发酵蔬菜研究进展

赵杰，唐琴丽

宾川县食品药品检验检测院（大理 671000）

以蔬菜为原料，经酵母菌、乳酸菌或自然发酵方式发酵而成的蔬菜制品是世界范围内的传统发酵食品之一。发酵不仅可以有效保存蔬菜，也可以赋予蔬菜独特风味及口感，加之其生产方便、成本低廉、原料丰富、促进消化等特点而深受消费者喜爱。但目前大多数发酵蔬菜仍以家庭作坊式生产为主，其潜在的食品安全问题亟待改善。目前，测序及发酵技术日趋成熟，为我们解析自然发酵蔬菜中的有益微生物并通过合成生态系统的方式达到可控的蔬菜发酵提供了技术支持。因此，本文主要从发酵蔬菜的消费、其食品安全及其微生物组成与风味形成等方面进行了概述与讨论，以期为发酵蔬菜类食品检测及开发更加安全、风味多样的发酵蔬菜提供参考。

1 生产及消费

蔬菜发酵是利用有益微生物的作用，控制一定生产条件对蔬菜进行加工的一种方式。因其兼具保藏及改善风味的功能，蔬菜发酵技术被广泛应用于世界各地，也因地域、文化等差异，发酵蔬菜品类繁多，风味多样。具有代表性的有德国酸菜、俄罗斯酸黄瓜、韩国泡菜及中国的四川泡菜、东北酸菜等。根据其工艺不同，发酵蔬菜有腌菜、酸菜、酱菜之分，但其均是不同程度地进行微生物发酵所得的发酵蔬菜类制品，生产方法包括自然发酵和接种发酵两种。

我国有较长的发酵蔬菜食用历史，截至目前，根据国家食品药品监督管理总局统计，我国具备酱腌菜生产许可的企业有4 685家，酱腌菜总产量为405万 t，总产值超过400亿元。在众多酱腌菜品种当中，榨菜产量最高，约占总产量的1/3。

2 发酵蔬菜食品安全

传统腌泡菜等发酵蔬菜食品存在许多食品安全问题，如微生物致病菌、致病菌毒素、生物胺等。腌泡菜作为我国一种重要的传统发酵食品，多以家庭自制自食方式为主，在腌泡菜制作过程中由于原辅料及人为操作原因，极易产生亚硝酸盐、生物胺等有害物质及蜡样芽胞杆菌、粪肠球菌等致病菌。

在我国，发酵蔬菜主要存在的质量问题是食品添加剂（苯甲酸、山梨酸、二氧化硫、甜味剂、着色剂）及微生物（主要为大肠菌群）含量超标。近年来食品抽检结果表明酱腌菜中存在防腐剂混合使用时各自用量占其最大使用量的比例之和，二氧化硫残留量、苯甲酸、甜蜜素、糖精钠、脱氢乙酸和铅含量等不合格项，对酱腌菜食品安全具有较大的影响[1]。酱腌菜中常添加苯甲酸作为抗菌剂以延长产品货架期，但过量的苯甲酸或扰乱人体的正常代谢，损坏肝脏，甚至造成癌症。近年来大肠杆菌O157：H7及沙门氏菌等食源性病原菌都在酸性食品中（pH＜4.5）有检出报道，因此，在发酵类蔬菜产品中，具有低感染剂量及较高酸耐受性的大肠杆菌O157：H7尤其需要注意[2]。

除了食品添加剂所带来的安全风险外，发酵蔬菜原辅料中的乳酸菌、酵母菌、肠杆菌、葡萄球菌及假单胞菌等微生物通过参与发酵或在储藏期感染等途径进入，与游离氨基酸发生脱羧或醛酮的转氨等反应生成生物胺[3-4]，主要包括组胺、酪胺、色胺、腐胺、尸胺、亚精胺及精胺。生物胺是低分子质量的有机碱，在生物体内发挥重要的生理作用，如胃酸分泌、体温控制、细胞分化及生长、免疫反应及大脑活动等。但较高的生物胺摄入量会引起头疼、恶心、呼吸窘迫、呕吐等症状，严重的可导致休克，甚至死亡[5]。目前，对于发酵蔬菜中组胺、酪胺、2-苯基乙胺及总生物胺的推荐限量值分别为100，100，30和100～200 mg/kg。据统计，83%的发酵蔬菜中都存在生物胺，韩国泡菜中组胺和腐胺的含量均大于100 mg/kg，我国东北、川渝、北京及台湾等地区不同种类的发酵类蔬菜中均检出不同种类的生物胺，且含量较高[6]。但通过添加益生菌菌株，如植物乳杆菌、干酪乳杆菌等可能降低发酵蔬菜中生物胺的形成。

