發(fā)酵蔬菜色澤形成機制及影響因素研究進展

楊 姍，王 衛(wèi)，趙 楠，黃富德，曾雪晴，賴海梅，梅 源，朱永清,,*

（1.成都大學食品與生物工程學院，四川 成都 610106；2.四川省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，四川 成都 610011；3.成都市新都區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川 成都 610599）

發(fā)酵蔬菜包括腌制豆制品、榨菜、酸菜、咸菜、泡菜等，是中國、朝鮮、韓國、日本及東南亞各國的特色傳統(tǒng)發(fā)酵食品。發(fā)酵蔬菜起源于3 100 年前的商周時期，傳承至今已成為國內(nèi)外重要的傳統(tǒng)發(fā)酵食品之一[1]。發(fā)酵蔬菜主要是以新鮮蔬菜為主要原料，經(jīng)鹽、糖、醋、醬、蝦油和其他調(diào)味品腌制，借助蔬菜表面自然黏附的有益微生物或接種商業(yè)發(fā)酵劑在厭氧環(huán)境下發(fā)酵而成[2]。微生物發(fā)酵、鹽或糖溶液的高滲透壓以及色素水解等生化變化賦予了發(fā)酵蔬菜獨特的色澤特征[3-5]。色澤是影響發(fā)酵蔬菜質量和消費者接受程度的主要因素之一，發(fā)酵蔬菜在工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)中需要保持一致并且穩(wěn)定的色澤品質[6]。蔬菜原料、微生物及酶的種類繁多、相互作用關系復雜，且目前對發(fā)酵蔬菜色澤形成機制缺乏全面、系統(tǒng)性的認知，因此難以獲得發(fā)酵蔬菜色澤形成相關的關鍵性信息[7]，此外，在傳統(tǒng)發(fā)酵過程中發(fā)酵蔬菜色澤會受到許多因素的影響，如生產(chǎn)季節(jié)、發(fā)酵環(huán)境、操作衛(wèi)生條件等，所以很難精準調(diào)控發(fā)酵蔬菜的色澤。現(xiàn)代發(fā)酵蔬菜生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)色澤劣化等問題，而關于發(fā)酵蔬菜的色澤鮮有綜述報道，本文從色澤對發(fā)酵蔬菜品質的影響、色澤形成機制及影響因素3個方面進行綜述，以期為控制發(fā)酵蔬菜良好色澤提供參考，為高品質發(fā)酵蔬菜的工業(yè)化、規(guī)?；?、可控化生產(chǎn)提供參考。

1 色澤對發(fā)酵蔬菜品質的影響

色澤是決定發(fā)酵蔬菜質量的最重要因素之一，與發(fā)酵蔬菜的風味、安全性和營養(yǎng)價值相關[8-9]。良好的色澤對發(fā)酵蔬菜品質的提升有積極影響，不但可以增強其視覺吸引力，還可能賦予發(fā)酵蔬菜更強的生物活性，如天然色素（類胡蘿卜素、花青素、類黃酮）以及微生物發(fā)酵產(chǎn)生的色素（如紅曲霉的次生代謝產(chǎn)物紅曲色素）可使產(chǎn)品呈現(xiàn)鮮艷誘人的色澤，同時可通過抗氧化和抑菌作用提高發(fā)酵蔬菜的品質，其具有的相關生物活性對人體健康也有潛在的益處[10-11]；大蒜在發(fā)酵過程中形成其獨特的綠色，綠色素的生成不僅賦予發(fā)酵大蒜更多的風味物質，同時增加了發(fā)酵大蒜的抗氧化活性和抑菌活性[12-13]；白蘿卜經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)生的金黃色澤不僅能激發(fā)消費者食欲，對發(fā)酵蘿卜本身而言，黃色素所具有的抗氧化特性也能抑制其品質的劣變[14]；白蘿卜發(fā)酵過程中微生物產(chǎn)生的類胡蘿卜色素使白蘿卜變黃，提高了產(chǎn)品的感官品質，同時賦予產(chǎn)品更多生物學功能[15]。而因酶促、非酶褐變、微生物產(chǎn)膜或其他生物化學反應導致發(fā)酵蔬菜色澤劣化，嚴重降低了發(fā)酵蔬菜的品質和安全性[16-17]。褐變不僅導致發(fā)酵蔬菜的色澤劣化，褐變過程中產(chǎn)生的硫化物還降低了產(chǎn)品的風味品質，同時對發(fā)酵蔬菜的營養(yǎng)價值產(chǎn)生負面影響[18]。蔬菜發(fā)酵過程中由美拉德反應引起的褐變會造成營養(yǎng)物質損失，同時吡啶、呋喃等致癌化合物以及晚期糖基化終末產(chǎn)物含量增加[19]。發(fā)酵蔬菜表面的微生物膜（呈白色或灰棕色斑點）不僅會降低產(chǎn)品的外觀品質，還會造成蔬菜二次發(fā)酵，導致發(fā)酵蔬菜出現(xiàn)過氧化[20]、渾濁[21]、質地軟化和異味[22]。此外，病原菌和腐敗菌可附著在蔬菜或食品加工設備表面形成致密的生物膜，最終影響發(fā)酵蔬菜的品質[23]。

