乳酸菌降解泡菜中亚硝酸盐的机制及应用研究现状

皮佳婷，刘冬敏，王建辉，牟鸣薇，方芳，宁静恒，张永生

(长沙理工大学 化学与食品工程学院， 湖南 长沙，410114)

泡菜在中国已拥有3 000多年的历史[1]，是中国传统发酵蔬菜食品，其富含有机酸、维生素、膳食纤维等营养物质，通常作为配菜或开胃菜[2]。随着富氮化肥在农业中的广泛应用，新鲜蔬菜从土壤中吸收大量的氮肥并将其转化为硝酸盐，而硝酸盐被蔬菜表面附着的微生物或蔬菜固有的硝酸还原酶还原成亚硝酸盐，造成亚硝酸盐的积累[3]。由于原料、工艺差异，不同泡菜中的亚硝酸盐含量可能存在很大差异[4]。

亚硝酸盐具有很强的氧化能力，短时间内过量摄入会导致机体内血红蛋白结构发生改变，引起中毒，甚至影响人体血液系统，干扰维生素A的吸收，从而引发维生素A缺乏症[4]。如何降低泡菜中亚硝酸盐的含量已成为国内外学者研究的关切点。本文拟重点分析与探讨乳酸菌降解亚硝酸盐的机制与影响因素，归纳总结现有降低泡菜中亚硝酸盐含量的方法，并对乳酸菌在泡菜中的应用进行展望。

1 乳酸菌降解亚硝酸盐的机制

乳酸菌对亚硝酸盐的降解机制已引起研究学者们的广大关注。相较于自然发酵，接种魏斯氏菌KACC 15510的发酵泡菜，其“亚硝峰”峰值降低，且发酵蔬菜的口感与风味明显提高[5]。张庆芳等[6]研究认为乳酸菌降解亚硝酸盐有2个阶段，即产酸降解与产降解。发酵前期pH>4.0时，以乳酸菌产亚硝酸盐还原酶降解为主；发酵后期pH<4.0时，以乳酸菌产乳酸降解为主，并且此时发酵环境中pH较低，不利于产亚硝酸盐的微生物生长，从而抑制亚硝酸盐的生成。同时，LIU等[7]研究发现，粪肠球菌Y31产生的细菌素Y3可促进乳酸菌菌群增殖，使亚硝酸盐含量维持在较低水平。迄今为止，关于乳酸菌降解亚硝酸盐机制的研究主要集中于产酸、产酶和产乳酸菌素降解3个方向，如图1所示。

图1 乳酸菌降解亚硝酸盐的可能机制Fig.1 The possible degradation mechanism of nitrite by lactic acid bacteria in pickled vegetables

1.1 乳酸菌的产酸降解

1.2 乳酸菌的产酶降解

1.3 乳酸菌的产乳酸菌素降解

部分乳酸菌在代谢过程中除会产生有机酸和亚硝酸盐还原酶外，同时也会产生具有抑制其他微生物生长的乳酸菌素。乳酸菌素是一类由乳酸菌核糖体产生并分泌到胞外的抗菌肽，能抑制亚硝酸盐的生成[7]。FANG等[13]从自然发酵的食品中分离得到4株具有抗菌活性的乳酸菌，其中棒状乳杆菌BBE-H3降低亚硝酸盐含量的能力最强，该菌株能产生针对丝状霉菌和酵母菌的蛋白类抗菌化合物，抑制其他产亚硝酸盐菌株的生长，从而抑制硝酸盐还原成亚硝酸盐。接种粪肠球菌Y31发酵生产泡菜过程中产生的细菌素Y3可有效控制泡菜中致腐和病原微生物的生长，促进乳酸菌菌群增殖，减少杂菌数量，加快发酵速度，使发酵液中亚硝酸盐含量维持在较低水平。因此，粪肠球菌Y31不仅可有效控制泡菜的腐败，还可降低亚硝酸盐含量[7]。

