现代发酵工程技术在食品领域的应用

现代发酵工程技术在食品领域的应用

【摘要】： 提出了发酵工程在生物工程中占有重要地位，目前发酵工程技术已经被人们广泛的应用在食品领域、工业发展等方面。简要介绍了生物工程、综述了现代发酵工程技术在食品领域的应用及其进展。简述发酵工程的发展阶段和发酵工程技术原理，并举例说明。

【关键词】： 发酵工程技术；生物工程；农产品手加工；近代发酵工程技术的发展

生物工程包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程，这4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；固定化细胞技术；生物反应器设计；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、生物量的转化等研究成果为它注入新的元素。

发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。它是一级学科“轻工技术与工程”中的一个重要分支和重点发展的二级学科，在生物技术产业化过程中起着关键作用。实际上,生物技术起源于传统的食品发酵,并首先在食品加工中得到广泛的应用,传统上曾被集中用于生产多种食品,如面包、啤酒、葡萄酒、酱油、醋、奶酪、酸奶等,至今这类产品的产量和产值仍占生物技术产品的首位。用近代发酵和酶反应技术以及结合基因工程等现代生物技术,生产食品原料(如葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆、脂肪等)及面包酵母、味精、柠檬酸、甜味剂等和乳酸菌类生活性制剂等,则是比较新型的食品生物技术。据报道,目前国际市场上以现代生物技术为基础的食品工业产值已达$2500亿左右,我国利用现代生物技术生产味精、柠檬酸的产量居世界首位,啤酒产量世界第二。

目前，发酵工程已经广泛的被人认知并且也已大量的投放在市场生产应用中，特别是在食品领域、工业发展等方面，它主要是利用先进的科学技术,通过对微生物特征的相关研究分析,从而为人们的日常生活和生产作出卓越的贡献。下面我们就对现代发酵工程技术在食

品领域中的实际应用和相关进展进行研究分析。

1 发酵工程的发展阶段

目前,在人类社会发展的过程中,发酵工程技术已经得到了人们的广泛应用。不过，由于发酵工作属于一门实践极强的科学项目，因此它在实际应用的过程中,有着一定的发展阶段,其中主要体现在农产品手工加工,近代发酵工程技术的发展以及现代化发酵工程技术这3个方面。

1.1 农产品手加工

在古代，由于科学技术不发达，社会经济比较落后，因此人类社会的发展主要是以农产品的生产为主要内容。但是，在那时发酵工程已经开始萌芽，许多家庭或者作坊都开始以农产品为原料,来对其进行发酵制作，而这种发酵制作也就是我们所说的农产手加工。当时,由于科技不发达,人们只有通过自然界中得以存在的微生物来进行加工，但是这种方式只应用于生产中，而且由于自然界中的微生物存在许多问题，如：提取效率高，存活率低，甚至有可能处于病态等。这也大大的制约了发酵工程在食品领域的发展。

1.2 近代发酵工程技术的发展

近代发酵工程兴起于20世纪20年代，原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。

1.3 现代化发酵工程技术

通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。

2 发酵工程技术原理

现代发酵工程主要有三个阶段,在发酵的过程中包括菌种、发酵和提炼。现代发酵工技术是建立在生物学上的,其核心是对微生物系统运行规律的遵循。这里以包子发酵的过程作为例子对其原理进行阐述。在制作包子时首先要进行面团的发酵。使用酵母让其进行繁殖,在其作用下,面团会不断的膨胀。这个过程是物理和化学变化结合的过程。发酵后的面团会产生物理反映,从硬变软,而且面团的延伸性也会提高。

3 例子

3.1 人工合成的色素和香精

从植物中萃取食品添加剂的成本高，且来源有限，化学合成法生产食品添加剂虽成本低，但化学合成率低，周期长且可能危害人体健康。因此，生物技术，尤其是发酵工程技术已成为食品添加剂生产的首选方法。目前，利用微生物技术发酵生产的食品添加剂主要有维生素、甜味剂、增香剂和色素等产品。发酵工程生产的天然色素、天然新型香味剂，正在逐步取代人工合成的色素和香精，这也是现今食品添加剂研究的方向。

3.1.1 红曲色素

以大米为原料，利用红曲霉发酵生产红曲色素，这是目前最廉价的纯天然食用色素。武汉佳成生物公司将液态发酵和固态发酵相结合，生产出的红曲色素色价可达到6000u/g。

3.1.2 虾青素

虾青素可由红发夫酵母发酵后分离、提取制得。它有极强的抗氧化性能，具有抑制肿瘤、增强免疫力等保健功能。

3.1.3 类胡萝卜素

可利用三抱布拉霉和红酵母发酵后，分离、提取生产类胡萝卜素。

3.1.4 味精

使用双酶法糖化发酵工艺取代传统的酸法水解工艺，可提高原料利用率10％左右，已广泛应用于味精生产。

3.2 氨基酸生产

过去都是采用动植物蛋白质提取和化学合成法生产，而采用基因工程和细胞融合技术生成的“工程酶”进行发酵，其生产成本下降、污染减少，产量可成倍增加。

3.3 细菌发酵生产酒精

多年来人们—直用酵母发酵生产酒精，近年来广泛研究了细菌发酵生产酒精以期得到耐高温、耐酒精的新菌种。

3.4 调味品的纯种和复合菌种发酵

日本利用纯种曲霉进行酱油酿造，原料的蛋白质利用率高达85％。武汉佳成生物有限公司研发的复合曲种，应用于酱油、醋、黄酒、豆腐乳等发酵生产，提高了原料利用率，缩短了发酵周期，改良风味和品质得到了显著成效。

3.5 细胞蛋白(SCP)的生产

由于微生物菌体的蛋白质含量高，—般细菌含蛋白质60％—70％，酵母45％—65％，霉菌35％—40％。因此，它是一种理想的蛋白质资源。为了和来源于植物、动物蛋白相区别，人们把微生物蛋白称作为单细胞蛋白。前苏联利用发酵法大量生产酵母，最高产量曾达到60万吨／年，成为世界上最大的单细胞蛋白生产国。由于生产ＳＣＰ的微生物以酵母和藻类为主，也有采用细菌、放线菌和丝状真菌的，但现在许多国家都在积极进行球藻和螺旋藻ＳＣＰ开发，如美国、日本、墨西哥等国所生产的螺旋藻食品既是高级营养品，也是减肥产品，在国际

上很受欢迎。科学家们设计了分泌蛋白质的微生物，由“工程酶”(大肠杆菌和酵母菌)发酵生产了高营养强化蛋氨酸的大豆球朊和鸡卵清蛋白。

4 小结

现代发酵工程技术作为生物工程技术的一种,为食品研发行业作出了重要贡献。使用这种新技术进行产品的研发已经形成了新的产业,成为各国重视新技术开发项目。