2 發(fā)酵蔬菜的色澤形成機制

發(fā)酵過程中蔬菜在微生物及酶等作用下形成了獨特的色澤。研究發(fā)酵蔬菜色澤形成機制，對建立更具針對性、靶向性的發(fā)酵蔬菜品質調(diào)控策略，穩(wěn)定產(chǎn)品色澤品質具有積極作用。

2.1 原料色素

原料中的色素是發(fā)酵蔬菜色澤的重要來源，蔬菜中含有的色素物質主要包括葉綠素、花青素、類胡蘿卜素和類黃酮等，蔬菜本身的色素含量與發(fā)酵形成的最終色澤存在明顯相關性[24-26]。不同品種[27-28]、栽培方式[29]、成熟度[30]的蔬菜中色素積累呈現(xiàn)差異，這些色素為發(fā)酵蔬菜色澤的形成提供了底物，在進一步發(fā)酵過程中，隨著加工條件及發(fā)酵環(huán)境（微生物、酸、酶、溫度、水分含量、光照、氧氣含量、金屬離子）的變化，蔬菜中的結合態(tài)色素通過一系列反應生成其他有色或無色物質，使發(fā)酵蔬菜呈現(xiàn)不同的色澤[31-32]。Wiczkowski等[33]研究了發(fā)酵過程中紅甘藍花青素的含量變化，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過程中總花青素損失率為24%，這可能與發(fā)酵過程花青素酰基化有關；Sawicki等[34]發(fā)現(xiàn)甜菜發(fā)酵過程中紅色會逐漸變淺，這可能與甜菜堿含量降低有關，而甜菜堿含量的降低，一方面與微生物發(fā)酵過程引起的基質軟化導致甜菜堿釋放有關；另一方面與pH值降低導致甜菜堿的降解有關。在發(fā)酵過程中需要保護天然色素并確保最終發(fā)酵蔬菜產(chǎn)品的高色澤品質，應考慮蔬菜加工條件及發(fā)酵環(huán)境因素對原料色素穩(wěn)定性的影響。如葉綠素的穩(wěn)定性主要受光照、溫度、氧氣含量、酸性環(huán)境和酶降解的影響[35]；類胡蘿卜素的穩(wěn)定性主要受氧氣含量、光照、酸性pH值和高溫的影響[36]；花青素的穩(wěn)定性主要受溫度、pH值、β-葡萄糖苷酶、光照、氧氣含量和水分活度的影響[37-39]。不同蔬菜原料加工過程中的色澤變化如表1所示。

