發酵工程在食品工業中的發展及應用

丁 琪，馮志華，孫 濤

（江蘇海洋大學，江蘇連云港 213000）

發酵工程是利用前沿生物工程技術手段和其他自然科學原理對原微生物體進行改造，開發出對國民經濟、人們生活質量有價值的物質或者將其直接應用到工業化生產的技術體系。具體是通過操縱基因重組、細胞融合、調控細胞關鍵代謝酶、高通量篩選和大分子分離純化等新型技術手段在傳統發酵技術基礎上提高改善和創新水平。據記載，在食品工業中應用發酵技術已有數千年歷史，該技術的發展應用使得食品性能更具多樣性，同時也改變了人們的飲食習性，滿足了消費者的特殊需求。隨著食品工業的迅速發展，現代發酵技術也展現出它巨大的發展前景，兩者相輔相成，對我國食品工業發展具有強大的推動力。

1 發酵工程概述

1.1 發酵工程原理

發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象，利用現代高新技術培養出新菌種，開發新型產品或者服務于人類社會的前沿工程技術[1]。一般來說，發酵工程又被稱作微生物發酵工程。發酵工程通常包括菌種選育、發酵、提純3個環節。

在選育菌種環節，菌種一般來源于應用價值高的工業微生物，工業微生物具有個體微小、種類繁多、繁殖速度快、分布區域廣泛、代謝速度快、容易突變改造等特點。發酵技術對菌種的要求較高，主要體現在菌種遺傳性狀穩定、不易突變退化，該菌種不能是病原菌，且在整個發酵流程中不能產生有毒害物質，具備抗噬菌體能力，雜菌能力強且所需的發酵周期短等[2]。常見的發酵菌種有釀酒酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等。在這個環節中要重點注意原料的預處理。

在發酵環節中，可根據實際情況采取間歇發酵、連續發酵、流加發酵3種操作方式。其中，間歇發酵操作中，氣體是唯一的與外界交換的物料。連續發酵則是以相同的速度流入和流出培養系統的新鮮培養基、廢舊培養液，以保持微生物細胞在恒定狀態下生長[3]。而流加發酵則介于其他兩種發酵操作之間，發酵環節中要重點注意微生物菌種制備和擴大培養。

在提純環節中，可以采用細胞破碎技術、濃縮分離技術和固液分離技術等物理、化學手段，將代謝產物從發酵繆中分離提出出來，獲得最終產品。在這個環節中要重點注意分離剔除雜菌物質。

1.2 發酵工程特點

優質的發酵產品的產出需要具備合適的微生物菌種、控制微生物代謝活動正常的培養條件、微生物發酵的設備、支撐產品方法的設備等諸多條件[4]。現代發酵過程因技術高新和成熟，在發酵新產品過程中表現出微生物可在常溫常壓下進行生化反應，可利用廉價甚至廢物作為發酵原料生產高附加值產品，生物體可自我調教來完成整個發酵過程，得到單一代謝產物、經濟效益高、低污染、設備通用性高等特點。

2 國內發酵食品開發現狀

我國傳統發酵食品歷史悠久，發酵技術古老而又現代化。目前，我國運用微生物發酵技術主要開發豆類、谷類、益生菌類食品。發酵食品過程中所參與微生物有數十種，甚至數千種，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，在加上受傳統發酵工藝影響，導致我國對發酵食品技術中的微生物的應用和改善傳統發酵工藝流程落后于其他生物技術的發展[5]。另外，多數發酵食品企業生產結構、經營管理不合理，導致了環境污染、資源浪費、經濟效益差等現象，這主要是因為企業忽視了對微生物生化原理的研究，不了解其進行物化反應的本質，而把焦點主要集中在描述產品和工藝上。

