發(fā)酵蔬菜硝酸鹽、亞硝酸鹽消長變化及其相關性的研究

遲雪梅，王一茜，喬慧，榮金誠，遲乃玉，張慶芳*

1(大連大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連，116622)2(遼寧省海洋微生物工程技術研究中心，遼寧 大連，116622)

發(fā)酵蔬菜作為一種傳統(tǒng)的大眾化消費食品，不僅含有蔬菜本身的營養(yǎng)成分，還有調節(jié)腸道微生態(tài)平衡等作用。但在發(fā)酵過程中也存在一些問題，其中最為嚴重的就是亞硝酸鹽含量的超標，而亞硝酸鹽的含量主要受硝酸鹽含量的影響[1]。

硝酸鹽除了作為食品添加劑外，還被認為是氮循環(huán)的一部分，在植物的生長發(fā)育過程中起重要作用。由于它的累積性質，硝酸鹽成了蔬菜的重要組成部分[2-3]。綠葉蔬菜，如莧菜和普通白菜的硝酸鹽污染情況最為嚴重[4-5]。人類接觸的硝酸鹽近80%來源于蔬菜消費，而在較小程度上與其他食物和水相關[6-7]。膳食硝酸鹽基本上是惰性的，并且僅通過硝酸還原酶還原成亞硝酸鹽，然后再形成N-亞硝基化合物中作為胺和(或)酰胺的反應物獲得生物活性。硝酸鹽還原成亞硝酸鹽的主要途徑是唾液、胃和血管[8]。

硝酸鹽的毒性在很大程度上是不被表達的，但會被還原為對人體健康具有毒理學影響的亞硝酸鹽、N-亞硝胺和各種其他氮化合物等代謝物質，前者更會增加絕經后婦女患乳腺癌的風險[9-11]。研究發(fā)現，攝入硝酸鹽含量較高的蔬菜會增加人們患腸胃癌[12]、高鐵血紅蛋白癥等疾病的幾率[4]。當胃酸不足或患有胃腸道疾病時，胃腸道中的細菌把食入的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽而中毒，所謂“腸原性紫紺癥”就是如此[13]。因此，應該對蔬菜、發(fā)酵菜中硝酸鹽的污染情況加以重視，減少硝酸鹽的含量即降低了其還原成亞硝酸鹽的危險[4]。

本研究通過自然發(fā)酵和接種發(fā)酵蔬菜，分析發(fā)酵菜中硝酸鹽剩余量、菜中亞硝酸鹽殘留量、亞硝峰值及湯汁最低pH值之間的相關性，并希望通過生物技術、基因工程等手段，克隆表達1株既可以降解亞硝酸鹽又可以降解硝酸鹽的乳酸菌，而用其接種發(fā)酵，從根本上保證食品的安全。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Streptococcuslastic(A)；Lactobacillusleichmannii(B)；Lactobacilluscaseisubsp .rhamnosus(4號)；Streptococcuscremoris(5號)；Lactobacillusplantarun(8號)；A、5號為乳酸球菌，B、4號、8號為乳酸桿菌，以上菌株由遼寧省海洋微生物工程技術研究中心保藏。

MRS培養(yǎng)基[14]。

1.2 儀器與設備

超凈工作臺(HD-1360)，北京東聯哈爾儀器制造有限公司；電子天平(SQ-HZT-50001)，江蘇衡之泰；酸度計(pHB-4p)，美國哈希HACH公司；紫外可見分光光度計(UV-120-02)，日本SHIMADZU公司。

