農業有機廢渣固態發酵在食品工業中的應用

任 虹，曹學麗，徐春明，王巧娥

(北京工商大學化學與環境工程學院植物資源研究與開發實驗室，北京100048)

農業有機廢渣固態發酵在食品工業中的應用

任 虹，曹學麗，徐春明，王巧娥

(北京工商大學化學與環境工程學院植物資源研究與開發實驗室，北京100048)

農業廢渣含有多糖、纖維素、維生素、礦物質等可再利用物質，通過微生物固態發酵開發這些有機廢渣生產高附加值代謝物，達到碳氮循環利用，同時解決了有機廢渣堆放污染問題，具有良好的生態環境和社會經濟效益。本文從微生物固態發酵方面綜述了近年來利用農業有機廢渣生產食品工業相關的高附加值微生物代謝物如酶(α－淀粉酶、果糖轉化酶、菊粉酶、脂酶、果膠酶等)、有機酸(乳酸、檸檬酸等)及一些食品添加劑的研究進展。

農業有機廢渣，固態發酵，食品工業，酶，有機酸，食品添加劑

Abstract:Agro－wastes contain several reusable substances such as soluble sugars，fibre，vitamin and mineral substances.Direct disposal of such wastes to soil or landfill causes serious environmental problems.Solid－state fermentation(SSF)for specific value－added products using these bio－wastes is favorable to both the carbonnitrogen recycle and the resolution of bio－wastes dump，which has become a very attractive alternative for the great economical and environment－friendly advantages.This paper reviews the reutilization of agro－wastes for the production of several metabolites relevant to food processing industry such as enzymes(α－amylase，fructosyl transferase，inulinase，lipase，pectinase ，etc.)，organic acid(lactic acid，citric acid)and some food additives using the SSF technique.

Key words:agro－wastes;solid－state fermentation;food industry;enzyme;organic acid;food additives

近年隨著農業、果品種植業和生產加工業的迅速發展，農產品或果品加工后產生了大量的農作物麩皮、殼和秸桿以及各種果渣等有機廢渣(Agrowastes or biological wastes)，這些廢渣中含有大量糖、纖維素、維生素、礦物質等可再利用物質，如不采取措施綜合利用，大量廢渣在短時間內會腐爛變質，造成環境污染和資源的巨大浪費［1］。近年來，利用現代發酵及分離技術對這些資源進行深層次的研究開發，從而獲得高活性、高附加值的天然功能產品，引起了各國學者的廣泛重視，其中以有機廢渣為基本培養基，選擇合適的微生物菌株(酵母、真菌或細菌)進行固態發酵(Solid State Fermentation，SSF)，以獲得高附加值的微生物代謝物，如α－淀粉酶、果糖轉化酶、脂酶、果膠酶、乳酸、檸檬酸以及具有某些功能的食品添加劑已成為研究熱點［2－3］。微生物有機廢渣固態發酵不僅研發出大量的高活性的天然功能產品，使其在食品加工、營養保健方面發揮了重要的作用，同時也解決了農業廢渣的環境污染問題，帶來了巨大的生態效益、經濟效益和社會效益［4－5］。本文著重綜述最近幾年農業廢渣固態發酵在食品工業中的一些重大發展，范圍主要限制在農業廢渣培養基的特性以及利用這些廢渣固態發酵生產的與食品業相關的高附加值微生物代謝物包括酶(α－淀粉酶、果糖轉化酶、菊粉酶、脂酶、果膠酶等)、有機酸(乳酸、檸檬酸等)等活性物質的研究進展。

