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发酵蔬菜是我国传统的发酵食品，因其清爽可口、健脾开胃等特点一直流传至今。因原材料及制作工艺的差异，形成了各具特色的发酵蔬菜制品，主要包括东北酸菜、四川泡菜、涪陵榨菜、江西腌菜等。传统发酵蔬菜主要依赖细菌酵母和霉菌等多种微生物协同发酵，它们通过产生酶以及其他物质改变发酵蔬菜的色泽和质地，同时它们参与碳水化合物、氨基酸、脂质和硫代葡萄糖苷代谢形成了发酵蔬菜的特征风味，另外，其对发酵蔬菜中潜在的有害物（如亚硝酸盐、生物胺等）具有一定的降解作用。
东北农业大学食品学院的刘鑫、王家旺、陈倩*等总结了传统发酵蔬菜中的微生物组成情况，分析了微生物对发酵蔬菜品质、风味及安全性的影响，综述了影响微生物多样性的非生物因素，以期为传统发酵蔬菜制品品质提升提供依据。
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发酵蔬菜中的微生物大多隶属于变形菌门和厚壁菌门，主要包括乳杆菌属、片球菌属、明串珠菌属、乳球菌属和魏斯氏菌属。中国传统发酵蔬菜中优势微生物组成情况如表1所示。
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东北酸菜是取新鲜白菜，修剪外叶、洗净、放入罐子中，加入2%盐水，于18～20 ℃条件下腌制15～30 d，即可食用。酸菜发酵过程中的优势细菌主要是厚壁菌门和变形菌门，优势真菌主要是子囊菌门和担子菌门，并且细菌主导酸菜的发酵过程。除厚壁菌门和变形菌门外，酸菜中还有蓝细菌门、拟杆菌门和放线菌门。其中，变形菌门和蓝细菌门在发酵前期占主导地位，厚壁菌门在发酵后期占主导地位。乳杆菌属、明串珠菌属、乳球菌属、假单胞菌属和魏斯氏菌属是发酵酸菜中的主要菌属。乳杆菌属作为发酵后期的优势菌属，能够将糖代谢为乳酸、乙醇和乙酸，它们可抑制有害微生物生长，保证酸菜安全性。因此，乳杆菌（如植物乳植杆菌等）通常用作酸菜发酵剂来控制发酵品质。此外，在酸菜发酵过程中也检测出了哈萨克斯坦酵母属、德巴利酵母属和毕赤酵母，随发酵进行相对丰度逐渐降低，其中汉逊德巴利酵母能将葡萄糖转化为D-阿拉伯糖醇和乙酸乙酯，从而影响酸菜风味。四川泡菜是采用萝卜、甘蓝等新鲜蔬菜，清洗沥干，加入生姜、小米辣等，密封，于20℃腌制6～11 d而制。泡菜发酵前期优势菌群是子囊菌门，后期优势菌群是厚壁菌门。整个发酵过程中的优势微生物是乳酸菌，并且以乳杆菌属为主导。乳酸菌通过厌氧发酵，利用蔬菜中碳水化合物产生大量的乳酸，降低体系pH值，赋予四川泡菜独特风味的同时，还抑制了有害微生物的生长。在发酵前期，泡菜中存在着大量的耐热性和耐酸性较差的威克汉姆酵母、镰刀菌、沙雷氏菌等真菌。此外，毕赤酵母在发酵后期迅速生长，它是造成发酵泡菜腐败的主要微生物。不同原料（辣椒、豇豆和萝卜）制得的泡菜特征菌也各不相同，坚固杆菌属、气单胞菌属、柠檬酸杆菌属等是辣椒泡菜发酵过程中的特征菌，乳杆菌属和片球菌属是豇豆泡菜的特征菌，乳球菌属和植物乳植杆菌是萝卜泡菜发酵前期的特征菌，乳杆菌属和明串珠菌属是萝卜泡菜发酵后期的特征菌。