Theo một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng: Trong quá trình lên men tỏi đen, xảy ra nhiều sự biến đổi về các thành phần hóa học và các hoạt tính sinh học của tỏi như sự biến đổi hàm lượng carbohydrate, pH, acid amin, cường độ màu nâu, polyphenol, flavonoid, các hợp chất lưu huỳnh v.v… và khả năng chống ôxy hóa của dịch chiết tỏi đen là rất cao.
Theo các tác giả đã nghiên cứu và cho thấy dưới tác dụng của nhiệt độ cao, độ ẩm lớn trong thời gian dài hàm lượng carbohydrate tăng cao hơn gấp nhiều lần so với tỏi nguyên liệu, như theo nghiên cứu của Choi và cộng sự đến từ Hàn Quốc đã cho thấy hàm lượng đường khử tăng khoảng 6 lần, từ 2,73g/kg của ngày thứ 7 đến 16,07g/kg vào ngày thứ 35. Cũng theo nhóm tác giả này cho thấy pH giảm trong quá trình lên men, từ 6,33 giảm xuống còn 3,74 [14]. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng hàm lượng các acid amin, polyphenol (từ 13,91mg GAE/g trong tỏi tươi tăng lên 58,33mg GAE/g trong tỏi đen), flavonoid (từ 3,22mg RE/g trong tỏi sống lên đến 16,26mg RE/g trong tỏi đen) và khả năng chống ôxy hóa của tỏi đen tăng
lên đáng kể so với tỏi sống ban đầu (khả năng bắt gốc tự do DPPH, tổng năng lực khử...) [14]. Theo nghiên cứu của Kim và cộng sự hàm lượng phenolic và flavonoid của tỏi khi chịu các điều kiện xử lý nhiệt khác nhau cũng đều cao hơn tỏi tươi [17]. Cũng theo nghiên cứu của Bae và cộng sự đến từ Hàn Quốc đã chỉ ra rằng: hàm lượng S - Allyl cysteine tăng lên đáng kể trong quá trình sản xuất tỏi đen, cường độ màu nâu cũng tăng cao theo thời gian lên men. Quá trình lên men đã xảy ra phản ứng chuyển các hợp chất chứa lưu huỳnh như methioni, cystein, methanethiol.. thành những hợp chất mới chứa lưu huỳnh có khả năng tan trong nước như Alliin, Isoalliin, Methionin, các dẫn xuất của Cysteine [10]. Đây là những hợp chất rất quan trọng góp phần vào việc làm tăng tác dụng của sản phẩm tỏi đen thu được. Trong quá trình lên men xảy ra những sự biến đổi như trên có ý nghĩa lớn về mặt dinh dưỡng và y dược.