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微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2024-07-31 00:00戴銘成樊迎連文綺1
中國食品 2024年14期

通過在豆制品、面制品、茶葉以及乳制品的制作過程中引入微生物發(fā)酵技術(shù),可以極大提升食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價值;且微生物發(fā)酵的反應(yīng)條件和反應(yīng)環(huán)境符合綠色生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求,能夠?qū)崿F(xiàn)資源的最大化運(yùn)用。本文先是分析了微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,然后提出了優(yōu)化及實(shí)施微生物發(fā)酵的關(guān)鍵策略。

一、微生物發(fā)酵技術(shù)概述

發(fā)酵工程被稱作微生物工程,其實(shí)際生產(chǎn)過程中的相關(guān)技術(shù)手段被稱作微生物發(fā)酵技術(shù)。微生物發(fā)酵技術(shù)是細(xì)胞融合技術(shù)、DNA重組技術(shù)、現(xiàn)代分子改造修飾技術(shù)以及傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相互融合后產(chǎn)生的一種生物技術(shù)類型,具體包括微生物菌種選育培養(yǎng)技術(shù)、微生物資源開發(fā)利用技術(shù)以及固定化細(xì)胞技術(shù)等。這類發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展與成熟為有效改善食品生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

微生物發(fā)酵技術(shù)可以按照微生物來源和基質(zhì)中水分含量的不同進(jìn)行劃分。其中,按照微生物來源的不同可以分為自然發(fā)酵和接種發(fā)酵。前者是利用自然環(huán)境中的微生物進(jìn)行發(fā)酵的過程;后者需要提前選出純種的菌種進(jìn)行發(fā)酵,發(fā)酵周期較短、產(chǎn)品質(zhì)量較高。按照基質(zhì)中水分含量的不同可以分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵。前者是通過菌體在培養(yǎng)液中的代謝反應(yīng),收獲相應(yīng)的代謝產(chǎn)物及菌絲體的方式;后者是以固體有機(jī)廢物為基質(zhì)進(jìn)行反應(yīng),具有產(chǎn)酶量高、能耗低等優(yōu)勢。

二、微生物發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)勢

(一)可以提高食品品質(zhì)

1.提升食品感官品質(zhì)。動物、植物類食品中的某些揮發(fā)性成分會產(chǎn)生特有的味道,如羊肉的膻味、茴香的香辛氣味、魚的魚腥味以及紫蘇的辛辣味等,這些味道可能會影響食品的生產(chǎn)和加工。通過引入微生物發(fā)酵技術(shù),可以在一定程度上降低和改善這些不良影響,從而起到提升食品感官品質(zhì)的作用。例如,將酵母菌及乳酸菌進(jìn)行二次發(fā)酵后可以有效去除甘草本身的腥味,使其口感變得更為酸爽。

2.消除食品對人體的不良影響。微生物發(fā)酵可以消除食物本身對人體的一些不良作用。比如,花生作為食物中的八大主要過敏原之一,可能會使人體產(chǎn)生過敏性休克或死亡等反應(yīng),而采用納豆芽孢桿菌與高壓滅菌相結(jié)合的技術(shù)可以有效降低花生的致敏性,提高花生制品的營養(yǎng)價值。

3.增強(qiáng)食品的營養(yǎng)價值。首先,微生物發(fā)酵技術(shù)可以提升食物中多糖的含量。不同的多糖對人體生物學(xué)活性的功效及作用不同,其中的真菌類多糖,如靈芝多糖可以有效抗癌和抗腫瘤,擁有較為成熟的應(yīng)用市場;動物多糖在防治心腦血管疾病和降低機(jī)體衰老速度等方面表現(xiàn)較好;微生物多糖則有助于調(diào)節(jié)人體腸道菌群,增強(qiáng)人體腸胃功能。其次,微生物發(fā)酵技術(shù)會影響產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量。相較于熱化學(xué)、干熱和濕熱等處理方式,微生物發(fā)酵可以提升粗蛋白質(zhì)的體外消化率和蛋白質(zhì)溶解度,如在枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌等菌種的作用下,食物中的氨基酸、酸溶蛋白和粗蛋白的含量顯著增長,且經(jīng)過微生物發(fā)酵技術(shù)得到的單細(xì)胞蛋白這一新型蛋白質(zhì)能夠提高飲料和奶制品的營養(yǎng)價值,增強(qiáng)相關(guān)食品的風(fēng)味和口感。最后,微生物發(fā)酵技術(shù)會對食品中的一些植酸、單寧、胰蛋白酶抑制劑等因子產(chǎn)生一定的影響。例如,JAIN以小麥粉為反應(yīng)原料,在與枯草芽孢桿菌JJBS250反應(yīng)24h后,小麥粉中的植酸含量有所下降,這有助于人們更好地消化及吸收食物。

