芥菜(Brassica juncea)是十字花科(Cruciferae)芸苔属一年生或二年生草本植物,在我国的种类较为丰富且已形成诸多著名特产,如被誉为世界三大名腌菜的“涪陵榨菜”、“余姚榨菜”,还有浙江绍兴、宁波的梅干菜,湖南襄阳的大头菜等。芥菜在我国的分布很广泛,其种植区域以秦岭淮河以南、青藏高原以东至东南沿海等地区为主,种植面积已达133.3万hm2左右。据调查统计,目前全国芥菜类蔬菜年收获量达5000万t以上,年加工产品量2 000万t左右,累计产值达600亿元以上,稳定出口量达20万t以上,创汇2亿美元左右,在我国农业中占据重要地位[1]。
芥菜有重要的食用和药用价值,其含有的大量活性物质—维生素C,是参与机体氧化还原反应的重要维生素,能提高大脑中的氧含量,激发大脑对氧的利用[2]。自古以来,芥菜就深受中国老百姓的喜爱,《诗经·谷风》记载：“我有旨蓄,亦以御冬。”这是指中国的周朝时期,老百姓就将蔬菜腌制以备食用。进步至北魏时期,农学家贾思勰的《齐民要术》较全面系统地记载了北魏前的蔬菜腌制技术。然而,传统的芥菜腌制发酵工艺存在发酵周期长、产品品质不稳定、有害物质易积累等诸多缺陷。本文综述了现阶段芥菜腌制发酵工艺存在的问题和国内外有关优化芥菜腌制发酵工艺方法的研究进展,以期为芥菜腌制发酵技术的改进和发展提供参考。
1 芥菜腌制发酵原理
芥菜腌制发酵后会产生一种特殊的辛辣味,因而深受大众喜爱。芥菜的辛辣味主要与其所含硫代葡萄糖苷的降解产物有关,芥菜中的硫代葡萄糖苷在发酵过程中降解生成硫氰酸酯盐类等具有特殊香味的产物,而其他芸薹蔬菜所含的2-烯丙基硫苷降解后会产苦味。此外,芥菜瘤茎中的硫代葡萄糖苷含量高达1.5%,使得芥菜与其他蔬菜相比具有更加浓郁的辛辣风味[3]。
传统芥菜腌制发酵主要依靠芥菜自身所带的微生物进行发酵,这些微生物在发酵过程中繁殖代谢,形成了以乳酸发酵为主,乙醇发酵为辅和少许醋酸发酵并存的综合模式(图1),而大部分蔬菜的发酵依靠乳酸发酵和少量醋酸发酵 [4-5]。这3种发酵模式共同决定了腌制发酵芥菜的品质和风味,3种发酵方式机理如下:(1)乳酸发酵：在腌制发酵过程中微生物协同作用,使蔬菜中的糖类物质被分解生成乳酸等其他产物,此时,芥菜中的硫代葡萄糖苷在食盐的作用下开始发生降解,产生异硫氰酸酯等风味物质,辛辣味也随之产生[6];(2)乙醇发酵：在芥菜自然发酵体系中,酵母菌对整个发酵过程发挥了重要作用,一方面,酵母菌将芥菜中的部分糖分解成乙醇和二氧化碳,为醋酸发酵提供物质基础；另一方面,乙醇发酵可以产生更多具有香气的挥发性醇类物质,其中一部分醇会与后续醋酸发酵产生的酸类物质结合生成具有芳香味的酯类化合物,提升芥菜产品的风味[7];(3)醋酸发酵：这是醋酸菌将好气性的乙醇氧化成醋酸的过程,芥菜自身所带的一些微生物在代谢过程中产生少量醋酸、酒石酸等味道醇和、刺激性小的酸类物质,增加芥菜的香气[8]。
图1 芥菜发酵机制示意图
Fig.1 Schematic of fermentation mechanism of mustard
2 芥菜传统腌制发酵工艺及存在问题
2.1 芥菜传统腌制发酵工艺
传统芥菜腌制发酵以小作坊加工为主要形式,有自然发酵法和卤水发酵法2种方式(图2)[9]。大多数地区采用自然发酵法：将芥菜清洗干净后,悬挂晾晒至菜叶皱缩而不枯,而后进行切分处理、分批加盐,从底层开始,按照一层菜一层盐、下少上多的方式加盐,使食盐最大程度地被芥菜吸收。此后将芥菜封坛进行厌氧发酵,利用其自身所携益生菌经一定周期自然发酵而成[10]。还有少数地区使用老卤水泡制法,卤水是指发酵后留于泡菜坛中用于下一次发酵使用的盐溶液,一般循环使用一月以上就称之为“老卤水”。此法利用卤水中的各种益生菌能够长期保持活跃发酵状态的条件,周期性添加蔬菜和各种香辛料腌制成成品[8]。
