第七章发酵食品加工技术

第七章发酵食品加工技术本章学习目的与要求1．了解发酵在食品保藏和加工中的重要作用。2．掌握食品发酵的概念、原理和类型。3．掌握影响食品发酵的主要因素及控制方法。4．掌握乳酸发酵、酒精发酵以及醋酸发酵机制第七章发酵食品加工技术发酵食品是最古老的加工食品之一，在世界许多国家都具有悠久的历史。几千年来，发酵食品构成了许多国家传统饮食的重要部分。主要包括焙烤食品、酒精饮料、酸奶、干酪和豆制品等，种类繁多，风味独特。在食品发酵过程中，通过控制目的微生物的生长和代谢活动，进而改变食品的质构，通过代谢产酸或酒精进而延长食品保质期；通过代谢产生风味物质，进而提高原料的风味和滋味。其主要优点是：采用了能保持(通常是提高)食品营养和感官特性的温和pH以及温度条件；能够生产通过其他方法不能实现的富有特定风味和质地的食品；因为生产条件温和，所以能量消耗低；生产操作费用相对较低。第一节食品发酵保藏原理一、食品发酵的概念(一)食品中微生物的变化

采用与食品相联系的正常微生物能够生产各类制品，这主要取决于微生物所利用的底物，通常将这些微生物根据所作用底物的不同分为：蛋白质降解微生物、解脂微生物以及发酵糖类的微生物。由于微生物酶系组成的复杂性，因此很少有单独完全分解蛋白质、解脂或发酵糖类的微生物。大多数类型的微生物根据环境条件和其他因素的不同，所展现出的上述性质也不同。但是，许多微生物的特点是：在食品中主要产生上述三种基本变化中的一种。(一)食品中微生物的变化

通常，能分解蛋白质和其他含氮化合物的蛋白质降解类微生物会产生变质和腐败气味，所形成的风味不是期望的。类似地，能作用于脂肪、磷脂和相关物质的解脂类微生物会产生酸败和鱼腥气味，这类气味对于大多数食品来说也不是期望的。

另一方面，发酵糖类微生物主要将碳水化合物和碳水化合物衍生物转变成乙醇、酸和二氧化碳，这些终产物一般不会产生败坏味道，但却能给许多食品增加风味。而日，当发酵作用产生的乙醇和酸的浓度足够高时，它们会抑制许多蛋白质降解和解脂类微生物的生长，否则如果这两类微生物不被控制，会使食品变质。(一)食品中微生物的变化食品中一些较常见和重要的微生物作用如下所述：

糖经酵母(如啤酒酵母和葡萄酒酵母)发酵产生乙醇和二氧化碳的总反应如下：

C6H1206→2C2H50H十2C02这是葡萄酒和啤酒生产以及面包发酵的理论基础。酵母发酵苹果汁制得的乙醇在有氧条件下经醋酸杆菌进一步发酵生成醋酸的总反应如下：

C2H50H十02→CH3COOH十H20这也是生产醋的理论基础。乳糖经乳酸链球菌发酵产生乳酸，后者使牛乳凝结成凝块，可以使用凝块再制造各种干酪。(二)食品发酵的概念

“发酵”这一术语随着对微生物存在和作用认识的深入，经历了一个不断完善的过程。在酵母菌发现以前，发酵一词被用来描述酒类生产中所产生的气泡翻腾现象。发泡作用是由于在糖的转化过程中释放出二氧化碳气体的缘故。根据Gay—Lussac的研究，发酵是指糖分解为酒精和二氧化碳的现象。后来巴斯德证实了酵母对这个反应的作用，因而“发酵”一词开始与微生物联系起来，后来通过对微生物产生酶作用认识的深入，使“发酵”一词与酶联系起来。(二)食品发酵的概念

目前，“发酵”这一术语含义较为广泛，通常是指碳水化合物和碳水化合物类物质在厌氧或需氧条件下的分解，它主要是描述最终产品而不是生化反应机制。厌氧条件适宜于乳糖通过乳酸菌作用转化为乳酸，这是真正的发酵。需氧条件适宜于乙醇通过醋酸杆菌作用转化为醋酸，将这一过程称之为氧化可能要比发酵更加正确。然而一般惯用法往往无视这一区别，认为这两种反应都是发酵。在本章内，我们将遵循“发酵”这一术语的一般惯用法，把厌氧和需氧条件下的碳水化合物分解都统称为发酵。(二)食品发酵的概念

