泡菜中亚硝酸盐消长规律及调控技术研究进展

2015-04-04 19:29郭双霜陈安均南京农业大学经济管理学院江苏南京0095四川农业大学食品学院四川省农产品加工及贮藏工程重点实验室四川雅安6504
食品工业科技 2015年4期
关键词:还原酶泡菜亚硝酸盐

葛 焱,郭双霜,陈安均(.南京农业大学经济管理学院,江苏南京0095;.四川农业大学食品学院,四川省农产品加工及贮藏工程重点实验室,四川雅安6504)

泡菜中亚硝酸盐消长规律及调控技术研究进展

葛焱1,郭双霜2,陈安均2
(1.南京农业大学经济管理学院,江苏南京210095;2.四川农业大学食品学院,四川省农产品加工及贮藏工程重点实验室,四川雅安625014)

泡菜是经盐水泡制新鲜蔬菜厌氧发酵而成,因其乳酸发酵、酒精发酵和醋酸发酵形成的风味物质,赋予了泡菜独特的风味,深受消费者喜爱。但是泡菜在发酵过程中产生亚硝酸盐,亚硝酸盐积累会对消费者健康不利。本文综合国内外相关研究文献,概述了泡菜发酵过程中亚硝酸盐形成与降解机理及变化规律研究进展,并对降低泡菜中亚硝酸盐含量的研究与应用进行综述。

泡菜,亚硝酸盐,降解,调控

蔬菜除鲜食外,泡菜、酸菜等发酵制品深受广大消费者的欢迎。西南、中南各地为我国泡菜主产区,其中以四川泡菜最为盛名,产量、销量均居全国第一。现代研究表明,泡菜含有丰富的活性乳酸菌,可调节肠道微生态平衡,促进营养物质的吸收、增进食欲,改善肠道功能[1-3],降低血清胆固醇水平和血脂浓度[4]、抗突变性、抗癌、延缓衰老等功效[5-9]。乳酸发酵食品更加受到人们的亲睐[10-11]。

我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国。蔬菜易富集硝酸盐,当过量施用氮肥后,不能被蔬菜全部吸收利用,多余的部分就以硝酸盐的形式储存在蔬菜中,导致蔬菜富集硝酸盐。泡菜发酵过程中能有效降低新鲜蔬菜中硝酸盐的含量,但亚硝酸盐含量却相对升高[12]。过量亚硝酸盐会使血液中的Fe2+氧化为Fe3+,血红蛋白转变为高铁血红蛋白,导致高铁血红蛋白症[13]。亚硝酸盐与体内的仲胺生成致癌性极强的亚硝基化合物,有致癌风险[14]。

关于泡菜中亚硝酸盐的形成机理已基本明确,目前研究大多集中在泡菜发酵过程中亚硝酸盐的变化规律、亚硝酸盐降解措施等方面,如降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选、发酵工艺条件的优化等。文章概述了泡菜发酵过程中亚硝酸盐形成与降解机理及调控措施的研究进展,为工业化生产安全和营养的泡菜奠定了一定的理论基础。

1 泡菜中亚硝酸盐的消长规律及其机理研究

1.1泡菜中亚硝酸盐的形成机理

1.1.1亚硝酸盐的形成与微生物中硝酸还原酶的关系在发酵初期,乳酸发酵缓慢,溶液pH较高,一些杂菌会迅速繁殖,大肠杆菌、黄杆菌属、葡萄球菌属、假单胞菌属、克雷伯氏菌等都可以促进硝酸盐还原为亚硝酸盐。泡菜发酵初期,硝酸还原酶活力几乎检测不到,随着发酵进行,表面微生物硝酸还原酶活力先升高后降低;发酵后期,已检测不到酶活。这一变化趋势与亚硝酸盐变化趋势一致,而泡菜组织中硝酸还原酶在亚硝峰时几乎检测不到活力,结果表明,发酵前期细菌中的硝酸还原酶将硝酸盐转化为亚硝酸盐[15]。

1.1.2亚硝酸盐的形成与蔬菜中硝酸还原酶的关系

硝酸还原酶活性水平与植物体内多种代谢过程和生理指标有关,是一种诱导酶[16]。何玲等[17]发现浆水芹菜发酵过程中,亚硝峰出现的时间与硝酸还原酶活性最大时一致,且硝酸还原酶活性与芹菜热烫时间有关,热烫时间越长,硝酸还原酶活性越低,甚至失活。何淑玲等[18]研究表明泡菜亚硝峰出现的时间与蔬菜组织和发酵液细菌中硝酸还原酶活性最大时吻合。

