微生物發酵技術在食品領域中的應用研究

微生物發酵技術具有多樣性，對食品領域影響深遠，是現代食品工業的重要推動力。微生物發酵技術可以通過調控微生物的代謝活動，提升食品風味、改良食品質地和延長食品保存周期。在益生菌食品、低過敏性食品等功能性食品的開發過程中，微生物發酵技術實現了創新應用。在食品安全和可持續發展層面，微生物發酵技術為生產工藝優化、綠色生產模式建立提供了有效路徑。從微生物發酵技術在食品領域的多維應用出發，探討具體方法與實現路徑，以期為未來食品產業的可持續發展提供科學參考。同時，在現代食品生產中，發酵技術通過微生物的代謝調控，實現了食品風味、質地和營養價值的深度提升，同時優化了食品保存條件，延長了產品貨架期。然而，盡管微生物發酵技術在實踐中已有諸多成功應用，其具體實現方式和科學路徑仍需深入探討。本文旨在結合微生物發酵技術在食品領域的具體應用場景，解析其在生產工藝優化、功能性食品創新及可持續實踐中的關鍵技術與實現路徑，以期為食品行業的技術升級提供理論支持和實踐借鑒。

1.微生物發酵技術對食品生產工藝的優化

1.1食品風味的調控與提升

在食品生產中，微生物發酵技術的核心在于選擇適宜的發酵菌種與工藝條件，使發酵菌種能夠在發酵基質中生成特定的風味化合物。例如，在傳統醬油發酵過程中，加入曲霉菌能夠將蛋白質分解成氨基酸，還可以通過次生代謝產生苯乙醇、糠醛和吡嗪類物質，使醬油具有復雜的香氣層次。在奶制品發酵中，乳酸菌如嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌，可以通過代謝乳糖生成乳酸，并產生二乙酰、乙酸乙酯等芳香物質，為酸奶賦予清新的乳香和柔和的酸味，此類風味物質的產生除了取決于微生物的種類，還與發酵環境的溫度、pH值以及發酵時間密切相關。另外，在可可豆發酵的過程中，酵母菌通過糖類發酵生成乙醇，隨后乳酸菌將乙醇轉化為乳酸，醋酸菌進一步代謝生成醋酸，這一系列生化反應能夠顯著增強可可豆的香氣濃度和風味復雜度。值得注意的是，這種多階段發酵工藝的穩定性極大程度上依賴于發酵條件的精準控制，稍有偏差便可能導致香氣物質生成不足或不均勻。此外，近年來微生物共生發酵技術的應用讓發酵食品能夠呈現前所未有的風味特性，如在啤酒發酵的同時加入酵母和乳酸菌，可得到酸爽與麥香的雙重風味提升，為消費者提供更多樣的選擇（如圖1）。

1.2食品質地的改良與控制

微生物發酵技術的核心在于微生物產生的酶類、代謝物及生物聚合物的調控功能，如在面包生產中，乳酸菌可以通過發酵產生乳酸和乙醇，調節面團的酸堿平衡，還可以通過代謝釋放α-淀粉酶與葡聚糖，促進面筋網絡的形成，這種作用改善了面團的彈性、延展性和吸水性能，使烘焙后的面包更加蓬松，結構更加穩定。同時，酵母在發酵過程中會釋放二氧化碳，在面團內形成均勻的氣孔，進一步優化產品的口感與視覺美感，此類微生物代謝在面包質地控制中的應用已經成為工業化生產的關鍵環節，生產企業可以通過改變菌種比例與發酵時間來實現多樣化的質地目標。在乳制品的質地改良過程中，發酵微生物同樣發揮著至關重要的作用，以酸奶為例，乳酸菌如嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌通過發酵乳糖生成乳酸，同時促進蛋白質的部分水解，可以改變乳制品的凝膠結構與粘稠度。在乳酸發酵過程中，乳清蛋白與酪蛋白的重新分布形成了具有彈性和穩定性的三維網絡結構，讓酸奶的口感更為細膩和平滑。在此基礎上，通過微生物復合發酵技術的應用，如添加雙歧桿菌與嗜酸乳桿菌共發酵，可以進一步提升產品的質地均勻性與穩定性，避免酸奶發生乳清分離的現象。為應對低脂乳制品質地不足的問題，微生物生產的胞外多糖（如葡聚糖、果聚糖）可作為天然增稠劑，通過與水分子相互作用形成粘彈性較高的體系，從而顯著增強乳制品的質地。