1.3 方法

1.3.1 蔬菜發(fā)酵工藝

把清洗過的甘蘭葉片放在恒溫水浴鍋中，水溫85～90 ℃，燙0.5～1 min，取出后迅速投入冷水中漂洗；之后放入篩筐中瀝去表面水分；甘蘭葉片切段3～4 cm，分別裝入5個滅菌的玻璃瓶(500 mL)中，每瓶裝量250 g，按實；在裝緊甘蘭的瓶中放一塊無菌石塊，重約80～100 g，配制20 g/L的鹽水溶液，煮沸過濾，晾涼，每瓶注入325 mL；接種(對照：自然發(fā)酵；復合菌劑[15-17]：將已培養(yǎng)36 h的A，B，4號，5號，8號乳酸菌液，分別按A∶B∶8號=1∶1∶1，A∶B∶5號∶8號=1∶1∶1∶1，A∶B∶5號∶4號=1∶1∶1∶1組成3種混合乳酸菌劑10 mL，加入5個玻璃瓶中，菌液搖勻，無菌瓶蓋密封；單菌種B：將已培養(yǎng)36 h的B乳酸菌液，分別按0.5%，1%，2%，3%和4%的接種量，接入5個玻璃瓶中，菌液搖勻，無菌瓶蓋密封。于25 ℃保溫發(fā)酵。檢測硝酸鹽、亞硝酸鹽、總酸、pH值，重復3次。

1.4 測定指標及方法

硝酸鹽、亞硝酸鹽[18]：按GB 5009.33—2010測定，重復3次。

標準曲線的繪制：依據 GB 5009.33—2010，繪制亞硝酸鹽的標準工作曲線，亞硝酸鹽的線性方程為:y=0.760 97x+0.002 68(R2=0.999 6)。

總酸：把已知物質的量濃度的NaOH溶液注入事先已用該NaOH溶液潤洗過的堿式滴定管，至刻度“ 0”以上，把滴定管固定在滴定管夾上。輕輕轉動下面的活塞，使管的尖嘴部分充滿溶液且無氣泡。然后調整管內液面，使其保持在“0”或“0”以下的某一刻度，并記下準確讀數。

把待測濃度的樣品溶液注入事先已用該溶液潤洗過的酸式滴定管，固定在滴定管夾上。輕輕擠壓玻璃球，使管的尖嘴部分充滿溶液且無氣泡,然后調整管內液面，使其保持在“ 0”或“ 0”以下某一刻度，并記下準確讀數。

在管下放一潔凈的錐形瓶，從酸式滴定管放出25.00 mL 樣品溶液，注入錐形瓶，加入2滴酚酞試液，溶液呈無色。然后，把錐形瓶移到堿式滴定管下，左手調活塞逐滴加入已知物質的量濃度的NaOH溶液，同時右手順時針不斷搖動錐形瓶，使溶液充分混合。隨著NaOH溶液逐滴加入，錐形瓶里c[H+]濃度逐漸減小。最后，當看到加入1滴NaOH溶液時，溶液立即由無色變成淺紅色，且反滴1滴樣品溶液又變回無色,說明反應恰好進行完全。停止滴定，準確記下滴定管溶液液面的刻度，并準確求得滴定消耗的NaOH溶液體積。重復3次。然后根據有關計量關系，計算出待測的樣品溶液的物質的量濃度、C(A)*V(A)=C(B)*V(B)，其中A(Acid)為酸，B(Base)為堿。

pH值：酸度計法，重復3次。

1.5 乳酸菌的活化

將乳酸菌分別接入MRS培養(yǎng)基進行復壯、活化。培養(yǎng)基在使用前經121 ℃滅菌15 min。然后在30 ℃培養(yǎng)24 h，傳3代使其性狀穩(wěn)定。

