發(fā)酵工程在功能性食品中的應用研究

馮源

（河北農業(yè)大學，河北保定 071000）

1 發(fā)酵工程的特征

發(fā)酵工程的應用使食品行業(yè)更加多樣化。發(fā)酵工程的顯著特征有：（1）原料在生活中常見，如糖類、淀粉、麥芽等；（2）幾十個反應在發(fā)酵過程中可以一次性完成，并且能夠在同一個設備中互不干擾[1]；（3）發(fā)酵過程主要是以生命體的自我調節(jié)進行的，產生的廢料少；（4）發(fā)酵條件溫和，對高溫高壓沒有要求，從而減少了對能源的消耗；（5）發(fā)酵工程具有專一性，能利用微生物的某些特征精準地在特定的官能團做出反應[2]。

2 功能性食品的簡述

功能性食品是具有特定的營養(yǎng)保健功能的食品，生物活性物質的含量明確，且不以治療為目的適用于特定人群食用的食品。功能性食品必須滿足以下三個要求：一是不以治療為目的，并且不能取代藥品在人類生活中治療疾病的作用；二是針對特定人群研制的；三是必須無毒無害，符合食品安全法律法規(guī)[3]。

功能性食品的研制有待完善，因此發(fā)酵工程技術在功能性食品中的應用尤為重要。

3 發(fā)酵工程在功能性食品中的應用

3.1 開發(fā)真菌及真菌多糖

真菌的深層發(fā)酵在大型發(fā)酵罐中進行，在抗菌素發(fā)酵技術的基礎上，不斷調整培養(yǎng)基的種類和組成，通過優(yōu)化發(fā)酵工藝，在短時間內得到大量大型真菌的菌絲體。真菌的提取方法有酶法、超聲波法、熱水提取法，其中超聲波法操作簡單，不需加熱條件，耗時短，得率高。胡斌杰等[4]通過實驗得出，超聲波提取方法的最佳條件為：提取溫度60 ℃，料液比1∶15，超聲時間25 min，并發(fā)現(xiàn)多糖提取率較傳統(tǒng)熱水提取法提高30%以上。通過發(fā)酵工程得到的真菌菌絲體與傳統(tǒng)的子實體在生理功能上很相似，用發(fā)酵工程開發(fā)真菌和真菌多糖，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產，規(guī)模大，效益高[5]。

應用光譜分析法、化學分析法、核磁共振法和色譜分析法測定真菌多糖的化學結構及性質特征，其中包含所含單糖組成、碳鏈構象、分支結構及分子量。Shaoping Nie等[6]利用水解作用使多糖的糖苷鍵斷裂，通過GC-MS法鑒定單糖組成。研究表明，應用高效液相色譜法測定單糖組成的前提是通過1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮進行柱前衍生化。真菌多糖在我國應用廣泛，中國醫(yī)學科學院藥物研究所已經完成了人工發(fā)酵培養(yǎng)蟲草菌工程，表明了發(fā)酵工程技術的重要地位和光明前景。

3.1.1 香菇多糖的提取

隨著生物工程技術的發(fā)展，采用深層發(fā)酵技術短時間獲得大量菌絲體，提取香菇多糖，有成本低、周期短的優(yōu)點，易于大規(guī)模生產，解決了從子實體中提取多糖成分難度大、周期長、成本高等問題，發(fā)酵工程對香菇多糖的研究具有重要現(xiàn)實意義。

采用搖瓶培養(yǎng)研究香菇菌絲液體發(fā)酵的最適培養(yǎng)條件，利用超聲波輔助水提取香菇多糖，香菇多糖的提取率最高可達12.5%。目前，我國學者研究了發(fā)酵因素對提取胞外多糖產量的影響，影響因素主要有乙醇濃度、醇沉時間和發(fā)酵液的pH。研究發(fā)現(xiàn)，液體發(fā)酵技術與固體栽培相比，具有周期短、產量大、成本低、產生的活性物質多等優(yōu)點。故液體發(fā)酵法將會成為越來越多人研究的對象，同時帶來社會效益。

3.1.2 靈芝多糖的提取

靈芝為屬多孔菌科靈芝屬，是我國應用歷史悠久的藥用真菌，具有較高的藥用價值。研究表明，靈芝中最主要的活性成分是靈芝多糖，具有增加人體免疫力、抗病毒、抗衰老等多種功效。

液體發(fā)酵靈芝菌絲體是在適宜的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件下，通過液體深層發(fā)酵法培養(yǎng)的菌絲體[7]。液體深層發(fā)酵技術培養(yǎng)靈芝有兩大優(yōu)點：一是打破了固體栽培的局限性，在短時間內制備出大量的優(yōu)質液體菌種，是一種產量高、周期短、成本低、適于工業(yè)化生產的生產方式[8]，便于工廠大規(guī)模生產；二是通過液體發(fā)酵法提取的靈芝菌絲體不僅含有靈芝多糖，還有大量有益的次生代謝產物，這些胞外活性物質可用于開發(fā)保健食品的研究，極大地推動了發(fā)酵工程在靈芝中的應用。

在現(xiàn)階段我國加強在優(yōu)良菌株的選育、培養(yǎng)基的篩選、優(yōu)化培養(yǎng)條件和發(fā)酵工藝的改良方面的投入力度，提高了深層發(fā)酵的技術水平，為發(fā)酵工程在食品中的應用提供必要條件。

3.1.3 真菌多糖在酸奶中的應用

添加真菌多糖的風味發(fā)酵乳是近年來研制的一類新型的功能性乳制品。它是以鮮奶為原料，添加真菌多糖，如靈芝多糖、茶樹菇多糖等，并通過發(fā)酵工程技術生產出食用菌多糖風味發(fā)酵乳[9]。劉丹等[10]分別對浸汁保健型酸奶和真菌粉凝固性酸奶的生產工藝進行優(yōu)化，發(fā)酵工程在功能性乳制品行業(yè)的應用有了新的發(fā)展。通過對添加不同多糖酸奶的物化性質和感官指標進行對比評價，實現(xiàn)發(fā)酵工程對于真菌的開發(fā)。