1.3食品保存周期的延長

微生物發酵過程中產生的有機酸（如乳酸、醋酸）和低分子量化合物不僅能抑制腐敗菌和致病菌的生長，還能顯著改善食品的理化穩定性。如在發酵肉制品時，乳酸菌通過代謝糖類生成的乳酸，可快速降低產品的pH值，讓大部分嗜堿性和嗜中性微生物無法在這一環境中生存。乳酸菌的代謝副產物，如過氧化氫和細菌素也對革蘭氏陽性菌具有顯著的抑制作用，增強了產品的防腐性能。這種基于發酵的保鮮技術在傳統香腸和臘肉的制作中表現尤為突出，通過延長微生物控制下的發酵期，可以提升風味，延長保存周期。在泡菜發酵中，乳酸菌的大量增殖有效取代了腐敗菌的生長空間，形成了以乳酸為主的代謝產物環境，該過程通過降低氧化還原電位（Eh），抑制了需氧微生物的活性，顯著降低了產品的腐敗風險。同時，乳酸發酵能夠降低維生素和抗氧化物質的降解速率，保持產品的營養價值與感官品質。為了進一步提升保存效果，現代發酵技術常結合菌種篩選與發酵條件優化，如通過篩選出乳酸鏈球菌或腸膜明串珠菌，增強對革蘭氏陽性致病菌的抑制力。將新鮮的培養基加入發酵系統中，同時將含有產物的發酵液移出，這樣可以使發酵過程不斷進行。持續發酵適用于大規模工業化生產，具有生產效率高、設備利用率高、運行穩定的優點。

2.微生物發酵技術在功能性食品開發中的創新

2.1益生菌食品的研發

在益生菌食品的研發過程中，乳酸菌、雙歧桿菌等常用益生菌的選育需根據食品基質進行適配性實驗，如針對乳制品，通過篩選對乳糖代謝能力強的菌株，不僅能加速發酵過程，還能顯著改善產品的風味和質地。益生菌的增殖能力與存活率是關鍵考量因素，通過優化培養基成分和發酵條件，如調整碳源比例、控制發酵溫度與pH值，可最大限度地提高菌體活性。特別是在飲料類益生菌食品中，為延長菌體活性維持時間，往往會采用微囊化包埋技術，將益生菌包裹在高分子材料中，這一方法可以提高菌株對胃酸和膽汁的耐受性，同時提升其在不同儲存條件下的穩定性。在植物基飲品的生產中，由于植物蛋白飲料普遍存在苦澀味和顆粒感，通過益生菌發酵可以有效解決這些問題，發酵過程中，菌體分泌的蛋白酶和酯酶能夠水解大分子植物蛋白，生成小分子肽和芳香物質，從而改善飲品的口感，同時提高營養成分的釋放效率。此外，為提升產品的功能特性，企業通常會引入復合菌株發酵策略，利用不同菌株的協同代謝作用，生成如短鏈脂肪酸和抗氧化物等健康成分。

2.2降低過敏性食品的制備

在牛奶和大豆等常見過敏原食品的加工過程中，乳酸菌、酵母和其他發酵微生物的應用尤為廣泛，如乳酸菌通過發酵可以分解牛奶中的β-乳球蛋白這一主要過敏蛋白，其釋放的蛋白酶能夠切割蛋白質的抗原表位，顯著降低免疫系統的過敏反應。而通過乳酸菌對乳糖的代謝，乳制品中的乳糖含量大幅下降，可為乳糖不耐受人群提供更易消化的產品。在大豆制品中，發酵微生物同樣可以降低其主要過敏原，如β-伴大豆球蛋白和凝集素。發酵過程中，微生物代謝產生形成的酸性環境和酶促反應共同作用可以降解過敏蛋白，增強產品的風味和質地。針對某些特定食品，如發酵小麥制品，研究者通過選育能夠產生高效內切酶的乳酸菌株，實現了對小麥制品中麩質的深度水解。發酵環境中的pH值、溫度以及發酵時間的調整直接影響了目標蛋白的降解效率。在實際生產中，雙菌種共發酵模式被廣泛采用，如結合乳酸菌和酵母的協同代謝作用，可顯著提升蛋白質的降解速率，同時保持食品的質構和口感不受破壞。為提升低過敏性食品的儲存穩定性，近年來還開發了微囊化發酵技術，通過將發酵微生物與目標基質共同包埋，既能保護活性菌體的功能性，又能逐步釋放酶類以持續降解潛在過敏因子。