2 影响乳酸菌降解泡菜中亚硝酸盐的因素

泡菜制作过程中不同的发酵原料、温度、pH、时间、食盐浓度以及发酵罐的材质等均会影响体系中微生物尤其是乳酸菌的生长，最终影响泡菜中亚硝酸盐的含量。不同发酵条件下泡菜的生产及亚硝酸盐的降解情况如表1所示。

表1 不同发酵条件与发酵方式对泡菜亚硝酸盐变化的影响Table 1 Effects of different fermentation conditions and methods on nitrite change in pickled vegetables

2.1 发酵原料

发酵开始前体系中原料及添加物会影响蔬菜发酵过程中亚硝酸盐的含量。DING等[14]测定了美国北卡罗纳州市场上46种不同原料泡菜的亚硝酸盐含量，发现其主要存在于腌制青豆(1 mg/kg)、腌制卷心菜(2 mg/kg)、腌制甜菜(6 mg/kg)和腌制蘑菇(2 mg/kg)4种酸化泡菜与希腊橄榄菜(3 mg/kg)和韩国大白菜(14 mg/kg)2种发酵泡菜中。黄润秋等[15]研究发现，嫩姜硝酸盐含量达2 250 mg/kg，莴笋和萝卜含量为1 110 mg/kg，将以上单原料制成泡菜，萝卜的“亚硝峰”出现在第1天(30 mg/kg)，莴笋的“亚硝峰”出现在第2天(22 mg/kg)，嫩姜泡菜在整个发酵过程中亚硝酸盐含量均低于20 mg/kg；相关性分析表明，亚硝酸盐的积累与原料中硝酸盐的含量呈正相关(r=0.82)，而嫩姜中硝酸盐含量很高却未出现亚硝酸盐积累，究其原因可能与嫩姜中含有生姜精油、姜辣素等抑菌物质有关。泡菜使用的原料种类是导致亚硝酸盐含量差异的主要影响因素。不同蔬菜组合在自然发酵过程中 “亚硝峰”的变化范围为12～60 mg/kg，蔬菜组合越多，“亚硝峰”峰值越低，大白菜、豇豆、白萝卜、胡萝卜与黄瓜的组合“亚硝峰”峰值最低，仅为13 mg/kg[16]。

2.2 发酵条件

泡菜在发酵过程中容易产生亚硝酸盐，控制其发酵条件(发酵温度、pH值、发酵时间与食盐浓度等)可明显减缓亚硝酸盐的生成。乳酸菌的最适温度为30～40 ℃，最适pH为5.5～6.5，因此，发酵温度和pH都会影响乳酸菌降解亚硝酸盐的能力。WANG等[17]研究发现，在一定范围内提高发酵温度，有利于泡菜快速产酸并缩短成熟期，在发酵第1天，温度为25、35 ℃的实验组pH值下降至3.5左右，而温度为10、15 ℃的实验组到达相同pH则需要15～20 d。相较于自然发酵，在发酵第7天，-1 ℃条件下3种乳酸菌(清酒乳杆菌、弯曲乳杆菌、短乳杆菌)的亚硝盐降解率分别为87.9%、66.0%、57.1%，而15 ℃培养条件下3种乳酸菌的亚硝酸盐降解率均接近100%[18]。

除此之外，在发酵过程中，盐浓度对乳酸菌降解亚硝酸盐的能力也有很大影响。YANG等[19]将植物乳杆菌HBUAS 51041和肠系膜明串珠菌ORC 2以1∶1的比例接种至盐质量分数分别为0.5%、1.5%、2.5%、3.5%的大白菜中，发现“亚硝峰”均出现在第3天，其中盐质量分数为0.5%的泡菜中亚硝酸含量最高(2.0～2.5 mg/kg)，其次是盐质量分数为3.5%的泡菜(1.0～1.5 mg/kg)，这可能是由于盐质量分数为0.5%的泡菜中存在腐败菌，而盐质量分数为3.5% 的泡菜中乳酸菌的生长受到抑制；因此，当发酵期延长至第30天，盐质量分数为0.5%的泡菜中亚硝酸盐含量反而最低(0.29 mg/kg)。李军波[20]对3种盐质量分数(2%、5%、8%)发酵的泡菜进行研究发现，盐质量分数为2%的泡菜中乳酸菌繁殖代谢最快，亚硝酸盐含量降低最快，而盐质量分数为8%的泡菜中乳酸菌繁殖代谢最慢，亚硝酸盐含量降低最慢，泡菜成熟所需时间最长。

