傳統發酵蔬菜制作工藝、品質特征及影響因素研究概況

汪 鈴，王 亮

（江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013）

發酵蔬菜是一種傳統發酵食品，其歷史悠久且風味獨特，含有豐富的乳酸菌以及氨基酸、維生素、礦物質等活性成分[1]。發酵蔬菜的兩種發酵方式，分為自然發酵和人工接種發酵，傳統發酵蔬菜主要采用自然發酵方式。傳統自然發酵蔬菜是利用原料本身攜帶的微生物，在密封厭氧的發酵條件下，通過一系列的生化反應，將原料中的物質轉變成各種風味物質[2]，形成風味獨特、保質期長、營養價值高的發酵制品。在美國和歐洲，主要零售的發酵蔬菜產品是黃瓜泡菜、橄欖和酸菜；在亞洲，發酵蔬菜制品包括韓國泡菜、四川泡菜、西北漿水、南豐腌菜（有鹽腌菜和無鹽腌菜）、東北酸菜、江南梅干菜和涪陵榨菜等[3]。在中國，發酵蔬菜包括四川泡菜、東北酸菜、涪陵榨菜、漿水菜以及南豐腌菜等。其中，四川泡菜、東北酸菜和涪陵榨菜在中國比較著名[4]。

這些傳統發酵蔬菜的制作工藝不同，其品質特征、發酵底物和產物以及微生物組成也都有差別。蔬菜表面存在的復雜微生物區系，在特定環境下，能夠利用蔬菜中的物質生成多種代謝物，從而使泡菜擁有獨特的風味。在這個發酵過程中，乳酸菌處于絕對主導地位，它參與了碳水化合物、蛋白質以及氨基酸等大量代謝途徑[5]。本文總結了發酵蔬菜的制作工藝、歸納了發酵蔬菜的品質特征、概述了發酵蔬菜品質的影響因素。以期了解影響發酵蔬菜品質的制作工藝、發酵底物、產物及其與微生物之間的關系，為發酵蔬菜的發酵機理解析提供參考價值，實現發酵蔬菜的精準化調控、標準化以及規模化工業生產。

1 發酵蔬菜的制作工藝

傳統的四川泡菜的制作方法是將新鮮的蔬菜（白菜、蘿卜、豇豆等）進行挑選、清洗、瀝干、切分后放入壇中，添加一定比例的輔料（紅辣椒、大蒜、生姜等），最后將冷卻后的鹵水（含有一定濃度的鹽和白砂糖）倒入壇中，淹沒蔬菜，大約為泡菜壇的3/4處，密封常溫下進行發酵，一周后便可食用[6]。東北酸菜工藝流程較簡單，發酵時間較長，未輔以香辛料，只是利用2%左右的鹽水，將大白菜淹沒，然后上面放上重物，讓白菜沉入壇子底部，在室溫下發酵一個月之后食用[7]。涪陵榨菜的制作工藝較為復雜，需要利用食鹽對莖瘤芥進行多次處理，再進行擠壓脫水[8]。漿水菜的發酵不添加食鹽和調味料，而是添加陳漿水，即前期自然發酵過后的漿水作為“引子”，將白菜、芹菜、蘿卜纓等原料經過焯水后，往里面加入一定體積的面湯，攪拌均勻后，密封發酵[9]。

與中國泡菜相比，韓國泡菜原料更豐富，制作工藝也更復雜。它的主料種類繁多，包括白菜、冬瓜、南瓜、黃瓜、韭菜等。韓國泡菜的輔料也十分豐富，與四川泡菜相比，它不僅添加大蒜、生姜、白糖、食鹽，還加入了辣椒粉、蔥、糯米粉、蝦醬、銀魚醬等。其制作方法是首先將白菜進行清理、切分，表面均勻抹上粗鹽，放入一定比例的食鹽水中，浸泡7～8 h后用清水清洗1～2遍、擰干，然后在白菜表面均勻抹上醬料，室溫下放置1 d，隨后放入冰箱中。醬料的制作方法如下：將糯米粉煮成糊狀，冷卻至室溫，加入攪拌好的大蒜、生姜、洋蔥，最后加入魚醬、蝦醬、辣椒粉、糖等混合均勻[10]。美式酸黃瓜和德國酸菜在國外也十分受歡迎，它們的制作原料和流程較韓國泡菜要簡單很多。美式腌制酸黃瓜制作流程為：清洗黃瓜、去除瓜頭、切成薄片、放入容器中、加入洋蔥等輔料混合，再添加含醋的鹽水直至淹沒黃瓜，密封發酵4～5周，以獲得最佳口感[11]。德國泡菜的制作工藝較為簡單，將切碎的甘藍放入容器中，一層一層的撒上2%～3%的鹽，在18 ℃左右進行密封發酵[12]。

