生物酶在發(fā)酵生產(chǎn)過程中的增效及作用

林琳 黃菊 楊君麗 劉研

摘 要：隨著發(fā)酵工業(yè)的迅速發(fā)展，酶制劑在發(fā)酵制品生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。由于具有用量少、催化效率高、專一性強(qiáng)等特點(diǎn)，酶制劑的應(yīng)用能提高發(fā)酵過程中原料的利用率，縮短發(fā)酵周期，提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文針對生物酶在發(fā)酵制品生產(chǎn)中的發(fā)展和應(yīng)用情況，綜述了生物酶在天然色素及防腐劑等發(fā)酵生產(chǎn)、食用膠體生產(chǎn)、調(diào)味品釀造生產(chǎn)、酒精釀造以及乳制品生產(chǎn)等發(fā)酵行業(yè)中的增效應(yīng)用及作用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：生物酶;增效;天然色素及防腐劑;食用膠體; 釀造調(diào)味品; 酒精生產(chǎn)

傳統(tǒng)發(fā)酵制品的生產(chǎn)大多采用制曲工藝，微生物利用生產(chǎn)原料生長繁殖的同時產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶等各種酶，通過降解、代謝成為所需的各種發(fā)酵制品。發(fā)酵培養(yǎng)過程中需要添加牛肉膏、蛋白胨等有機(jī)營養(yǎng)成分，生產(chǎn)成本高，再加上微生物自身所產(chǎn)生的酶量少、活性低，導(dǎo)致發(fā)酵生產(chǎn)原料的利用率較低，發(fā)酵周期長，產(chǎn)品質(zhì)量較難控制。新型酶制劑的開發(fā)應(yīng)用，讓傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)煥發(fā)出了新的活力?？梢酝ㄟ^生物酶對特定發(fā)酵及微生物培養(yǎng)需求，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效的發(fā)酵生產(chǎn)。在發(fā)酵生產(chǎn)中為增加培養(yǎng)基的營養(yǎng)，可在發(fā)酵過程添加生物酶，能將發(fā)酵原料的成分水解成為微生物培養(yǎng)的營養(yǎng)物質(zhì)，增加培養(yǎng)基的營養(yǎng)，促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程，提高原料利用率。本文概述了目前生物酶制劑在色素及防腐劑等發(fā)酵生產(chǎn)、釀造調(diào)味品生產(chǎn)、酒類釀造、乳制品生產(chǎn)等發(fā)酵行業(yè)中的應(yīng)用及作用，并對生物酶制劑在發(fā)酵工業(yè)中的增效應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1. 生物酶在天然色素及防腐劑等發(fā)酵生產(chǎn)過程中的增效作用

在發(fā)酵培養(yǎng)中，利用生物酶制劑對培養(yǎng)基原料進(jìn)行加工處理，能把原料水解成適合微生物生長所需的營養(yǎng)成分，提高原料的利用率，促進(jìn)有用代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生。經(jīng)酶解后的原料能夠持續(xù)有效地為微生物提供有機(jī)氮源等營養(yǎng)成分，其中經(jīng)水解產(chǎn)生的少量糖類、無機(jī)鹽、維生素等能夠促進(jìn)微生物的生長和產(chǎn)物的生成。

相比于酸堿水解法，生物酶法在微生物發(fā)酵培養(yǎng)原料處理等過程中，水解條件溫和，安全衛(wèi)生，能使原料充分水解的同時，也保持了原有的氨基酸組成營養(yǎng)不損失，酶解產(chǎn)物對微生物的生長和有效產(chǎn)物的積累具有較明顯的促進(jìn)作用。

2. 生物酶在黃原膠等食用膠體發(fā)酵生產(chǎn)過程中的增效作用

食用膠是能溶解于水中，并在一定條件下充分水化形成粘稠、滑膩或膠凍液的一類大分子物質(zhì)，在食品加工中起到增稠、增黏及乳化等作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、日化及石油開采等領(lǐng)域。

黃原膠的微生物生產(chǎn)包括發(fā)酵和提取兩部分，目前生物酶制劑已經(jīng)被應(yīng)用于黃原膠的生產(chǎn)過程中。在黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)過程中，添加纖維素酶、淀粉酶等酶制劑能加速培養(yǎng)基中原料水解為微生物可利用碳源的速率，提高原料的轉(zhuǎn)化率，縮短發(fā)酵周期。陳洪章等[4]將纖維素酶水解后的汽爆秸稈作為用作黃原膠發(fā)酵的碳源，同時優(yōu)化氮源、無機(jī)鹽等條件后，獲得高達(dá)20.70 g/L的黃原膠產(chǎn)量。菌體蛋白等不容性雜質(zhì)的存在會影響黃原膠的透明度和色澤，趙蘭坤等[1]在黃原膠的生產(chǎn)中，采用鹽式雙酶法提取新工藝，有效降低了提取過程中酸堿和乙醇的消耗，減輕了后續(xù)環(huán)保處理壓力，同時產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提升，平均收率達(dá)到 86.11%，產(chǎn)品透光平均達(dá)到91%，與傳統(tǒng)工藝相比，收率提高了5.96%，透光提高了11.97%。