2.3 发酵罐材质

泡菜在自制或工业化生产中所用容器类型的不同对泡菜中亚硝酸盐含量的影响较大。LIU等[21]研究发现，在密封发酵第31天，塑料罐和陶瓷罐中发酵的四川泡菜亚硝酸盐含量较高，分别为2.50、2.35 mg/kg；而玻璃罐中四川泡菜的亚硝酸盐含量最低，仅为1.90 mg/kg。

3 降低泡菜中亚硝酸盐含量的方法与途径

泡菜生产过程中降低亚硝酸盐含量的方法一般可分为3类：物理降解法、化学降解法和生物降解法。图2展示了不同方法降低泡菜中亚硝酸盐含量的途径。

图2 降低泡菜中亚硝酸盐含量的方法途径Fig.2 Methods for nitrite reduce in pickled vegetables

3.1 物理降解法

物理降解法主要是对泡菜原料进行前处理，包括低温冷藏、高温处理等，通过降低原料中硝酸盐含量、抑制亚硝酸盐产生菌的生长以及降低硝酸盐还原酶活性等方式，最终降低泡菜产品中的亚硝酸盐含量。

3.1.1 低温冷藏

低温冷藏能降低蔬菜中固有的硝酸还原酶活性，抑制亚硝酸盐的积累。尹丰等[32]通过对比12种蔬菜在低温冷藏和常温贮藏下亚硝酸盐含量的变化发现，低温贮藏可延迟“亚硝峰”的出现，但低温会破坏蔬菜细胞结构，使发酵后的泡菜风味和口感变差。徐斌等[33]检测了9种山野菜冷冻干燥后亚硝酸盐含量的变化发现，冻干后的山野菜中亚硝酸盐含量均远低于室温贮存的山野菜中亚硝酸盐含量。

3.1.2 高温处理

高温处理如漂烫处理既可抑制蔬菜中硝酸还原酶的活性，亦可杀死部分附着在蔬菜表面的硝酸还原菌，从而抑制发酵过程中亚硝酸盐的形成，亚硝酸盐含量随漂烫时间延长而逐渐降低[34]。MENARD等[34]研究发现漂烫处理可降低蔬菜中近75%的亚硝酸盐含量。

3.2 化学降解法

3.2.1 添加抗氧化剂

抗坏血酸(维生素C)、抗坏血酸钠和异抗坏血酸钠等抗氧化剂可将亚硝酸盐还原成NO，从而降低亚硝酸盐含量。在原料中加入0.5‰的维生素C能将香菇泡菜中亚硝酸盐含量从6.16 mg/kg降低至3.11 mg/kg[35]。在泡菜中加入维生素C可降低泡菜发酵过程中的“亚硝峰”峰值，发酵第9天时，维生素C组亚硝酸盐含量为5.47 mg/kg，而对照组达10.34 mg/kg[36]。

3.2.2 添加有机酸

3.2.3 添加发酵辅料

发酵辅料是指泡菜在发酵过程中为了提升风味而添加的调味料，部分发酵辅料具有一定的降低亚硝酸盐含量的能力，如大蒜、大葱、姜、糖以及花椒等。泡菜中添加天然香辛料辣椒、花椒、大蒜和生姜对有害菌的抑制效果依次为辣椒>大蒜>生姜>花椒，将4种香辛料以最优配比(辣椒0.36 g/L、大蒜0.8 g/L、花椒0.18 g/L、生姜0.6 g/L)投入泡菜中，发酵第7天时，亚硝酸盐含量降低了90%[39]。除可通过抑制有害菌的生长而减缓亚硝酸盐的生成外，大蒜中所含巯基化合物亦可与亚硝酸盐结合生成酯类化合物[40]，从而降低泡菜中亚硝酸盐含量。

