發(fā)酵工程技術(shù)在食品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

◎ 匡小波

（江西富祥藥業(yè)股份有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

經(jīng)濟(jì)發(fā)展大大提高了人們的生活水平，同時(shí)人們也越來(lái)越關(guān)注“舌尖上的安全”。在進(jìn)行食品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，利用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)，能生產(chǎn)出質(zhì)量更高、更安全健康的發(fā)酵食品，還能豐富發(fā)酵食品的種類(lèi)，同時(shí)滿足人們的品質(zhì)需求和飲食多元化需求[1]。現(xiàn)代生物工程包含了基因、細(xì)胞、發(fā)酵工程以及酶工程這幾大類(lèi)。其中，基因工程與細(xì)胞工程是典型的生物技術(shù)工程，而發(fā)酵則是基因與細(xì)胞工程的重要實(shí)施載體，只有利用發(fā)酵工程才能使基因工程與細(xì)胞工程所選育的菌種實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，體現(xiàn)出生物工程的經(jīng)濟(jì)效益。

1 發(fā)酵工程技術(shù)概述

發(fā)酵工程技術(shù)實(shí)質(zhì)上是發(fā)酵技術(shù)與基因工程、細(xì)胞工程相結(jié)合，通過(guò)DNA重組、細(xì)胞融合以及分子修飾等手段，充分發(fā)揮微生物的特性，生產(chǎn)出相關(guān)產(chǎn)品，或者是將微生物直接作用于生產(chǎn)過(guò)程的一項(xiàng)技術(shù)[2]。發(fā)酵工程包含的內(nèi)容有選育菌種、選擇培養(yǎng)基、滅菌、發(fā)酵以及提純等?，F(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)的應(yīng)用為傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)注入了新的活力，增加了微生物發(fā)酵制品的種類(lèi)，構(gòu)建了更為龐大的發(fā)酵工程體系。

2 發(fā)酵工程技術(shù)在食品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

2.1 在食品添加劑開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在食品開(kāi)發(fā)與加工生產(chǎn)的過(guò)程中，為了使食品更具風(fēng)味，做到色香味俱全，經(jīng)常會(huì)用到相應(yīng)的食品添加劑。但是傳統(tǒng)的食品添加劑，如食用色素，通常源于植物中提取或是化學(xué)合成[3]。植物提取不僅成本高且原料的來(lái)源有限，化學(xué)合成雖然成本低，但是存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此發(fā)酵工程技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前食品添加劑開(kāi)發(fā)中的技術(shù)首選。利用微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)食用色素，在保證安全性的同時(shí)又降低了使用成本。

2.1.1 氨基酸

氨基酸屬于一種有機(jī)化合物，其中包含了氨基與羧基，前者屬于堿性，后者屬于酸性，這是蛋白質(zhì)的基本組成部分，也是人體所需要的營(yíng)養(yǎng)成分。在氨基酸碳鏈中，α-氨基酸包含了酸甜苦鮮等幾種不同的口感，其中谷氨酸單鈉及甘氨酸則是調(diào)味品中應(yīng)用較為廣泛的成分。在進(jìn)行氨基酸合成與生產(chǎn)的過(guò)程中便可以利用微生物發(fā)酵的方法，如通過(guò)對(duì)1紅酵母菌種的二級(jí)發(fā)酵來(lái)獲取L-苯丙氨酸[4]，再例如通過(guò)黃色短桿菌發(fā)酵獲得谷氨酸單鈉。此外還可以通過(guò)工程菌培育的方法進(jìn)行特定氨基酸的合成，相比于傳統(tǒng)的化學(xué)合成，微生物發(fā)酵能進(jìn)一步提高產(chǎn)量，降低經(jīng)濟(jì) 成本。

2.1.2 維生素

維生素屬于一種微量物質(zhì)，是人體所必需的營(yíng)養(yǎng)成分，可以通過(guò)飲食方式進(jìn)行補(bǔ)充。維生素在人體生長(zhǎng)發(fā)育、代謝當(dāng)中作用顯著。嚴(yán)格來(lái)講，維生素屬于一類(lèi)營(yíng)養(yǎng)元素，在體內(nèi)既不參與構(gòu)成人體細(xì)胞，也不為人體提供能量。維生素不能由體細(xì)胞合成，即使合成含量也非常少，必須要通過(guò)食物來(lái)供給，如在進(jìn)行食品開(kāi)發(fā)與加工生產(chǎn)的過(guò)程中可以通過(guò)外部添加的方式予以補(bǔ)充。同樣，可以利用發(fā)酵工程技術(shù)來(lái)進(jìn)行維生素的獲取。例如，通過(guò)阿氏假囊酵母類(lèi)微生物的發(fā)酵可以獲得維生素B2[5]；通過(guò)培育黃桿菌或丙酸桿菌，經(jīng)過(guò)分離提純可以獲得維生素B12；通過(guò)弱氧化醋酸桿菌、氧化葡萄糖酸桿菌的發(fā)酵可以獲取 維生素C。