2 發酵蔬菜的品質特征

2.1 發酵蔬菜的理化特征

pH和酸度是衡量泡菜成熟的重要指標，蔗糖、葡萄糖和果糖是乳酸菌的主要碳源，乳酸、草酸、乙酸是發酵過程產生的主要有機酸，這些有機酸對發酵蔬菜的酸感有重要影響，適當的含量和比例有助于發酵蔬菜柔和酸感的形成，反之則會破壞成品酸感[13]。另外，鹽度和亞硝酸鹽是影響泡菜質量和安全性的主要參數，乳酸菌等微生物的數量也是評價發酵蔬菜質量好壞的重要指標[14]。因此本文選取這些典型指標用來衡量不同發酵蔬菜的品質特征。由于傳統發酵蔬菜品質指標復雜多變，只能選取部分參考文獻[8，15]，來說明我國不同傳統發酵蔬菜的理化特征，其理化指標見表1。

表1 發酵蔬菜的理化特征Table 1 Physicochemical characteristics of fermented vegetables

由表1可知，各種發酵蔬菜成熟時，pH都在4左右；糟菜和梅干菜的酸度分別為11.73 g/L和9.25 g/L，而泡菜、南豐有鹽腌菜、南豐無鹽腌菜、北方酸菜和漿水菜的酸度都低于6 g/L，在發酵蔬菜所有發酵蔬菜中的亞硝酸鹽含量都符合國家標準GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》；泡菜、梅干菜、糟菜中的蔗糖含量明顯高于其它發酵蔬菜；葡萄糖和果糖含量普遍比較低，糖類物質不僅會影響最終產品的滋味，還可以作為乳酸菌通過代謝途徑產生有機酸、醇類、和酯類等重要風味物質的底物[16]；南豐有鹽腌菜和泡菜中的乳酸含量較豐富，草酸、乙酸含量和比例也不同，這些差別會導致產品的酸感體驗不一樣[13]。

韓國水蘿卜泡菜中，果糖和葡萄糖是主要游離糖，在發酵剛開始時，其含量幾乎為零，經過一周的發酵，游離糖含量迅速上升到20 mmol/L左右，同時游離糖的主要發酵產物乳酸鹽、甘露醇和醋酸鹽的濃度開始增加，在分別達到最高水平12 mmol/L、9 mmol/L、20 mmol/L后，乳酸鹽濃度相對穩定，直到發酵結束（pH降至3.6），而醋酸鹽和甘露醇濃度逐漸下降至5 mmol/L[17]。德國酸菜發酵成熟時，pH在3.4～3.7之間，其發酵過程中主要的可發酵糖也是果糖和葡萄糖。在發酵的第一周，會產生乳酸、乙酸和甘露醇，在發酵第14天左右，乳酸含量為1.7%，乙酸含量為0.6%，甘露醇為0.9%[11]。

2.2 發酵蔬菜的微生物指標

乳酸菌、霉菌和酵母菌是發酵過程中重要的微生物。乳酸菌在整個發酵過程中起主導作用，它的代謝產物乳酸、乙酸及風味物質對發酵蔬菜獨特風味的形成具有重要作用，酵母菌和酵母菌能在蔬菜發酵過程中產生醇類物質，與有機酸反應生成酯類物質，從而增加產品香味[18]。

研究發現，在韓國蘿卜水泡菜發酵過程中，細菌總數在發酵前15 d不斷增大，細菌總數達6.2×106CFU/g后下降；酵母菌總數在前40 d逐漸增加至峰值（約為5.0×105CFU/g），隨后逐漸下降，當發酵100 d時結束，未檢測到酵母菌，細菌總數約為4.0×104CFU/g[17]。在德國酸菜發酵成熟時，乳酸菌數可達到106CFU/g，腸桿菌數為3×106CFU/g，酵母菌和霉菌的菌落總數均小于102CFU/g[12]。

3 發酵蔬菜品質的影響因素

3.1 發酵底物及產物

3.1.1 發酵底物

蔬菜中含有豐富的碳水化合物、氨基酸、維生素、礦物質、生物活性成分等物質[1]。在發酵過程中，微生物會利用這些物質作為底物，通過一系列生化反應，生成乳酸、乙酸、乙醇、二氧化碳、甘油、亞硝酸鹽、生物胺等各種物質。

