食品发酵的应用及发展现状.doc

食品发酵的应用及发展现状于万勋（辽宁工程技术大学理学院，辽宁阜新 123000）摘 要：发酵技术的一个重要应用是防止有机物的腐烂，另一个重要应用是使口味平淡的食品原料发生感官的，物理的和营养方面的变化，改善风味和口感，它在人类的饮食文化历史中有着重要的作用，本文从食品产业思路出发，重点介绍微生物对发酵技术的影响。关键词：微生物、食品发酵1.发酵食品微生物及发酵方式利用微生物的作用而制得的食品都可称之为发酵食品。我国传统发酵食品历史悠久，曾影响着日本、朝鲜等国家。近年来，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，其它产品如腐乳、豆豉、酱油、发酵肠等，工业化程度相对较低。因此必须提高我国传统发酵食品工业化水平，参与国际竞争。1.1发酵产品中的微生物用于传统发酵食品的微生物有酵母菌、霉菌、细菌等。如中国的著名大曲酒一茅台酒，其发酵所用的大曲由大麦、小麦等粮食原料保温培菌制得。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。 为提高发酵水平，很多发酵食品应用现代生物技术选育优良菌株进行纯种发酵。如英国采用转基因啤酒酵母进行啤酒的生产，可直接利用淀粉和糊精，提高了发酵产率。目前国内外酸奶生产大多使用直投式乳酸菌粉，发酵剂产品质量均一，接种量可精确控制，同时省去了菌种车间，减少投资，简化了生产工艺。1.2发酵形式发酵食品的发酵形式主要有液态或固态发酵和自然或纯种发酵。 固态发酵广义上讲是指一类使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，既包括将固态悬 浮在液体中的深层发酵，也包括在没有(或几乎没有)游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。多数情况下是指在没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物发酵的一个生物反应过程。与液态培养方式相比，固态发酵具有如下优点：培养基简单且来源广泛，多为便宜的天然基质或工业生产的下脚料；投资少，能耗低，技术较简单；产物的产率较高；基质含水量低，可大大减少生物反应器的体积，不需要废水处理,环境污染较少，后处理加工方便；发酵过程一般不需要严格的无菌操作；通气一般可由气体扩散或间歇通风完成，不需要连续通风，空气一般也不需严格的无菌空气。中国、日本等东方国家的传统发酵食品以固态发酵居多，如酱油、腐乳、豆豉等；西方也有一部分食品为固态发酵，如著名意大利色拉米香肠、德国图林根香肠和黎巴嫩肠。陈洪章，李佐虎等研制出的压力脉动固态发酵新技术在严格意义上达到了纯种培养与大规模产业化要求。 现代固态发酵的应用具有巨大的潜能，但与液体发酵相比，目前固态发酵在传质、传热等方面还缺乏全面的详细研究，因而对工业化大规模的最优化生产仍有一定的影响。现代发酵工业大多以大规模液体深层发酵为特征，小分子产品在水性发酵液中含量大都在10%上下，许多高价值或大分子浓度更低，有的甚至大大低于1%，因而发酵液产品提取后产生大量的废液，生产规模越大,废液越多,污染越重。固态发酵技术具有节水、节能的独特优势，且没有废液产生，属于清洁生产技术。采用现代固态发酵技术则不仅可提高产品本身的质量,还可提高其生产的可操作性,并达到提高产品产量和质量的目的。 纯种发酵和自然发酵相比较，生产周期短，生产易于机械化，干扰因素少。现在有些发酵食品正在向纯种发酵发展，有的已成型且效果明显，如日本开发的先进的纯种制曲技术，欧美等国已制成的用于酸奶和发酵肠的纯种发酵剂，使发酵生产易于控制，发酵效果好，产品质量高，提高了劳动生产率及竞争力。目前我国的腐乳生产也改革了传统的豆腐毛坯的制造方法，使用优良菌株进行纯种培养，使菌种保持原有优点的同时更加适宜高温条件。2.发酵工业的发展随着改革开放的不断深入, 我国国民经济实现了持续、快速、健康的发展。与此同时, 我国的食品工业和发酵工业也获得了迅猛发展。1997年, 作为三大发酵制品的味精、柠檬酸、酶制剂的产量也有很大的增加。1990年味精的产量是22.3万t, 1997年为56.4万t。柠檬酸的产量从1990年的6.13万t增加到19.13万t。