3.2.4 添加天然成分

一些天然成分因具有较强的还原能力，可与亚硝酸盐发生反应，从而达到降低亚硝酸盐含量的效果，将莲房原花青素提取物、玫瑰多酚、绿茶提取物等加入泡菜中还能丰富泡菜风味[41]。在泡菜中添加9%的蓝莓酒渣后，其亚硝酸盐含量比空白对照组低62.20%，可显著降低泡菜中亚硝酸盐与生物胺的含量[42]。而在700 g四川泡菜中加入60 g枸杞，不仅可增加泡菜的总酸含量和抗氧化能力，还可降低泡菜中亚硝酸盐含量并改善泡菜感官品质[43]。

3.3 生物降解法

3.3.1 亚硝酸盐还原酶降解法

3.3.2 微生物降解法

发酵乳杆菌、植物乳杆菌、肠膜明串珠菌等乳酸菌均具有良好的亚硝酸盐清除作用。比较我国不同区域泡菜中的细菌组成发现，亚硝酸盐还原菌属包括乳酸菌(73.37%)、片球菌(0.93%)、不动杆菌(0.74%)、白串珠菌(0.31%)等，其中乳酸菌为优势菌属，与亚硝酸盐含量呈显著负相关[45]。XIA等[22]从自然发酵的泡菜中提取得到了对亚硝酸盐具有较高耐受性的乳酸菌菌株AR123，并将其重新应用于泡菜发酵中，相较于自然发酵，接种发酵泡菜的亚硝酸含量由17.92 mg/kg显著降低至0.83 mg/kg。

3.3.3 接种噬菌体降解法

近年来研究发现，噬菌体可控制食品中腐败菌和致病菌的生长，其同样可能对泡菜中亚硝酸盐的降解具有一定潜力。ZHENG等[46]研究表明，泡黄瓜中产生亚硝酸盐的优势菌群是嗜中温需氧细菌，在泡菜中同时接种嗜中温需氧细菌的特异性噬菌体和乳酸菌进行混合发酵，能在泡菜发酵前期降低亚硝酸盐含量。

4 降解亚硝酸盐的乳酸菌在泡菜中的高效应用

泡菜虽可通过加入盐溶液发酵制作，但目前更多是使用卤水发酵进行制作。卤水发酵制作泡菜高度依赖原料中自身携带的乳酸菌，如肠系膜明串珠菌、植物乳杆菌、粪肠球菌等。陈坛卤水是指循环使用多次的泡菜卤水，重复使用的卤水具有启动发酵快、乳酸菌大量积累、减少有害微生物滋生等特点。泡菜中的营养物质(如碳水化合物、蛋白质和脂肪)能被乳酸菌转化为各种有机酸、氨基酸、醇、酯和酮等，从而形成泡菜的独特风味。CHEN等[47]研究发现，经过第4轮发酵，萝卜泡菜成熟时的微生物菌群、有机酸、游离氨基酸和挥发性成分含量等与卤水基本一致，并且还能将发酵时间从6 d减少至1～2 d，显著缩短发酵时间。但由于自然发酵生产的泡菜受环境因素(生产季节、操作卫生条件等)影响较大，导致产品质量稳定性差，为抑制杂菌生长并且获得安全优质的泡菜产品，接种发酵泡菜越来越受到关注。