图2 芥菜传统腌制发酵工艺流程
Fig.2 The traditional fermentation process of mustard
2.2 芥菜传统腌制发酵工艺存在的问题
芥菜的生产具有投资少、见效快和可持续性等特点,但一直以来芥菜产业的发展都较为缓慢,主要存在以下几个问题：首先,传统自然发酵主要靠芥菜自身所带有益菌发酵,这类菌株的生长需要通过控制温度、pH等条件,且经过较长时间的竞争它们才有可能占据优势,这就影响了发酵速率和成熟时间,导致产品品质不稳定[11]。同时,为了延长腌制芥菜的保质期,大多作坊会采用高盐工艺,高盐不仅危害人体健康且在漂洗脱盐时会使芥菜中的可溶性营养成分大量流失,进而影响食品的营养价值[12]。“卤水泡制法”中腌制所需的老卤主要靠长时间循环发酵而成,不同批次的老卤由于微生物生长代谢不稳定而差别较大,使得芥菜味道也存在较大差异,导致产品品质参差不齐[13]。其次,腌制芥菜在常温运输时极易腐败变质,而经过长期低温贮藏后其脆度严重下降,导致腌制芥菜品质降低、口感变差,且增加了生产成本[14]。此外,发酵过程中一些具有硝酸还原能力的微生物会将芥菜中的硝酸盐还原,使有害物质亚硝酸盐含量升高甚至超过国家标准,而人体摄入过量的亚硝酸盐会诱发癌症等一系列疾病[15]。综上所述,为了有效解决芥菜腌制发酵工艺中产品品质降低、营养成分流失、亚硝酸盐积累的问题,改进传统腌制发酵工艺是非常必要的。
3 传统腌制发酵工艺的改进
目前,国内外改进传统腌制工艺的研究主要集中在发酵方式、保脆方法、亚硝酸盐含量控制3个方面。首先,现代芥菜腌制发酵方式主要是低盐发酵和混合菌株发酵,其可以显著缩短发酵周期、提高芥菜产品稳定性。其次,通过添加外源酶和使用含Ca2+保脆剂的方法可有效解决芥菜中原果胶等化学物质变性导致产品脆度改变的问题。针对芥菜发酵过程中高亚硝酸盐含量的问题,现有方法主要以化学降解法和生物降解法为主。2种方法均行之有效,但由于生物降解法较之化学降解法转化亚硝酸盐的效率更高、发酵的芥菜产品品质更优,且对人体无副作用,因此大多数人偏向于使用生物降解法。
3.1 改进发酵方式
腌制芥菜的传统工艺方法对环境、天气依赖程度高,往往导致芥菜发酵不完全,影响其风味和营养价值[16]。高盐腌制致使发酵周期长,生产成本增加,不利于市场的竞争和生产的发展[17]。随着生活质量的提高,人们愈加重视食品的安全和营养,我国的腌制芥菜产业也正在向营养、低盐、环保的方向发展,许多企业在传统加工工艺基础上,结合现代科学技术,不断改进生产工艺。目前国内外针对芥菜腌制发酵工艺改良的研究主要集中在混合菌株发酵和低盐腌制发酵2个方面。
3.1.1 混合菌株发酵
在我国,已有与芥菜相关的复配发酵工艺相关研究,通过人工接种功能性复配菌,与芥菜自身所带微生物协同发酵,以达到缩短芥菜发酵周期、提升产品稳定性等目的。复配菌发酵的芥菜在口感、品质、风味上都要远远高于接种单一菌[18-20]。将明串珠菌、片球菌和植物乳杆菌混合接种可以促进芥菜发酵,改善口感；将短乳杆菌、干酪乳杆菌和植物乳杆菌复配接种于芥菜可明显提升口感和质量,且仅按短乳杆菌∶植物乳杆菌=1∶1(接种量)复配发酵也可以有效增加发酵过程中的活菌数,加快反应进程[21-22]。
3.1.2 低盐腌制发酵
