发酵蔬菜加工机理与质量控制技术概述

张庆峰，吴祖芳

（上海实朴检测技术服务有限公司，上海 201100）

发酵蔬菜是指蔬菜在腌制过程中，利用有益微生物对蔬菜进行加工的一种方式。在蔬菜发酵过程中呈现出多元化，生产如榨菜、泡菜及各种酱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组成的微生态环境，成为蔬菜的发酵体系[2]，蔬菜的泡制、腌制、酱制等不同的加工方法都不同程度地进行微生物的发酵活动[3]。发酵蔬菜的风味不仅与新鲜蔬菜本身的风味有关，同时，微生物的代谢活动和发酵条件等因素对发酵蔬菜的风味的形成起着至关重要的作用[4]。自然发酵和接种发酵是蔬菜发酵中常见的2 种形式，与自然发酵相比，接种发酵速度快、发酵周期短、产酸速度快且含酸量高，产品品质和风味都优于自然发酵。因此，使用发酵剂的接种发酵方式在发酵蔬菜行业占有重要的地位。

乳酸菌发酵技术在发酵蔬菜加工中的应用，以及产品的营养价值、食用品质及其产生的环境和经济效益等方面有很好的益处[5-6]。不过也要严格控制发酵蔬菜的品质，安全性也是发酵蔬菜在加工中考虑的一个问题，其中亚硝酸钠含量是发酵蔬菜中的主要问题。有研究表明，腌制蔬菜与同种新鲜蔬菜相比，亚硝酸盐含量高出几倍甚至几十倍[7-8]，亚硝酸钠本身没有致癌性，但是能够与氮化合物结合成具有致癌作用的亚硝胺，危害人体健康[9]。因此，严格控制发酵蔬菜中亚硝酸钠的含量，是蔬菜发酵过程必须要考虑的因素。另外，有研究发现，用酵母菌、乳酸菌等多种有益菌发酵新鲜果蔬和食用真菌等原料，能够制成营养价值高的功能性发酵制品，富含多酚类、黄酮类、有机酸类、益生菌、益生元、维生素、矿物质、生物酶等功效成分，具有抗氧化、消炎抑菌、改善肠道功能、提高免疫力、解酒护肝等功效[10-11]。

1 蔬菜发酵加工机理

利用食盐的防腐作用、微生物的发酵作用、蛋白质的分解作用和生物化学作用是蔬菜发酵的基本原理，并对有害微生物加以抑制，增加产品的独特风味，从而加强制品的保藏性能[12]。食盐是蔬菜发酵中必不可少的物质，利用食盐形成的高渗透压抽出蔬菜汁液，为乳酸菌生长提供生长基质同时还具有紧实组织的作用，另外食盐对微生物的生长有抑制作用，还有防腐作用[13]。只有适量的食盐才能充分实现这一作用。不加食盐或少量食盐不仅不能抑制有害微生物的生长，在发酵后期发酵蔬菜会有不同程度的腐烂，还会有不同程度的异味；食盐量过多会抑制有益菌的发酵速度及发酵作用，还会影响发酵品的质量。因此，适量食盐对蔬菜腌制发酵有至关重要的作用。

微生物的发酵作用主要有乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵等，目前普遍认为乳酸发酵是发酵蔬菜中最主要的发酵作用，但在蔬菜腌制过程中，乳酸菌属确实起着重要的发酵作用。同型发酵和异型发酵是乳酸菌发酵的2 种方式，乳酸是同型发酵乳酸菌的重要代谢产物，不产气，大量乳酸不仅能抑制杂菌的生长，而且乳酸有保鲜功能，又可增强产品风味[14]。除产生乳酸外，异型发酵乳酸菌发酵还产生二氧化碳、乙酸、乙醇、甘露醇等多种化合物，在蔬菜发酵过程中产生的各种生化反应。例如，异型乳酸发酵、乙醇发酵、醋酸发酵等发酵产生的乙醛、甘露醇、乙酸、乙醇等风味化合物，形成了发酵蔬菜特有的口感和风味[15-16]。由于异型乳酸菌产酸量较少，异型乳酸菌的发酵活动随着乳酸的积累受到了抑制，不过异型乳酸菌在蔬菜发酵过程中的产物和发酵机理都是比较复杂的[17]。此外，也有对发酵制品品质不利的发酵（丁酸发酵），应尽量避免这种不利发酵的进行。