表1 蔬菜加工過程中色澤的變化Table 1 Color changes during vegetable processing

續(xù)表1

2.2 微生物

發(fā)酵蔬菜色澤的形成與微生物的活動息息相關，乳酸菌、醋酸菌、酵母菌、霉菌等發(fā)酵產(chǎn)生酶、有機酸和色素等代謝產(chǎn)物，進一步在發(fā)酵蔬菜色澤形成的過程中發(fā)揮作用[59]。因此深入研究微生物對發(fā)酵蔬菜色澤形成的作用機制，可以為實現(xiàn)通過微生物精準調(diào)控發(fā)酵蔬菜色澤提供理論依據(jù)。

2.2.1 微生物產(chǎn)生的酶

微生物產(chǎn)生的酶是發(fā)酵蔬菜色澤形成的重要影響因素之一，不同種類的酶通過不同的途徑影響色澤的形成。一方面，微生物產(chǎn)生的酶作為催化劑可加速蔬菜中色素的降解或氧化，使發(fā)酵蔬菜色澤發(fā)生變化。一些乳酸菌菌株產(chǎn)生的β-葡萄糖苷酶可在發(fā)酵過程中水解蔬菜中的類胡蘿卜素和類黃酮等天然色素并影響發(fā)酵蔬菜最終的色澤形成[60-62]。還有學者發(fā)現(xiàn)用解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵蔬菜，菌株產(chǎn)生的氧化還原酶可降解蔬菜在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的黑色素，有效減輕發(fā)酵蔬菜的褐變[63]。此外，酵母也能通過產(chǎn)酶影響發(fā)酵蔬菜色澤的形成，敖曉琳等[64]認為在紅皮蘿卜的發(fā)酵過程中，酵母可在發(fā)酵過程中產(chǎn)生多酚氧化酶加速酚類物質氧化進而導致泡蘿卜變色。另一方面，一些微生物產(chǎn)生的酶提供了色素合成所需底物，會促進相應色澤的形成。Qiu Zhichang等[65]報道接種亞甲基營養(yǎng)芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌發(fā)酵大蒜的過程中，菌株中的中性蛋白酶催化蛋白質水解產(chǎn)生游離氨基酸，進而促進了美拉德反應，與對照組相比，可使色差ΔE提高2.78%。

2.2.2 微生物產(chǎn)生的小分子物質

發(fā)酵過程中的乳酸菌、酵母菌和醋酸菌發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸、乙酸等小分子物質能有效地抑制有害酵母菌、霉菌和腐敗菌的生長，明顯減少了硫化物生成和“生花”等品質劣變的現(xiàn)象[66-67]。此外，這些小分子酸也會在一定程度上降低氧化酶的活性，間接影響酶促褐變反應[68]。任亭等[69]用腸膜明串珠菌與短乳桿菌復合接種發(fā)酵涪陵青菜頭，結果發(fā)現(xiàn)代謝產(chǎn)物乳酸、檸檬酸等能降低多酚氧化酶活性，抑制蔬菜中褐變前體物的氧化，進而減輕泡菜的褐變度。

通過微生物產(chǎn)酸降低蔬菜發(fā)酵體系的pH值，可促進色素的異構化、氧化和降解，使發(fā)酵蔬菜呈現(xiàn)出不同的色澤。在紅皮蘿卜的發(fā)酵過程中，微生物產(chǎn)酸降低泡菜汁的pH值，酸性pH值下紅皮蘿卜中呈紅色的色素被異構化，顏色隨著酸性增強而加深，使發(fā)酵后的泡菜比發(fā)酵前更紅[70]。酸催化色素降解是發(fā)酵蔬菜色澤形成的重要途徑。例如，Lee等[71]研究接種副乳桿菌發(fā)酵紅辣椒對類胡蘿卜素及其降解產(chǎn)物含量的影響，發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌代謝產(chǎn)生的有機酸催化類胡蘿卜素的降解，進而增加了泡菜中類胡蘿卜素降解衍生物的含量，最終賦予產(chǎn)品獨特的色澤；Degrain等[72]研究不同乳酸菌發(fā)酵對非洲茄葉顏色的影響，由于乳酸菌發(fā)酵降低pH值，酸性環(huán)境下葉綠素降解以及含5,8-環(huán)氧基團的類胡蘿卜素氧化，茄葉由綠色變?yōu)樽厣M一步說明微生物產(chǎn)生的小分子酸性物質是影響發(fā)酵蔬菜色澤形成的重要因素之一。

