微生物群落结构对泡菜质量的影响研究进展

徐清萍，法子柱，李雯

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，郑州 450001；2.食品生产与安全河南省协同创新中心，郑州 450001)

泡菜是以各类蔬菜为主要原料，经加工发酵形成的浸渍成品，在世界各地已有数千年历史。泡菜种类很多，包括中式泡菜、西式泡菜、日式泡菜、韩式泡菜。

泡菜发酵是一个多菌种发酵的过程。从有益的方面看，蔬菜原料经过乳酸菌发酵会产生很多化合物，如有机酸(乳酸和醋酸)、二氧化碳、酒精、维生素、益生元和其他香味物质，这些产物使泡菜呈现出各种风味和感官特性。由于蔬菜原料及配料的选择与处理、发酵工艺和卫生条件各有差异[1]，不同产地泡菜制作工艺中形成的菌群各异，继而进一步影响着泡菜的风味及泡菜中各项指标。从不利的方面看，用于泡菜生产的蔬菜原料表面附着着大量的附生微生物，如霉菌、酵母、肠杆菌科细菌和假单胞菌，而泡菜发酵系统为有害微生物的生长提供了适宜的条件，如丰富的营养物质、适宜的含氧量和pH值。这些有害菌在泡菜中产生有害的代谢物和毒素，对最终产品的质量和消费者的健康造成严重危害。其次，亚硝酸盐的积累是泡菜生产中常见的另一个问题。亚硝酸盐促进致癌N-亚硝基化合物的内源性合成，特别是亚硝胺。因此，降低发酵过程中的亚硝酸盐浓度也很重要。蔬菜发酵过程中腐败菌和亚硝酸盐积累是影响腌菜、泡菜产业和消费者健康的常见问题。

1 泡菜中的微生物菌群及影响因素

泡菜发酵是一个多菌种发酵的过程，PCR-DGGE、qPCR、高通量测序技术、SMRT测序技术等逐步被用于泡菜发酵过程中微生物群落结构的解析[2-4]。

各种研究表明泡菜发酵是一个多菌种发酵过程，不同原料、产地、工艺、发酵阶段中的菌群结构也存在着差别。青菜泡菜[5]发酵过程中，绝对优势真菌德巴利氏酵母(Debaryomyces)贯彻整个发酵中期，毕氏酵母(Pichia)在发酵第15天为绝对优势菌，奥默柯达菌(Kodamaeaohmeri)在发酵第81天为绝对优势菌，检测到的主要优势真菌有假丝酵母(Candida)等。四川泡菜[6]随着发酵代数的增加，泡菜母水中的细菌与真菌多样性呈下降趋势，微生物群落构成趋于稳定；乳杆菌(Lactobacillus)是达到稳态的泡菜母水中的主要细菌属，哈萨克斯坦酵母(Kazachstania)是达到稳态的泡菜母水中的主要真菌属。四川工业泡菜[7]发酵过程中，变形菌门是泡菜发酵前期的优势菌门，而发酵中期和后期的优势菌门为厚壁菌门；在整个发酵过程中，乳杆菌属的含量呈现出明显的增加，假单胞菌属的含量有所降低，盐单胞菌属和弧菌属的含量均基本保持不变。关于泡菜和辣白菜的细菌多样性研究结果表明[8]，辣白菜中乳酸杆菌、菌丝体和魏斯氏菌的相对丰度明显高于泡菜，而寡养单胞菌和沙雷菌在泡菜中的比例则低于泡菜。

采样地点和原辅料不同对发酵泡菜中真菌菌群结构均有一定的影响[9]。不同的贮藏时间对泡菜菌相构成[10]有影响，泡菜贮藏阶段的乳酸菌以植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)和短乳杆菌(Lactobacillusbrevis)为主，但相对丰度因贮藏时间而存在差异；贮藏3年的泡菜以单孢酿酒酵母(Kazachstaniaexigua)和Kazachstaniabulderi为主，贮藏12年的泡菜以膜璞毕赤酵母(Pichiamembranifaciens)为主。

大量研究表明，泡菜发酵过程中乳酸菌、酵母菌和肠杆菌数量动态变化，绝对的优势菌——乳酸菌主导了泡菜发酵，分离的最多的菌(优势菌)为该属中植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)和戊糖乳杆菌(Lactobacilluspentosus)[11]。韩国泡菜中优势乳酸菌属主要为明串珠菌属、乳杆菌属和魏斯氏菌属，乳酸菌种的分布与演替主要受制作泡菜的原材料、发酵温度和盐浓度等因素影响[12]。邓维琴等[13]对多代发酵泡菜中微生物多样性的研究表明，乳酸菌是泡菜母水中的优势细菌，酵母菌是优势真菌。张其圣等[14]对低盐泡菜发酵过程中的乳酸菌群落结构动态变化的研究表明，发酵前期的主要优势菌群是乳酸乳球菌和食窦魏斯氏菌，发酵中、后期的主要优势菌群是戊糖乳杆菌。罗强等[15]从中国北方4个不同地区的20份传统自然发酵泡菜样品中分离乳酸菌，结果表明各地区泡菜样品的微生物菌群组成有差异，其中辽宁和河南的泡菜样品中微生物种群最为丰富，吉林的泡菜样品中产酸菌数量最多。从自然发酵的蔬菜和水果中分离出来的主要乳酸菌属包括乳酸杆菌(Lactobacillus)、明串株菌(Leuconostoc)、魏斯氏菌(Weissella)、肠球菌(Enterococcus)和球菌(Pediococcus)等[16-17]。

