泡菜微生物演替與風味物質變化的研究進展

張錫茹，關 慧，邢少華，劉文麗,2,3,*，李華敏,2,*

（1.魯東大學食品工程學院，山東 煙臺 264025；2.魯東大學生物納米技術研究院，山東 煙臺 264025；3.江南大學 糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

泡菜是中國傳統的發酵蔬菜食品，起源于3 000年前的周朝，其歷史悠久、文化深厚[1]。泡菜是主要以新鮮蔬菜或蔬菜咸坯為原料，添加或不添加輔料，經中低濃度（質量分數2%～10%）食鹽水泡漬發酵、調味（或不調味）、包裝（或不包裝）、滅菌（或不滅菌）等生產加工而成的蔬菜制品[2]。泡菜的營養價值非常豐富，含有大量的維生素、礦物質、膳食纖維和其他功能成分，可以滿足人體的營養需求，同時也具有調節腸道菌群、降低血清膽固醇、抗氧化、減肥等保健作用[3-6]。

泡菜具有酸味純正、質地嫩脆、清爽可口、滋味鮮美等特點。微生物通過利用蔬菜和輔料中的營養物質進行發酵，在各種酶的作用下生成有機酸、游離氨基酸等代謝產物并合成多種香氣成分物質，為泡菜特殊風味的產生提供了物質基礎[7]。參與發酵的微生物種類繁多、相互作用關系復雜，所以，全面解析泡菜中微生物群落結構以及泡菜群落演替的變化規律依然十分具有挑戰性[8]。研究泡菜發酵過程中各種微生物的群落組成、動態的發酵機制以及代謝產物的產生條件，對于泡菜產品在色、香、味、態及食品安全等方面的品質提升具有非常重要的意義。

1 泡菜微生物的群落結構組成

泡菜的發酵過程是微生物群落種類和數量不斷演替變化的過程。近幾年來，為了滿足泡菜行業發展的需求，國內外眾多研究學者對泡菜微生物群落的多樣性進行研究，為泡菜產業的長期發展提供了重要的理論基礎。

1.1 泡菜微生物的研究方法

傳統的可培養手段可用來分析環境中的種群結構，但該技術不能真實反映發酵蔬菜中的微生物群落組成。分子生物學技術不但可以省去傳統分離培養法的復雜過程，為大量不可培養的微生物研究提供新的契機，而且還可為后續深入研究泡菜發酵機理、風味因子的形成機制以及指導泡菜的發酵生產提供重要的理論基礎[9-11]。

泡菜微生物結構的分析可采用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳（polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE）進行分析，眾多學者如燕平梅[12]、Hong[13]以及Chen Gong[14]等均采用PCR-DGGE技術分析研究了泡菜的優勢微生物菌群、生態分布和演替變化，揭示了泡菜中微生物的多樣性。但PCRDGGE無法檢測含量較低的菌群，難以區分相似度高的菌種。高通量測序技術又稱下一代測序技術，已經被證明是一種研究發酵食品中微生物群落結構的有效技術，應用高通量測序技術可以對群落中所有微生物的DNA或RNA進行微生物群落組成、分布及其動態演替的分析[10]，眾多學者采用此方法對傳統發酵蔬菜的生物群落多樣性進行了研究[15-16]。其中，基于16S rRNA基因的高通量測序分析技術在研究泡菜微生物多樣性方面能夠較為真實、全面地反映泡菜微生物群落的結構組成及差異[17]。

除此之外，為了更加系統深入地研究微生物的群落結構，第三代測序技術、宏基因組學技術以及宏轉錄組學技術等也已經用于全面分析發酵蔬菜中微生物群落的組成、變化規律、代謝潛能信息等，并用于詮釋發酵蔬菜中微生物群落的功能。這都有助于了解發酵食品微生物群落的組成和動態變化規律[18-19]。

1.2 泡菜發酵過程中細菌的構成及動態變化

通常來說，細菌是泡菜發酵中的主要微生物，泡菜中的細菌數量遠高于真菌的數量[7]，且細菌的多樣性比真菌更為豐富[20-21]。乳酸菌是整個泡菜發酵過程中的重要優勢菌群[22]，優勢菌群主要有明串珠菌屬（Leuconostoc）、乳桿菌屬（Lactobacillus）、魏斯氏菌屬（Weissella）、片球菌屬（Pediococcus）、乳球菌屬（Lactococcus）、鏈球菌屬（Streptococcus）、腸球菌屬（Enterococcus）等幾個屬的菌種，主要的種屬信息如表1所示。

