发酵在食品中的应用及研究进展

发酵在食品中的应用及研究进展

摘要：传统发酵食品在我国食品工业中占有举足轻重的地位，本文介绍了发酵在食品工业中的应用，详细描述了五种类型的发酵食品，并就食品发酵行业发展现状及其所面临的问题作一综述，提出应对措施。关键词：发酵；食品；应用；进展

Research Development and Application of Fermented Food

Abstract:Chinese traditional fermented food takes a pivotal position in the food industry. The simply presentation of fermentation and its applications in food industry were introduced briefly in this paper, mainly including five types of fermented food. Then, it analyzed the status of fermented food industries and pointed out corresponding problems as well as the countermeasure and trend of its development.

Key words: fermentation; food; application; development

1 发酵食品概述

发酵工程，即微生物工程，通过微生物的大量繁殖使生物的优良遗传性状得到高效表达，从而生产出人们所需产品，该技术体系主要包括菌种的选育保藏和扩大培养、控制微生物代谢条件、发酵设备及分离纯化精制成品等。发酵工程是现代生物技术的重要组成部分，随着20世纪40年代抗生素发酵工业的建立而兴起。70年代以来，由于细胞融合、细胞固定化以及基因工程等技术的建立，发酵工程进入了一个崭新的阶段，并广泛用于医药、食品、农业、化工、能源、冶金、新材料和环境保护等领域。

发酵工程对食品工业的贡献较大，从传统酿造到菌体蛋白，都是农副产品升值的主要手段。发酵食品是指在食品加工过程中有微生物或酶参与而形成的一类特殊食品，其味道独特且具有地方情韵，不仅可以满足人们对不同风味、口感的要求，在营养、生理功能上也有一定成效[1]，主要源于微生物产生的代谢产物和微生物酶对原料分解后产生的分解产物，如功能性碳水化合物、多肽及氨基酸、抗氧化活性物质和益生菌等[2,3]。葡萄酒中存在大量的多酚类物质，其具有抗氧化和消除氧自由基、阻碍血小板凝集、防止低密度脂蛋白的氧化和抗癌作用。研究表明，法国人心血管疾病的发病率和死亡率都较其他西方国家低，这与他们经常饮用葡萄酒有着密切关系[4]。在非洲国家，以谷物等为原料的传统发酵食品通常作为婴幼儿断奶食品和营养辅助食品[5,6]。由于发酵食品原料丰富、工艺简单、生产成本低，因此在发展中国家膳食结构中占有重要地位[7]。我国食品发酵工业发展迅猛，味精、柠檬酸、酶制剂作为我国三大发酵制品，产量突出，生产、出口及消费位居世界前列。

2 发酵食品的现状及发展

据报道，由发酵工程贡献的产品占食品工业总销售额的15%以上。近几年，我国发酵食品工业化水平逐年提高，白酒、啤酒、葡萄酒、酸奶等产品的工业化生产发展迅速，利用微生物发酵生产食品添加剂主要有维生素（VC、VB12、VB2）、甜味剂、添香剂和色素等现代发酵产品，其他产品如腐乳、豆豉、酱油、发酵肠等工业化程度相对较低。

2.1 发酵食品的菌种

菌种是决定发酵产品是否具有产业化和商业化价值的关键因素，是发酵工业的灵魂。工业上常用的酵母有啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等，分别用于酿酒、制造面包、生产可食用酵母菌体蛋白等。曲中的微生物由曲霉、红曲霉、根霉等霉菌，假丝酵母、汉逊酵母等酵母菌，以及乳酸菌、丁酸菌、耐高温芽抱杆菌等细菌组成；酸奶及发酵乳饮料是由乳酸杆菌、乳酸球菌、双歧杆菌等发酵制得；啤

酒发酵是利用酵母菌；发酵肉制品主要的微生物有乳酸菌、片球菌、霉菌等。黄酒发酵利用毛霉、根霉、酵母；酱油生产则利用米曲霉、酵母菌、乳酸菌；醋的生产主要是醋酸菌的作用。

