发酵蔬菜色泽形成机制及影响因素研究进展

杨 姗，王 卫，赵 楠，黄富德，曾雪晴，赖海梅，梅 源，朱永清,,*

（1.成都大学食品与生物工程学院，四川 成都 610106；2.四川省农业科学院农产品加工研究所，四川 成都 610011；3.成都市新都区农业农村局，四川 成都 610599）

发酵蔬菜包括腌制豆制品、榨菜、酸菜、咸菜、泡菜等，是中国、朝鲜、韩国、日本及东南亚各国的特色传统发酵食品。发酵蔬菜起源于3 100 年前的商周时期，传承至今已成为国内外重要的传统发酵食品之一[1]。发酵蔬菜主要是以新鲜蔬菜为主要原料，经盐、糖、醋、酱、虾油和其他调味品腌制，借助蔬菜表面自然黏附的有益微生物或接种商业发酵剂在厌氧环境下发酵而成[2]。微生物发酵、盐或糖溶液的高渗透压以及色素水解等生化变化赋予了发酵蔬菜独特的色泽特征[3-5]。色泽是影响发酵蔬菜质量和消费者接受程度的主要因素之一，发酵蔬菜在工业化发酵生产中需要保持一致并且稳定的色泽品质[6]。蔬菜原料、微生物及酶的种类繁多、相互作用关系复杂，且目前对发酵蔬菜色泽形成机制缺乏全面、系统性的认知，因此难以获得发酵蔬菜色泽形成相关的关键性信息[7]，此外，在传统发酵过程中发酵蔬菜色泽会受到许多因素的影响，如生产季节、发酵环境、操作卫生条件等，所以很难精准调控发酵蔬菜的色泽。现代发酵蔬菜生产过程中常出现色泽劣化等问题，而关于发酵蔬菜的色泽鲜有综述报道，本文从色泽对发酵蔬菜品质的影响、色泽形成机制及影响因素3个方面进行综述，以期为控制发酵蔬菜良好色泽提供参考，为高品质发酵蔬菜的工业化、规模化、可控化生产提供参考。

1 色泽对发酵蔬菜品质的影响

色泽是决定发酵蔬菜质量的最重要因素之一，与发酵蔬菜的风味、安全性和营养价值相关[8-9]。良好的色泽对发酵蔬菜品质的提升有积极影响，不但可以增强其视觉吸引力，还可能赋予发酵蔬菜更强的生物活性，如天然色素（类胡萝卜素、花青素、类黄酮）以及微生物发酵产生的色素（如红曲霉的次生代谢产物红曲色素）可使产品呈现鲜艳诱人的色泽，同时可通过抗氧化和抑菌作用提高发酵蔬菜的品质，其具有的相关生物活性对人体健康也有潜在的益处[10-11]；大蒜在发酵过程中形成其独特的绿色，绿色素的生成不仅赋予发酵大蒜更多的风味物质，同时增加了发酵大蒜的抗氧化活性和抑菌活性[12-13]；白萝卜经过发酵产生的金黄色泽不仅能激发消费者食欲，对发酵萝卜本身而言，黄色素所具有的抗氧化特性也能抑制其品质的劣变[14]；白萝卜发酵过程中微生物产生的类胡萝卜色素使白萝卜变黄，提高了产品的感官品质，同时赋予产品更多生物学功能[15]。而因酶促、非酶褐变、微生物产膜或其他生物化学反应导致发酵蔬菜色泽劣化，严重降低了发酵蔬菜的品质和安全性[16-17]。褐变不仅导致发酵蔬菜的色泽劣化，褐变过程中产生的硫化物还降低了产品的风味品质，同时对发酵蔬菜的营养价值产生负面影响[18]。蔬菜发酵过程中由美拉德反应引起的褐变会造成营养物质损失，同时吡啶、呋喃等致癌化合物以及晚期糖基化终末产物含量增加[19]。发酵蔬菜表面的微生物膜（呈白色或灰棕色斑点）不仅会降低产品的外观品质，还会造成蔬菜二次发酵，导致发酵蔬菜出现过氧化[20]、浑浊[21]、质地软化和异味[22]。此外，病原菌和腐败菌可附着在蔬菜或食品加工设备表面形成致密的生物膜，最终影响发酵蔬菜的品质[23]。