傳統發酵蔬菜的底物主要來自蔬菜本身，常用于發酵的蔬菜種類包括大白菜、辣椒、芹菜、胡蘿卜、薺菜、豇豆等，不同蔬菜所含的物質和含量是不同的。紅辣椒中的總膳食纖維含量較高，如墨西哥辣椒的膳食纖維含量為3.7%，大蒜中的碳水化合物和蛋白質含量較高，分別為26.5%和4.5%，各種蔬菜中的脂肪含量幾乎為0[19]。胡蘿卜和大白菜中的可溶性糖含量比較豐富，其中胡蘿卜的蔗糖含量為4.12%，大白菜中的葡萄糖和果糖含量分別為3.51%和2.16%。蔬菜中還含有各種維生素，它們是各種輔酶輔基，可以利用酶的功能調控代謝途徑。胡蘿卜中含有豐富的胡蘿卜素，是維生素A的主要來源，豆類蔬菜中毛豆的維生素C含量最高，為0.027%。蔬菜中還富含鉀、鈉、鈣、磷、鎂等大量礦物質和鐵、錳、鋅、銅、硒等微量礦質元素。蔬菜中還有多種氨基酸，其中天冬氨酸和谷氨酸含量普遍高于其他氨基酸。豇豆中的天冬氨酸含量達到0.426%，大蒜中谷氨酸含量達到0.717%[19]。除此之外，蔬菜中還富含各種生物活性物質，包括多酚類物質、活性多糖、硫代葡萄糖苷、類黃酮化合物、植物甾醇、花色苷等[19]。不同的蔬菜具有特定的生物活性物質，比如辣椒中含有辣椒素和辣椒紅素。這些特征物質活性可能也是影響發酵過程的重要因素，韓國學者發現，含有辣椒素類化合物的辣椒提取物會降低泡菜的發酵速度，抑制明串珠菌屬（Leuconostoc）的增殖，促進乳桿菌屬（Lactobacillus）的增殖[20]，但是國內關于這方面的研究還較少。

3.1.2 發酵產物

在特定發酵環境下，微生物之間相互合作，從而將蔬菜本身的物質轉變成各種有機酸、氨基酸、醇類以及酯類等物質。研究發現，在四川泡菜發酵過程中，可以監測到6種有機酸、12種氨基酸以及86種揮發性風味[21]。不同種類的蔬菜，在相同工藝條件下，其代謝物也會不同。研究發現，辣椒泡菜中的主要代謝物是醇類和酯類，豇豆泡菜中主要化學揮發物是醇類和烯烴，而蘿卜泡菜主要代謝物是硫化物和醛類物質[22]。有研究表明，發酵過程中發酵時間越長，有機酸、谷氨酸與天冬氨酸含量越高，而絲氨酸與丙氨酸含量會下降[23]。此外，在蔬菜發酵過程中，還會產生生物胺和亞硝酸鹽等有害物質。

3.2 發酵過程中的微生物

3.2.1 微生物群落組成

發酵過程中的微生物對發酵蔬菜的品質起決定性作用，不同種類的發酵蔬菜中的微生物群落結構是不相同的。基因擴增測序技術是研究發酵蔬菜中的微生物群落結構的主要工具，與傳統培養方法和聚合酶鏈式反應技術相比，該技術更加精準和靈敏，信息也更完整。它不僅可以監測微生物群落演替，還可以對微生物群落結構進行定量分析[24]。已有大量研究利用此技術研究了各種發酵蔬菜中的微生物群落結構，結果表明，雖然不同種類的發酵蔬菜中微生物組成不同，但是在發酵過程中，乳酸菌均處于主導地位，其中優勢菌屬為明串珠菌屬（Leuconostoc）和乳桿菌屬（Lactobacillus）。不同發酵蔬菜中的優勢微生物見表2。

表2 不同發酵蔬菜中的優勢微生物Table 2 Dominant microorganism in different fermented vegetables

3.2.2 微生物的作用

目前已有關于將蔬菜本身的物質轉變成各種代謝物的代謝途徑的研究報道。LIU L等[27]通過京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）注釋預測了四川蘿卜泡菜的25種基因功能，發現碳水化合物、氨基酸和能量代謝途徑是發酵過程中微生物的主要功能。研究表明，所有清酒乳桿菌（Lactobacillus sake）都可以由葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖、纖維二糖、甘露糖、葡萄糖酸酯和核糖生產乳酸鹽、乙醇、醋酸、二氧化碳、甲酸鹽、蘋果酸、雙乙酰、乙偶姻、2,3-丁二醇[28]，Lactobacillus rapi能夠將1,2-丙二醇轉化為丙酸和丙醇[29]，類食品乳桿菌（Lactobacillus paralimentarius）和消化乳桿菌（Lactobacillus alimentarius）參與了工業泡菜的氨基酸生物合成、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝等[30]。短乳桿菌（Lactobacillus brevis）和融合魏斯氏菌（Weissella confusa）可以通過精氨酸代謝產生瓜氨酸和鳥氨酸[31]。乳酸菌還可以降解蔬菜中的單寧，研究發現，戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）LT7降解單寧酸的生化途徑是單寧酸水解生成沒食子酸和葡萄糖，生成的沒食子酸脫羧生成鄰苯三酚[32]。明串珠菌（Leuconostoc）及清酒乳桿菌（Lactobacillus sake）不僅可以產生γ-氨基丁酸，還可以產生甘露醇[33]。蔬菜發酵過程中還會產生2-羥基異己酸，它的產生與羥異己酸脫氫酶呈正相關，羥異己酸脫氫酶在亮氨酸和酮異己酸生產2-羥基異己酸途徑中起關鍵作用。發酵早期，2-羥基異己酸含量隨著明串珠菌和植物乳桿菌含量變化而變化[34]。