在食品行业中，“发酵”一词的使用更加广泛，通常是用来泛指食品原料在微生物的作用下转化为新类型食品或饮料的过程，并把这种类型的食品统称为“发酵食品”。发酵食品是一类色、香、味、形等方面具有独特特点的特殊食品，它是食品原料(包括其自身的酶)经微生物作用所产生的一系列特定的酶所催化的生物化学反应及其代谢产物。啤酒、酱油、面包、豆腐乳等都是发酵食品。(二)食品发酵的概念

有些食品(如酿造酒、酿造醋)的发酵是以碳水化合物的分解作用为主，有些食品(如酱油)的发酵则主要是蛋白质的分解作用。

传统发酵食品工艺中的微生物来源于自然界，而现代食品发酵工艺则采用微生物纯培养技术，这种技术不仅能提高原料的利用率，缩短生产周期，而且便于机械化生产，但其产品与传统的名优特产品相比，有的虽保留了传统产品的某些特点，但其风味却有很大变化，这种现象在白酒、黄酒、酱油、食醋、腐乳、酱腌菜等的生产中屡见不鲜。二、食品发酵的保藏原理

1．发酵产酸微生物的发酵产酸不仅可以为发酵食品提供柔和的酸味，还可以抑制有害微生物的生长繁殖，例如肉毒杆菌在pH低于4.5时就难以生长及产生毒素，因此在高酸性发酵食品中一般不会有肉毒杆菌生长。发酵产酸是由于一些产酸微生物造成的，产酸发酵包括：乳酸发酵、醋酸发酵、其他有机酸发酵等。目前乳酸发酵主要用于发酵乳制品和果蔬腌渍品的生产上。

1．发酵产酸发酵乳制品包括酸凝乳、酸奶油以及干酪等，果蔬腌渍品包括腌渍酸菜、泡菜等。在生产这些产品时，大都是微生物将乳糖发酵转化成乳酸，从而降低了制品的pH，进而提高其储藏性，与此同时还改善了制品的风味、口感和质地，抑制有害微生物的生长。醋酸杆菌作用于食品原料后，可以代谢某些食品原料生成乙酸，一定浓度的乙酸可以抑制腐败微生物的生长和代谢活动，因而起到防腐作用。食醋以及果醋等发酵食品的生产就是应用了该原理，这类食品的保质期相对较长。2．发酵产乙醇

乙醇发酵技术常用于酿酒工业。食品原材料经酵母的发酵作用后，产生一定浓度的乙醇。乙醇除了具有调节和改善风味的作用外，还可以起到抑制其他—些有害微生物的作用。3．抑制其他腐败微生物的生长

促使产乙醇或产酸的微生物在生长和代谢同时能够抑制和控制分解蛋白质和脂类微生物的生长。一旦发酵糖类的微生物大量繁殖时，它们能限制其他类型微生物的生长，这不仅是由于它们能产生乙醇和酸，而且还因为它们消耗食品中的某些组分，否则这些组分会被分解蛋白和脂类物质的微生物所利用。三、食品的发酵类型

通常将产生一种主要终产物的微生物称作同型发酵微生物，而将那些产生多种混合终产物的微生物称作异型发酵微生物。可以根据发酵产生的终产物将发酵分为有机酸发酵以及酒精和二氧化碳发酵。乳酸和酒精发酵是规模最大的重要发酵，而且其产物代谢途径的细节已经完全清楚。许多发酵都是多菌种、多菌株的联合作用，而且有时随环境pH、氧化还原电位、底物以及所期望终产物的不同，在发酵的不同阶段参与发酵的微生物也有所不同。1．乳酸发酵

在发酵中，乳酸茵的作用顺序主要是由它们的酸耐性所决定的。例如在奶的发酵中，当酸含量达到0.7％一1.0％时，液化链球菌、乳酸乳球菌以及脂肪链球菌被抑制。而较为耐酸的菌种包括干酪乳杆菌(1.5％一2.0％)和保加利亚乳杆菌(2.5%一3.0％)会继续生长。类似地，在蔬菜发酵中，乳杆菌比链球菌有较强的产酸能力。在乳酸菌的四大群体中，链球菌和小片球菌属于同型乳酸发酵微生物，明串珠菌属异型乳酸发酵微生物，而乳杆菌则随菌株不同而变化。2．酒精和酒精一酸混合发酵食品微生物温度（℃）时间（h)其他淡色啤酒面包波尔多葡萄酒酒精－酸混合发酵啤酒酵母啤酒酵母卵形酵母Chevalieri酵母柠檬型克勒克氏菌明串珠菌乳杆菌芽孢杆菌欧文氏菌曲霉菌镰刀菌202625室温120～2400.5～136020～1003．醋酸和其他食用酸发酵

