Re: 곡물발효 탐구 2024 리뷰!!

[문형철]

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• Published: 16 September 2024

Review on effect of fermentation on physicochemical properties, anti-nutritional factors and sensory properties of cereal-based fermented foods and beverages

• Daniel Asfaw Kitessa 

Annals of Microbiology volume 74, Article number: 32 (2024) Cite this article

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Abstract

Fermentation is the oldest biotechnology in which a metabolic process carried out without the involvement of oxygen. It is one of the food processing methods that improve the nutrient contents and sensorial properties with potentially reducing or eliminating pathogenic microorganisms and natural toxins. The aim of this review is to compare, contrast and summarize the scientific data on the effect of fermentation on physicochemical properties, anti-nutritional factors and sensory properties of cereal-based fermented foods and beverages. The results of this review showed that fermentation improves the nutritional value of some proximate composition such as crude protein and fat contents, while decreases the carbohydrate and crude fiber contents. It also improves the bioavailability, antioxidant activities and sensory properties of cereal-based foods and beverages. This review concluded that fermentation improves the nutritional quality of proximate composition, bioavailability of minerals and phytochemicals, and decrease the anti-nutritional factors of cereal-based fermented foods and beverages.

초록

발효는

산소가 관여하지 않는 대사 과정으로 이루어지는

가장 오래된 생명공학 기술 중 하나입니다.

이는 영양소 함량과 감각적 특성을 개선하며

병원성 미생물과 천연 독소를 감소시키거나 제거할 수 있는 식품 가공 방법 중 하나입니다.

본 리뷰의 목적은

곡물 기반 발효 식품 및 음료의 물리화학적 특성, 항영양 인자,

그리고 감각적 특성에 미치는 발효의 영향을 과학적 데이터를 비교, 대조, 요약하는 것입니다.

본 리뷰의 결과는

발효가 조단백질 및 지방 함량과 같은 일부 근위 성분의 영양가를 향상시키지만,

탄수화물 및 조섬유 함량은 감소시킨다는 것을 보여줍니다.

또한 발효는

곡물 기반 식품 및 음료의 생체 이용률, 항산화 활성 및 감각적 특성을 개선합니다.

본 리뷰는

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 근위 성분의 영양 품질,

미네랄 및 식물 화합물의 생체 이용률을 개선하고 항영양 인자를 감소시킨다고 결론지었습니다.

Introduction

Fermentation is the oldest biotechnology in which a metabolic process carried out without the involvement of oxygen (Ray and Joshi 2014). It is one of the food processing methods that improve the nutrient contents and sensorial properties with potentially reducing or eliminating pathogenic microorganisms and natural toxins (Abegaz et al. 2002; Hasan et al. 2014). Fermentation has been practiced for millennia; however, till today, it is a chosen processing method due to its shelf life enhancement and improving nutritional values of food products with enhancing the health of human bodies by providing probiotics (Anal 2019; Baruah et al. 2022). Like the fermentation method, the ultra-processing method and the E-numbers improve the shelf life of food products, although their products are associated with negative health effects (Asioli et al. 2017; Monteiro et al. 2019).

Spontaneous fermentation commonly occurs under uncontrolled conditions, while modern fermentation is carried out under controlled conditions, which results in consistency in the quality and safety of products (Abegaz et al. 2002; Skřivan et al. 2023). In spontaneous fermentation, the fermenting microorganisms come from the environment or back slopping (Ashenafi and Mehari 1995; Bacha 1997). However, in modern fermentation, microorganisms are selected and/or improved starter cultures (Adrio and Demain 2006; Skřivan et al. 2023). During the fermentation process, microorganisms usually consume carbohydrates as major substrates for metabolic processes. However, most fermented foods and beverages contain a complex mixture of carbohydrates, proteins, and fats undergoing modifications simultaneously by the action of microorganisms and their enzymes (Assohoun et al. 2013; Hasan et al. 2014).

Fermented products can play an important role in contributing to the livelihoods of rural and peri-urban dwellers through enhanced food security, and income generation via a valuable small scale enterprise option (Marshall and Mejia 2011). There is a diversity of fermentable substrates available year-round so the activity can provide a regular income. Today, fermentation is still widely practiced as a household or village-level technology in many countries (Holzapfel 2002). Therefore, the aim of this review is to compare, contrast and summarize the scientific data on the effect of fermentation on physicochemical properties, anti-nutritional factors and sensory properties of cereal-based fermented foods and beverages.

서론

발효는 산소가 관여하지 않는 대사 과정으로 이루어지는 가장 오래된 생명공학 기술입니다(Ray and Joshi 2014). 이는 영양소 함량과 감각적 특성을 개선하며 병원성 미생물과 천연 독소를 감소시키거나 제거할 수 있는 식품 가공 방법 중 하나입니다(Abegaz et al. 2002; Hasan et al. 2014). 발효는 수천 년 동안 실천되어 왔으며, 오늘날에도 저장 수명을 연장하고 식품 제품의 영양 가치를 향상시키며 프로바이오틱스를 제공하여 인간 건강을 증진시키는 선택된 가공 방법으로 사용되고 있습니다(Anal 2019; Baruah et al. 2022). 발효 방법과 마찬가지로 초가공 방법과 E-번호는 식품 제품의 저장 수명을 개선하지만, 그 제품들은 부정적인 건강 영향과 연관되어 있습니다(Asioli et al. 2017; Monteiro et al. 2019).

자연 발효는 통제되지 않은 조건에서 일반적으로 발생하는 반면,

현대 발효는 통제된 조건에서 이루어져 제품의 품질과 안전성에서 일관성을 보장합니다(Abegaz et al. 2002; Skřivan et al. 2023).

자연 발효에서 발효 미생물은

환경이나 백 슬로핑에서 유래합니다(Ashenafi and Mehari 1995; Bacha 1997).

그러나

현대 발효에서는 미생물이 선별되고/또는 개선된 스타터 배양으로 사용됩니다(Adrio and Demain 2006; Skřivan et al. 2023).