雖然乳酸菌對蔬菜的發酵進程具有決定性作用，但是發酵蔬菜的品質是微生物相互作用的結果，其它微生物如酵母菌（Saccharomyces）、醋酸菌（Acetobacter）、大腸桿菌（Escherichia coli）和芽孢桿菌（Bacillus）的影響也至關重要。酵母菌在缺氧條件下，會將葡萄糖等糖類先降解為乙醛和二氧化碳，乙醛在乙醇脫氫酶的作用下還原為酒精[35]。大腸桿菌會分解葡萄糖生成乳酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、二氧化碳和氫氣。丙酸桿菌（Propionibacterium）和丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）會分解葡萄糖為乙酸、丙酸以及二氧化碳[35]。芽孢桿菌通過誘導蛋白酶、淀粉酶、甘露聚糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶等，將復雜的化合物轉變成簡單的生物分子[36]。有研究發現，接種枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）y61的四川泡菜發酵產物中有40種差異代謝物，其中芳樟醇、萜品烯、乳酸、草酸和大部分氨基酸的含量均顯著高于自發發酵的四川泡菜發酵產物[37]。

蔬菜發酵過程中，在微生物的作用下，還會生成一些有害物質，比如亞硝酸鹽、生物胺。腸桿菌屬（Enterobacter）和黃桿菌屬（Flavobacterium）等微生物可以分泌硝酸還原酶，從而將蔬菜中的硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽，嚴重影響食用者的健康[38]。同時，亞硝酸鹽也可以被戊糖乳桿菌（Lactobacillus pentosus）和植物乳桿菌等微生物降解[39]。根據國內外報道，乳酸菌、酵母菌、腸桿菌屬、葡萄球菌屬、假單胞菌屬（Pseudomonas）等微生物與發酵蔬菜中生物胺的形成息息相關，這些微生物存在含氨基酸脫羧酶，能夠將蔬菜中的游離氨基酸脫羧產生生物胺[40]。

另一方面，微生物的相互作用會導致pH升高、異味的產生、膜醭的產生以及組織軟化等典型腐敗現象[41]。有文獻報道，布氏乳桿菌（Lactobacillus buchneri）能夠在厭氧條件下代謝乳酸生成1,2-丙二醇和醋酸。除此之外，盔形畢赤酵母（Pichia manshurica）、陰溝腸桿菌（Enterobacter cloacae）、產丙酸丙酸桿菌（Propionibacterium acidipropionic）和雙酶梭菌（Clostridium bifermentansdou）等微生物在特定條件下也可以消耗乳酸和乙酸，導致發酵體系pH的上升，為其它腐敗微生物的生長創造條件[41-42]。在泡菜腐敗過程中，地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis）與異味的產生密切相關，同溫層芽孢桿菌（Bacillus stratosphericus）、東京芽孢桿菌（Bacillustoyonensis）和蠟狀芽孢桿菌（Bacilluscereus）會導致組織的軟化，而枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、甲基營養型芽孢桿菌（Bacillus methylotrophicus）、膜醭畢赤酵母（Pichia membranifaciens）和漢遜德巴利酵母（Debaryomyces hansenii）則與薄膜的形成有關[43]。

4 結論與展望

我國傳統發酵蔬菜的生產仍存在著一些問題，主要體現在兩個方面：一方面，傳統自然發酵蔬菜風味雖好，但是發酵過程極不穩定，容易受到各種環境因子的影響，嚴重制約了我國發酵蔬菜的標準化生產。另一方面，傳統的自然發酵蔬菜因為要保證產品的質量，延長貨架期，會進行滅菌處理，但是同時也失去了乳酸菌等微生物的益生價值。因此，未來可以從蔬菜在發酵過程中的底物、產物以及微生物出發，研究不同發酵環境下，它們的變化以及它們之間的聯系，從而發現潛在的發酵機制，尋找更多的功能性微生物，研發優良的混合菌劑，從而進一步改善發酵蔬菜的品質，促進發酵蔬菜的標準化、規模化生產。