发酵工程在食品工业中的发展及应用

丁 琪，冯志华，孙 涛

（江苏海洋大学，江苏连云港 213000）

发酵工程是利用前沿生物工程技术手段和其他自然科学原理对原微生物体进行改造，开发出对国民经济、人们生活质量有价值的物质或者将其直接应用到工业化生产的技术体系。具体是通过操纵基因重组、细胞融合、调控细胞关键代谢酶、高通量筛选和大分子分离纯化等新型技术手段在传统发酵技术基础上提高改善和创新水平。据记载，在食品工业中应用发酵技术已有数千年历史，该技术的发展应用使得食品性能更具多样性，同时也改变了人们的饮食习性，满足了消费者的特殊需求。随着食品工业的迅速发展，现代发酵技术也展现出它巨大的发展前景，两者相辅相成，对我国食品工业发展具有强大的推动力。

1 发酵工程概述

1.1 发酵工程原理

发酵工程是以天然原生物体和人工改造修饰过的生物体为对象，利用现代高新技术培养出新菌种，开发新型产品或者服务于人类社会的前沿工程技术[1]。一般来说，发酵工程又被称作微生物发酵工程。发酵工程通常包括菌种选育、发酵、提纯3个环节。

在选育菌种环节，菌种一般来源于应用价值高的工业微生物，工业微生物具有个体微小、种类繁多、繁殖速度快、分布区域广泛、代谢速度快、容易突变改造等特点。发酵技术对菌种的要求较高，主要体现在菌种遗传性状稳定、不易突变退化，该菌种不能是病原菌，且在整个发酵流程中不能产生有毒害物质，具备抗噬菌体能力，杂菌能力强且所需的发酵周期短等[2]。常见的发酵菌种有酿酒酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢杆菌等。在这个环节中要重点注意原料的预处理。

在发酵环节中，可根据实际情况采取间歇发酵、连续发酵、流加发酵3种操作方式。其中，间歇发酵操作中，气体是唯一的与外界交换的物料。连续发酵则是以相同的速度流入和流出培养系统的新鲜培养基、废旧培养液，以保持微生物细胞在恒定状态下生长[3]。而流加发酵则介于其他两种发酵操作之间，发酵环节中要重点注意微生物菌种制备和扩大培养。

在提纯环节中，可以采用细胞破碎技术、浓缩分离技术和固液分离技术等物理、化学手段，将代谢产物从发酵缪中分离提出出来，获得最终产品。在这个环节中要重点注意分离剔除杂菌物质。

1.2 发酵工程特点

优质的发酵产品的产出需要具备合适的微生物菌种、控制微生物代谢活动正常的培养条件、微生物发酵的设备、支撑产品方法的设备等诸多条件[4]。现代发酵过程因技术高新和成熟，在发酵新产品过程中表现出微生物可在常温常压下进行生化反应，可利用廉价甚至废物作为发酵原料生产高附加值产品，生物体可自我调教来完成整个发酵过程，得到单一代谢产物、经济效益高、低污染、设备通用性高等特点。

2 国内发酵食品开发现状

我国传统发酵食品历史悠久，发酵技术古老而又现代化。目前，我国运用微生物发酵技术主要开发豆类、谷类、益生菌类食品。发酵食品过程中所参与微生物有数十种，甚至数千种，由于不同微生物所具有的功能不明确，且多来源于天然野生型菌种，在加上受传统发酵工艺影响，导致我国对发酵食品技术中的微生物的应用和改善传统发酵工艺流程落后于其他生物技术的发展[5]。另外，多数发酵食品企业生产结构、经营管理不合理，导致了环境污染、资源浪费、经济效益差等现象，这主要是因为企业忽视了对微生物生化原理的研究，不了解其进行物化反应的本质，而把焦点主要集中在描述产品和工艺上。

面对食品发酵工业目前存在的问题，建议应围绕以下几点措施进行改进。①通过对现有的优良菌种的扩大培养、采用前沿生物技术改良菌种、深入进行发酵机理研究等手段，使得我国在微生物菌种的研究及应用上占据优势。②改善发酵工艺流程，实现纯种发酵，能够控制发酵过程，产出优质产品。③将确定的食品发酵工艺用于开发新产品。④快速调整发酵工艺原料结构、产品结构和技术装备结构，扩大生产企业规模，提升行业的整体水平，实现非粮深加工产业例如玉米深加工的协调发展。

