椰果發(fā)酵技術(shù)及食品中應(yīng)用

陳正行， 于秋生， 徐 暉

(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無錫 214122)

?

椰果發(fā)酵技術(shù)及食品中應(yīng)用

陳正行， 于秋生， 徐 暉

(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無錫 214122)

發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的椰果，即微生物纖維素，是纖維素在自然界存在的一種形式，很久以前就用于食品制造。椰果的原料天然、生物合成過程溫和、最終產(chǎn)物綠色，具有高持水量、高濕態(tài)，柔韌性、高原位反應(yīng)活性等優(yōu)異性能。在綜述30多年來世界上微生物纖維素發(fā)酵制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出我國椰果發(fā)酵產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展方向。

椰果； 膳食纖維； 微生物纖維素； 發(fā)酵技術(shù)； 功能特性

1 膳食纖維、微生物纖維素與椰果

膳食纖維既不能被胃腸道消化吸收，也不能產(chǎn)生能量，曾一度被認(rèn)為是一種“無營養(yǎng)物質(zhì)”而長期沒得到足夠的重視。19世紀(jì)60年代，首次提出的“粗纖維”概念，用來表示不能被稀酸、稀堿所溶解，不容易被家畜消化的部分。粗纖維是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，其主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及少量含氮物質(zhì)。通常認(rèn)為粗纖維對人體不具有營養(yǎng)作用，甚至吃多了還會(huì)影響人體對食物中營養(yǎng)素(尤其是微量元素)的吸收，對身體不利，故一直未被重視。因此，膳食纖維一詞在20世紀(jì)70年以前的營養(yǎng)學(xué)中不曾出現(xiàn)。隨著飲食結(jié)構(gòu)、生活方式和生存環(huán)境改變導(dǎo)致的高血脂、糖尿病、肥胖癥患者不斷增多，促使?fàn)I養(yǎng)學(xué)、食品科學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科深入研究，逐漸發(fā)現(xiàn)膳食纖維具有相當(dāng)重要的生理作用，繼而把膳食纖維作為除碳水化合物、水、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、脂肪以外的第七大必需營養(yǎng)素。

自然界最不缺的高分子材料是天然纖維素，但人類最缺的是生理活性優(yōu)越的功能性纖維素。功能性纖維素是膳食纖維體現(xiàn)其生理活性的根本，已成為膳食纖維概念誕生以來食品科學(xué)的主要研究方向之一。椰果就是一種在國外得到廣泛認(rèn)同的優(yōu)質(zhì)功能性膳食纖維，是以椰子水或椰子汁為原料經(jīng)微生物培養(yǎng)形成的一種乳白色半透明凝膠狀厚膜，主要成分為微生物纖維素。

1886年， Brown等[1]發(fā)現(xiàn)在釀醋過程中漂浮于液面的凝膠狀薄膜，經(jīng)分析證實(shí)其在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與天然纖維素組成一致，故稱之為微生物纖維素(microbial cellulose，MC)或細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose，BC)，都是吡喃型葡萄糖單體通過β-1,4-糖苷鍵連接而形成的一種無分支、大分子直鏈聚合物，具有(C6H10O5)n的組成，直鏈間彼此平行，不呈螺旋構(gòu)象，無分支結(jié)構(gòu)。到1954年，Schramm等[2]提出了HS培養(yǎng)基，微生物纖維素才開始被批量化制備。今天，微生物纖維素以椰果、面膜、創(chuàng)傷敷料、音響振膜、強(qiáng)度紙張和人造血管等多重身份出現(xiàn)在人們的生活中。其中，椰果即食品形式的微生物纖維素。

2 微生物纖維素的制備技術(shù)

