发酵工程在食品工业中的应用

发酵工程在食品工业中的应用

摘要：本文从传统微生物发酵在食品工业中的历史及现代发酵工程的发展，提出了发酵工程在生物工程中占有重要地位。只有通过发酵工程，才能使由基因工程或细胞工程获得的具有某种所需性状的目的菌株实现工业化生产，最终达到基因克隆或细胞融合，获得生产效益和经济效益，发酵工程是生物技术产业化的基础。简要综述了现代发酵工程技术在食品领域的应用及其进展，包括改造传统的食品加工工艺、单细胞蛋白(SCP)的生产、开发功能性食品和微生物油脂的生产等。关键词：发酵工程食品工业应用

微生物广泛存在于自然界中，以微生物供应或制造食品并不是什么新的概念。现在发酵食品已经成为食品王业中的重要分支，就广义而言，凡是利用微生物的作用制取的食品都可称为发酵食品。现代科技中利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类需要的产品称为发酵工程，亦称微生物工程。

微生物在食品中的应用有三种方式：

(1)、微生物菌体发酵是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品，包括用于面包工业的酵母发酵，单细胞蛋白，活性乳酸菌剂等。

(2)、微生物酶发酵，利用发酵法制备微生物酶是当今发酵工业的重要组成部分，包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、酸性蛋白酶、脂肪酶、凝乳酶等。

(3)、微生物代谢产物，包括初级代谢产物一供菌体利用、中级和级次产物如酒类、食醋、有机酸、维生素供人们利用。

近几年基因工程和细胞工程等现代生物技术为发酵工程的发展提供了新技术。重组DNA技术和细胞融合技术，使微生物从来不能产生的一些物质变成了发酵产品，为发酵工程开辟了新的领域。本文简要介绍发酵工程在食品工业中的应用。

一、传统发酵在食品工业中的历史

发酵技术起源干古老的酿造食品工业，如：清酒、啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒、酱油、醋、腐乳以及干酪等的制造。我们的祖先为了生存和发展，很早就发现了利用微生物的发酵作用（古代虽然不清楚微生物的知识）可以提高食物的消化性、保藏性、嗜好性，创造了一系列的发酵工艺和发酵食品。例如，以粮食为原料发酵制成的烧酒、白酒、豆豉、酱、醋等被称为是固体发酵的起源。

我国传统发酵食品是中华食文化的代表，不仅至今为国人之生活必需，而且无论过去和现在都深刻影响着整个人类饮食文明。中国人历来视“柴、米、油、盐、酱、醋、茶”为生活的基本保障，其中酱、醋、茶都和发酵有关。我国传统发酵食品主要种类如下表所示：

中国传统发酵食品有着非常丰富的内涵，其种类之多，方法之妙在其他国家都是罕见的。除了各种酒类产品之外，在人们的日常饮食中发酵食品几乎无处不在。我国各地的泡菜、腌渍菜有很好的保健效果。例如赵丽珺利用降胆固醇能力较强的乳酸菌SUF-1发酵泡菜，并通过体外实验证实泡菜具有一定的降胆固醇效果。

二、现代发酵工程在食品工业中的发展

自20世纪70年代以来，随着基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的现代生物技术广泛应用于食品生产与开发，食品工业也有了飞速的发展。利用现代生物技术不仅能改造食品资源、同时还能改进传统工艺，改良食品品质、提高产品加工深度，增加食品包装功能并将其产业化。现代生物技术也将成为解决食品工业生产所带来的环保和健康等问题的有效途径。发酵工程是生物工程技术的重要组成部分，是生物技术产业的重要环节，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产微生物菌体、改造某些天然物质等。

目前，现代发酵工程技术已作为一种新兴的工业体系发展起来，已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、

能源和环境保护等。现代发酵工程对食品工业的影响主要表现在利用现代发酵技术改造传统发酵食品以及加速开发高附加值的现代发酵产品。涉及到新食品配料、食品加工催化剂、饮料稳定剂、D-氨基酸及其衍生物制造等诸多食品工业领域。

三、发酵工程在食品工业中的应用

3.1改造传统的食品加工工艺

利用现代发酵技术改造传统发酵食品最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺，用于味精生产。可提高原料利用率10％左右。在啤酒生产中，国外采用固定化酵母的连续发酵工艺进行啤酒酿造。可将啤酒的发酵时间缩短至1d，甚至90rain。我国对传统酿造制品，如黄酒、酱类、豆腐乳等利用优选的菌种发酵．提高了原料的利用率，缩短了发酵周期，改良了风味品质。此外，利用发酵工程生产天然色素、天然新型香味剂等食品添加剂，逐步取代人工合成的色素和香精，这也是当前食品添加剂研究的方向。如甜味剂中的木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等；酸味剂中的苹果酸、琥珀酸等；氨基酸中各种必需氨基酸；增稠剂中的黄原胶、普鱼兰、茁霉多糖、热凝性多糖等；风味剂中的多种核苷酸、琥珀酸钠、香茅醇、双乙酰；芳香剂中的脂肪酸酯、异丁醇等；色素中的类胡萝卜素、红曲色素、虾青素、番茄红素等；维生素中的维生素C、维生素B12、核黄素、肉碱；生物活性添加剂中的各种保键活菌、活性多肽等；防腐剂中的乳链菌肽、杀菌肽、瓜蟾抗菌肽、防御素等。