表1 泡菜中的主要細菌Table 1 Compositions of bacteria in pickles

在過去，傳統方法的限制使得我國在關于泡菜發酵過程中微生物的多樣性及其變化的研究方面鮮有報道，而國外在20世紀就已經開始對泡菜進行了相關研究。1961年，Pederson等[23]研究了酸黃瓜和卷心菜發酵過程中菌種的生長規律，首次提出了腸膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）是泡菜發酵的啟動菌，確定了發酵后期的優勢菌為短乳桿菌（Lactobacillus brevis）和植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）。近年來，隨著分子技術的發展，國內外許多研究者在前人工作的基礎上做了更深入的研究，發現乳桿菌是泡菜發酵的主要優勢菌種，其中Cao Jialu等[24]認為短乳桿菌和耐酸乳桿菌（Lactobacillus acetotolerans）是最主要的菌種；于文平等[21]研究發現在工業青菜泡菜中乳桿菌屬中的消化乳桿菌（Lactobacillus alimentarius）和植物乳桿菌含量較高；Peng Qiannan等[25]認為除了植物乳桿菌最為豐富以外，發酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）和戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosaceus）也是主要的發酵菌群。還有研究學者認為魏斯氏菌屬、乳球菌屬和片球菌屬也是泡菜中的優勢菌種，如Lee等[26]對88 種泡菜發酵過程中微生物群落進行比較，發現乳桿菌屬、腸膜明串珠菌和魏斯氏菌屬占主導地位；朱琳等[27]基于16S rRNA基因的高通量測序技術在蘿卜泡菜中檢測到了魏斯氏菌屬、腸膜明串珠菌、乳球菌屬和片球菌屬。另外，有學者在泡菜中也發現了其他不同的優勢菌群，黃道梅等[28]采用PCR-DGGE方法對泡菜發酵過程中的菌群變化進行分析，初步確定了工業化鹽漬蘿卜發酵過程中優勢細菌為鹽單胞菌（Halomonasp.）、食竇魏斯氏菌（Weissella cibaria）、腸膜明串珠菌、植物乳桿菌、彎曲乳桿菌（Lactobacillus curvatus）、草乳桿菌（Lactobacillus graminis）和消化乳桿菌等，其中乳酸菌占絕大多數；He Zhen等[29]采用Illumina-HiSeq測序發現中國東北地區傳統酸菜發酵過程中的微生物以厚壁菌門和變形菌門為主，包括乳桿菌屬、假單胞菌屬（Pseudomonas）、沙雷氏菌屬（Serratia）和片球菌屬等。

泡菜的發酵過程是一個微生物群落的數量和種類不斷動態演變的過程，因此，根據微生物演替和pH值的變化，將泡菜發酵過程大致分為3個階段：發酵初期，pH＞5.2；發酵中期，pH 4.5～5.2；發酵后期，pH＜4.5，乳酸菌群隨著發酵階段的改變而變化[45]。研究表明，泡菜發酵初期主要是由繁殖快、酸耐受性低且微需氧的乳酸菌來作為發酵啟動菌種，如腸膜明串珠菌和魏斯氏菌是發酵啟動過程中最活躍的菌株[19,46-47]。第二階段，也就是發酵中期，隨著發酵的進行，乳酸得到了積累，酸度升高，嚴格厭氧環境形成，耐酸性高且嚴格厭氧的乳酸菌尤其是乳桿菌如植物乳桿菌漸占主導，成為泡菜發酵中后期的主要菌種。到了第三階段發酵后期，乳桿菌和片球菌等繼續作為主要菌種參與發酵[15,22]。另外，也有學者有不同的研究發現，如魏雯麗等[30]利用宏轉錄組學技術對工業豇豆泡菜活性微生物群落結構進行了解析，結果表明乳桿菌屬和片球菌屬是發酵初期主要的優勢活性屬，發酵中期（15～30 d）的優勢活性菌屬是乳桿菌屬，隨著發酵進行，細菌豐度逐漸下降，真菌豐度逐漸增加，并在發酵末期（60～90 d）占主導；Pardali等[31]認為蘿卜泡菜在自然發酵期間的最初幾天內，戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）占優勢，其次是植物乳桿菌，直到發酵結束，在發酵的最后幾天檢測到短乳桿菌；He Zhen等[29]發現，酸菜發酵前期存在大量假單胞菌和沙雷氏菌，后期乳酸菌占據主導。然而，這些乳酸菌在泡菜各發酵階段的分布并不完全一定，它們會隨著原料、鹽濃度、香辛料和發酵條件等多種因素的影響而發生變化[46]。張宗舟等[48]研究發現醋酸菌和丁酸菌也存在于泡菜的微生物菌系中；Yang Hongyan等[49]通過基因文庫鑒定發現泡菜中存在不動桿菌（Acinetobacter）、脆假單胞菌（Pseudomonas fragi）、克雷伯氏菌（Klebsiella）、檸檬酸桿菌（Citrobacter）等細菌。

1.3 泡菜發酵過程中的真菌和其他微生物

除細菌外，其他微生物在泡菜發酵過程中也起著重要作用，Chen Peng[50-51]和Guan Qianqian[37]等研究發現，泡菜發酵過程中除了細菌外，還有子囊菌和擔子菌等真菌，其中最重要的是酵母菌。黃道梅[28]、武亞婷[52]等研究發現，泡菜中的優勢真菌主要有假絲酵母（Candida）、漢遜德巴利酵母（Debarymyces hansenii）、奧默柯達酵母（Kodamaea ohmeri）、卡森德巴利酵母（Debaryomyces carsonii）、孢漢遜酵母（Hanseniasperu）和畢赤酵母（Pichia pastoris）等，且微生物群落結構與泡菜發酵進程存在一定的相關性。有研究表明，假絲酵母屬、Cystofilobasidium、弧菌屬（Vibrio）、鹽厭氧菌屬（Halanaerobium）主要與發酵前期相關，假單胞菌屬（Pseudomonas）、Wohlfahrtiimonas、鹽單胞菌屬、環絲菌屬（Brochothrix）、海螺菌屬（Marinospirillum）、梭菌科（Clostridiaceae）、歐文氏菌屬（Erwinia）、德巴利氏酵母屬（Debaryomyces）與發酵中期相關，乳桿菌屬、柯達菌屬（Kodamaea）、釀酒酵母屬（Saccharomyces cerevisiae）、鹽弧菌屬（Salinivibrio）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）與發酵后期相關[21]。

