發酵工程在功能性食品中的應用研究

馮源

（河北農業大學，河北保定 071000）

1 發酵工程的特征

發酵工程的應用使食品行業更加多樣化。發酵工程的顯著特征有：（1）原料在生活中常見，如糖類、淀粉、麥芽等；（2）幾十個反應在發酵過程中可以一次性完成，并且能夠在同一個設備中互不干擾[1]；（3）發酵過程主要是以生命體的自我調節進行的，產生的廢料少；（4）發酵條件溫和，對高溫高壓沒有要求，從而減少了對能源的消耗；（5）發酵工程具有專一性，能利用微生物的某些特征精準地在特定的官能團做出反應[2]。

2 功能性食品的簡述

功能性食品是具有特定的營養保健功能的食品，生物活性物質的含量明確，且不以治療為目的適用于特定人群食用的食品。功能性食品必須滿足以下三個要求：一是不以治療為目的，并且不能取代藥品在人類生活中治療疾病的作用；二是針對特定人群研制的；三是必須無毒無害，符合食品安全法律法規[3]。

功能性食品的研制有待完善，因此發酵工程技術在功能性食品中的應用尤為重要。

3 發酵工程在功能性食品中的應用

3.1 開發真菌及真菌多糖

真菌的深層發酵在大型發酵罐中進行，在抗菌素發酵技術的基礎上，不斷調整培養基的種類和組成，通過優化發酵工藝，在短時間內得到大量大型真菌的菌絲體。真菌的提取方法有酶法、超聲波法、熱水提取法，其中超聲波法操作簡單，不需加熱條件，耗時短，得率高。胡斌杰等[4]通過實驗得出，超聲波提取方法的最佳條件為：提取溫度60 ℃，料液比1∶15，超聲時間25 min，并發現多糖提取率較傳統熱水提取法提高30%以上。通過發酵工程得到的真菌菌絲體與傳統的子實體在生理功能上很相似，用發酵工程開發真菌和真菌多糖，易于實現工業化生產，規模大，效益高[5]。

應用光譜分析法、化學分析法、核磁共振法和色譜分析法測定真菌多糖的化學結構及性質特征，其中包含所含單糖組成、碳鏈構象、分支結構及分子量。Shaoping Nie等[6]利用水解作用使多糖的糖苷鍵斷裂，通過GC-MS法鑒定單糖組成。研究表明，應用高效液相色譜法測定單糖組成的前提是通過1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮進行柱前衍生化。真菌多糖在我國應用廣泛，中國醫學科學院藥物研究所已經完成了人工發酵培養蟲草菌工程，表明了發酵工程技術的重要地位和光明前景。

3.1.1 香菇多糖的提取

隨著生物工程技術的發展，采用深層發酵技術短時間獲得大量菌絲體，提取香菇多糖，有成本低、周期短的優點，易于大規模生產，解決了從子實體中提取多糖成分難度大、周期長、成本高等問題，發酵工程對香菇多糖的研究具有重要現實意義。

采用搖瓶培養研究香菇菌絲液體發酵的最適培養條件，利用超聲波輔助水提取香菇多糖，香菇多糖的提取率最高可達12.5%。目前，我國學者研究了發酵因素對提取胞外多糖產量的影響，影響因素主要有乙醇濃度、醇沉時間和發酵液的pH。研究發現，液體發酵技術與固體栽培相比，具有周期短、產量大、成本低、產生的活性物質多等優點。故液體發酵法將會成為越來越多人研究的對象，同時帶來社會效益。

3.1.2 靈芝多糖的提取

靈芝為屬多孔菌科靈芝屬，是我國應用歷史悠久的藥用真菌，具有較高的藥用價值。研究表明，靈芝中最主要的活性成分是靈芝多糖，具有增加人體免疫力、抗病毒、抗衰老等多種功效。

液體發酵靈芝菌絲體是在適宜的培養基及培養條件下，通過液體深層發酵法培養的菌絲體[7]。液體深層發酵技術培養靈芝有兩大優點：一是打破了固體栽培的局限性，在短時間內制備出大量的優質液體菌種，是一種產量高、周期短、成本低、適于工業化生產的生產方式[8]，便于工廠大規模生產；二是通過液體發酵法提取的靈芝菌絲體不僅含有靈芝多糖，還有大量有益的次生代謝產物，這些胞外活性物質可用于開發保健食品的研究，極大地推動了發酵工程在靈芝中的應用。

在現階段我國加強在優良菌株的選育、培養基的篩選、優化培養條件和發酵工藝的改良方面的投入力度，提高了深層發酵的技術水平，為發酵工程在食品中的應用提供必要條件。

3.1.3 真菌多糖在酸奶中的應用

添加真菌多糖的風味發酵乳是近年來研制的一類新型的功能性乳制品。它是以鮮奶為原料，添加真菌多糖，如靈芝多糖、茶樹菇多糖等，并通過發酵工程技術生產出食用菌多糖風味發酵乳[9]。劉丹等[10]分別對浸汁保健型酸奶和真菌粉凝固性酸奶的生產工藝進行優化，發酵工程在功能性乳制品行業的應用有了新的發展。通過對添加不同多糖酸奶的物化性質和感官指標進行對比評價，實現發酵工程對于真菌的開發。