1.6 數據統(tǒng)計分析

實驗數據通過origin軟件作圖并進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 自然發(fā)酵

由圖1可看出：在整個發(fā)酵過程中，隨著腌漬時間的延長，菜中硝酸鹽、湯汁pH值逐漸降低；總酸逐漸升高；亞硝酸鹽出現升高、降解，再生高、再降解的現象。

圖1 硝酸鹽、亞硝酸鹽、總酸、pH值的變化曲線Fig.1 The curve of nitrate, nitrite, total acid and pH

分析其原因：在發(fā)酵初期(湯汁的pH值6.8左右)適合硝酸鹽還原酶產生菌(好氧)的生長，從而將菜中的硝酸鹽大量地還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽含量升高[19-20]；隨著氧的消耗，乳酸菌(兼性厭氧)大量生長，在產生乳酸同時也產生亞硝酸還原酶，進入了酶降解亞硝酸鹽階段；當湯汁pH值降至5.0左右(亞硝酸還原酶最適作用pH值)，會將亞硝酸鹽大量分解(出現第1個峰)。隨著酸的進一步增加，當湯汁pH值降至4.0以下時，亞硝酸還原酶失活，菜中亞硝酸鹽又開始積累；但同時也進入了酸降解亞硝酸鹽階段，隨后亞硝酸鹽又被降解(出現第2個亞硝峰)[21]。

在圖1所示的整個蔬菜發(fā)酵過程中，發(fā)酵21天，菜酸香味濃；醇厚柔和，有酯香及菜體清香，有香味，無異味，口感脆嫩；菜幫柔韌，葉有較大彈性，根部不爛，菜已腌漬成熟，原料中硝酸鹽從869.06 mg/kg降至276.93 mg/kg。

2.2 復合菌劑接種發(fā)酵

接種由5個乳酸菌株組成的3個菌劑(AB58、AB45、AB8)進行蔬菜發(fā)酵，以自然發(fā)酵為對照。測發(fā)酵菜中硝酸鹽、亞硝酸鹽，發(fā)酵過程中湯汁亞硝酸鹽、pH值，見圖2、圖3、圖4。

圖2 發(fā)酵菜中硝酸鹽、亞硝酸鹽含量Fig.2 The amount of nitrate and nitrite contained in fermented vegetables

圖3 湯汁中亞硝酸鹽含量的變化Fig.3 The change of nitrite contents in vegetable fermented broth

圖4 湯汁中pH值的變化Fig.4 The change of pH contents in vegetable fermented broth

由圖2可看出，成熟發(fā)酵菜中亞硝酸鹽含量是：不接種(自然發(fā)酵)為2.67 mg/kg、接菌劑AB8為0.47 mg/kg、接菌劑AB45為0.36 mg/kg、接菌劑AB58未檢出，如依次按大小可排序為 CK>AB8>AB45>AB58；成熟發(fā)酵菜中硝酸鹽含量是：不接種(自然發(fā)酵)為232.06 mg/kg、接菌劑AB8為329.74 mg/kg、接菌劑AB45為422.13 mg/kg、接菌劑AB58為544.32 mg/kg，如依次按大小可排序為AB58>AB45>AB8>CK。

由圖3可知，接種乳酸菌劑使發(fā)酵湯汁中亞硝酸峰值顯著降低，不接種(自然發(fā)酵)為183.64 mg/kg、接菌劑AB8為47.37 mg/kg、接菌劑AB45為6.51 mg/kg、接菌劑AB58為0 mg/kg，如依次按大小可排序為CK>AB8>AB45>AB58。

圖4可知，接種乳酸菌劑的菜發(fā)酵快，湯汁pH值始終比自然發(fā)酵菜的湯汁pH值低；發(fā)酵10 h，接菌劑的湯汁pH值降至4.0以下，不接菌劑(自然發(fā)酵)的湯汁pH值降至5.5左右；發(fā)酵終點最低pH值的大小順序為CK>AB45>AB8>AB58，其值分別為3.53，3.08，2.87，2.80。

從以上分析還可知：亞硝酸鹽峰值越大，硝酸鹽剩余量越少；發(fā)酵終點pH值越高，亞硝酸鹽峰值越大，發(fā)酵菜中亞硝酸鹽殘留量越多等現象。

接種不同菌劑的發(fā)酵菜，其湯汁的亞硝酸鹽峰值與菜中亞硝酸鹽殘留量的相關系數r=0.9871(>r0.01)，線性相關顯著；湯汁的亞硝峰值與菜中硝酸鹽的剩余量的相關系數r=0.872 1(>r0.05)，線性相關顯著；湯汁的最低pH值與菜中亞硝酸鹽殘留量的相關系數r=0.950 6(>r0.05)，線性相關顯著。