在發酵過程中，除細菌和真菌之外，泡菜中還存在其他微生物。乳酸菌感染的噬菌體通常也是發酵過程中的一個問題[53]，如齊蕊名等[54]從泡菜中分離得到一株以植物乳桿菌為宿主菌的烈性噬菌體，這表明泡菜發酵過程中可能有很高比例的細胞被噬菌體感染。以上這些研究結果表明，泡菜發酵過程中的菌群十分復雜且豐富。

2 影響泡菜微生物演替的因素

泡菜的發酵是一個多種微生物混合共存的發酵體系。研究表明，泡菜中微生物群落的變化是微生物與環境相互作用的結果，不同環境中的同種微生物或同一環境中的不同微生物生長均存在著差異[46]。另外，發酵蔬菜的品種和一些內在的、外在的以及加工工藝等方面的因素也對泡菜的微生物群落有較大影響，這些因素共同作用最終導致泡菜在口感、風味、營養方面的不同。通過控制這些因素，可以使微生物群落朝著有利的方向進行演替[55]。

研究表明，溫度、鹽濃度、酸度、氧氣、原料和輔料的組成以及發酵方式等因素對泡菜的微生物種類和數量影響較大。其中影響最大的因素是溫度和鹽濃度，而蔬菜品種和工藝條件的影響程度則相對較低[56]。

2.1 溫度對泡菜微生物群落的影響

泡菜的發酵受不同地區氣候條件因素的影響較大，其中溫度是最重要的影響因素。通常來說，溫度的變化會影響微生物的生長。發酵開始后，細菌數量開始逐漸增加，并隨著溫度的升高，細菌的生長速度加快。其中乳酸菌是泡菜發酵過程中的重要菌群，26～30 ℃范圍內乳酸菌生長繁殖速度最快，產酸率最高[55]。所以，為了促進乳酸菌的生長繁殖，抑制有害微生物的生長，必須要控制好發酵溫度。

發酵溫度對泡菜中微生物的種類也有較大影響，主要原因是泡菜中的乳酸菌會隨著溫度的變化呈現出不同的生長特性[56]。He Zhen等[29]對中國東北地區酸菜發酵過程中不同溫度對微生物多樣性的影響進行了研究，發現隨著發酵溫度的升高，細菌群落的多樣性增加，且泡菜中的主導細菌在不同溫度下有差異，在10、15 ℃條件下，酸菜發酵以明串珠菌為主，在20、25 ℃下以魏斯氏菌和乳球菌為主。

發酵溫度的變化也會導致泡菜微生物群落結構的變化。Wang Dongdong等[32]系統研究了泡菜發酵過程中溫度對細菌群落結構的影響，發現在一定溫度范圍內，提高發酵溫度有利于泡菜快速產酸，縮短泡菜成熟期，而低溫泡菜發酵有利于保持發酵過程中乳酸菌的數量。在泡菜發酵過程中，溫度的差異是影響微生物多樣性的因素之一，在發酵初期溫度的影響較大，隨著發酵的進行，影響程度逐漸減小。此外不同發酵溫度下細菌群落結構的變化是不同的，如植物乳桿菌是后期發酵的優勢菌群之一，溫度越高，植物乳桿菌會出現得越早。另外，溫度對泡菜發酵過程中酵母菌的生長也有一定的影響。黃道梅等[28]通過多菌協同發酵鹽漬蘿卜發現，相比乳酸菌來說，酵母菌因其耐鹽性較強受鹽度影響較小，但受溫度影響較大，隨著溫度的升高，其數量不斷增加。

2.2 食鹽對泡菜微生物群落的影響

鹽是泡菜咸味的主要組成物質，而且是泡菜發酵過程中影響微生物生長和代謝的最重要因素之一。鹽對泡菜微生物生長和代謝的影響主要由鹽的濃度和鹽離子的種類決定。

鹽濃度是影響細菌和真菌群落最重要的理化因子[37]，它可以影響泡菜發酵過程中微生物的數量。黃道梅等[28]研究發現，乳酸菌受鹽度影響較大，提高食鹽濃度雖然能夠抑制部分雜菌的生長，但同時也抑制了乳酸菌的生長，乳酸菌的數量隨著鹽度的升高而降低；同時，鹽度的增加也抑制了部分酵母菌的生長。此外，由于每種菌對鹽濃度的耐受性不同，鹽濃度對泡菜中微生物的群落結構也會產生影響，Xiong Tao等[57]研究了鹽濃度對傳統酸菜自然發酵的影響，發現鹽濃度對酸菜發酵前期有顯著影響，隨著鹽濃度的增加，乳酸菌的數量和代謝率降低，乳酸產量下降；高鹽濃度延緩了酸菜的成熟，抑制了乳酸菌的代謝。同時，適宜的鹽濃度能有效抑制真菌和大腸桿菌的繁殖。Lee等[26]對88 種泡菜發酵過程中細菌的群落組成進行了分析，發現鹽濃度是決定細菌組成的主要因素，其中明串珠菌在低鹽濃度下生長良好，而魏斯氏菌和乳酸桿菌在高鹽濃度下生長良好。Yang Xiaozhe等[38]采用主坐標分析發現不同鹽濃度泡菜中微生物的多樣性和演替會表現出不同的特征，其中在整個發酵過程中鹽質量分數為0.5%的酸菜具有更高的乳桿菌豐度。