蔬菜一般都含有一定量的蛋白质，在蔬菜发酵加工过程中，蛋白质及氨基酸的变化对制品的色、香、味有不同的影响。有些氨基酸是由微生物蛋白酶分解蛋白质而逐渐释放出来的，众所周知，氨基酸都是有一定的甜味和鲜味，其鲜味一般是由谷氨酸与食盐作用所产生的；氨基酸在酸的作用下变成醇，醇与酸化合为酯, 产生香味[18]。此外，许多风味物质的前体物质就是氨基酸，如许多芳香化合物的前体物质是蛋氨酸、芳香氨基酸和侧链氨基酸，甲烷硫醇是由蛋氨酸代谢产生的，在醛缩酶的作用下，苏氨酸分解产生甘氨酸和乙醛[19]。

总之，发酵蔬菜的组织脆性及色、香、味都与糖类的发酵作用和蛋白质的分解作用有密切的关系。研究发酵蔬菜的发酵加工机理对提高发酵制品的品质和风味的形成有重要作用。

2 发酵蔬菜的微生态

蔬菜的腌制发酵必然离不开微生物及其生长代谢产生的有益物质，分析发酵体系中微生物的多样性，对于改善发酵条件及提高品质有好处。20 世纪60 年代，Pederson C S 等人[20]对酸白菜和酸黄瓜等发酵体系中的菌系消长规律进行了研究，发现明串球菌在早期发酵中起着主要作用，在发酵中期，啤酒片球菌、短乳杆菌和植物乳杆菌发酵活跃，大量产酸，在蔬菜发酵体系后期，由植物乳杆菌发酵完成。康建依等人[21]采用Illumina HiSeq 对山西地方自然发酵蔬菜不同发酵时期的样品中细菌进行测序。结果表明，发酵前期细菌多样性丰富，随着发酵时间的延长细菌种群结构趋于稳定，发酵中后期样品主要菌属为乳杆菌属。翁佩芳等人[22]采用16S rDNA 克隆文库法对榨菜不同盐度腌制体系中微生物多样性进行了分析。研究表明，在5%食盐腌制过程中，发酵前期中的优势种群是乳杆菌属、明串珠菌属和魏斯氏菌属；而在7%食盐腌制过程中，希腊魏斯氏菌是发酵前期中的优势乳酸菌种，最后起主导作用的种群均为植物乳杆菌。沈锡权等人[23]采用16S r DNA 基因克隆文库的方法，对腌制成熟的苋菜梗中细菌组成结构多样性进行了分析，共检测出了乳杆菌、类香菌、弓形杆菌等6 个菌属，其中乳杆菌属占优势为总数的83.9%。谷懿寰等人[24]经过传统分离培养，再通过16S rRNA 基因序列分析和荧光定量PCR 技术，对海南7 个地区的30 份不同种类的发酵竹笋、小西瓜、白菜和豆角样品中的微生物进行多样性分析，发现在海南蔬菜腌制体系中的主要优势菌属是乳杆菌属，在海南蔬菜发酵体系中的优势菌种是植物乳杆菌。张腾[25]利用DGGE 方法，对蔬菜发酵体系中细菌和真菌群落进行了鉴定，在食盐质量分数为4%的发酵体系中，在发酵前后期，细菌和真菌群落是比较丰富的，在发酵后期细菌种类较多，而中期细菌种类相对比较单一；在食盐质量分数为6%的发酵蔬菜体系中，细菌群落在整个发酵过程中都是相对稳定的，但细菌种类数比较少，真菌群落在发酵初期的种类相对单一，但生物量很高，到发酵后期真菌群落物种相对丰富；食盐质量分数为8%时，细菌群落发酵前期种类有限，发酵中后期物种相对丰富，而真菌主要存在于发酵初期。依据蔬菜在发酵过程中的物理变化和发酵时间可划分为4 个阶段，即初发酵、主发酵、再发酵和后发酵，在前面3 个阶段，有益菌群和兼性菌群发酵活动比较活跃，在初发酵阶段或者有氧的后发酵阶段会存在有害菌群的微生物活动[26]。微生物的群落结构在整个蔬菜腌制体系中的变化，是发酵体系环境随发酵时间推移而产生变化的最好体现。另外，对蔬菜产品特性也起着决定性的作用[27]。因此，为了更好地判断和评估发酵蔬菜的腌制过程，了解发酵过程中微生物种群之间的演替关系是最好的选择。