3.2生产单细胞蛋白

单细胞蛋白(SoleCellProtein，SCP)主要指酵母、细菌、真菌等微生物蛋白质资源。由于微生物菌体的蛋白质含量高，同时还含有多种维生素。因此人们已公认SCP是最具应用前景的蛋白质新资源之一，对于解决世界蛋白质资源不足问题方面将发挥重要作用。用于生产SCP的微生物以酵母和藻类为主。也有一些是采用细菌、丝状真菌和放线菌等菌种。现在许多国家都在积极进行球藻及螺旋藻SCP的开发，如美国、日本、墨西哥等国所生产的螺旋藻食品既是高级营养品．又是减肥品，在国际市场上很受欢迎。我国螺旋藻的开发研究始于20世纪70年代。目前已建立了大规模的养殖生产基地。发展前景看好。

3.3开发功能性食品

所谓功能性食品是指在某些食品中含有某些有效成分，它们具有对人体生理作用产生功能性影响及调节之功效，实现“医食同源”，使人们的膳食具有良好的营养性、保健性和治疗性，从而达到健康及延年益寿的目的。因此，这类功能性食品在保健食品产业中形成一个新的主流，也是它发展的必然趋势。

3.3.1 大型真菌的开发

功能性的有效成分主要来自那些名贵中药材如灵芝、冬虫夏草、茯苓、香菇、蜜环菌等药用真菌，因为这些真核微生物含调节机体免疫机能、抗癌或抗肿瘤、防衰老的有效成分，这是发展功能性食品的一个最主要原料来源。一方面直接取白天然源的药用真菌，用于功能性食品的开发；另一方面通过发酵途径实行工业化生产，大量索取。灵芝、冬虫夏草菌发酵培养都取得成功，如河北省科学院微生物研究

所等筛选出繁殖快、生物量高的优良灵芝菌株，应用于深层液体发酵研究取得成功，建立了一整套发酵和提取新工艺，为研制功能性食品提供更为广阔的药材原料源。人工发酵培养虫草菌已在中国医学科学院药物研究所实现，成果卓著，分析产品的化学成分和药理等方面，与天然冬虫夏草类同，临床上应用对高血脂症、性功能障碍、慢性支气管炎等均有疗效，而治疗性功能障碍优于天然冬虫夏草；对病毒性肝炎(乙肝)有显著疗效。因此，通过发酵途径生产这种药用真菌所具有的有效成分，按科学配比掺入功能性食品的研制，必将为人类保健和延年益寿发挥特定的功能作用。

3.3.2 γ-亚麻酸的制备

γ-亚麻酸是人体必需的一种不饱和脂肪酸，对人体许多组织特别是脑组织的生长发育至关重要。γ-亚麻酸具有明显的降血压、降低血清甘油三脂和胆固醇水平的功效。目前以月见草为一亚麻酸的主要来源，但是月见草种子的产量和含油量很不稳定，受气候、产地等条件影响较大，生产周期较长，精炼成本高，不能满足市场日益增长的需要。而利用经筛选高含油的鲁氏毛霉、少根根霉等蓄积油脂较高的菌株为发酵剂，以豆粕、玉米粉、麸皮等作培养基，经液体深层发酵法制备γ-亚麻酸，发酵温度为30℃，时间为2d，干燥菌体中油脂含量25％-35％，其中γ-亚麻酸含量为12％-15％，与植物源相比具有产量稳定、周期短、成本低、工艺简单等优越性。

3.3.3 微生态制剂的制备

许多微生物菌体本身可作为保健食品的功能性配料或添加剂，例

如乳酸菌(乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、双歧杆菌属和片球菌属等)和醋酸菌等，其中双歧杆菌作为微生态调节剂在保健食品中的应用最为广泛，主要的生理功能是抑制和杀死肠道病原菌，从而改善肠道的微生态环境；阻断肠道内致癌物质的生成，产生具有抗肿瘤特性的胞外多糖，能分泌双歧杆菌素和类溶菌物质，提高巨噬细胞的吞噬能力，增强机体免疫力和抗病能力，在肠道内自然合成多种维生素。双歧型微生态制剂一般选用婴儿双歧杆菌，制备工艺为将取用的双歧杆菌纯培养物进行反复接种培养以恢复其活力，将活化后的菌种接种到以脱脂乳为主的菌种继代培养基中，依次进行三角瓶和种子罐培养，利用冷冻干燥机进行冷冻干燥即制成双歧杆菌微生态制剂。