发酵类蔬菜中亚硝酸盐被认为对人体健康有害，因其与高铁血红蛋白血症及一些胃肠道癌症有关[7-8]。但研究表明，蔬菜在发酵初期，亚硝酸盐浓度上升，当pH低于4.5时亚硝酸盐浓度逐渐下降，直至稳定[9-11]。根据统计数据看，我国各地区发酵蔬菜中亚硝酸盐含量一般都低于2.0 mg/100 g（以亚硝酸钠计），符合我国国家食品标准GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定，并低于世界卫生组织建议的健康成年人每日摄入量[0.06 mg/（kg·d）]。另外，也有试验结果表明人体中亚硝酸盐具有降低心血管疾病、心肌梗塞、中风、胃溃疡、肾衰竭及代谢综合征等疾病风险的功能[8,12-15]，这说明成熟的发酵蔬菜中基本不存在亚硝酸盐方面的食品安全问题。但需要注意的是，烹饪或保藏方法会显著增加产品中硝酸盐含量[16]，且发酵蔬菜生产过程中盐、糖、姜及蒜等成分，也可能通过影响发酵过程从而直接或间接地影响硝酸盐及亚硝酸盐含量[17]。除亚硝酸盐外，发酵蔬菜中较高丰度的睾酮、二氢生物蝶呤、鸟苷及胞苷三磷酸盐等代谢产物会显著增加胃癌及结直肠癌风险[18-23]。

3 发酵蔬菜中微生物组成及风味物质形成

3.1 发酵蔬菜中微生物组成

发酵蔬菜中有丰富的微生物多样性，不同发酵蔬菜中微生物群落也不尽相同，但一般以厚壁菌门（Firmicutes）为主，其次为变形菌门（Proteobacteria）、蓝细菌（Cyanobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）及放线菌门（Actinobacteria）。其细菌组成以乳杆菌（Lactobacillus）及魏斯氏菌（Weissella）为主[24]，但在发酵过程中，其细菌组成往往是动态变化的，发酵前期及成熟后的发酵蔬菜中优势细菌组成与生产工艺及原辅料组成息息相关[25]。例如，在一些含盐发酵蔬菜发酵初期细菌组成主要为嗜盐细菌及乳酸菌，之后，乳杆菌及乳球菌相对丰度随发酵时间增加，并最终成为其主要微生物组成，而有些酱腌菜在发酵初期的优势菌则为魏斯氏菌属、弧菌属及片球菌属等，而发酵中后期则以乳杆菌属和葡萄球菌属等为主[26]。在发酵过程中添加大蒜则能有效促进发酵过程中乳酸菌及魏斯氏菌属生长，而抑制好氧菌的生长[19]。此外，加工设备及人工操作等因素均会影响发酵蔬菜中的细菌多样性及其组成与功能[27]。

除细菌外，发酵蔬菜中还含有多种真菌。子囊菌门（Ascomycota）是发酵蔬菜中最主要的真菌组成，其次为担子菌门（Basidiomycota）及拟杆菌门（Phragmoplastophyta）。发酵蔬菜中真菌组成相对稳定，大多数发酵蔬菜中酵母丰度较高，一般以毕赤酵母（Pichia）及有孢汉逊酵母（Hanseniasporan）为主[24]。

发酵蔬菜中微生物种类及数量受季节、成熟度、环境湿度、温度及杀虫剂使用等多种因素影响。在发酵过程中，微生物群落多样性显著下降，肠杆菌、乳酸菌及酵母等微生物在发酵体系中能存活几天至几周不等。乳酸菌因其能产生乳酸导致pH下降，且自身耐酸性较强，往往成为发酵蔬菜中的优势菌[2]。

