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菌酶協同處理在食品加工中的研究進展及應用

2024-07-15 00:00:00馬慧顧雪敏李芳梅潔王梓棚孔令明
中國調味品 2024年7期
關鍵詞:應用

DOI:10.3969/j.issn.1000-9973.2024.07.031

引文格式:馬慧,顧雪敏,李芳,等.菌酶協同處理在食品加工中的研究進展及應用.中國調味品,2024,49(7):208-213.

MA H, GU X M, LI F, et al.Research progress and application of synergistic treatment of bacteria and enzymes in food processing.China Condiment,2024,49(7):208-213.

摘要:酶解和發酵技術是食品加工中常用的生物處理手段,能夠提高食品的營養價值和人體的消化吸收率等,但單獨酶解和發酵都有一定的劣勢。菌酶協同作用是將發酵和酶解兩種處理方式結合,因兼具微生物發酵和酶解優勢、能夠縮短反應時間、改善產物風味等而被廣泛應用在谷物、調味料、水產品等副產物的處理上。文章綜述了菌酶協同處理目前在食品加工領域常用的酶和菌種、影響菌酶協同發酵工藝的因素以及在食品加工中的具體應用,總結了菌酶協同發酵技術在食品領域存在的問題和未來發展方向,以期為菌酶協同發酵技術在食品領域的推廣提供新途徑與新思路。

關鍵詞:菌酶協同處理;發酵工藝;食品加工;應用

中圖分類號:TS201.1""""" 文獻標志碼:A""""" 文章編號:1000-9973(2024)07-0208-06

Research Progress and Application of Synergistic Treatment of

Bacteria and Enzymes in Food Processing

MA Hui1, GU Xue-min1, LI Fang2, MEI Jie1, WANG Zi-peng1, KONG Ling-ming1*

(1.College of Food Science and Pharmacy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,

China; 2.Xinjiang Industry Technical College, Urumqi 830021, China)

Abstract: Enzymatic hydrolysis and fermentation technology are commonly used biological treatment methods in food processing, which can improve the nutritional value of food and the digestion and absorption rates of the human body.However, enzymatic hydrolysis and fermentation alone have certain disadvantages. The synergistic effect of bacteria and enzymes is a combination of fermentation and enzymatic hydrolysis, which is widely used in the treatment of by-products such as grains, seasonings and aquatic products because it combines the advantages of microbial fermentation and enzymatic hydrolysis, and can shorten the reaction time and improve the flavor of products. In this paper, the enzymes and strains commonly used in the field of food processing for synergistic treatment of bacteria and enzymes, the factors affecting the synergistic fermentation process of bacteria and enzymes, and the specific application in food processing are reviewed, and the problems and future development directions of synergistic fermentation technology of bacteria and enzymes in the food field are summarized, in order to provide new ways and new ideas for the promotion of synergistic fermentation technology of bacteria and enzymes in the food field.

Key words: synergistic treatment of bacteria and enzymes; fermentation process; food processing; application

收稿日期:2024-01-06

基金項目:新疆維吾爾自治區“人才引領林果業提質增效”(HTCYZJTD2020-04)

作者簡介:馬慧(1998—),女,碩士,研究方向:農產品加工與貯藏。

*通信作者:孔令明(1976—),男,教授,博士,研究方向:糧油及蛋白質加工。

菌酶協同發酵技術是目前應用于飼料行業的熱點技術,通過酶與微生物相互結合,達到充分降解底物、開發新的飼料資源、提高底物的營養價值等目的,具體作用主要體現在縮短飼料生產周期、降低生產成本、提高動物機體抵抗力等方面。周佳慧等利用短乳桿菌Z-73對花生粕酶解液進行工藝優化,通過對比不同處理方式下花生粕的飼用品質,發現經過菌酶協同發酵處理的花生粕整體品質得到極大的改善。