3 发酵工程在食品工业中的应用

3.1 单细胞蛋白的生产

微生物的菌体蛋白营养价值比大豆、肉、鱼等食品中蛋白质含量高0～50%，且含有的氨基酸组分比较齐全，包含人体所需要的8种氨基酸。蛋白质单细胞可直接生产为蛋白粉，可充当食品添加剂应用到调味料，可作为营养增强剂以补充矿物质和蛋白质、维生素，可在婴幼儿奶粉或者米汤种作为抗氧剂等。常用酵母菌、细菌或者藻类等作为生产单细胞蛋白（SCP）的菌种，淀粉、糖蜜、纤维素或者有机废料作为生产SCP原料。因为产出SCP的菌种不产毒素，核酸含量低，培养环境良好和技术高新，所以SCP的安全性和可接受性高。

3.2 食品添加剂的生产

食品添加剂主要用来改善食品的品质和防止食品腐败变质。目前，食品添加剂在人们生活中被广泛使用，发酵技术已成为食品添加剂生产的首要方法。常见的食品添加剂按其用途可分为防腐剂、甜味剂、疏松剂、着色剂、保鲜剂、增味剂、营养强化剂和酶制剂等。在这里以食品胶（黄原胶）和食用色素（β-胡萝卜素）生产举例。

黄原胶是20世纪70年代左右研发出来的新型食品胶，由黄单孢细菌和碳水化合物为原料进行发酵所得，它是世界上生产规模最大的微生物多糖。因黄原胶具有强的亲水性、稳定性、增稠性、乳化性等优质性能，常被加入到果汁饮料中作增稠稳定剂，在蛋白饮料中作乳化剂，在面包、糖果中作高黏度填充剂，在肉制品中加入黄原胶可提高肉制品的嫩度和持水性，在罐头食品中加入黄原胶有利于改善口感、增强风味，在果蔬中加入黄原胶可防止果蔬褐变、失水，增强食品新鲜度。总的来说，用微生物发酵产出的黄原胶安全无毒。

β-胡萝卜素是一种重要着色剂，具有营养强化功能。在食品中添加该色素可使食品光泽鲜亮，同时对降低体内血脂、预防心血管疾病和刺激免疫有积极作用。β-胡萝卜素的生产菌种是布拉克须霉菌和三孢布拉霉菌等。目前，俄罗斯等东欧国家已经实现了β-胡萝卜素的工业化生产[2]。

3.3 功能性食品的开发

利用微生物发酵技术开发出的功能性食品是目前在市场上最受欢迎的一类食品，该技术利用对大型真菌的开发，使食品在具有基本的营养价值以外，对人体还有保健和治疗作用。以真菌多糖举例说明。真菌多糖只是一个广泛的概念，包括灵芝多糖、香菇多糖、冬虫夏草多糖、黑木耳多糖等。以灵芝多糖来说，灵芝多糖是从子实体或者菌丝体中提取出来的[2]。现实生活中，灵芝多糖主要应用于灵芝乳酸浓缩汁的生产、灵芝发酵饮料的生产和灵芝菌丝体发酵酒的生产，它所发酵出的产品都具有保健功能。

3.4 微生物油脂的生产

微生物油脂是可无限再生资源，它在食品工业中利用率高，可作为食品添加剂和强化剂等。例如在奶制品中添加从被孢子霉属真菌油脂中提取的亚麻酸，可以增加奶制品的营养价值，营养含量接近于母乳。国内飞鹤乳业公司生产的奶粉中就添加了富含AA的微生物油脂。另外，把含有亚油酸的微生物油脂作为冷冻糕点的油脂原料，对人体动脉的硬化和高血压都能产生积极的预防作用。因微生物油脂含有丰富的不饱和脂肪酸，也可作保健品供人类食用。它还可以作畜禽的饲料添加剂，间接改善肉的品质。

3.5 新糖原的开发

新糖原是利用发酵工程技术开发出来的一类新型甜味剂，区别于传统型甜味剂之处是它具有很强的功能性，热量低，对人体无毒无害，能够调节身体健康、改善肠道功能、抗龋齿、降血糖，可以消除患有肥胖症、糖尿病、肝肾衰竭患者对高糖食品造成身体损害的顾虑。熟知的甜味剂有木糖醇、甜蜜素、果糖、麦芽糖醇和果葡萄糖浆等。

4 结语

发酵工程技术是一类前沿高新的生物技术。如今，该技术在食品工业中被广泛应用，依托发酵技术产出的食品的性能更加全面，给人们生活带来利好的食用价值。今后，在发展发酵工程技术时，应找准研究方向，建议重点围绕提高微生物代谢产物的分离提纯技术、创新微生物资源、固定化酶生产和应用、加强发酵与酿造过程的控制、创新和完善发酵工艺流程，优化资源配置、注重食品营养价值和保健功能、坚持循环经济，降低成本、保障保障微生物菌种的安全性和稳定性这几大方向推动发酵工程技术变革，期望产出更多优质性能的食品，促使食品工业稳定发展。