剁辣椒發酵過程中菌群與有機酸變化規律分析

葉 陵，王晶晶，王蓉蓉，李 勇，劉成國，蔣立文，鄧放明，周 輝,*

（1.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南省食品科學與生物技術重點實驗室，湖南 長沙 410128；2.張家界靈潔綠色食品有限公司，湖南 張家界 427000）

剁辣椒是我國獨具特色的一種發酵辣椒制品[1]。在目前剁辣椒的工業化生產中，其生產方式主要是自然發酵和鹽胚脫鹽發酵。自然發酵周期長、生產不穩定[2]。鹽胚脫鹽發酵雖然成本低，加工工藝簡單，但風味、滋味和營養物質在較長的貯存期和水洗脫鹽過程中損失嚴重。同時，在發酵過程中所用的原料、加工方式、環境條件、氣候條件和菌種不同都會對發酵結果產生影響。而采用乳酸菌接種發酵，不僅縮短發酵時間，而且加工條件簡單可控，產品品質穩定，是剁辣椒產業未來的發展方向[3]。

對自然發酵剁辣椒中乳酸菌的分離鑒定，表明剁辣椒中的乳酸菌主要是植物乳桿菌、短乳桿菌等，而采用植物乳桿菌進行純種發酵可以取得比較好的產品品質[4-8]。酸味是剁辣椒的一個非常重要的滋味品質，其中對酸味起主要作用的有機酸是檸檬酸、乳酸、乙酸等[9]。在蔬菜的自然發酵過程中，菌群的變化導致產生不同的代謝產物。如同型發酵乳酸菌主要產生乳酸，而異型乳酸發酵可產生乙酸、乙醇等物質[10]。乳酸菌利用這些代謝產物，通過丙酮酸激酶等途徑，生成額外的ATP，以提高菌體耐環境脅迫的能力[11]。

目前關于剁辣椒發酵過程中微生物菌群及有機酸變化的研究鮮見報道。因此，本實驗利用課題組前期篩選到的一株發酵性能優良的植物乳桿菌W-4作為發酵劑菌株進行純種發酵，以自然發酵剁辣椒為對照，考察發酵過程中剁辣椒中微生物菌群及有機酸的變化規律，為進一步闡明植物乳桿菌在剁辣椒發酵過程中的作用機制提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 菌種、培養基與試劑

紅線椒、生姜、大蒜籽均購自湘樺連鎖超市。植物乳桿菌W-4為本課題組前期分離獲得。

馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）培養基、平板計數瓊脂（PCA）培養基、MRS肉湯培養基 北京陸橋技術有限責任公司；結晶紫中性紅膽鹽葡萄糖瓊脂（VRBA）培養基廣東環凱微生物科技有限公司；蘋果酸、乙酸、檸檬酸（均為色譜純） 美國Supelco公司；其他試劑（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

DNP-9272BS-III生化培養箱 上海新苗醫療器械制造有限公司；SW-CJ-1FD型單人單面凈化工作臺 蘇州凈化設備有限公司；普光HH-8數顯恒溫水浴鍋 上海浦東物理光學儀器廠；LDZX-50FBS立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫療器械廠；雷磁pHs-3C pH計 上海精科儀器有限公司；1510型全波長酶標儀 賽默飛世爾科技有限公司；Avanti J-26XP型高速離心機 美國貝克曼庫爾特公司；WP-UP-WF-20型微量分析超純水機四川沃特爾水處理設備有限公司；KQ-700DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；Acquity UPLC H-Class型超高效液相色譜儀 沃特世（Waters）科技（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 剁辣椒的制備

工藝路線：

剁辣椒的制備：活化菌株：從斜面挑取植物乳桿菌W-4至MRS液體培養基，37 ℃活化12 h，重復活化一次。將活化菌液按1%的接種量接種MRS液體培養基中，37 ℃恒溫培養24 h；接種細胞懸液制備：將植物乳桿菌W-4的培養液4 000 r/min離心5 min，去上清液，再加入無菌生理鹽水，調節細胞數為107CFU/mL，密封后放入4 ℃冰箱備用；分別將所有用具（砧板、菜刀、不銹鋼盆、湯匙、筷子和具蓋玻璃瓶）沸水浴10 min殺菌，烘干備用；將紅線椒去蒂、洗凈、自然風干，生姜洗凈去皮，大蒜籽去皮，剁碎備用；按表1中配方稱取原料，先將食鹽、白酒、大蒜籽、生姜和氯化鈣粉末混合均勻，再將上述混合物拌入碎鮮辣椒（紅線椒晾干剁碎制得）中拌勻。分裝密封后置于30 ℃恒溫培養箱進行發酵，于發酵的不同時間點取樣進行檢測。

