发酵在食品中的应用及研究进展

发酵在食品中的应用及研究进展摘要：传统发酵食品在我国食品工业中占有举足轻重的地位，本文介绍了发酵在食品工业中的应用，详细描述了五种类型的发酵食品，并就食品发酵行业发展现状及其所面临的问题作一综述，提出应对措施。关键词：发酵；食品；应用；进展ResearchDevelopmentandApplicationofFermentedFoodAbstract:Chinesetraditionalfermentedfoodtakesapivotalpositioninthefoodindustry.Thesimplypresentationoffermentationanditsapplicationsinfoodindustrywereintroducedbrieflyinthispaper,mainlyincludingfivetypesoffermentedfood.Then,itanalyzedthestatusoffermentedfoodindustriesandpointedoutcorrespondingproblemsaswellasthecountermeasureandtrendofitsdevelopment.Keywords:fermentation;food;application;development1发酵食品概述发酵工程，即微生物工程，通过微生物的大量繁殖使生物的优良遗传性状得到高效表达，从而生产出人们所需产品，该技术体系主要包括菌种的选育保藏和扩大培养、控制微生物代谢条件、发酵设备及分离纯化精制成品等。发酵工程是现代生物技术的重要组成部分，随着20世纪40年代抗生素发酵工业的建立而兴起。70年代以来，由于细胞融合、细胞固定化以及基因工程等技术的建立，发酵工程进入了一个崭新的阶段，并广泛用于医药、食品、农业、化工、能源、冶金、新材料和环境保护等领域。发酵工程对食品工业的贡献较大，从传统酿造到菌体蛋白，都是农副产品升值的主要手段。发酵食品是指在食品加工过程中有微生物或酶参与而形成的一类特殊食品，其味道独特且具有地方情韵，不仅可以满足人们对不同风味、口感的要求，在营养、生理功能上也有一定成效[1]，主要源于微生物产生的代谢产物和微生物酶对原料分解后产生的分解产物，如功能性碳水化合物、多肽及氨基酸、抗氧化活性物质和益生菌等[2,3]。葡萄酒中存在大量的多酚类物质，其具有抗氧化和消除氧自由基、阻碍血小板凝集、防止低密度脂蛋白的氧化和抗癌作用。研究表明，法国人心血管疾病的发病率和死亡率都较其他西方国家低，这与他们经常饮用葡萄酒有着密切关系[4]。在非洲国家，以谷物等为原料的传统发酵食品通常作为婴幼儿断奶食品和营养辅助食品[5,6]。由于发酵食品原料丰富、工艺简单、生产成本低，因此在发展中国家膳食结构中占有重要地位[7]。我国食品发酵工业发展迅猛，味精、柠檬酸、酶制剂作为我国三大发酵制品，产量突出，生产、出口及消费位居世界前列。2发酵食品的现状及发展据报道，由发酵工程贡献的产品占食品工业总销售额的15%以上。近几年，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，利用微生物发酵生产食品添加剂主要有维生素（VC、VB12、VB2）、甜味剂、添香剂和色素等现代发酵产品，其他产品如腐乳、豆豉、酱油、发酵肠等工业化程度相对较低。2.1发酵食品的菌种菌种是决定发酵产品是否具有产业化和商业化价值的关键因素，是发酵工业的灵魂。工业上常用的酵母有啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，分别用于酿酒、制造面包、生产可食用酵母菌体蛋白等。