發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用

丁 琪，馮志華，孫 濤

（江蘇海洋大學(xué)，江蘇連云港 213000）

發(fā)酵工程是利用前沿生物工程技術(shù)手段和其他自然科學(xué)原理對(duì)原微生物體進(jìn)行改造，開發(fā)出對(duì)國民經(jīng)濟(jì)、人們生活質(zhì)量有價(jià)值的物質(zhì)或者將其直接應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)體系。具體是通過操縱基因重組、細(xì)胞融合、調(diào)控細(xì)胞關(guān)鍵代謝酶、高通量篩選和大分子分離純化等新型技術(shù)手段在傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)上提高改善和創(chuàng)新水平。據(jù)記載，在食品工業(yè)中應(yīng)用發(fā)酵技術(shù)已有數(shù)千年歷史，該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用使得食品性能更具多樣性，同時(shí)也改變了人們的飲食習(xí)性，滿足了消費(fèi)者的特殊需求。隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)也展現(xiàn)出它巨大的發(fā)展前景，兩者相輔相成，對(duì)我國食品工業(yè)發(fā)展具有強(qiáng)大的推動(dòng)力。

1 發(fā)酵工程概述

1.1 發(fā)酵工程原理

發(fā)酵工程是以天然原生物體和人工改造修飾過的生物體為對(duì)象，利用現(xiàn)代高新技術(shù)培養(yǎng)出新菌種，開發(fā)新型產(chǎn)品或者服務(wù)于人類社會(huì)的前沿工程技術(shù)[1]。一般來說，發(fā)酵工程又被稱作微生物發(fā)酵工程。發(fā)酵工程通常包括菌種選育、發(fā)酵、提純3個(gè)環(huán)節(jié)。

在選育菌種環(huán)節(jié)，菌種一般來源于應(yīng)用價(jià)值高的工業(yè)微生物，工業(yè)微生物具有個(gè)體微小、種類繁多、繁殖速度快、分布區(qū)域廣泛、代謝速度快、容易突變改造等特點(diǎn)。發(fā)酵技術(shù)對(duì)菌種的要求較高，主要體現(xiàn)在菌種遺傳性狀穩(wěn)定、不易突變退化，該菌種不能是病原菌，且在整個(gè)發(fā)酵流程中不能產(chǎn)生有毒害物質(zhì)，具備抗噬菌體能力，雜菌能力強(qiáng)且所需的發(fā)酵周期短等[2]。常見的發(fā)酵菌種有釀酒酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等。在這個(gè)環(huán)節(jié)中要重點(diǎn)注意原料的預(yù)處理。

在發(fā)酵環(huán)節(jié)中，可根據(jù)實(shí)際情況采取間歇發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵、流加發(fā)酵3種操作方式。其中，間歇發(fā)酵操作中，氣體是唯一的與外界交換的物料。連續(xù)發(fā)酵則是以相同的速度流入和流出培養(yǎng)系統(tǒng)的新鮮培養(yǎng)基、廢舊培養(yǎng)液，以保持微生物細(xì)胞在恒定狀態(tài)下生長[3]。而流加發(fā)酵則介于其他兩種發(fā)酵操作之間，發(fā)酵環(huán)節(jié)中要重點(diǎn)注意微生物菌種制備和擴(kuò)大培養(yǎng)。

在提純環(huán)節(jié)中，可以采用細(xì)胞破碎技術(shù)、濃縮分離技術(shù)和固液分離技術(shù)等物理、化學(xué)手段，將代謝產(chǎn)物從發(fā)酵繆中分離提出出來，獲得最終產(chǎn)品。在這個(gè)環(huán)節(jié)中要重點(diǎn)注意分離剔除雜菌物質(zhì)。

1.2 發(fā)酵工程特點(diǎn)

優(yōu)質(zhì)的發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)出需要具備合適的微生物菌種、控制微生物代謝活動(dòng)正常的培養(yǎng)條件、微生物發(fā)酵的設(shè)備、支撐產(chǎn)品方法的設(shè)備等諸多條件[4]?，F(xiàn)代發(fā)酵過程因技術(shù)高新和成熟，在發(fā)酵新產(chǎn)品過程中表現(xiàn)出微生物可在常溫常壓下進(jìn)行生化反應(yīng)，可利用廉價(jià)甚至廢物作為發(fā)酵原料生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，生物體可自我調(diào)教來完成整個(gè)發(fā)酵過程，得到單一代謝產(chǎn)物、經(jīng)濟(jì)效益高、低污染、設(shè)備通用性高等特點(diǎn)。