발효 과정 동안 미생물은

대사 과정의 주요 기질로 탄수화물을 주로 소비합니다.

그러나

대부분의 발효 식품 및 음료는

탄수화물, 단백질, 지방의 복잡한 혼합물을 포함하며,

미생물과 그 효소의 작용에 의해 동시에 변형됩니다(Assohoun et al. 2013; Hasan et al. 2014).

발효 제품은

식량 안보를 강화하고 소규모 기업 옵션을 통해 소득을 창출함으로써

농촌 및 도시 근교 거주자들의 생계에 중요한 역할을 할 수 있습니다(Marshall and Mejia 2011).

연중 사용할 수 있는 다양한 발효 가능한 기질이 있어

이 활동은 정기적인 소득을 제공할 수 있습니다.

오늘날 발효는

여전히 많은 국가에서 가정 또는 마을 수준 기술로 널리 실천되고 있습니다(Holzapfel 2002).

따라서 본 리뷰의 목적은

곡물 기반 발효 식품 및 음료의 물리화학적 특성, 항영양 인자,

그리고 감각적 특성에 미치는 발효의 영향을 과학적 데이터를 비교, 대조, 요약하는 것입니다.

Effect of fermentation on proximate composition of cereal-based fermented foods and beverages

Fermentation improves the nutritional quality of foods and beverages (Table 1). According to the findings of some authors, fermentation increases the essential amino acids of fermented food and beverage products (Lee et al. 1999; Agrahar-Murugkar and Subbulakshmi 2006). Similarily, Svanberg and Lorri (1997) and Mugula et al. (2003) reported that the fermentation of cereals with lactic acid bacteria and yeast cultures has been shown to increase the protein content of fermented foods and beverages. Natural fermentation of maize and soybean increases total soluble solids and non-protein nitrogen and slightly increases the protein contents of end products (Kiers et al. 2000; Nwokoro and Chukwu 2012). During natural fermentation to produce Kinema, there was little change in the crude protein and fats of the product (Shrestha and Noomhom, 2002). Like-wise, many researchers reported the increment of protein content during cereal-based spontaneous fermentation such as Akamu, Borde, Shamita (beverage), Ragi, and Medida (Ashenafi and Mehari 1995; Kabeir et al. 2004; Nwokoro and Chukwu 2012; Padmaharish et al. 2018).

The protein content of complementary foods prepared from millet, sorghum, pumpkin, and amaranth seed flours was reported to increase during 36 h of fermentation (Simwaka et al. 2017). Similarly, the protein content of ‘Hawaijar’ a fermented soybean product, increased after 72 h of fermentation (Chaudhary et al. 2018). Bacha (1997) reported that the concentration of soluble protein increased in Borde and Shamita at 12 h of fermentation when the products were ready for consumption. Also, Kabeir et al. (2004) compared the protein content of spontaneously fermented and Bifidobacterium Longum BB 536 fermented medida in which the protein contents of Bifidobacterium Longum BB 536 fermented Medida increased twice that of the spontaneously fermented counterpart. However, Marko et al. (2014) who studied the performance of lactic acid fermentation on eight samples of cereal and pseudo-cereal flours concluded that the total protein content did not significantly change during fermentation in the majority of the cereal substrates.

The proteolysis of protein during fermentation produces peptides and amino acids which increase the soluble protein contents; however, as the fermentation continues amino acids metabolized to ammonia and flavor compounds which decrease protein contents (Pranoto et al. 2013). Some authors reported that the extent to which proteins are increased or decreased depends on fermentation conditions and types of microorganisms (Ikeda and Nakagawa 2003; Onwulata and Konstance 2006; Omafuvbe 2008; Pranoto et al. 2013). Most of the hydrolytic enzymes produced by Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Pseudomonas dacunhae and Crypotococcus lurendii are used to produce optically pure D and L- amino acids in higher concentrations (Ikeda and Nakagawa 2003). Omafuvbe (2008) reported that proteolytic activities in Dawadawa fermented at the optimum temperature of 35oC were the highest; but there were no proteolytic activities at 25oC.

The major carbohydrate in cereals is starch, one of the major sources of energy (calories) for people around the world (Chaves-López et al. 2014). Fermentation activates starch-hydrolyzing enzymes such as α-amylase and maltase which degrade starch into maltodextrins and simple sugars leading to a decrease in the level of starch contents in fermented foods and beverages (Bacha 1997; Blandino et al. 2003; Osman 2011; Belay and Awraris 2014). Gudeta and Admassu 2017 also reported that the reduction of carbohydrates during fermentation might be due to increased microbial activities that use energy in metabolizing carbohydrates.

Several reports show that fermentation decreases the original carbohydrate content in due courses of fermentation. For instance, fermentation decreases the carbohydrate content of composite complementary food products made of Sorghum-Amaranth, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, and Millet-Pumpkin-Amaranth (Simwaka et al. 2017). The total carbohydrate content was reduced during cereal and pseudo-cereal flour fermentation with Lactobacillus plantarum (Marko et al. 2014). Similarly, in ‘Akuma’ And ‘Medida’, fermented porridges commonly consumed in Nigeria and Sudan, respectively, the carbohydrate content decreased with fermentation time (Kabeir et al. 2004; Nwokoro and Chukwu 2012).

Fermentation increases the crude fat contents of cereal-based fermented products such as ‘Borde’, an Ethiopian low-alcoholic beverage commonly consumed in the central and southern parts, and ‘Doklu’ produced and consumed in Côte d’Ivoire (Bacha et al. 1998; Assohoun et al. 2013). This might be due to the mass balance between fat and carbohydrate during fermentation or the formation of short-chain fatty acids by some types of microorganisms (Onyango et al. 2005; Morrison and Preston 2016). Shresth and Noomhom, 2002 reported that ‘Kinema’ fermentation led to substantial increases in the free fatty acids of the product. In contrast, the crude fat content of composite Ogi made from Millet-Cowpea and Sorghum-Cowpea decreased during fermentation time (Oyarekua 2011). The increment of some fatty acids and decrement of crude fat content might be due to the lipolytic activities during fermentation time (Tanasupawat et al. 2015). Marko et al. (2014) studied the effect of lactic acid fermentation with Lactobacillus plantarum on different cereals and pseudo-cereal flours in which a significant reduction in total lipids was observed during 24 h of fermentation time. The fat content of ‘Medida’, a Sudanese fermented thin porridge, decreased when spontaneously fermented but increased when fermented with an appropriate starter culture called Bifidobacterium Longum BB 536 (Kabeir et al. 2004).