葡萄酒的酒精发酵是采用酵母发酵苹果汁或麦芽汁，这是两步发酵生产醋酸的第一步。在第二阶段发酵中，乙醇被醋酸杆菌氧化成乙酸和大量的风味物质。在这一阶段，醋酸杆菌对溶解氧的浓度非常敏感，应仔细设计发酵罐以确保空气的适量供应。在制品成熟过程中，残留的乙醇和乙酸间反应生成乙酸乙酯，赋予产品特殊的风味。柠檬酸广泛用于食品的调酸，它是黑曲霉在底物有限的条件下，发酵糖而生成的。其他重要的食用酸包括：谷氨酸、葡萄糖酸、乳酸、丙酸和酒石酸等。4、发酵食品的发酵形式根据发酵底物的状态可以分为液态发酵或固态发酵，根据发酵剂的来源可以分为自然发酵或纯种发酵，下表列出的是世界各国几种传统发酵食品的发酵形式。中国、日本等东方国家的传统发酵食品以固态发酵居多，如中国的风干肠、酱油、腐乳和豆豉、干腌制成的酸菜以及日本的纳豆等。西方传统发酵食品多是液态自然或纯种发酵，如保加利亚酸乳，是以纯种的乳酸菌发酵而成；而开菲尔乳则是以含有乳酸菌、酵母菌以及其他有益菌的开菲尔粒发酵而成的。西方也有一部分食品为固态自然发酵，如意大利色拉米香肠、德国图林根香肠和黎巴嫩肠等。表发酵食品的发酵形式

产品原产地发酵方式发酵蔬菜酱油、豆豉、腐乳发酵鱼制品(鱼露等)纳豆思乌阿一那奥(thou-nao)

达盖(dage)发酵香肠开菲尔奶保加利亚酸乳中国中国东南亚日本泰国印尼意大利、德国等中亚、中东欧保加利亚液态或固态自然发酵固态自然发酵固态自然发酵固态自然发酵固态自然发酵固态自然发酵固态自然发酵夜态自然发酵液态纯种发酵四、发酵食品所用的微生物及发酵食品的种类

(一)生产传统发酵食品所用的微生物产品原产地微生物大曲酒小曲酒黄酒酱油日本豆酱达喜威士忌伏特加白兰地酸性稀奶油图林根香肠色拉米香肠风干肠中国中国中国中国日本印度英国俄罗斯法国美国德国意大利中国大曲小曲毛霉、根霉、酵母米曲霉、酵母菌、乳酸菌米曲霉类霉菌、酵母菌、细菌链球菌、乳杆菌、发酵乳糖的酵母酵母酵母酵母乳酸菌片球菌乳杆菌、霉菌等乳杆菌、片球菌等(二)发酵食品的种类

1．传统发酵食品的种类

发酵食品的品种极其繁多，例如世界各地生产的干酪就有2000余种。这些发酵食品的分类方法和产品名称各地也不尽相同，表7—5列出的是世界上部分传统发酵食品的名称、参与发酵的主要微生物种类以及产品的用途。2．利用微生物发酵制取的新型功能性发酵食品(1)益生菌发酵食品

益生菌是指双歧杆菌属(Bifidobacterium)的长双歧杆菌/短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌等，乳杆菌属(Lactobacillus)的保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌以及链球菌属(Streococcus)的嗜酸链球菌和乳酸链球菌等一类细菌，它们能够调节肠道菌群平衡，促进人体健康。国内外已开发出许多益生菌制品，如AB酸奶(采用嗜酸乳杆菌和双歧杆菌发酵)、双歧酸奶等，其制品中活菌数能达到107cfu／mL以上，足以发挥其益生活性。(2)多不饱和脂肪酸

多不饱和脂肪酸(Polyunsaturaedfattyacids,PUFA)主要包括亚油酸(LA)、Y一亚麻酸(GLA)、二高Y一亚麻酸(DHLA)、花生四烯酸(AA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等。利用低等丝状真菌发酵生产PUFA已成为当前国际上发展的趋势。用微生物发酵法生产PUFA有很多优点，如微生物生长周期短，繁殖力强，可以集约化大规模生产，不受气候和季节限制，而且油脂成分更接近母乳，营养学上特点突出。

(3)红曲红曲菌是目前世界上唯一生产食用色素的微生物。生产上用的代表菌种有紫红曲霉(MonascusPur.Purcus)、赤红曲霉(Monascus．anka)、巴克红曲霉(Monascusbarkeri)。中国将红曲作为药用历史悠久，而功能性药用红曲的研究却主要是近20年开展的。它具有降低胆固醇的作用，其功能成分是莫纳可林K；此外还有降血压、降血糖、防癌等生理功能。五、食品发酵的益生作用

