發酵蔬菜風味物質形成機制及影響因素研究進展

黃玉立，趙楠，黃慶，馬倩，胡琨，李華佳，朱永清，左勇*

1(四川師范大學 生命科學學院，四川 成都，610101)2(四川省農業科學院農產品加工研究所，四川 成都，610011)

發酵蔬菜起源于3 100年前商代武丁時期進而傳承至今，并成為了我國重要的傳統發酵食品之一[1]。蔬菜發酵通常指新鮮蔬菜在食鹽溶液中，借助蔬菜表面天然附著的有益微生物在封閉式環境下進行發酵的過程。通過發酵蔬菜不僅被賦予了獨特的風味，還具有抗衰老、減脂、抗氧化等功效，甚至近期研究還發現其在抗COVID-19方面也具有一定作用[1-2]，因此倍受廣大消費者喜愛。近年來，發酵蔬菜產業迅速發展，2015年我國發酵蔬菜(泡菜類)產值為514.82億元，到2019年產值已達701.77億元，預計在未來2～4年中國發酵蔬菜市場規模將突破千億大關[3]。然而在發酵蔬菜工業化發展進程中，由于對傳統發酵工藝科學認識不足，導致現代發酵工藝過程中出現了諸多問題，尤其是產品發酵風味不足、可控性差、質量不穩定以及生產效率低等，因此發酵蔬菜風味物質形成機制也成為該領域的焦點問題之一。

發酵蔬菜的風味物質組成較復雜，其形成途徑也多樣，主要途徑如下：(1)蔬菜：一方面作為發酵蔬菜風味物質形成的底物，另一方面其本身的一些風味物質也是發酵蔬菜最終風味物質的貢獻者；(2)微生物菌群：發酵蔬菜是多菌共酵體系，微生物菌群是發酵蔬菜風味物質形成的重要貢獻者，在其作用下蔬菜原料提供的底物轉化為最終的風味物質；(3)酶：由蔬菜和微生物所產生的一些酶類也是風味物質形成過程的一個重要參與者；(4)其他：除了以上途徑外，還存在一些生化反應，也是風味物質產生的重要途徑之一。發酵蔬菜風味通過以上途徑形成，而在形成過程中，又受不同蔬菜發酵工藝、發酵環境因素影響。因此本文從發酵蔬菜的風味物質組成、形成途徑和影響因素3個方面的研究進展進行綜述，以期為高品質發酵蔬菜的工業化、規模化、可控化生產提供理論依據。

1 發酵蔬菜風味物質組成

發酵蔬菜的特色風味是發酵蔬菜產品品質的核心和靈魂，是發酵蔬菜得以傳承和發展的基礎。在發酵過程中，蔬菜原有物質在微生物、酶以及非酶生化反應的作用下轉化為異于原料本身的發酵風味物質，產生發酵蔬菜的特色風味特性。研究發酵蔬菜中風味物質組成，特別是明確與特征感官品質相關的特征風味物質組成，對于建立更具針對性、靶向性的發酵調控策略穩定產品特征風味品質具有積極作用。

1.1 揮發性風味物質

發酵蔬菜中揮發性風味物質種類較多，一般包含酯類、醛類、酮類、含硫化合物類、酚類、醇類等化合物，這些物質為發酵蔬菜獨特氣味的呈現作出較大的貢獻(圖1)。不同種類化合物為發酵蔬菜提供了不同的氣味特征，相同的氣味特征也可由不同種類物質提供。“酸香”氣味是發酵蔬菜最為特征的氣味，揮發性的乙酸以及乙酸乙酯是該氣味特征最為主要的物質基礎[4]。一些種類的發酵蔬菜還具有一些其他的特有的氣味屬性，例如四川酸菜中就具有一種特別的“綠色”氣味，這種氣味不僅可以由含硫化合物、異硫氰酸酯和硫氰酸酯等提供，還與1-戊烯-3-醇、己醇和1-辛烯-3-醇等物質有關[5]。然而盡管兩類物質都能提供“綠色”的氣味，但兩類物質所提供的“綠色”氣味也存在感官上的差異，異硫氰酸酯等含硫物質具有辛辣感的“綠色”氣味，而后者則是具有清新感的“綠色”氣味[6]。