除鹽濃度之外，不同種類的鹽離子對泡菜的菌群演替也有一定的影響。研究表明，利用海鹽加工的泡菜中，增加了明串珠菌比例，降低了乳酸桿菌和明串珠菌的比例；由于不同鹽分處理引起的泡菜礦物質含量變化，從而導致兩種泡菜制品中細菌群落出現了差異[58-59]。

2.3 酸度對泡菜微生物群落的影響

微生物群落（尤其是乳酸菌數）與可滴定酸度（titratable actual acidity，TAA）、乳酸含量具有較大的相關性[38]，是影響微生物生長的重要因素。發酵過程中的乳酸菌、酵母菌和醋酸菌，可分別進行乳酸發酵、酒精發酵和醋酸發酵，它們發酵分別產生的乳酸、乙酸和乙醇等物質能有效地抑制有害酵母菌、霉菌和腐敗菌的生長[60]。如Cao Jialu等[24]研究發現四川泡菜在低酸度條件可以使更多的微生物群落共生，從而導致細菌多樣性增加，隨著酸度的增加，細菌的多樣性降低。與細菌群落相比，真菌群落受酸度的影響更大，其原因可能是細菌尤其是乳酸菌更適合酸性環境，而大多數真菌的耐酸性較差[37]。TAA和pH值是泡菜發酵程度的兩個重要指標，與細菌數量密切相關，乳酸菌數量的增加導致pH值降低和TAA增加[26]，同時乳酸菌的生長隨著產酸量的增加而受到抑制[41]。當pH值低于4.0時，泡菜會變酸，而乳酸菌生長的減少會導致各種不良微生物的生長和繁殖[26]。

2.4 氧氣對泡菜微生物群落的影響

空氣會影響泡菜中微生物群落的組成和種類[61]。兼性厭氧乳酸菌是泡菜發酵的主要菌種，而有害菌一般是好氧菌。因此，可通過隔絕空氣來抑制有害菌的生長。泡菜制作過程一般采用水封密閉，保持貧氧狀態，不僅有利于乳酸發酵，促進乳酸菌的生長，還可以抑制泡菜中的霉菌等其他雜菌的生長，防止腐敗[62]。因此，在泡菜的制作過程中應當最大可能保證密閉發酵，避免空氣滲入影響泡菜品質[63]。

2.5 原材料或輔料對泡菜微生物群落的影響

蔬菜攜帶的乳酸菌是泡菜發酵過程中微生物的主要來源，如明串珠菌、魏斯氏菌、乳酸桿菌和乳球菌等。因此，蔬菜原料和輔料的比例會影響發酵初期微生物群落的多樣性，并在決定產品質量特性方面發揮重要作用[42]。由于大多數發酵蔬菜包含幾種不同的原料，因此原料中最初的微生物群落會通過建立競爭或合作關系，產生后續發酵過程中的優勢菌群[43]。如Liu Zhanggen等[33]利用高通量測序法對泡菜中的細菌多樣性進行了研究，發現在以大白菜為主要原料的泡菜發酵過程中，乳桿菌、片球菌、沙雷氏菌、寡養單胞菌（Stenotrophomonas）和魏斯氏菌含量較高。裴樂樂等[17]發現以榨菜、蘿卜、豇豆和青菜為原料的泡菜的主要優勢菌都含有鹽單胞菌，乳桿菌在不同原料的泡菜中含量有所不同。Rao Yu等[34]對辣椒、豇豆和蘿卜泡菜中的細菌多樣性進行了分析和比較，發現豇豆和蘿卜泡菜發酵速度快，細菌多樣性有限，其中乳桿菌和片球菌是豇豆泡菜中的典型屬，蘿卜泡菜中的主要菌屬為乳球菌和Fructobacillus。王蓓等[44]對蘿卜、黃瓜、梨3 種泡菜樣品中的細菌群落結構進行研究，發現泡黃瓜中葡萄球菌屬（Staphylococcus）、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、腸球菌屬為主要細菌種類，泡梨中乳酸菌屬、酵母菌、腸桿菌（Enterobacter）屬占主要比例，泡蘿卜中葡萄球菌屬更為豐富。Xu Xinxing等[35]通過高通量測序分析辣椒泡菜發酵過程中細菌和真菌群落結構的變化，發現葡萄球菌屬是發酵樣品中的優勢菌屬，而絲孢畢赤氏酵母屬（Hyphopichia）和柯達菌屬是最豐富的真菌。