1 農業有機廢渣培養基的特性

固態發酵是指在有機廢渣固態培養基中進行的一種或多種微生物發酵的過程。培養基中雖然含水豐富，但幾乎沒有自由流動水，培養基基質不僅是微生物生長的固定附著物，還提供了微生物所需要的碳源、氮源、無機鹽、水及其它營養成分，直接影響微生物發酵過程的物質代謝、氣體交換和能量交換功能等［6－8］。由于有機廢渣培養基大多不溶于水，在微生物發酵初期不易被利用，為了使底物更容易被微生物酵解利用，經常對底物進行化學或機械預處理，底物預處理的方法很多，包括汽爆、浸提、粉碎、裂解、研磨等機械處理及堿化學處理。必要時還需要外部添加一些成分。

微生物酵解有機廢渣基質進行生長繁殖并產生代謝產物，受到基質本身的物理因素(底物顆粒大小、形狀、空隙率、纖維含量、黏度、顆粒之間擴散率等)和化學因素(聚合度、疏水性、結晶度及電化學性質等)的影響。理想培養基基質必需滿足以下基本條件［9－10］:a.有機廢渣中應含有目標菌生長必需的碳源(纖維素、淀粉或其它糖)、氮源(氨基酸、多肽、脲等)及礦物質等。b.底物應為多孔基質(porous matrix)能提供較大的表面積，一般在103～106m2/cm3范圍內較利于微生物的附著、快速生長和空氣/氧氣流通。c.有機廢渣基質表面要有相對高的吸水力(water absorption index，WAI)，以保證基質的濕度或水活度(critical humidity point，CHP)，供微生物生長及代謝的需要。d.培養基基質呈顆粒狀，有一定彈性，在發酵過程中能承受攪拌翻轉等機械壓力，不破碎、不連粘。其中基質底物顆粒的大小及濕度或水活度在固態發酵中對微生物的生長與活性最為重要。

2 目前已開發的適合固態發酵的微生物菌株及其產生的高附加值天然功能產品

利用微生物固態發酵轉化農業廢渣生產高附加值功能產品，利于碳氮再循環，具有能耗少、產品分離成本低、廢液少、不存在二次污染等突出優點。合理優化控制發酵過程，既可減少資源浪費，得到結構優異的天然活性代謝物如各種代謝酶、有機酸、抗氧化劑、甜味劑、增色劑等食品工業相關的高附加值有效成分，同時又減小了對環境的污染。

2.1 有機廢渣固態發酵生產酶

2.1.1 α－淀粉酶(α－Amylase) α－淀粉酶(EC 3.2.1.1)屬胞外內切酶，能水解α－1，4糖苷鍵。淀粉酶廣泛應用于釀造、果汁、糖漿、焙烤等食品工業。Francis等［11］利用曲霉 Aspergillus oryzae固態發酵谷物生產α－淀粉酶，發現在谷物固態培養基中加入Ca2+或 Tween－80后可增加 α－淀粉酶的活力。Krishna 和 Chandrasekaran［12］利用細菌 Bacillus subtilis固態發酵香蕉廢渣生產α－淀粉酶，考察了培養基的水活度、pH、顆粒大小、熱處理溫度及時間、外加營養成分等因素對酶產量的影響，發現廢渣顆粒大小(有效接觸表面積)對酶產量有明顯影響，顆粒大小為400μm 時酶產量最高。Ramachandran等［13］報道利用真菌Aspergillus oryzae固態發酵椰子油渣生產α－淀粉酶，直接用油渣發酵，每克干重油渣生產的酶量為1372U/gds，當油渣中加入0.5%淀粉和1%蛋白胨后，酶量增至3388U/gds，從而獲得了固態發酵椰子油渣生產α－淀粉酶的有效方法。Sodhi等［14］考察了Bacillus sp.PS－7固態發酵麥麩、稻麩和玉米麩皮過程中廢渣底物的含水量、孵化溫度、底物顆粒大小以及添加的碳源、氮源和維生素對α－淀粉酶熱穩定性的影響，發現在麥麩中添加1.0%(w/w)甘油、1.0%(w/w)大豆粉、0.1%(w/w)L－脯氨酸、0.01%(w/w)復合維生素B和1%Tween－40時酶的產量最高。