1.2 非揮發性風味物質

發酵蔬菜中非揮發性風味物質大多數是滋味的物質基礎，是發酵蔬菜口感指標的量化，主要包括糖類、有機酸、氨基酸等，如圖1所示。(1)糖醇類：發酵蔬菜中的糖類物質主要有果糖、蔗糖、葡萄糖、甘露糖和塔格糖等，糖類物質呈現的甜味不僅對最終產品的滋味有一定的貢獻作用，還可在乳酸菌中某些代謝途徑作用下產生有機酸、酮類、酸類、酯類、醛類和醇類等重要風味物質[7]。(2)有機酸類：酸味是發酵蔬菜最為特征的滋味品質，有機酸是發酵蔬菜酸味的重要提供者。不同種類的有機酸賦予發酵蔬菜中不同的酸感，例如：乙酸酸感刺激，乳酸酸感柔和。乙酸和乳酸是發酵蔬菜中最為主要的有機酸，有研究顯示兩者的比例賦予產品不同的酸味體驗，高乳酸比例酸味柔和，反之則不僅具有刺激性更強的酸感，甚至會產生腐臭類的酸感[8]。有機酸對發酵蔬菜口感的影響不僅體現在不同種類酸的含量方面，酸的比例也會對最終發酵蔬菜產品風味方面造成差異。大多數有機酸不僅是蔬菜發酵過程微生物菌群代謝的產物，還是其消耗時的底物，因此更精細化的研究發酵蔬菜有機酸代謝與發酵蔬菜中微生物菌群的關系，對于調控發酵蔬菜滋味特征非常重要。(3)氨基酸類：發酵蔬菜中含有種類豐富的氨基酸，可直接影響發酵蔬菜的滋味呈現，同時還可以作為風味前體物質與其他化合物進一步發生反應產生特殊的風味物質，進而影響蔬菜發酵過程中色、香、味的形成。谷氨酸(閾值：5 mg/100g)和天冬氨酸(100 mg/100g) 是發酵蔬菜含量較高的氨基酸，呈現鮮味和酸味，是發酵蔬菜鮮味的主要物質來源[9]。

圖1 發酵蔬菜主要風味物質種類組成[10-11]Fig.1 Composition of typical flavor compounds in fermented vegetables

2 發酵蔬菜風味物質形成途徑

2.1 原料蔬菜

原料蔬菜作為發酵蔬菜中最終風味的貢獻者之一，不同蔬菜原料制作的發酵蔬菜形成的風味差異也較大[12]，如表1所示。不同發酵蔬菜的風味描述也不同，例如發酵芥菜的主要風味描述為辛辣和苦味，辣椒的主要風味描述為辛辣、胡椒和花香。在滋味描述方面，酸菜感官特征體現為清香爽口，酸筍為酸臭刺激。一方面與蔬菜本身所含有的游離態風味物質有關，另一方面其含有的結合態揮發性風味物質則通過一系列反應最終水解為游離態的風味物質，例如蔬菜水果中的醇類物質如芳樟醇等多以結合態的形式存在，但經過發酵加工后這些結合態風味物質被水解釋放時可以散發出蔬菜水果類清香[13]。風味物質的差異不但體現在不同種類蔬菜上，也體現在同種蔬菜的不同品種和產地方面。SATORA等[6]通過對8個不同品種白菜進行發酵后分析，發現原料對白菜發酵的質量有顯著影響，發酵終點的乳酸生成量受白菜的初始糖含量和種類決定。張曼等[14]通過比較不同產地的辣椒風味成分，發現在有機酸含量方面石柱產地的辣椒以乳酸為主，其他以乙酸為主，且氨基酸的味覺活度值也不同。

