发酵工程 刘欢

《发酵工程》课程论文

—论发酵工程在食品工业中的应用

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论发酵工程在食品工业中的应用

作者：XXXX 专业：XXXXXXXXXXXX

摘要：本文主要从传统发酵技术的发展、现在发酵技术在食品工业中的重要作用，以及主要的一些发酵工程应用实例，来阐述发酵工程在生物工程中的重要地位。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、开发功能性食品和微生物油脂的生产等。

关键词：传统发酵技术发酵工程食品工业应用

一、发酵工程发展简史

（一）传统发酵技术

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。我国传统发酵食品历史悠久，产品风味浓郁，有着非常丰富的内涵，曾影响着日本、朝鲜、以及一些西方国家，但由于其发酵周期长，受环境因素影响大，产品质量不稳定，人工成本高，工业化水平低，发展缓慢。近年来，在现代生物技术的影响下。吸收国外发酵技术，我国发酵食品工业化水平逐年提高，白酒，啤酒，葡萄酒，酸奶等产品的工业化生产发展迅速，其他产品如腐乳、酱油、醋等，工业化程度也在提高。但随着发酵食品的不断发展，中国发酵食品在制作过程中也出现了一系列的问题，虽然现代生物技术提高了生产效率，但是产品味感较清，已经失去了传统发酵食品的风味，常需要加入各种香料，色素，营养物质，才能弥补产品风味的不足[1]。

人类利用自然发酵现象生产食品已有几千年的历史。酿酒就是最传统的发酵技术之一。大约在9000年前，具有人们用谷物酿造啤酒。在4000年前的龙山文化时期，我国就出现了黄酒酿造技术。都将、醋、豆腐乳、泡菜、奶酪等传统食品的生产也均在2000年以上。这些产品都是数千年来人们凭借智慧和经验，在没有亲眼见到微生物的情况下巧妙地利用微生物所获得的[2]。当时，人们不知道发酵的本质，也就不会人为地控制发酵过程，生产职能凭经验，因此这个时期也成为天然发酵时期。现在，传统发酵技术仍然广泛应用于食品生产。

（二）近代发酵技术

1.微生物纯培养技术期间

1680年，荷兰商人、博物学家列文虎克用自己发明创造的显微镜发现了微生物世界，这是人类第一次看到了微生物。19世纪中叶，巴斯德通过实验证明了酒精发酵现象是由活酵母引起的，并指出发酵现象是微生物进行的化学反应。1872年，布雷菲尔得创建了霉菌纯培养法，科赫完成细菌纯粹培养技术，从而确立了但中威武的纯培养技术，是发酵技术从先进的凭借经验的天然发酵转变为可以人类控制和调节的纯培养发酵。

2.深层发酵技术时期

1928年，弗莱明发现了青霉菌能抑制其菌落周围的细菌生长的现象，并证明了青霉素的存在。20世纪40年代，第二次世界大战爆发，由于前线对抗生素的需求量非常大，从而推动了青霉菌的研究进展。青霉素发酵技术的血凝素发展推动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展。1944年，人们发现了用于治疗结核杆菌引起的感染的链霉素，随后，又陆

续发现金霉素、土霉素等抗生素。此阶段的发酵工程表现出的主要特征是微生物液态深层发酵技术的应用。

（三）现代发酵技术

1.代谢调控技术的应用

随着基础生物科学如生物化学、酶学、微生物遗传学等学科的飞速发展，再加上新型分型方法和分离方法的发展，发酵工程领域的应用及应用有了显著的进步，特别是在微生物酶转化技术、微生物人工诱变育种以及微生物代谢调控技术等方面取得了可喜成果。如采用微生物进行甾体化合物的转化技术，成功地将甾体转化成副肾上腺皮质激素、性激素等。如利用代谢调控为基础的新的发酵技术，使野生的生理缺陷型菌株代谢产生谷氨酸。又通过人工诱变育种技术，选育获得谷氨酸高产菌株，从而大大提高了谷氨酸产量，实现了谷氨酸的工业化生产。由此也促进了代谢调控理论的研究，推动了其他氨基酸的工业化生产步伐。由氨基酸发酵而开始的代谢空竹发酵，使发酵工业进入了一个新的阶段。随后，核苷酸、抗生素以及有机酸等也可通过代谢调控技术进行发酵生产。

2.基因工程技术的应用

1953年，沃森与克里克提出了DNA的双螺旋结构模型，为基因重组奠定了基础。20世纪70年代，人们成功实现了基因的重组和转移。随着重组DNA技术的发展，人们可以按预定方案把外援目的基因克隆到荣故意大规模培养的微生物细胞中，人为制造了我们需要的“工程菌”，通过“工程菌”的大规模发酵生产，

可得到原先只要动物或植物才能生产的物质，如胰岛素、干扰素、白细胞介素和多种细胞生长因子等。维生素菌种从过去繁琐的随机选育朝着定向育种转变，从而达到定向改变生物性状与功能的目的，通过发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，大大地丰富了发酵工业的范围，使发酵技术发生了革命性的变化

现在发酵食品已经成为食品工业中的重要分支，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。

（四）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[3]。

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。

（一）发酵工程在食品工业中的应用

1.以现代发酵工程改造传统发酵食品

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，而生物反应器中把酵母连续发酵3个月活力不降低，为制造“生物啤酒”，开创了新途径[3]；Arira 等人运用固定化醋酸菌酿制食醋，可缩短发酵延长缓期，醋化能力提高9-25倍[4] 。

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。

2.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[5]。

3.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[6]。

4.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。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[7]。

5.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[8]。

6.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、植物种子发芽转化法和微生物转化法等。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。

7.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，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[9]。

8.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。9.L-肉碱的制备

L-肉碱的制备(Candtme)的化学名称是L-3-羟基4-三甲铵丁酸，广泛用于机体组织内，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；同时也可用在婴幼儿食品、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祖冲的固体培养基中，25℃培养4d-7d，L-肉碱的产量为12%-48%[10]。

三、展望未来

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。

参考文献

[1][2] 论中国传统发酵和现代发酵食品_龙立利

[3] ISMAILS.Biotechonology and food security in the 21st century

[J].Science,1999,285:387-389

[4] THOMSON J A T.Research needs to improve agriculture productivity and food quality Quality with emphasis on biotechnolgy[J],J Nutr,2002,132:3441-3442.

[5][6][8] 现代发酵工程技术在食品领域的应用研究进展_史先振

[7] 姬德衡．发酵工程在功能食品开发中的应用[J]．食品技术，2002

[9] 蒋立刚.微生物油脂—人类营养素的新资源[N].中国食品报，2002（3477）

[10] 罗明典．生物技术领域十个方面的发展趋势[J]．生物工程进展，1997，(2)：35—40