发酵工程在食品工业中的应用论文.doc

发酵工程在食品工业中的应用赵博闻 生物技术101 10772029摘要：发酵工程是生物技术产业化的基础。随着社会的发展，发酵工程已经在许多领域起到了重要的作用，给人类带来不可估量的经济和社会效益，本文讨论了发酵工程在食品领域，并对其应用前景进行了展望。关键词：发酵工程；食品工业；现代发酵技术；应用1发酵工程概念通常认为生物工程包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程，这四个方面互为促进、相互联系。基因工程和细胞工程是生物技术的主导领域，是发酵工程、酶工程的基础；而发酵工程和酶工程又是基因工程、细胞工程研究成果的实际应用。其中发酵工程占有重要的位置，这才可以从生物工程的过程看出来，只有通过发酵工程，才能使由基因工程或细胞工程获得的具有某种所需性状的目的菌株实现工业化生产，最终达到基因克隆或细胞融合，获得生产效益和经济效益。可见发酵工程是生物技术产业化的基础。发酵工程又称为微生物工程，是指传统的发酵技术与DNA重组、细胞融合、分子修饰和改造等技术结合并发展起来的现代发酵技术。现代发酵工程包括微生物资源开发利用；微生物菌种的选育、培养；固定化细胞计数；生物器设计；发酵条件的利用及自动化控制；产品的分离提纯等技术。发酵工程是古老而大有潜力的工业技术，生物技术中的基因工程、酶工程、单克隆抗体、生物量的研究转化等研究成果为它注入新的内容，使传统的发酵工艺焕发“青春”，赋予了微生物发酵技术新的生命力，使微生物发酵制品的品种不断增加1。目前，现代发酵工程技术已作为一种新兴的工业体系发展起来，已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、医药、食品、能源和环境保护等2。本文简要综述了现代发酵工程技术在食品领域的应用及其进展。2传统发酵在食品工业中的历史发酵技术起源干古老的酿造食品工业，如：清酒、啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒、酱油、醋、腐乳以及干酪等的制造。我们的祖先为了生存和发展，很早就发现了利用微生物的发酵作用（古代虽然不清楚微生物的知识）可以提高食物的消化性、保藏性、嗜好性，创造了一系列的发酵工艺和发酵食品。例如，以粮食为原料发酵制成的烧酒、白酒、豆豉、酱、醋等被称为是固体发酵的起源3。我国传统发酵食品是中华食文化的代表，不仅至今为国人之生活必需，而且无论过去和现在都深刻影响着整个人类饮食文明。中国传统发酵食品有着非常丰富的内涵，其种类之多，方法之妙在其他国家都是罕见的。除了各种酒类产品之外，在人们的日常饮食中发酵食品几乎无处不在。我国各地的泡菜、腌渍菜有很好的保健效果。例如赵丽珺利用降胆固醇能力较强的乳酸菌SUF-1发酵泡菜，并通过体外实验证实泡菜具有一定的降胆固醇效果4。3现代发酵工程在食品工业中的发展自20世纪70年代以来，随着基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的现代生物技术广泛应用于食品生产与开发，食品工业也有了飞速的发展。利用现代生物技术不仅能改造食品资源、同时还能改进传统工艺5，改良食品品质、提高产品加工深度，增加食品包装功能并将其产业化。现代生物技术也将成为解决食品工业生产所带来的环保和健康等问题的有效途径。发酵工程是生物工程技术的重要组成部分，是生物技术产业的重要环节，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术6。包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产微生物菌体、改造某些天然物质等。目前，现代发酵工程技术已作为一种新兴的工业体系发展起来，已深入到生产的各个行业，如工业、农业、矿业、化工、医药、食品、能源和环境保护等。现代发酵工程对食品工业的影响主要表现在利用现代发酵技术改造传统发酵食品以及加速开发高附加值的现代发酵产品7。涉及到新食品配料、食品加工催化剂、饮料稳定剂、D-氨基酸及其衍生物制造等诸多食品工业领域。4发酵工程在食品工业中的应用4.1发酵工程与番茄红素番茄红素是由11个共轭双键及2个非共轭碳碳双键构成的高度不饱和直链型烃类化合物，具有预防癌症、防治心血管疾病、缓解骨质疏松症和提高免疫等重要的生理功能8。