發酵蔬菜加工機理與質量控制技術概述

張慶峰，吳祖芳

（上海實樸檢測技術服務有限公司，上海 201100）

發酵蔬菜是指蔬菜在腌制過程中，利用有益微生物對蔬菜進行加工的一種方式。在蔬菜發酵過程中呈現出多元化，生產如榨菜、泡菜及各種醬菜等不同的腌制食品[1]。由乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等微生物組成的微生態環境，成為蔬菜的發酵體系[2]，蔬菜的泡制、腌制、醬制等不同的加工方法都不同程度地進行微生物的發酵活動[3]。發酵蔬菜的風味不僅與新鮮蔬菜本身的風味有關，同時，微生物的代謝活動和發酵條件等因素對發酵蔬菜的風味的形成起著至關重要的作用[4]。自然發酵和接種發酵是蔬菜發酵中常見的2 種形式，與自然發酵相比，接種發酵速度快、發酵周期短、產酸速度快且含酸量高，產品品質和風味都優于自然發酵。因此，使用發酵劑的接種發酵方式在發酵蔬菜行業占有重要的地位。

乳酸菌發酵技術在發酵蔬菜加工中的應用，以及產品的營養價值、食用品質及其產生的環境和經濟效益等方面有很好的益處[5-6]。不過也要嚴格控制發酵蔬菜的品質，安全性也是發酵蔬菜在加工中考慮的一個問題，其中亞硝酸鈉含量是發酵蔬菜中的主要問題。有研究表明，腌制蔬菜與同種新鮮蔬菜相比，亞硝酸鹽含量高出幾倍甚至幾十倍[7-8]，亞硝酸鈉本身沒有致癌性，但是能夠與氮化合物結合成具有致癌作用的亞硝胺，危害人體健康[9]。因此，嚴格控制發酵蔬菜中亞硝酸鈉的含量，是蔬菜發酵過程必須要考慮的因素。另外，有研究發現，用酵母菌、乳酸菌等多種有益菌發酵新鮮果蔬和食用真菌等原料，能夠制成營養價值高的功能性發酵制品，富含多酚類、黃酮類、有機酸類、益生菌、益生元、維生素、礦物質、生物酶等功效成分，具有抗氧化、消炎抑菌、改善腸道功能、提高免疫力、解酒護肝等功效[10-11]。

1 蔬菜發酵加工機理

利用食鹽的防腐作用、微生物的發酵作用、蛋白質的分解作用和生物化學作用是蔬菜發酵的基本原理，并對有害微生物加以抑制，增加產品的獨特風味，從而加強制品的保藏性能[12]。食鹽是蔬菜發酵中必不可少的物質，利用食鹽形成的高滲透壓抽出蔬菜汁液，為乳酸菌生長提供生長基質同時還具有緊實組織的作用，另外食鹽對微生物的生長有抑制作用，還有防腐作用[13]。只有適量的食鹽才能充分實現這一作用。不加食鹽或少量食鹽不僅不能抑制有害微生物的生長，在發酵后期發酵蔬菜會有不同程度的腐爛，還會有不同程度的異味；食鹽量過多會抑制有益菌的發酵速度及發酵作用，還會影響發酵品的質量。因此，適量食鹽對蔬菜腌制發酵有至關重要的作用。

微生物的發酵作用主要有乳酸發酵、酒精發酵、醋酸發酵等，目前普遍認為乳酸發酵是發酵蔬菜中最主要的發酵作用，但在蔬菜腌制過程中，乳酸菌屬確實起著重要的發酵作用。同型發酵和異型發酵是乳酸菌發酵的2 種方式，乳酸是同型發酵乳酸菌的重要代謝產物，不產氣，大量乳酸不僅能抑制雜菌的生長，而且乳酸有保鮮功能，又可增強產品風味[14]。除產生乳酸外，異型發酵乳酸菌發酵還產生二氧化碳、乙酸、乙醇、甘露醇等多種化合物，在蔬菜發酵過程中產生的各種生化反應。例如，異型乳酸發酵、乙醇發酵、醋酸發酵等發酵產生的乙醛、甘露醇、乙酸、乙醇等風味化合物，形成了發酵蔬菜特有的口感和風味[15-16]。由于異型乳酸菌產酸量較少，異型乳酸菌的發酵活動隨著乳酸的積累受到了抑制，不過異型乳酸菌在蔬菜發酵過程中的產物和發酵機理都是比較復雜的[17]。此外，也有對發酵制品品質不利的發酵（丁酸發酵），應盡量避免這種不利發酵的進行。