(一)发酵用微生物及酶的益生作用

发酵食品的生产过程都有微生物的参与，在最终形成的产品中，有些仍然有微生物存在。国家食品药品监督管期局批准的可用于保健食品的菌种名单中有乳酸菌、酵母、红曲霉等。

在发酵食品中还有微生物产生的各种酶。这些酶有的对发酵食品的生产过程有用，有些则对人体具有保健功能。例如：纳豆激酶是从日本传统发酵食品——纳豆中发现并提取得到的，它是一种具有溶解血栓作用的丝氨酸蛋白酶。纳豆激酶比一般尿激酶的溶栓能力要强，可以口服，通常尿激酶只有30min的药效，而它在人体中的作用时间可达8h。此外，还没有发现纳豆激酶有任何的副作用。在一些发酵食品中也发现了超氧化物歧化酶(SOD)，最典型的例子就是纳豆。超氧化物歧化酶具有抗衰老的作用，因为它能够将导致衰老的超氧自由基分解，是著名的自由基清除剂。酵母菌中也含有SOD。红曲霉及它的发酵产物——红曲也是当前研究的热点。红曲霉可以产生多种酶类，其中葡萄糖淀粉酶和蛋白酶是大家都很熟悉的。近年来，国内对红曲霉产生的酯酶进行了很多研究，主要是用于浓香型酒的生产。用红曲霉产生的聚氨基葡萄糖酶可以把高分子聚氨基葡萄糖降解为低分子聚氨基葡萄糖，该物质可以抑制酪氨酸酶的活性，从而抑制黑素的形成。此外，红曲霉产生的核酸酶、5’—磷酸二酯酶、乙酰辅酶A、氧化酶、α—葡萄糖甘酶等都有专利报道。(二)多肽与氨基酸的益生作用

腐乳、豆酱和豆豉是植物蛋白质的不完全降解产物，其中含有大量的多肽与氨基酸。在利用霉菌发酵生产传统美食——腊八豆的研究中发现：大豆经霉菌发酵后，氨基酸及可溶性氮的含量都有较大增加，其中，必需氨基酸含量大幅提高，更符合氨基酸营养模式。同时，抗氧化性氨基酸有所增加，疏水性氨基酸比例也增加。这些都证明：大豆经毛霉发酵后，营养性和保健性都得到了提高。多肽是目前医药与食品界研究的热点之一。(二)多肽与氨基酸的益生作用多肽是比蛋白质分子量小很多的氨基酸聚合体，所以，它具有一些蛋白质没有的生理功能。比如，大豆多肽具有降脂、减肥、提高运动能力、促进消化等功能，并且它比蛋白质更易于吸收。对于过敏体质的人，由于多肽的抗原性非常小，一般不会产生过敏性反应。美国安利公司生产的高级营养品“纽崔莱”中的主要成分就是大豆多肽。酵母中含有的谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸构成的三肽，是一种还原性肽，具有重要生理功能。

(三)多糖与低聚糖的益生作用乳酸菌胞外多糖是乳酸菌在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的水溶性多糖，属于微生物胞外多糖的一种。由于其独特的物理学特性及其良好的流变学特性，并且安全无毒，使其备受青睐，已被广大工业者开发生产。早在20世纪70年代初，乳酸菌胞外多糖就作为一个新兴的发酵行业(三)多糖与低聚糖的益生作用

近十多年来的研究发现具有一定生物活性的多糖在生物体内不仅作为能量资源或结构材料更重要的是参与了生命现象中细胞的各种活动，具有多种多样的生物学功能。研究表明，活性多糖除了具有抗病毒、抗衰老、降血脂、刺激造血等作用外，还有免疫调节与抗肿瘤的生物学功效。许多乳酸菌产生胞外多糖，目前对乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、乳球菌属等乳酸菌胞外多糖的研究较多。具有抗肿瘤特性的乳酸菌种类见表8—6。(三)多糖与低聚糖的益生作用

低聚糖是由2—10个单糖通过糖苷键连接而成的寡糖。例如果寡糖、木寡糖、葡寡糖、半乳寡糖和大豆寡糖(棉子糖、水苏糖)等。由于这些寡糖不被人体消化道内的酶分解，因而可直达大肠，具有促进双歧杆菌生长、改善人体消化道微生态环境的重要功能。在发酵过程中微生物产生的糖基转移酶和糖苷水解酶就能生成低聚糖。有研究表明：采用自然发酵方法，在37℃将魔芋精粉发酵72h后得到的发酵液对双歧杆菌具有很强的增殖作用，是良好的双歧杆菌因子，经检测后发现，魔芋精粉发酵后产生大量葡萄甘露低聚糖。(四)抗氧化活性物质的益生作用