近幾年來,越來越多的學者開始將菌酶協同發酵技術應用于食品加工領域,其在谷類作物、調味品和動植物蛋白多肽等食品生產加工領域獲得廣泛應用,菌酶協同發酵技術結合了微生物發酵與酶解工藝兩大優點,對風味的改善作用優于單獨酶解,對肽含量的提高程度優于單獨發酵,在降低商業酶使用量的同時,能夠彌補微生物發酵水解程度低的不足。酶解可以為微生物的發酵過程提供氮源和碳源等基本營養素,同時發酵技術還能夠克服單純酶解所帶來的食品風味和口感不好、功能元素缺失等問題。將二者有機融合后可以提高發酵效果,從而提升產品口味,改善生產質量。目前國內外關于菌酶協同發酵的研究相對較少,實際應用仍然處于開發階段,還缺乏完整的理論基礎和技術支撐,因此,針對這一現象,本文總結歸納了菌酶協同技術在食品領域常用的菌種和酶類,闡述了其在食品領域的具體應用,并且對菌酶協同發酵技術目前存在的問題進行了說明,提出未來展望,為菌酶協同發酵技術在食品領域的發展提供了理論依據。

1" 菌酶協同發酵技術常用的菌種和酶類

菌酶協同發酵中常用的菌種主要有芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌以及部分霉菌。芽孢桿菌類主要包括枯草芽孢桿菌、蠟質芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等,其具有耐高溫、耐高壓等特性,可分泌活性較高的纖維素酶和蛋白酶。酵母菌類主要包括釀酒酵母、啤酒酵母和產朊假絲酵母等,此類微生物能使發酵產物產生酒香味,顯著提升產物的風味。乳酸菌類主要包括植物乳桿菌、乳酸桿菌和副干酪乳桿菌等。其發酵可產生多種有機酸,不僅可以改善食品風味,賦予發酵食品特有的品質,而且能對有害微生物的生長起到抑制作用,以保證食品安全。霉菌類主要包括米曲霉和黑曲霉等,此類菌株大量分泌的胞外酶如蛋白酶、半纖維素酶等能分解食品原料中的粗纖維成分,增強食品的口感。

常用于菌酶協同發酵的酶類主要是纖維素酶和蛋白酶。纖維素酶可破壞食品原料中的木質纖維,使其降解為小分子物質如葡萄糖等,可提高發酵中所需要的碳源等基礎營養物質的含量。蛋白酶主要包括堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶等,此類蛋白酶能將食品原料中難吸收的蛋白質水解成短鏈小分子肽,增加食品原料中多肽含量以及改善原料中的不良風味。菌酶協同處理常用的菌種、酶類及處理方式見表1。

2" 菌酶協同發酵工藝及影響因素

2.1" 發酵工藝

微生物發酵法主要分為液態發酵和固態發酵兩種類型。固態發酵具有原料成本低、生產工藝簡單、發酵過程無廢液產生等優點,故在食品加工中菌酶協同發酵處理大多采用固態發酵的形式。目前,食品加工中的菌酶協同作用分為菌酶協同處理、先菌后酶處理和先酶后菌處理3種形式。3種處理工藝的流程圖見圖1。

注:A為菌酶協同處理;B為先菌后酶處理;C為先酶后菌處理;不同類型虛線代表不同的工藝參數。

由圖1可知,菌酶協同處理即在對底物基質進行發酵的過程中同時添加所需的協同菌酶;先菌后酶處理即先在一定條件下進行微生物發酵,后加入酶制劑進行協同發酵;先酶后菌處理即先在一定條件下加入酶制劑酶解,后加入菌進行協同發酵。

2.2" 影響因素

菌酶協同發酵工藝中的影響因素一般包括發酵溫度、發酵時間、菌接種量、料液比、酶添加量等參數。

2.2.1" 發酵溫度

發酵溫度是影響菌群生長和酶活性的重要因素,如果發酵溫度過低,則發酵體系中菌群生長較緩慢且會導致酶活性降低,產物營養物質如蛋白質等含量減少,無法充分利用食品原料中的營養成分,造成食品品質下降。隨著發酵溫度的升高,達到菌酶適宜溫度時,發酵產物中營養物質含量逐漸增加。若繼續提高發酵溫度,超過菌酶協同適宜的溫度范圍,會導致發酵產物中的營養物質含量下降,這是由于在一定溫度下,酶水解反應得到促進,但是發酵溫度過高會使酶失活,從而抑制微生物菌群的正常生長和繁殖,減少產品的營養物質含量,影響食品品質。