2.2.3 微生物產(chǎn)生的色素

微生物色素是發(fā)酵蔬菜呈色的重要元素，對發(fā)酵蔬菜的特征色澤有重要貢獻。在蔬菜發(fā)酵過程中，當紅酵母大量生長時，其參與代謝產(chǎn)生類胡蘿卜素，會使發(fā)酵蔬菜呈現(xiàn)粉紅色[73]。Reda等[74]發(fā)現(xiàn)從泡菜中分離出的戊糖片球菌能產(chǎn)生類胡蘿卜色素從而影響泡菜色澤。霉菌作為生產(chǎn)色素的微生物，也可在發(fā)酵過程賦予蔬菜特有的色澤，Kaur等[75]接種三孢布拉霉菌（Blakeslea trispora）發(fā)酵胡蘿卜，菌株可產(chǎn)生大量的β-胡蘿卜素使得胡蘿卜發(fā)酵后紅色加深，同時，β-胡蘿卜素的良好抗氧化性能減少了氧化對色澤的影響。另外，紅曲色素具有多種生物活性，在發(fā)酵蔬菜中的應用也越來越廣泛[76-77]。通過控制主要的非生物和生物因素，如溫度、光照和營養(yǎng)以及代謝或基因表達，可以最大限度地提高微生物色素產(chǎn)量。

2.3 蔬菜內(nèi)源酶

酶在發(fā)酵蔬菜色澤形成過程中起主導作用。蔬菜中不同種類酶誘導的氧化、還原、分解、化合反應均會使發(fā)酵蔬菜顏色發(fā)生不同的變化，主要有褐變和非褐變兩類。

酶促褐變是一種普遍存在于發(fā)酵蔬菜中的變色反應，其中多酚氧化酶、過氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶是引起褐變的主要酶[78]。酶促褐變導致的發(fā)酵蔬菜變黑變質可從抑制酶活性、改變酶環(huán)境方面入手，或者從阻斷底物、控制氧氣含量角度出發(fā)，以減緩和抑制褐變的發(fā)生。此外，酶還參與其他一些非褐變酶促變色。在白蘿卜發(fā)酵過程中，芥子苷酶催化硫苷降解生成甲硫基-3-丁烯基異硫氰酸酯后，該物質再與色氨酸反應生成黃色物質2-[3-(2-噻吩并吡咯啉-3-亞甲基)甲基]-色氨酸，最終使發(fā)酵白蘿卜呈現(xiàn)金黃色[79]；百合科蔥屬蔬菜中蒜氨酸酶與底物接觸產(chǎn)生的色素中間體促進了大蒜綠變和洋蔥粉變[80]；以上均為發(fā)酵蔬菜中常見的酶促變色。非褐變酶促變色在提高發(fā)酵蔬菜色澤品質方面具有重要作用。發(fā)酵蔬菜原料中不同酶對其色澤的影響如表2所示。

表2 不同發(fā)酵蔬菜中的酶對色澤的影響Table 2 Effect of enzymes in different fermented vegetables on color

3 影響發(fā)酵蔬菜色澤形成的因素

3.1 溫度

發(fā)酵蔬菜的色澤形成受溫度的影響較大，一方面，溫度能通過影響發(fā)酵過程中的化學反應速率從而影響色澤的形成，通常高溫會加速酶促褐變反應和色素熱降解作用，導致色澤劣化，而低溫更有利于發(fā)酵蔬菜的色澤品質。另一方面，溫度通過影響發(fā)酵蔬菜中微生物菌群結構，間接影響發(fā)酵的色澤：在較低溫度下發(fā)酵有利于乳酸菌生長，乳酸菌發(fā)酵液具有較高的抗氧化活性，可穩(wěn)定發(fā)酵蔬菜的色澤[94]；而在較高溫度下發(fā)酵容易受到雜菌的污染，使發(fā)酵蔬菜的色澤變褐、變黑。Suzuki等[95]在4種不同溫度下制備發(fā)酵泡菜，結果顯示，在4 ℃時泡菜色澤良好，而在更高溫度（10、15、25 ℃）下白色酵母迅速生長，菌落擴散到泡菜表面形成白膜，導致色澤劣變，說明發(fā)酵溫度是控制泡菜色澤劣變的重要因素之一。在溫度調(diào)控方面，可選擇能減少腐敗變色反應發(fā)生和抑制有害微生物生長的溫度以改善色澤。