酶制剂的产量从1990年的8.5万t增加到24万t。酵母及淀粉糖的产量也有明显增加。发酵工业产品的增长, 不仅丰富了人民的生活, 促进了相关行业的发展, 而且也使我国发酵工业在国际上有了举足轻重的地位。可以说食品生产是世界上最大的工业之一。在工业化国家，食品消费至少占家庭预算的20%30%。食品业范围很广，有专门的行业和职业，还有全球的食品生产和销售的跨国公司， 随着运输业的发展，各种各样的食品可运至世界各地，而保鲜技术的进步，使得人们可品尝到一年四季的季节性产品，事实上，食品业正为社会提供高质量，有益健康的食品，不受季节和原产地的限制。充分认识生物技术对满足当今社会对食品需求的潜力，无论对发达或不发达的国家都是非常重要的，食品生物技术包含的内容很广，如提高食品质量，营养，安全性和食品保藏等；它有赖于现代生物知识和技术与食品加工和保险生物工程原理的有机结合。不过单凭生物技术的进步还不能使食品工业发生革命，而经济和消费者接受力，对生屋技术应用和推广也有很大的影响，有时超过技术障碍。食品和饮料与制药业很不同，他们的产品不停地被消费并受市场调节。许多食品和饮料所投入的研究经费占销售额的不到1%。他们加工容易，加工的方法得不到专利保护。许多食品和饮料是大批量，低价格的，所有对市场的研究与基础研究一样重要。面对市场对食品和饮料需求的日益上升，微生物技术对发酵技术的开发展现出良好的商业前景。食品和饮料的发酵是通过微生物技术或酶对农产品原料的作用，发生相关的化学反应，使最终产品口味，色泽等发生感官上的改善，产品通常更有营养，更易消化，口味更好，并无病原微生物，无毒害， 发酵的食品包括面包，乳酪，泡菜，酱油等。发酵的饮料包括啤酒，葡萄酒，白兰地，威士忌和非酒精饮料如茶，咖啡，可可等。发展发酵技术的一个重要应用是防止有机物的腐烂。另一个重要应用是使口味平淡的原料发生感官的，物理的和营养方面的变化，改善风味和维生素成分，使某些植物性的原料获得肉类的质地和口感。现代的发酵技术方法，使产品更易受控制，更稳定，而且更能确保产品的安全性。3.发酵食品的应用现状对大多数的发酵过程，人们往往忽略了微生物所起的作用。最初的工匠们无意识的控制和利用微生物的作用，仅凭经验但也得到稳定的终产品，公元前800年，埃及人和巴比伦人就从大麦和产于欧洲的黑麦制得的酸面团发酵生产酒精饮料。只有到了现代，微生物在发酵中起作用的本质才被认识到，有些发酵只有微生物起作用，另一些是多种微生物共同起作用，过程十分复杂，机理尚未完全认识清楚。这些发酵工业的进一步研究，现代生物技术的进一步应用，食品饮料工业技术必得到突飞猛进的发展。目前，能具体体现发酵技术应用价值的是以下几方面。（1）酒精饮料世界范围的酿造业是当前商业中具有最稳定经济效益的行业。提高转化率或产量以获得高额利润是发展和改进技术的动力。原材料主要包括两种：糖类物质和淀粉物质，后者需要在发酵前水解成单糖。当这些底物与适当的微生物一起酝酿，提供发酵条件，最终会得到一种液体，它含有很多成分，酒精含量从百分之几到百分之几十，由于酸性的pH值可以抑制微生物的生长，使得产品更加稳定和安全，这类酒可以直接饮用。但人们更习惯存放一段时间，使得他们口感更好，进一步蒸馏可提高酒精浓度，得到各种类型的酒。最常用的发酵微生物是酵母菌，这种微生物可以吸收和利用单糖，如葡萄糖和果糖，将他们代谢成乙醇，可以使乙醇达到高浓度，这里简单介绍葡萄酒，它是世界范围生物技术酿酒工业的主要代表。（2）葡萄酒 大多数销售的葡萄酒是由葡萄品种Vitisvinifera发酵的产品，这种葡萄的种植已推广到全世界，土质对葡萄酒的质量有着重要的影响。世界各地生产的葡萄酒有几百种，红葡萄酒是把黑葡萄压碎，而后整个发酵而成，生产白葡萄酒时，须把黑葡萄的皮去掉，或直接利用白葡萄，玫瑰红葡萄酒是由带少许皮的红葡萄发酵而来的，若把其中的糖分完全发酵就成了干葡萄酒，若保留少量的糖分就成了甜葡萄酒。 （3）蔬菜发酵水果和蔬菜可以用酸保存，而酸主要是细菌产生的乳酸，例如将卷心菜制的泡菜，黄瓜和橄榄等。在泡菜制作中，先将卷心菜切碎放盐封好，隔绝空气，盐起脱水的作用，使糖从菜叶中渗出，然后乳酸杆菌开始繁殖，产生乳酸，阻止有害菌的生成，精确控制温度，盐浓度和保证不透气，就能制成很好的能长期保存的泡菜，它是一种很好的有营养，口味好的食品。