2 发酵蔬菜的色泽形成机制

发酵过程中蔬菜在微生物及酶等作用下形成了独特的色泽。研究发酵蔬菜色泽形成机制，对建立更具针对性、靶向性的发酵蔬菜品质调控策略，稳定产品色泽品质具有积极作用。

2.1 原料色素

原料中的色素是发酵蔬菜色泽的重要来源，蔬菜中含有的色素物质主要包括叶绿素、花青素、类胡萝卜素和类黄酮等，蔬菜本身的色素含量与发酵形成的最终色泽存在明显相关性[24-26]。不同品种[27-28]、栽培方式[29]、成熟度[30]的蔬菜中色素积累呈现差异，这些色素为发酵蔬菜色泽的形成提供了底物，在进一步发酵过程中，随着加工条件及发酵环境（微生物、酸、酶、温度、水分含量、光照、氧气含量、金属离子）的变化，蔬菜中的结合态色素通过一系列反应生成其他有色或无色物质，使发酵蔬菜呈现不同的色泽[31-32]。Wiczkowski等[33]研究了发酵过程中红甘蓝花青素的含量变化，发现发酵过程中总花青素损失率为24%，这可能与发酵过程花青素酰基化有关；Sawicki等[34]发现甜菜发酵过程中红色会逐渐变浅，这可能与甜菜碱含量降低有关，而甜菜碱含量的降低，一方面与微生物发酵过程引起的基质软化导致甜菜碱释放有关；另一方面与pH值降低导致甜菜碱的降解有关。在发酵过程中需要保护天然色素并确保最终发酵蔬菜产品的高色泽品质，应考虑蔬菜加工条件及发酵环境因素对原料色素稳定性的影响。如叶绿素的稳定性主要受光照、温度、氧气含量、酸性环境和酶降解的影响[35]；类胡萝卜素的稳定性主要受氧气含量、光照、酸性pH值和高温的影响[36]；花青素的稳定性主要受温度、pH值、β-葡萄糖苷酶、光照、氧气含量和水分活度的影响[37-39]。不同蔬菜原料加工过程中的色泽变化如表1所示。

表1 蔬菜加工过程中色泽的变化Table 1 Color changes during vegetable processing

续表1

2.2 微生物

发酵蔬菜色泽的形成与微生物的活动息息相关，乳酸菌、醋酸菌、酵母菌、霉菌等发酵产生酶、有机酸和色素等代谢产物，进一步在发酵蔬菜色泽形成的过程中发挥作用[59]。因此深入研究微生物对发酵蔬菜色泽形成的作用机制，可以为实现通过微生物精准调控发酵蔬菜色泽提供理论依据。

2.2.1 微生物产生的酶

微生物产生的酶是发酵蔬菜色泽形成的重要影响因素之一，不同种类的酶通过不同的途径影响色泽的形成。一方面，微生物产生的酶作为催化剂可加速蔬菜中色素的降解或氧化，使发酵蔬菜色泽发生变化。一些乳酸菌菌株产生的β-葡萄糖苷酶可在发酵过程中水解蔬菜中的类胡萝卜素和类黄酮等天然色素并影响发酵蔬菜最终的色泽形成[60-62]。还有学者发现用解淀粉芽孢杆菌发酵蔬菜，菌株产生的氧化还原酶可降解蔬菜在发酵过程中产生的黑色素，有效减轻发酵蔬菜的褐变[63]。此外，酵母也能通过产酶影响发酵蔬菜色泽的形成，敖晓琳等[64]认为在红皮萝卜的发酵过程中，酵母可在发酵过程中产生多酚氧化酶加速酚类物质氧化进而导致泡萝卜变色。另一方面，一些微生物产生的酶提供了色素合成所需底物，会促进相应色泽的形成。Qiu Zhichang等[65]报道接种亚甲基营养芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌发酵大蒜的过程中，菌株中的中性蛋白酶催化蛋白质水解产生游离氨基酸，进而促进了美拉德反应，与对照组相比，可使色差ΔE提高2.78%。