曲中的微生物由曲霉、红曲霉、根霉等霉菌，假丝酵母、汉逊酵母等酵母菌，以及乳酸菌、丁酸菌、耐高温芽抱杆菌等细菌组成；酸奶及发酵乳饮料是由乳酸杆菌、乳酸球菌、双歧杆菌等发酵制得；啤酒发酵是利用酵母菌；发酵肉制品主要的微生物有乳酸菌、片球菌、霉菌等。黄酒发酵利用毛霉、根霉、酵母；酱油生产则利用米曲霉、酵母菌、乳酸菌；醋的生产主要是醋酸菌的作用。近年来各国学者专注于研究细菌发酵生产酒精以得到耐高温、耐酒精的新菌种。有研究表明，细菌具有较强的抗染菌能力，发酵速度快，运动发酵单细胞细菌在酒精工业生产应用中较酵母会有着更好的优势[8]。日本从土壤中分离出一种酒精生产菌TB-22，可以利用稻草、废木材和纤维素生产酒精[9]。以鲜牛奶为原料，利用乳酸菌与酵母菌发酵密闭杀菌后而成的奶啤，满足人们对发酵型低醇乳饮料产品的需求，同时还推动了中国乳品工业的进一步发展[10]。常规菌种选择育种包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合育种等技术。随着人们对微生物代谢途径及其各种调节机制有了较为全面的认识，逐渐实现了定向育种，在分子生物学的基础上，产生了基因工程育种。2.2食品发酵的类型发酵按培养基的类型分为固体发酵、液体浅层发酵和液体深层发酵，我国传统发酵食品制造中多采用酵母菌、霉菌和细菌等多种微生物进行固体自然发酵，而西方国家多使用细菌、酵母中的一种或几种进行液态纯种发酵，便于使用现代生物技术提高生产效率[11]，液体深层发酵是目前发酵工业的主要类型，如山楂果醋、L-苹果酸、灵芝菌丝等的液体深层发酵[12-14]；按照是否需氧可分为好氧发酵、厌氧发酵和兼性厌氧发酵。根据不同的发酵类型，现在已研制出多种发酵罐。常用于基因工程菌发酵的生物反应器主要有两种基本类型：机械搅拌发酵罐和气升式发酵罐。机械搅拌发酵罐在发酵工厂应用最为普遍，气升式发酵罐省去了机械搅拌，不仅大大降低能耗，而且避免了机械搅拌桨轴封问题造成的染菌隐患。2.3发酵产物的提取与精制多数发酵产品的提取和精制成本比发酵过程的成本高得多，因此要对发酵工程上游及发酵过程进行优化，如菌种改良、发酵条件优化、发酵过程控制等，使发酵工程下游的发酵产物易于提取和精制，从而降低发酵产品的综合生产成本，提高发酵产品的市场竞争力。随着各学科的交融，多种技术运用于产物的纯化，如固液分离技术、细胞破碎技术、浓缩技术、膜分离技术、沉淀分离技术、吸附分离技术、萃取分离技术、色谱分离技术结晶及干燥技术等[15,16]。3发酵食品及其技术应用发酵工程在食品工业的应用广泛，传统发酵产品主要有酱油、食醋、腐乳、白酒、酸菜、腐乳等，除此之外，现代发酵产品还包括氨基酸类、有机酸类、酶类等。3.1氨基酸类产品氨基酸是蛋白质的基本结构单位，也是重要的营养物质，在食品领域需求巨大。氨基酸发酵是指合成菌体蛋白的氨基酸脱离其正常的合成途径，超量合成并排出菌体外的异常发酵。它不以蛋白质为原料而是以废糖蜜和淀粉为碳源，以尿素、氨、硫酸铵等无机氮为氮源，通过微生物合成氨基酸，为食品工业做出了贡献。其最大的优点是生物合成的氨基酸和构成天然蛋白质的氨基酸都是L-型光学活性体，这和化学合成法得到的D，L-型混合的外消旋体完全不同。自1955年人们发现了发酵法高效生产L-谷氨酸的微生物后，氨基酸发酵研究发展迅速。目前已有多种氨基酸如L-赖氨酸、L-苏氨酸、L-异亮氨酸、L-缬氨酸、L-丝氨酸、L-色氨酸实现了工业化生产[17]。其中部分是通过基因工程菌发酵生产获得的，部分氨基酸也可以利用酶法生产。为了实现发酵工艺条件最优化，国内外都采用计算机进行过程控制。3.2有机酸类产品有机酸广泛存在于植物果实中，作为食品、饮料中的重要酸味剂，用以增加食品、饮料的自然风味，同时有机酸有帮助消化和抑制微生物等作用。