2.1.3 防腐劑

防腐劑會(huì)對(duì)微生物的活動(dòng)產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而達(dá)到防腐效果，屬于一種常見(jiàn)的食品添加劑，主要通過(guò)對(duì)微生物的正常的酶系運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生破壞作用，抑制酶活性，從而達(dá)到防腐的目的。除此之外還有一類(lèi)防腐劑主要用于保持食品原有的品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，例如苯甲酸、山梨酸等[6]。防腐劑在食品生產(chǎn)中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在傳統(tǒng)化學(xué)合成防腐劑的基礎(chǔ)上，利用微生物發(fā)酵又發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌素、乳酸菌素等抑菌物質(zhì)。細(xì)菌素是一種由細(xì)菌產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)，多為多肽類(lèi)復(fù)合物，能抑制霉菌的產(chǎn)生。乳酸菌素是由乳酸菌、乳酸桿菌發(fā)酵而成的，能抑制腸道致病菌，促進(jìn)正常菌群的生長(zhǎng)。

2.1.4 核苷酸

核苷酸屬于一種化合物，具有非常重要的生物學(xué)功能，不僅影響能量代謝，還與人體免疫有著密切的關(guān)系。通過(guò)發(fā)酵工程技術(shù)的應(yīng)用，可以利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生核苷和嘌呤核苷酸。例如可以通過(guò)酵母發(fā)酵后，利用熱水提取核酸后再經(jīng)過(guò)酶水解獲得腺嘌呤核苷酸以及次黃嘌呤核苷酸。

2.2 在傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品改良中的應(yīng)用

在食品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域，還可以將現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)用于對(duì)傳統(tǒng)發(fā)酵食品的改良，尤其是在釀造醬油、食醋以及酒精類(lèi)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)中。①對(duì)于醬油的釀造，可以利用曲霉發(fā)酵工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)醬油釀造的改良，曲霉的使用能極大地提升原料中蛋白質(zhì)的利用率，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用曲霉后，原料中蛋白質(zhì)利用率能高達(dá)85%。②利用固定醋酸菌的方法進(jìn)行食醋釀造，不僅能顯著提升醋化能力，還能縮短發(fā)酵的周期，提高食醋的生產(chǎn)效率，降低釀造成本。除了醬油和食醋之外，像腐乳、黃豆醬這一類(lèi)的發(fā)酵食品，都可以通過(guò)培育相應(yīng)的菌種發(fā)酵制得，不僅能減少發(fā)酵時(shí)間，還可以改良發(fā)酵食品的風(fēng)味和品質(zhì)。③對(duì)于酒精類(lèi)產(chǎn)品，以啤酒的生產(chǎn)為例，可以用固定微生物細(xì)胞的方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的啤酒發(fā)酵工藝，通過(guò)吸附包埋法來(lái)固定處理微生物，能極大地提升啤酒發(fā)酵效率，降低設(shè)備能耗，從而提高啤酒的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.3 在單細(xì)胞蛋白開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是生命運(yùn)動(dòng)必需的物質(zhì)，人體可以通過(guò)飲食來(lái)增加蛋白質(zhì)的攝入量，合成人體所需要的蛋白質(zhì)。人們所攝入的蛋白質(zhì)大多是來(lái)源于動(dòng)植物，當(dāng)前，在蛋白質(zhì)攝入方面存在全球性的資源緊缺問(wèn)題。為了更好地解決這一問(wèn)題，就要實(shí)現(xiàn)對(duì)新的蛋白質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，除了植物和動(dòng)物蛋白之外，還存在微生物蛋白，也就是單細(xì)胞蛋白。單細(xì)胞蛋白中最重要的就是酵母蛋白、細(xì)菌蛋白和藻類(lèi)蛋白，其中酵母蛋白的蛋白質(zhì)含量在40%～60%，細(xì)菌蛋白的蛋白質(zhì)含量在60%～70%，藻類(lèi)蛋白的蛋白質(zhì)含量可以高達(dá)90%。對(duì)于藻類(lèi)蛋白而言，其中的螺旋藻及小球藻最為突出，其屬于微藻類(lèi)型，在這兩種藻類(lèi)中，除了必需的含硫氨基酸量比較少，其他的人體必需氨基酸含量非常豐富，且含有大量的活性成分，因此當(dāng)前有許多機(jī)構(gòu)和國(guó)家正在積極進(jìn)行藻類(lèi)食品的開(kāi)發(fā)。單細(xì)胞蛋白在食品開(kāi)發(fā)中可以用于制造人造肉，并且基于一些單細(xì)胞蛋白良好的抗氧化性，還可以用于開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)嬰幼兒食品。除此之外，單細(xì)胞蛋白的應(yīng)用還能對(duì)食物中的一些性質(zhì)產(chǎn)生改變作用，例如將活性酵母加入紅餅，酵母的濃縮蛋白可以顯著提升食品的鮮味，可以用作食品增鮮劑。