2.2.2 微生物产生的小分子物质

发酵过程中的乳酸菌、酵母菌和醋酸菌发酵产生的乳酸、乙酸等小分子物质能有效地抑制有害酵母菌、霉菌和腐败菌的生长，明显减少了硫化物生成和“生花”等品质劣变的现象[66-67]。此外，这些小分子酸也会在一定程度上降低氧化酶的活性，间接影响酶促褐变反应[68]。任亭等[69]用肠膜明串珠菌与短乳杆菌复合接种发酵涪陵青菜头，结果发现代谢产物乳酸、柠檬酸等能降低多酚氧化酶活性，抑制蔬菜中褐变前体物的氧化，进而减轻泡菜的褐变度。

通过微生物产酸降低蔬菜发酵体系的pH值，可促进色素的异构化、氧化和降解，使发酵蔬菜呈现出不同的色泽。在红皮萝卜的发酵过程中，微生物产酸降低泡菜汁的pH值，酸性pH值下红皮萝卜中呈红色的色素被异构化，颜色随着酸性增强而加深，使发酵后的泡菜比发酵前更红[70]。酸催化色素降解是发酵蔬菜色泽形成的重要途径。例如，Lee等[71]研究接种副乳杆菌发酵红辣椒对类胡萝卜素及其降解产物含量的影响，发现乳酸杆菌代谢产生的有机酸催化类胡萝卜素的降解，进而增加了泡菜中类胡萝卜素降解衍生物的含量，最终赋予产品独特的色泽；Degrain等[72]研究不同乳酸菌发酵对非洲茄叶颜色的影响，由于乳酸菌发酵降低pH值，酸性环境下叶绿素降解以及含5,8-环氧基团的类胡萝卜素氧化，茄叶由绿色变为棕色，进一步说明微生物产生的小分子酸性物质是影响发酵蔬菜色泽形成的重要因素之一。

2.2.3 微生物产生的色素

微生物色素是发酵蔬菜呈色的重要元素，对发酵蔬菜的特征色泽有重要贡献。在蔬菜发酵过程中，当红酵母大量生长时，其参与代谢产生类胡萝卜素，会使发酵蔬菜呈现粉红色[73]。Reda等[74]发现从泡菜中分离出的戊糖片球菌能产生类胡萝卜色素从而影响泡菜色泽。霉菌作为生产色素的微生物，也可在发酵过程赋予蔬菜特有的色泽，Kaur等[75]接种三孢布拉霉菌（Blakeslea trispora）发酵胡萝卜，菌株可产生大量的β-胡萝卜素使得胡萝卜发酵后红色加深，同时，β-胡萝卜素的良好抗氧化性能减少了氧化对色泽的影响。另外，红曲色素具有多种生物活性，在发酵蔬菜中的应用也越来越广泛[76-77]。通过控制主要的非生物和生物因素，如温度、光照和营养以及代谢或基因表达，可以最大限度地提高微生物色素产量。

2.3 蔬菜内源酶

酶在发酵蔬菜色泽形成过程中起主导作用。蔬菜中不同种类酶诱导的氧化、还原、分解、化合反应均会使发酵蔬菜颜色发生不同的变化，主要有褐变和非褐变两类。

酶促褐变是一种普遍存在于发酵蔬菜中的变色反应，其中多酚氧化酶、过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶是引起褐变的主要酶[78]。酶促褐变导致的发酵蔬菜变黑变质可从抑制酶活性、改变酶环境方面入手，或者从阻断底物、控制氧气含量角度出发，以减缓和抑制褐变的发生。此外，酶还参与其他一些非褐变酶促变色。在白萝卜发酵过程中，芥子苷酶催化硫苷降解生成甲硫基-3-丁烯基异硫氰酸酯后，该物质再与色氨酸反应生成黄色物质2-[3-(2-噻吩并吡咯啉-3-亚甲基)甲基]-色氨酸，最终使发酵白萝卜呈现金黄色[79]；百合科葱属蔬菜中蒜氨酸酶与底物接触产生的色素中间体促进了大蒜绿变和洋葱粉变[80]；以上均为发酵蔬菜中常见的酶促变色。非褐变酶促变色在提高发酵蔬菜色泽品质方面具有重要作用。发酵蔬菜原料中不同酶对其色泽的影响如表2所示。