番茄红素的生产方法主要有提取法、化学合成法和微生物发酵法。由于番茄红素含量低，提取法无法满足市场需求；化学合成法存在收率低、产物不稳定以及合成成本高等缺点；发酵法被认为是生产番茄红素最有潜力的方法9。发酵法利用特定微生物的代谢将淀粉、葡萄糖、黄豆饼粉等廉价原料转化为番茄红素，不受原材料、地理环境和气候等因素影响，工艺简单、生产周期短、生产效率高、生产成本低，且产物质量可控，并减少了对环境的污染。最重要的是发酵法生产的番茄红素4.2大型真菌的开发功能性的有效成分主要来自那些名贵中药材如灵芝、冬虫夏草、茯苓、香菇、蜜环菌等药用真菌，因为这些真核微生物含调节机体免疫机能、抗癌或抗肿瘤、防衰老的有效成分，这是发展功能性食品的一个最主要原料来源10。一方面直接取白天然源的药用真菌，用于功能性食品的开发；另一方面通过发酵途径实行工业化生产，大量索取。灵芝、冬虫夏草菌发酵培养都取得成功，如河北省科学院微生物研究所等筛选出繁殖快、生物量高的优良灵芝菌株，应用于深层液体发酵研究取得成功，建立了一整套发酵和提取新工艺，为研制功能性食品提供更为广阔的药材原料源。人工发酵培养虫草菌已在中国医学科学院药物研究所实现，成果卓著，分析产品的化学成分和药理等方面，与天然冬虫夏草类同，临床上应用对高血脂症、性功能障碍、慢性支气管炎等均有疗效，而治疗性功能障碍优于天然冬虫夏草；对病毒性肝炎(乙肝)有显著疗效。因此，通过发酵途径生产这种药用真菌所具有的有效成分，按科学配比掺入功能性食品的研制，必将为人类保健和延年益寿发挥特定的功能作用。4.3发酵工程与“人造肉”近年来，国内外市场上出现了一种引人注目的新食品，它们的样子很象鸡、鸭、鱼或猪肉，但却不是通过饲养畜禽而获得的制品，也不是耕种收获的五谷杂粮，而是利用现代发酵工程技术制成的，因此，人们将他称为“人造肉”。现代发酵工程，就是利用微生物的许多特殊本领，通过现代的工程技术手段来生产人类有用的物质，或者把微生物直接运用于工业生产的一类技术。它是以培养微生物发酵为主的，因此又叫微生物工程。我们知道，蛋白质是生命活动的基础，一切有生命的地方都有蛋白质，微生物也不例外。不过到目前为止，能够担当生产微生物蛋白的菌种还不多，主要是一些不会引起疾病的细菌、酵母和微型藻菜。这些生物的结构非常简单，一个个体就是一个细胞，用发酵法生产这些单细胞微生物，就可以得到大量的单细胞蛋白质。在生产单细胞白质的工厂里，人们为微生物安排了最适宜的居住环境，这就是一个个大小不等的发酵罐，罐里存放着适合不同类微生物“胃FI”的食料，保证它们在这里能“吃饱喝足”，迅速繁殖。当发酵罐里的微生物繁殖到足够数量时，便可收集起来加工利用了11。用发酵工程生产单细胞蛋白质，繁殖速度快。如一头体重500 kg的牛，每天只能合成05 kg蛋白质，而500 kg的活菌体，只要条件合适，在24 h内能够生产1 250 kg蛋白质。而且生产单细胞蛋白质的原料十分丰富，如农作物的秸秆，农副产品加工业的大量废水、废渣，以及石油产品、甲醇等，都可用来发酵生产单细胞蛋白。单细胞蛋白具有很高的营养价值。它的蛋白质含量高，可达细胞干重的70 ，比一般植物高46倍；而且单细胞蛋白质里氨基酸的种类比较齐全，有几种在一般粮食里缺少的氨基酸，在单细胞蛋白里却大量存在。另外，还含有多种维生素，这也是一般食物所不及的。正是由于单细胞蛋白具有这些突出的优点，现在人们用它加上相应的调味品做成鸡、鱼、猪肉的代用品，不仅外形相象，而且味道鲜美，营养也不亚于天然的鱼肉制品；用它掺和在饼干、饮料、奶制品中，则能提高这些传统食品的营养价值。在畜禽的饲料中，只要添加3 一10的单细胞蛋白，便能大大提高饲料的营养价值和利用率。用来喂猪可增加瘦肉率；用来养鸡能多产蛋；用来饲养奶牛还可提高产奶量。在井冈霉素、肌苷、抗菌素等发酵工业生产中，它又可以代替粮食原料。因此，单细胞蛋白用途广泛，前途远大。随着世界人口的不断增长，粮食和饲料不足的情况日益严重。面对这一严峻的现实，开发利用单细胞蛋白已成为增产粮食的新途径。若以蛋白质含量计算，1 kg单细胞蛋白相当于1 kg一15 kg的大豆。建立一座5个100 t发酵罐的工厂，可以年产5 000 t单细胞蛋白，相当于3 330 hm 耕地上种植大豆的产量。单细胞蛋白的生产向人们展示美好的前景，在现代科学技术的培育下，也许有不了多久，用单细胞蛋白制成的饭菜，就会出现在你家的餐桌上。