微生物發酵農副產物特性及其應用研究

閆星月，王 艷，王 悅，趙 寧，楊冰姿

（哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150076）

目前，農副產物再增值已經在食品行業、農業中初見成效。主要采用直接利用的方式，如稻殼用來制備活性炭和吸附劑[1]；麥麩添加到餅干、面包、火腿腸等食品中作為品質改良和膳食纖維強化劑[2]；豆渣用來加工各種膨化食品、焙烤食品[3]；米糠、麥麩、豆粕等直接添加到家畜飼料中。但是，對于米糠、麥麩、豆粕和豆渣這些農副產物來說，膳食纖維含量豐富，抗營養因子含量高，不利于人體或動物的消化吸收。當前加工手段不能完全降解膳食纖維，降低抗營養因子的含量，因此其利用水平低，應用途徑受到限制。近年來，隨著生物科學技術的快速發展，微生物發酵技術被廣泛應用到各個行業。微生物在發酵過程中，能改善原料原有的品質和結構，還能產生很多有益的小分子物質，使得發酵原料的利用價值大大提高。研究表明，將微生物發酵技術應用于農副產物的處理中，不僅使小麥麩、玉米皮、米糠等的抗營養因子含量降低，還能改善其膳食纖維品質，一些無法利用的或者是利用率低的成分也被分解為易消化的小分子物質，蛋白質含量及消化率提高，其保存時間也隨之延長[4]。從微生物發酵菌種及效果、發酵方式和發酵后產品的應用等3個方面總結，以期為研究農副產物處理的學者提供一些理論依據。

1 發酵菌種及效果

1.1 發酵菌種

目前，在農副產物發酵過程中主要使用的微生物菌種有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌和霉菌四大類。芽孢桿菌在發酵過程中可產生多種活性酶，如蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶和糖化酶等。這些酶在發酵過程中可以有效地對農副產物中的蛋白質、脂肪酸和碳水化合物進行降解，轉化為低分子小肽、游離脂肪酸和低聚糖，可以顯著降低農副產物中纖維素和抗營養因子的含量，還可以產生多種維生素。如產纖維素酶枯草芽孢桿菌在發酵麩皮的過程中能將纖維素含量降至11.7%[5]。

乳酸菌作為一種革蘭氏陽性厭氧菌，可以通過利用碳水化合物產生乳酸。在發酵過程中可以產生多種代謝產物，如有機酸、酶類和乳酸菌素等。這些產物能夠顯著降低環境pH值，從而可以很好地抑制物料中的雜菌，還可以抑制吲哚等有害物質的積累[6]。賈朋輝等人[7]研究發現在麩皮的發酵過程中使用一定量的乳酸菌，麩皮中的抗營養因子含量減少，從而增加了麩皮中的有效成分含量。此外，乳酸菌具有完善的蛋白水解系統，利于蛋白質的水解，釋放出游離氨基酸[8]。Zhao H M等人[9]利用乳酸菌作為發酵菌種發酵麥麩，試驗發現可以提高麥麩中天冬氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸、絲氨酸等氨基酸的含量。

酵母菌在發酵的過程中能夠產生大量的核酸、蛋白質、維生素及多種酶，能夠使發酵基質的目的產物含量提高，品質也能得到改善。由于其在發酵中可以產生各種能夠降解細胞壁的酶，如酯酶、多糖降解酶和糖苷酶等，對于麩皮來說，可以使其細胞壁中的酚酸和阿拉伯木聚糖等釋放出來，從而提高兩者的含量，而且能有效降低植酸的含量，提高粗蛋白的含量。崔晨曉等人[10]利用酵母菌發酵麩皮，其植酸含量下降43.3%，多酚物質含量提升了49.4%，可溶性的阿拉伯木聚糖含量提升了212%，粗蛋白的相對含量提高到了23.42%。

霉菌在發酵過程中可以分泌植酸酶、蛋白酶、木聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、脂肪酶、淀粉酶、谷氨酰酶和纖維素酶等，能夠使底物中的纖維素和半纖維素得到有效的降解，將多糖水解為低聚糖，從而降低不可溶性膳食纖維含量，增加可溶性膳食纖維。對于麩皮和豆渣來說，其膳食纖維含量豐富，霉菌是發酵的優選菌種。

1.2 發酵效果

1.2.1 改善膳食纖維的品質

大豆、米糠、麥麩等農副產物中的膳食纖維含量豐富，但不溶性膳食纖維比例較高，不利于人和動物的消化吸收，因此限制了其利用途徑。通過微生物發酵農副產物，可以利用菌種產生的纖維素酶系水解破壞原料的纖維結構，實現不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的轉化降解，從而不溶性膳食纖維含量減少，改善膳食纖維品質[11]。閔鐘熳等人[12]利用枯草芽孢桿菌在最優試驗條件下發酵米糠，其可溶性膳食纖維含量達12.88%，表明微生物發酵法可以有效改善農副產物中的膳食纖維。劉磊等人[13]利用嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌混合發酵米糠，使米糠中可溶性膳食纖維含量提高了112.21%。