The effects of fermentation on the ash contents have mixed findings with some researchers reporting that fermentation increases the ash contents of fermented products (Ashenafi and Mehari 1995; Kabeir et al. 2004); while others reported that fermentation decreases ash content (Oyarekua 2011; Assohoun et al. 2013). Simwaka et al. (2017) reported that the ash content of composite complementary food made of Sorghum-Amaranth, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, and Millet-Pumpkin-Amaranth flour decreased during fermentation. Similarly, Igbabul et al. (2014) reported that during the fermentation of cocoyam flour, the ash contents decreased gradually with fermentation. However, the ash contents of Borde and Shamita increased from 1.6 to 3.66 and 2.1–5.92%; respectively, during fermentation for 24 h (Ashenafi and Mehari 1995). Thus, there was no conclusive information on the effects of fermentation on the ash content of the final fermented product.

Dietary fiber is defined as the sum of lignin and polysaccharides such as arabinoxylans, β-glucans, cellulose, resistant starch, fructans, and lignin that are not digested by the human digestive enzymes (Dhingra et al. 2011; Bach Knudsen et al. 2017). Like carbohydrate contents, fermentation decreases the content of dietary fiber due to the enzymatic breakdown of the fiber structure by lactic acid bacteria (Vázquez and Murado 2008). During the fermentation of cocoyam flour, co-fermented millet and cowpea mixture, and Ogi, the fiber contents decreased throughout fermentation (Oyarekua 2011; Igbabul et al. 2014). In the same way, Ojokoh et al. (2013) reported that the fiber content of composite flour made of breadfruit and cowpea decreased during fermentation.

Fermentation decreases the molecular weight of β-glucans and modifies the residues ratios of fermented food products which have an impact on the physiological activities of polysaccharides (Lu et al. 2019; Tsafrakidou et al. 2020). Xiao et al. (2020) reported that fermentation by Lactobacillus plantarum dy-1 altered the state of β-glucan from a compact form (rod-shaped) in the raw barley to a smooth sheet-like structure in the fermented barley which may contribute to enhancing water adsorption or the molecular binding ability of the end product.

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 근위 성분에 미치는 영향

발효는

식품 및 음료의 영양 품질을 개선합니다(표 1).

일부 저자들의 연구 결과에 따르면 발효는

발효 식품 및 음료 제품의 필수 아미노산을 증가시킵니다

(Lee et al. 1999; Agrahar-Murugkar and Subbulakshmi 2006).

유사하게, Svanberg와 Lorri(1997) 및 Mugula et al.(2003)은

젖산균 및 효모 배양으로 곡물을 발효하면

발효 식품 및 음료의 단백질 함량이 증가한다고 보고했습니다.

옥수수와 대두의 자연 발효는

총 가용 고형분과 비단백질 질소 및 최종 제품의 단백질 함량을 약간 증가시킵니다

(Kiers et al. 2000; Nwokoro and Chukwu 2012).

Kinema를 생산하기 위한

자연 발효 동안 제품의 조단백질과 지방에는 거의 변화가 없었습니다

(Shrestha and Noomhom, 2002).

마찬가지로 많은 연구자들은

Akamu, Borde, Shamita(음료), Ragi, Medida와 같은 곡물 기반 자연 발효 동안

단백질 함량이 증가했다고 보고했습니다(Ashenafi and Mehari 1995; Kabeir et al. 2004; Nwokoro and Chukwu 2012; Padmaharish et al. 2018).

수수, 호박, 아마란스 종자 가루로 만든 보완 식품의 단백질 함량은

36시간 발효 동안 증가했다고 보고되었습니다(Simwaka et al. 2017).

마찬가지로

발효된 대두 제품인 'Hawaijar'의 단백질 함량은

72시간 발효 후 증가했습니다(Chaudhary et al. 2018).

Bacha(1997)는

Borde와 Shamita의 가용성 단백질 농도가 12시간 발효 시 소비 준비가 완료되었을 때

증가했다고 보고했습니다.

또한 Kabeir et al.(2004)은

자발적으로 발효된 Medida와 Bifidobacterium Longum BB 536으로

발효된 Medida의 단백질 함량을 비교한 결과,

Bifidobacterium Longum BB 536으로 발효된 Medida의 단백질 함량이

자발적으로 발효된 Medida의 두 배로 증가했습니다.

그러나

Marko et al.(2014)은

젖산 발효가 곡물 및 유사 곡물 가루 8개 샘플에 미친 영향을 연구한 결과,

대부분의 곡물 기질에서 발효 중 총 단백질 함량에 큰 변화가 없었다고 결론지었습니다.

발효 동안 단백질의 단백질 분해는

펩타이드와 아미노산을 생성하여

가용성 단백질 함량을 증가시킵니다.

그러나 발효가 계속됨에 따라

아미노산이 암모니아와 향미 화합물로 대사되어

단백질 함량이 감소합니다(Pranoto et al. 2013).

일부 저자들은 단백질이 증가하거나 감소하는 정도가 발효 조건과 미생물 유형에 따라 달라진다고 보고했습니다(Ikeda and Nakagawa 2003; Onwulata and Konstance 2006; Omafuvbe 2008; Pranoto et al. 2013). Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Pseudomonas dacunhae 및 Crypotococcus lurendii가 생성하는 대부분의 가수분해 효소는 광학적으로 순수한 D 및 L-아미노산을 높은 농도로 생성하는 데 사용됩니다(Ikeda and Nakagawa 2003). Omafuvbe(2008)는 35oC의 최적 온도에서 발효된 Dawadawa의 단백질 분해 활성이 가장 높았지만, 25oC에서는 단백질 분해 활성이 없었다고 보고했습니다.