2.2.2" 發酵時間

發酵時間對菌酶協同處理在食品加工中的效果影響很大。發酵時間過短會造成菌群的生長繁殖活性低,底物原料不能被完全降解利用,產物產量少,品質下降。但是發酵時間過長又會導致發酵體系中糖類等為菌群生長繁殖供能的大分子物質被大量消耗利用,造成產物含量下降,種類單一,食品品質受到影響。

2.2.3" 菌接種量

菌接種量也是影響菌酶協同發酵的主要因素之一。在合理的接種量范圍內,菌接種量的增加會使產物營養物質含量增加,但如果超出了這個范圍而繼續向以食物為主要底物原料的培養基中增加菌接種量,那么整個食品發酵體系的營養物質濃度會呈現降低趨勢并在最后趨于平穩,主要的原因可能在于培養基中的物質總量限制,無法長期滿足菌群數量的需要,進而使得整個菌酶發酵體系趨于飽和,不再形成所需物質。

2.2.4" 料液比

含水量對菌群的生長、繁殖以及酶活性起著重要作用。隨著食品發酵體系中料液比的增加,產物含量及種類也相應增加,這可能是由于隨著水分的增加,發酵體系內料液的松散度滿足微生物生長需要,使其能更好地利用培養基中的水分及營養物質。但若料液比持續增加,一方面會降低菌體的代謝速率,另一方面,若添加的菌為好氧型,水分過多會阻隔氧氣的進入,使得菌群的正常生長繁殖受到抑制。且過高的水分會造成酶活力下降甚至導致雜菌污染,影響食品安全,造成品質下降。

2.2.5" 酶添加量

菌酶協同發酵過程中酶活性主要受體系pH值、微生物分泌的酶對外源添加酶的降解以及某些酶抑制成分等因素的影響。而酶添加量是影響酶活性大小的重要因素,在適度范圍內,加酶量越多,微生物與酶的協同作用就越強,發酵體系中反應產物就越多。而隨著酶添加量的增加,發酵體系中底物酶解反應趨于飽和,添加過多酶并沒有帶來較好的降解效果,反而有可能減緩微生物的發酵反應。

3" 菌酶協同處理在食品加工中的應用

3.1" 谷類加工

谷類產品在大眾飲食中起著極其重要的作用,幾千年來,谷類的加工和利用逐漸多樣化,隨著人類對健康的不斷追求,研發安全的新型谷類食品對于食品企業而言是機遇也是新的挑戰。生產營養價值更高的新型谷類食品是目前研究的熱點。

作為傳統的食品加工技術,微生物發酵法已在各種谷類及其副產物的深加工中廣泛應用,利用此方法可明顯提高谷類及其副產物的營養價值,且生產出種類繁多的新型谷類食品。但單一使用微生物發酵存在生產效率不高、產酶量低等弊病。因此,目前有學者研究同時利用酶制劑與微生物發酵,此種菌酶協同的方法提高了發酵體系中的產酶量,改善了谷類的品質,也改善了谷類加工中副產物浪費的現象,生產了多種谷類高附加值產品。鄒俊哲等使用植物乳桿菌2-18聯合蛋白酶共同水解大米蛋白,制備具有降血壓功效的ACE抑制肽,同時測定大米蛋白的含量和ACE抑制活性。結果表明,在菌酶協同處理下大米蛋白脫除率可達(91.32±1.60)%,經過分子量分布和超濾分析,分子量小于3 000 Da的蛋白肽的ACE抑制活性最高,可達(91.95±1.63)%,具有良好的開發前景。徐磊等以脫脂薏米(薏米提油后的副產物)為原料,采用干酪乳桿菌協同木瓜蛋白酶發酵脫脂薏米,并與單獨發酵進行對比分析,結果表明,菌酶協同處理可明顯提高脫脂薏米水提取液的營養品質。Bei等使用纖維素酶與紅曲菌發酵燕麥,并研究了可溶性和不溶性的酚類組分、抗氧化活性和酶抑制活性。結果表明,與傳統的單一發酵相比,菌酶協同處理燕麥中增加了可溶性和不溶性酚含量(分別為24.38%和31.05%),此研究可為富含酚類的燕麥的新加工技術提供指導。由上述前人的研究可以得出,菌酶協同發酵技術在谷類中的應用多體現在生產具有功能性的谷類食品上,為后續利用菌酶協同技術生產多種類的谷類食品提供了新思路。