3.微生物發酵技術在食品安全與可持續發展的實踐

3.1食品安全的保障機制

在食品生產中，乳酸菌在發酵過程中產生大量乳酸，讓食品的pH值顯著下降，營造出不利于大多數致病菌生存的酸性環境。這些乳酸菌還能生成過氧化氫和細菌素等抗菌物質，進一步增強對有害微生物的抑制效果，如在發酵乳制品生產中，乳酸菌分泌的乳酸能有效抑制沙門氏菌和大腸桿菌的增殖，而其代謝產物細菌素如乳鏈菌肽，則通過破壞細菌細胞膜的完整性，從根本上抑制了食品中可能存在的病原菌。為提升發酵產品的安全性能，現代發酵工藝廣泛采用多菌種共發酵技術，利用不同菌種代謝特點的互補性，共同強化防控食品中潛在微生物風險的能力。在傳統肉制品加工過程中，由于易受環境中的細菌污染而導致食品安全風險，發酵工藝提供了另一種有效路徑，如利用乳酸菌發酵肉類制品時，乳酸菌通過競爭性代謝作用占據了產品中絕大部分營養空間，抑制了腐敗菌的繁殖（如圖2）。同時，發酵過程中產生的短鏈脂肪酸和有機酸協同作用能有效延緩食品腐敗，還能對潛在的生物毒素產生分解效果。在果蔬發酵領域，發酵工藝通過促進表面雜菌的分離與代謝中和作用，可以降低原材料中的微生物負荷。例如，在泡菜生產中，自然發酵法通過乳酸菌迅速定殖，能夠在發酵初期有效清除泡菜表面的雜菌，同時大幅降低真菌毒素的潛在殘留風險，現代食品工業進一步利用這一特點，通過發酵設備的升級和工藝參數的精細化調節，確保發酵過程的微生物安全控制達到更高水平。

3.2綠色生產與環境友好型食品的推廣

在食品工業中，微生物發酵技術能夠減少能源消耗和化學試劑的使用。以醬油、醋等調味品的生產為例，傳統工藝通常需要較高的能源投入以維持蒸煮過程，而借助現代微生物發酵技術，可以在常溫條件下實現高效生產，曲霉菌和酵母菌在發酵過程中的代謝活動能夠提升醬油風味的復雜性，還能通過其內源酶系直接分解大豆蛋白和淀粉，縮短生產周期。另外，在乳酸發酵過程中生成的乳酸和短鏈脂肪酸能夠為食品提供天然的酸味劑，還替代了人工合成的食品添加劑。這種天然添加劑的應用避免了化學制品對環境的潛在污染，同時滿足了市場對環保型食品的需求。在果汁生產中，通過乳酸菌和酵母菌發酵，能夠將果渣等副產物轉化為高附加值的發酵飲品或作為功能性食品的成分，如多酚類抗氧化劑的濃縮液，可以減少固體廢棄物的處理成本，為企業帶來新的經濟增長點。在實際應用中，為提高發酵效率和綠色生產的穩定性，企業通常引入多階段發酵系統。該系統可以分離發酵過程中產生的不同代謝物，如有機酸和醇類，使各類產物得到精細化提取，進一步降低廢水的處理難度。研究表明，通過篩選耐高滲透壓和高溫的菌株，可以在無菌環境要求降低的情況下進行發酵，大幅減少生產環節中的能源消耗和化學滅菌劑的使用，這種技術路徑能夠提升食品生產的環保屬性，在行業內樹立了綠色生產的新標桿。

結語

微生物發酵技術作為食品工業的重要組成部分，已在風味提升、質地改良和功能性食品開發等領域展現出巨大潛力。通過對食品生產過程中關鍵環節的技術改進，可以提升產品的感官和營養價值，推動綠色生產模式的普及。同時，發酵技術在保障食品安全、減少環境負擔方面的作用正逐步顯現，為可持續發展提供了切實可行的解決方案。未來，隨著微生物發酵技術與現代生物工程、信息化技術的深度融合，其應用場景將更加廣泛而多元。

作者簡介

曹書銘（1993-），男，河南焦作人，碩士研究生，講師；研究方向：食品加工與安全。

胡舒婕（1996-），女，河南沁陽人，碩士研究生在讀，助教；研究方向：生物工程發酵。