곡물의 주요 탄수화물은 전분으로,

이는 전 세계 사람들의 에너지(칼로리) 주요 공급원 중 하나입니다(Chaves-López et al. 2014).

발효는

α-아밀라제 및 말타제와 같은 전분 가수분해 효소를 활성화하여

전분을 말토덱스트린과 단순 당으로 분해하여

발효 식품 및 음료의 전분 함량 수준을 감소시킵니다(

Bacha 1997; Blandino et al. 2003; Osman 2011; Belay and Awraris 2014).

Gudeta와 Admassu(2017)도 발효 중 탄수화물 감소는

미생물 활동 증가로 인해 에너지를 대사하는 데 사용된다고 보고했습니다.

여러 보고에 따르면 발효 과정에서

원래 탄수화물 함량이 감소합니다.

예를 들어,

Sorghum-Amaranth, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, Millet-Pumpkin-Amaranth로 만든

복합 보완 식품의 탄수화물 함량은 발효 중 감소했습니다(Simwaka et al. 2017).

Lactobacillus plantarum으로 발효된

곡물 및 유사 곡물 가루의 총 탄수화물 함량도 감소했습니다(Marko et al. 2014).

마찬가지로 나이지리아와 수단에서 흔히 소비되는 발효 죽인

'Akuma'와 'Medida'에서도 발효 시간에 따라

탄수화물 함량이 감소했습니다(Kabeir et al. 2004; Nwokoro and Chukwu 2012).

발효는

에티오피아 중부 및 남부에서 흔히 소비되는 저알코올 음료인 'Borde'와

코트디부아르에서 생산 및 소비되는 'Doklu'와 같은

곡물 기반 발효 제품의 조지방 함량을 증가시킵니다(Bacha et al. 1998; Assohoun et al. 2013).

이는 발효 동안 지방과 탄수화물의 질량 균형이나

일부 미생물에 의한 단쇄 지방산 형성 때문일 수 있습니다

(Onyango et al. 2005; Morrison and Preston 2016).

Shresth와 Noomhom(2002)는 'Kinema' 발효가 제품의 유리 지방산을 크게 증가시켰다고 보고했습니다. 반면, Millet-Cowpea와 Sorghum-Cowpea로 만든 복합 Ogi의 조지방 함량은 발효 시간 동안 감소했습니다(Oyarekua 2011).

일부 지방산의 증가와 조지방 함량의 감소는

발효 시간 동안의 지질 분해 활성 때문일 수 있습니다(Tanasupawat et al. 2015).

Marko et al.(2014)은

Lactobacillus plantarum으로 24시간 발효된 다양한 곡물 및 유사 곡물 가루에 대한 영향을 연구한 결과,

총 지질이 크게 감소했다고 보고했습니다.

수단의 얇은 죽인 'Medida'의 지방 함량은

자발적으로 발효될 때는 감소했지만,

Bifidobacterium Longum BB 536이라는 적절한 스타터 배양으로 발효될 때는 증가했습니다(Kabeir et al. 2004).

발효가 회분 함량에 미치는 영향에 대한 연구 결과는 엇갈립니다. 일부 연구자들은 발효가 발효 제품의 회분 함량을 증가시킨다고 보고했습니다(Ashenafi and Mehari 1995; Kabeir et al. 2004); 반면 다른 연구자들은 회분 함량이 감소한다고 보고했습니다(Oyarekua 2011; Assohoun et al. 2013). Simwaka et al.(2017)은 Sorghum-Amaranth, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, Millet-Pumpkin-Amaranth 가루로 만든 복합 보완 식품의 회분 함량이 발효 동안 감소했다고 보고했습니다. 마찬가지로 Igbabul et al.(2014)는 코코야무 가루 발효 동안 회분 함량이 점진적으로 감소했다고 보고했습니다. 그러나 Borde와 Shamita의 회분 함량은 24시간 발효 동안 각각 1.6에서 3.66%, 2.1에서 5.92%로 증가했습니다(Ashenafi and Mehari 1995). 따라서 발효가 최종 발효 제품의 회분 함량에 미치는 영향에 대한 결론적인 정보는 없습니다.

식이 섬유는

리그닌 및 아라비노자일란, β-글루칸, 셀룰로스, 저항성 전분, 과당, 리그닌과 같은

다당류의 합계로 정의되며,

이는 인간 소화 효소에 의해 소화되지 않습니다(Dhingra et al. 2011; Bach Knudsen et al. 2017).

탄수화물 함량과 마찬가지로 발효는

젖산균에 의한 섬유 구조의 효소적 분해로 인해

식이 섬유 함량을 감소시킵니다(Vázquez and Murado 2008).

코코야무 가루, 코-발효된 수수 및 강낭콩 혼합물, Ogi 발효 동안

섬유 함량이 발효 내내 감소했습니다(Oyarekua 2011; Igbabul et al. 2014).

마찬가지로 Ojokoh et al.(2013)은

빵나무와 강낭콩으로 만든 복합 가루의 섬유 함량이

발효 동안 감소했다고 보고했습니다.

발효는

β-글루칸의 분자량을 감소시키고

발효 식품 제품의 잔류 비율을 수정하여

다당류의 생리학적 활동에 영향을 미칩니다(Lu et al. 2019; Tsafrakidou et al. 2020).

Xiao et al.(2020)은

Lactobacillus plantarum dy-1에 의한 발효가

원시 보리의 β-글루칸 상태를 막대 모양에서 발효 보리에서 부드러운 시트 형태로 변화시켜

물 흡착 또는 분자 결합 능력을 향상시킬 수 있다고 보고했습니다.