由于食用高盐芥菜会增加人们患高血压、心脏病等疾病的风险,因此我国针对低盐腌制芥菜的研究也越来越多。高盐体系与低盐体系存在差异,低盐腌制可能会导致芥菜无法正常发酵,目前最普遍的做法就是利用功能菌强化发酵。如具有高产酸能力的柠檬明串珠菌L-33经常作为生物发酵剂被用于芥菜的低盐腌制发酵,它不仅可以抑制发酵体系中有害病菌的生长繁殖,且对保鲜也有重要作用[23]。赵大云等[24-25]接种纯种凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)后,发现菌株能迅速生长产酸且能大大降低体系中的盐,缩短芥菜的发酵周期,提高产品质量。一些国外学者发现凝结芽孢杆菌B179在低盐腌制芥菜环境中发酵产生的L(+)-乳酸能促进芥菜发酵,且该菌株的营养需求简单、产孢子能力强,较容易接种和培养[26]。
3.2 提高产品脆度
蔬菜细胞的细胞壁主要由果胶、纤维素、半纤维素和少量蛋白质组成。脆度和硬度是影响腌制蔬菜口感的主要因素,而蔬菜的脆度与原果胶含量息息相关。腌制过程中,由于pH和温度的变化,细胞壁中的原果胶在果胶酶的作用下水解成可溶性的果胶酸,使得细胞壁之间的连接作用力减弱,细胞间黏合力下降,导致蔬菜变软,脆度下降。为了维持腌制蔬菜良好的口感,保持产品的脆度至关重要[27]。现有的保脆技术以添加外源酶和使用保脆剂为主,少数企业采用了先进的超高压保脆技术,但由于该技术存在一定局限性且成本太高,目前此方法还未普及。
外源果胶甲酯酶可以提高腌制芥菜的脆度,额外添加果胶甲酯酶后,蔬菜中的高甲氧基果胶可以转化成低甲氧基果胶并同Ca2+发生交联作用,产生一个更坚固的果胶酸钙网络来增强蔬菜的脆度[28]。张晓[29]通过实验表明：添加8 100 U/L的果胶甲酯酶后,泡菜的脆度较对照组显著提高了22.5%,且在钙盐存在的条件下,芥菜的保脆效果会更明显[30]。
保脆剂是一类能够提供金属离子的食品添加剂,如CaCl2、乳酸钙、三聚磷酸钠、KH2PO4等,目前最常用的保脆剂主要是含Ca2+类保脆剂。添加Ca2+保脆剂后,Ca2+与果胶酸作用,使高分子聚合物结构发生变化,从而加快果胶的凝胶,改变芥菜的质地[31]。尹爽等[32]发现,按氯化钙∶乳酸钙∶丙酸钙=1∶16∶3(质量浓度)的复合保脆剂可使芥菜的品质、口感和脆度都高于单一保脆剂。此外,一定量的KH2PO4也可以作为保脆剂添加到酱菜中,不仅能提高其脆度,还起到改良品质和保水的作用[33]。
超高压保脆技术是利用温压结合来钝化果胶酶等质构相关酶的活性[34],间接阻止某些化学反应的发生,以保持固体果蔬制品的质构。超高压保脆技术能够在较长一段时间内保持腌制芥菜原有的脆度,同时可以保持食品的风味、营养物质以及色泽等均不发生改变,除此之外还可以延长商品货架期[35]。
3.3 减少亚硝酸盐积累
高亚硝酸盐含量是影响芥菜食用安全性的一项重要指标,人体摄入亚硝酸盐后,会在体内形成强致癌物质危害身体健康[36],因此严格控制腌制蔬菜中的亚硝酸盐含量是非常必要的。目前,最常用的降解亚硝酸的方法主要为化学降解法和微生物降解法,化学降解法是通过添加天然抗氧化剂或者生物抗氧化剂与亚硝酸盐反应将其氧化为硝酸盐后除去,或加入一些还原剂将其还原成N2；微生物法则是利用功能菌来转化亚硝酸盐[37]。
3.3.1 化学降解法
研究表明,一些天然抗氧化剂可有效降低食物中亚硝酸盐含量,且绿色安全[38]。如在芥菜发酵前先用ClO2溶液将其浸泡可以明显降低亚硝酸盐峰值；在腌制初期添加一定量的维生素C、柠檬酸或茶多酚可以显著降低亚硝酸盐,且3种抗氧化剂按一定比例复配使用的效果更佳[39]。在芥菜发酵液中添加石榴皮多酚提取物可以抑制硝酸还原酶的活性,进一步抑制亚硝酸盐产生,而且,石榴皮多酚提取物还可以促进乳酸菌的生长,从而加快反应进程[40]。