3.2" 畜產品加工

近幾年,因為新冠肺炎和非洲豬瘟疫情的影響,消費者對于肉品的多樣化以及高質量、高營養價值的肉制品的需求趨勢逐漸凸顯。市場上發酵類肉制品和冷卻預制肉類食品等高品質產品開始得到廣泛關注,在市場的需求下,菌酶協同技術也逐漸運用于肉制品加工中,以期改善傳統肉制品加工方式,生產更安全、健康、食用便利、營養價值高的高端肉制品。玉素甫·蘇來曼以新鮮馬肉為原料,添加木糖葡萄球菌、植物乳桿菌等發酵劑合成的混合發酵劑LyocarniPRO-MIX5和獼猴桃蛋白酶發酵香腸,結果表明,當發酵劑和獼猴桃蛋白酶同時添加時,發酵馬肉香腸的品質最好。陳一萌等使用超聲波輔助木瓜蛋白酶結合發酵法嫩化牦牛肉,結果表明,在超聲的作用下,木瓜蛋白酶結合發酵法對牦牛肉蛋白質分解的影響最顯著,其中可溶性蛋白含量(content of soluble protein,CSP)顯著高于對照組,使得經過菌酶協同處理后的牦牛肉的彈性、硬度、內聚性、咀嚼性都優于單一方法。王雪琦在羊骨粉中先后加入木瓜蛋白酶和胃蛋白酶,得到含游離鈣的酶解液,繼續用乳酸菌進行發酵產生多肽,對羊骨菌酶協同產生的骨鈣和多肽在一定條件下進行螯合,制備羊骨膠原多肽-鈣螯合物。周媛媛等以兔血為原料,依次采用枯草芽孢桿菌發酵和堿性蛋白酶水解制備兔血抗氧化低聚肽,選取ABTS+·清除率和多肽含量作為評價指標,通過響應面試驗優化發酵工藝和酶解工藝,確定最優發酵工藝參數和最優酶解工藝。

我國畜產品加工產業以消費者需求和產品品質要求為導向,以科技創新為支撐,朝著產業品質更強、加工水平更綠色化的方向邁進,類似菌酶協同這種效率高、產品種類豐富的加工技術越來越受到肉類產業的青睞。

3.3" 水產品加工

許惠雅以草魚背肉為研究對象,研究乳酸菌和風味蛋白酶聯合發酵對草魚品質和風味的影響,以理化特性為指標,從常見的幾種乳酸菌中篩選出利于獲得更佳草魚發酵品質的最適乳酸菌,然后添加風味蛋白酶對草魚進行輔助發酵,對比單獨添加乳酸菌、風味蛋白酶以及二者復合使用對發酵草魚的理化特性、安全性、風味、品質的影響,以期為水產品加工提供技術支持。

隨著漁業的發展,魚糜制品的產量也逐年提升。發酵魚糜制品是指在魚糜中加入微生物,經發酵使魚糜中的蛋白質、脂肪或碳水化合物發生不同變化,提高魚糜制品的營養價值,形成特殊的風味與口感。沈會玲等利用毛霉和紅曲霉對魚豆腐進行發酵,研制魚腐乳,研究其發酵工藝及發酵過程中各成分的變化規律。賀曉麗等接種貝萊斯芽孢桿菌SW5協同外源蛋白酶發酵魚生產魚露,能有效地加速魚蛋白質的分解,提高AA-N質量濃度,增加魚露產量,并具有較好的產酸特性,使產品的pH降低,總酸升高,鮮味的呈味效果也相應提高。