表1 剁辣椒配料Table 1 Ingredients of chopped pepper

1.3.2 剁辣椒樣品的前處理

將蒸餾水煮沸5～10 min，冷水浴快速降溫備用（煮沸后30 min內使用）；稱取剁辣椒樣品30 g，加入蒸餾水30 g，研磨成勻漿。

1.3.3 剁辣椒發酵過程中pH值的測定

參照GB 10468—1989《水果和蔬菜產品pH值的測定方法》[12]，于發酵第0天、第2天、第4天、第6天、第8天、第10天、第12天分別取自然發酵及植物乳桿菌W-4純種發酵的剁辣椒樣品，粉碎打漿后用pH計直接測定勻漿的pH值。

1.3.4 剁辣椒發酵過程中有機酸含量的測定

1.3.4.1 剁辣椒發酵過程中總酸含量的測定

參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》[13]中的方法測定發酵第0天、第2天、第4天、第6天、第8天、第10天、第12天不同剁辣椒樣品中的總酸含量。

1.3.4.2 剁辣椒發酵過程中有機酸含量的測定[14-15]

分別稱取發酵第2天、第4天、第6天、第8天、第10天的自然發酵及植物乳桿菌W-4純種發酵的剁辣椒樣品25 g，并加入25 g超純水（放置于4 ℃冰箱過夜以保持較低溫度）混勻；用料理機研磨3 min（勻漿30 s，停15 s循環6 次）至勻漿完全粉碎（顆粒均勻且粒度?。?；準確稱取2.000 0 g勻漿至50 mL離心管中，再加入約18 g超純水，蓋上離心管蓋，超聲提取30 min（25 ℃），期間振搖3 次使提取完全；稱量離心管質量，并加入超純水平衡后，離心（10 000 r/min，15 min，15 ℃）。取上清液至25 mL容量瓶，超純水定容；溶液過0.2 μm親水系微孔膜至2 mL安瓿瓶，分別編號后上機測定有機酸濃度，每個樣品做3 次平行實驗。

標準曲線的繪制：分別取檸檬酸、乳酸、乙酸、蘋果酸色譜純標準品配制質量濃度為500 μg/mL的溶液，再分別稀釋成質量濃度為25、50、100、200、300、400 μg/mL的標準溶液。每種質量濃度為400 μg/mL的標準溶液取100 μL混勻后過膜，得到每種標準溶液質量濃度均為100 μg/mL的混和標準樣品。

色譜條件：流動相：A：準確稱取磷酸二氫鉀1.360 9 g，加超純水定容至1 L，用磷酸調至pH值為2.2。再用砂芯過濾裝置真空抽濾溶液過0.20 μm濾膜后備用。B：100%色譜純級甲醇。洗脫方式：等度洗脫（A：97%，B：3%）；流速：0.2 mL/min；進樣體積：1 μL；測量波長：210 nm；柱溫：37 ℃；運行時間：15 min。

1.3.5 剁辣椒發酵過程中的微生物菌群的檢測

參照GB 4789—2010《食品微生物學檢驗》[16]中霉菌和酵母計數、菌落總數測定、大腸桿菌計數（第二法）、乳酸菌檢驗中的方法進行微生物菌群的測定。

用經沸水浴15 min滅菌的藥匙從密封發酵的分裝玻璃瓶中取樣，分別稱取自然發酵及植物乳桿菌W-4純種發酵第2天、第4天、第6天、第8天、第10天的剁辣椒樣品25.0 g，轉至盛有225 mL無菌生理鹽水的錐形瓶中。劇烈振搖錐形瓶20 min，使樣品中微生物充分分散于溶液體系中；將該溶液進行梯度稀釋，選擇合適稀釋度，分別取1 mL稀釋液轉接至無菌平板中，分別倒入融化后的MRS培養基、PDA培養基、PCA培養基、VRBA培養基。PDA平板置于28 ℃恒溫培養箱，其余3 種菌種平板培養基置于37 ℃恒溫培養箱，恒溫培養24～48 h，觀察培養結果并進行平板計數。

2 結果與分析

2.1 不同發酵方式剁辣椒發酵過程中的pH值變化

由圖1可知，在剁辣椒發酵過程中pH值隨發酵的進行而降低，2 種剁辣椒的起始pH值均在4.95左右。隨發酵時間的延長，接種發酵的剁辣椒pH值逐步降低至4左右并趨于平穩，而自然發酵剁辣椒從發酵初期開始pH值就呈現緩慢降低的趨勢，且變化不明顯。原因是接種發酵接入的植物乳桿菌W-4數量較大，主導了整個發酵的過程，因而發酵產酸速度更快、pH值變化更大。而自然發酵至12 d pH值依舊未降至4左右，表明其發酵過程中產酸較慢，發酵過程慢。pH值的快速降低能有效抑制一些腐敗微生物的生長，提高發酵蔬菜的安全性[17]。