涪陵榨菜是采用茎瘤芥（俗称青菜头）作为原料，经过独特的“三腌三榨”工艺腌制而成：第1次采用2%～4%的盐腌制7 d，第2次采用4%～8%的盐腌制20～30 d，第3次采用11%～16%的盐腌制4～6 个月。榨菜腌制过程伴随着发酵的进行，参与发酵的微生物主要包括短乳杆菌、食窦魏斯氏菌、融合魏斯氏菌、希式乳杆菌、霍氏假丝酵母和单胞酿酒酵母等。江西腌菜是以新鲜蔬菜为原料（如芥菜、萝卜等），加入约8%的食盐，在阳光下暴晒5～6 h后，将半干的蔬菜放入罐中，自然发酵6～8 d而制成，其中的主要优势菌属包括乳杆菌属、片球菌属和魏斯氏菌属。酸笋是将笋壳拨开，清洗干净，切成两半，放入装有盐水的陶罐中，加水密封，室温下发酵30 d而制成。酸笋在发酵初期的优势菌属主要包括乳球菌属、明串珠菌属、魏斯氏菌属、肠杆菌属和拉乌尔菌属，发酵中后期优势菌属主要是乳杆菌属。发酵蔬菜的风味主要源于非挥发性化合物和挥发性化合物，非挥发性化合物主要包括氨基酸和非挥发性酸，如柠檬酸和苹果酸等；挥发性化合物主要包括醇类、醛类、酸类、酮类、烃类、酯类、异硫氰酸酯类和酚类等（表2）。蔬菜中的碳水化合物、蛋白质、脂质和柠檬酸盐等成分在微生物的代谢作用下可形成特殊的发酵风味（图1）。
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蔬菜中的碳水化合物水解生成单糖，在微生物的作用下糖酵解转化为丙酮酸。一些同型发酵乳酸菌（如植物乳植杆菌、乳酸乳球菌、干酪乳杆菌等）发酵产生乳酸，一些异型发酵乳酸菌（如肠膜明串珠菌、短乳杆菌等）代谢产物除乳酸外还有CO2和乙醇（或乙酸）。丙酮酸既是风味化合物的前体，又可以进一步代谢产生乙醇、乙酸、乳酸等风味化合物。乳酸和乙酸分别是乳酸乙酯（果香味）和乙酸乙酯（菠萝味）的前体，因此，选择产生乳酸乙酯和乙酸乙酯能力强的乳酸菌菌种（如植物乳植杆菌），有助于获得较好的感官风味。另外，微生物可将蔬菜中的柠檬酸盐代谢生成柠檬酸，柠檬酸在柠檬酸裂解酶的作用下生成草酰乙酸，然后在草酰乙酸脱羧酶作用下生成丙酮酸。此外，在有氧条件下，α-乙酰乳酸合酶可将过量的丙酮酸转化为α-乙酰乳酸，α-乙酰乳酸通过氧化脱羧生成双乙酰，同时α-乙酰乳酸也可以被α-乙酰乳酸脱羧酶催化生成乙偶姻，进一步在还原酶的作用下生成2,3-丁二醇。柠檬酸代谢过程中产生的双乙酰（黄油味）、乙偶姻（黄油味）和2,3-丁二醇（水果味）等物质，对发酵蔬菜的风味起到了显著的贡献作用。蔬菜中少量的蛋白质可被水解成多肽和氨基酸，这些氨基酸可直接对发酵蔬菜的滋味产生影响，其中，天冬氨酸和谷氨酸呈鲜味，苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸与甜味有关，缬氨酸、组氨酸、精氨酸苯丙氨酸和亮氨酸是苦味氨基酸。另外，氨基酸作为一些挥发性化合物（醇、醛、酯和酮酸）的前体，间接影响挥发性风味的形成，起着重要的作用。亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、酪氨酸等游离氨基酸被转化为醇，然后氧化为醛，醛类再转化为相应的酸，最后发生酯化反应（Ehrlich途径）。