发酵蔬菜风味物质形成机制及影响因素研究进展

黄玉立，赵楠，黄庆，马倩，胡琨，李华佳，朱永清，左勇*

1(四川师范大学 生命科学学院，四川 成都，610101)2(四川省农业科学院农产品加工研究所，四川 成都，610011)

发酵蔬菜起源于3 100年前商代武丁时期进而传承至今，并成为了我国重要的传统发酵食品之一[1]。蔬菜发酵通常指新鲜蔬菜在食盐溶液中，借助蔬菜表面天然附着的有益微生物在封闭式环境下进行发酵的过程。通过发酵蔬菜不仅被赋予了独特的风味，还具有抗衰老、减脂、抗氧化等功效，甚至近期研究还发现其在抗COVID-19方面也具有一定作用[1-2]，因此倍受广大消费者喜爱。近年来，发酵蔬菜产业迅速发展，2015年我国发酵蔬菜(泡菜类)产值为514.82亿元，到2019年产值已达701.77亿元，预计在未来2～4年中国发酵蔬菜市场规模将突破千亿大关[3]。然而在发酵蔬菜工业化发展进程中，由于对传统发酵工艺科学认识不足，导致现代发酵工艺过程中出现了诸多问题，尤其是产品发酵风味不足、可控性差、质量不稳定以及生产效率低等，因此发酵蔬菜风味物质形成机制也成为该领域的焦点问题之一。

发酵蔬菜的风味物质组成较复杂，其形成途径也多样，主要途径如下：(1)蔬菜：一方面作为发酵蔬菜风味物质形成的底物，另一方面其本身的一些风味物质也是发酵蔬菜最终风味物质的贡献者；(2)微生物菌群：发酵蔬菜是多菌共酵体系，微生物菌群是发酵蔬菜风味物质形成的重要贡献者，在其作用下蔬菜原料提供的底物转化为最终的风味物质；(3)酶：由蔬菜和微生物所产生的一些酶类也是风味物质形成过程的一个重要参与者；(4)其他：除了以上途径外，还存在一些生化反应，也是风味物质产生的重要途径之一。发酵蔬菜风味通过以上途径形成，而在形成过程中，又受不同蔬菜发酵工艺、发酵环境因素影响。因此本文从发酵蔬菜的风味物质组成、形成途径和影响因素3个方面的研究进展进行综述，以期为高品质发酵蔬菜的工业化、规模化、可控化生产提供理论依据。

1 发酵蔬菜风味物质组成

发酵蔬菜的特色风味是发酵蔬菜产品品质的核心和灵魂，是发酵蔬菜得以传承和发展的基础。在发酵过程中，蔬菜原有物质在微生物、酶以及非酶生化反应的作用下转化为异于原料本身的发酵风味物质，产生发酵蔬菜的特色风味特性。研究发酵蔬菜中风味物质组成，特别是明确与特征感官品质相关的特征风味物质组成，对于建立更具针对性、靶向性的发酵调控策略稳定产品特征风味品质具有积极作用。

1.1 挥发性风味物质

发酵蔬菜中挥发性风味物质种类较多，一般包含酯类、醛类、酮类、含硫化合物类、酚类、醇类等化合物，这些物质为发酵蔬菜独特气味的呈现作出较大的贡献(图1)。不同种类化合物为发酵蔬菜提供了不同的气味特征，相同的气味特征也可由不同种类物质提供。“酸香”气味是发酵蔬菜最为特征的气味，挥发性的乙酸以及乙酸乙酯是该气味特征最为主要的物质基础[4]。一些种类的发酵蔬菜还具有一些其他的特有的气味属性，例如四川酸菜中就具有一种特别的“绿色”气味，这种气味不仅可以由含硫化合物、异硫氰酸酯和硫氰酸酯等提供，还与1-戊烯-3-醇、己醇和1-辛烯-3-醇等物质有关[5]。然而尽管两类物质都能提供“绿色”的气味，但两类物质所提供的“绿色”气味也存在感官上的差异，异硫氰酸酯等含硫物质具有辛辣感的“绿色”气味，而后者则是具有清新感的“绿色”气味[6]。