2 國內(nèi)發(fā)酵食品開發(fā)現(xiàn)狀

我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品歷史悠久，發(fā)酵技術(shù)古老而又現(xiàn)代化。目前，我國運(yùn)用微生物發(fā)酵技術(shù)主要開發(fā)豆類、谷類、益生菌類食品。發(fā)酵食品過程中所參與微生物有數(shù)十種，甚至數(shù)千種，由于不同微生物所具有的功能不明確，且多來源于天然野生型菌種，在加上受傳統(tǒng)發(fā)酵工藝影響，導(dǎo)致我國對(duì)發(fā)酵食品技術(shù)中的微生物的應(yīng)用和改善傳統(tǒng)發(fā)酵工藝流程落后于其他生物技術(shù)的發(fā)展[5]。另外，多數(shù)發(fā)酵食品企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、經(jīng)營管理不合理，導(dǎo)致了環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)效益差等現(xiàn)象，這主要是因?yàn)槠髽I(yè)忽視了對(duì)微生物生化原理的研究，不了解其進(jìn)行物化反應(yīng)的本質(zhì)，而把焦點(diǎn)主要集中在描述產(chǎn)品和工藝上。

面對(duì)食品發(fā)酵工業(yè)目前存在的問題，建議應(yīng)圍繞以下幾點(diǎn)措施進(jìn)行改進(jìn)。①通過對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)良菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)、采用前沿生物技術(shù)改良菌種、深入進(jìn)行發(fā)酵機(jī)理研究等手段，使得我國在微生物菌種的研究及應(yīng)用上占據(jù)優(yōu)勢。②改善發(fā)酵工藝流程，實(shí)現(xiàn)純種發(fā)酵，能夠控制發(fā)酵過程，產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。③將確定的食品發(fā)酵工藝用于開發(fā)新產(chǎn)品。④快速調(diào)整發(fā)酵工藝原料結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)裝備結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模，提升行業(yè)的整體水平，實(shí)現(xiàn)非糧深加工產(chǎn)業(yè)例如玉米深加工的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 單細(xì)胞蛋白的生產(chǎn)

微生物的菌體蛋白營養(yǎng)價(jià)值比大豆、肉、魚等食品中蛋白質(zhì)含量高0～50%，且含有的氨基酸組分比較齊全，包含人體所需要的8種氨基酸。蛋白質(zhì)單細(xì)胞可直接生產(chǎn)為蛋白粉，可充當(dāng)食品添加劑應(yīng)用到調(diào)味料，可作為營養(yǎng)增強(qiáng)劑以補(bǔ)充礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)、維生素，可在嬰幼兒奶粉或者米湯種作為抗氧劑等。常用酵母菌、細(xì)菌或者藻類等作為生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白（SCP）的菌種，淀粉、糖蜜、纖維素或者有機(jī)廢料作為生產(chǎn)SCP原料。因?yàn)楫a(chǎn)出SCP的菌種不產(chǎn)毒素，核酸含量低，培養(yǎng)環(huán)境良好和技術(shù)高新，所以SCP的安全性和可接受性高。

3.2 食品添加劑的生產(chǎn)

食品添加劑主要用來改善食品的品質(zhì)和防止食品腐敗變質(zhì)。目前，食品添加劑在人們生活中被廣泛使用，發(fā)酵技術(shù)已成為食品添加劑生產(chǎn)的首要方法。常見的食品添加劑按其用途可分為防腐劑、甜味劑、疏松劑、著色劑、保鮮劑、增味劑、營養(yǎng)強(qiáng)化劑和酶制劑等。在這里以食品膠（黃原膠）和食用色素（β-胡蘿卜素）生產(chǎn)舉例。

黃原膠是20世紀(jì)70年代左右研發(fā)出來的新型食品膠，由黃單孢細(xì)菌和碳水化合物為原料進(jìn)行發(fā)酵所得，它是世界上生產(chǎn)規(guī)模最大的微生物多糖。因黃原膠具有強(qiáng)的親水性、穩(wěn)定性、增稠性、乳化性等優(yōu)質(zhì)性能，常被加入到果汁飲料中作增稠穩(wěn)定劑，在蛋白飲料中作乳化劑，在面包、糖果中作高黏度填充劑，在肉制品中加入黃原膠可提高肉制品的嫩度和持水性，在罐頭食品中加入黃原膠有利于改善口感、增強(qiáng)風(fēng)味，在果蔬中加入黃原膠可防止果蔬褐變、失水，增強(qiáng)食品新鮮度?？偟膩碚f，用微生物發(fā)酵產(chǎn)出的黃原膠安全無毒。