蔬菜一般都含有一定量的蛋白質，在蔬菜發酵加工過程中，蛋白質及氨基酸的變化對制品的色、香、味有不同的影響。有些氨基酸是由微生物蛋白酶分解蛋白質而逐漸釋放出來的，眾所周知，氨基酸都是有一定的甜味和鮮味，其鮮味一般是由谷氨酸與食鹽作用所產生的；氨基酸在酸的作用下變成醇，醇與酸化合為酯, 產生香味[18]。此外，許多風味物質的前體物質就是氨基酸，如許多芳香化合物的前體物質是蛋氨酸、芳香氨基酸和側鏈氨基酸，甲烷硫醇是由蛋氨酸代謝產生的，在醛縮酶的作用下，蘇氨酸分解產生甘氨酸和乙醛[19]。

總之，發酵蔬菜的組織脆性及色、香、味都與糖類的發酵作用和蛋白質的分解作用有密切的關系。研究發酵蔬菜的發酵加工機理對提高發酵制品的品質和風味的形成有重要作用。

2 發酵蔬菜的微生態

蔬菜的腌制發酵必然離不開微生物及其生長代謝產生的有益物質，分析發酵體系中微生物的多樣性，對于改善發酵條件及提高品質有好處。20 世紀60 年代，Pederson C S 等人[20]對酸白菜和酸黃瓜等發酵體系中的菌系消長規律進行了研究，發現明串球菌在早期發酵中起著主要作用，在發酵中期，啤酒片球菌、短乳桿菌和植物乳桿菌發酵活躍，大量產酸，在蔬菜發酵體系后期，由植物乳桿菌發酵完成。康建依等人[21]采用Illumina HiSeq 對山西地方自然發酵蔬菜不同發酵時期的樣品中細菌進行測序。結果表明，發酵前期細菌多樣性豐富，隨著發酵時間的延長細菌種群結構趨于穩定，發酵中后期樣品主要菌屬為乳桿菌屬。翁佩芳等人[22]采用16S rDNA 克隆文庫法對榨菜不同鹽度腌制體系中微生物多樣性進行了分析。研究表明，在5%食鹽腌制過程中，發酵前期中的優勢種群是乳桿菌屬、明串珠菌屬和魏斯氏菌屬；而在7%食鹽腌制過程中，希臘魏斯氏菌是發酵前期中的優勢乳酸菌種，最后起主導作用的種群均為植物乳桿菌。沈錫權等人[23]采用16S r DNA 基因克隆文庫的方法，對腌制成熟的莧菜梗中細菌組成結構多樣性進行了分析，共檢測出了乳桿菌、類香菌、弓形桿菌等6 個菌屬，其中乳桿菌屬占優勢為總數的83.9%。谷懿寰等人[24]經過傳統分離培養，再通過16S rRNA 基因序列分析和熒光定量PCR 技術，對海南7 個地區的30 份不同種類的發酵竹筍、小西瓜、白菜和豆角樣品中的微生物進行多樣性分析，發現在海南蔬菜腌制體系中的主要優勢菌屬是乳桿菌屬，在海南蔬菜發酵體系中的優勢菌種是植物乳桿菌。張騰[25]利用DGGE 方法，對蔬菜發酵體系中細菌和真菌群落進行了鑒定，在食鹽質量分數為4%的發酵體系中，在發酵前后期，細菌和真菌群落是比較豐富的，在發酵后期細菌種類較多，而中期細菌種類相對比較單一；在食鹽質量分數為6%的發酵蔬菜體系中，細菌群落在整個發酵過程中都是相對穩定的，但細菌種類數比較少，真菌群落在發酵初期的種類相對單一，但生物量很高，到發酵后期真菌群落物種相對豐富；食鹽質量分數為8%時，細菌群落發酵前期種類有限，發酵中后期物種相對豐富，而真菌主要存在于發酵初期。依據蔬菜在發酵過程中的物理變化和發酵時間可劃分為4 個階段，即初發酵、主發酵、再發酵和后發酵，在前面3 個階段，有益菌群和兼性菌群發酵活動比較活躍，在初發酵階段或者有氧的后發酵階段會存在有害菌群的微生物活動[26]。微生物的群落結構在整個蔬菜腌制體系中的變化，是發酵體系環境隨發酵時間推移而產生變化的最好體現。另外，對蔬菜產品特性也起著決定性的作用[27]。因此，為了更好地判斷和評估發酵蔬菜的腌制過程，了解發酵過程中微生物種群之間的演替關系是最好的選擇。