2.4 在甜味劑加工中的應(yīng)用

甜味劑屬于較為常見(jiàn)的添加劑，能增加食品或者飲料當(dāng)中的甜味。在食品開(kāi)發(fā)中，甜度是重要指標(biāo)，為了使食品或飲料更加適口，使食品獲得更好的風(fēng)味，通常會(huì)加入一定量的甜味劑。甜味劑的種類(lèi)較多，一般分為天然甜味劑和人工合成甜味劑，相較于天然甜味劑，人工合成甜味劑的成本要更低，因此使用范圍也更加廣泛。但是近年來(lái)研究證明，攝入過(guò)多的甜味劑尤其是人工合成的甜味劑會(huì)對(duì)人體造成一定的損傷，并且對(duì)于患有肥胖癥以及糖尿病的病人而言，其必須嚴(yán)格控制甜味劑的攝入。為了同時(shí)滿足人們對(duì)食品健康和風(fēng)味的需求，相關(guān)研究人員在微生物發(fā)酵技術(shù)的支持下開(kāi)發(fā)了一些新型的甜味劑，也稱(chēng)為新糖源。常見(jiàn)的新糖源有木糖醇和赤蘚糖醇。利用酵母發(fā)酵法，將假絲酵母以木糖為原料進(jìn)行發(fā)酵可以生產(chǎn)出木糖醇。赤蘚糖醇可通過(guò)小麥或者玉米基于酶降解來(lái)獲取，工藝流程主要包括淀粉液化、葡萄糖獲取、生產(chǎn)菌株發(fā)酵、過(guò)濾、色層分離、凈化、濃縮、結(jié)晶、分離、干燥，最后得到赤蘚糖醇[7]。

2.5 在保健食品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

保健食品也被稱(chēng)為功能性食品，主要是指有著較強(qiáng)保健性能或能幫助人體獲取更多微生物的食品。此類(lèi)食品的適用范圍具有局限性，主要針對(duì)特定人群，能對(duì)機(jī)體起到一定的調(diào)節(jié)效果，但并不能對(duì)疾病起到治療作用，也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。當(dāng)前，越來(lái)越多的人開(kāi)始重視身體保健，保健食品市場(chǎng)得到了快速發(fā)展。發(fā)酵技術(shù)在保健食品開(kāi)發(fā)中的合理應(yīng)用，能最大限度地保障保健食品的健康與安全。例如類(lèi)胡蘿卜素的開(kāi)發(fā)。類(lèi)胡蘿卜素主要包括β-胡蘿卜素、蝦青素以及番茄紅素等，這些都是人體所需要的重要微量元素，具有一定的抗氧化性，還可以增強(qiáng)人體的免疫力。對(duì)于類(lèi)胡蘿卜素的獲取，可以通過(guò)酵母發(fā)酵以及真菌發(fā)酵來(lái)取得。再例如乳酸菌食品的開(kāi)發(fā)。乳酸菌是基于對(duì)碳水化合物進(jìn)行發(fā)酵而形成大量乳酸的一種菌群。乳酸菌也是人體必須具備的微生物之一，能對(duì)人體的生理功能起到一定的調(diào)節(jié)作用，其主要分布在人體腸道菌群當(dāng)中。人體攝入一定的乳酸菌或是含有乳酸菌的食品，能對(duì)腸道起到良好的調(diào)節(jié)作用，從而促進(jìn)腸道中的菌群穩(wěn)定及平衡，抑制有害菌繁殖。日常生活中常見(jiàn)的乳酸菌食品有酸奶、酸乳酪，乳酸發(fā)酵的果蔬汁及乳酸菌飲料等。應(yīng)用發(fā)酵工程技術(shù)能以淀粉等可再生資源為原料，通過(guò)發(fā)酵法來(lái)實(shí)現(xiàn)乳酸的大規(guī)模生產(chǎn)，由于其原材料豐富，且生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，安全性高，是乳酸生產(chǎn)領(lǐng)域最為重要的一項(xiàng)技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)在食品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景較為廣闊，發(fā)酵工程技術(shù)的應(yīng)用為食品行業(yè)向工業(yè)化方向邁進(jìn)提供了技術(shù)支撐，為食品開(kāi)發(fā)行業(yè)的健康有序發(fā)展提供了諸多有利條件。