有机酸发酵的原理是指微生物在碳水化合物代谢过程中，有氧降解被中断而积累各种有机酸[18]。目前以微生物发酵法生产的有机酸有10余种，其中应用较广、用量较多的有机酸有柠檬酸、醋酸、乳酸、苹果酸等，而柠檬酸发酵相当成熟，我国天天集团-山东柠檬生化有限公司按照GMP标准设计的发酵工厂，可年产无水柠檬酸4万多吨，国内外柠檬酸的发酵主要以液体深层发酵为主，固体浅层发酵法在有些发展中国家也有大量应用[19]。3.3酶制剂利用微生物生产酶具有悠久的历史，最具代表性的是制曲酿酒。工业上α-淀粉酶的生产主要来自于细菌和霉菌，霉菌α-淀粉酶的生产多采用固体曲法，细菌如枯草杆菌BF-7658则以液体深层发酵法为主。作为酿造工业上使用的粗酶制剂，直接把麸曲在低温下烘干，得率高、工艺简单[20]；而把麸曲用水或稀释盐水浸出酶后，经过滤和离心除去不溶物后用酒精沉淀或硫酸铵盐析，酶泥滤出烘干，粉碎后加乳糖作为填充剂最后制成酿造用的酶制剂，酶活性单位高，杂质少。3.4酒类产品酒精是制备各类白酒、果酒、药酒及食用香料等的主要原料，酒精生产要求菌种发酵能力高、生长速率高，特别是要有高的耐酒精等性能。酒精发酵工艺有间歇式、半连续式和连续式发酵。近年来，高强度酒精发酵、酵母细胞回用发酵、塔式发酵、透析膜发酵、固定化细胞发酵、萃取发酵、真空发酵、膜回收酒精发酵、中空纤维发酵、固体发酵等新技术、新工艺均取得较大研究进展[21]。3.5多糖类产品近十多年来的大量研究证明，多糖具有许多生物活性。香菇是著名的食用菌类，香菇子实体、菌丝体及发酵液均具抗癌、保肝、降低胆固醇、提高机体免疫力的作用，起主要作用的有效物质即为香菇多糖[22]。采用液体深层发酵的方式，以工业发酵的手段可使香菇菌丝在短时间内快速生长并获取多糖，具有生产周期短、产量高、适于工业化开发等优点。所得的发酵液经破壁处理、过滤、低温提取、减压浓缩等后处理步骤即获香菇多糖浓缩液，再经沉淀、多级洗涤、干燥处理、粉碎等步骤即可获多糖粉。多糖发酵已越来越成为现代发酵工业的重要组成部分。近年来，尤其在热凝胶、结冷胶、裂褶菌多糖以及各种糖缀合物等的研究和发酵生产与应用方面取得了不错的进展[23]。4发酵食品的问题及对策我国的发酵食品行业历史悠久，但受传统工艺影响较深，改进起步较晚，尤其是利用现代生物技术如基因工程等前沿技术对发酵食品微生物进行优良菌种筛选工作成绩较少，因此我国发酵食品总体工业化程度不高。而国外发达国家传统发酵食品发展较快，日本纳豆早已实现规模化生产，韩国泡菜也成为韩国重要的出口产品[24]。一方面，产品质量不稳定，我国大多数企业以传统的天然发酵工艺为主，生产过程和质量控制主要依靠技术人员的经验加以判断，产品的质量受外界因素（温度、湿度、PH值等）的影响非常明显，这使得同一产品不同批次的品质、风味差异较大，难以实现标准化。另一方面，天然发酵过程中微生物菌群复杂，且发酵过程难以控制，不可能完全避免不良微生物甚至病原微生物的侵入，使得发酵终产物可能混有有害菌株而导致有害代谢产物积累，存在安全隐患[25]。如斯国静等人对浙江4种传统大豆发酵食品中的真菌污染情况进行研究，从菌相分布来看，毛霉和青霉检出最多。青霉分布很广，其中软毛青霉可产生有毒代谢产物—黄曲霉素及展青霉素。黄曲霉素已确认为强致癌物，展青霉素也具有遗传毒性，其他青霉如桔青霉、扩展青霉、岛青霉均能产生毒素，具有不同程度的遗传性及致癌性[7]。此外，企业生产没有形成一定的规模，产品结构不合理，资源浪费严重，环境污染突出，经济效益低下。发酵的主要生产环节包括制备发酵剂、选择原料进行发酵、发酵后处理等过程。制备发酵液阶段的趋势是分离纯化发酵过程中的优良菌种，再进行混菌制备发酵剂；原料预处理的方法和发酵条件控制也需要新方法的介入，使其操作简化，易于控制，并利于微生物生长发酵。