輔料的添加對泡菜的微生物也起到了不同程度的影響。在泡菜中添加不同比例的天然輔料不僅可以增強泡菜的風味，而且還有顯著的抑菌作用。其中乳酸菌數與香辛料添加量的相關性最大，隨著香辛料添加量升高，乳酸菌數呈下降趨勢[64]。研究表明，多種霉菌和球菌的生長可被大蒜中的主要抑菌成分大蒜辣素和大蒜新素抑制。當泡菜含有大量大蒜時，泡菜中的乳酸菌數量會顯著增加，如Huang Tingting等[65]研究發現，添加大蒜有效促進了乳桿菌和魏斯氏菌的生長，同時抑制了發酵過程中的許多不良微生物生長；Lim等[66]研究發現，泡菜中的明串珠菌、魏斯氏菌和乳桿菌屬主要來源于大蒜，說明大蒜是泡菜原料中的一個重要組成部分，它為泡菜發酵的早期階段提供了乳酸菌，其中明串珠菌屬和魏斯氏菌屬對大蒜素具有一定的耐受性。此外，在發酵過程中較高的蒜濃度會延長大腸桿菌的生長延遲期[67]。在發酵過程中，辣椒也有很強的抑菌作用，辣椒堿是主要的抑菌成分。Kang等[68]發現添加紅辣椒粉可顯著影響泡菜中魏斯氏菌的密度。Jeong等[69]發現在泡菜中添加紅辣椒粉會減緩泡菜的發酵過程，特別是在發酵初期，能維持較高的魏斯氏菌和較低的明串珠菌豐度。

2.6 發酵方式對泡菜微生物群落的影響

泡菜的發酵方式包括自然發酵和人工接種發酵，發酵方式是影響泡菜微生物的種類和數量的重要因素。馬艷弘等[70]研究發現，與自然發酵的山藥泡菜相比，接種發酵的山藥泡菜乳酸菌數多，菌落總數和大腸菌群數少，亞硝酸鹽分解速度快且含量低，總酸含量高，pH值下降快。黃道梅等[28]發現自然發酵比多菌協同發酵的乳酸菌數低，但自然發酵中的優勢細菌種類比多菌種協同發酵略高；在發酵過程中自然發酵與多菌協同發酵的真菌種類沒有明顯差異，但對于酵母菌數量來說，自然發酵要比多菌協同發酵數量多。人工接種乳酸菌發酵可以縮短發酵周期，使乳酸菌在發酵開始時處于主導地位，從而保證產品質量的穩定性。

雖然泡菜的自然發酵含有較多的風味物質，但兩種發酵方法產生的風味物質非常接近[71]。除了單菌種接種發酵外，多菌協同發酵也會影響泡菜的發酵進程，Park等[72]發現多菌株在泡菜體系中具有協同作用，且互相影響，接種不同發酵劑的泡菜其微生物演替與泡菜的代謝產物均不同，多菌共酵可以獲得更加理想品質的泡菜。總體而言，兩種發酵方式各有優劣。采用自然發酵會使泡菜有更好的口感、脆度和更豐富的風味；采用接種發酵的泡菜具有條件可控、發酵周期短、產品質量穩定、亞硝酸鹽含量低、食用安全性高等優點，且乳酸菌可以迅速增殖，有效抑制其他雜菌生長，增強泡菜的食用安全性。

3 泡菜中的風味物質及形成機理

泡菜風味的形成與微生物的活動息息相關[22]。泡菜的風味主要有兩個來源（表2）：一部分是原材料和輔料原有的風味物質；另一部分是經過微生物（乳酸菌、醋酸菌、酵母菌等）發酵新產生的風味物質。主要包括游離糖（葡萄糖和果糖等）、有機酸（乳酸和乙酸等）、氨基酸、揮發性風味物質（硫化物等）和其他調味物質（甘露醇）[73-74]。

表2 泡菜中的特征風味化合物Table 2 Characteristic flavor compounds in pickles

續表2

3.1 原料和輔料本身賦予的風味

不同蔬菜的特征風味不同，發酵后產生的風味也不同。常見的蔬菜原料如蘿卜的主要風味物質是4-甲硫基-3-反-丁烯異氰酸酯，經過發酵后會產生辛辣風味；黃瓜的特征風味物質是反-2,順-6-壬二烯醇和反-2,順-6-壬二烯醛，主要由醇類化合物和羰基化合物組成；芹菜的特征風味化合物是丙酮酸-3順-己烯酯和2,3-丁二酮(雙乙酰)和二氫苯肽類化合物；胡蘿卜含有萜烯類、醇類和羰基化合物等[86]。另外，即使是同一類別的蔬菜原料，品種的不同也會導致發酵蔬菜的風味品質有所變化，如孫小靜等[87]發現不同品種的辣椒成分有明顯差異，所以其對發酵過程中的酸度、pH值、可溶性糖含量、亞硝酸鹽含量的變化等均會呈現一定的影響，而這些差異共同導致了發酵辣椒醬風味品質的不同。

除了蔬菜原料自身賦予的風味之外，添加的各種輔料、香辛料也能促成泡菜風味的形成，如輔料生姜有姜醇、姜酚和姜酮等風味成分；大蒜中含有二烯丙基硫代亞磺酸酯（又稱蒜素）、二烯丙基二硫化物、甲基烯丙基二硫化物等物質，這些呈味組分不僅可以增加泡菜特殊的香味，大多數還對雜菌有一定的抑菌作用[73,88]。

3.2 微生物發酵產生的風味

泡菜風味的形成與微生物的發酵有很大的相關性，發酵過程中微生物的代謝活動是泡菜風味品質形成的最為重要的原因，作為泡菜中最主要的微生物，各種乳酸菌都具有不同的代謝特征，從而生產出具有不同風味的發酵產品[89]。發酵通過產生有機酸、氨基酸和揮發性化合物等在內的芳香物質改善了泡菜的香氣和風味屬性，不僅有效延長了蔬菜的食用期，更賦予了泡菜與所使用原料完全不同的獨特風味[20]。