1.2 非挥发性风味物质

发酵蔬菜中非挥发性风味物质大多数是滋味的物质基础，是发酵蔬菜口感指标的量化，主要包括糖类、有机酸、氨基酸等，如图1所示。(1)糖醇类：发酵蔬菜中的糖类物质主要有果糖、蔗糖、葡萄糖、甘露糖和塔格糖等，糖类物质呈现的甜味不仅对最终产品的滋味有一定的贡献作用，还可在乳酸菌中某些代谢途径作用下产生有机酸、酮类、酸类、酯类、醛类和醇类等重要风味物质[7]。(2)有机酸类：酸味是发酵蔬菜最为特征的滋味品质，有机酸是发酵蔬菜酸味的重要提供者。不同种类的有机酸赋予发酵蔬菜中不同的酸感，例如：乙酸酸感刺激，乳酸酸感柔和。乙酸和乳酸是发酵蔬菜中最为主要的有机酸，有研究显示两者的比例赋予产品不同的酸味体验，高乳酸比例酸味柔和，反之则不仅具有刺激性更强的酸感，甚至会产生腐臭类的酸感[8]。有机酸对发酵蔬菜口感的影响不仅体现在不同种类酸的含量方面，酸的比例也会对最终发酵蔬菜产品风味方面造成差异。大多数有机酸不仅是蔬菜发酵过程微生物菌群代谢的产物，还是其消耗时的底物，因此更精细化的研究发酵蔬菜有机酸代谢与发酵蔬菜中微生物菌群的关系，对于调控发酵蔬菜滋味特征非常重要。(3)氨基酸类：发酵蔬菜中含有种类丰富的氨基酸，可直接影响发酵蔬菜的滋味呈现，同时还可以作为风味前体物质与其他化合物进一步发生反应产生特殊的风味物质，进而影响蔬菜发酵过程中色、香、味的形成。谷氨酸(阈值：5 mg/100g)和天冬氨酸(100 mg/100g) 是发酵蔬菜含量较高的氨基酸，呈现鲜味和酸味，是发酵蔬菜鲜味的主要物质来源[9]。

图1 发酵蔬菜主要风味物质种类组成[10-11]Fig.1 Composition of typical flavor compounds in fermented vegetables

2 发酵蔬菜风味物质形成途径

2.1 原料蔬菜

原料蔬菜作为发酵蔬菜中最终风味的贡献者之一，不同蔬菜原料制作的发酵蔬菜形成的风味差异也较大[12]，如表1所示。不同发酵蔬菜的风味描述也不同，例如发酵芥菜的主要风味描述为辛辣和苦味，辣椒的主要风味描述为辛辣、胡椒和花香。在滋味描述方面，酸菜感官特征体现为清香爽口，酸笋为酸臭刺激。一方面与蔬菜本身所含有的游离态风味物质有关，另一方面其含有的结合态挥发性风味物质则通过一系列反应最终水解为游离态的风味物质，例如蔬菜水果中的醇类物质如芳樟醇等多以结合态的形式存在，但经过发酵加工后这些结合态风味物质被水解释放时可以散发出蔬菜水果类清香[13]。风味物质的差异不但体现在不同种类蔬菜上，也体现在同种蔬菜的不同品种和产地方面。SATORA等[6]通过对8个不同品种白菜进行发酵后分析，发现原料对白菜发酵的质量有显著影响，发酵终点的乳酸生成量受白菜的初始糖含量和种类决定。张曼等[14]通过比较不同产地的辣椒风味成分，发现在有机酸含量方面石柱产地的辣椒以乳酸为主，其他以乙酸为主，且氨基酸的味觉活度值也不同。