（4）谷类食品发酵从罗马时代以来，面包就是主要的食品。在欧洲，小麦和黑麦是主要的谷类面粉，长与水或牛奶，盐，脂肪，糖和其他成分一起混合，再加入酵母菌，在发酵时酸面团随着CO2生成而产生，酸面团的膨胀是由于存在一种具伸展和弹性的蛋白面筋。这样，酸面团在烘炉上烤时形状不变。面包质地受脂肪，乳化剂和氧化剂的影响，而面包发酵速度由酵母，脂肪，氧化剂，减弱剂等决定。除了酵母菌有很重要的应用外，其他的酶如淀粉酶加入也帮助混合，发酵，有利于面包的烘烤和存放。现代生物技术将更多的利用改良的酶来控制着一复杂的过程。应用技术改良酵母菌，使它们的活性更高，生产的面包风味和品质更好。有些国家，酸面团面包是用酵母菌和细菌一起发酵，在印度次大陆是用Streptococcus和Pediogoggus来发酵谷类和豆粉的混合物，在亚洲广泛用玉米作为发酵原料。在南美洲主要以玉米来发酵面包，并以之为主食。（5）豆类发酵大豆是用于发酵的主要豆类，发酵使这些豆类易于消化，破坏了不易消化的成分和会在消化道内引起肠胀气的化合物，在印度尼西亚，煮过的黄豆加入真菌发酵，做成的脯丹贝可以用油煎，当作小吃或煮汤吃，由于它的口味好，营养丰富，其蛋白质含量高，可作为肉食品的代用品已得到许多国家的重视，黄豆发酵还可用来生产酱油。在上面所讨论的所有食品与饮料的发酵中，特定的微生物起着必不可少的作用，此外，现在已在所有的这些发酵过程中应用促酵物，从而能更好的控制和得到均一的产品。微生物的食品和饮料的发酵技术可以说已经含概了整个食品和饮料工业，对整个人类的未来起着不可估量的作用。4食品发酵工程存在的问题以及发展方向4.1存在的问题我国的发酵食品行业历史悠久，但受传统工艺影响较深，对发酵食品微生物的研究与应用、传统生产工艺改进起步较晚。尤其是利用现代生物技术如基因工程等前沿技术对发酵食品微生物进行优良菌种筛选工作成绩较少；企业生产没有形成规模或有一定的规模，但产品结构不合理，资源浪费严重，环境污染突出，经济效益低下；另外，对于大部分发酵食品的生化背景了解甚少，所进行的有关食品发酵的研究仍停留在产品和工艺的描述上，在大部分食品的发酵背后的生化原理和起作用的机理仍需揭示。 因此，面对发酵食品行业所面临的问题，一是要通过对现有优良菌种的扩大应用、前沿生物技术改良菌种、发酵机理研究等手段，使我们在微生物菌种研究及应用上占优势，缩短与国外差距；二是对传统发酵工艺进行改进，实现纯种发酵，发酵过程可控，才能使产品优质稳定；三是把确定的食品发酵工艺用于开发新产品；四是加快发酵工业原料结构、产品结构、技术装备结构的调整，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与玉米深加工产业的协调发展。五是坚持循环经济，推行清洁生产，提高资源利用率，降低能耗、物耗，减少污染物的排放。 4.2发展的方向随着社会和经济的进步，人们生活水平的提高，科学技术的发展，疾病模式的改变以及对健康长寿的追求，发酵食品越来越受到人们的青睐，未来的发酵食品更朝向安全化、功能化发展，必将有更多的发酵食品走向市场，为人们的餐桌提供更加丰富多彩、益于健康的发酵食品，满足人们的需要。在发酵食品微生物的菌种选育过程中，首先要注重安全性，用于生产中的微生物菌种本身是安全的，为非致病菌，代谢产物不含毒素，生产的发酵食品对人体不能有任何损害；其次菌种的遗传稳定性也非常重要，只有生产性能稳定的菌种，才能保证产品质量均一稳定。在分子生物学突飞猛进的今天，国内外研究机构和生产企业正在利用筛选、诱变、基因重组等技术进行发酵食品微生物的研究与生产。这就要求我们在菌种选育上要重视产品的个性化，突出优势，根据产品所要求的不同特性，研究生产具有个性化的微生物发酵剂，且保存、运输及使用方便，质量稳定，价格适中，相对产品的针对性及个性化强。同时，发酵食品要首先考虑顾客的爱好，让产品最大限度地符合顾客和市场的需要。 功能性发酵食品主要是以高新生物技术(包括发酵法、酶法)制取的具有某种生理活性的物质，生产出能调节机体生理功能的食品，使消费者在享受美味的食物同时，也达到了自身保健，甚至治疗某些疾病的效果。研究人员应深入了解发酵食品的生化背景，获得某些所需功能的食品发酵的优点，使其可同时实现几种功能。目前，在大部分食品的发酵背后的生化原理和起作用的机理仍需揭示，这一知识可以用作开发新工艺和新产品