发酵后处理要根据现代消费观念对传统发酵食品进行适当改进[26]。因此，首先要通过对现有优良菌种的扩大应用、前沿生物技术改良菌种、发酵机理研究等手段，使我们在微生物菌种研究及应用上占优势，缩短与国外差距；其次对发酵菌株进行安全性测试，并对发酵过程中多菌株发酵的代谢产物进行实时监控，以获悉影响食品质量及危害健康的物质的代谢规律[27]；同时对传统发酵工艺进行改进，实现纯种发酵，发酵过程可控，才能使产品优质稳定，并用于新产品的开发；最重要的是在保持传统发酵食品特色基础上，通过高新技术改造，实现现代工业化生产，加快发酵工业原料结构、产品结构、技术装备结构的调整，扩大企业生产规模，提高资源利用率，提升行业的整体水平[28]。5发酵食品的展望我国发酵食品有着悠久的历史，在日新月异的时代潮流中，发酵工程在食品行业中的运用愈加广泛。我们应在保持自身特色的同时，博采众长，不断创新，不仅要在相关基础理论、应用基础理论和应用技术诸方面开展深入研究和开发，还要从战略角度考虑培养和教育一大批高水平的专业技术人员和研究人员，推动我国发酵食品产业向着更好的方向发展。参考文献：[1]梁恒宇,程建军,马莺.中国传统大豆发酵食品中微生物的分布[J].食品科学,2004,25(11):401-404.[2]林海军,张惟广,王明强,侯艳梅.传统发酵食品中功能性成分表的研究进展[J].农产工程技术:农产品加工,2007(10):21-24.[3]李里特,马艳菊.发酵食品酿造过程中组分及营养功能因子的变化和调控[J].中国食品学报,2011,11(9):82-92.[4]刘树文,李华,房玉林.葡萄酒的营养与保健[J].酿酒,1999(5):40-42.[5]MotarjemiY,NoutMJ.Foodfermentation:asafetyandnutritionalassessment.JonintFAO/WHOWorkshoponAssessmentoffermentationasahouseholdtechnologyforimprovingfoodsafety[J].BullWoeldHealthOrgan,1996,74(6):553-561.[6]MotarjemiY.Impactofsmallscalefermentationtechnologyonfoodsafetyindevelopingcountries[J].InternationalJournalofFoodMicrobiology,2002,75:213-229.[7]鲁战会,彭荷花,李里特.传统发酵食品的安全性研究进展[J].食品科技,2006(6):1-5.[8]顾其丰.细菌发酵生产酒精之工业应用前景探索[J].化学反应工程与工艺,1992,8(4):399-406.[9]张微,李秀缺,于爱华.现代生物技术在食品工业中的应用现状及发展趋势[J].2009.[10]杨红敏.奶啤发酵工艺及其香气成分研究[D].河北农业大学,2007.[11]路秀玲,欧宏宇.比较我国和世界传统发酵食品的异同[J].食品工业科技,1999(6).[12]徐晶,江波,辛秀兰.山楂果醋的液体深层发酵研究[J].食品与发酵工业,2006(7):144-146.[13]景晓辉,丁友土.液体深层发酵生产L-苹果酸的研究[J].中国酿造,2005(9):25-28.[14]高玉荣,卢艳明.灵芝菌丝液体深层发酵液体培养基的研究[J].中国酿造,2006(1):18-20.[15]乔德阳.生化分离技术[M].北京:化学工业出版社,2010.[16]白云峰,丁玉彭荷花,张海燕.氨基酸分离纯化的研究进展[J].食品研