4.4发酵工程与农产品加工4.41甜高粱茎秆液态发酵在液态发酵过程中，由于甜高粱汁液中氮源、无机盐含量不能满足酵母菌的需求，大多数研究者通过在汁液中添加氮源和无机盐来研究最佳的发酵工艺条件。从节省水资源、降低劳动强度和减少费用的角度12。考虑，液态发酵中高密度发酵更具竞争力。当可溶性固形物含量从16g100g升高到31glOOg时，可节约585的用水，同时减少环境污染，提高设备利用率，而且高密度发酵可以增加发酵速率和酒精得率。Bvochora 1等研究了在甜高梁汁液和磨碎的甜高粱籽粒混合液中加入蔗糖(浓度34glOOml混合液)进行高密度液态发酵，酒精的最大得率能达到168(vv)。高密度液态发酵有利于提高从甜高梁茎秆汁液中获取燃料乙醇的收益。甜高梁茎秆汁液高密度发酵工业化生产往往采用固定化酵母发酵工艺，固定化技术应用于酒精发酵的机理是利用活细胞或酶的高度密集，从而比普通游离状态的细胞成倍地增长，加快反应速度、缩短反应周期和提高工作效率。载体内部的酵母受外界影响较少，并不断增殖向外扩散，载体内部一直保持原有品质，而且拥有较好的抗污染能力。从固定化人手来高发酵强度是一种切实可行的方法。刘荣厚 等研究了在摇床和流化床反应器上进行固定化酵母汁液酒精发酵，取得了很好的效果，为燃料乙醇的发展提供了科学依据13。4.42膨化玉米粉酸奶玉米是一种含多种营养成分的高产经济作物，含有大量的氨基酸、脂肪和粗纤维14。经挤压、膨化、粉碎后的玉米粉除以上特点外，由于采取了高温高压短时的加工方法，营养成分几乎未被破坏，原料经糊化处理后，更易消化吸收，挤压后的淀粉和蛋白质均易受酶作用而发生水解，产品lZl感细腻，风味好。以膨化后的玉米粉为原料，配以脱脂乳，用乳酸菌进行发酵制成膨化玉米粉乳酸发酵制品，酸甜适lZl，lZl感细腻，有乳香和玉米清香，含有大量对人体有益的活性乳酸菌15。4.5微生物油脂的生产我们平常吃的油脂不是由芝麻、花生、油菜籽、大豆等油料作物榨取的植物油脂，就是由猪、牛及羊等动物熬制的动物油脂，很少考虑到微生物油脂。其实，在许多微生物中都含有油脂，低的含油率2-3，高的60-70，且大多数微生物油脂富含多不饱和脂肪酸(PolyunsaturatedFatAcids，PUFA)，有益于人体健康16。当前，利用低等丝状真菌发酵生产多不饱和脂肪酸已成为国际发展的趋势。在我国，武汉福星生物制药有限公司目前已实现大规模生产富含花生四烯酸(ArachidomicAcid，AA)的微生物油脂17。微生物油脂的应用已势不可挡，富含AA和DHA的微生物油脂已在美国、日本、英国、法国等国上市。5 应用前景展望展望未来，食品工业将成为现代生物技术应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。随着现代发酵工程技术在食品领域的广泛应用，食品工业将不再是传统农业食品的概念，工业食品将在人们日常生活中占据重要的地位。现代食品工业的蓬勃发展，已显示出发酵工程技术的巨大生命力，要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，重视发酵工程技术的研究，促进我国食品工业的改革，实现我国食品工业健康有序的发展。参考文献1 郑华学，等试论生物技术在我国食品工业中的应用J河西学院学报，2003，(5)：991022 姬德衡发酵工程在功能食品开发中的应用J食品技术，2002，(7)：9-133 王兵，戴正农 自然辩证法M南京：东南大学出版社，1997：2983004 何国庆食品发酵与酿造工艺学M北京:中国农业出版社，2001：355 南庆贤，韦薇，吕玲高新技术与2l世纪的乳品工业J中外食品工业信息，2000，4：476 金滨锋现代生物技术在食品工业中的应用J生物技术世界，2005，(8)：36 397 陈洪章现代发酵工程技术在食品领域的应用研究进展J中国酿造，2005，(12)：21248 李卓才，鲁波，尹红，等番茄红素化学合成的研究进展J合成化学，2006，14(2)：1l81219 王航，袁其朋，张黛黛发酵法生产番茄红素培养方法的改进及优化J北京化工大学学报，2006，3310 王向东， 赵良忠食品生物技术M东南大学出版社，2 0 0 7年9月第一版11 史先振现代发酵工程技术在食品领域的应用研究进展J