目前市面上已有低成本高效能的新型復(fù)合酶制劑用于食用膠發(fā)酵生產(chǎn)中，產(chǎn)品蛋白質(zhì)含量降低，透明度和粘性提高，性能得到改善，相關(guān)生物酶的應(yīng)用能夠使黃原膠成品中蛋白質(zhì)含量降低至1%以內(nèi)，結(jié)冷膠中的蛋白質(zhì)含量降低至0.3%。

3. 生物酶在釀造調(diào)味品生產(chǎn)中的增效作用

3.1 生物酶在醬油生產(chǎn)中的增效作用

醬油是以大豆、小麥等為原料，經(jīng)微生物制曲發(fā)酵而成的具有特殊色、香、味的調(diào)味品。在醬油釀造中起主要作用的是微生物所產(chǎn)生的酶，通過酶的作用來完成醬油釀造中蛋白質(zhì)水解、淀粉糖化、有機(jī)酸發(fā)酵以及酒精發(fā)酵等各類生化反應(yīng)。

蛋白酶能將蛋白質(zhì)水解為小分子肽和氨基酸，使醬油產(chǎn)生鮮味;淀粉酶將原料中的淀粉水解成葡萄糖，使醬油產(chǎn)生甜味[2];纖維素酶和果膠酶等能將植物細(xì)胞壁裂解，釋放細(xì)胞中的蛋白質(zhì)和淀粉等內(nèi)含物，提高原料的利用率[3]。施安輝等[8]在醬油大生產(chǎn)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加0.1%的纖維素酶，醬油成品中全氮、氨基酸態(tài)氮、還原糖、總酸、無鹽固形物分別提高了39.5%、11.9%、20%、33.3% 和12%，并且風(fēng)味明顯優(yōu)于不加纖維素酶的產(chǎn)品。在醬油的生產(chǎn)中補(bǔ)充強(qiáng)化相關(guān)酶制劑對于提高原料利用率，改善醬油風(fēng)味具有積極的意義。

3.2生物酶在食醋釀造中的增效作用

食醋是一種傳統(tǒng)的酸性調(diào)味品，食醋的釀造主要以大米、玉米和高梁等淀粉質(zhì)為主要原料，經(jīng)微生物制曲、糖化、酒精發(fā)酵以及醋酸發(fā)酵等階段釀制而成。傳統(tǒng)釀醋工藝通常使用大曲、小曲作為糖化劑，采用多菌種低溫混合發(fā)酵，其發(fā)酵周期長，原料利用率和出品率低，勞動強(qiáng)度大。近年來，隨著對傳統(tǒng)釀醋工藝的改革和各種新型酶制劑的開發(fā)應(yīng)用，給傳統(tǒng)的食醋釀造工藝注入了新的活力。

3.3生物酶在豆腐乳生產(chǎn)中的增效作用

酶制劑在豆腐乳發(fā)酵的應(yīng)用能夠提高原料的利用率，省去毛霉菌的轉(zhuǎn)接培養(yǎng)等工序，縮短發(fā)酵周期，并且不受季節(jié)溫度變化的影響。在腐乳的后酵成熟過程中添加風(fēng)味蛋白酶，能提高淀粉的分解速度，增加腐乳的可溶性固形物含量，縮短腐乳生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品產(chǎn)量[4]。制備膏狀腐乳中，向原料豆腐中添加0.11%脂肪酶、0.24%α-淀粉酶以及0.6%蛋白酶能夠獲得最佳的效果，在發(fā)酵5-7天后各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到白豆腐乳的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，縮短了腐乳的發(fā)酵時間，并且沒有其他不良風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生[5]。

3.4生物酶在豆瓣醬生產(chǎn)中的增效作用

豆瓣醬是以蠶豆、食鹽、辣椒等為原料，經(jīng)制曲、發(fā)酵而制成的調(diào)味醬。目前，我國豆瓣醬的生產(chǎn)仍普遍采用傳統(tǒng)的自然制曲和發(fā)酵工藝，由于發(fā)酵條件不易控制，發(fā)酵周期較長，制曲過程易受雜菌污染等因素的限制，豆瓣醬仍以手工小作坊生產(chǎn)為主。傳統(tǒng)豆瓣醬的生產(chǎn)主要是利用各有益微生物產(chǎn)生的酶。因此，我們可以外源添加相應(yīng)的酶制劑，補(bǔ)充和強(qiáng)化原有釀造微生物酶系，提高原料的利用率，縮短發(fā)酵周期，降低生產(chǎn)成本，改善豆瓣醬風(fēng)味，以提高產(chǎn)品的市場競爭力。在豆瓣醬生產(chǎn)過程中，入發(fā)酵罐之前加入0.3%的酸性蛋白酶拌勻，發(fā)酵過程中再加入產(chǎn)酯增香酵母，能夠使豆瓣的發(fā)酵周期縮短到1個月，提高了豆瓣醬的香氣，減少了生產(chǎn)成本，改善了產(chǎn)品的品質(zhì)[6]。