但也有学者研究发现只在发酵初期能检测到蔬菜中硝酸还原酶活性,随后一直下降[19]。纪淑娟[20]发现大白菜发酵初始阶段能检测到硝酸还原酶活力,随后酶活急剧下降,到第2d已检测不到酶活,而此时亚硝酸盐含量却呈上升趋势,由此认为大白菜中硝酸还原酶与亚硝酸盐的形成没有直接关系。

综上所述,泡菜发酵液中杂菌所含的硝酸还原酶活性与亚硝酸盐含量呈正相关,微生物中硝酸还原酶是亚硝酸盐大量积累的主要原因,但蔬菜组织中硝酸还原酶活力与亚硝酸盐形成是否有关还无定论。2种不同来源的硝酸还原酶活性变化存在差异的原因未深入探讨,因此还有待进一步研究。

1.2泡菜中亚硝酸盐的降解机理

随着发酵的进行,泡菜中乳酸菌等有益菌群逐渐占据生存优势,乳酸菌代谢产酸,pH迅速降低,酸性环境下硝酸还原菌等有害菌生长受到抑制,pH<4.5时,肠杆菌科、酵母菌等杂菌生长均被抑制[21]。研究证明pH5是硝酸还原酶酶活的启动点,能够促使硝酸还原酶还原最多的硝酸盐产生亚硝酸盐,此时亚硝酸盐含量最高。当pH降低为4.5时,硝酸还原酶活性急剧减小,硝酸还原作用受到抑制,亚硝酸盐含量减少。

另外,泡菜在发酵过程中会大量产酸,如酒石酸、乳酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸和丙酸等,其中酒石酸、乳酸含量最高,可能是影响泡菜中亚硝酸盐含量变化的主要有机酸[22]。亚硝酸盐除了与酸反应被分解外,乳酸菌分泌的亚硝酸盐还原酶也是亚硝酸盐减少的原因[23-24],研究发现从特定食品中分离的乳酸菌对亚硝酸盐具有降解作用[25-28],目前有关乳酸菌降解亚硝酸盐的途径及亚硝酸盐还原酶的定位报道较少,亚硝酸盐降解途径为经反硝化作用转化为N2,该途径亚硝酸盐还原酶为cytochrome cd1或copper-containing Nir[29],或经过铵化作用转化为NH4+,亚硝酸盐还原酶为cytochrome c NrfA[30]。张馨月[31]利用电子捕获-气相色谱法和靛酚蓝染色法确定亚硝酸盐的降解途径,随着时间的延长,NaNO2降解量逐渐增大,N2O的产量先增大后降低,可能是N2O转化为N2所致,反应体系中无NH4+,因此,亚硝酸盐的降解途径为反硝化途径。采用细胞组分法确定酶的定位,细胞周质间隙中亚硝酸盐还原酶活力是细胞质的2.5倍,结果表明对亚硝酸盐起降解作用的亚硝酸盐还原酶是胞内酶,但对酶的精准定位还需进一步研究。

2 影响泡菜发酵过程中亚硝酸盐含量变化的因素

泡菜发酵过程中亚硝酸盐的含量受多种因素的影响,如发酵温度、pH、食盐浓度、含糖量、泡菜原料等。

2.1发酵温度对亚硝酸盐含量的影响

发酵温度对亚硝酸盐的生成量及生成期有明显的影响。泡菜发酵过程中亚硝酸盐含量随时间的变化关系:温度高,乳酸发酵快,亚硝酸盐生成早、含量低;温度低,乳酸发酵慢,亚硝酸盐含量高[32-33]。但温度过高影响泡菜品质,使泡菜的脆度、香味下降,因此,发酵温度为28℃较适宜[34]。

2.2酸度对亚硝酸盐含量的影响

加酸发酵和不加酸发酵对亚硝峰的形成有极显著的差异。加酸发酵的大白菜,无亚硝峰出现。郑琳[35]研究表明,在甘蓝发酵过程中,酸度越高,亚硝酸盐含量越低。研究发现发酵液pH3.76~4.45时,酸对亚硝酸盐降解较快,pH3时亚硝酸盐降解率为98.6%[10],pH5.0~8.0时,酸对亚硝酸盐降解率保持在52.9%。