2.1.2 果糖基轉移酶(Fructosyl transferase) 果糖轉化酶(EC 2.4.1.10)用來催化蔗糖生成低聚果糖，低聚果糖在水果蔬菜中含量極低，它的甜度為蔗糖的0.3～0.6倍。低聚果糖能明顯改善腸道內微生物種群比例，調節腸道內平衡，促進微量元素鐵、鈣的吸收與利用，防止骨質疏松癥。近幾年，低聚果糖的產品風靡日、歐、美等保健品市場。Sangeetha等［15］研究了利用曲霉Aspergillus oryzae CFR 202固態發酵各種谷物麩皮包括蕎麥麩、燕麥麩、稻米麩、玉米穗軸、玉米殼、玉米胚芽及玉米全粉以及咖啡殼、甜菜渣、木薯渣對果糖轉化酶產量的影響，發現在蕎麥麩、玉米胚芽和咖啡殼廢渣中添加酵母膏后酶產量較高，并通過硫酸銨沉淀、DEAE纖維素和Sephadex G－200柱層析純化得到該酶，SDS－聚丙烯凝膠電泳測得分子量為116.3kDa，最適反應溫度為60℃，最適pH為6.0。

2.1.3 菊粉酶(Inulinase) 菊粉酶(EC3.2.l)又稱為β－2，1－D－果聚糖酶或 β－果聚糖水解酶，是能夠水解β－2，l－D－果聚糖果糖苷鍵的一類水解酶。許多菊科植物中含有豐富的菊粉(菊糖)，利用菊粉酶的作用可將菊粉轉化為果糖、低聚果糖，在食品工業中具有重要應用價值和良好應用前景。Chen等［16］利用菌株Kluyveromyces S120固態發酵蕎麥麩生產菊粉酶，發現在蕎麥麩培養基中加入12.7%菊粉、10.8%玉米漿和1.6%(NH4)2SO4后，菊粉酶產量較穩定，酶活達409.8U/g。2009年，Sheng等［17］通過海洋酵母菌Cryptococcus aureus G7a固態發酵麥麩和米糠生產菊粉酶，并考察多種因素對酶產量的影響以尋找最佳發酵條件，發現培養基初始濕度為61.5%、菌株接種量為2.75%、麥麩與米糠用量比為0.42、發酵溫度為29℃、pH為5.5時，發酵120h酶產量較高且穩定，活 力 達 420.9U/g。 Bender 等［18］利 用 菌 株Kluyveromyces marxianus NRRL Y－7571固態發酵甘蔗渣生產菊粉酶并研究其動力學，發現培養基成分的固/液比為1∶10、發酵溫度為53℃、攪拌頻率為150r/min時，發酵40min，可得到高產量的菊粉酶。

2.1.4 脂酶(lipase) 脂酶(EC3.1.1.3)催化水解長鏈脂肪，甘油三酯是其天然底物，脂酶廣泛應用于食品飲食、洗潔劑、化妝品和醫藥生產中。Rao等［19］發現酵母菌Candida rugosa的椰子廢渣固態發酵中廢渣底物的碳氮比對脂酶的產量至關重要。后來Benjamin 等［20－21］比較了酵母菌 Candida rugosa 通過液體發酵與固態發酵椰子廢渣對脂酶活力和產量的影響，發現固態發酵效果較好，可得到產量高且活性穩定的脂酶，同時發現在固態發酵過程中pH、孵化溫度、氣流量、底物成分，特別是當廢渣底物中含有脂肪類物質能增加菌株脂酶的分泌。目前用于固態廢渣發酵生產脂酶的微生物主要是酵母菌和真菌。