自然界中，能夠產(chǎn)生纖維素的微生物種類繁多，而醋桿菌以其胞外合成纖維素特性與較高的纖維素產(chǎn)率被作為模板微生物(archetype microorganism)廣泛用于微生物合成纖維素的研究。微生物纖維素實(shí)為醋桿菌的代謝產(chǎn)物，其生物合成過程主要分為2個(gè)部分：細(xì)胞內(nèi)生物合成(intercellular biosynthesis)和細(xì)胞外生物自組裝(extracellular biogenesis)。由于葡萄糖小分子在微生物體內(nèi)經(jīng)歷了4個(gè)主要的酶參與反應(yīng)，形成糖核苷酸前驅(qū)體(sugar nucleotide precursor)——尿苷二磷酸葡萄糖(uridine-diphosophate-glucose, UDP-glucose),并最終經(jīng)由細(xì)胞側(cè)壁呈線性排列的終端合成器，以-1,4-葡萄糖鏈的形式排出細(xì)胞體外，后者通過分子鏈間氫鍵結(jié)合，經(jīng)過纖維素微纖(cellulose microfibril)、纖維素絲帶(cellulose ribbon)、纖維素絲束(cellulose bundle)等步驟，最終形成各向異性的纖維素網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cellulose network)[3]。因此，醋桿菌也被稱為纖維素合成的微生物“工廠”。

Schramm等[2]發(fā)現(xiàn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)搖瓶2種發(fā)酵培養(yǎng)條件下得到的微生物纖維素，在形貌、理化性質(zhì)等方面差異較大。這為之后的相關(guān)研究定下了基調(diào)：從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，靜態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)得到的微生物纖維素具有規(guī)則的外形與均質(zhì)的結(jié)構(gòu)，更具應(yīng)用價(jià)值。但是，受制于醋桿菌的賴氧特性，靜態(tài)培養(yǎng)條件下微生物纖維素形成于培養(yǎng)液與空氣的界面。在很長的一段時(shí)間內(nèi)，靜態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)依賴于手工操作，受人為因素影響大。20世紀(jì)80年代的微生物纖維素發(fā)酵產(chǎn)率低下，產(chǎn)品批次間差異大，菌膜染菌、鼓泡等問題突出。Masaoka等[4]和Okiyama等[5]對發(fā)酵培養(yǎng)過程中外界因素對微生物纖維素產(chǎn)量、產(chǎn)率以及結(jié)構(gòu)等方面的研究較為深入，為微生物纖維素的規(guī)?；a(chǎn)做出了突出的貢獻(xiàn)。其研究成果有，靜態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)容器應(yīng)是具有較大上表面積的淺盤，既節(jié)約空間，又可提高纖維素產(chǎn)率；同時(shí)，在靜態(tài)培養(yǎng)之前，用發(fā)酵罐動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，在短時(shí)間內(nèi)將細(xì)胞體積濃度提升到靜態(tài)培養(yǎng)時(shí)微生物纖維素快速生長時(shí)的水平，先動(dòng)態(tài)后靜態(tài)的2步法培養(yǎng)方式能夠縮短發(fā)酵培養(yǎng)微生物纖維素的周期，同時(shí)得到的微生物纖維素膜也更均質(zhì)。

微生物纖維素的生物合成過程是一個(gè)受菌種特性、培養(yǎng)液組成、環(huán)境參數(shù)、培養(yǎng)條件等多種因素協(xié)同影響的復(fù)雜過程，單純依靠靜態(tài)培養(yǎng)或動(dòng)態(tài)培養(yǎng)都無法實(shí)現(xiàn)微生物纖維素發(fā)酵生產(chǎn)的機(jī)械化、高效化。通過建立數(shù)學(xué)模型，量化表達(dá)微生物纖維素生物合成過程中纖維素產(chǎn)量與主要影響因素之間的函數(shù)關(guān)系，對于微生物纖維素發(fā)酵培養(yǎng)自動(dòng)化、機(jī)械化、可控化具有非常重要的意義。近20年來，微生物纖維素發(fā)酵培養(yǎng)技術(shù)得到了巨大的進(jìn)步，今后必將擺脫傳統(tǒng)作坊式、批次化的手工模式，全面進(jìn)入機(jī)械化、連續(xù)化、低成本化的生物工程時(shí)代。

3 微生物纖維素的食品化應(yīng)用

微生物纖維素是經(jīng)過美國FDA認(rèn)證的一般公認(rèn)安全(generally recognized as safe，GRAS)的食品添加物[6]。由于其高含水率以及高纖維素含量，經(jīng)過漂水、脫酸以及調(diào)味加工后，口感耐嚼爽滑，質(zhì)地與鮑魚、魷魚、墨魚類似，彈性則類似魔芋，作為膳食纖維食品、增稠劑、脂肪替代物、分散劑、乳化劑、穩(wěn)定劑以及質(zhì)地改良劑等廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)[7-8]。