3.4" 調味品加工

隨著對高質量生活的追求,人們對調味品的多樣性要求也越來越高。調味品因具有優化食品感官特性、調和膳食的氣味和滋味等功效,一直是食品產業不可或缺的一部分。市場上常見的發酵型調味品一般采用傳統自然發酵和現代快速發酵兩種方式。與質量不穩定、生產效率低的傳統天然發酵產品相比,現代快速發酵工藝縮短了發酵時間,提高了生產效率。傳統的自然發酵經過自身發酵產生所需酶系,所以發酵周期較長。現代快速發酵為縮短發酵時間常采用接種、加酶、保溫等方式,目前多種現代快速發酵方法結合的方式被逐漸應用于調味品的生產。徐劉貝等以鮐魚為原料,采用中性蛋白酶+風味蛋白酶(質量比1∶2)加曲發酵,通過單因素試驗和正交試驗優化菌酶協同發酵制備魚鮮汁的工藝,發酵產物中鮮味氨基酸、必需氨基酸分別占比50.00%、44.95%,組胺含量僅為13.35 mg/L,符合限量標準。因此,通過菌酶協同處理的發酵液營養價值和安全性都較高,可作為海鮮調味品的基料。任濤等以鰱魚作為發酵原料,采用菌酶協同及輕度美拉德反應相結合的方式制備鮮味劑。結果顯示,與普通的酶解法和發酵法相比,節約了時間且提高了生產效率。發酵產品中谷氨酸鈉、天門冬氨酸鈉等總含量高達4.926%,2-芐基異氰化和鈣含量分別為66.19%和1.9%,是一種符合國家標準、安全、營養的水產調味品。王曉燕等用米曲霉和風味蛋白酶發酵玉米漿(粗蛋白含量為44.17%),制備植物蛋白調味液,得出當pH為7.0、水解時間為3 h、加酶量為1 000 U/g、溫度為 50 ℃時效果最佳。經過此最佳條件處理,發酵液中可溶性蛋白和氨基酸態氮含量分別為(138.57±1.28) mg/mL和(1.80±0.01) g/dL,氨基酸總量中呈味氨基酸含量為47.49%,此蛋白調味液風味良好且符合食品安全國家標準。由此可見,通過菌酶協同發酵生產調味品有助于提高產品品質。

4" 菌酶協同處理技術的前景與展望

當前,菌酶協同技術在飼料生產方面應用比較廣泛,在食品加工中的應用相對較少。雖然菌酶協同技術具有明顯的優勢,但是處理工藝復雜。目前菌酶協同技術主要存在以下問題:第一,微生物和菌種相互作用機制不清晰。國內外研究人員對菌種及酶的生物學性能雖有深入的研究,但對于兩者之間的相互作用、 菌酶的添加順序、比例等尚沒有明確的規定,關于菌株、酶與人體之間的相互作用和機制的研究也很少。第二,菌酶協同效果評價標準不統一。由于菌酶協同發酵目的不同,酶制劑、菌種、發酵原料差異較大,難以制定統一的菌酶協同發酵效果評價標準。第三,菌酶協同發酵原料較單一。雖然菌酶協同發酵優于單菌種或單酶發酵,但由于該技術尚處在起步階段,研究重點及熱點多集中在動物飼料的生產方面,對于發酵食品原料的研究相對較少,且目前國內對于發酵農業副產品的研究非常少。

菌酶協同既能使發酵周期縮短,又能提高生產效率,降低生產成本,發酵效果優于單菌或單酶處理,若能將其廣泛運用于食品加工產業,則具有很大的發展前景。接下來菌酶協同應廣泛地應用在農副產物開發方面,如油類作物榨油后的粕常被用作飼料,造成資源浪費。若利用菌酶協同處理開發食品級的高值化產品如活性肽等,不僅可以再利用資源,減輕生態負擔,而且能更有效地利用蛋白質資源,開發新型食品,這將對食品行業產生極其深遠的影響。

5" 總結

菌酶協同處理在提高發酵效率、提升產品質量、改善產品風味等方面潛力巨大。但菌酶協同發酵技術因涉及菌種與酶的相互作用,機理極其復雜。對于菌酶協同存在的工藝評價標準不統一、機理尚不明確等問題,還需深入研究。本文主要綜述了菌酶協同常用的酶及菌種、發酵工藝的影響因素、目前在食品加工方面的應用等。對菌酶協同在食品加工中的廣泛應用進行了展望,期望菌酶協同技術能生產更多安全、營養、健康的產品。

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