2.3食盐浓度对亚硝酸盐含量的影响

亚硝酸盐的含量高低及亚硝峰的出现时间与食盐浓度相关。陈义伦等[36]研究发现与4%食盐浓度相比,6%食盐浓度可明显降低泡菜保藏过程中亚硝酸盐含量。罗璇[37]分析了5%、10%、15%盐浓度腌制时亚硝酸盐含量的变化,盐浓度越低,亚硝峰出现时间早,且峰值高。虽然高浓度食盐能够不同程度地抑制硝酸还原菌的繁殖,降低亚硝酸盐的含量,但违背了低盐泡菜标准。将原料经高浓度食盐预处理,再在低盐浓度条件下泡制,能保持泡菜的脆度,对开发接种乳酸菌低盐泡菜有一定指导意义。

2.4含糖量亚硝酸盐含量的影响

蔬菜中含糖量的高低对发酵作用和酸的生成有影响,腌制雪里蕻中分别添加0%、1%、2%葡萄糖,在2%葡萄糖添加量时亚硝峰出现时间最早,含量最低[38],可能由于蔬菜的发酵作用与含糖量成正比,含糖量高,发酵产酸较多,发酵过程中亚硝酸盐含量低。周旭峰等[39]研究表明发酵碳源葡萄糖粉添加量为2%时,发酵菜酸甜适中,口感较好。Miyao等[40]证明糖类物质对微生物分泌的硝酸还原酶有激活作用,但究竟是糖类促进蔬菜发酵作用,发酵产酸对硝酸还原菌有抑制作用,还是存在糖类对硝酸还原酶的促进,还需进一步研究。

2.5泡菜原料对亚硝酸盐含量的影响

用不同种类的蔬菜制作的泡菜,亚硝酸盐的含量变化情况不同。杨波[41]以萝卜、白菜及其混合原料制作泡菜,发酵过程中白菜泡菜的亚硝酸盐含量比萝卜泡菜的亚硝酸盐高30%~40%,且亚硝峰出现时间比萝卜泡菜早。张雁[42]对4种品种芥菜发酵时亚硝酸盐的变化作了研究,发酵过程中各品种间亚硝酸盐的变化趋势一致,但亚硝酸盐含量存在差异。且亚硝酸盐峰值与卤水中硝酸还原酶活性呈正相关。

3 泡菜中亚硝酸盐的调控措施

3.1添加亚硝酸盐清除剂的研究

3.1.1发酵辅料对亚硝酸盐的清除作用在泡菜制作过程中添加花椒[43]、蒜汁[35,44]、姜汁[35]等辅料共同发酵,不仅可以增加泡菜的风味,而且添加之后能有效抑制亚硝峰的出现,孙庆芳等[45]认为,大白菜发酵过程中,卤汁中蒜汁浓度为2%时,亚硝酸盐残留量最少。这是由于大蒜本身所含的巯基化合物可与亚硝酸盐结合生成硫代亚硝酸盐酯类化合物,从而减少了亚硝酸盐的含量。

冯丽丹[46]对6种水果、9种蔬菜清除亚硝酸盐能力进行研究,发现均对亚硝酸盐有清除作用。芦荟凝胶[47]、花茶浸泡液[48]、石榴皮多酚提取液[49]对亚硝酸盐都有较强的清除作用。因此,果蔬及果蔬浸提液可用于泡菜的生产加工中,不仅能提高泡菜的风味,开发出更多的风味泡菜,还可以减少亚硝酸盐的危害性,提高泡菜的食用安全。

3.1.2抗氧化剂对亚硝酸盐的清除作用添加抗坏血酸[50]、抗坏血酸钠和异抗坏血酸钠[51]可降低亚硝酸盐水平。张志国等[52]研究了异抗坏血酸钠对泡菜中亚硝酸盐含量变化的影响,结果表明,添加0.5%异抗坏血酸钠,亚硝峰出峰时间提前1~2d,白菜泡菜中亚硝酸盐含量由17.561mg/kg降低至0.30mg/kg,甘蓝泡菜由13.91mg/kg降低至0.33mg/kg,萝卜泡菜由12.03mg/kg降低至0.35mg/kg。

3.2发酵条件对亚硝酸盐的清除作用

硝酸还原菌是需氧菌,而乳酸菌是厌氧菌,保持发酵过程中厌氧环境可以抑制硝酸还原菌的生长,因此可以采用将蔬菜排紧压实,发酵液淹没蔬菜,发酵坛口水封等方式保持厌氧环境。

另外,将发酵温度、食盐浓度、pH、蔬菜原料等工艺参数调节到适宜条件,可以降低亚硝酸盐含量。在发酵过程中适当添加一定量的有机酸和糖可降低发酵过程中亚硝酸盐的含量,同时还可以缩短发酵时间,提高产品的品质。McDonald等[53]在盐水中添加乙酸或乙酸钙进行酸化处理,发现醋酸能抑制肠道菌生长,乳酸菌正常生长。