在许多发酵食品中都发现了抗氧化活性物质。大豆异黄酮是有多种生理功能的生物类黄酮。已从大豆中分离出9种糖苷型异黄酮和3种游离型异黄酮，而许多研究表明游离型大豆异黄酮比游离型大豆异黄酮具有更强的抗自由基、抗氧化、抗肿瘤等生理活性。(四)抗氧化活性物质的益生作用在普通大豆食品中异黄酮主要以糖苷型形式存在，研究确认发酵处理能使糖苷型大豆异黄酮部分转化为游离型大豆异黄酮，所以发酵后的豆鼓比黄豆不仅游离氨基酸、B族维生素含量明显增加，而且抗氧化活性大大增强，更有利于人体健康。研究也发现，虽然大豆发酵前后异黄酮的总含量基本保持不变，但在腊八豆的发酵过程中微生物产生的葡萄糖苷酶将糖苷型大豆异黄酮转化为游离型大豆异黄酮，因而大大提高了异黄酮的生理活性。在研究丹贝发酵过程中大豆异黄酮组分与含量的变化中发现，发酵24h后大部分异黄酮由糖苷型转化为游离型。(五)降胆固醇及降血压物质的益生作用红曲霉可以产生多种生理活性物质，如莫纳可林、氨基丁酸、辅酶Q等。红曲霉发酵生产的降胆固醇主要成分——莫纳可林类物质在化学结构上与它汀（ting)类药物是相似的，它们降低胆固醇的机理也是相同的：抑制胆固醇合成途径上的关键酶，即3－羟基3－甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA还原酶)，从而减少胆固醇的合成。(五)降胆固醇及降血压物质的益生作用

但是红曲霉固态发酵的完全产物－红曲，却很少有它汀类药物的副作用－对肝脏的损害。它汀类药物对肝脏有损害的原因是因为它们在抑制胆固醇合成的同时也抑制了辅酶Q的生成，而辅酶Q对肝脏有保护作用。而在红曲中不仅有莫纳可林，还同时存在辅酶Q，所以当用红曲的全部发酵物入药就没有它汀类药物的副作用。研究还表明，红曲中含有降压成分。实验表明该物质为耐高压、水溶性组分，推测可能是γ—氨基丁酸或某种肽。虽然功能组分还不十分明确，但可以得出如下结论：红曲具有综合预防循环系统疾病的功效。(六)其他物质的益生作用发酵可以提高产物中某些维生素含量已是不争的事实。例如饮用酵母发酵各种淀粉质或糖质原料生成的发酵酒都能补充B族维生素。维生素B2可以促进细胞的再生和健康皮肤的生成。发酵后的豆子，维生素的含量也显著提高。纳豆含有相当高的维生素K。有些真菌酵母、曲霉、毛霉等能产生多不饱和脂肪酸，这是一类含有两个或两个以上双键、碳链长为16－22个碳原子的直链脂肪酸。主要包括亚油酸(LA)、亚麻酸(CLA)、花生四烯酸(AA)、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等。

在红曲中也发现了人体必需脂肪酸，包括亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸。豆类发酵制品中含有的乙酰胆碱和卵磷脂对预防老年痴呆症有效。六、影响食品发酵的因素及控制方法在影响微生物繁殖和代谢的许多因素中，最常采用的控制食品发酵过程的因素包括原料、酸度、酒精浓度、所使用的发酵剂、温度、含氧量和盐。这些因素还可决定发酵食品在此后储藏期间可能繁殖微生物的种类。

(一)原料各种微生物对营养物质都有一定的嗜好性，所以发酵原料的主要成分（简称主料)就会对所存在的微生物进行选择。例如以淀粉为主料时，能利用淀酚的菌类(如根霉、黑曲霉等)生长就会占优势，若以富含蛋白质的黄豆作主料时，必然是对蛋白质分解能力强的微生物占优势。牛乳中可利用的碳水化合物主要是乳糖，所以它就选择能利用乳糖的乳酸茵作为优势菌，因此从这个角度上分析，发酵原料也是一种选择性培养基。传统工艺就是利用这种选择作用，巧妙地调配成分不同的原料，把自然界带入的各种野生菌，在发酵基质中进行选择性富养．这些微生物的生长和代谢结果就能生产出特有风味的食品。

(二)酸不论酸是被直接加入到食品中，还是食品内的一种天然成分，抑或是通过发酵在食品中