Table 1 Effect of fermentation on proximate composition of cereal-based fermented foods and beverages

Name of products                      Raw materials           Fermented end products             References

Protein contents
Akuma	12.8	18.5	Nwokoro and Chukwu 2012
Doklu	8.1	7.1	Assohoun et al. 2013
Borde	8.7	9.55	Ashenafi and Mehari 1995
Shamita	9.0	10.37	Ashenafi and Mehari 1995
Ragi	7.6	8	Padmaharish et al. 2018
Medida	7.10	8.64	Kabeir et al. 2004
Injera	11.93	13.03	Asrat 2022
Bushera	7.79	11.63	Muyanja et al. 2003
Kocho	2.86	4.43	Tamiru et al. 2021
Carbohydrat contents
Akuma	68.1*	37.4*	Nwokoro and Chukwu 2012
Akuma	5.3**	17.6**	Nwokoro and Chukwu 2012
Doklu	60.1	60.1	Assohoun et al. 2013
Medida	89.42	87.08	Kabeir et al. 2004
Kocho	32.56	40.49	Tamiru et al. 2021
Fat contents
Doklu	0.61	0.18	Assohoun et al. 2013
Borde	4.6	6.88	Ashenafi and Mehari 1995
Shamita	1.9	6.85	Ashenafi and Mehari 1995
Ragi	1.5	1.5	Padmaharish et al. 2018
Medida	1.26	0.64	Kabeir et al. 2004
Injera	3.20	3.03	Asrat 2022
Kocho	0.01	0.11	Tamiru et al. 2021
Ash contents
Borde	1.6	3.66	Ashenafi and Mehari 1995
Shamita	2.1	5.92	Ashenafi and Mehari 1995
Medida	1.05	1.64	Kabeir et al. 2004
Medida	1.61	1.55	Asrat 2022
Bushera	2.49	2.21	Muyanja et al. 2003
Kocho	3.62	1.44	Tamiru et al. 2021
Fiber contents
Ragi	3.7	3.8	Padmaharish et al. 2018
Medida	1.17	2.00	Kabeir et al. 2004
Co-fermented M/C	5.34	2.31	Oyarekua 2011
Co-fermented S/C	4.94	4.35
Injera	2.81	2.74	Asrat 2022

1. *Indicate starch, ** indicate reducing sugar, M/C = millet and cowpea blend, S/C = sorghum and cowpea blend

Effect of fermentation on mineral contents of cereal-based fermented foods and beverages

Minerals from plant sources have very low bioavailability as they are found complex with non-digestible materials such as cell wall polysaccharides and anti-nutritional factors (Reddy 2001; Schlemmer et al. 2009). Although the fermentation process enables to release of the bounded minerals, the effect of fermentation on mineral content is controversial (Table 2). It increases the bioavailability of iron, calcium, zinc, phosphorus, magnesium, and sodium in food products due to decreased phytates (Pranoto et al. 2013; Day and Morawicki 2016). Production of phytase enzyme during fermentation hydrolysis the phytate and produces various inositol and phosphates. Prolonged fermentation decreases the tannin due to microbial phenyl oxidase action; the transformation of tannins to phenols occurring during fermentation increases phenol content (Emmambux and Taylor 2003).

Svanberg and Lorri (1997) reported that fermentation by lactic acid bacteria was observed to improve the iron bioavailability of fermented products of sorghum. Microbial strains affect the contents of minerals during fermentation. During controlled fermentation of Medida using B. longum BB 536, the calcium content of the product was recorded as 378.67 mg/L which was much higher than the value in spontaneously fermented Medida (3.70 mg/L) (Kabeir et al. 2004). However, the iron, magnesium, and zinc content of Medida fermented by the same strain (B. longum BB 536) were lower than the spontaneously fermented product. Oyarekua (2011) reported that the iron content of composite Ogi made of Millet-Cowpea and Sorghum-Cowpea increased during fermentation from 7.9 to 34.7 mg/100 g, and 6.1 to 14.2 mg/100 g, respectively. This might be due to the increment of the bioavailability of minerals during fermentation as phytates that form complexes with minerals degraded by phytase (Sripriya et al. 1997; Pranoto et al. 2013).

표 1 발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 근위 성분에 미치는 영향

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 미네랄 함량에 미치는 영향

식물 공급원에서 유래한 미네랄은

세포벽 다당류 및 항영양 인자와 복합적으로 존재하기 때문에

생체 이용률이 매우 낮습니다(Reddy 2001; Schlemmer et al. 2009).

발효 과정은 결합된 미네랄을 방출할 수 있게 하지만,

발효가 미네랄 함량에 미치는 영향은 논란의 여지가 있습니다(표 2).

이는 피틴산 감소로 인해

철, 칼슘, 아연, 인, 마그네슘, 나트륨의 생체 이용률을 식품 제품에서 증가시킵니다(Pranoto et al. 2013; Day and Morawicki 2016).

발효 중 피타제 효소 생산은

피틴산을 가수분해하여 다양한 이노시톨과 인산염을 생성합니다.

장기간 발효는

미생물 페닐 옥시다제 작용으로 인해 탄닌을 감소시키며,

발효 중 탄닌이 페놀으로 전환되어 페놀 함량이 증가합니다(Emmambux and Taylor 2003).

Svanberg와 Lorri(1997)는

젖산균에 의한 발효가 수수의 발효 제품 철 생체 이용률을 개선했다고 보고했습니다.

미생물 균주는

발효 중 미네랄 함량에 영향을 미칩니다.

B. longum BB 536을 사용한 Medida의 통제된 발효 동안 제품의 칼슘 함량은

378.67 mg/L로 기록되었으며,

이는 자발적으로 발효된 Medida(3.70 mg/L)보다 훨씬 높았습니다(Kabeir et al. 2004).

그러나

동일한 균주(B. longum BB 536)에 의해 발효된 Medida의 철, 마그네슘, 아연 함량은

자발적으로 발효된 제품보다 낮았습니다.

Oyarekua(2011)는

Millet-Cowpea와 Sorghum-Cowpea로 만든 복합 Ogi의 철 함량이

발효 동안 각각 7.9에서 34.7 mg/100 g, 6.1에서 14.2 mg/100 g로 증가했다고 보고했습니다.

이는 발효 중 피타제에 의해 미

네랄과 복합체를 형성하는 피틴산이 분해되어

미네랄의 생체 이용률이 증가했기 때문일 수 있습니다(Sripriya et al. 1997; Pranoto et al. 2013).