3 发酵蔬菜的质量控制

在发酵食品发酵过程中，有机酸含量的变化是评价发酵工艺的重要指标之一[28]。酒石酸、苹果酸、柠檬酸和草酸是蔬菜中比较常见的有机酸，其中酒石酸、苹果酸和柠檬酸的味道比较柔和，刺激性较小，对增进蔬菜的风味有着重要的作用[29]。乳酸菌在蔬菜发酵体系中进行发酵产生大量乳酸，不仅抑制杂菌污染，增加蔬菜的营养成分，保持蔬菜的色香味，使产品的感官品质提升，还能节约能源。乳酸菌的发酵性能不仅能缩短发酵时间，而且还能提高泡菜的品质，在延长泡菜的食用期和降低亚硝酸盐的含量等多方面都产生了重要的作用[30]。不同的发酵方式，发酵蔬菜的口感和品质都有所差异。Ishikawa K 等人[31]通过对肠膜明串珠菌肠膜亚种和干酪乳杆菌干酪亚种混合发酵的日本传统泡菜红萝卜进行分析发现，与传统发酵相比，混合菌发酵红萝卜的色泽和风味都比较好，不会产生含硫类物质，影响产品的风味，并且能长期保持产品的鲜艳色泽，增加食欲。范丽平等人[32]分别接种乳酸菌菌株Mao24.1，Mao5.1 和Tang3.2 于泡菜与自然发酵比较分析，接种发酵泡菜产品香气浓郁，各指标均优于自然发酵泡菜。周光燕等人[33]将干酪乳杆菌干酪亚种、植物乳杆菌短乳杆菌、棒状乳杆菌棒状亚种、布氏乳杆菌等5种乳酸菌分别接种于5 组泡菜，分别作为泡菜中的优势菌，并与传统的自然发酵泡菜方式进行对比。结果表明，植物乳杆菌可以明显缩短泡菜的发酵周期，泡菜的色、香、味明显较好，显著降低了亚硝酸盐的含量[34]。

在发酵过程中加入一定量的仔姜、大蒜、八角、辣椒等香辛料，可以加强泡菜的风味和口感，还能够抑制一些杂菌，并有一定的防腐作用[29]。Cavalcanti N B 等人[35]通过在泡菜中添加维C 和柠檬酸进行研究，结果表明在泡菜中分别加入维C 和柠檬酸，都比不加入的品质要好，而且加入维C 发酵后产品的品质效果比加入柠檬酸发酵后的品质效果好。刘程惠等人[36]研究了几种辅料对甘蓝泡菜自然发酵过程中成分变化，发现白砂糖、香辛料和水果的添加有利于发酵过程中总酸的增加。杨瑞等人[37]在泡菜发酵过程中主要化学成分变化规律的研究中发现低食盐质量分数、加碘、加花椒的方法有利于产酸。此外，采用含有较多矿物质的硬水配制泡菜盐水，效果更好，可以保持泡菜成品的脆性[29]。

蔬菜是一种富集硝酸盐的植物性食品。由于在蔬菜上存在硝酸盐，而硝酸盐在一些还原性菌的作用下还原成致癌性的亚硝酸盐[38]。亚硝酸盐问题是发酵蔬菜中一直需要考虑的安全因素，亚硝酸盐含量高低关乎产品的品质和可食性。充分利用乳酸菌进行乳酸发酵产生的高酸环境加速亚硝酸盐的降解，而且增加酸度，能够抑制有害的微生物，并对亚硝酸盐进行有效的分解破坏，由于亚硝酸盐与酸作用产生游离酸和亚硝酸，而亚硝酸极不稳定，容易分解产生无害的NO[39]，有研究表明，采用人工接种乳酸菌为优势菌进行发酵，大大缩短发酵周期，产酸迅速，可抑制杂菌的生长，进而降低亚硝酸盐的形成，提高发酵制品的品质和货架期。