表2 不同发酵蔬菜中的酶对色泽的影响Table 2 Effect of enzymes in different fermented vegetables on color

3 影响发酵蔬菜色泽形成的因素

3.1 温度

发酵蔬菜的色泽形成受温度的影响较大，一方面，温度能通过影响发酵过程中的化学反应速率从而影响色泽的形成，通常高温会加速酶促褐变反应和色素热降解作用，导致色泽劣化，而低温更有利于发酵蔬菜的色泽品质。另一方面，温度通过影响发酵蔬菜中微生物菌群结构，间接影响发酵的色泽：在较低温度下发酵有利于乳酸菌生长，乳酸菌发酵液具有较高的抗氧化活性，可稳定发酵蔬菜的色泽[94]；而在较高温度下发酵容易受到杂菌的污染，使发酵蔬菜的色泽变褐、变黑。Suzuki等[95]在4种不同温度下制备发酵泡菜，结果显示，在4 ℃时泡菜色泽良好，而在更高温度（10、15、25 ℃）下白色酵母迅速生长，菌落扩散到泡菜表面形成白膜，导致色泽劣变，说明发酵温度是控制泡菜色泽劣变的重要因素之一。在温度调控方面，可选择能减少腐败变色反应发生和抑制有害微生物生长的温度以改善色泽。

3.2 pH值

pH值主要通过影响色素合成速率进而影响发酵蔬菜色泽。Kobayashi等[96]研究了低温低盐发酵过程中pH值对发酵萝卜黄变的影响，证实了低pH值能促进黄色素的合成，使发酵萝卜更容易黄变。此外，pH值也是影响褐变形成黑色素的关键因素，在碱性条件下更有利于褐变发生，褐变率随着pH值的增加而增加，而酸度较高时不易褐变[97-98]，因此，低pH值具有保护蔬菜原色的作用。一般发酵成熟泡菜pH值小于4.5，对于提高发酵蔬菜色泽品质具有积极意义[99]。

3.3 盐浓度

盐在发酵蔬菜色泽形成中发挥不可或缺的作用。一方面，盐的高渗压可以使蔬菜细胞脱水，释放底物，促进酶促变色。在萝卜发酵过程中，经盐处理后萝卜组织遭到破坏，硫苷被释放并与硫苷酶接触产生黄色素前体物质，促进了发酵萝卜黄变[100]。另一方面，盐浓度通过影响蔬菜发酵过程中微生物群落组成和代谢产物的变化，直接或间接影响发酵蔬菜的色泽。Khanna[101]研究了不同盐浓度对自然发酵甘蓝理化性质和品质的影响，结果发现与高盐浓度发酵甘蓝相比，低盐浓度下发酵更有利于乳酸菌生长和抑制有害杂菌生长，发酵甘蓝色泽更好。盐通过抑制有害细菌生长和促进有益菌定植保持发酵蔬菜的色泽品质，这是蔬菜发酵过程中色泽形成重要的机制。

3.4 氧气含量

蔬菜在发酵过程中接触氧气容易发生氧化、褐变反应和杂菌污染，不利于发酵蔬菜的色泽品质。董霞等[102]对酸菜褐变机理进行探究，发现酸菜褐变是由接触氧气后抗坏血酸和酚类化学氧化引起的。兼性厌氧乳酸菌是蔬菜发酵的主要菌种，而有害菌一般是好氧菌，通过隔绝空气可抑制腐败菌的生长。Zhang Chengcheng等[103]研究室温（18～20 ℃）及食盐添加量为7%（质量分数）的条件下，二氧化碳和氮气对发酵芥菜细菌群落组成及发酵蔬菜品质的影响，结果发现隔绝氧气、增加二氧化碳体积分数可以促进乳酸菌生长，减少有害菌污染，对发酵芥菜的颜色具有积极影响。因此，在实际生产中需要通过一定的措施隔绝氧气，减缓发酵蔬菜的氧化和褐变。