在所有的氨基酸代谢中，含硫氨基酸，如甲硫氨酸和半胱氨酸的代谢对发酵蔬菜风味的形成最为重要，甲硫氨酸经转氨酶作用生成甲硫醇，甲硫醇被氧化为硫化物，最后被酯酶转化为硫酯。甲硫醇、硫化物和硫酯等含硫的挥发性化合物（异硫氰酸酯等）会产生白菜独特的风味（刺激性辛辣味），这些化合物是芸薹属蔬菜（如白菜、芥菜和甘蓝）风味的主要来源。尽管蔬菜中脂质含量不高，但是在发酵过程中其降解产生的产物对发酵蔬菜的风味也起着一定的作用。大多数的乳酸菌含有细胞内酯酶，当脂质从裂解的细胞中释放出来，细胞内酯酶能将甘油酯和醇类合成酯。乳酸菌对脂肪酸衍生酯的形成有着很大的影响，并且这些酯有着独特的香气（花香和水果香味）。目前，采用接种乳酸菌提升发酵蔬菜风味的研究较多，通过接种发酵可实现发酵蔬菜中醇类、醛类、腈类等风味物质的形成。Song Ge等向酸菜中接种植物乳植杆菌和戊糖片球菌，结果发现植物乳植杆菌可以增加酸菜中醇类和腈类的含量，接种戊糖片球菌可增加醛类和腈类的含量，植物乳植杆菌和戊糖片球菌共接种时与自然发酵形成的风味物质更为相似。微生物的代谢产物在发酵蔬菜色泽形成的过程中发挥着重要的作用。芽孢杆菌属和葡萄球菌属与发酵蔬菜的褐变有关，它们能产生氧化还原酶降解发酵过程中产生的黑色素，进而减少发酵蔬菜的褐变。植物乳植杆菌可以通过单宁酰基水解酶降解单宁，这种水解酶可以水解没食子单宁、单宁聚合物和没食子酸酯中的酯键，避免发生聚合，从而保持发酵蔬菜的良好色泽。Ricci等同样证实，植物乳植杆菌有助于发酵蔬菜抗氧化活性的增强，防止产品因氧化造成的色泽劣变。此外，红酵母属和锁掷酵母属与其他真菌一起产生类胡萝卜素，这些类胡萝卜素具有一条较长的多烯链，它们可与蛋白质结合作为辅助色素并表现出良好的抗氧化特性。发酵大蒜的非酶褐变反应与还原糖密切相关，接种解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和亚甲基营养芽孢杆菌会使还原糖含量增加，进而影响样品褐变速度和褐变强度。但是一些细菌的代谢作用也会破坏蔬菜原有的色泽，例如乳酸菌能够产生β-葡萄糖苷酶，可以水解红甜菜中的天然色素，影响发酵红甜菜根的颜色；从发酵萝卜泡菜中分离得到的酵母菌可产生多酚氧化酶，使得发酵萝卜泡菜中酚类物质发生褐变反应，使其颜色变为暗红色。综上，一方面，微生物可以通过产生酶降解蔬菜中的色素，影响发酵蔬菜的色泽；另一方面，微生物可以产生色素和还原糖等物质，有助于发酵蔬菜色泽的保持。发酵蔬菜质地的变化与果胶的变化有关，其在蔬菜中通常以原果胶、果胶和果胶酸3 种状态存在。整体而言，随着发酵的进行，发酵蔬菜的脆度都有所降低，这主要是因为微生物通过产生胞外酶降解果胶，并且体系酸度的升高促使果胶转化为果胶酸。将毕赤酵母属接种到泡菜后，其质地软化，这主要是因为毕赤酵母产生的聚半乳糖醛酸酶活性很高，导致了果胶发生水解。Golomb等同样证实毕赤酵母是橄榄发酵过程中引起质地劣变的主要微生物，其可降解聚半乳糖醛酸，促使果胶降解。在发酵泡菜的研究中也发现相似结论，真菌的生长和代谢会产生果胶酶，促使果胶分解，导致发酵泡菜硬度降低、质地软化。因此，发酵蔬菜的保脆技术应值得关注。向发酵体系中加入钙盐，可使果胶酸与钙离子结合生成具有黏性的果胶酸盐，在细胞间起到黏连作用，有助于提高发酵酸菜的脆度。