表1 不同蔬菜的主要風味物質Table 1 Main flavor compounds of different vegetables

2.2 微生物

2.2.1 微生物的種類

發酵蔬菜中的主要菌株隸屬于厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)，在屬水平上包括乳桿菌屬(Lactobacillus)、乳球菌屬(Lactococcus)、片球菌屬(Pediococcus)、魏斯氏菌屬(Weissella)、明串珠菌屬(Leuconostoc)和腸桿菌屬(Enterobacter)等[21]。不同種類的微生物通過不同的途徑形成風味物質。一方面微生物通過自身代謝產物形成發酵蔬菜主要風味物質，例如Leuconostoc、Weissella等分解果糖產生甘露醇，為發酵蔬菜提供清新的感官特征；乳酸菌通過乳酸發酵途徑利用糖產生乳酸，形成發酵蔬菜最為特征的酸香風味[22]。另一方面微生物通過產生風味物質合成所需底物，促進相應風味物質產生。ZHAO等[23]研究顯示，布氏乳桿菌(Lactobacillusbuchi)通過異型乳酸發酵產生乙酸以及乙醇，而這一代謝過程的產物為進一步產生酯類物質提供了相應的底物，促進了乙酸乙酯等酯類物質的生成。部分蔬菜中含有結合態揮發性物質也能在微生物作用下轉化為游離態的揮發性物質進而產生風味。徐亞州等[24]對比接種檸檬酸明串珠菌(Leuconostoccitreum)和食竇魏斯氏菌(Weissellacibaria)的發酵蔬菜，揮發性風味物質樟樹醇只在食竇魏斯氏菌發酵的蔬菜中檢測到，而樟樹醇在蔬菜未發酵前多以結合態揮發性物質存在[13]。微生物除了通過以上直接的方式貢獻于發酵蔬菜風味物質的產生，還可以通過一些間接的方式作用于發酵蔬菜風味物質的生成。植物乳桿菌等乳酸菌在發酵蔬菜中抑制了其他微生物的生長，明顯減少了甲硫醇、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) 通過谷氨酸脫羧酶將谷氨酸催化生成γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)，并與細胞內氫質子消耗偶聯，從而升高胞內 pH 值，緩解了酸環境對生長造成的脅迫，同時乳酸乳球菌將 GABA 分泌到胞外，成為腸膜明串珠菌產能代謝的底物生成琥珀酸和 NAD(P)H[25]。

2.2.2 菌群結構

發酵蔬菜的復合風味形成過程也依賴于多菌共酵模式，在不同發酵階段，風味物質的產生均有一定差異，主要是由于不同發酵階段主導發酵的優勢菌群不同。XIAO等[26]對四川泡菜發酵過程的菌群消長規律進行了研究，結果表明發酵初期微生物多樣性和豐富度最高，主要由Micrococcaceae等環境微生物啟動發酵；發酵中期菌群豐富增加，主要由Leuconostocaceae等主導的異型乳酸發酵產生的乳酸、乙醇、乙酸和CO2對發酵蔬菜的獨特風味起著關鍵作用；進入發酵后期，Lactobacillaceae占據了絕對的優勢地位，相關研究結果如表2所示。菌群結構也隨環境的變化而有所調整，也因此表現出不同的風味產出能力。曹佳璐[27]結合SMRT測序結果分析發現酸度、鹽度和原料對細菌β多樣性有顯著影響，在菌群結構方面，乳酸菌相對豐度與酸度呈正相關性，但Lactobacillusacetotolerans和Lactobacillusbrevis與總酸呈負相關性。發酵蔬菜的成熟過程是在微生物菌群的作用下完成的，而菌群的形成則是微生物間通過相互作用形成，菌群是如何相互作用并使風味物質變化和形成的整個過程還需更多的研究。

表2 不同發酵蔬菜發酵過程的主導微生物Table 2 Dominant microorganisms in the fermentation process of different fermented vegetables