2.1.5 果膠酶(pectinase) 果膠酶(EC 3.1.1.11)催化植物果膠質降解成半乳糖醛酸和果膠酸，按其作用方式，果膠酶大致分為三類:a.原果膠酶(protopectinase)，將天然果膠轉變為可溶性果膠。b.果膠聚半乳糖醛酸酶(pectin polygalacturonase)，斷裂果膠或果膠酸中α－1，4糖苷鍵生成半乳糖醛酸。c.果膠甲酯水解酶(pectin methylesterase)，使果膠中甲酯水解，生成果膠酸。果膠酶廣泛應用于水果的脫膠去皮、果汁和酒的澄清以及食用油的提取等食品工業中。近年用于固態發酵生產果膠酶的微生物菌株主要是曲霉屬Aspergillus niger，有機廢渣底物主要用蕎麥麩、大豆皮渣、越橘果渣、草莓果渣、咖啡皮渣、可可茶渣、檸檬皮渣、柑橘皮渣、甜菜渣、甘蔗渣、蘋果渣等。Bai等［22］利用 Aspergillus niger固態發酵生產高活性果膠酶，以甜菜根為碳源、味精生產廢水為氮源和水源，同時加入Na2HPO4·12H2O 0.4g/L和KH2PO40.08g/L，發酵溫度為30℃，空氣相對濕度為75%～90%，發酵液經初分離得到的果膠酶粗提液即可預防黃瓜及番茄幼苗病蟲害，這種方法既降低生產成本得到了果膠酶，又解決了環境污染問題。

2.2 有機廢渣固態發酵生產有機酸

2.2.1 乳酸(lactic acid) 乳酸具有兩種旋光異構體，人體存在乳酸脫氫酶可將丙酮酸轉化為乳酸，乳酸在食品中應用廣泛，乳酸還具有很強的防腐保鮮功效，在果酒、飲料、肉類、糕點、腌制菜的生產以及水果的貯藏中具有調節pH、抑菌、保持食品色澤、提高產品質量等作用。在醫藥方面廣泛用作防腐劑、助溶劑、藥物制劑、pH調節劑等;乳酸聚合得到聚乳酸，聚乳酸是良好的手術縫合線，能自動降解成乳酸被人體吸收，無不良后果;聚乳酸還可做成粘接劑在器官移植和接骨中應用。上世紀末人們就開始利用不同的微生物菌株Rhizopous oryzae和Lactobacillus paracasei固態發酵甘蔗渣、高粱渣、谷物麩皮等有機廢渣生產乳酸。2005年 Naveena等［23］考察了菌株Lactobacillus amylophilus GV6固態發酵蕎麥麩生產L－(+)乳酸的條件，發現在100g麥麩中添加0.9%蛋白胨、0.88%酵母膏、0.37%三檸檬酸胺、0.76%NaH2PO4·2H2O后可發酵得到36g L－(+)乳酸，轉化效率較液體發酵高。2006年Rojan等［24］研究比較了Lactobacillus delbrueckii發酵木薯渣與甘蔗渣生產乳酸，發現在甘蔗渣中添加NH4Cl和酵母膏后在37℃發酵5d每克干重甘蔗渣可得到 249mg的L－(+)乳酸，但木薯渣產量較低。

2.2.2 檸檬酸(citric acid) 檸檬酸是食品和醫藥業最常用的有機酸之一，早年檸檬酸主要通過化學合成獲得，但有機合成成本較高，后來利用曲霉Aspergillus niger液體發酵獲得，但液體發酵受pH、溫度、微量金屬離子等發酵條件的影響大，為了降低成本、提高檸檬酸的產量，人們研究利用 Aspergillus niger進行固態發酵，發現固態發酵過程中菌株的選擇和氧氣的供給量是重要影響因素。Prado等［25］考察了通氣量、發酵設備和曲霉菌株Aspergillus niger的代謝狀況對檸檬酸產量的影響，利用菌株Aspergillus niger發酵蘋果渣、菠蘿渣、香蕉渣、蕎麥麩、木薯渣等廢渣時，需要較低的氧氣通氣量，動力學研究發現采用實驗室用500mL錐型瓶搖床發酵，每千克干重甘蔗渣能生產309.70g檸檬酸，采用水平鼓狀發酵罐(horizontal drum bioreactors)發酵，每千克干重甘蔗渣能生產 268.94g檸檬酸。Gutierrez－Rozas等［26］報道曲霉Aspergillus niger固態發酵有機廢渣生產檸檬酸，培養基中葡萄糖含量影響較明顯，但不受培養基中Fe2+、Mn2+、Zn2+等二價金屬離子的影響，當培養基中葡萄糖起始濃度為400g/L時，每小時檸檬酸產量為1.35g/L，同時產生甘油、赤藻糖醇等副產物。