20世紀(jì)40年代開始，菲律賓、越南、印度尼西亞等東南亞國家通常選擇資源充足的椰子水作為微生物纖維素的天然培養(yǎng)液，因此微生物纖維素在食品行業(yè)中有著非常好聽的名字——椰果、椰纖果(nata de coco)。20世紀(jì)90年代，美國與日本已將椰果制成各種類型的食品產(chǎn)品，如冰淇淋、面包、人造奶油、功能性飲料等，品種超過20種[9]。

在我國，椰果產(chǎn)業(yè)發(fā)展始于1996年并主要集中于海南地區(qū)。此后十余年的不斷探索和實(shí)踐，不論在生產(chǎn)技術(shù)、工藝設(shè)備方面，還是在產(chǎn)品開發(fā)、市場推廣方面，都取得不小進(jìn)步。為規(guī)范椰果產(chǎn)業(yè)發(fā)展，經(jīng)海南省標(biāo)準(zhǔn)化主管部門批準(zhǔn)，2003年成立了由衛(wèi)生、科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)共同組成的椰果地方衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)起草組，2005年出臺(tái)了海南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 46/42—2005《椰果衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。在此基礎(chǔ)上，2007年農(nóng)業(yè)部出臺(tái)了農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1522—2007《椰子產(chǎn)品 椰纖果》，這是椰果行業(yè)唯一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但令人遺憾的是，消費(fèi)者對于椰果知之甚少，基本上還停留在奶茶、果汁等飲料添加物的層面。同時(shí)，由于高昂的生產(chǎn)成本和狹窄的應(yīng)用范圍，部分生產(chǎn)廠家為牟取暴利聯(lián)系越南地區(qū)椰農(nóng)進(jìn)行家庭作坊式生產(chǎn)粗制椰果并通過走私途徑非法銷售。因此，我國椰果發(fā)酵制備技術(shù)有待提高的空間還很大。

2013年，國內(nèi)椰果飲料龍頭企業(yè)喜多多集團(tuán)與江南大學(xué)國家工程實(shí)驗(yàn)室合作建立了國內(nèi)首家“椰果技術(shù)研究中心”，致力于椰果生產(chǎn)的國產(chǎn)化、工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。2014年，經(jīng)過一年多的合作研發(fā)，喜多多集團(tuán)在福建省泉州喜多多食品有限公司建成日生產(chǎn)1 t椰果的恒溫恒濕椰果發(fā)酵車間、菌種擴(kuò)培車間，將東南亞地區(qū)粗獷的椰果生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變成程序可控的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式，并以國際領(lǐng)先的水平經(jīng)評價(jià)通過中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定，此成果獲得2015年中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)“科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)”。2015年，椰果技術(shù)研究中心通過感官評定與質(zhì)構(gòu)、白度檢測相結(jié)合的方法，制定了《椰果質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)》，這是對農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1522—2007《椰子產(chǎn)品 椰纖果》的一個(gè)補(bǔ)缺。

4 結(jié)束語

關(guān)于微生物纖維素的報(bào)道，最早可以追溯到我國北魏時(shí)期。我國古代杰出農(nóng)學(xué)家賈思勰所著的《齊民要術(shù)》中就有關(guān)于釀醋過程中，發(fā)酵液表面生成凝膠狀膜的記載。椰果的發(fā)酵生產(chǎn)與食品化應(yīng)用至今已經(jīng)歷了60多個(gè)年頭，發(fā)酵制備技術(shù)的不斷發(fā)展在椰果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)過程中起到了至關(guān)重要的作用。隨著生活水平的不斷提高以及人口老齡化現(xiàn)象的不斷加劇，人們對日常飲食健康的關(guān)注程度已不斷提高。椰果作為一種優(yōu)質(zhì)功能性膳食纖維，必將得到越來越廣泛的認(rèn)同。目前，雖然已開發(fā)的椰果產(chǎn)品品種不少，但面市的椰果產(chǎn)品形式還較單一。今后，我國椰果發(fā)酵產(chǎn)業(yè)要充分利用椰果的功能特性優(yōu)勢，從健康食品的視角，開發(fā)不同消費(fèi)群體理解和接受的產(chǎn)品功能和產(chǎn)品形式，以利于我國椰果發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。例如，利用椰果極強(qiáng)的吸水性以及纖維素網(wǎng)絡(luò)密集的活潑羥基，與不同中草藥提取物進(jìn)行復(fù)合，開發(fā)多種高附加值功能性保健椰果食品。

[1] BROWN A J. The chemical action of pure cultivations ofBacteriumaceti[J]. Journal of the Chemical Society Transactions,1886, 49:172-186.