此外，采用低温漂烫技术激活果胶酸甲酯酶的活性或向体系中加入果胶酸甲酯酶，对果胶具有去甲酯化作用，能够将高甲氧基果胶转化成低甲氧基果胶，低甲氧基果胶与钙离子结合形成凝胶，从而防止果胶物质溶出，有利于提高发酵蔬菜的脆度。新鲜蔬菜由于自身氮循环和施用氮肥等因素积累了硝酸盐，其在发酵过程中会被硝酸还原菌还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐作为前体物质会进一步形成具有潜在致癌、致畸、致突变作用的N-亚硝胺，对人体健康产生一定危害。阻控亚硝酸盐的方法主要包括生物降解、物理降解和化学降解等方法，其中生物降解法是人们最关注且最有效的方法，相关研究表明乳酸菌可有效抑制发酵食品中亚硝酸的积累，如清酒乳杆菌、短乳杆菌、植物乳植杆菌等。![]()
乳酸菌降解亚硝酸盐共3 种途径（图2），主要以酸降解和酶降解两个途径为主，当体系pH＜4.5时以酸降解为主，pH＞4.5时以酶降解为主。在研究植物乳植杆菌对亚硝酸盐降解机制时发现，亚硝酸盐降解程度随体系pH值降低而增加，当pH值为3.75时降解程度最大。乳酸菌在发酵过程中产生乳酸，使体系pH值降低，从而驱动亚硝酸盐歧化为NO，降低亚硝酸盐浓度。除了亚硝酸盐的酸降解和酶降解之外，乳酸菌可能还包含一条非酸非酶途径，研究发现发酵黏液乳杆菌RC4代谢产生的异柠檬酸、γ-氨基丁酸等代谢物能够促进抗氧化物质的合成和酶活性，从而间接降解亚硝酸盐。生物胺主要通过氨基酸的微生物脱羧作用形成，发酵蔬菜中生物胺含量一般在40～700 mg/kg，虽然含量并不高，但其潜在的安全问题仍需关注。摄入高浓度的生物胺或缺失胺氧化酶可能会引起中毒，并伴有头痛、恶心、腹泻和心悸等症状。此外，在与亚硝酸盐共存的情况下，生物胺可能会转化为具有潜在致癌性的N-亚硝胺。生物胺按照化学结构可分为芳香族、脂肪族和杂环族生物胺，按照胺基数量可分为单胺、二胺和多胺。发酵蔬菜中的生物胺主要包括腐胺、酪胺、尸胺和组胺，分别是鸟氨酸、酪氨酸、赖氨酸和组氨酸经微生物脱羧作用形成。将肠膜明串珠菌属和植物乳植杆菌接种到酸菜中进行发酵，接种肠膜明串珠菌属的酸菜生物胺含量低于接种植物乳植杆菌的酸菜生物胺含量。从泡菜中分离出的清酒乳杆菌可以产生3-磷酸甘油醛脱氢酶，该酶能够有效地降解泡菜中的组胺。另外，接种短乳杆菌可降低泡菜中的精胺、色胺和组胺含量。Lin Ze等通过生物信息学分析了发酵泡菜中生物胺对应的氨基酸脱羧酶序列，在与泡菜腐败相关的细菌中，芽孢杆菌和肠杆菌的氨基酸脱羧酶序列数量和种类较多，这表明腐败菌可能极大地促进了泡菜发酵过程中生物胺的产生。因此，在实际生产中需要控制这些潜在腐败菌的生长。蔬菜发酵过程中微生物群落受多种因素的影响，包括原料、温度、pH值、盐浓度等，其中温度和盐浓度是影响微生物演替及其多样性的重要环境因素，进而最终影响发酵蔬菜品质。因此，通过控制温度和盐浓度调控微生物群落变化，为改善发酵蔬菜的品质提供理论依据。传统发酵蔬菜一般采用5～30 ℃的发酵温度，如东北酸菜采用中低温（5～15 ℃）发酵，四川泡菜采用中温（15～30 ℃）发酵，温度的变化直接影响着发酵速度和发酵蔬菜的品质。