发酵工程在功能性食品中的应用

的生产上，有力地推动了食品工业革命性的 变化。就目前而言，生物技术已在功能性食 品生产上得到有效应用，上述的8类功效成 分中，除植物活性成分一般采用提取分离法 外，其余的均可用生物技术来高效生产。生 物技术，是应用自然科学及工程学原理，依 靠微生物动物植物细胞及其产生的活性物质， 作为某种化学反应的执行者，将原料进行加 工成某种产品 来为社会服务的技术。生物技 术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵 工程，其中基因工程、 细胞工程和酶工程在
来生产木糖醇，可有效降低木糖醇的生产成本：不 仅省去木糖纯化步骤，而且简化木糖醇的分离步骤， 是一种很有前途的生产方法。
2.2.1原料：主要使用植物半纤维素的水解产物，半纤 维素的主要成分是木聚糖，在无机酸作用下水解成 木糖，可作为基质。
2.2.2菌种：以木糖为基质生产木糖醇，主要考虑2种 酶：一是木糖还原酶（以NADPH或NADH为辅酶）， 一是木糖醇脱氢酶（以NAD+或NADP+为辅酶）。选 择木糖醇生产菌种的原则：高木糖还原酶活性或低 木糖醇脱氢酶活性。根据该原则，选择了膜醭假丝 酵母，木糖代谢途径：
1.1功效成分
显然，功效成分是生产功能性食品的关键。就目前 而言，业已确认的功效成分，主要包括以下8类： ⑴功能性碳水化合物：如真菌多糖、功能性低聚糖、 功能性单双糖。 ⑵功能性脂类：如ω-3和ω-6多不饱和脂肪酸、磷脂等。
⑶氨基酸、肽与蛋白质：如牛磺酸、酪蛋白磷肽、 降压肽、免疫球蛋白、酶蛋白等。
它的主要内容包括：工业生产菌种的选育，最佳发酵 条件的选择和控制，生化反应器的设计以及产品的 分离提取和精制等过程。
在功能性食品领域，发酵工程在生产多元糖醇、Hale Waihona Puke Baidu型 真菌菌丝体、微藻、维生素和维生素类似物、多不 饱和脂肪酸、功能性乳制品等方面都已到实际应用， 并已产生明显的经济效益和深远的社会效益。
2.2.3第二代（近代）微生物发酵技术－深层培养技 术可分为两个时期，前一时期抗生素工业的发展， 以青霉素的生产为代表，形成规模化生产，同时采 用了深层培养技术，即机械搅拌通气技术，从而推 动了抗生素工业乃至整个发酵工业的快速发展。这 时期的产品主要是好氧发酵的次级代谢产物。
后一时期是20世纪50年代氨基酸发酵工业，在引进了 “代谢控制发酵技术”后，得以快速发展，即将微 生物通过人工诱变，获得代谢发生改变的突变株， 在控制条件下，选择性地大量生产某种人们所需要 的产品。这项技术也被用于核苷酸、有机酸和抗生 素的生产中。这个时期是近代发酵工业的鼎盛时代。 新产品、新技术、新工艺、新设备不断出现，应用 范围也日益扩大，如能源开发、环境保护等。
木糖 NADPH NADP+木糖醇
NAD+ NADH 木酮糖
5－磷酸木酮糖
单磷酸己糖途径
2.2.3影响因素
2.2.3.1通气率 通气培养能提高木糖向木糖醇 的转化量，因为木糖醇的生产直接同生物量 的增加相联系。并且受氧气消耗量的影响极 大。要有效生产木糖醇，首先考虑的是微生 物细胞在培养基中快速积累，这可通过在介 质中溶解氧来解决，但木糖醇的生产需要缺 氧条件，在整个培养过程中介质维持高水平
2.发酵工程与功能性食品产业
2.1发酵技术的沿革 2.1.1传统的微生物发酵技术－天然发酵 主要产品有酒、醋、酱油、泡菜、干酪等，特点是发 酵过程很难人为控制，生产只能凭经验，口传心授。 2.2.2第一代微生物发酵技术－纯培养技术的建立
德国人柯赫首先建立了微生物的纯培养技术，开创了 人为控制发酵过程的时期，加上简单密封式发酵罐 的发明，发酵管理技术的改进，发酵工业进入了近 代化学工业的行列。这时期产品有酒精、丙酮、丁 醇、有机酸、酶制剂等，主要是一些厌氧发酵和表 面固体发酵产生的初级代谢产物。
木糖醇氧化成木酮糖。因此，应在培养早期维持高 水平的溶解氧，然后在产木糖醇的时期降低微生物 的呼吸率。
发酵工程在功能性食品中的应用
1 功能性食品
功能性食品是指强调其成分对人体能充分显示机体 防御功能的工业化食品，是新时代对传统食品的深 层次要求。开发功能性食品的最终目的，就是要最 大限度地满足人类自身的健康需要。开发功能性食 品，要对其“安全性”和“功能性”进行科学评价， 这就需要明确其中起关键作用的、真正具有生理作 用的功效成分，或称活性成分，功能因子。
2.2木糖醇的发酵法生产
木糖醇为多元糖醇，溶于水会吸热，其吸热 值在糖醇类甜味剂中最大，因此食用时会产 生凉爽的口感，在体内代谢不需要胰岛素参 与，能防龋齿，也可作为非肠道营养的能量 来源。 木糖醇的生产方法有三种：提取、化学合成、 生物合成。目前，工业生产主要采用化学合 成法：半纤维素加酸催化水解，得到含木糖 的水解液，经纯化脱色，在一定条件下通过 戊糖加氢反应生产木糖醇，转化率50～60％。
1.2高新技术
由于功效成分普遍具有“微量” 、“高效”和“不 稳定”的特点，应用传统的工程技术，已不能适应 微量成分的制造，不能开发出高科技的功能性食品。 现代食品工程高新技术的出现，将有力地促进这个 问题的圆满解决。高新技术在功能性食品生产中所 占的比重不断增大，特别是生物技术的应用得以长 足的发展，尤其是用在功能性食品配料（即功效成 分）
⑷维生素和维生素类似物：包括水溶性维生素、油溶 性维生素、生物类黄酮等。
⑸矿物元素：包括常量、微量元素等。
⑹植物活性成分：如皂苷、生物碱、萜类化合物、 有机硫化物等。
⑺益生菌：主要是乳酸菌类，尤其是双歧杆菌。
⑻低能量食品成分：包括蔗糖替代品、脂肪替代品等。
功能性食品的出现，标志着作为食品中的关键组分， 开始从重点要求大量的传统营养素，转向重点要求 微量的功效成分。
2..2.4第三代微生物发酵技术－发酵工程
又称微生物工程，以基因工程、细胞工程、蛋白质 工程等现代生物技术为支撑，利用微生物的生长和 代谢活动，通过现代化工程技术手段进行工业规模 生产的技术，是微生物（菌种）、发酵工艺和发酵 设备的协调，根据发酵目的对微生物的采集、分离 和选育提出要求，对发酵工艺进行设计和优化，对 发酵设备提出改进和配套选型的工程技术。