Table 2 Effect of fermentation on mineral contents of cereal-based fermented foods and beverages

Name of products                      Name of minerals                    Raw materials        Fermented end products          References

Doklu	Ca	0.05	0.03	Assohoun et al. 2013
	P	0.17	0.14
	Na	0.01	0.01
Ragi	Ca	43.91	40.5	Padmaharish et al. 2018
Fermented maize flour	Ca	0.05	0.03	Assohoum et al., 2013
	P	0.17	0.14
	Na	0.01	0.01
Co-fermented of millet and cowpea	P	127	128	Oyarekua 2011
	Ca	40.5	31.6
	Na	2.0	5.6
	Fe	7.9	34.7
	Zn	3.4	1.41
	Mg	133.8	16.2
Co-fermented of sorghum and cowpea	P	1812	178	Oyarekua 2011
	Na	2.0	4.0
	Ca	49.16	20.6
	Mg	217.6	56.6
	Fe	6.1	14.2
	Zn	3.6	1.4
Injera	Fe	6.81	7.32	Asrat 2022
	Zn	3.03	3.20
	Ca	78.44	82.83	Feyera et al. 2020
Complimentary fermented food	Ca	54.42	43.75
	Fe	5.14	4.21
	Zn	4.41	5.24

Effect of fermentation on anti-nutritional factors of cereal-based fermented foods and beverages

Fermentation is an important process that significantly lowers the content of major anti-nutrients of cereal grains such as phytic acid and tannin (Sindhu and Khetarpaul 2001). Some microorganisms play a role by degrading the anti-nutritional factors of foods during fermentation time (Igbabul et al. 2014; Ngongola-Manani, 2014). Simwaka et al. (2017) reported the phytate content of Sorghum-Amaranth, Millet-Amaranth, Sorghum-Pumpkin, Millet-pumpkin, and Millet-Pumpkin- Amaranth flours were reduced by 60.91%. Phytic acid contents also decreased during the fermentation of different maize cultivars (Cui et al. 2012). They reported that phytic acid content was reduced by 5.4, 18.8, 23.6, and 24.3% after fermentation for maize cultivars of J2, B, S, and J3, respectively. The loss of this phytic acid during fermentation is due to the activities of endogenous phytases from raw materials and those produced by fermentative microorganisms (Hotz and Gibson 2007). The optimal temperature for phytase activity has been known to range between 35 °C and 45 °C (Sindhu and Khetarpaul 2001).

Tannin levels were reduced during lactic acid fermentation; as a result, iron bioavailability of cereal-based fermented foods increased (Nout and Ngoddy 1997). The fermentation of formulated Sorghum-Amaranth, Millet-Amaranth, Sorghum-Pumpkin, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, and Millet-Pumpkin-Amaranth flours slightly decreased tannin contents (Simwaka et al. 2017). A decrease in tannin is due to the production of the tannase enzyme by Lactobacillus spp. during fermentation (Molin 2008). However, Elyas et al. (2002) reported the absence of any change in the tannin content of fermented dough of millet after 36 h of fermentation at room temperature.

표 2 발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 미네랄 함량에 미치는 영향

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 항영양 인자에 미치는 영향

발효는

피틴산 및 탄닌과 같은 곡물의 주요 항영양소 함량을

크게 낮추는 중요한 과정입니다(Sindhu and Khetarpaul 2001).

일부 미생물은

발효 시간 동안 식품의 항영양 인자를 분해하는 역할을 합니다(Igbabul et al. 2014; Ngongola-Manani, 2014).

Simwaka et al.(2017)은

Sorghum-Amaranth, Millet-Amaranth, Sorghum-Pumpkin, Millet-pumpkin, Millet-Pumpkin-Amaranth 가루의

피틴산 함량이 60.91% 감소했다고 보고했습니다.

피틴산 함량은

다양한 옥수수 품종 발효 중에도 감소했습니다(Cui et al. 2012).

그들은 J2, B, S, J3 옥수수 품종의 발효 후

피틴산 함량이 각각 5.4, 18.8, 23.6, 24.3% 감소했다고 보고했습니다.

발효 중 피틴산 손실은

원료의 내인성 피타제와 발효 미생물에 의해 생성된

피타제의 활동 때문입니다(Hotz and Gibson 2007).

피타제 활성의 최적 온도는

35°C에서 45°C 사이로 알려져 있습니다(Sindhu and Khetarpaul 2001).

젖산 발효 동안 탄닌 수준이 감소하면서

곡물 기반 발효 식품의 철 생체 이용률이 증가했습니다(Nout and Ngoddy 1997).

제형화된 Sorghum-Amaranth, Millet-Amaranth, Sorghum-Pumpkin, Millet-pumpkin, Sorghum-Pumpkin-Amaranth, Millet-Pumpkin-Amaranth 가루 발효는

탄닌 함량을 약간 감소시켰습니다(Simwaka et al. 2017).

탄닌 감소는 발효 중 Lactobacillus spp.에 의해

탄나제 효소가 생성되기 때문입니다(Molin 2008).

그러나

Elyas et al.(2002)은

실온에서 36시간 발효 후 수수 반죽의 탄닌 함량에 변화가 없었다고 보고했습니다.

Effect of fermentation on pH and titratable acidity of cereal-based fermented foods and beverages

During fermentation, the pH of fermented food and beverage products decreases as the amount of organic acid increases (Table 3). This could be accounted to microbial activities, especially of lactic acid bacteria that convert carbohydrates into different organic acids such as lactic acid, acetic acid, and butyric acid (Assohoun et al. 2013; Marko et al. 2014; Ukwuru et al. 2018). Among lactic acid bacteria, lactobacilli are the most important organisms that produced acidity and flavor during dough fermentation (Corsetti and Settanni 2007).