3.3贮藏条件对亚硝酸盐的影响

泡菜保存在室温条件下,微生物活动活跃,亚硝酸盐含量上升,低温和真空包装贮藏能抑制有害菌的活动和硝酸还原酶活性,降低亚硝酸盐含量。研究表明黄瓜、甘蓝、白菜泡菜在4℃真空包装冷藏时其亚硝酸盐含量比27℃真空包装保藏时低[36]。

3.4降解亚硝酸盐乳酸菌的筛选和应用

国内外对乳酸菌降解亚硝酸盐做了较多研究,筛选合适菌种接种发酵蔬菜也是当前研究的热点,如发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)[54]、肠膜明串珠菌[55]、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、干酪乳杆菌亚种(Lactobacillus casei subsp. casei)[56]等都可以抑制泡菜中亚硝酸盐的含量,保证泡菜的安全性。益生菌Lactobacillus delbrueckii subsp lactis 133能有效抑制大肠杆菌中的硝酸盐还原酶活性。

发酵菌种对亚硝酸盐清除能力与菌种产酸特性和产亚硝酸盐还原酶性质相关。刘冬梅[57]研究表明LCR179在泡菜发酵过程中快速产生L-乳酸,从而抑制亚硝酸盐的产生。龚钢明[58]从克隆和表达乳酸菌亚硝酸盐还原酶结构基因的角度进行探索,从筛选出的具有亚硝酸盐还原能力的植物乳杆菌基因组中克隆出假定的亚硝酸盐还原酶基因,并在大肠杆菌蛋白载体中,经过诱导表达,表达产物显示有明显的亚硝酸盐还原酶活性,进而表明该乳酸菌基因组中包含有亚硝酸盐还原酶基因,该研究为深入探讨乳酸菌亚硝酸盐还原酶奠定了重要的基础。

3.5亚硝酸盐还原酶酶法处理

亚硝酸盐还原酶是植物硝态氮同化过程中十分重要的酶,闫金星[54]通过对降解亚硝酸盐乳酸菌紫外照射20s,使亚硝酸盐降解率提高到88%,得到亚硝酸盐还原酶酶活为56.84U/mL的酶液,酶活比诱变前提高了5.33倍。这与张莹[59]研究的亚硝酸盐还原酶酶活结果基本一致。现代研究在酶活稳定性、酶载体及安全性方面仍较少,进一步将微生物或亚硝酸盐还原酶固化提纯应用到食品中还需后续的研究。

3.6发酵方式的优化

与自然发酵相比,人工接种乳酸菌发酵和陈卤发酵可降低亚硝酸盐含量。刘广福等[60]在研究蔬菜接种乳酸菌发酵过程中亚硝酸盐变化规律时发现,接种乳酸菌纯菌种腌渍蔬菜可使发酵过程中亚硝峰的出现时间提前,并可明显降低亚硝酸盐的含量。接种植物乳杆菌发酵萝卜,比自然发酵时间短,亚硝酸盐含量低,无亚硝峰出现[61]。另外,调酸发酵和低温发酵过程中亚硝酸盐含量一直处于很低的水平[62]。

4 结语

目前,国内酱腌菜发酵制品多采用自然发酵,优良菌种和人工接种发酵技术的研究还比较落后,优良菌种的选育和直投式发酵剂制备仍是降解亚硝酸盐研究的重点和热点,亚硝酸盐还原酶基因的克隆和表达研究较少。加强菌种的筛选、配比、发酵条件、保藏条件等多个环节的研究,采用固定化酶和固定化微生物技术,对降低产品亚硝酸盐含量,提升工业化泡菜的品质具有重要意义。

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Research progress of dynamic change and control technology of nitrite in pickle

GE Yan1,GUO Shuang-shuang2,CHEN An-jun2
(1.Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Sichuan Agricultural Product Processing and Storage Engineering Key Laboratory,College of Food Science,Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China)

Pickles are made from fresh vegetables through anaerobic fermentation,which are very popular and enjoyed by most consumens due to their strong characteristic flavors in the lactic acid fermentation,alcoholic fermentation and acetic fermentation.But nitrite was commonly present in pickles,nitrite had been proven to have effects on health.Therefore,in this essay,the mechanisms for production and variation trends of nitrite during pickles fermentation have been summarized and concluded,moreover,the effecting factors and technology of reducing nitrite in pickles was also expounded.

pickle;nitrite;degradation;regulation

TS255.5

A

1002-0306(2015)04-0382-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.04.074

2014-05-08

葛焱(1987-),男,硕士研究生,研究方向:高等教育管理及农产品综合利用。

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