3.2 發(fā)酵在超氧化物歧化酶（SOD）制備中的應用

超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是一種來源于生命體的活性物質，能消除人體在新陳代謝中產生的有毒物質，是清除自由基的首要物質，具有抗衰老的特殊效果和提高人體免疫能力的作用，可預防動脈粥樣硬化、治療心腦血管疾病及與放化療結合治療癌癥等。

國內外眾多學者從化學性質、制備工藝、藥理作用等方面對SOD進行了深入的研究，并從多種生物組織中提取出SOD[11]。固定SOD的制備方法簡單，活力穩(wěn)定，既保持較高的自由基清除率，又提高了對環(huán)境的耐受性，利用發(fā)酵工藝制備SOD，安全性高，且避免了可能發(fā)生的交叉感染[12-13]，具有較大的開發(fā)前景。

3.3 微生物發(fā)酵在γ-亞麻酸的制備中的應用

γ-亞麻酸是人體必需的一種脂肪酸，具有明顯的降血壓、降低血清甘油三酯和膽固醇水平的功效。

真菌和微藻是γ-亞麻酸的最主要的微生物來源。與傳統(tǒng)方法相比，發(fā)酵法生產的γ-亞麻酸比較純凈，故精制成本低得多，傳統(tǒng)方法在植物油脂中提取的γ-亞麻酸中含有更多的其他類型的不飽和脂肪酸，且含量不穩(wěn)定，用發(fā)酵法生產γ-亞麻酸時間短，培養(yǎng)簡單，生長速度快，成本低，原料不受限制。所以微生物發(fā)酵法為高效率地制備亞麻酸提供了條件。

3.3.1 發(fā)酵法制備γ-亞麻酸的主要菌種

制備γ-亞麻酸的菌種主要有根霉、被孢霉、毛霉、小克銀漢霉等。其中，霉菌是非常適合生產γ-亞麻酸的菌種原料，篩選適合的培養(yǎng)基和優(yōu)化發(fā)酵條件是增加γ-亞麻酸產量的必要措施，適合菌種的選擇和優(yōu)良的發(fā)酵條件為大規(guī)模產業(yè)化生產γ-亞麻酸奠定了基礎。

3.3.2 固體發(fā)酵法應用于制備γ-亞麻酸

固體發(fā)酵有低成本、低能量消耗的優(yōu)點，可以為微生物的生長和代謝提供一定濃度的營養(yǎng)。固體發(fā)酵滿足對γ-亞麻酸產量的需求的基礎上，利用了工業(yè)廢棄物，減少浪費，降低成本[14]。隨著微生物發(fā)酵技術的不斷發(fā)展，固態(tài)發(fā)酵這一釀造技術將在不飽和脂肪酸的生產制備中發(fā)揮更大的作用，使現(xiàn)代固態(tài)發(fā)酵的應用具有巨大潛能。

3.4 維生素的提取

維生素K2可促進骨組織內骨鈣素（BGP）的合成，預防和治療骨質疏松癥，降低血壓，同時還對肝癌和白血病有治療作用。

研究發(fā)現(xiàn)納豆芽孢桿菌的發(fā)酵過程中，合適的氮、碳源以及氮碳比對維生素K2發(fā)酵具有重要作用，通過優(yōu)化納豆發(fā)酵工藝條件，可以提高納豆中維生素K2的提取量[15]，滿足生物體新陳代謝和生理調節(jié)需要，進而達到補充天然維生素K2的目的。

此外，維生素B2可通過阿氏假囊酵母等微生物發(fā)酵產生；維生素B12主要通過黃桿菌、丙酸桿菌等細菌及灰色鏈霉菌等經培養(yǎng)發(fā)酵后分離精制而得；維生素C可以通過弱氧化醋酸桿菌、氧化葡萄糖酸桿菌及條紋假單胞菌通過一定的工藝發(fā)酵生產而得。

3.5 利用現(xiàn)代發(fā)酵工程完善傳統(tǒng)發(fā)酵食品

采用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術改革傳統(tǒng)工藝的成果顯著，例如運用吸附-包埋法固定微生物細胞技術改造傳統(tǒng)啤酒，利用優(yōu)選的菌種發(fā)酵醬油、黃酒、豆腐乳等，不僅可以縮短發(fā)酵周期、降低能耗、增加產量、提高設備利用率，而且可以起到一定改良產品風味和品質的效果[16]。日本通過利用純種曲霉醬油釀造進行改造，顯著提高了原料中蛋白質的利用率（高于85%）；此外，在現(xiàn)代發(fā)酵工程的基礎上利用固定化醋酸菌釀造食醋，提高了醋化能力，縮短了發(fā)酵延緩期，從而降低了成本，對于食用醋行業(yè)的發(fā)展有重大意義。

4 結語

綜上所述，發(fā)酵工程在功能性食品中的應用廣泛，包括開發(fā)真菌及真菌多糖、超氧化物歧化酶的制備及γ-亞麻酸的制備、維生素的提取和完善傳統(tǒng)發(fā)酵制品等。發(fā)酵工程技術可以應用于生活的方方面面，有廣闊的前景。不僅要重視發(fā)酵工程技術的理論研究和實驗研究，提高對發(fā)酵工藝的重視程度，更要注重發(fā)酵工程與功能性食品的結合，完善功能性食品開發(fā)的實際流程，實現(xiàn)我國食品的健康有序的發(fā)展。