2 泡菜中的微生物群落结构对泡菜质量的影响

泡菜的质量指标与泡菜中的菌群结构有着密切的相关性，有些微生物的存在会导致其质量的下降，而有些微生物的存在则起到改善调节作用。

2.1 泡菜的质构及风味

泡菜发酵过程中的微生物直接影响着泡菜的质构及风味。陈卓等[18]以分离于自然发酵泡菜中的植物乳杆菌和酵母菌作为功能菌强化发酵制作泡菜，结果表明自然发酵泡菜风味与人工接种功能菌发酵泡菜风味差异较大，不同发酵时间和接种量的泡菜风味物质的种类和含量也有所差异。代程洋等[19]对比15株发酵乳杆菌(Lactobacillusfermentatum)和15株植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)对发酵泡菜的质构特性及风味的影响，结果表明，发酵乳杆菌发酵泡菜的咀嚼性显著高于植物乳杆菌(P<0.05)，且纯种发酵泡菜的硬度、脆性及咀嚼性均高于自然发酵组；植物乳杆菌发酵的泡菜水酸味值和芳香型气味值显著高于发酵乳杆菌(P<0.05)，且略高于自然发酵组。

2.2 泡菜的品质

泡菜发酵过程中的微生物直接影响着其品质的好坏。工业化泡菜生产中经常会出现泡菜发臭、发黄、软腐等品质败坏现象，这些品质的改变直接与发酵过程中的微生物相关。泡菜发酵过程中芽孢杆菌和多种酵母菌如假丝酵母、酿酒酵母等常会导致泡菜表面长出一层白膜，即“生花”现象，从而导致品质败坏并产生不愉快的酸臭味[20]。蔡炯等[21]以腐败四川泡菜为研究对象，对其菌相构成和主要腐败菌特性进行研究，菌株致腐特性结果显示B.methylotrophicus、B.subtilis、B.licheniformis、P.peoriae和P.membranifaciens是腐败泡菜中主要的腐败微生物。易宇文等[22]从泡菜中分离纯化生花菌株，通过分子生物学技术鉴定其为毕赤酵母菌。

2.3 生物胺含量

泡菜中的生物胺含量与菌群结构相关。由于微生物的代谢活动，发酵食品中可以产生生物胺，泡菜中的天然微生物菌群是影响发酵过程中形成的生物胺量的一个重要因素。植物乳杆菌是泡菜中最常见的鉴定组，由于受到菌群、辅料、储藏条件等多种因素的影响，天然发酵泡菜中的植物乳杆菌菌株可产生不同范围低浓度的生物胺，但多数不在毒性范围内[23]。四川泡菜中主要的生物胺为腐胺、尸胺、组胺、酪胺，其中能产生生物胺的细菌包括解鸟氨酸拉乌尔菌(Raoultellaornithinolytica)、弗氏柠檬酸杆菌(Citrobacterfreundii)、特基拉芽孢杆菌(Bacillustequilensis)、阿耶波多氏芽孢杆菌(Bacillusaryabhattai)，其中R.ornithinolytica含有赖氨酸脱羧酶cacd基因和组氨酸脱羧酶hdc基因，回接培养基验证了其具有尸胺和组胺形成能力[24]。

2.4 亚硝酸盐

亚硝酸盐的积累是腌菜、泡菜发酵中常见的问题，尤其是未腌制完全的蔬菜。亚硝酸盐是能引起癌症和其他健康问题的N-亚硝基化合物的前体，降低亚硝酸盐浓度对保证食品安全供应具有重要意义。即使是同一品种蔬菜，亚硝酸盐含量也可能相差很大[25]。泡菜中的亚硝酸盐含量与发酵过程中的菌群结构有关。泡菜发酵过程中有些微生物的存在会促进亚硝酸盐含量的增加，而有些微生物则对其有降解作用。朱琳等[26]对萝卜泡菜发酵液中亚硝酸盐浓度峰值期和回落期时细菌群落结构多样性进行研究，结果表明，伴随着亚硝酸盐浓度变化，萝卜泡菜发酵过程中细菌群落结构多样性也发生演替，与发酵液中亚硝酸盐的形成和降解密切相关。其中，亚硝酸盐峰值期发酵液样品中以变形菌门细菌最为优势，以Erwinia、Aeromonas、Pseudomonas、Shigella和Delftia(5.1%)为主要优势菌属；厚壁菌门为第二优势菌门，Lactococcus为其中的主要优势属。回落期发酵液样品中以厚壁菌门最为优势，优势属包括Leuconostoc、Lactococcus、Weissella和Pediococcus等。曹佳璐[27]对重庆家庭制传统泡菜的分析表明亚硝酸盐含量仅与费尔斯莫尔德镇乳杆菌(Lb.versmoldensis)存在显著正相关，与Enterobacteriaceae细菌及其他优势菌群无显著相关性。