面對食品發酵工業目前存在的問題，建議應圍繞以下幾點措施進行改進。①通過對現有的優良菌種的擴大培養、采用前沿生物技術改良菌種、深入進行發酵機理研究等手段，使得我國在微生物菌種的研究及應用上占據優勢。②改善發酵工藝流程，實現純種發酵，能夠控制發酵過程，產出優質產品。③將確定的食品發酵工藝用于開發新產品。④快速調整發酵工藝原料結構、產品結構和技術裝備結構，擴大生產企業規模，提升行業的整體水平，實現非糧深加工產業例如玉米深加工的協調發展。

3 發酵工程在食品工業中的應用

3.1 單細胞蛋白的生產

微生物的菌體蛋白營養價值比大豆、肉、魚等食品中蛋白質含量高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。蛋白質單細胞可直接生產為蛋白粉，可充當食品添加劑應用到調味料，可作為營養增強劑以補充礦物質和蛋白質、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、細菌或者藻類等作為生產單細胞蛋白（SCP）的菌種，淀粉、糖蜜、纖維素或者有機廢料作為生產SCP原料。因為產出SCP的菌種不產毒素，核酸含量低，培養環境良好和技術高新，所以SCP的安全性和可接受性高。

3.2 食品添加劑的生產

食品添加劑主要用來改善食品的品質和防止食品腐敗變質。目前，食品添加劑在人們生活中被廣泛使用，發酵技術已成為食品添加劑生產的首要方法。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、營養強化劑和酶制劑等。在這里以食品膠（黃原膠）和食用色素（β-胡蘿卜素）生產舉例。

黃原膠是20世紀70年代左右研發出來的新型食品膠，由黃單孢細菌和碳水化合物為原料進行發酵所得，它是世界上生產規模最大的微生物多糖。因黃原膠具有強的親水性、穩定性、增稠性、乳化性等優質性能，常被加入到果汁飲料中作增稠穩定劑，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、增強風味，在果蔬中加入黃原膠可防止果蔬褐變、失水，增強食品新鮮度。總的來說，用微生物發酵產出的黃原膠安全無毒。

β-胡蘿卜素是一種重要著色劑，具有營養強化功能。在食品中添加該色素可使食品光澤鮮亮，同時對降低體內血脂、預防心血管疾病和刺激免疫有積極作用。β-胡蘿卜素的生產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實現了β-胡蘿卜素的工業化生產[2]。

3.3 功能性食品的開發

利用微生物發酵技術開發出的功能性食品是目前在市場上最受歡迎的一類食品，該技術利用對大型真菌的開發，使食品在具有基本的營養價值以外，對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，靈芝多糖是從子實體或者菌絲體中提取出來的[2]。現實生活中，靈芝多糖主要應用于靈芝乳酸濃縮汁的生產、靈芝發酵飲料的生產和靈芝菌絲體發酵酒的生產，它所發酵出的產品都具有保健功能。

3.4 微生物油脂的生產

微生物油脂是可無限再生資源，它在食品工業中利用率高，可作為食品添加劑和強化劑等。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價值，營養含量接近于母乳。國內飛鶴乳業公司生產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的油脂原料，對人體動脈的硬化和高血壓都能產生積極的預防作用。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。

3.5 新糖原的開發

新糖原是利用發酵工程技術開發出來的一類新型甜味劑，區別于傳統型甜味劑之處是它具有很強的功能性，熱量低，對人體無毒無害，能夠調節身體健康、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 結語

發酵工程技術是一類前沿高新的生物技術。如今，該技術在食品工業中被廣泛應用，依托發酵技術產出的食品的性能更加全面，給人們生活帶來利好的食用價值。今后，在發展發酵工程技術時，應找準研究方向，建議重點圍繞提高微生物代謝產物的分離提純技術、創新微生物資源、固定化酶生產和應用、加強發酵與釀造過程的控制、創新和完善發酵工藝流程，優化資源配置、注重食品營養價值和保健功能、堅持循環經濟，降低成本、保障保障微生物菌種的安全性和穩定性這幾大方向推動發酵工程技術變革，期望產出更多優質性能的食品，促使食品工業穩定發展。