3 發酵蔬菜的質量控制

在發酵食品發酵過程中，有機酸含量的變化是評價發酵工藝的重要指標之一[28]。酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和草酸是蔬菜中比較常見的有機酸，其中酒石酸、蘋果酸和檸檬酸的味道比較柔和，刺激性較小，對增進蔬菜的風味有著重要的作用[29]。乳酸菌在蔬菜發酵體系中進行發酵產生大量乳酸，不僅抑制雜菌污染，增加蔬菜的營養成分，保持蔬菜的色香味，使產品的感官品質提升，還能節約能源。乳酸菌的發酵性能不僅能縮短發酵時間，而且還能提高泡菜的品質，在延長泡菜的食用期和降低亞硝酸鹽的含量等多方面都產生了重要的作用[30]。不同的發酵方式，發酵蔬菜的口感和品質都有所差異。Ishikawa K 等人[31]通過對腸膜明串珠菌腸膜亞種和干酪乳桿菌干酪亞種混合發酵的日本傳統泡菜紅蘿卜進行分析發現，與傳統發酵相比，混合菌發酵紅蘿卜的色澤和風味都比較好，不會產生含硫類物質，影響產品的風味，并且能長期保持產品的鮮艷色澤，增加食欲。范麗平等人[32]分別接種乳酸菌菌株Mao24.1，Mao5.1 和Tang3.2 于泡菜與自然發酵比較分析，接種發酵泡菜產品香氣濃郁，各指標均優于自然發酵泡菜。周光燕等人[33]將干酪乳桿菌干酪亞種、植物乳桿菌短乳桿菌、棒狀乳桿菌棒狀亞種、布氏乳桿菌等5種乳酸菌分別接種于5 組泡菜，分別作為泡菜中的優勢菌，并與傳統的自然發酵泡菜方式進行對比。結果表明，植物乳桿菌可以明顯縮短泡菜的發酵周期，泡菜的色、香、味明顯較好，顯著降低了亞硝酸鹽的含量[34]。

在發酵過程中加入一定量的仔姜、大蒜、八角、辣椒等香辛料，可以加強泡菜的風味和口感，還能夠抑制一些雜菌，并有一定的防腐作用[29]。Cavalcanti N B 等人[35]通過在泡菜中添加維C 和檸檬酸進行研究，結果表明在泡菜中分別加入維C 和檸檬酸，都比不加入的品質要好，而且加入維C 發酵后產品的品質效果比加入檸檬酸發酵后的品質效果好。劉程惠等人[36]研究了幾種輔料對甘藍泡菜自然發酵過程中成分變化，發現白砂糖、香辛料和水果的添加有利于發酵過程中總酸的增加。楊瑞等人[37]在泡菜發酵過程中主要化學成分變化規律的研究中發現低食鹽質量分數、加碘、加花椒的方法有利于產酸。此外，采用含有較多礦物質的硬水配制泡菜鹽水，效果更好，可以保持泡菜成品的脆性[29]。

蔬菜是一種富集硝酸鹽的植物性食品。由于在蔬菜上存在硝酸鹽，而硝酸鹽在一些還原性菌的作用下還原成致癌性的亞硝酸鹽[38]。亞硝酸鹽問題是發酵蔬菜中一直需要考慮的安全因素，亞硝酸鹽含量高低關乎產品的品質和可食性。充分利用乳酸菌進行乳酸發酵產生的高酸環境加速亞硝酸鹽的降解，而且增加酸度，能夠抑制有害的微生物，并對亞硝酸鹽進行有效的分解破壞，由于亞硝酸鹽與酸作用產生游離酸和亞硝酸，而亞硝酸極不穩定，容易分解產生無害的NO[39]，有研究表明，采用人工接種乳酸菌為優勢菌進行發酵，大大縮短發酵周期，產酸迅速，可抑制雜菌的生長，進而降低亞硝酸鹽的形成，提高發酵制品的品質和貨架期。