表1 不同蔬菜的主要风味物质Table 1 Main flavor compounds of different vegetables

2.2 微生物

2.2.1 微生物的种类

发酵蔬菜中的主要菌株隶属于厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)，在属水平上包括乳杆菌属(Lactobacillus)、乳球菌属(Lactococcus)、片球菌属(Pediococcus)、魏斯氏菌属(Weissella)、明串珠菌属(Leuconostoc)和肠杆菌属(Enterobacter)等[21]。不同种类的微生物通过不同的途径形成风味物质。一方面微生物通过自身代谢产物形成发酵蔬菜主要风味物质，例如Leuconostoc、Weissella等分解果糖产生甘露醇，为发酵蔬菜提供清新的感官特征；乳酸菌通过乳酸发酵途径利用糖产生乳酸，形成发酵蔬菜最为特征的酸香风味[22]。另一方面微生物通过产生风味物质合成所需底物，促进相应风味物质产生。ZHAO等[23]研究显示，布氏乳杆菌(Lactobacillusbuchi)通过异型乳酸发酵产生乙酸以及乙醇，而这一代谢过程的产物为进一步产生酯类物质提供了相应的底物，促进了乙酸乙酯等酯类物质的生成。部分蔬菜中含有结合态挥发性物质也能在微生物作用下转化为游离态的挥发性物质进而产生风味。徐亚州等[24]对比接种柠檬酸明串珠菌(Leuconostoccitreum)和食窦魏斯氏菌(Weissellacibaria)的发酵蔬菜，挥发性风味物质樟树醇只在食窦魏斯氏菌发酵的蔬菜中检测到，而樟树醇在蔬菜未发酵前多以结合态挥发性物质存在[13]。微生物除了通过以上直接的方式贡献于发酵蔬菜风味物质的产生，还可以通过一些间接的方式作用于发酵蔬菜风味物质的生成。植物乳杆菌等乳酸菌在发酵蔬菜中抑制了其他微生物的生长，明显减少了甲硫醇、二硫化碳和硫代乙酸甲酯等硫化物的生成[23]。乳酸乳球菌(Lactococcuslactis) 通过谷氨酸脱羧酶将谷氨酸催化生成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)，并与细胞内氢质子消耗偶联，从而升高胞内 pH 值，缓解了酸环境对生长造成的胁迫，同时乳酸乳球菌将 GABA 分泌到胞外，成为肠膜明串珠菌产能代谢的底物生成琥珀酸和 NAD(P)H[25]。

2.2.2 菌群结构

发酵蔬菜的复合风味形成过程也依赖于多菌共酵模式，在不同发酵阶段，风味物质的产生均有一定差异，主要是由于不同发酵阶段主导发酵的优势菌群不同。XIAO等[26]对四川泡菜发酵过程的菌群消长规律进行了研究，结果表明发酵初期微生物多样性和丰富度最高，主要由Micrococcaceae等环境微生物启动发酵；发酵中期菌群丰富增加，主要由Leuconostocaceae等主导的异型乳酸发酵产生的乳酸、乙醇、乙酸和CO2对发酵蔬菜的独特风味起着关键作用；进入发酵后期，Lactobacillaceae占据了绝对的优势地位，相关研究结果如表2所示。菌群结构也随环境的变化而有所调整，也因此表现出不同的风味产出能力。曹佳璐[27]结合SMRT测序结果分析发现酸度、盐度和原料对细菌β多样性有显著影响，在菌群结构方面，乳酸菌相对丰度与酸度呈正相关性，但Lactobacillusacetotolerans和Lactobacillusbrevis与总酸呈负相关性。发酵蔬菜的成熟过程是在微生物菌群的作用下完成的，而菌群的形成则是微生物间通过相互作用形成，菌群是如何相互作用并使风味物质变化和形成的整个过程还需更多的研究。

表2 不同发酵蔬菜发酵过程的主导微生物Table 2 Dominant microorganisms in the fermentation process of different fermented vegetables