2.3 單菌種接種發(fā)酵

由于復合菌劑的菌種數量及種類等都不同，可能會對各指標的相關性分析結果產生較大的影響。因此進行單菌種不同接種量的蔬菜發(fā)酵實驗，進而對接種量、湯汁亞硝峰值、湯汁最低pH值，菜中硝酸鹽剩余量、亞硝酸鹽殘留量等指標進行相關性分析，見表1和表2。

由表1和表2可知：亞硝峰值與亞硝酸鹽殘留量相關系數r1為0.892 5，亞硝峰值與硝酸鹽剩余量相關系數高達r2為0.978 1，接種量與亞硝峰值相關系數r3為-0.923 0，接種量與亞硝酸鹽殘留量相關系數r4為-0.798 8，接種量與硝酸鹽剩余量相關系數r5為0.937 6，接種量與最低pH值相關系數r6為-0.774 7，亞硝酸鹽殘留量與最低pH值相關系數r7為0.983 0；相關性大小順序是|r7|>|r2|>|r5|>|r3|>|r1|>|r4|>|r6|。

表1 單菌種蔬菜發(fā)酵各指標相關性分析

表2 單菌種不同接種量與蔬菜發(fā)酵各指標的相關性分析

與r0.05=0.878 3和r0.01=0.958 7比可得如下結論：相關性極顯著的是：亞硝酸鹽殘留量與最低pH值的相關性(|r7|>r0.01)，亞硝峰值與硝酸鹽剩余量的相關性(|r2|>r0.01)；相關性顯著是：接種量與硝酸鹽剩余量相關性(|r5|>r0.05)，接種量與亞硝峰值相關性(|r3|>r0.05)，亞硝峰值與亞硝酸鹽殘留量相關性(|r1|>r0.05)；相關性不顯著的是：接種量與亞硝酸鹽殘留量有負相關、但不顯著(r0.05>|r4|)，接種量與最低pH值有負相關、但不顯著(r0.05>|r6|)。

3 討論與結論

3.1 指標相關性分析

見圖1。在發(fā)酵菜環(huán)境中各指標的消長變化相互關聯。蔬菜發(fā)酵過程中由于硝酸鹽還原酶產生菌的作用，使菜中硝酸鹽大量分解；隨著發(fā)酵時間的延長，亞硝酸鹽生成量越來越多；但由于乳酸菌的代謝產生亞硝酸還原酶和酸性物質，使亞硝酸鹽被降解，出現了亞硝峰、亞硝酸鹽殘留和硝酸鹽剩余。因此對蔬菜發(fā)酵的相關指標進行相關性分析，可知：在其他條件相同的情況下：如接種菌劑不同，其湯汁的亞硝峰值與菜中亞硝酸鹽殘留量有極顯著的相關性(r=0.987 1>r0.01)，湯汁的亞硝峰值與菜中硝酸鹽的剩余量有顯著的相關性(r=0.872 1>r0.05)，湯汁的最低pH值與菜中亞硝酸鹽殘留量有顯著的相關性(r=0.950 6>r0.05)；如接種量不同，亞硝酸鹽殘留量與最低pH值有極顯著相關性(|r7|>r0.01)，亞硝峰值與硝酸鹽剩余量有極顯著相關性(|r2|>r0.01)，接種量與亞硝酸鹽剩余量有顯著相關性(|r5|>r0.05)，接種量與亞硝峰值有顯著相關性(|r3|>r0.05)，亞硝峰值與亞硝酸鹽殘留量有顯著相關性(|r1|>r0.05)。