1.2.2 降解抗營養因子

抗營養因子是在農作物生長代謝過程中產生，可以保護農作物免受部分病蟲侵害，但當人或畜禽攝食過多抗營養因子時，會影響消化吸收的功能，甚至對生長健康產生不利影響。目前，已開發的消除或者使抗營養因子失活的處理手段有物理失活法、化學失活法及生物降解法。與其他幾種方法相比較，微生物發酵法，可同時有效降解各種抗營養因子，而且安全無污染，處理農副產物更具優勢[14]。

農副產物發酵菌種及降解效果見表1。

表1 農副產物發酵菌種及降解效果

1.2.3 富集和提取功能性成分含量

麩皮中的阿魏酸等酚類物質具有抗氧化的作用，尹志娜[21]采用黑曲霉發酵麩皮，酚酸含量達到10 707.5 μg/g，較未發酵麩皮酚酸含量增加6.99倍，阿魏酸含量為416.6 μg/g，較未發酵麩皮增加15倍。農副產物中的多糖如米糠多糖、麥麩多糖等抗氧化活性和清除自由基的能力很強。安曉萍等人[22]發現當釀酒酵母接種量6.73%，枯草芽孢桿菌接種量為3.27%輔以其他培養條件時，麩皮多糖提取含量比單純酶解法高很多，高達55.92 mg/g。史俊祥[23]研究表明，經過釀酒酵母菌和枯草芽孢桿菌發酵后的麩皮中多糖含量達到130.21 mg/g，是未發酵麩皮多糖含量的3.8倍。此外，麥麩、豆渣、米糠等多種農副產物中均含有豐富的γ-氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，GABA），其具有預防心血管疾病、改善神經機能等多種作用。張弘等人[24]利用混合乳酸菌對米糠進行液體發酵，能夠將米糠中的谷氨酸進行生物轉化成為高質量濃度的GABA，達到了富集的效果。豆粕中的黃酮類化合物和酚類化合物、豆渣的大豆異黃酮、麥胚中的黃酮具有抗氧化、保護血管、防止動脈硬化等功能。Yang J等人[25]利用解淀粉芽孢桿菌發酵豆粕，結果表明其黃酮類化合物和總酚類含量增加2倍以上。Vidiany A等人[28]利用釀酒酵母固態發酵豆渣，結果表明發酵有助于豆渣總酚的增加，還能促進其異黃酮的生物轉化。

2 發酵方式

微生物發酵農副產物的方式，從發酵條件來說，有好氧和厭氧結合生產工藝發酵。從發酵劑的組成來說，主要包括單一菌種發酵、復合菌種發酵及菌種+酶制劑3種類型。

農副產物發酵的基本工藝過程見圖1。

圖1 農副產物發酵的基本工藝過程

2.1 單一菌種發酵

增加了1.068倍，效果比單一菌種處理好很多。

2.2 菌種+酶制劑發酵

該方法成本低，易于控制，操作簡單，但是發酵效果卻不輸混合菌種發酵。王曉明等人[29]研究了一種菌酶融合制作高肽來發酵豆粕的新工藝，其結果表明菌酶協同發酵可以有效地降解豆粕的抗原蛋白。

單一菌種發酵工藝和發酵過程較簡單，不同的菌種類型發酵結果不同。

單一菌種發酵效果見表2。

表2 單一菌種發酵效果

2.3 復合菌種發酵

復合菌種在發酵過程中由于互補或協同作用能很好地彌補單一菌種發酵的短板，往往能夠產生優于單一菌種發酵的效果。曾亞桐等人[38]利用枯草芽孢桿菌與產朊假絲酵母進行單菌和復合菌種發酵，結果證明復合菌種發酵降解抗營養因子的速度相較于單一菌種發酵明顯加快。復合菌種發酵，除了能更好地降解抗營養因子外，其改善膳食纖維的效果也更好。魏如騰[39]利用復合菌種固態發酵玉米秸稈，其纖維素的降解率達34.8%，纖維素降解率和發酵效果對比單一菌種發酵明顯更好。此外，對于營養成分和功能性成分含量的提高，復合菌種的發酵效果也比單一菌種發酵好。韓穎潔等人[40]在發酵玉米秸稈時采用酵母菌、枯草芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌混合發酵方式，發酵后的玉米秸稈的粗蛋白含量增加了1.068倍，效果好于單一菌種處理。胡瑞等人[41]利用復合益生菌發酵豆粕，并添加外源蛋白酶，其結果表明菌酶協同發酵豆粕能更好地改善豆粕的蛋白質品質，顯著降低大豆抗原蛋白的免疫原性。