2.2.3 微生物的互作

微生物菌群是发酵食品风味形成的重要实施者，而微生物种间互作(协同、竞争、共生等)是推动微生物群落演替、促进菌群结构相对稳定，维持群体代谢活力，从而形成发酵食品风味特性的关键[33]。在20世纪初，PETTE就首次证实了保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌之间的互利共生的关系[34]，微生物之间的互作关系研究在不同的发酵食品领域均有一定研究。在中国传统发酵食品白酒中，WANG等[35]通过共现性网络分析白酒原位发酵系统中微生物之间的相互作用，以此探究微生物之间的相互关系，结果显示有23个属的微生物具有相关性，其中Lactobacillus和Saccharomyces两个属之间是相互促进关系，但对其余21个属的微生物都表现出抑制作用。HU等[36]研究发现Saccharomycescerevisiae、Bacilluslicheniformis和Issatchenkiaorientalis3种微生物对于芝麻香型白酒的特征风味物质生成具有主要的贡献作用，而Pichiamembranaefaciens和Bacillusamyloliquefaciens虽对风味物质生成无明显贡献，但能够协调产香菌株之间的生长竞争，使3种产香菌能够发挥更好的产香性能。微生物间的互作是多菌共酵体系中影响风味物质形成的重要因素，也有学者对发酵蔬菜的微生物互作进行了研究。ZHAO等[10]研究发现，在发酵蔬菜中，植物乳杆菌、耐乙醇片球菌和布氏乳杆菌共存时，风味物质代谢活动会更强、更稳定，表现为甘氨酸(甜度)、乳酸(酸度)和谷氨酸(鲜味)等滋味物质含量的显著提高。XIONG等[37]发现发酵蔬菜中分离获得的Leuconostocmesenteroides和Lactobacillusplantarum两者生长存在竞争关系，这种竞争互作关系导致混合培养时乳酸生成量与单独培养相比存在显著差异。蔬菜发酵过程中微生物群落间的互作关系不但促进菌群结构相对稳定，同时也维持了风味物质代谢的正常时序进行，但是这种互作与发酵蔬菜风味物质代谢机制有着怎样的关系，还需更深入的研究。

2.3 酶

酶在蔬菜发酵过程中通过一系列酶促化学反应产生独特的气味和滋味物质，是发酵蔬菜风味物质形成的重要贡献者。通常在发酵过程中贡献较大的酶是酯类水解酶、脂肪氧化酶、过氧化氢酶和蛋白酶等[38]。在芥菜中，其发酵特征风味的产生一方面与芥子苷酶的作用有关，另一方面与转氨酶也有关，主要表现为硫代葡萄糖苷在芥子酶的作用下产生腈类(具有芳香气味)等风味物质，该类物质在转氨酶等的作用下继续转化为含硫化合物和酯类等。除了蔬菜的带入，发酵过程中微生物代谢也会产生酶。酵母作为发酵蔬菜中产香的重要角色之一，其代谢产生的丰富酯酶可催化芳樟醇和甲酸的酯化反应生成芳樟醇甲酯[29]。乳酸菌作为发酵蔬菜的核心微生物，其分泌的肽酶能将蛋白质分解为多种氨基酸，进而影响发酵蔬菜滋味品质[39]。

3 发酵蔬菜风味物质形成的影响因素

蔬菜发酵过程中，除了受生物因素的影响，温度、盐度以及总酸等非生物因素的影响也至关重要，且过去一直被认为是主要因素。通过优化发酵条件不但对提高发酵蔬菜的品质有利，同时也增加消费者的喜爱度，进而提高消费量，从而提升企业效益。