3.2 硝酸鹽剩余量分析

由圖1、圖2、圖5所示，不論在自然發(fā)酵，還是接菌劑和不同接種量的成熟菜中都有大量硝酸鹽剩余，其量達上百或幾百mg/kg。根據1.232 mg/kg硝酸鹽能轉化為1 mg/kg亞硝酸鹽來計[21]，將還有數百mg/kg的亞硝酸鹽生成(攝入量達到0.2～0.5 g時可導致中毒，超過3 g時可致人死亡)[22]。有研究發(fā)現，97%亞硝酸鹽是由硝酸鹽轉變而來[23]，硝酸鹽會在口腔唾液的作用下變成亞硝酸鹽進入人體[24]。由圖2、圖5還可看出，接種菌劑越復雜或接種量越大，越抑制了硝酸還原菌的生長[24]，使硝酸鹽的剩余量也越多；反而自然發(fā)酵(不接種)的產品中硝酸鹽剩余量相對較少。應對以上現象引起高度關注。

圖5 不同接種量菜中硝酸鹽與亞硝酸鹽含量Fig.5 The content of nitrate and nitrite in different inoculation amount fermented vegetables

4 展望

根據本論文的研究和前期研究[15-17,25-26]，可以設計一個3段式發(fā)酵工藝，發(fā)酵初期為自然發(fā)酵，發(fā)酵中期接高產亞硝酸還原酶的乳酸菌，發(fā)酵后期接產酸的乳酸菌。此工藝生產的發(fā)酵菜即安全(硝酸鹽少、亞硝酸鹽少)、營養(yǎng)高、風味好。

乳酸菌無硝酸鹽還原酶基因，不能把硝酸鹽降解為亞硝酸鹽；但乳酸菌有亞硝酸鹽還原酶基因，能把亞硝酸鹽還原為氮和氨等。如從大腸桿菌等菌中(非致病菌)調取硝酸鹽還原酶基因轉接在乳酸菌亞硝酸鹽還原酶基因組上，構建出既有硝酸鹽還原酶基因(能表達)又有亞硝酸鹽還原酶基因的乳酸菌，可應用到酸奶、發(fā)酵菜、肉制品加工、青貯飼料等制品，用以清除人、畜體內及食品中去除亞硝酸鹽，同時也清除其中的硝酸鹽。

通過相關性分析結果可知：亞硝酸鹽殘留量與最低pH值有顯著相關性，亞硝峰值與硝酸鹽剩余量有顯著相關性；因此在蔬菜發(fā)酵過程中可通過監(jiān)測發(fā)酵液pH值和亞硝峰值，來預測和比較發(fā)酵菜中硝酸鹽和亞硝酸鹽的剩余、殘留量等情況。

[1] BAHADORAN Z, MIRMIRAN P, JEDDI S, et al. Nitrate and nitrite content of vegetables, fruits, grains, legumes, dairy products, meats and processed meats[J]. Journal of Food Composition & Analysis, 2016, 51:93-105.

[2] CHEN L J, LIANG Z H, WANG F J. Evaluation of nitrate pollution of vegetables in some vegetables production bases of guangdong province[J]. Modern Agricultural Science & Technology, 2016,(10):263-264.

[3] MAYSANDAR K, 顧立江, 程紅梅. 植物中硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的作用[J]. 生物技術進展, 2011, 1(3):159-164.

[4] IAMMARINO M, DI T A, CRISTINO M. Monitoring of nitrites and nitrates levels in leafy vegetables (spinach and lettuce): a contribution to risk assessment[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture, 2014, 94(4):773-778.

[5] TEMME E H, VANDEVIJVERE S, VINKX C, et al. Average daily nitrate and nitrite intake in the Belgian population older than 15 years[J]. Food Additives & Contaminants Part A Chemistry Analysis Control Exposure & Risk Assessment, 2011, 28(9):1 193.

[6] HORD N G, TANG Y P, BRYAN N S. Food sources of nitrates and nitrites: the physiologic context for potential health benefits[J]. American Journal of Clinical Nutrition, 2009, 90(1):1-10.