3.2.1 游離糖

泡菜中的游離糖主要來源于原料中游離糖的滲出和發酵產生，其中葡萄糖和果糖是泡菜中檢測到的主要碳水化合物，它們主要被代謝成乳酸、乙酸和乙醇[31]。糖是微生物的營養物質，乳酸菌能通過發酵葡萄糖、蔗糖等糖類產生乳酸，來改變泡菜的酸度[36]，且在發酵過程中，葡萄糖含量一般先增加然后減少[29]。Choi等[75]研究了乳酸菌發酵泡菜的品質特性，在發酵過程中檢測到果糖、葡萄糖、蔗糖和甘露醇。Yang Xiaozhe等[38]發現，游離糖自身不但可以改善泡菜的風味，還會和某些風味前體物質（如有機酸和氨基酸等）發生反應，生成酸、酯、醇、醛、酮和含硫化合物等風味物質。

3.2.2 有機酸

有機酸是泡菜整體風味和口感的重要元素，在發酵過程中對泡菜風味有著重要的影響。泡菜中有豐富的有機酸如乳酸、草酸、乙酸、蘋果酸、檸檬酸、酒石酸、琥珀酸和延胡索酸等。如陳卓等[77]在自然發酵泡菜中檢測到了乙酸、乳酸、草酸、檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸6 種有機酸。乳酸和乙酸是乳酸菌發酵過程中的主要代謝產物，乳酸和乙酸的積累主要取決于發酵劑的糖代謝和底物供應[24,90]，乳酸的含量在整個發酵過程中逐漸增加[75]。乳酸菌產生的有機酸是菌株依賴性的，如植物乳桿菌通過同型乳酸發酵產生更多的乳酸，其發酵的泡菜中乳酸含量最高[41]。另外，泡菜發酵期間的物質代謝高度依賴接種菌種。Xiang Wenliang等[78]在四川泡菜中鑒定出了乳酸、乙酸、蘋果酸和檸檬酸4 種有機酸，發現同時接種魏斯氏菌和植物乳桿菌可在發酵初期加速非揮發性有機酸的形成，還可以促進揮發性風味物質的生成提高泡菜整體感官的可接受性。在發酵過程中，酸的總相對含量先增加后減少，尤其是乙酸，因為乳酸菌能夠有效地將有機酸代謝為其他風味化合物，例如酯、酮、醇和醛等[91]。

3.2.3 氨基酸

氨基酸是泡菜中主要的風味物質之一，它的種類和含量對發酵蔬菜的風味品質有很大的影響。Xiao Yangshen等[40]研究了3 種傳統中式發酵蔬菜（江西鹽菜、四川泡菜和東北酸菜）的微生物群落和風味成分，發現發酵蔬菜都富含氨基酸，主要包括丙氨酸、纈氨酸、絲氨酸、組胺酸、亮氨酸、谷氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸等。且有研究表明，在泡菜發酵過程中谷氨酸與天冬氨酸含量逐漸上升，絲氨酸與丙氨酸含量逐漸降低[79]。微生物可通過代謝途徑來合成各種氨基酸，使泡菜中含有不同組成的游離氨基酸。泡菜中的乳酸菌也可以利用氨基酸產生苯乳酸、乙酸苯酯和苯乙醇等風味物質[92]。微生物的生長對氨基酸的利用不同，造成泡菜中游離氨基酸的組成也不同，因此，不同的微生物組成和演替可以賦予泡菜特有的風味。

3.2.4 揮發性風味物質

揮發性風味化合物是反映泡菜品質的一個重要指標，主要包括酸、酯、醇、醛、酮、酚、烴、硫化物和雜環化合物等，它們有助于提高泡菜的感官特性[36]。其中揮發性酸主要通過脂質和碳水化合物代謝產生[93]，Choi等[75]研究發現，泡菜的總體感官與乙酸含量呈正相關。另外，醇、酯和烯烴等具有令人愉悅的果香和花香，可以使泡菜形成獨特的風味[94]。醇類、醛類的含量較多，如芳樟醇、香葉醇、苯甲醛、苯乙醇等在泡菜[80]、冬菜[81]中均有檢出，這些揮發性化合物被認為是特征風味形成的主要貢獻者[95]。酯是發酵食品風味的重要組成部分，揮發性酸與醇共同作為酯的前體。徐丹萍等[85]對泡菜自然發酵過程中品質及揮發性成分分析發現，酯類在發酵過程中相對含量最高，是結球甘藍泡菜的特征揮發性物質，主要包括硫氰酸甲酯、(E)-丁酸-4-己烯酯和乙酸己酯等。此外，泡菜中還含有壬酸乙酯，它是一種在泡菜中發現的具有蠟狀香氣的乙酯，通常由壬酸與乙醇反應形成，由乳酸菌產生，例如植物乳桿菌、沙克乳酸桿菌、綠色魏斯氏菌和乳酸片球菌等[96-97]。