Production of acid during the natural fermentation of maize led to a significant reduction in pH which contributes to the enhancement of the shelf-life of products as well as the elimination of enteric pathogens (Mensah 1997). Beugre et al. (2014) eval‎uated the effect of fermentation time on the physico-chemical properties of maize flour. The result showed that the total acidity of maize flour increased from 37.97 to 71.59 with an increase in the time of fermentation, while its pH decreased considerably from 6.67 to 3.85. As it is well known, when pH decreases, the titratable acidity increases. This could be due to acid-producing microorganisms breaking down sugars to produce different acids and other secondary metabolites (Ukwuru et al. 2018).

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 pH와 적정 산도에 미치는 영향

발효 동안 유기산 함량이 증가함에 따라

발효 식품 및 음료 제품의 pH가 감소합니다(표 3).

이는 특히 젖산균의 미생물 활동으로

탄수화물을 젖산, 초산, 부티르산과 같은

다양한 유기산으로 변환하기 때문입니다(Assohoun et al. 2013; Marko et al. 2014; Ukwuru et al. 2018).

젖산균 중에서 락토바실리는

반죽 발효 동안 산도와 향미를 생성하는 가장 중요한 유기체입니다(Corsetti and Settanni 2007).

옥수수의 자연 발효 동안 산 생성은

pH를 크게 감소시켜 제품의 저장 수명을 연장하고

장내 병원체를 제거하는 데 기여합니다(Mensah 1997).

Beugre et al.(2014)은 발효 시간의 옥수수 가루 물리화학적 특성에 미친 영향을 평가했습니다. 그 결과 옥수수 가루의 총 산도는 발효 시간 증가와 함께 37.97에서 71.59로 증가했으며, pH는 6.67에서 3.85로 상당히 감소했습니다.

잘 알려진 바와 같이,

pH가 감소하면 적정 산도가 증가합니다.

이는 산 생성 미생물이 당을 분해하여

다양한 산 및 기타 2차 대사 산물을 생성하기 때문일 수 있습니다(Ukwuru et al. 2018).

Table 3 Effect of fermentation on pH and titratable acidity of cereal-based fermented foods and beverages

Effect of fermentation on phytochemical contents of cereal-based fermented foods and beverages

Phytochemicals are plant secondary metabolic products important in human nutrition and health which are produced in phenylpropanoid biosynthesis and shikimate pathways during the growth of plants (Golzarand et al. 2014). In cereal grains, most polyphenol compounds are bound with cell wall polysaccharides. Bounded polyphenols are not bioavailable (Adom and Liu 2002) as health-promoting factors. Fermentation is considered one of the best processes to enhance the release of such bound phenolic and flavonoids to increase the antioxidant activities of fermented food products (Sandhu et al. 2016; Martins et al. 2011). Kariluoto et al. (2006) reported that fermentation has a positive influence on the phytochemicals of cereals, but the degree of influence depends on the species of microorganism involved in fermentation. On the other hand, Zheng and Shetty (2000) reported that improvement in phenolic compounds is due to the action of enzymes such as β-glucosidase, α-amylase, and lactase.

Fermentation increases the phenolic and flavonoid contents of food products with an increase in antioxidant properties, whereas there is a decrease in anti-nutritional factors (Prabhu et al. 2014). DJordjević et al. (2010) reported an increase in antioxidant activity from 45.0 to 50.4% in the rye, 36.6 to 42.9% in barley, and 31.0 to 35.9% in wheat after fermentation with L. rhamnosus. Cai et al. (2012) also reported that oats fermented by three different fungi i.e., Aspergillus oryzae var. effuses, Aspergillus oryzae, and Aspergillus niger for 3 days at 25 °C improved the phenolic acid profile of the original substrate. DJordjević et al. (2010) demonstrated that Lactobacillus rhamnosus releases total phenolics more efficiently than Saccharomyces cerevisiae during fermentation of cereals. Different reports indicate that β-glucosidase produced by L. plantarum cleave glucoside bonds between phytochemicals and sugars, releasing them in simple utilizable forms (Dueñas et al. 2005; Marko et al. 2014). Cui et al. (2012) reported that the polyphenol contents significantly increased after the fermentation of different maize cultivars. They reported that the total phenolic content of untreated four maize samples was 0.98, 0.95, 0.91, and 0.96 mg GAE⁄ g which increased to 1.19 (22%), 1.17 (22.5%), 1.10 (21.6%) and 1.18 mg GAE⁄ g (23.4% increase) for J3, J2, S, and B maize cultivars, respectively.

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 식물 화합물 함량에 미치는 영향

식물 화합물은

인간 영양과 건강에 중요한 식물 2차 대사 산물로,

식물 성장 동안 페닐프로파노이드 생합성과 시키메이트 경로에서 생성됩니다(Golzarand et al. 2014).

곡물에서 대부분의 폴리페놀 화합물은

세포벽 다당류와 결합되어 있습니다.

결합된 폴리페놀은

건강 증진 요인으로 생체 이용률이 낮습니다(Adom and Liu 2002).

발효는 이러한 결합된 페놀과 플라보노이드를 방출하여

발효 식품 제품의 항산화 활성을 증가시키는

가장 좋은 과정 중 하나로 간주됩니다(Sandhu et al. 2016; Martins et al. 2011).

Kariluoto et al.(2006)은 발효가 곡물의 식물 화합물에 긍정적인 영향을 미치지만,

그 영향 정도는 발효에 관여하는 미생물 종에 따라 다르다고 보고했습니다.

반면, Zheng과 Shetty(2000)는

페놀 화합물의 개선이

β-글루코시다제, α-아밀라제, 락타제와 같은 효소 작용 때문이라고 보고했습니다.

발효는

항산화 특성이 증가하면서

식품 제품의 페놀 및 플라보노이드 함량을 증가시키며,

반면 항영양 인자는 감소합니다(Prabhu et al. 2014).

DJordjević et al.(2010)은

L. rhamnosus로 발효 후 호밀의 항산화 활성이 45.0에서 50.4%,

보리의 36.6에서 42.9%, 밀의 31.0에서 35.9%로 증가했다고 보고했습니다.