3.2 pH值

pH值主要通過影響色素合成速率進而影響發(fā)酵蔬菜色澤。Kobayashi等[96]研究了低溫低鹽發(fā)酵過程中pH值對發(fā)酵蘿卜黃變的影響，證實了低pH值能促進黃色素的合成，使發(fā)酵蘿卜更容易黃變。此外，pH值也是影響褐變形成黑色素的關鍵因素，在堿性條件下更有利于褐變發(fā)生，褐變率隨著pH值的增加而增加，而酸度較高時不易褐變[97-98]，因此，低pH值具有保護蔬菜原色的作用。一般發(fā)酵成熟泡菜pH值小于4.5，對于提高發(fā)酵蔬菜色澤品質具有積極意義[99]。

3.3 鹽濃度

鹽在發(fā)酵蔬菜色澤形成中發(fā)揮不可或缺的作用。一方面，鹽的高滲壓可以使蔬菜細胞脫水，釋放底物，促進酶促變色。在蘿卜發(fā)酵過程中，經(jīng)鹽處理后蘿卜組織遭到破壞，硫苷被釋放并與硫苷酶接觸產(chǎn)生黃色素前體物質，促進了發(fā)酵蘿卜黃變[100]。另一方面，鹽濃度通過影響蔬菜發(fā)酵過程中微生物群落組成和代謝產(chǎn)物的變化，直接或間接影響發(fā)酵蔬菜的色澤。Khanna[101]研究了不同鹽濃度對自然發(fā)酵甘藍理化性質和品質的影響，結果發(fā)現(xiàn)與高鹽濃度發(fā)酵甘藍相比，低鹽濃度下發(fā)酵更有利于乳酸菌生長和抑制有害雜菌生長，發(fā)酵甘藍色澤更好。鹽通過抑制有害細菌生長和促進有益菌定植保持發(fā)酵蔬菜的色澤品質，這是蔬菜發(fā)酵過程中色澤形成重要的機制。

3.4 氧氣含量

蔬菜在發(fā)酵過程中接觸氧氣容易發(fā)生氧化、褐變反應和雜菌污染，不利于發(fā)酵蔬菜的色澤品質。董霞等[102]對酸菜褐變機理進行探究，發(fā)現(xiàn)酸菜褐變是由接觸氧氣后抗壞血酸和酚類化學氧化引起的。兼性厭氧乳酸菌是蔬菜發(fā)酵的主要菌種，而有害菌一般是好氧菌，通過隔絕空氣可抑制腐敗菌的生長。Zhang Chengcheng等[103]研究室溫（18～20 ℃）及食鹽添加量為7%（質量分數(shù)）的條件下，二氧化碳和氮氣對發(fā)酵芥菜細菌群落組成及發(fā)酵蔬菜品質的影響，結果發(fā)現(xiàn)隔絕氧氣、增加二氧化碳體積分數(shù)可以促進乳酸菌生長，減少有害菌污染，對發(fā)酵芥菜的顏色具有積極影響。因此，在實際生產(chǎn)中需要通過一定的措施隔絕氧氣，減緩發(fā)酵蔬菜的氧化和褐變。

3.5 光照

光照對不同發(fā)酵蔬菜色澤的影響不同，一方面，光照會引起色素氧化、分解導致變色，如花色苷、類胡蘿卜素和葉綠素作為天然光敏劑受到光照發(fā)生降解，通過避光可以有效避免色素降解導致的色澤劣變；另一方面，光照可抑制氧化酶活性，從而減輕酶促褐變反應的發(fā)生，Aguilar等[104]采用250～740 nm范圍內(nèi)的紫外-可見光照射桃汁2 h，可有效降低其中的多酚氧化酶活性，減少褐變發(fā)生并將感官損失降至最低。