圖1 剁辣椒發酵過程中pH值的變化Fig. 1 Change in pH value during the fermentation of chopped pepper

2.2 剁辣椒發酵過程中總酸含量的變化

圖2 剁辣椒發酵過程中總酸含量的變化Fig. 2 Change in total acid content during the fermentation of chopped pepper

由圖2可知，在剁辣椒發酵過程中總酸含量隨發酵時間的延長而增加，相對而言，接種發酵的總酸含量變化更明顯，產酸量更大。接種發酵中總酸含量則是從第0天開始一直呈快速增長趨勢，從第10天開始總酸含量趨于平穩。原因是接種發酵中人工轉接了優良乳酸菌純菌種，使得瓶內乳酸菌初始菌濃度遠高于其他微生物，具有競爭優勢。故而發酵初期乳酸菌能快速增長、產酸使得剁辣椒中總酸含量高于自然發酵。

2.3 剁辣椒發酵過程中有機酸的變化規律

2.3.1 蘋果酸含量的變化

圖3 剁辣椒發酵過程中蘋果酸含量的變化Fig. 3 Change in malic acid content during the fermentation of chopped pepper

從圖3可以看出，自然發酵剁辣椒中的蘋果酸含量隨發酵進程降低緩慢。接種發酵剁辣椒中的蘋果酸含量隨發酵進程不斷下降，在第10天時大幅降低。發酵剁辣椒中蘋果酸含量整體呈現下降趨勢的原因可能是由于蘋果酸可以在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸存在條件下，生成丙酮酸，隨后生成乙酰輔酶A進入三羧酸循環[18-19]。

2.3.2 檸檬酸含量的變化

圖4 剁辣椒發酵過程中檸檬酸含量的變化Fig. 4 Change in citric acid content during the fermentation of chopped pepper

由圖4可知，自然發酵剁辣椒中檸檬酸含量明顯高于接種發酵。自然發酵剁辣椒的檸檬酸含量在第6天時達到峰值161.2 μg/g。而接種發酵中檸檬酸含量則在第8天時達到峰值153.0 μg/g。檸檬酸作為辣椒產生青氣味的主要來源之一，在發酵熟化過程中會被微生物所代謝。同時，乳酸菌等微生物發酵也會產生少量檸檬酸，因此造成發酵過程中檸檬酸含量呈現波動變化。

2.3.3 乳酸含量的變化

圖5 發酵過程中乳酸含量的變化Fig. 5 Change in lactic acid content during the fermentation of chopped pepper

從圖5可以看出，接種發酵剁辣椒中乳酸含量隨發酵時間變化呈不斷上升趨勢，第8～10天增長最為迅速，且整體含量明顯高于自然發酵剁辣椒。相比較于自然發酵，接種發酵由于接入了優良乳酸菌，乳酸菌的初始活菌數遠高于自然發酵，因而在接種發酵中乳酸菌能盡早成為優勢菌群，代謝營養物質并大量產生乳酸。在自然發酵中，因發酵時間短，乳酸菌在發酵環境中需要與大量其他微生物競爭生長，因此數量較低，產生的乳酸少。

2.3.4 乙酸含量的變化

通過測定發酵第2天、第4天、第6天、第8天、第10天時剁辣椒中乙酸的含量時發現，接種發酵在整個發酵過程中均未檢出乙酸。而在自然發酵第2天時，剁辣椒中乙酸含量為（20.21±0.56）μg/g，而在隨后幾個發酵時間點的樣品中，均未檢出乙酸?？赡艿脑蚴亲匀话l酵中一些異型發酵的乳酸菌代謝產生少量的乙酸，隨著發酵的進行，乙酸可與酵母代謝所產生的醇類等物質產生酯化反應，生成了其他的物質[20]。而植物乳桿菌作為同型乳酸發酵乳酸菌，接種發酵產生的乙酸含量較自然發酵要少[21]。

2.4 剁辣椒發酵過程中的菌群變化規律

將植物乳桿菌W-4活化發酵、自然發酵，置于30 ℃恒溫發酵。采用稀釋平板法，分別對發酵第2天、第4天、第6天、第8天、第10天發酵剁辣椒中的菌落總數、乳酸菌、真菌（霉菌和酵母菌）和大腸桿菌這4 個微生物指標進行計數。

