芥菜傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝優(yōu)化研究進(jìn)展

王蕾,田方*,孫志棟,林波

1(浙江海洋大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江 舟山,316000) 2(寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,浙江 寧波,315000)

芥菜(Brassicajuncea)是十字花科(Cruciferae)蕓苔屬一年生或二年生草本植物,在我國的種類較為豐富且已形成諸多著名特產(chǎn),如被譽為世界三大名腌菜的“涪陵榨菜”、“余姚榨菜”,還有浙江紹興、寧波的梅干菜,湖南襄陽的大頭菜等。芥菜在我國的分布很廣泛,其種植區(qū)域以秦嶺淮河以南、青藏高原以東至東南沿海等地區(qū)為主,種植面積已達(dá)133.3萬hm2左右。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,目前全國芥菜類蔬菜年收獲量達(dá)5000萬t以上,年加工產(chǎn)品量2 000萬t左右,累計產(chǎn)值達(dá)600億元以上,穩(wěn)定出口量達(dá)20萬t以上,創(chuàng)匯2億美元左右,在我國農(nóng)業(yè)中占據(jù)重要地位[1]。

芥菜有重要的食用和藥用價值,其含有的大量活性物質(zhì)—維生素C,是參與機(jī)體氧化還原反應(yīng)的重要維生素,能提高大腦中的氧含量,激發(fā)大腦對氧的利用[2]。自古以來,芥菜就深受中國老百姓的喜愛,《詩經(jīng)·谷風(fēng)》記載：“我有旨蓄,亦以御冬。”這是指中國的周朝時期,老百姓就將蔬菜腌制以備食用。進(jìn)步至北魏時期,農(nóng)學(xué)家賈思勰的《齊民要術(shù)》較全面系統(tǒng)地記載了北魏前的蔬菜腌制技術(shù)。然而,傳統(tǒng)的芥菜腌制發(fā)酵工藝存在發(fā)酵周期長、產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定、有害物質(zhì)易積累等諸多缺陷。本文綜述了現(xiàn)階段芥菜腌制發(fā)酵工藝存在的問題和國內(nèi)外有關(guān)優(yōu)化芥菜腌制發(fā)酵工藝方法的研究進(jìn)展,以期為芥菜腌制發(fā)酵技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展提供參考。

1 芥菜腌制發(fā)酵原理

芥菜腌制發(fā)酵后會產(chǎn)生一種特殊的辛辣味,因而深受大眾喜愛。芥菜的辛辣味主要與其所含硫代葡萄糖苷的降解產(chǎn)物有關(guān),芥菜中的硫代葡萄糖苷在發(fā)酵過程中降解生成硫氰酸酯鹽類等具有特殊香味的產(chǎn)物,而其他蕓薹蔬菜所含的2-烯丙基硫苷降解后會產(chǎn)苦味。此外,芥菜瘤莖中的硫代葡萄糖苷含量高達(dá)1.5%,使得芥菜與其他蔬菜相比具有更加濃郁的辛辣風(fēng)味[3]。

傳統(tǒng)芥菜腌制發(fā)酵主要依靠芥菜自身所帶的微生物進(jìn)行發(fā)酵,這些微生物在發(fā)酵過程中繁殖代謝,形成了以乳酸發(fā)酵為主,乙醇發(fā)酵為輔和少許醋酸發(fā)酵并存的綜合模式(圖1),而大部分蔬菜的發(fā)酵依靠乳酸發(fā)酵和少量醋酸發(fā)酵[4-5]。這3種發(fā)酵模式共同決定了腌制發(fā)酵芥菜的品質(zhì)和風(fēng)味,3種發(fā)酵方式機(jī)理如下:(1)乳酸發(fā)酵：在腌制發(fā)酵過程中微生物協(xié)同作用,使蔬菜中的糖類物質(zhì)被分解生成乳酸等其他產(chǎn)物,此時,芥菜中的硫代葡萄糖苷在食鹽的作用下開始發(fā)生降解,產(chǎn)生異硫氰酸酯等風(fēng)味物質(zhì),辛辣味也隨之產(chǎn)生[6];(2)乙醇發(fā)酵：在芥菜自然發(fā)酵體系中,酵母菌對整個發(fā)酵過程發(fā)揮了重要作用,一方面,酵母菌將芥菜中的部分糖分解成乙醇和二氧化碳,為醋酸發(fā)酵提供物質(zhì)基礎(chǔ)；另一方面,乙醇發(fā)酵可以產(chǎn)生更多具有香氣的揮發(fā)性醇類物質(zhì),其中一部分醇會與后續(xù)醋酸發(fā)酵產(chǎn)生的酸類物質(zhì)結(jié)合生成具有芳香味的酯類化合物,提升芥菜產(chǎn)品的風(fēng)味[7];(3)醋酸發(fā)酵：這是醋酸菌將好氣性的乙醇氧化成醋酸的過程,芥菜自身所帶的一些微生物在代謝過程中產(chǎn)生少量醋酸、酒石酸等味道醇和、刺激性小的酸類物質(zhì),增加芥菜的香氣[8]。