3.3.4 有机形式的微量元素的制备

人体必需的微量元素包括硒、铬、锗、碘、锌、铁等，其中硒、锗、铬3种元素与目前严重危害人类健康的肿瘤、心血管疾病和糖尿病等关系较大，作为活性成分也成为保健食品研究的热点之一。由于无机形式的硒、锗、铬活性很低同时具有不同程度的毒性，所以通过生物方法将无机形式的这些元素转化成有机形式微量元素是其应用于保健食品的前提。转化方法有植物转化法(富硒苹果、富硒水稻、富硒茶叶等)、植物种子发芽转化法(如富硒麦芽或富硒豆芽等)和微生物转化法(如富硒酵母或富硒食用菌等)等。经研究发现酵母细胞对硒具有富集作用(吸收率约75％)，利用酵母的这一特点，在特定培养环境下及不同阶段在培养基中加入硒，使它被酵母吸收利用而转化为酵母细胞内的有机硒，然后由酵母自溶制得产品。富硒酵母95％

以上的硒是以有机硒形式存在的，并且动物试验亦证明其抗衰老及抑制肿瘤功能较亚硒酸钠显著，而其毒性却大大低于亚硒酸钠，因此酵母是将无机硒转化为有机硒的安全有效的载体。富硒酵母在国外己实现工业化并进入实用阶段。与富硒酵母一样，也可以利用啤酒酵母将无机锗和铬转化成为非常活化的有机锗和有机铬。

3.3.5 超氧化物歧化酶(SOD)的制备

SOD广泛存在于动植物和微生物细胞中，目前国内SOD的生化制品主要是从动物血液的红细胞中提取的。SOD能清除人体内过多的氧自由基，延缓衰老，提高人体免疫能力并增强对各种疾病的抵抗力。SOD作为一种临床药物在治疗由于自由基的损害而引发的多种疾病效果显著，可与放化疗结合治疗癌症、治疗骨髓损伤、炎症及消除肌肉疲劳等。临床应用证明SOD作为人体组织细胞的正常成分是安全的、有效的，因此广泛应用于化妆品、牙膏和保健食品中。鉴于动、植物特别是动物血液来源困难，而微生物具有可以大规模培养的优势，故利用微生物发酵法制备SOD将具有更大实际意义，能制备SOD的菌株有酵母、细菌及霉菌。

3.3.6 L-肉碱的制备

L-肉碱(Candtme)的化学名称是L-3-羟基4-三甲铵丁酸，广泛存在于机体组织内，是我国新批准的营养强化剂。能促进脂肪酸的运输和氧化，可应用于运动员食品，提高其耗氧量和氧化代谢能力，从而增强机体耐受力；同时可用在婴幼儿食品、老年食品中，在减肥健美食品中也被采用。传统的生产方法是化学合成法，如今开发了发酵法

和酶法。利用根霉、毛霉、青霉进行固态发酵，在可溶性淀粉、硝酸钠、磷酸二氢钾和小麦麸皮组成的固体培养基中，25℃培养4d-7d，L-肉碱的产量为12％-48％。

3.4 微生物油脂的生产

我们平常吃的油脂不是由芝麻、花生、油菜籽、大豆等油料作物榨取的植物油脂，就是由猪、牛及羊等动物熬制的动物油脂，很少考虑到微生物油脂。其实，在许多微生物中都含有油脂，低的含油率2％-3％，高的60％-70％，且大多数微生物油脂富含多不饱和脂肪酸(PolyunsaturatedFatAcids，PUFA)，有益于人体健康。

当前，利用低等丝状真菌发酵生产多不饱和脂肪酸已成为国际发展的趋势。在我国，武汉福星生物制药有限公司目前已实现大规模生产富含花生四烯酸(ArachidomicAcid，AA)的微生物油脂。微生物油脂的应用已势不可挡，富含AA和DHA的微生物油脂已在美国、日本、英国、法国等国上市。

3.5 开发新糖源

微生物发酵生产的新型强力甜味剂甜度高、热量低，能够满足肥胖症、肝肾病以及糖尿病人的低糖食品要求。如天冬精(门冬酰苯丙氨酸甲酯)甜味是砂糖的2400倍，糖精的12倍。真菌中所含多糖如金针菇多糖、银耳多糖、香菇多糖、灵芝多糖、猴头菇多糖、茯苓多糖、虫草多糖等，具有免疫激活、抗肿瘤、抗衰老、降血糖、降血脂、保肝、防血栓等多种生理功能。上述真菌的菌丝体可采取深层发酵培养制取，然后提取真菌多糖。淀粉经酶解成葡萄糖后，由嗜高渗酵母

发酵后浓缩、结晶、分离、干燥可制得赤藓糖醇；利用酵母发酵法由木糖生产木糖醇等。

展望未来，食品工业将成为现代生物技术应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。随着现代发酵工程技术在食品领域的广泛应用，食品工业将不再是传统农业食品的概念，工业食品将在人们日常生活中占据重要的地位。现代食品工业的蓬勃发展，已显示出发酵工程技术的巨大生命力，要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，重视发酵工程技术的研究，促进我国食品工业的改革，实现我国食品工业健康有序的发展。

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