FSHW | 益生元对东北传统酸菜发酵的影响

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Introduction

酸菜是东北特色发酵果蔬制品，其传统生产方式主要以自然发酵为主，但该方式生产的酸菜品质不稳定且易腐败。大量研究证实，乳酸菌是在酸菜发酵中起关键作用的微生物。乳酸杆菌，片球菌，明串珠菌，魏斯氏菌和肠球菌是酸菜发酵过程中的主要乳酸菌，它们与酸菜中有机酸、氨基酸和挥发性风味化合物（VOCs）密切相关。因此，乳酸菌常用于酸菜发酵，以提高酸菜的品质和稳定性。然而，据报道，单一乳酸菌接种会导致酸菜严重酸化并降低细菌多样性，并对酸菜的风味和质量产生负面影响。

益生元是一种不易消化的食物成分，如低聚果糖（FOS），菊粉（INU），低聚木糖（XOS），低聚半乳糖（GOS）和水苏糖（STA）可通过选择性刺激微生物的生长与活性来影响宿主。许多富含膳食纤维的水果和蔬菜含有益生元。作为选择性发酵的膳食成分，益生元可以促进某些微生物（例如双歧杆菌和乳酸杆菌）的生长和活性，增加产品的有机酸，从而为消费者带来健康益处。另外，益生元也被用于改善食品的品质，如减少香肠脂肪含量、减少奶酪钠含量。益生元对食品质量和感官的影响取决于其用量以及食品的种类。关于益生元对发酵食品品质的影响报道很少。因此，本研究调查了不同益生元对酸菜发酵微生物群落多样性和品质特征的影响，为研发提高工业酸菜品质的新方法奠定基础。

Results and Discussion

发酵蔬菜的pH和总酸（TTA）是评价乳酸发酵产品品质的基础指标。除FOS外，添加益生元降低了酸菜的pH值并增加了TTA。其中，INU组的总酸最高。在发酵结束后，所有酸菜样品的亚硝酸盐均符合国家标准，但添加益生元能够进一步降低酸菜中的亚硝酸盐（Nitrite）含量，有助于提高酸菜的安全特性。

酸菜的“酸香”主要源自于其发酵生成的有机酸。添加益生元能够提高酸菜中大部分有机酸的含量，包括乳酸，乙酸，柠檬酸，琥珀酸，苹果酸和酒石酸（图2）。乳酸和乙酸是酸菜的主要有机酸之一（图2A）。作为乳酸菌发酵的主要代谢产物，乳酸的口感柔和，对酸菜的感官特性产生积极影响，还能够增加发酵体系的微生态稳定性。乙酸是异型乳酸发酵和乙醇发酵的副产物，。除了XOS外，添加益生元发酵能显著增加酸菜中乳酸和乙酸的含量（图2A-B）。STA组的乳酸和乙酸含量均最高。柠檬酸是三羧酸循环的关键代谢中间体，能产生令人愉悦的酸味。在本研究中，酸菜的柠檬酸含量最少（图2C）。琥珀酸、苹果酸和酒石酸与食品的涩味和苦味有关。益生元发酵能增加酸菜中琥珀酸和酒石酸的含量（P＜0.05）（图2D-F）。XOS发酵酸菜中的苹果酸和酒石酸的含量最高，这与后续其苦味和涩味较高的结果一致。

益生元通过调节微生物群落的组成和代谢来改善酸菜的品质。在本研究中，益生元对酸菜的细菌群落多样性和结构有显著影响（图3C）。添加INU和XOS能够增加酸菜中微生物群落的多样性，而GOS和STA则没有显著性的影响。另外，FOS的添加减少了酸菜中微生物群落的多样性。在门的水平上，厚壁菌门和变形菌门仍然是酸菜中的主要菌门（图3B）。其中，乳杆菌，乳球菌，魏斯氏菌，片球菌和明串珠菌是用不同益生元发酵的酸菜中主要的乳酸菌（图3C）。乳杆菌（65.19%～7.82%）是所有酸菜中的优势菌属（图3C）。不同益生元对乳酸菌生长的促进各不相同。所有益生元均能够促进酸菜中乳杆菌的生长，而FOS、INU和XOS能够促进魏斯氏菌的生长。另外，益生元的添加减少了乳球菌、片球菌和明串珠菌的相对含量。因此，益生元的添加会影响酸菜发酵过程中乳酸菌的多样性。

图3 不同益生元对发酵酸菜中细菌群落结构的影响

发酵食品的VOCs决定了消费者的接受度，其组成与微生物的代谢密切相关。基于PLS-DA分析结果显示，乳球菌、乳酸杆菌、魏斯氏菌、片球菌和克雷伯菌被鉴定为与益生元酸菜中VOCs相关的重要微生物（VIP值＞1.0）（图4C）。益生元可以通过影响发酵过程中细菌群落的多样性来影响酸菜中VOCs的分布。不同益生元酸菜中VOCs的分布差异很大（图4A）。随着不同益生元的添加，尤其是STA的添加，3-甲基-2-丁烯腈（C01）、5-氰基-1-戊烯（C03）和苯丙腈（C06）的浓度增加（图4B）。醇，包括1-戊醇（C15）、3-己烯-1-醇（C16）和2-庚醇（C17），也随着不同益生元的添加而增加（图4B）。这可能是因为STA发酵的酸菜中乳杆菌的高丰度。在十字花科蔬菜中，异硫氰酸酯（ITC）来源于芥子油苷在芥子苷酶作用下的分解。2-苯乙基异硫氰酸酯（C35）是十字花科蔬菜中研究最多的芳香ITC，其在酸菜中的浓度很高（图4B），FOS、GOS和XOS的添加能够减少酸菜中的2-苯乙基异硫氰酸酯。