圖1 芥菜發(fā)酵機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic of fermentation mechanism of mustard

2 芥菜傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝及存在問題

2.1 芥菜傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝

傳統(tǒng)芥菜腌制發(fā)酵以小作坊加工為主要形式,有自然發(fā)酵法和鹵水發(fā)酵法2種方式(圖2)[9]。大多數(shù)地區(qū)采用自然發(fā)酵法：將芥菜清洗干凈后,懸掛晾曬至菜葉皺縮而不枯,而后進(jìn)行切分處理、分批加鹽,從底層開始,按照一層菜一層鹽、下少上多的方式加鹽,使食鹽最大程度地被芥菜吸收。此后將芥菜封壇進(jìn)行厭氧發(fā)酵,利用其自身所攜益生菌經(jīng)一定周期自然發(fā)酵而成[10]。還有少數(shù)地區(qū)使用老鹵水泡制法,鹵水是指發(fā)酵后留于泡菜壇中用于下一次發(fā)酵使用的鹽溶液,一般循環(huán)使用一月以上就稱之為“老鹵水”。此法利用鹵水中的各種益生菌能夠長期保持活躍發(fā)酵狀態(tài)的條件,周期性添加蔬菜和各種香辛料腌制成成品[8]。

圖2 芥菜傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝流程Fig.2 The traditional fermentation process of mustard

2.2 芥菜傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝存在的問題

芥菜的生產(chǎn)具有投資少、見效快和可持續(xù)性等特點,但一直以來芥菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都較為緩慢,主要存在以下幾個問題：首先,傳統(tǒng)自然發(fā)酵主要靠芥菜自身所帶有益菌發(fā)酵,這類菌株的生長需要通過控制溫度、pH等條件,且經(jīng)過較長時間的競爭它們才有可能占據(jù)優(yōu)勢,這就影響了發(fā)酵速率和成熟時間,導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定[11]。同時,為了延長腌制芥菜的保質(zhì)期,大多作坊會采用高鹽工藝,高鹽不僅危害人體健康且在漂洗脫鹽時會使芥菜中的可溶性營養(yǎng)成分大量流失,進(jìn)而影響食品的營養(yǎng)價值[12]?！胞u水泡制法”中腌制所需的老鹵主要靠長時間循環(huán)發(fā)酵而成,不同批次的老鹵由于微生物生長代謝不穩(wěn)定而差別較大,使得芥菜味道也存在較大差異,導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊[13]。其次,腌制芥菜在常溫運輸時極易腐敗變質(zhì),而經(jīng)過長期低溫貯藏后其脆度嚴(yán)重下降,導(dǎo)致腌制芥菜品質(zhì)降低、口感變差,且增加了生產(chǎn)成本[14]。此外,發(fā)酵過程中一些具有硝酸還原能力的微生物會將芥菜中的硝酸鹽還原,使有害物質(zhì)亞硝酸鹽含量升高甚至超過國家標(biāo)準(zhǔn),而人體攝入過量的亞硝酸鹽會誘發(fā)癌癥等一系列疾病[15]。綜上所述,為了有效解決芥菜腌制發(fā)酵工藝中產(chǎn)品品質(zhì)降低、營養(yǎng)成分流失、亞硝酸鹽積累的問題,改進(jìn)傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝是非常必要的。

3 傳統(tǒng)腌制發(fā)酵工藝的改進(jìn)