Cai et al.(2012)도

Aspergillus oryzae var. effuses, Aspergillus oryzae, Aspergillus niger의 3가지 진균에 의해

25°C에서 3일간 발효된 귀리의 페놀산 프로필이 개선되었다고 보고했습니다.

DJordjević et al.(2010)은

Lactobacillus rhamnosus가

Saccharomyces cerevisiae보다

곡물 발효 중 총 페놀을 더 효율적으로 방출한다고 입증했습니다.

다양한 보고에 따르면

L. plantarum이 생성한 β-글루코시다제가

식물 화합물과 당 사이의 글리코사이드 결합을 절단하여

단순화된 이용 가능한 형태로 방출합니다(Dueñas et al. 2005; Marko et al. 2014).

Cui et al.(2012)은

다양한 옥수수 품종 발효 후 폴리페놀 함량이 크게 증가했다고 보고했습니다.

그들은 처리되지 않은 4개 옥수수 샘플의 총 페놀 함량이

0.98, 0.95, 0.91, 0.96 mg GAE⁄g이었으며, J3, J2, S, B 옥수수 품종에 대해

각각 1.19(22%), 1.17(22.5%), 1.10(21.6%), 1.18 mg GAE⁄g(23.4% 증가)으로 증가했다고 보고했습니다.

Effect of fermentation on sensory properties of cereal-based fermented foods and beverages

Cereal grains are considered to be one of the most important sources of dietary proteins, carbohydrates, vitamins, minerals, and fiber for people all over the world; however, the sensorial properties of their products are inferior as compared to animal products (Blandino et al. 2003). Fermentation improves cereal-based food and beverage products’ texture, taste, and aroma (Blandino et al. 2003). In addition, the report indicated that during cereal fermentation different types of volatile compounds are produced and contribute to the development of complex flavors in fermented foods. The presence of aromas represented by diacetyl, acetic acid, and butyric acid makes fermented cereal-based products more appetizing. The proteolytic activity of fermenting microorganisms often in combination with malt enzymes may produce precursors of flavor compounds, such as amino acids, which may be deaminated or decarboxylated to aldehydes (Mugula et al. 2003) as flavor enhancer compounds.

The development of sensory characteristics during fermentation is due to the biochemical processes where the starter cultures produce enzymes that modulate the flavor profile of the product (Senanayake et al. 2023). In the first stages of fermentation, the enzymes produced break down complex nutrients into simple compounds (Smit et al. 2005). Some of these simple compounds are peptides, amino acids, fatty acids, glucose, maltose, and galactose, which act as precursors for the development of sensory characteristics during fermentation (Bintsis 2018). As the fermentation progresses, the starter cultures continuously convert these simple compounds into different organic compounds such as organic acids, alcohols, esters, and ketones, which give the final product a unique flavor and aroma (Liu et al. 2020).

발효가 곡물 기반 발효 식품 및 음료의 감각적 특성에 미치는 영향

곡물은

전 세계 사람들에게 식이 단백질, 탄수화물, 비타민, 미네랄, 섬유의 중요한 공급원으로 여겨지지만,

그 제품의 감각적 특성은 동물성 제품에 비해 열등합니다(Blandino et al. 2003).

발효는

곡물 기반 식품 및 음료 제품의 질감, 맛, 향을 개선합니다(Blandino et al. 2003).

또한 보고에 따르면

곡물 발효 중 다양한 휘발성 화합물이 생성되어

발효 식품의 복잡한 향미 개발에 기여합니다.

디아세틸, 초산, 부티르산으로 대표되는 향의 존재는

발효된 곡물 기반 제품을 더 맛있게 만듭니다.

발효 미생물의 단백질 분해 활성은

종종 맥아 효소와 결합하여

아미노산과 같은 향미 화합물의 전구체를 생성할 수 있으며,

이는 알데히드로 탈아미노화되거나 데카르복실화될 수 있습니다(Mugula et al. 2003)로 향미 강화 화합물이 됩니다.

발효 중 감각적 특성의 발달은

스타터 배양이 향미 프로필을 조절하는 효소를 생성하는

생화학적 과정 때문입니다(Senanayake et al. 2023).

발효 초기 단계에서 생성된 효소는

복잡한 영양소를 단순 화합물로 분해합니다(Smit et al. 2005).

이러한 단순 화합물 중 일부는

펩타이드, 아미노산, 지방산, 포도당, 말토스, 갈락토스로,

이는 발효 중 감각적 특성 발달의 전구체로 작용합니다(Bintsis 2018).

발효가 진행됨에 따라 스타터 배양은

이러한 단순 화합물을 지속적으로

유기산, 알코올, 에스테르, 케톤과 같은 다양한 유기 화합물로 변환하여

최종 제품에 독특한 향미와 향을 부여합니다(Liu et al. 2020).

결론

본 리뷰는 발효가 조단백질 및 지방 함량, 미네랄 및 식물 화합물의 생체 이용률을 개선하지만, 탄수화물 및 조섬유 함량은 감소시키며, 회분 함량에 대한 발효의 영향에 대한 결과는 명확하지 않다고 결론지었습니다. 발효는 곡물 기반 식품 및 음료의 감각적 특성을 개선하며, 곡물의 감각적 특성은 동물성 제품에 비해 열등합니다. 발효는 곡물 작물에 높은 피틴산 및 탄닌과 같은 항영양 인자를 감소시킵니다. 따라서 발효 식품 및 음료의 소비는 특히 취약 계층에게 원료보다 더 큰 이점을 제공합니다.

Conclusion

This review concluded that fermentation improves the crude protein and fat contents, and the bioavailability of minerals and phytochemicals. However, it decreases the carbohydrate and crude fiber contents, while the finding on the effect of fermentation on ash content is not conclusive. Fermentation also improves the sensory properties of cereal-based foods and beverages as the sensory properties of cereals are inferior as compared to animal products. Fermentation decreases the anti-nutritional factors such as tannin and phytic acid which are high in cereal crops. Therefore, consumption of fermented foods and beverages has greater benefits than their raw materials, especially for vulnerable groups.

Data availability

All data supporting the review results are included in the article.

References

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