3.2 发酵蔬菜中微生物对其风味形成影响

发酵蔬菜风味形成主要由参与发酵的微生物代谢产生的有机酸、游离氨基酸及挥发性物质构成，这些成分与发酵蔬菜中微生物组成密切相关。一般来讲，蔬菜发酵主要由乳酸菌主导，其将蔬菜中的糖转化为乳酸或乙酸，使发酵系统中的pH逐渐降低。在此过程中，微生物组成也随有机酸、游离脂肪酸及挥发性风味物质产生、分解及转化而变化。发酵蔬菜中有机酸（乳酸、乙酸）、游离氨基酸（丙氨酸、赖氨酸、谷氨酸）及挥发性物质（醇类、酯类、醛类、酮类）含量相较于发酵初期显著性增加[26]。Rao等[28]研究了传统发酵萝卜中微生物组成与风味间的关系，结果表明乳酸菌属（Lactobacillus）丰度最高，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）次之，前者与4种挥发性风味物质、9种游离氨基酸及1种有机酸这14种风味物质显著相关，后者则与4种挥发性风味物质、14种游离氨基酸及1种有机酸这19种风味物质显著相关。乳杆菌（Lactobacillus）及嗜盐单胞菌（Halomonasspp.）等微生物丰度与有机酸、氨基酸、生物胺及挥发性物质的浓度显著相关[26]。连续发酵过程中，梭菌属（Clostridium）、肠杆菌属（Enterobacter）、乳酸菌属（Lactobacillus）、魏斯氏菌属（Weissella）及肠膜明串珠菌（Leuconostoc）等微生物与腌菜中的醇、醛、酯类等挥发性成分呈正相关，而绿脓杆菌（Pseudomonas）、蓝藻（Chloroplast）及根瘤菌（Rhizobium）等微生物则与这些挥发性成分呈负相关[29]。魏斯氏菌不仅能增加发酵蔬菜的风味，其产生的酸、醇等代谢产物还能有效抑制病原菌生长，从而保证食品的安全性[30]。发酵完成后，与发酵蔬菜风味显著性正相关的嗜盐细菌及乳酸菌的丰度最高，嗜盐单胞菌、魏斯氏菌及乳酸菌等主要参与发酵蔬菜中丙酮酸代谢及三羧酸循环，使产品具有更高的乳酸及乙酸浓度，嗜盐细菌及乳酸菌则是发酵蔬菜中氨基酸及脂肪代谢的主要参与者，并合成多种挥发性呈味物质[31]。另外，酵母菌在厌氧条件下进行酒精发酵产生的乙醇与有机酸反应形成酯类物质，对发酵蔬菜风味、质地及产品储藏周期等指标也有重要的影响作用[32-33]。

生产工艺及原辅料组成的差异对发酵蔬菜中微生物群落组成及风味形成至关重要[25]。例如，含盐蔬菜发酵过程中，乳杆菌及乳球菌相对丰度随发酵时间增加，最终成为其主要微生物组成。这使得发酵过程中葡萄糖消耗更加彻底，有机酸及醛醇类挥发性物质含量更高[34-35]。添加大蒜则能有效促进发酵过程中乳酸菌及魏斯氏菌属生长，同时抑制好氧菌等不良微生物的生长[19]。

4 应用价值

作为全世界普遍消费的一种传统食品，发酵蔬菜中不仅含有大量微生物、矿物质及纤维素等营养物质[36]，还含有活性肽、短链脂肪酸及γ-氨基丁酸等生物活性成分[37-38]。此外，茎根类发酵蔬菜中富含纤维，有利于改善消费者的适口性及消化能力[39]。

尽管发酵蔬菜中存在的多种微生物，但由于乳酸菌在发酵过程中产生大量乳酸及醋酸，使发酵蔬菜pH处于较低水平，最终形成以乳酸菌为主要优势菌群的微生物群落[40]。此外，其不仅能提升产品的感官质量及延长货架期，还具有提高消化能力、增加肠道微生物丰度及抗诱变活性、预防糖尿病、增强免疫力、防止细胞损伤及降低胆固醇等功效[32]。因此，发酵蔬菜在功能性食品开发及疾病诊断与治疗等方面具有重要应用价值。