2.3 固態發酵生產其它食品添加劑

隨著健康意識的提高，人們越來越崇尚綠色食品，源于天然植物或通過(微)生物轉化的天然食品添加劑倍受青睞，目前利用某些細菌和真菌發酵有機廢渣來生產某些甜味劑、乳化劑、保鮮劑、防腐劑和抗氧化劑等日益得到各國學者的重視。比如黃原膠(xanthan gum)是一種可溶性的胞外雜多糖，在食品、醫藥及化妝品中廣泛應用，由于其無毒無害并具有良好的流變性，在食品中廣泛用做乳化劑、穩定劑或增稠劑，Demain［27］報道全球每年約生產黃原膠30000t，創利 40800 萬美元。Stredansky 等［28］發現利用細菌Xanthomonas campestris發酵燕麥麩、蘋果渣、葡萄渣、柑橘渣生產黃原膠的產量高于傳統的葡萄糖或果糖液體發酵產量，并通過NMR譜等技術分析其純度，產品可用于商品銷售。近年來各種各樣天然來源的果香味添加劑也廣受歡迎，越來越多地應用于食品中，Christen 等［29］考察菌株 Ceratocystis fimbriata發酵木薯渣、蘋果渣、豆渣、咖啡殼和莧菜渣生產具有水果芳香味的揮發性化合物，發現蘋果渣、木薯渣和豆渣發酵產物中芳香性化合物含量較高，其中咖啡殼發酵可產生具有菠蘿香氣的芳香物質，莧菜渣發酵效果不明顯。Medeiros等［30］報道了利用菌株Kluyveromyces marxianus發酵大豆渣、木薯渣和棕櫚皮生產單萜醇、異戊基乙酸酯、2，5－二甲基吡嗪和四甲基吡嗪來增加食品的果香味。目前用于有機廢渣固態發酵生產芳香物質的常用微生物有真菌Neurospora sp.、 Aspergillus sp.、 Zygosaccharomyce rouxii、Rhizopus oryzae、Kluyveromyces marxianus 和Ceratocystis fimbriata以及細菌B.natto、B.subtilis等。

3 結語

農業有機廢渣固態發酵通過可控制方式得到目標產物，近年來這種技術在醫藥、化工，尤其在食品工業中得到廣泛應用，通過有機廢渣固態發酵生產出了大量微生物酶、有機酸等高附加值天然產物，其中有些代謝產物的性能和產量高于傳統的液體發酵產物。隨著人們對廢渣固態發酵機理的不斷深入研究，農業廢渣將被高效率轉化為對人類有益的物質，既有利于自然生態系統再循環、減少資源浪費，又解決了環境污染問題，將帶來巨大的社會效益和經濟效益。

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Application of solid－state fermentation of agricultural wastes in food industry

REN Hong，CAO Xue－li，XU Chun－ming，WANG Qiao－e
(Laboratory of Plant Resource Research and Development，Beijing Technology and Business University，Beijing100048，China)

X712

A

1002－0306(2010)08－0396－04

2009－10－22

任虹(1967－)，女，博士后，副研究員，研究方向:天然活性產物化學。

國家自然科學基金(30572279＆30973631);國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2007AA092400)。