[2] SCHRAMM M,HESTRIN S. Factors affecting production of cellulose at the air/liquid interface of a culture of acetobacter xylinum[J]. Journal of General Microbiology, 1954, 11(1): 123-129.

[3] ROSS P,MAYER R,BENZIMAN M. Cellulose biosynthesis and function in bacterial[J]. Microbiological Reviews, 1991, 55(1): 35-58.

[4] MASAOKA S,OHE T,SAKOTA N. Production of cellulose from glucose by acetobacter-xylinum[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 1993, 75(1): 18-22.

[5] OKIYAMA A,SHIRAE H,KANO H,et al. Bacterial cellu-lose: 1.2-stage fermentation process for cellulose production byAcetobacteraceti[J]. Food Hydrocolloids, 1992, 6(5): 471-477.

[6] KENT R A,STEPHENS R S,WESTLAND J A. Bacterial cellulose fiber provides an alternative for thickening and coating[J]. Food Technology, 1991, 45(6): 108.

[7] OKIYAMA A,MOTOKI M,YAMANAKA S. Bacterial cellulose: 3. development of a new form of cellulose[J]. Food Hydrocoll,1993, 6(6): 493-501.

[8] OKIYAMA A,MOTOKI M,YAMANAKA S. Bacterial cellulose: 4. application to processed foods[J].Food Hydrocolloids, 1993, 6(6): 503-511.

[9] 戶田登志也, 桑名好惠, 桐山修八. ナタデココの新機(jī)能·血中コレステロ- ル低下作用と應(yīng)用開發(fā)[J].食品と開發(fā), 1994, 29 (8): 16-21.

(責(zé)任編輯：李 寧)

Fermentation Technology and Food Application of Nata De Coco

CHEN Zhengxing, YU Qiusheng, XU Hui

(NationalEngineeringLaboratoryforCerealFermentationTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

As a kind of cellulose in nature and of excellent dietary fiber irreplaceable in physiological function, nata de coco (microbial cellulose) prepared by fermentation has attached much attention benefit from its natural raw materials, mild biosynthesis, product friendly and biodegradable, as well as its excellent food processing properties such as high water holding capacity, flexibility, and high reactivity. Therefore, it has also been used in foods for many years. Based on the overview of the fermentation technology for microbial cellulose in the past 3 decades, the future development trend of Chinese nata de coco fermentation industry was prospected.

nata de coco; dietary fiber; microbial cellulose; fermentation technology; functional properties

專家論壇專欄

編者按：膳食纖維攝入不足已經(jīng)成為引發(fā)糖尿病、肥胖等多種慢性疾病的主要因素，而我國居民膳食纖維攝入量遠(yuǎn)低于推薦值。不同食物來源的膳食纖維的生理功效不同，但膳食纖維都具有完全不被小腸吸收或部分吸收、低熱量，在腸道菌作用下發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸可促進(jìn)益生菌發(fā)揮健康作用的共同特性。為此，本期欄目特邀專家對椰果、魔芋兩種富含膳食纖維食品的發(fā)展現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)闡述，希望為膳食纖維食品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)，為公眾了解膳食纖維食品提供有益幫助。

(欄目策劃：李 寧)

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.02.002

2095-6002(2017)02-0013-03

陳正行，于秋生，徐暉.椰果發(fā)酵技術(shù)及食品中應(yīng)用[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2017,35(2):13-15. CHEN Zhengxing, YU Qiusheng, XU Hui. Fermentation technology and food application of nata de coco[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(2):13-15.

2017-03-13

陳正行，男，教授，博士，主要從事食品科學(xué)與工程方面的研究。

TS255.1

A