近年来各国学者专注于研究细菌发酵生产酒精以得到耐高温、耐酒精的新菌种。有研究表明，细菌具有较强的抗染菌能力，发酵速度快，运动发酵单细胞细菌在酒精工业生产应用中较酵母会有着更好的优势[8]。日本从土壤中分离出一种酒精生产菌TB-22，可以利用稻草、废木材和纤维素生产酒精[9]。以鲜牛奶为原料，利用乳酸菌与酵母菌发酵密闭杀菌后而成的奶啤，满足人们对发酵型低醇乳饮料产品的需求，同时还推动了中国乳品工业的进一步发展[10]。

常规菌种选择育种包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合育种等技术。随着人们对微生物代谢途径及其各种调节机制有了较为全面的认识，逐渐实现了定向育种，在分子生物学的基础上，产生了基因工程育种。

2.2 食品发酵的类型

发酵按培养基的类型分为固体发酵、液体浅层发酵和液体深层发酵，我国传统发酵食品制造中多采用酵母菌、霉菌和细菌等多种微生物进行固体自然发酵，而西方国家多使用细菌、酵母中的一种或几种进行液态纯种发酵，便于使用现代生物技术提高生产效率[11]，液体深层发酵是目前发酵工业的主要类型，如山楂果醋、L-苹果酸、灵芝菌丝等的液体深层发酵[12-14]；按照是否需氧可分为好氧发酵、厌氧发酵和兼性厌氧发酵。

根据不同的发酵类型，现在已研制出多种发酵罐。常用于基因工程菌发酵的生物反应器主要有两种基本类型：机械搅拌发酵罐和气升式发酵罐。机械搅拌发酵罐在发酵工厂应用最为普遍，气升式发酵罐省去了机械搅拌，不仅大大降低能耗，而且避免了机械搅拌桨轴封问题造成的染菌隐患。

2.3 发酵产物的提取与精制

多数发酵产品的提取和精制成本比发酵过程的成本高得多，因此要对发酵工程上游及发酵过程进行优化，如菌种改良、发酵条件优化、发酵过程控制等，使发酵工程下游的发酵产物易于提取和精制，从而降低发酵产品的综合生产成本，提高发酵产品的市场竞争力。随着各学科的交融，多种技术运用于产物的纯化，如固液分离技术、细胞破碎技术、浓缩技术、膜分离技术、沉淀分离技术、吸附分离技术、萃取分离技术、色谱分离技术结晶及干燥技术等[15,16]。

3 发酵食品及其技术应用

发酵工程在食品工业的应用广泛，传统发酵产品主要有酱油、食醋、腐乳、白酒、酸菜、腐乳等，除此之外，现代发酵产品还包括氨基酸类、有机酸类、酶类等。

3.1 氨基酸类产品

氨基酸是蛋白质的基本结构单位，也是重要的营养物质，在食品领域需求巨大。氨基酸发酵是指合成菌体蛋白的氨基酸脱离其正常的合成途径，超量合成并排出菌体外的异常发酵。它不以蛋白质为原料而是以废糖蜜和淀粉为碳源，以尿素、氨、硫酸铵等无机氮为氮源，通过微生物合成氨基酸，为食品工业做出了贡献。其最大的优点是生物合成的氨基酸和构成天然蛋白质的氨基酸都是L-型光学活性体，这和化学合成法得到的D，L-型混合的外消旋体完全不同。自1955年人们发现了发酵法高效生产L-谷氨酸的微生物后，氨基酸发酵研究发展迅速。目前已有多种氨基酸如L-赖氨酸、L-苏氨酸、L-异亮氨酸、L-缬氨酸、L-丝氨酸、L-色氨酸实现了工业化生产[17]。其中部分是通过基因工程菌发酵生产获得的，部分氨基酸也可以利用酶法生产。为了实现发酵工艺条件最优化，国内外都采用计算机进行过程控制。

3.2 有机酸类产品

有机酸广泛存在于植物果实中，作为食品、饮料中的重要酸味剂，用以增加食品、饮料的自然风味，同时有机酸有帮助消化和抑制微生物等作用。有机酸发酵的原理是指微生物在碳水化合物代谢过