發酵蔬菜中揮發性風味物質的變化受蔬菜種類、地域、發酵條件和微生物種群等多種因素的影響，微生物可能是發酵蔬菜中揮發性風味物質形成的關鍵因素[36]，且不同微生物發酵產生的揮發性風味物質不同，對泡菜風味的影響也不相同。如Liang Huipeng[36]等研究認為戊糖片球菌發酵酸菜能顯著提高酸菜中乳酸、醇類和腈類的含量，同時降低亞硝酸鹽含量。揮發性風味物質丁酸乙酯、4-異硫氰基-1-丁烯和2-庚酮的產生與明串珠菌含量呈顯著正相關[38]。還有研究認為不同菌株之間的代謝互補會產生一些單菌株無法產生的新的揮發性化合物，并且還會增加揮發性化合物的含量，從而提高泡菜香氣的復雜度[98]。如植物乳桿菌和戊糖片球菌共接種發酵可增加醇類、酯類、醛類、烴類和腈類化合物含量[36]。

此外，不同發酵階段泡菜的揮發性成分也存在顯著差異。發酵過程中，酸類、醇類和含硫化合物含量不斷增加；發酵后期，烴類、醛類和酮類含量逐漸下降[94]。王芮東等[99]通過分析自然發酵過程中蘿卜泡菜揮發性香氣成分的變化，發現在發酵過程中，揮發性風味物質的數量和種類逐漸增多，各物質相對含量變化開始出現較大差異，酯類相對含量整體上呈現上升趨勢，醚類相對含量整體上呈現下降趨勢，醇類、醛類、酮類、酸類、烴類相對含量呈現先上升后下降趨勢，含硫化合物相對含量呈現先下降后上升再下降趨勢。

3.2.5 甘露醇

甘露醇是一種天然的六元糖醇，由果糖轉化生成，具有清爽的口感[100]，一般來說，同型發酵乳酸菌不產生甘露醇，異型發酵乳酸菌可以通過果糖和蔗糖產生甘露醇，甘露醇的含量會隨發酵時間的延長而增加[75]，近年來，國內外學者發現甘露醇對泡菜風味品質具有較大影響。毛丙永等[83]發現老鹵泡菜的甘露醇含量較高，可以提升泡菜的風味品質。Luo Yuanli等[84]研究發現，甘露醇和少量乙酸協同可以有效改善混菌發酵泡菜的口感。Choi等[75]發現利用腸膜明串珠菌發酵的泡菜中含有高濃度的甘露醇，對泡菜的總體風味有積極影響。

4 泡菜中微生物演替對風味形成的影響

微生物與發酵過程中風味的形成之間有著密切的關系，泡菜的風味主要源于微生物菌群的代謝活動、非生物環境（原料和輔料、鹽、溫度等）之間的相互作用、非生物環境影響微生物及微生物之間的相互作用[38,101]。其中微生物之間的相互作用始于蔬菜等原料上存在的微生物，隨著發酵的進行，微生物的數量和種類不斷進行演替[102]，微生物演替過程中產生的一系列代謝產物最終使泡菜形成特有的風味。其中乳酸菌、酵母菌和其他微生物對風味起主要作用。

乳酸菌是泡菜中的主要菌群，泡菜的風味主要來自乳酸菌的發酵[40]，它可以賦予泡菜一種令人愉悅的風味（果味和花香）[101]。乳酸發酵有同型和異型發酵兩種，同型乳酸發酵菌主要有植物乳桿菌[75]、片球菌屬、德氏乳桿菌[103]、乳酸鏈球菌和一些乳酸桿菌[86]，異型乳酸發酵主要是短乳桿菌[103]、明串珠菌屬[86]等。在同型乳酸發酵中，葡萄糖通過糖酵解（embden-meyerhof-parnas，EMP）途徑糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸隨后通過乳酸脫氫酶催化還原為乳酸，無氣體產生[62]。在異型乳酸發酵中，葡萄糖首先通過戊糖磷酸途徑（hexose monophosphate pathway，HMP）生成乙酰磷酸和3-磷酸甘油酸，前者被還原為乙酸和乙醇，后者通過EMP途徑生成乳酸[62]。異型乳酸發酵的最終產物包括乳酸以及二氧化碳和甘露醇等代謝產物，其中酸的含量比同型發酵乳酸菌低[104]。雖然同型乳酸發酵和異型乳酸發酵都會產生風味物質，但有研究表明異型乳酸發酵更有利于形成高感官品質的泡菜[104]，并產生清新的口感和令人愉悅的風味[105]。

在不同的發酵階段，隨著發酵時間的延長，乳酸菌的種類和數量會發生變化，優勢乳酸菌由于在泡菜中的活躍期不同，在發酵過程中發揮著不同的作用，所以優勢乳酸菌演替過程中的生長代謝與泡菜風味的形成有著十分重要的關系[106]。在發酵初始階段環境微生物會略微生長，然后由于環境的改變和乳酸菌種群的增加而停止生長，因此通過每個發酵階段主要的乳酸菌群監測泡菜的發酵過程[22]。以優勢菌屬明串珠菌屬和乳桿菌屬為例，從泡菜中乳酸菌的演替規律出發，分析乳酸菌對泡菜風味的影響，可以將發酵過程分為3個階段。