3.6 水分含量

蔬菜水分含量對發(fā)酵蔬菜色澤的形成有較大影響，通過控制水分含量可以間接調(diào)控發(fā)酵蔬菜的色澤。姚利玄[105]的研究顯示，不同程度的脫水處理促進了蘿卜中黃變底物（硫苷）的釋放，失水越多，黃藍度越高。另外，水分含量是影響酶促褐變以及色素降解發(fā)生的重要因素。高水分含量條件下容易發(fā)生美拉德反應，促進發(fā)酵蔬菜褐變，而在低水分含量或完全脫水的蔬菜中褐變難以進行，并且水分含量的降低有利于保護天然色素不被降解，因此，適當?shù)拿撍幚砀欣诰S持發(fā)酵蔬菜的色澤品質[106-107]。

3.7 其他

初加工方式（清洗、去皮、切分、殺菌）的不同也會導致發(fā)酵蔬菜色澤的差異。考慮到去皮方式對色澤形成產(chǎn)生影響，有學者認為采用刀具手工去皮比機械、化學方法更能降低蔬菜褐變的可能性[108]。劉曉燕等[109]研究清洗方式對蔬菜色澤的影響，結果表明，臭氧水結合超聲波清洗相比蒸餾水清洗更能保持蔬菜的色澤。Tinello等[110]研究高壓二氧化碳（high pressure carbon dioxide，HPCD）殺菌技術對蔬菜感官品質的影響，結果顯示HPCD會破壞微生物和酶并保持產(chǎn)品感官品質，降低褐變度。研究初加工方式對色澤形成的影響，了解加工過程中色澤的變化，以避免發(fā)酵蔬菜在加工過程中處理不當而造成的色澤劣變，對提高發(fā)酵蔬菜色澤品質具有重要意義。

4 結 語

多元化的發(fā)酵蔬菜色澤品質調(diào)控技術是推進產(chǎn)業(yè)提質增效的有力保障。原料、酶以及微生物發(fā)酵產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與發(fā)酵蔬菜色澤形成息息相關，同時，色澤品質又受到蔬菜發(fā)酵溫度、pH值、水分含量、光照、氧氣含量等因素的影響。因此，發(fā)酵蔬菜色澤的調(diào)控可從以下5個方面展開：1）蔬菜原料品種的選擇：通過品種篩選，獲得具有更加穩(wěn)定色澤品質的蔬菜品種進行發(fā)酵蔬菜的生產(chǎn)；2）微生物對發(fā)酵蔬菜色澤作用機制的研究：利用多組學技術相結合的方式深入研究發(fā)酵蔬菜中微生物群落構成、群落演替以及各種微生物的代謝特性及其對產(chǎn)品色澤品質的影響，不但有助于發(fā)酵蔬菜色澤調(diào)控技術的研究，還有助于護色發(fā)酵菌種的篩選；3）酶活性的調(diào)控：將現(xiàn)代冷加工方式引入發(fā)酵蔬菜加工，用于鈍化相關酶類，進而達到控制色澤的目的；4）蔬菜呈色物質的測定，進一步明確與消費者感官密切相關的靶性特征呈色物質，闡釋呈色物質與原料、微生物、酶之間的關系，最終形成更具目標性的微生態(tài)調(diào)控技術；5）發(fā)酵條件的優(yōu)化，以選擇最佳色澤形成的發(fā)酵條件?；谏鲜鲫P鍵控制點，對于不同種類發(fā)酵蔬菜的色澤劣化問題采用不同的處理方法，建立多元化的色澤調(diào)控技術，才能有針對性地對發(fā)酵蔬菜的色澤品質進行調(diào)控，以呈現(xiàn)最佳色澤，為高品質發(fā)酵蔬菜的工業(yè)化、規(guī)?；涂煽鼗a(chǎn)奠定基礎。