[7] 張蕾, 付強, 戚飛飛,等. 葉菜硝酸鹽污染控制方法特征解析與發(fā)展趨勢[J]. 北方園藝, 2016(6):185-188.

[8] BRYAN N S, ALEXANDER D D, COUGHLIN J R, et al. Ingested nitrate and nitrite and stomach cancer risk: an updated review[J]. Food & Chemical Toxicology An International Journal Published for the British Industrial Biological Research Association, 2012, 50(10):3 646-3 665.

[9] INOUECHOI M, SINHA R, GIERACH G L, et al. Abstract 1883: Dietary nitrate and nitrite, micronutrients, and postmenopausal breast cancer risk in the NIH-AARP Diet and Health Study[J]. Cancer Research, 2015, 75(15 Supplement):1 883-1 883.

[10] INOUECHOI M, SINHA R, GIERACH G L, et al. Red and processed meat, nitrite, and heme iron intakes and postmenopausal breast cancer risk in the NIH-AARP Diet and Health Study[J]. International Journal of Cancer Journal International Du Cancer, 2016, 138(7):1 609.

[11] 趙靜, 王娜, 馮敘橋, 等. 蔬菜中硝酸鹽和亞硝酸鹽檢測方法的研究進展[J]. 食品科學, 2014, 35(8):42-49.

[12] 賀瑞青. 淺析硝酸鹽和亞硝酸鹽中毒病[J]. 農業(yè)與技術, 2015(2): 181-181.

[13] 郝美麗. 一例羊亞硝酸鹽中毒引發(fā)的思考[J]. 畜牧獸醫(yī)科技信息, 2015(5):82-83.

[14] 杜鵬. 乳品微生物學技術[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社. 2007：57-58.

[15] 遲雪梅, 張慶芳. 食品中常見乳酸菌高效降解NO2-發(fā)酵性評價能[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2017, 43(6): 78-84.

[16] 楊麗娜, 遲雪梅, 遲乃玉, 等. 常用食品乳酸菌發(fā)酵蔬菜的研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2017,43(3): 130-133+139.

[17] 張慶芳, 遲乃玉, 孟憲軍, 等. 蔬菜腌漬發(fā)酵乳酸菌劑的研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2004, 30(1): 13-16.

[18] 中華人民共和國衛(wèi)生部. GB 5009.33—2010食品安全國家標準食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定[S]. 中國標準出版社，2010: 1-17.

[19] 李增利. 發(fā)酵方式及起始pH值對泡菜亞硝酸鹽及硝酸鹽含量的影響[J]. 食品研究與開發(fā), 2008, 29(4): 132-135.

[20] HOU Jun-cai, JIANG Cheng-gang, LONG Zhong-chen. Nitrite level of pickled vegetables in Northeast China[J]. Food Control, 2013, 29(1): 7-10.

[21] 張慶芳, 遲乃玉, 鄭艷, 等. 關于蔬菜腌漬發(fā)酵亞硝酸鹽問題的探討[J]. 微生物學雜志, 2003, 23(4): 41-44.

[22] XIA Y, LIU X, WANG G, et al. Characterization and selection ofLactobacillusbrevis, starter for nitrite degradation of Chinese pickle[J]. Food Control, 2017, 78: 126-131.

[23] 龍桂琴. 腌制食品中亞硝酸鹽測定結果分析報告[J]. 中國衛(wèi)生產業(yè), 2016, 13(28): 82-84.

[24] BADAWI A F, GEHAN H, MOHAMED E H, et al. Salivary nitrate, nitrite and nitrate reductase activity in relation to risk of oral cancer in egypt[J]. Disease Markers, 1998, 14(2): 91-7.

[25] 張慶芳, 遲乃玉, 鄭燕. 乳酸菌降解亞硝酸鹽機理的研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2002, 28(8): 27-31.

[26] 張慶芳, 遲乃玉, 鄭學仿, 等. 短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)去除亞硝酸鹽的研究[J]. 微生物學通報, 2004, 31(2): 55-60.