目前,國內(nèi)外改進(jìn)傳統(tǒng)腌制工藝的研究主要集中在發(fā)酵方式、保脆方法、亞硝酸鹽含量控制3個方面。首先,現(xiàn)代芥菜腌制發(fā)酵方式主要是低鹽發(fā)酵和混合菌株發(fā)酵,其可以顯著縮短發(fā)酵周期、提高芥菜產(chǎn)品穩(wěn)定性。其次,通過添加外源酶和使用含Ca2+保脆劑的方法可有效解決芥菜中原果膠等化學(xué)物質(zhì)變性導(dǎo)致產(chǎn)品脆度改變的問題。針對芥菜發(fā)酵過程中高亞硝酸鹽含量的問題,現(xiàn)有方法主要以化學(xué)降解法和生物降解法為主。2種方法均行之有效,但由于生物降解法較之化學(xué)降解法轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽的效率更高、發(fā)酵的芥菜產(chǎn)品品質(zhì)更優(yōu),且對人體無副作用,因此大多數(shù)人偏向于使用生物降解法。

3.1 改進(jìn)發(fā)酵方式

腌制芥菜的傳統(tǒng)工藝方法對環(huán)境、天氣依賴程度高,往往導(dǎo)致芥菜發(fā)酵不完全,影響其風(fēng)味和營養(yǎng)價值[16]。高鹽腌制致使發(fā)酵周期長,生產(chǎn)成本增加,不利于市場的競爭和生產(chǎn)的發(fā)展[17]。隨著生活質(zhì)量的提高,人們愈加重視食品的安全和營養(yǎng),我國的腌制芥菜產(chǎn)業(yè)也正在向營養(yǎng)、低鹽、環(huán)保的方向發(fā)展,許多企業(yè)在傳統(tǒng)加工工藝基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝。目前國內(nèi)外針對芥菜腌制發(fā)酵工藝改良的研究主要集中在混合菌株發(fā)酵和低鹽腌制發(fā)酵2個方面。

3.1.1 混合菌株發(fā)酵

在我國,已有與芥菜相關(guān)的復(fù)配發(fā)酵工藝相關(guān)研究,通過人工接種功能性復(fù)配菌,與芥菜自身所帶微生物協(xié)同發(fā)酵,以達(dá)到縮短芥菜發(fā)酵周期、提升產(chǎn)品穩(wěn)定性等目的。復(fù)配菌發(fā)酵的芥菜在口感、品質(zhì)、風(fēng)味上都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接種單一菌[18-20]。將明串珠菌、片球菌和植物乳桿菌混合接種可以促進(jìn)芥菜發(fā)酵,改善口感；將短乳桿菌、干酪乳桿菌和植物乳桿菌復(fù)配接種于芥菜可明顯提升口感和質(zhì)量,且僅按短乳桿菌∶植物乳桿菌=1∶1(接種量)復(fù)配發(fā)酵也可以有效增加發(fā)酵過程中的活菌數(shù),加快反應(yīng)進(jìn)程[21-22]。

3.1.2 低鹽腌制發(fā)酵

由于食用高鹽芥菜會增加人們患高血壓、心臟病等疾病的風(fēng)險,因此我國針對低鹽腌制芥菜的研究也越來越多。高鹽體系與低鹽體系存在差異,低鹽腌制可能會導(dǎo)致芥菜無法正常發(fā)酵,目前最普遍的做法就是利用功能菌強(qiáng)化發(fā)酵。如具有高產(chǎn)酸能力的檸檬明串珠菌L-33經(jīng)常作為生物發(fā)酵劑被用于芥菜的低鹽腌制發(fā)酵,它不僅可以抑制發(fā)酵體系中有害病菌的生長繁殖,且對保鮮也有重要作用[23]。趙大云等[24-25]接種純種凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans)后,發(fā)現(xiàn)菌株能迅速生長產(chǎn)酸且能大大降低體系中的鹽,縮短芥菜的發(fā)酵周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量。一些國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)凝結(jié)芽孢桿菌B179在低鹽腌制芥菜環(huán)境中發(fā)酵產(chǎn)生的L(+)-乳酸能促進(jìn)芥菜發(fā)酵,且該菌株的營養(yǎng)需求簡單、產(chǎn)孢子能力強(qiáng),較容易接種和培養(yǎng)[26]。