近年来，从不同发酵蔬菜中分离出多种具有免疫调节、抗氧化等共能的益生菌株。例如，Mizuno等[41]从腌菜中分离出一株植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）22 A-3，其能通过肠道表皮细胞影响与过敏相关的巨大细胞，从而达到抑制被动皮肤过敏反应的耳水肿、降低卵白蛋白过敏小鼠血液中IgE及卵白蛋白特异性IgE水平、抑制由2, 4-二硝基氯苯（DNCB）诱导的皮炎等作用。Shankar等[42]从印度Sivakasi地区采集的酸菜中分离得到一株副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei），其产生的胞外多糖具有76.34%的总抗氧化活性、71.15%还原力、68.65%过氧化氢清除活性及60.31% DPPH自由基清除活性，具有较好的抗氧化性应用潜力。Xu等[43-44]从中国东北地区酸菜中分离出一株干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）NA-2，其产生的胞外多糖具有抗生物膜活性、抗氧化及免疫调节活性。马长路等[45]从自然发酵的传统东北酸菜中分离获得的植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）MHS1701、干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）MHS1703、棒状乳杆菌（Lactobacillus coryniformis）MHS1706的胆固醇脱除率分别达到40.71%，52.84%和41.41%。从四川泡菜中也分离出的一系列具有不同益生功能的乳酸菌，其中发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）CQPC04、CQPC05、CQPC08具有降脂、抗炎症因子、改善机体免疫能力及增强机体抗氧化能力等功效[46-48]，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）CQPC11可防治由D-半乳糖诱导的氧化及衰老问题[49]。

从发酵蔬菜中分离的乳酸菌除具有医疗保健方面的作用外，其在工业化生产发酵蔬菜方面也具有良好的应用前景。异型发酵乳酸菌可将己糖（葡萄糖及乳糖）转化为乳酸和乙酸，并产生一些其他风味物质，使相应的产品具有独特的风味及益生功能。此外，乳酸菌也能产生多种酚类、细菌素及胞外多糖等化合物，这些物质能显著改善发酵蔬菜的质地、口感及货架期等特性[50-51]。例如，Lorn等[52]从200株乳酸菌中选出4株具有β-葡萄糖苷酶及乙醇脱氢酶活性的菌株发酵番茄，对发酵番茄中挥发性成分物质检测结果表明从不同菌株发酵的番茄中共检测出58种挥发性物质，未经这4株菌株发酵的番茄中富含醛类物质。添加植物乳杆菌发酵的番茄中富含酮类物质，而发酵乳杆菌发酵番茄则富含醇类物质。发酵乳杆菌在发酵过程中展现出较高的乙醇脱氢酶活性，其发酵产品中醛、酮类物质被醇类物质取代，而植物乳杆菌则表现出较低的乙醇脱氢酶活性，但其具有重要的底物选择多样性。Le等[53]发现植物乳杆菌发酵芥菜可通过降低IL-6、TNF-α、诱导型一氧化氮合成酶及环加氧酶-2的表达水平等方式显著抑制一氧化氮产物，从而起到改善芥菜叶抗炎症活性的作用。因此，相较于传统的家庭作坊式生产方式，通过对发酵蔬菜中微生物组成的解析开发出具有不同风味及功能的发酵剂，其不仅有利于发酵蔬菜的工业化生产，在消除食品安全隐患方面也具有重要应用价值。

5 结语

发酵作为一种传统的加工技术，其被广泛应用于新鲜蔬菜的加工及储藏。发酵过程中产生的独特风味物质赋予蔬菜独特的口感、香味及质地。但目前大多数发酵蔬菜的加工依旧停留在家庭作坊式生产中，其不仅具有不可预测性，还存在各种食品安全隐患。其中，微生物种类及数量是影响发酵蔬菜质量最核心的部分。从目前的研究结果来看，由于发酵蔬菜中微生物组成受原辅料、温度、地域等多种因素影响，因此不同发酵蔬菜中优势微生物及呈味微生物不尽相同，而目前在蔬菜发酵开发方面多以单一乳酸菌为主。其虽有利于发酵过程控制，但却不利于产品的多元化发展，因此，根据不同发酵蔬菜品类以bottom-up策略开发不同蔬菜发酵剂是以后的研究方向。另外，由于发酵蔬菜中存在大量乳酸菌等具有特定功能的微生物，我们也能以此为出发点，筛选并开发具有特定功能的益生菌或其他具有抗菌、抗氧化等功能的菌株，实现资源的多样化利用。