2.2.3 微生物的互作

微生物菌群是發酵食品風味形成的重要實施者，而微生物種間互作(協同、競爭、共生等)是推動微生物群落演替、促進菌群結構相對穩定，維持群體代謝活力，從而形成發酵食品風味特性的關鍵[33]。在20世紀初，PETTE就首次證實了保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌之間的互利共生的關系[34]，微生物之間的互作關系研究在不同的發酵食品領域均有一定研究。在中國傳統發酵食品白酒中，WANG等[35]通過共現性網絡分析白酒原位發酵系統中微生物之間的相互作用，以此探究微生物之間的相互關系，結果顯示有23個屬的微生物具有相關性，其中Lactobacillus和Saccharomyces兩個屬之間是相互促進關系，但對其余21個屬的微生物都表現出抑制作用。HU等[36]研究發現Saccharomycescerevisiae、Bacilluslicheniformis和Issatchenkiaorientalis3種微生物對于芝麻香型白酒的特征風味物質生成具有主要的貢獻作用，而Pichiamembranaefaciens和Bacillusamyloliquefaciens雖對風味物質生成無明顯貢獻，但能夠協調產香菌株之間的生長競爭，使3種產香菌能夠發揮更好的產香性能。微生物間的互作是多菌共酵體系中影響風味物質形成的重要因素，也有學者對發酵蔬菜的微生物互作進行了研究。ZHAO等[10]研究發現，在發酵蔬菜中，植物乳桿菌、耐乙醇片球菌和布氏乳桿菌共存時，風味物質代謝活動會更強、更穩定，表現為甘氨酸(甜度)、乳酸(酸度)和谷氨酸(鮮味)等滋味物質含量的顯著提高。XIONG等[37]發現發酵蔬菜中分離獲得的Leuconostocmesenteroides和Lactobacillusplantarum兩者生長存在競爭關系，這種競爭互作關系導致混合培養時乳酸生成量與單獨培養相比存在顯著差異。蔬菜發酵過程中微生物群落間的互作關系不但促進菌群結構相對穩定，同時也維持了風味物質代謝的正常時序進行，但是這種互作與發酵蔬菜風味物質代謝機制有著怎樣的關系，還需更深入的研究。

2.3 酶

酶在蔬菜發酵過程中通過一系列酶促化學反應產生獨特的氣味和滋味物質，是發酵蔬菜風味物質形成的重要貢獻者。通常在發酵過程中貢獻較大的酶是酯類水解酶、脂肪氧化酶、過氧化氫酶和蛋白酶等[38]。在芥菜中，其發酵特征風味的產生一方面與芥子苷酶的作用有關，另一方面與轉氨酶也有關，主要表現為硫代葡萄糖苷在芥子酶的作用下產生腈類(具有芳香氣味)等風味物質，該類物質在轉氨酶等的作用下繼續轉化為含硫化合物和酯類等。除了蔬菜的帶入，發酵過程中微生物代謝也會產生酶。酵母作為發酵蔬菜中產香的重要角色之一，其代謝產生的豐富酯酶可催化芳樟醇和甲酸的酯化反應生成芳樟醇甲酯[29]。乳酸菌作為發酵蔬菜的核心微生物，其分泌的肽酶能將蛋白質分解為多種氨基酸，進而影響發酵蔬菜滋味品質[39]。

3 發酵蔬菜風味物質形成的影響因素

蔬菜發酵過程中，除了受生物因素的影響，溫度、鹽度以及總酸等非生物因素的影響也至關重要，且過去一直被認為是主要因素。通過優化發酵條件不但對提高發酵蔬菜的品質有利，同時也增加消費者的喜愛度，進而提高消費量，從而提升企業效益。