3.2 提高產(chǎn)品脆度

蔬菜細(xì)胞的細(xì)胞壁主要由果膠、纖維素、半纖維素和少量蛋白質(zhì)組成。脆度和硬度是影響腌制蔬菜口感的主要因素,而蔬菜的脆度與原果膠含量息息相關(guān)。腌制過程中,由于pH和溫度的變化,細(xì)胞壁中的原果膠在果膠酶的作用下水解成可溶性的果膠酸,使得細(xì)胞壁之間的連接作用力減弱,細(xì)胞間黏合力下降,導(dǎo)致蔬菜變軟,脆度下降。為了維持腌制蔬菜良好的口感,保持產(chǎn)品的脆度至關(guān)重要[27]。現(xiàn)有的保脆技術(shù)以添加外源酶和使用保脆劑為主,少數(shù)企業(yè)采用了先進(jìn)的超高壓保脆技術(shù),但由于該技術(shù)存在一定局限性且成本太高,目前此方法還未普及。

外源果膠甲酯酶可以提高腌制芥菜的脆度,額外添加果膠甲酯酶后,蔬菜中的高甲氧基果膠可以轉(zhuǎn)化成低甲氧基果膠并同Ca2+發(fā)生交聯(lián)作用,產(chǎn)生一個更堅固的果膠酸鈣網(wǎng)絡(luò)來增強(qiáng)蔬菜的脆度[28]。張曉[29]通過實驗表明：添加8 100 U/L的果膠甲酯酶后,泡菜的脆度較對照組顯著提高了22.5%,且在鈣鹽存在的條件下,芥菜的保脆效果會更明顯[30]。

保脆劑是一類能夠提供金屬離子的食品添加劑,如CaCl2、乳酸鈣、三聚磷酸鈉、KH2PO4等,目前最常用的保脆劑主要是含Ca2+類保脆劑。添加Ca2+保脆劑后,Ca2+與果膠酸作用,使高分子聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而加快果膠的凝膠,改變芥菜的質(zhì)地[31]。尹爽等[32]發(fā)現(xiàn),按氯化鈣∶乳酸鈣∶丙酸鈣=1∶16∶3(質(zhì)量濃度)的復(fù)合保脆劑可使芥菜的品質(zhì)、口感和脆度都高于單一保脆劑。此外,一定量的KH2PO4也可以作為保脆劑添加到醬菜中,不僅能提高其脆度,還起到改良品質(zhì)和保水的作用[33]。

超高壓保脆技術(shù)是利用溫壓結(jié)合來鈍化果膠酶等質(zhì)構(gòu)相關(guān)酶的活性[34],間接阻止某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生,以保持固體果蔬制品的質(zhì)構(gòu)。超高壓保脆技術(shù)能夠在較長一段時間內(nèi)保持腌制芥菜原有的脆度,同時可以保持食品的風(fēng)味、營養(yǎng)物質(zhì)以及色澤等均不發(fā)生改變,除此之外還可以延長商品貨架期[35]。

3.3 減少亞硝酸鹽積累

高亞硝酸鹽含量是影響芥菜食用安全性的一項重要指標(biāo),人體攝入亞硝酸鹽后,會在體內(nèi)形成強(qiáng)致癌物質(zhì)危害身體健康[36],因此嚴(yán)格控制腌制蔬菜中的亞硝酸鹽含量是非常必要的。目前,最常用的降解亞硝酸的方法主要為化學(xué)降解法和微生物降解法,化學(xué)降解法是通過添加天然抗氧化劑或者生物抗氧化劑與亞硝酸鹽反應(yīng)將其氧化為硝酸鹽后除去,或加入一些還原劑將其還原成N2；微生物法則是利用功能菌來轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽[37]。

3.3.1 化學(xué)降解法

研究表明,一些天然抗氧化劑可有效降低食物中亞硝酸鹽含量,且綠色安全[38]。如在芥菜發(fā)酵前先用ClO2溶液將其浸泡可以明顯降低亞硝酸鹽峰值；在腌制初期添加一定量的維生素C、檸檬酸或茶多酚可以顯著降低亞硝酸鹽,且3種抗氧化劑按一定比例復(fù)配使用的效果更佳[39]。在芥菜發(fā)酵液中添加石榴皮多酚提取物可以抑制硝酸還原酶的活性,進(jìn)一步抑制亞硝酸鹽產(chǎn)生,而且,石榴皮多酚提取物還可以促進(jìn)乳酸菌的生長,從而加快反應(yīng)進(jìn)程[40]。