4.提升食品的安全性。無論是傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵還是現(xiàn)代的微生物發(fā)酵技術(shù),其原材料都以微生物為主,與較為激烈的化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)合成相比,其結(jié)構(gòu)分解與重組更為溫和,不易產(chǎn)生毒性,可以避免化學(xué)合成物質(zhì)對人體的負(fù)面影響,安全性更強(qiáng)。

(二)可以實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)

從微生物發(fā)酵的條件和環(huán)境來看,其通常是在常溫、常壓下產(chǎn)生生化反應(yīng),可以降低高溫、高壓反應(yīng)對環(huán)境和設(shè)備的損壞,從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性,降低能源消耗,促進(jìn)食品工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。從發(fā)酵過程來看,參與發(fā)酵的原料類型豐富多樣,可以對廢棄生物進(jìn)行回收再利用,從而使資源價值得到最大化的開發(fā)與運(yùn)用,有助于減少對有限自然資源的開采。另外,微生物發(fā)酵這一催化反應(yīng)的反應(yīng)速率較快、生產(chǎn)效率較高,有助于實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn),促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,從而有效推動工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量水平的提升。

三、微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

(一)面制品

面制品生產(chǎn)是食品領(lǐng)域較為常見的微生物發(fā)酵應(yīng)用場景,通常會運(yùn)用酵母菌等微生物對面制品進(jìn)行發(fā)酵,從而使面團(tuán)產(chǎn)生較多蓬松的氣孔,達(dá)到更好的口感和風(fēng)味,如面包、披薩以及饅頭等面食產(chǎn)品皆使用了微生物發(fā)酵技術(shù)。此外,這一技術(shù)還可以在一定程度上降低面制品中糖分及碳水化合物的含量,從而使其更健康。

(二)調(diào)味品

微生物發(fā)酵技術(shù)在調(diào)味品領(lǐng)域的運(yùn)用也十分常見,如醬、醋和醬油等都是發(fā)酵而來的。通常情況下,會以高粱、大豆和米為原料進(jìn)行發(fā)酵,它們在一個特定的復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生發(fā)酵反應(yīng),從而得到調(diào)味品。

(三)茶葉

我國是各類茶葉的原產(chǎn)地,且在很早之前便開始通過微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)多種類型的茶制品。其中,全發(fā)酵茶和半發(fā)酵茶是較為常見的兩種產(chǎn)品,且經(jīng)過微生物發(fā)酵技術(shù)的茶葉,如白茶、紅茶及烏龍茶等,與不發(fā)酵的綠茶在風(fēng)味上具有明顯的差別。此外,微生物發(fā)酵技術(shù)還可以使茶葉中的茶多酚結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生新的化合物,鞏固茶葉中的有效成分,進(jìn)一步提高茶葉的保健價值和營養(yǎng)價值。

(四)豆制品

微生物發(fā)酵技術(shù)參與豆制品的生產(chǎn)與制作也十分常見。以普通大豆為原材料,引入微生物發(fā)酵技術(shù),可以降低大豆的硬度,并通過蛋白酶對大豆中蛋白質(zhì)的水解,發(fā)酵形成豆干和豆腐等產(chǎn)品。此外,豆制品的衍生產(chǎn)品,如毛豆腐和腐乳等的制作也用到了微生物發(fā)酵技術(shù),在此過程中,曲霉菌、青霉菌、毛霉菌和酵母菌等發(fā)揮了相應(yīng)的作用。

(五)乳制品

發(fā)酵乳制品是以牛奶為基礎(chǔ)原料生成的產(chǎn)品,酸奶、發(fā)酵黃油是其中比較常見的類型。乳汁與發(fā)酵菌發(fā)生反應(yīng)會產(chǎn)生酮、酸、醛、酯等產(chǎn)物,促使乳基質(zhì)發(fā)生變化,生成丙酮酸、乳酸以及酪酸等有機(jī)酸,從而使乳汁轉(zhuǎn)化為凝乳、酸奶、酸牛奶等奶制品。相較于未發(fā)酵的黃油,發(fā)酵后的黃油在口感上更加柔軟、細(xì)膩,風(fēng)味也得到了明顯改善,可以更好地應(yīng)用于食品生產(chǎn)與加工中。