β-胡蘿卜素是一種重要著色劑，具有營養(yǎng)強(qiáng)化功能。在食品中添加該色素可使食品光澤鮮亮，同時(shí)對(duì)降低體內(nèi)血脂、預(yù)防心血管疾病和刺激免疫有積極作用。β-胡蘿卜素的生產(chǎn)菌種是布拉克須霉菌和三孢布拉霉菌等。目前，俄羅斯等東歐國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了β-胡蘿卜素的工業(yè)化生產(chǎn)[2]。

3.3 功能性食品的開發(fā)

利用微生物發(fā)酵技術(shù)開發(fā)出的功能性食品是目前在市場上最受歡迎的一類食品，該技術(shù)利用對(duì)大型真菌的開發(fā)，使食品在具有基本的營養(yǎng)價(jià)值以外，對(duì)人體還有保健和治療作用。以真菌多糖舉例說明。真菌多糖只是一個(gè)廣泛的概念，包括靈芝多糖、香菇多糖、冬蟲夏草多糖、黑木耳多糖等。以靈芝多糖來說，靈芝多糖是從子實(shí)體或者菌絲體中提取出來的[2]?，F(xiàn)實(shí)生活中，靈芝多糖主要應(yīng)用于靈芝乳酸濃縮汁的生產(chǎn)、靈芝發(fā)酵飲料的生產(chǎn)和靈芝菌絲體發(fā)酵酒的生產(chǎn)，它所發(fā)酵出的產(chǎn)品都具有保健功能。

3.4 微生物油脂的生產(chǎn)

微生物油脂是可無限再生資源，它在食品工業(yè)中利用率高，可作為食品添加劑和強(qiáng)化劑等。例如在奶制品中添加從被孢子霉屬真菌油脂中提取的亞麻酸，可以增加奶制品的營養(yǎng)價(jià)值，營養(yǎng)含量接近于母乳。國內(nèi)飛鶴乳業(yè)公司生產(chǎn)的奶粉中就添加了富含AA的微生物油脂。另外，把含有亞油酸的微生物油脂作為冷凍糕點(diǎn)的油脂原料，對(duì)人體動(dòng)脈的硬化和高血壓都能產(chǎn)生積極的預(yù)防作用。因微生物油脂含有豐富的不飽和脂肪酸，也可作保健品供人類食用。它還可以作畜禽的飼料添加劑，間接改善肉的品質(zhì)。

3.5 新糖原的開發(fā)

新糖原是利用發(fā)酵工程技術(shù)開發(fā)出來的一類新型甜味劑，區(qū)別于傳統(tǒng)型甜味劑之處是它具有很強(qiáng)的功能性，熱量低，對(duì)人體無毒無害，能夠調(diào)節(jié)身體健康、改善腸道功能、抗齲齒、降血糖，可以消除患有肥胖癥、糖尿病、肝腎衰竭患者對(duì)高糖食品造成身體損害的顧慮。熟知的甜味劑有木糖醇、甜蜜素、果糖、麥芽糖醇和果葡萄糖漿等。

4 結(jié)語

發(fā)酵工程技術(shù)是一類前沿高新的生物技術(shù)。如今，該技術(shù)在食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，依托發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)出的食品的性能更加全面，給人們生活帶來利好的食用價(jià)值。今后，在發(fā)展發(fā)酵工程技術(shù)時(shí)，應(yīng)找準(zhǔn)研究方向，建議重點(diǎn)圍繞提高微生物代謝產(chǎn)物的分離提純技術(shù)、創(chuàng)新微生物資源、固定化酶生產(chǎn)和應(yīng)用、加強(qiáng)發(fā)酵與釀造過程的控制、創(chuàng)新和完善發(fā)酵工藝流程，優(yōu)化資源配置、注重食品營養(yǎng)價(jià)值和保健功能、堅(jiān)持循環(huán)經(jīng)濟(jì)，降低成本、保障保障微生物菌種的安全性和穩(wěn)定性這幾大方向推動(dòng)發(fā)酵工程技術(shù)變革，期望產(chǎn)出更多優(yōu)質(zhì)性能的食品，促使食品工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。