发酵温度越高，细胞内化学反应和酶促反应进行速率越快，细胞膜流动性大，有利于营养物质吸收，所以微生物繁殖越快，在发酵前期乳酸菌、酵母菌、大肠杆菌等微生物快速生长，发酵后期乳酸菌数量略有下降，但大肠杆菌和酵母菌消失得更快，这可能是由于乳酸菌迅速繁殖导致乳酸积累，使耐酸性差的大肠杆菌和酵母菌生长受到抑制。Kim等研究了不同发酵温度（4、10 ℃和23 ℃）条件下泡菜中微生物群落组成，结果表明，10 ℃和23 ℃发酵泡菜中微生物组成相似，但与4 ℃发酵泡菜中微生物组成差异较大。在4 ℃发酵泡菜中，魏斯氏菌属在发酵早期占主导地位，但在10 d后迅速消失，清酒乳杆菌在发酵中期增加，发酵末期被肠膜明串珠菌属所取代。在10 ℃和23 ℃发酵泡菜中，短乳杆菌和植物乳植杆菌保持相对稳定。由此可知，温度对发酵泡菜中微生物组成影响很大，严格控制发酵温度、采用变温发酵可能是改善发酵蔬菜品质的一种方法。食盐是影响发酵蔬菜品质的重要因素，发酵蔬菜通常采用1%～10%的食盐进行发酵。食盐能够增加细胞内外渗透压，使细胞内水分流失，质壁分离，细胞生长变慢，并且水分子被固定在Na+和Cl-周围，不能被微生物生长所利用，从而影响微生物的繁殖，并且其浓度会直接影响发酵泡菜中微生物群落组成。Liang Huipeng等对不同盐浓度发酵酸菜中细菌群落进行了分析，结果表明，乳杆菌属是低盐酸菜（质量分数＜1%）的优势菌，片球菌属、醋杆菌属和弧菌是高盐酸菜（质量分数＞1%）的优势菌；并且乳杆菌属和克雷伯氏菌属是酸菜发酵初期的优势菌，随盐浓度增加其丰度逐渐降低，其生长受到高盐的抑制；而片球菌是发酵后期的优势菌，高盐可能更有利于片球菌的大量繁殖。中国传统发酵蔬菜种类繁多，微生物组成及演替复杂，微生物通过产生酶/某种物质、参与相关代谢来直接或间接地影响发酵蔬菜风味、品质和安全性。同时，发酵条件如盐浓度和发酵温度，是影响发酵蔬菜微生物多样性的两个主要非生物因素。但目前我国发酵蔬菜的微生物多样性及代谢机制研究仍不够深入，导致其在生产过程中出现品质参差、风味不稳定以及安全性低等问题。基于此，对中国传统发酵蔬菜中微生物的研究可以围绕以下几方面展开：1）微生物群落结构复杂，应采用传统培养方法结合更先进的测序及分析技术进行分析（如第三代测序技术等），明确微生物群落结构，有利于解析发酵蔬菜中微生物群落结构与品质的相关性；2）应充分利用宏基因组学、宏转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术，深入揭示发酵蔬菜中微生物功能，明确微生物代谢通路，进而更加明确微生物对发酵蔬菜品质影响作用机制；3）对于中国传统发酵蔬菜，应通过优化发酵工艺、改变发酵条件控制腐败微生物的生长，以提高中国传统发酵蔬菜的品质和风味等。本文《中国传统发酵蔬菜中微生物多样性及其对品质形成影响研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷10期290-297页. 作者：刘鑫，王家旺，隋雨萌，孔保华，岳喜庆，陈倩. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230701-006.点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