(六)現(xiàn)代釀酒

微生物發(fā)酵技術(shù)是現(xiàn)代釀酒工藝中最為核心的一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。酵母菌是一種單細(xì)胞真菌,在糖類物質(zhì)的幫助下可以完成自身代謝,產(chǎn)生相應(yīng)的生長物質(zhì)及能量。在具體的釀酒過程中,酵母菌等微生物在一定的環(huán)境和反應(yīng)條件下可以將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己途凭?,從而滿足釀酒要求。近年來,釀酒蒸餾技術(shù)和發(fā)酵溫度控制技術(shù)發(fā)展迅速,人們可以精準(zhǔn)掌握酒醅成分的變化,使得酒品的產(chǎn)量與質(zhì)量得到不斷的提升與完善。

(七)防腐保鮮

微生物發(fā)酵技術(shù)還經(jīng)常被應(yīng)用于食品的防腐和保鮮領(lǐng)域。例如,蘋果酸和葡萄糖酸等酸味增強(qiáng)劑在經(jīng)過發(fā)酵后酸味較重,對于保持食品的口感和質(zhì)量有著積極的影響及作用。此外,將乳酸菌用于乳制品和肉制品發(fā)酵,可以提高食品的整體酸性,抑制其它微生物的生長,確保食品安全及品質(zhì)。

四、提高微生物發(fā)酵技術(shù)優(yōu)勢的策略

(一)篩選和研發(fā)高產(chǎn)菌株

近年來,合成生物學(xué)、基因編輯等技術(shù)為改造和優(yōu)化微生物菌株提供了新的思路和技術(shù)支撐,使得菌株的設(shè)計(jì)更為科學(xué)、精準(zhǔn)。優(yōu)化及完善微生物發(fā)酵過程的首要步驟是篩選和構(gòu)建高產(chǎn)菌株,在轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)和基因組學(xué)技術(shù)的支撐下,深入了解優(yōu)良菌株的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制,并對氨基酸、葡萄糖等代謝通路相關(guān)基因進(jìn)行定向改造,從而研發(fā)出高產(chǎn)能的工業(yè)菌株。

(二)融合合成生物學(xué)

合成生物學(xué)可以進(jìn)一步擴(kuò)大微生物發(fā)酵產(chǎn)品的種類。在食品生產(chǎn)過程中,要積極探索合成生物學(xué)與微生物發(fā)酵技術(shù)的結(jié)合路徑,重新設(shè)計(jì)和適當(dāng)調(diào)控微生物遺傳的內(nèi)容,完成對代謝網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。例如,使用基因編輯技術(shù)敲除微生物基因組中負(fù)反饋調(diào)控因子的表達(dá),能夠提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量;在大腸桿菌中重構(gòu)異戊二烯,能夠極大地提高其生產(chǎn)效率。

(三)優(yōu)化發(fā)酵工藝條件

在完成篩選及構(gòu)建高效微生物菌株的工作后,需要通過調(diào)整和控制基質(zhì)配比、pH、溫度和溶氧水平等因素為微生物的生長和代謝營造科學(xué)、適宜的條件,以確保微生物處于最佳狀態(tài)。

(四)積極推廣新的技術(shù)

首先,引導(dǎo)、組織科研機(jī)構(gòu)和食品企業(yè)成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室與研究中心,為微生物發(fā)酵技術(shù)的研發(fā)提供共享實(shí)驗(yàn)設(shè)施與技術(shù)平臺,進(jìn)而推動微生物發(fā)酵技術(shù)更快地應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)。其次,設(shè)立專項(xiàng)資金支持研發(fā)項(xiàng)目,用于培育新型發(fā)酵菌株、優(yōu)化微生物發(fā)酵過程、基因編輯改造等創(chuàng)新性研究工作。最后,積極尋求微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的多種運(yùn)用路徑。例如,運(yùn)用微生物發(fā)酵技術(shù)開發(fā)功能性食品;通過篩選并培養(yǎng)不同類型的微生物獲得具有特定功效的菌群、菌株,開發(fā)多種類型的功能性食品。

綜上,微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,未來可以通過篩選高產(chǎn)菌株、融合合成生物學(xué)、優(yōu)化發(fā)酵條件、積極推廣新技術(shù)等方式,進(jìn)一步推動微生物發(fā)酵技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

基金項(xiàng)目:2023年度山西省高??萍紕?chuàng)新項(xiàng)目“不同陳釀時長山西老陳醋品質(zhì)解析及關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)確證”(2023L307)。

作者簡介:戴銘成(1987-),男,漢族,山西太谷人,講師,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称肺⑸锛鞍l(fā)酵食品。

樊迎(1987-),女,漢族,山西運(yùn)城人,講師,博士,研究方向?yàn)榘l(fā)酵食品、食品風(fēng)味及品質(zhì)調(diào)控。

連文綺(1986-),女,漢族,山西長治人,講師,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称窢I養(yǎng)與功能食品加工。