常見的大蒜、洋蔥、大蔥等[41]蔬菜浸提液均對亞硝酸鹽有顯著清除效果,大蒜對其轉(zhuǎn)化的效果要明顯高于大蔥和洋蔥。同時,添加大蒜不僅能促進(jìn)乳酸菌生長,還可以抑制金黃色葡萄球菌的繁殖[42]。

3.3.2 生物降解法

芥菜發(fā)酵過程中的優(yōu)勢菌—乳酸菌,包括植物乳桿菌、短乳桿菌、腸膜明串株菌、戊糖片球菌等,均有較強(qiáng)轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽的能力。如將植物乳桿菌LB5接種到含4% NaCl的芥菜汁培養(yǎng)基中,以10%的接種量發(fā)酵96 h,亞硝酸鹽的降解率可達(dá)89.82%[43]。有些微生物還具有促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程和提高產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)點,如戊糖片球菌可以促進(jìn)醬菜對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,從而提高食品營養(yǎng)價值,且此方法成本低廉[44]；利用短乳桿菌在恒溫條件下發(fā)酵芥菜的速度至少是自然條件下發(fā)酵速度的3倍[45],極大縮短了反應(yīng)進(jìn)程。表1總結(jié)了生產(chǎn)過程中用于降解亞硝酸鹽的常見菌株。

表1 用于降解亞硝酸鹽的菌株Table 1 Strains used for the degradation of nitrite

4 展望

隨著人們對芥菜制品喜愛度的加深,芥菜產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。目前,我國已獲得多個優(yōu)良的鮮食型莖芥菜品種,實現(xiàn)了早熟、晚熟品種的配套栽培,國家也頒布了相關(guān)政策鼓勵芥菜種植地區(qū)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,推動區(qū)域型農(nóng)產(chǎn)品芥菜及其制品走向大城市、走向全國。

我國芥菜腌制發(fā)酵技術(shù)已相對成熟,主要利用乳酸菌等功能性菌株強(qiáng)化發(fā)酵、降低發(fā)酵體系中的亞硝酸鹽含量,生產(chǎn)更加安全、優(yōu)良的腌制芥菜產(chǎn)品。但是這些方法仍存在諸多缺陷,如低鹽發(fā)酵技術(shù)中僅依靠單一菌種或復(fù)合菌種進(jìn)行接種發(fā)酵,難以還原芥菜的原有風(fēng)味；且由于不同菌株的最適生長條件和功能不同,在復(fù)配發(fā)酵中尋找互補(bǔ)菌株的搭配方式和控制環(huán)境因素較為困難和復(fù)雜；另外由于技術(shù)和成本等原因,很多發(fā)酵方法僅停留在實驗室階段,無法應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。因此,為生產(chǎn)品質(zhì)更加優(yōu)良的芥菜產(chǎn)品,實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用,以下與發(fā)酵工藝相關(guān)的幾個方面值得進(jìn)一步研究：

(1)以感官品質(zhì)、理化品質(zhì)、特殊揮發(fā)性成分或者發(fā)酵過程中某種關(guān)鍵物質(zhì)成分為導(dǎo)向,采用新技術(shù)新手段研究腌制芥菜中關(guān)鍵微生物,以及微生物群落多樣性與導(dǎo)向物質(zhì)之間的演替規(guī)律,從而改進(jìn)工藝,提高芥菜的風(fēng)味。

(2)注重乳酸菌等功能性菌株的選育和復(fù)配,不斷優(yōu)化尋找菌株的最適生長條件、配比和發(fā)酵環(huán)境,提升產(chǎn)品品質(zhì)。

(3)通過采用低鹽發(fā)酵、復(fù)配發(fā)酵、人工接種優(yōu)勢菌發(fā)酵等多種方法的聯(lián)合互補(bǔ),優(yōu)化發(fā)酵工藝,達(dá)到降低食鹽、亞硝酸鹽含量,提高芥菜產(chǎn)品安全性的目的。