接种发酵是将标准菌种接种于蔬菜上进行发酵的方式。20世纪60年代起，泡菜生产中开始应用接种发酵。一些具有优良特性的优势乳酸菌种类，如肠系膜明串珠菌，乳酸乳球菌、柠檬酸乳杆菌和植物乳杆菌等是可有效提高泡菜质量的发酵剂[48]。乳酸菌纯种发酵、乳酸菌与商业发酵剂混合接种发酵均可迅速降低泡菜中的pH值和亚硝酸盐含量；泡菜纯种发酵和混合接种发酵72 h后亚硝酸盐含量(1.00、0.88 mg/kg)显著低于自然发酵(17.92 mg/kg)[22]，纯种发酵与混合接种发酵能更为有效的降低亚硝酸盐含量，增强泡菜的感官特性，同时缩短泡菜的发酵时间。XIANG等[31]研究表明，植物乳酸杆菌与魏斯氏菌混合接种发酵可使四川泡菜中亚硝酸还原酶的表达比自然发酵高2倍，使亚硝酸盐降解速度更快，并显著提升泡菜的风味。肠系膜明串珠菌、短乳杆菌与魏斯氏菌混合接种发酵的四川泡菜“亚硝峰”峰值比自然发酵更低，且由于产酸时间较早，泡菜中乳酸、甘露醇、鲜味与甜味氨基酸含量提高，总酸含量降低，泡菜的感官品质得到大幅提升[25]。接种从泡菜中分离得到的巨大芽孢杆菌L222能使泡菜中醇类物质含量维持在较高水平，促进酯类物质合成，抑制硫化物的生成以及致病菌的生长，从而提高泡菜发酵的整体质量[28]。将植物乳杆菌LV02与小扁豆乳酸杆菌LV73进行混合接种发酵，泡菜中嗜温微生物和乳酸菌总数比自然发酵更占优势，从而使泡菜稳定性大幅提高，发酵周期大大缩短，为泡菜的标准化生产提供了理论基础[29]。

由于接种发酵的工艺流程较为繁琐、操作要求较高，因此采用操作简便的直投式发酵剂发酵为蔬菜发酵研究提供了新的思路。直投式发酵剂是指将高浓度的发酵菌种冷冻干燥后，制成方便运输贮藏、无需活化等预处理、可直接加入原料中进行发酵的发酵剂。将直投式发酵剂用于发酵蔬菜的生产，可节省人力、空间、资源和时间，不仅可使生产专业化、规范化和统一化，还可提高产品质量，保障消费者健康。利用直投式乳酸菌冻干粉对青菜进行发酵，当接种量为0.05%、盐质量分数为6%，发酵温度为33.9 ℃、加糖量为1.74%、发酵时间为91.5 h时，泡菜中亚硝酸盐含量最低(2.54 mg/kg)，且相较于自然发酵其泡菜口感更好[49]；在草菇发酵中投入植物乳杆菌dy-1直投式发酵剂，同时以草菇的脆度与色差进行发酵工艺优化，研究发现，当添加柠檬酸2 g/L、CaCl26 g/L、盐10 g/L、烫漂时间为9 min时，泡菜发酵品质最佳，相较于自然发酵，其亚硝酸盐含量下降更显著，发酵时间更短，感官品质更高[50]。

5 展望

利用乳酸菌降解泡菜中的亚硝酸盐具有安全、高效等特点。但目前利用乳酸菌降解亚硝酸盐的研究尚处于初级阶段，主要还是集中在对产酸、产酶或产乳酸菌素的乳酸菌菌株进行筛选与纯化，然后将其应用于蔬菜发酵过程中，而对乳酸菌菌种改良并进行安全性评价的相关研究不多，对乳酸菌降解亚硝酸盐的分子机制知之甚少。采用乳酸菌接种发酵可有效降低泡菜中亚硝酸盐含量并大幅缩短泡菜发酵周期，但当前大部分尚处于实验室研究阶段，鲜有工业化的实际应用，因此，还需进一步完善接种发酵的质量与安全管理体系，从而为工业化生产安全、营养、美味的泡菜提供解决方案。