常见的大蒜、洋葱、大葱等[41]蔬菜浸提液均对亚硝酸盐有显著清除效果,大蒜对其转化的效果要明显高于大葱和洋葱。同时,添加大蒜不仅能促进乳酸菌生长,还可以抑制金黄色葡萄球菌的繁殖[42]。
3.3.2 生物降解法
芥菜发酵过程中的优势菌—乳酸菌,包括植物乳杆菌、短乳杆菌、肠膜明串株菌、戊糖片球菌等,均有较强转化亚硝酸盐的能力。如将植物乳杆菌LB5接种到含4% NaCl的芥菜汁培养基中,以10%的接种量发酵96 h,亚硝酸盐的降解率可达89.82%[43]。有些微生物还具有促进发酵进程和提高产品品质的优点,如戊糖片球菌可以促进酱菜对营养物质的吸收,从而提高食品营养价值,且此方法成本低廉[44]；利用短乳杆菌在恒温条件下发酵芥菜的速度至少是自然条件下发酵速度的3倍[45],极大缩短了反应进程。表1总结了生产过程中用于降解亚硝酸盐的常见菌株。
表1 用于降解亚硝酸盐的菌株
Table 1 Strains used for the degradation of nitrite
菌株名称(中文)菌株名称(拉丁文)特点来源参考文献植物乳杆菌LB5Lactobacillus plantarum LB5高效降解亚硝酸盐韩国泡菜[43]戊糖片球菌SK25Pediococcus pentosaceus SK25代谢可以产生挥发性香气;抑制病原性微生物东北泡菜[44,46]短乳杆菌16SrLactobacillus brevis 16Sr显著提高发酵速率成都泡菜[45-46]肠膜明串株菌JNZB003Leuconostoc mesenteroides JNZB003具有抗氧化能力、拮抗致病菌能力;可产生胞外多糖东北酸菜、四川泡菜[47]戊糖乳杆SMB718Lactobacillus pentosus SMB718调节肠道菌群天津泡菜、四川泡菜[46,48]
4 展望
随着人们对芥菜制品喜爱度的加深,芥菜产业也呈现出强劲的发展势头。目前,我国已获得多个优良的鲜食型茎芥菜品种,实现了早熟、晚熟品种的配套栽培,国家也颁布了相关政策鼓励芥菜种植地区扩大生产规模,推动区域型农产品芥菜及其制品走向大城市、走向全国。
我国芥菜腌制发酵技术已相对成熟,主要利用乳酸菌等功能性菌株强化发酵、降低发酵体系中的亚硝酸盐含量,生产更加安全、优良的腌制芥菜产品。但是这些方法仍存在诸多缺陷,如低盐发酵技术中仅依靠单一菌种或复合菌种进行接种发酵,难以还原芥菜的原有风味；且由于不同菌株的最适生长条件和功能不同,在复配发酵中寻找互补菌株的搭配方式和控制环境因素较为困难和复杂；另外由于技术和成本等原因,很多发酵方法仅停留在实验室阶段,无法应用到工业化生产中。因此,为生产品质更加优良的芥菜产品,实现大规模生产应用,以下与发酵工艺相关的几个方面值得进一步研究：
(1)以感官品质、理化品质、特殊挥发性成分或者发酵过程中某种关键物质成分为导向,采用新技术新手段研究腌制芥菜中关键微生物,以及微生物群落多样性与导向物质之间的演替规律,从而改进工艺,提高芥菜的风味。
(2)注重乳酸菌等功能性菌株的选育和复配,不断优化寻找菌株的最适生长条件、配比和发酵环境,提升产品品质。
(3)通过采用低盐发酵、复配发酵、人工接种优势菌发酵等多种方法的联合互补,优化发酵工艺,达到降低食盐、亚硝酸盐含量,提高芥菜产品安全性的目的。
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