3.2 發酵在超氧化物歧化酶（SOD）制備中的應用

超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是一種來源于生命體的活性物質，能消除人體在新陳代謝中產生的有毒物質，是清除自由基的首要物質，具有抗衰老的特殊效果和提高人體免疫能力的作用，可預防動脈粥樣硬化、治療心腦血管疾病及與放化療結合治療癌癥等。

國內外眾多學者從化學性質、制備工藝、藥理作用等方面對SOD進行了深入的研究，并從多種生物組織中提取出SOD[11]。固定SOD的制備方法簡單，活力穩定，既保持較高的自由基清除率，又提高了對環境的耐受性，利用發酵工藝制備SOD，安全性高，且避免了可能發生的交叉感染[12-13]，具有較大的開發前景。

3.3 微生物發酵在γ-亞麻酸的制備中的應用

γ-亞麻酸是人體必需的一種脂肪酸，具有明顯的降血壓、降低血清甘油三酯和膽固醇水平的功效。

真菌和微藻是γ-亞麻酸的最主要的微生物來源。與傳統方法相比，發酵法生產的γ-亞麻酸比較純凈，故精制成本低得多，傳統方法在植物油脂中提取的γ-亞麻酸中含有更多的其他類型的不飽和脂肪酸，且含量不穩定，用發酵法生產γ-亞麻酸時間短，培養簡單，生長速度快，成本低，原料不受限制。所以微生物發酵法為高效率地制備亞麻酸提供了條件。

3.3.1 發酵法制備γ-亞麻酸的主要菌種

制備γ-亞麻酸的菌種主要有根霉、被孢霉、毛霉、小克銀漢霉等。其中，霉菌是非常適合生產γ-亞麻酸的菌種原料，篩選適合的培養基和優化發酵條件是增加γ-亞麻酸產量的必要措施，適合菌種的選擇和優良的發酵條件為大規模產業化生產γ-亞麻酸奠定了基礎。

3.3.2 固體發酵法應用于制備γ-亞麻酸

固體發酵有低成本、低能量消耗的優點，可以為微生物的生長和代謝提供一定濃度的營養。固體發酵滿足對γ-亞麻酸產量的需求的基礎上，利用了工業廢棄物，減少浪費，降低成本[14]。隨著微生物發酵技術的不斷發展，固態發酵這一釀造技術將在不飽和脂肪酸的生產制備中發揮更大的作用，使現代固態發酵的應用具有巨大潛能。

3.4 維生素的提取

維生素K2可促進骨組織內骨鈣素（BGP）的合成，預防和治療骨質疏松癥，降低血壓，同時還對肝癌和白血病有治療作用。

研究發現納豆芽孢桿菌的發酵過程中，合適的氮、碳源以及氮碳比對維生素K2發酵具有重要作用，通過優化納豆發酵工藝條件，可以提高納豆中維生素K2的提取量[15]，滿足生物體新陳代謝和生理調節需要，進而達到補充天然維生素K2的目的。

此外，維生素B2可通過阿氏假囊酵母等微生物發酵產生；維生素B12主要通過黃桿菌、丙酸桿菌等細菌及灰色鏈霉菌等經培養發酵后分離精制而得；維生素C可以通過弱氧化醋酸桿菌、氧化葡萄糖酸桿菌及條紋假單胞菌通過一定的工藝發酵生產而得。

3.5 利用現代發酵工程完善傳統發酵食品

采用現代發酵工程技術改革傳統工藝的成果顯著，例如運用吸附-包埋法固定微生物細胞技術改造傳統啤酒，利用優選的菌種發酵醬油、黃酒、豆腐乳等，不僅可以縮短發酵周期、降低能耗、增加產量、提高設備利用率，而且可以起到一定改良產品風味和品質的效果[16]。日本通過利用純種曲霉醬油釀造進行改造，顯著提高了原料中蛋白質的利用率（高于85%）；此外，在現代發酵工程的基礎上利用固定化醋酸菌釀造食醋，提高了醋化能力，縮短了發酵延緩期，從而降低了成本，對于食用醋行業的發展有重大意義。

4 結語

綜上所述，發酵工程在功能性食品中的應用廣泛，包括開發真菌及真菌多糖、超氧化物歧化酶的制備及γ-亞麻酸的制備、維生素的提取和完善傳統發酵制品等。發酵工程技術可以應用于生活的方方面面，有廣闊的前景。不僅要重視發酵工程技術的理論研究和實驗研究，提高對發酵工藝的重視程度，更要注重發酵工程與功能性食品的結合，完善功能性食品開發的實際流程，實現我國食品的健康有序的發展。