3.1 发酵温度

温度是影响发酵蔬菜品质的重要因素之一，主要是由于温度影响着乳酸菌的生长特性，通过控制发酵温度可以间接调控风味物质的产生速度。熊涛等[40]研究了不同温度下酸菜发酵的理化性质，其产酸速率随温度升高而增加，在37 ℃时乳酸的产量最高。PARK等[41]研究发酵温度(4、12、20 ℃)对韩国泡菜发酵过程中代谢产物变化的影响，结果表明丙氨酸、丙二醇、富马酸、苹果酸、柠檬酸和半乳糖醛酸随着发酵温度的变化而变化，在偏最小二乘判别分析中显现了明显的差异。HE等[28]对不同温度下酸菜发酵过程中挥发性风味物质产生情况进行了研究，结果显示挥发性风味物质的种类随着温度的上升而增加，且在不同发酵温度中，占主导的微生物也表现出差异，10 ℃ 和15 ℃酸菜发酵以明串珠菌属为主，20 ℃和25 ℃酸菜发酵以魏斯氏菌属和乳球菌属为主。发酵温度的改变一方面会导致发酵蔬菜中微生物的生长变化进而影响着发酵速率，另一方面对酶的活力也有影响从而影响着一些风味物质的代谢。在发酵中为了控制发酵速率和抑制有害微生物的生长，可以采取变温发酵，发酵前期温度为25～30 ℃，乳酸菌快速生长繁殖，发酵后期适当降低温度，防止发酵过酸和蔬菜软化，同时也可产生一些后熟效果。

3.2 盐度

盐一方面为发酵蔬菜提供咸味，另一方面其浓度通过影响发酵蔬菜中微生物群落结构，直接或者间接影响发酵蔬菜的品质和风味。吴凯等[42]通过对比6%、9%、12%、15%、18%(质量分数)5种盐度下的腌渍辣椒，发现不同盐度腌渍的辣椒其总酸和氨基态氮都呈现了极显著差异，且有机酸随着盐浓度的升高逐渐降低，以风味物质为评价指标，9%～12%(质量分数)盐度腌渍的辣椒品质最好。然而发酵蔬菜不仅受盐的浓度影响，同时还会受到盐的品质影响。KIM等[43]研究了不同矿质特征的纯盐和富矿物质海盐对泡菜发酵的影响，结果显示海盐对泡菜的滋味评价高于纯盐。盐浓度和不同种类的盐离子通过改变微生物的菌群结构，影响着发酵蔬菜的风味物质的代谢，特别是高浓度的盐含量不但抑制了乳酸菌的生长还延缓了蔬菜的成熟，随着低盐时代的到来，发酵蔬菜也应向这个趋势发展。

3.3 其他

目前，对影响发酵蔬菜品质的发酵条件研究主要集中于盐度和温度两个方面，然而影响发酵蔬菜品质的发酵条件远不止这两点，其中pH和总酸与微生物的多样性及演替作用密不可分，间接影响着风味物质的形成，一般发酵蔬菜成熟时的pH<4.5，可滴定酸在0.8 g/100g左右[1, 44]。地理位置的不同也导致了发酵环境条件的差异，有研究者对中国不同地理位置(东北、四川、江西)的传统发酵蔬菜进行了研究，结果显示3个地区发酵蔬菜的菌群结构有明显差异，风味物质也各有特色[45]。

4 展望

目前，由于对蔬菜发酵工艺中的关键科学问题认识不足，导致了发酵蔬菜在现代规模化生产过程中出现了诸多问题，如发酵风味不足、可控性差等，使产品品质呈现较大的差异，一方面限制了产业规模、效能的进一步提升，另一方面也限制了发酵蔬菜风味质控标准的升级，进而制约了产业的高质量发展。

未来，发酵蔬菜的生产可控化、标准化以及产品高品质化将会成为各个企业竞争的着力点，多样化的发酵风味品质调控技术是推进产业提质增效的有力保障。因此在未来的研究中，发酵蔬菜风味物质的研究可着重从以下方面研究：(1)发酵蔬菜感官组学研究；(2)发酵蔬菜微生物之间的互作模式与风味物质的代谢关系；(3)发酵蔬菜微生物间互作调控因子对发酵蔬菜风味形成的影响；(4)发酵蔬菜风味物质阈值测定。进一步明确与消费者感官密切相关的靶标性特征风味物质，阐释靶标性特征风味物质与微生物菌群结构之间的关系，最终形成更具目标性的微生态调控技术，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。