乳酸菌发酵能降低泡菜中的亚硝酸盐含量。与自然发酵相比，接种肠膜明串珠菌[28]发酵四川泡菜，人工接种混合菌种(柠檬明串珠菌∶植物乳杆菌植物亚种∶短乳杆菌为2∶3∶1，浓度比)[29]发酵娃娃菜，采用短乳杆菌LactobacillusbrevisAR123单独发酵或与商业发酵剂混合发酵泡菜[30]等方式均能降低亚硝酸盐含量。采用食窦魏斯氏菌(Weissellacibaria)和植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)共接种发酵能降低四川泡菜中亚硝酸盐和生物胺的浓度[31]。泡菜中的某些乳酸菌对亚硝酸盐具有降解作用。宋昊芮等[32]从低盐泡菜发酵中分离到的多株乳酸菌，对亚硝酸盐分解能力最强的是干酪乳杆菌，其次是植物乳杆菌，分解能力最差的是食品乳杆菌。郭志华等[33]从泡菜中筛选出6株降解亚硝酸盐的乳酸菌，其中4株鉴定为植物乳杆菌，2株鉴定为发酵乳杆菌，其中发酵乳杆菌JYF2和JYF3具有抑菌性，对革兰氏阳性菌的抑制作用大于革兰氏阴性菌。

2.5 杂菌污染

泡菜中的菌群结构与杂菌污染密切相关，泡菜发酵过程中存在着杂菌及致病菌污染风险。杨丽等[34]对检索结果中13篇文献的50批次四川泡菜发酵过程中大肠杆菌消长数据进行定量系统评价，结果表明，四川泡菜发酵过程中，大肠杆菌在数量上大体呈现为先升后降的动态变化模式，大肠杆菌数量的峰值与初始值之间有显著的正向相关。闫鸣霄等[35]根据15篇涉及发酵泡菜中微生物高通量测序数据的文献分析泡菜中食源性致病菌存在的风险，表明泡菜发酵操作方式和泡菜中食源性致病菌污染风险有明显关联：家庭泡菜易出现肠杆菌属和假单胞菌属致病菌，工业泡菜中李斯特菌属致病菌出现机会较大；萝卜、白菜泡菜中出现致病菌的机会相较其他原料泡菜更大；发酵时间与葡萄球菌属和李斯特菌属致病菌的出现表现出明显的正相关；高盐泡菜中金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌有可能生长；中、低盐泡菜中金黄色葡萄球菌和沙门氏菌都可能出现明显生长，沙门氏菌尤其具有较大的生长优势。抗菌性乳酸菌对致病菌具有抑菌性。泡菜中的一些乳酸菌具有抑菌性，如发酵乳杆菌、干酪乳杆菌、植物乳杆菌等[36]。

蔬菜发酵过程中腐败菌和亚硝酸盐积累是影响泡菜产业和消费者健康的常见问题。由于泡菜生产的蔬菜原料表面附着着大量的附生微生物，乳酸菌只占蔬菜原料原始微生物群系的一小部分。Xia等[37]研究表明增加自然发酵初期乳酸菌数和盐浓度可以抑制有害菌，降低亚硝酸盐的产量，但增加盐浓度会抑制乳酸菌的生长，延长发酵周期，影响风味物质。因此，低盐条件下控制有害细菌生长的发酵技术是提高泡菜质量的关键。Zheng等[38]利用噬菌体控制泡菜发酵过程中腐败菌的生长及亚硝酸盐的产生。

3 前景和展望

发酵过程中微生物群落的多样性与盐浓度、贮藏温度有关，而泡菜的各项质量指标变化，包括感官、酸度、亚硝酸盐、大肠菌群等各项理化及卫生指标都与发酵过程中的菌群种类及群落结构相关。

乳酸菌中有多种类型菌株可以对食源性致病菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有抑菌性，将其应用于泡菜发酵，在发酵过程中无明显亚硝酸盐高峰[39]。香辛料是泡菜发酵生产中常用的辅料，不同香辛料对乳酸菌生长及抑菌性的影响不同[40]。这表明通过调整泡菜发酵过程中的相关参数及使用抑菌性乳酸菌有利于实现对泡菜等食品发酵、运输和贮藏过程中致病菌风险控制，防止杂菌污染，有效地延长食品保质期。获得具有抑菌、改善发酵条件的能力及使用安全的乳酸菌对实现低盐发酵及生产健康、高品质产品、发酵过程安全控制具有积极意义。