3.1 發酵溫度

溫度是影響發酵蔬菜品質的重要因素之一，主要是由于溫度影響著乳酸菌的生長特性，通過控制發酵溫度可以間接調控風味物質的產生速度。熊濤等[40]研究了不同溫度下酸菜發酵的理化性質，其產酸速率隨溫度升高而增加，在37 ℃時乳酸的產量最高。PARK等[41]研究發酵溫度(4、12、20 ℃)對韓國泡菜發酵過程中代謝產物變化的影響，結果表明丙氨酸、丙二醇、富馬酸、蘋果酸、檸檬酸和半乳糖醛酸隨著發酵溫度的變化而變化，在偏最小二乘判別分析中顯現了明顯的差異。HE等[28]對不同溫度下酸菜發酵過程中揮發性風味物質產生情況進行了研究，結果顯示揮發性風味物質的種類隨著溫度的上升而增加，且在不同發酵溫度中，占主導的微生物也表現出差異，10 ℃ 和15 ℃酸菜發酵以明串珠菌屬為主，20 ℃和25 ℃酸菜發酵以魏斯氏菌屬和乳球菌屬為主。發酵溫度的改變一方面會導致發酵蔬菜中微生物的生長變化進而影響著發酵速率，另一方面對酶的活力也有影響從而影響著一些風味物質的代謝。在發酵中為了控制發酵速率和抑制有害微生物的生長，可以采取變溫發酵，發酵前期溫度為25～30 ℃，乳酸菌快速生長繁殖，發酵后期適當降低溫度，防止發酵過酸和蔬菜軟化，同時也可產生一些后熟效果。

3.2 鹽度

鹽一方面為發酵蔬菜提供咸味，另一方面其濃度通過影響發酵蔬菜中微生物群落結構，直接或者間接影響發酵蔬菜的品質和風味。吳凱等[42]通過對比6%、9%、12%、15%、18%(質量分數)5種鹽度下的腌漬辣椒，發現不同鹽度腌漬的辣椒其總酸和氨基態氮都呈現了極顯著差異，且有機酸隨著鹽濃度的升高逐漸降低，以風味物質為評價指標，9%～12%(質量分數)鹽度腌漬的辣椒品質最好。然而發酵蔬菜不僅受鹽的濃度影響，同時還會受到鹽的品質影響。KIM等[43]研究了不同礦質特征的純鹽和富礦物質海鹽對泡菜發酵的影響，結果顯示海鹽對泡菜的滋味評價高于純鹽。鹽濃度和不同種類的鹽離子通過改變微生物的菌群結構，影響著發酵蔬菜的風味物質的代謝，特別是高濃度的鹽含量不但抑制了乳酸菌的生長還延緩了蔬菜的成熟，隨著低鹽時代的到來，發酵蔬菜也應向這個趨勢發展。

3.3 其他

目前，對影響發酵蔬菜品質的發酵條件研究主要集中于鹽度和溫度兩個方面，然而影響發酵蔬菜品質的發酵條件遠不止這兩點，其中pH和總酸與微生物的多樣性及演替作用密不可分，間接影響著風味物質的形成，一般發酵蔬菜成熟時的pH<4.5，可滴定酸在0.8 g/100g左右[1, 44]。地理位置的不同也導致了發酵環境條件的差異，有研究者對中國不同地理位置(東北、四川、江西)的傳統發酵蔬菜進行了研究，結果顯示3個地區發酵蔬菜的菌群結構有明顯差異，風味物質也各有特色[45]。

4 展望

目前，由于對蔬菜發酵工藝中的關鍵科學問題認識不足，導致了發酵蔬菜在現代規模化生產過程中出現了諸多問題，如發酵風味不足、可控性差等，使產品品質呈現較大的差異，一方面限制了產業規模、效能的進一步提升，另一方面也限制了發酵蔬菜風味質控標準的升級，進而制約了產業的高質量發展。

未來，發酵蔬菜的生產可控化、標準化以及產品高品質化將會成為各個企業競爭的著力點，多樣化的發酵風味品質調控技術是推進產業提質增效的有力保障。因此在未來的研究中，發酵蔬菜風味物質的研究可著重從以下方面研究：(1)發酵蔬菜感官組學研究；(2)發酵蔬菜微生物之間的互作模式與風味物質的代謝關系；(3)發酵蔬菜微生物間互作調控因子對發酵蔬菜風味形成的影響；(4)發酵蔬菜風味物質閾值測定。進一步明確與消費者感官密切相關的靶標性特征風味物質，闡釋靶標性特征風味物質與微生物菌群結構之間的關系，最終形成更具目標性的微生態調控技術，為高品質發酵蔬菜的工業化、規模化和可控化生產奠定基礎。