氨基酸的组成能够直接影响酸菜的口感。不同益生元发酵酸菜样品中的氨基酸组成存在显著差异（图5A）。益生元的添加能够显著增加酸菜中氨基酸的含量。其中，GOS组中的氨基酸含量最高（图5B）。在本研究中，乳杆菌与苏氨酸、脯氨酸和半胱氨酸显著相关（图5C），这可能是导致益生元酸菜中苏氨酸含量较高的原因。乳球菌与甘氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸具有显著相关性（图5C）。除此之外，片球菌、hgcl-clade、寡养单胞菌、柠檬酸杆菌、明串珠菌等也是酸菜中与氨基酸密切相关的关键微生物（VIP值＞1.0）（图5D）。因此，益生元可以通过调节微生物群落组成来增加酸菜中氨基酸的含量。

最后，采用电子舌评价益生元添加对酸菜滋味特征的影响。发酵后，INU和STA组的酸菜的酸味评分高于CON和其他组（图6）。添加FOS，INU，GOS和STA可以显著降低酸菜的苦味（P＜0.05）。而添加FOS可以显著降低涩味。余味-A评分反映涩味的余味，余味-B评分反映苦味的余味。添加益生元可以增加酸菜的余味-B，而添加INU，XOS和STA可以显著增加余味-A（图6）。STA的添加能够增强酸菜的鲜味，而GOS能够改善酸菜的丰富性。

Conclusion

益生元的添加对酸菜发酵过程中的微生物群落有显著影响，进一步改善了酸菜的品质特性，如降低pH值，提高有机酸含量，降低亚硝酸盐含量。与对照组相比，添加益生元可以增加酸菜中乳杆菌的丰度，添加FOS发酵的酸菜中乳杆菌含量最高。此外，添加INU和XOS发酵的酸菜含有较高丰度的魏斯氏菌。乳球菌，乳杆菌，魏斯氏菌，片球菌和克雷伯菌是与酸菜中VOCs和FAA密切相关，是形成酸菜风味的关键微生物。进而，益生元的添加影响了酸菜的风味和滋味特征。本研究为工业酸菜的品质提升提供新的思路。

第一作者

赵明伟，男，大连工业大学在读硕士研究生，研究方向为食品科学与工程。

通信作者

梁会朋，男，大连工业大学食品学院副教授，硕导，主要从事发酵食品加工理论研究与技术开发。入选辽宁省“百千万人才工程”人选万层次，大连市青年科技之星，获辽宁省自然科学学术成果三等奖。发表期刊论文30余篇，授权专利4项。主持国家重点研发计划专项子任务、国家自然科学基金青年基金、辽宁省教育厅项目、大连市高层次人才创新支持计划等纵向课题。担任中国食品科学技术学会传统酿造食品分会理事，《食品安全质量检测学报》青年编委， Frontiers in Microbiology评审编辑。

Effects of prebiotics on the fermentation of traditional suancai of Northeast China

Mingwei Zhaoa, Xinying Caoa, Yuzheng Wua, Sibo Zoua, Zhigao Lia, Xinping Lina, Chaofan Jia, Liang Donga, Sufang Zhanga, Chenxu Yub, Huipeng Lianga,*, Fangyu Longa,*

a National Engineering Research Center of Seafood, Collaborative Innovation Center of Provincial and Ministerial Co-construction for Deep Processing, Collaborative Innovation Center of Seafood Deep Processing, School of Food Science and Technology, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

b Department of Agricultural and Biosystems Engineering, Iowa State University, IA 50011, USA

*Corresponding author.

Abstract

Suancai is a traditional fermented vegetable widely consumed in Northeast China. In this study, different prebiotics were used to improve the quality of suancai. Four prebiotics (inulin (INU), xylooligosaccharide (XOS), galactooligosaccharide (GOS), and stachyose (STA)) were shown to reduce the pH value and increase the content of total titratable acidity (TTA) in suancai, while the contents of most organic acids were also increased. The addition of prebiotics had significant effects on the bacterial microbiota during the suancai fermentation process. All prebiotics were shown to contribute to the growth of Lactobacillus. The suancai sample with fructooligosaccharides (FOS) had the highest relative abundance of Lactobacillus. Besides, INU and XOS could increase the abundance of Weissella. To evaluate the quality of suancai fermented with prebiotics, profiles of volatile flavor compounds (VOCs) and free amino acids (FAA) were analyzed. The prebiotics affected the VOCs and FAA profiles via transforming the bacterial microbiota. In addition, the addition of prebiotics also changed the taste prof iles of the suancai samples. This study is among the first attempts to reveal the effects of different prebiotics on suancai fermentation, and the findings provide a foundation to develop new ways for improving the quality of suancai.

Reference:

ZHAO M W, CAO X Y, WU Y Z, et al. Effects of prebiotics on the fermentation of traditional suancai of Northeast China[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(3): 1358-1367. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250114.

文章编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

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