圖6 剁辣椒發酵過程中菌群變化曲線Fig. 6 Change in microflora during the fermentation of chopped pepper

由圖6A和6B可知，自然發酵和接種發酵整體的菌落總數和乳酸菌數量呈先升后平緩的趨勢。接種發酵的菌落總數和乳酸菌數量在發酵的整個過程中均高于自然發酵，這與接入大量植物乳桿菌W-4有關。接種發酵從第4天后，菌落總數和乳酸菌數量基本趨于穩定。自然發酵則在發酵第6天后基本維持不變。曲線所呈現的趨勢主要因為在發酵初期，養分充足，微生物在適應環境后能快速生長。隨發酵的不斷進行，微生物代謝所產生的乳酸、乙醇等具有抗菌活性的物質，改變了環境條件，使得菌株生長放緩，微生物數量逐漸趨于穩定。

由圖6C可知，2 種發酵方式下霉菌、酵母菌（檢出菌株主要是酵母菌）等真菌初始菌種濃度相近，隨發酵的進行其數量也在不斷上升。發酵0～6 d內，環境營養豐富，酸度適宜，霉菌、酵母菌等真菌數量快速增長。發酵6～8 d內，pH值持續降低，大量乳酸菌生長均對霉菌、酵母菌有抑制作用，其生長速度減緩。第8天后，隨著pH值進一步降低，環境對乳酸菌的抑制作用開始顯現，相對受到影響更小的酵母菌則逐步成為優勢菌株生長速度再次提升，活菌數變大直至趨于最大值。

由圖6D可知，大腸桿菌在發酵初期因為辣椒本身或者用具攜帶使得密封辣椒被少量污染。隨著剁辣椒發酵不斷進行，乳酸菌會通過代謝產生的乳酸、腌制中的鹽抑制大腸菌群的生長，至發酵中后期時大腸桿菌已無法檢出[22]。

3 結論與討論

由于微生物的作用，辣椒在發酵過程中會產生大量的有機酸，賦予發酵辣椒適宜的酸味，同時這些有機酸與其他物質相互作用，增加了發酵辣椒的風味。不同有機酸具有不同的酸味特征，如檸檬酸有爽快的酸味，蘋果酸具有溫和和爽快的酸味，略有苦味，而乳酸的酸味則較為尖利。發酵辣椒中主要的有機酸為乳酸、檸檬酸、蘋果酸、乙酸等。

接種發酵產生的總酸含量要高于自然發酵，但與前人研究結果相比[23-24]，本研究中總酸及有機酸的測定結果都偏小，這可能與辣椒原料本身有關。接種植物乳桿菌W-4發酵，能加快乳酸發酵的進程，剁辣椒中乳酸的含量要高于自然發酵，這與前人的研究結果一致[25]。相比較于接種發酵，自然發酵剁辣椒則具有較高含量的檸檬酸和蘋果酸，在發酵過程中，檸檬酸與蘋果酸含量的變化規律不明顯，而接種發酵中蘋果酸含量呈現下降趨勢，可能與蘋果酸生成丙酮酸參與三羧酸循環有關。乙酸只在自然發酵過程中檢出，而在接種發酵中并未檢出，可能的原因是乙酸在發酵剁辣椒中含量本身較低，低含量的乙酸較快地與短鏈的醇類物質進行酯化反應，而自然發酵過程中可能存在異型乳酸發酵的乳酸菌，生成了乙酸。

對發酵過程中微生物菌群的研究結果表明，隨著剁辣椒發酵不斷進行，大腸桿菌逐漸被抑制，直至消失，這說明剁辣椒具有較高的微生物安全性，這與發酵蔬菜中的酸度不斷上升有直接的關系[26]。另外，實驗結果也發現在剁辣椒發酵過程中，酵母菌也以較高的數量（約為105CFU/g）與乳酸菌一起生長。有研究表明在四川榨菜和泡菜發酵過程中，有乳酸菌和酵母菌的共同參與[27-28]，但酵母菌主要存在于泡菜發酵的前期，隨后逐漸減少直至消失[29]。徐浩等[30]也從高鹽辣椒坯中分離得到1 株耐鹽的魯氏接合酵母，接種發酵結果表明高鹽剁辣椒風味良好，色澤紅艷，脆感較好。酵母菌作為發酵蔬菜中的常見微生物，其代謝產物乙醇等物質直接參與了風味物質的形成。而在剁辣椒發酵過程中，酵母菌是否參與了剁辣椒風味品質的形成，乳酸菌與酵母菌如何相互作用，其相互作用是否決定了剁辣椒的品質，仍不清楚，則需進一步研究酵母菌在剁辣椒品質形成中的作用機制。

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