3.5 光照

光照对不同发酵蔬菜色泽的影响不同，一方面，光照会引起色素氧化、分解导致变色，如花色苷、类胡萝卜素和叶绿素作为天然光敏剂受到光照发生降解，通过避光可以有效避免色素降解导致的色泽劣变；另一方面，光照可抑制氧化酶活性，从而减轻酶促褐变反应的发生，Aguilar等[104]采用250～740 nm范围内的紫外-可见光照射桃汁2 h，可有效降低其中的多酚氧化酶活性，减少褐变发生并将感官损失降至最低。

3.6 水分含量

蔬菜水分含量对发酵蔬菜色泽的形成有较大影响，通过控制水分含量可以间接调控发酵蔬菜的色泽。姚利玄[105]的研究显示，不同程度的脱水处理促进了萝卜中黄变底物（硫苷）的释放，失水越多，黄蓝度越高。另外，水分含量是影响酶促褐变以及色素降解发生的重要因素。高水分含量条件下容易发生美拉德反应，促进发酵蔬菜褐变，而在低水分含量或完全脱水的蔬菜中褐变难以进行，并且水分含量的降低有利于保护天然色素不被降解，因此，适当的脱水处理更有利于维持发酵蔬菜的色泽品质[106-107]。

3.7 其他

初加工方式（清洗、去皮、切分、杀菌）的不同也会导致发酵蔬菜色泽的差异。考虑到去皮方式对色泽形成产生影响，有学者认为采用刀具手工去皮比机械、化学方法更能降低蔬菜褐变的可能性[108]。刘晓燕等[109]研究清洗方式对蔬菜色泽的影响，结果表明，臭氧水结合超声波清洗相比蒸馏水清洗更能保持蔬菜的色泽。Tinello等[110]研究高压二氧化碳（high pressure carbon dioxide，HPCD）杀菌技术对蔬菜感官品质的影响，结果显示HPCD会破坏微生物和酶并保持产品感官品质，降低褐变度。研究初加工方式对色泽形成的影响，了解加工过程中色泽的变化，以避免发酵蔬菜在加工过程中处理不当而造成的色泽劣变，对提高发酵蔬菜色泽品质具有重要意义。

4 结 语

多元化的发酵蔬菜色泽品质调控技术是推进产业提质增效的有力保障。原料、酶以及微生物发酵产生的代谢产物与发酵蔬菜色泽形成息息相关，同时，色泽品质又受到蔬菜发酵温度、pH值、水分含量、光照、氧气含量等因素的影响。因此，发酵蔬菜色泽的调控可从以下5个方面展开：1）蔬菜原料品种的选择：通过品种筛选，获得具有更加稳定色泽品质的蔬菜品种进行发酵蔬菜的生产；2）微生物对发酵蔬菜色泽作用机制的研究：利用多组学技术相结合的方式深入研究发酵蔬菜中微生物群落构成、群落演替以及各种微生物的代谢特性及其对产品色泽品质的影响，不但有助于发酵蔬菜色泽调控技术的研究，还有助于护色发酵菌种的筛选；3）酶活性的调控：将现代冷加工方式引入发酵蔬菜加工，用于钝化相关酶类，进而达到控制色泽的目的；4）蔬菜呈色物质的测定，进一步明确与消费者感官密切相关的靶性特征呈色物质，阐释呈色物质与原料、微生物、酶之间的关系，最终形成更具目标性的微生态调控技术；5）发酵条件的优化，以选择最佳色泽形成的发酵条件。基于上述关键控制点，对于不同种类发酵蔬菜的色泽劣化问题采用不同的处理方法，建立多元化的色泽调控技术，才能有针对性地对发酵蔬菜的色泽品质进行调控，以呈现最佳色泽，为高品质发酵蔬菜的工业化、规模化和可控化生产奠定基础。