3 微生物發酵農副產物的應用

3.1 發酵食品

3.1.1 發酵飲品

發酵后的農副產物，不僅保留其原有營養成分，還產生了對人體有益的生物活性小分子，發酵能使農副產物產生獨特的風味，用來制作飲品，能使人們更方便快捷地吸收各種營養素。有研究表明，在酸奶中添加從豆渣中提取的果膠和水溶性膳食纖維有著與明膠相似的作用效果，發酵后的酸奶保水性得到了提高，品質得到較大程度的改善，還能夠促進雙歧桿菌的增殖，從而使乳制品的營養價值更高，應用范圍更廣泛[42]。白婕等人[43]在全脂乳的發酵過程中添加從豆渣中提取的豆渣膳食纖維，以低聚木糖為輔料，制成了一種膳食纖維保健酸奶。米糠、碎米、麥胚等農副產物發酵后能產生多種營養素，對于改善人體腸道健康等十分有用。朱蕊芳等人[44]利用乳酸菌發酵碎米，經過一定的工藝處理后得到的飲料，不僅口感順滑，具有濃郁且獨特的米香味和發酵醇香，乳酸菌在發酵過程中還可以改善和提高碎米的有效成分，產生對人體有益的物質。趙雯等人[45]研究發現以混合菌種發酵麥胚制備的乳酸菌發酵飲料不僅保留了本身豐富的營養成分，如必需脂肪酸、維E等，還富含活性乳酸菌，在提高機體生命代謝、調節腸道菌群、促進消化吸收等方面有著重要的意義。侯銀臣等人[46]以麥胚為原料，利用發酵劑對其進行發酵制作脫脂麥胚酸奶相比于原味酸奶，脫脂麥胚酸奶的多肽含量、蛋白質含量、抗氧化活性和質構等方面明顯增高。

3.1.2 發酵調味品

大豆類副產物如豆渣經過發酵后，不僅其豆腥氣等不良氣味被改善，發酵過程中會產生具有獨特風味的物質，且其中所含有的大分子物質能被分解為小分子物質。將發酵后的豆渣應用到調味品中如用來制作醬油，不僅能提高醬油的品質，改善香味，還利于人體對營養物質的吸收。Vong W C等人[47]利用降脂耶羅威亞酵母對豆渣進行固態發酵，發酵產物中脂質、谷氨酸鹽含量增加，使豆渣具有了大量鮮味物質，適宜于加入到食品中。張長貴等人[48]利用豆渣生產醬油曲，成曲品質良好。

3.2 發酵飼料

傳統農副產物在飼料中的應用大部分采用未經處理直接添加的方式，這種處理方式對于農副產物中一些不利成分沒有有效降解和去除，消化效果不好，且適口性差。經過發酵后的農副產物應用到飼料中可以很好地解決以上問題，并且在調節動物腸道菌群平衡及增強免疫力和抗氧化能力等方面成果顯著。Liu Y H等人[49]表明通過微生物發酵飼料飼喂動物可以有效改善腸道健康，提高營養消化率，進而提高動物的生長性能。明雷等人[50]研究表明玉米皮發酵飼料不僅適口性好，還能夠使動物機體的新陳代謝得到提高，免疫功能得到增強，促進生長。熊瑩等人[51]通過在仔豬的基礎飼糧中分別添加5%，10%，15%的發酵豆粕，結果表明發酵的豆粕作為飼料可以有效降低仔豬的腹瀉率。Chu Y T等人[52]研究發現，使用添加10%發酵麥麩的發酵飼糧飼喂肉雞能夠使肉雞回腸絨毛高度及絨毛高度與隱窩深度比值很大程度的提高，回腸和盲腸內的產氣莢膜梭菌、大腸桿菌數量降低，從而保障肉雞腸道健康。有研究表明，農副產物在發酵過程中，產生的很多活性肽和生物活性小分子，如麩皮多糖、米糠多糖、酚酸類物質等，均可以有效地增強機體的抗氧化能力，提高免疫功能。魏炳棟等人[53]利用發酵玉米蛋白粉飼喂肉仔雞，結果表明在肉仔雞的飼糧中添加5%和10%的發酵玉米蛋白粉不僅能顯著提高其平均日采食量和平均日增重（p<0.05），還能夠極顯著地提高其血清抗超氧陰離子自由基和抑制羥自由基能力和（p<0.01）。由此可得，在肉仔雞飼糧中添加發酵玉米蛋白粉能夠有效促進其生長，優化腸道菌群結構和提高抗氧化能力。

4 結語

近年來，有關于微生物發酵技術在農副產物處理中的應用及發酵后的農副產物的應用的研究越來越多，但是仍存在以下問題：

（1）尚未建立完善的發酵體系。目前，關于微生物發酵農副產物的研究較多，但是未能形成一個完備的發酵體系，如從菌種篩選到發酵農副產物到發酵后營養特性的檢測及發酵農副產物的應用，尚未形成完整的流程，研究比較零散，給后來研究者造成了一定的困難，同時也限制了農副產物的高效利用。因此，需要建立一套完備的農副產物發酵體系，提高發酵效率。

（2）發酵后的農副產物應用市場的擴展。目前，對于發酵后的農副產物的應用范圍較為狹窄，主要集中在飼料行業和食品行業，發酵后的農副產物生物活性物質含量豐富如黃酮類、酚酸類及多糖類，具有很多生理功能如抗氧化等，可以考慮應用到醫療藥品的開發中，擴大其應用市場。