (crude ash—Method 08-01, crude protein—Method 46-06, ether extract (crude fat determined with the Soxhlet method)—Method 30-10) in the vegetables samples (250 g of each vegetables) was determined according to standard AOAC74 procedures.

The energy value of the analyzed vegetables was based on the Atwater general factors for the energy density of fat and protein (9 and 4 kcal·g−1, respectively)75.

The chemical analysis consisted in determination of the mineral content in mineralized plant samples (n = 3) of each combination of vegetables. The contents of the elements were determined in 3-g vegetable samples after incineration in a muffle furnace at 480 °C. The resultant ash was solubilized on crucibles using 6 mol l−1 of spectrally pure hydrochloric acid (POCH, Poland). Na and K were analyzed using flame atomic emission spectroscopy (FAES) with a flame photometer (Pye Unicam SP 2900, Cambridge, UK). Ca, Mg, Zn, Cu, and Fe were determined using flame atomic absorption spectroscopy (FAAS) with a SOLAAR 939/959 spectrophotometer (Unicam, Cambridge, UK) according to the Polish Norm PN-EN ISO 6869:200276. The phosphorus content was determined with the spectrometric method at 400 nm using a Helios Alpha UV–VIS apparatus (Spectronic Unicam, Leeds, UK), according to AOAC74. The detailed parameters of the chemical determinations were described in an earlier publication77. The content of Cd and Pb was determined using ICP (inductively coupled plasma mass spectrometry) in a Varian 820 MS spectrometer (Varian, Melbourne, Australia). Cd and Pb standards characterized by 99.999% purity and certified reference material (CRM): INCT-TL-1 Tea leaves (containing 0.030 mg of Cd and 1.78 mg of Pb per 1 kg) were used.

Determination of vitamin C and A, carotene, and total phenols

The content of vitamin C in the analyzed vegetables was determined with the HPLC (Agilent Technologies, Model 1100, Waldbronn, Germany) technique and the method described by Valente et al.78 with minor modifications. The samples were placed in a ReproSilPur C18 column (250 × 4.6 mm, particle size: 5 µm; Dr. Masich, GmbH). The mobile phase contained 20 mM ammonium dihydrogen phosphate, pH 3.5, and 0.015% (w/v) metaphosphoric acid at a flow rate of 0.6 mL/min. Pure L-ascorbic acid was used as a standard.

Vitamin A was analyzed with the use of an Agilent 1100 series HPLC system (Wald-bronn, Germany) equipped with an Inertsil ODS-SP column (4.6 × 150 mm, 5 µm, Shimadzu). The mobile phase was 90% v/v methanol in water, and the flow rate was 0.8 mL/min. The absorption wavelength for detection was 325 nm, and the sample volume was 10 µl. The separation was carried out at the temperature of 30 °C.

For determination of carotene, the samples were eluted isocratically in the HPLC mobile phase at a flow rate of 1.2 mL/min (Waldbronn, Germany). A multiwave programmable detector (model MD 910, JASCO) and a Borwin PDA version 1.50 system controller (JASCO) were used. Carotenoids were identified and quantified at 450 nm against known standards. The details of the method are given in an earlier publication5.

The total phenolic content was determined using the spectrophotometric method79. A methanolic solution of the extract at a concentration of 1 mg/mL was used in the analysis. The reaction mixture was prepared by mixing 0.5 mL of the methanolic solution of the extract, 2.5 mL of the 10% Folin-Ciocalteu reagent dissolved in water, and 2.5 mL of 7.5% NaHCO3. The methodology of the total phenolic determination is described in previous publications5,80. The results were expressed as GAE (Gallic Acid Equivalents).

All analyses were performed in triplicate, and the means and standard deviations shown in the tables refer to the replication of fermentation within the vegetable species (n = 4) (each vegetable type was subjected to a separate fermentatiom process in 4 replications).

Calculation of the dietary intake of nutrients in raw and fermented vegetables per serving for humans and daily demand coverage for animals

The daily human intake of proximal nutrients: protein, fat, energy, minerals: Ca, Mg, Zn, Cu, Fe, and vitamins C and A per one serving of the raw and fermented vegetables was calculated. One serving of the vegetables was assumed to weigh 100 g, based on the weight of vegetables recommended for consumption by the Department of Health and Human Services and the U.S. Department of Agriculture17. The determined values of nutrients in the vegetables were compared to the current dietary recommendations17,18.

Nutrients that are essential for the rearing cycle of monogastric animals (poultry and pigs) were analyzed: crude protein, ether extract, crude fiber, energy, and vitamin A as well as Na, Ca, Mg, P, and Zn minerals, for which the percentage coverage of the demand by a portion of 100 g dry matter of raw and fermented vegetables was calculated. Broiler ducks and fattener pigs in rearing period III (finisher), which can be fed with this type of fodder, were selected for the study as examples of animal species and technological groups. The calculations in these groups of animals were carried out in accordance with the nutritional recommendations developed by the Institute of Animal Physiology and Nutrition, Polish Academy of Sciences19,20.

Statistical analysis

The analyses were performed in triplicate and all data were expressed as means. The normality of data and homogeneity of variances were tested using the Shapiro–Wilk and Brown-Forsythe tests, respectively. All data were subjected to multivariate analysis of variance (MANOVA) using general linear model (GLM) procedures with two fixed factors (raw and fermented vegetables). For MANOVA analysis, the Wilk test was used for eval‎uation of significant effects and one way analysis of variance (ANOVA) was used to determine significant differences between both groups and individual components at a confidence level of P < 0.05. All data were analyzed with the Statistica software version 13.3.

MANOVA was performed with the GLM procedure to test the main effects and their interaction. The following model was used:

μYijk=μ+Ai+Bj+ABij+eijk

where Yijk—the measured variable, μ—the overall mean, Ai—the effect of the ith species of the vegetables, Bj—the effect of the jth fermentation process, ABij—the interaction of Ai and Bj, and eijk—the random error.

ANOVA was used to determine significant differences between both groups and individual components. The following models were used:

Yij=μ+ ai+ eij

where Yij—the measured variable, μ—the overall mean; ai—the fermentation process effect, and eij—the random error.

and

Yij=μ+ ai+ eij

where Yij—the measured variable, μ—the overall mean; ai—the vegetable species effect, and eij—the random error.

References

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