發酵初期主要為異型乳酸發酵。首先，需氧微生物生長并消耗氧氣。然后明串珠菌開始生長并產酸，蔬菜表面滲出的汁液為明串珠菌的生長繁殖提供了很好的生長環境，使其啟動乳酸發酵成為優勢菌[19,23,46]，明串珠菌不僅能通過快速產生二氧化碳和有機酸來降低環境的pH值，使有害微生物的生長和繁殖得到抑制，防止果膠酶的水解，確保蔬菜的硬度和脆性，還能生成醇、酸和酯等風味物質，對泡菜獨特風味的形成起重要作用[107]。發酵初期乳酸菌生長的速度和有害微生物被抑制的速度是形成泡菜良好風味的關鍵，對成品泡菜的質量有一定的決定作用[108]。

隨著發酵的進行，乳酸大量積累、pH值降低、泡菜酸度增加，由于異型乳酸發酵菌一般不能耐酸，所以異型乳酸發酵結束進入同型乳酸發酵階段[86]。乳桿菌屬、片球菌屬等耐酸性更強的細菌逐漸代替明串珠菌屬成為優勢菌，其中乳桿菌與風味化合物高度相關，發酵風味較好[40]，具有較強的產酸能力，可加速泡菜的成熟。在乳桿菌的作用下，環境pH值進一步降低，酸度不斷增加。一般認為，當泡菜鹵水的pH值低于4.0、TAA大于0.3 g/100 g時，認為泡菜已經達到了成熟狀態，原始生蔬菜味基本消失，此時泡菜適宜食用[109]。

發酵末期，具有較強耐酸性的植物乳桿菌逐漸占主導，并根據發酵環境中的溫度和營養物質的多少來繼續發酵。乙酸和乳酸以及一些少量的甲酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、高級醇及二氧化碳等成為發酵的終產物[103]。其中乳酸提供酸味，在發酵過程中與醛、酮和醇等反應生成多種新的風味物質[81]。此時泡菜的基本風味已經形成，但在發酵后期，應控制最佳食用時間，并采取低溫處理停止發酵，以避免過度發酵對泡菜風味和品質產生不利影響[103]。

除了乳酸菌以外的其他微生物在發酵過程中的動態變化也會影響泡菜風味品質的形成。作為泡菜發酵的優勢菌群，酵母菌可以在缺氧條件下進行酒精發酵生成乙醇，而且生成的乙醇還可以與有機酸形成酯類，共同增加泡菜的香氣[73]。漢遜德巴利氏酵母（Debaryomyces hansenii）是青菜泡菜風味物質形成的重要菌屬，可以利用葡萄糖產生乙酸乙酯和D-阿拉伯糖，賦予泡菜更加協調的風味[20]。馬克斯克魯維酵母（Kluyveromyces marxianus）可以通過發酵產生脂肪酸和醇酯等其他風味物質[7,110]。但是，酵母菌也會對泡菜的風味起不良的作用，且酵母菌數量較多時，還會明顯降低泡菜的感官品質[111]。在發酵后期，醋酸菌也起到一定作用，其產生的乙酸和醇結合形成酯，可以增加泡菜的風味[73]。

5 結 語

原料、輔料以及微生物發酵產生的代謝產物是泡菜風味物質的主要來源。微生物的種類和數量對泡菜風味品質有著十分重要的影響。

泡菜的風味成分包括揮發性成分和非揮發性成分，非揮發性成分主要包括糖、有機酸、氨基酸等，揮發性成分包括酸、醇、酯、酮、烴及雜環類化合物等。其中，乳酸菌作為泡菜發酵過程中的主要菌群，是影響泡菜風味形成的關鍵因素。隨著發酵過程的進行，泡菜中的乳酸菌數量和種類不斷變化。且在發酵的不同階段，優勢乳酸菌菌種不同，發揮的作用也不同。

泡菜發酵過程中的乳酸菌主要有明串珠菌屬、魏斯氏菌屬、乳桿菌屬以及片球菌屬，此外還有乳球菌屬和鏈球菌屬等幾個屬的菌種。發酵初期，由腸膜明串珠菌等異型乳酸發酵菌來啟動發酵。發酵中期，由植物乳桿菌等同型乳酸發酵菌來主導發酵。植物乳桿菌產酸能力最強，生長繁殖快，在泡菜中起著主導地位，并出現在泡菜發酵的后期，促進后期泡菜的風味形成，并且由于乳酸的大量積累導致對乳酸菌的反饋抑制從而使發酵結束。泡菜的發酵過程中，除了乳酸菌以外，酵母菌也起著非常重要的作用，主要包括假絲酵母、漢遜德巴利酵母、卡森德巴利酵母、孢漢遜酵母、畢赤酵母等。

同時，泡菜發酵過程受到原材料、輔料、鹽、溫度、酸度、氧氣等因素的影響，且微生物演替和變化較大，整個發酵體系復雜，其中包括大量的益生菌和部分有害微生物，為了保證發酵食品的安全性，減少有害物質的產生，同時提升泡菜的風味和品質，必須了解發酵過程中的微生物群落構成、群落演替以及各種微生物的代謝特性和它們對產品品質的影響。因此，明確泡菜發酵過程中對其特殊風味物質形成相關的微生物群落演替，尤其是微生物群落和代謝產物的動態變化及相關性就變得十分重要。隨著技術的發展，利用宏轉錄組、宏基因組、蛋白組、代謝組等組學技術深入研究發酵蔬菜中微生物的群落結構演替、相互作用，不同微生物中酶的表達，代謝產物的生成路徑，以及不同的微生物如何影響到風味的形成及發酵品質變化等，將有助于闡釋泡菜發酵的機理，進而在生產中提升泡菜的風味品質。