4. 生物酶在酒類釀造中的增效作用

4.1生物酶在白酒生產(chǎn)中增效作用

白酒的釀造在我國具有上千年歷史，當(dāng)前白酒生產(chǎn)在許多方面仍然沿用傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，其缺點(diǎn)是原料消耗大、出酒率低、生產(chǎn)周期長。酶制劑應(yīng)用于白酒生產(chǎn)能夠縮短生產(chǎn)周期，提高白酒的出酒率，改善產(chǎn)品質(zhì)量。目前已有纖維素酶、淀粉酶、酸性蛋白酶以及普魯蘭酶等酶劑在白酒生產(chǎn)中的應(yīng)用例子。

糖化酶應(yīng)用于白酒釀造中能夠使淀粉質(zhì)原料糖化更徹底，提高原料利用率和出酒率。用湖北安琪牌活性干酵母和糖化酶替代傳統(tǒng)（米糠、觀音土、中藥等制造的）小曲釀酒，出酒率提高了16-20%，而酒的質(zhì)量不受影響[7]。

4.2生物酶在啤酒生產(chǎn)中的增效作用

啤酒主要以大麥芽﹑酒花和水為主要原料，經(jīng)酵母發(fā)酵作用釀制而成的飽含二氧化碳的低濃度酒精飲料，我國啤酒工業(yè)發(fā)展迅速，目前已成為世界第二大啤酒生產(chǎn)國。酶制劑在啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用能降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期并提高啤酒的質(zhì)量。普魯蘭酶能夠?qū)Ｒ恍郧虚_支鏈淀粉分支點(diǎn)中的α-1，6糖苷鍵，啤酒釀造中添加普魯蘭酶能促進(jìn)使原輔料中淀粉的分解，減少糊精含量，縮短糖化時間，提高啤酒的發(fā)酵度。

4.3生物酶在乙醇生物能源發(fā)酵中的增效作用

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益突出。生物乙醇作為一種可再生的清潔能源，已成為我國新型能源研發(fā)的重點(diǎn)。杰能科公司由于對乙醇纖維素酶Accellerase？系列產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)而獲得美國化學(xué)工程師學(xué)會（AIChE）頒發(fā)的可持續(xù)能源獎，其最新產(chǎn)品-Accellerase？ TRIO使用酶劑量低，適用范圍廣，能大大提高可再生非食物原料生產(chǎn)纖維素生物燃料的使用效率，減少乙醇生產(chǎn)成本、降低用量并帶來各種環(huán)境效益。

5. 生物酶在乳酪、酸奶及低乳糖奶等乳制品發(fā)酵中的增效作用

生物酶制劑在乳制品的中應(yīng)用由來已久，很久以前人們就利用皺胃酶（凝乳酶）來生產(chǎn)干酪。乳糖酶在乳制品加工中的應(yīng)用，可以有效解決乳糖不耐癥的問題;在甜煉乳加工中添加25-30%乳糖酶，不但可以防止結(jié)晶，還能增加產(chǎn)品的甜度，減少蔗糖的用量;酸乳生產(chǎn)中，添加乳糖酶可以縮短乳凝固的時間，延長酸乳的貨架壽命。制備低乳糖酸奶的工藝中，同時添加帝斯曼公司的乳糖酶Maxilact和發(fā)酵劑，發(fā)酵結(jié)束后酸奶中乳糖的水解率可達(dá)90%以上，發(fā)酵成的酸奶，除了乳糖含量低外，風(fēng)味特征與普通酸奶完全相同，可以供給患乳糖不耐癥的人食用。

生物酶制劑作為一種生態(tài)型的高效催化劑，在發(fā)酵制品中的應(yīng)用可以縮短發(fā)酵周期，提高原料利用率，降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)過程中污染，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，改善產(chǎn)品風(fēng)味。隨著各種高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用及酶工程研究工作的不斷深入，酶制劑在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用必將取得更快、更大的發(fā)展。此外，隨著新的固定化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)的引入，在不久的將來，生物酶的應(yīng)用必將達(dá)到前所未有的廣度和深度。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙蘭坤，朱心雙，王均成，周敬，杜鵬. 高透明黃原膠提取新工藝關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 發(fā)酵科技通訊， 2015， 44（3）：43-46.

[2]呂東津，梁姚順，宋小焱.醬油的色、香、味[J].中國調(diào)味品，2004，7（7）：7-9.

[3]竇燁，王清路，李俏俏.纖維素酶的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國釀造，2008，12：15-17.

[4]施安輝，周波，張東先，馬增祥. 乾氏曲霉纖維素酶在醬油和食醋釀造中的應(yīng)用[J]. 中國釀造， 2003（2）：20-23.

[5]郭艷，周鴻翔，邱樹毅，滕鈺. 酶促速熟腐乳發(fā)酵過程中成分變化的研究[J].食品科技， 2013（5）：273-277.

[6]周鴻翔，陳龍，滕鈺，郭艷，柳蔭. 酶促膏狀腐乳醬中相關(guān)酶的作用研究[J].中國調(diào)味品， 2014（7）：57-61.

[7]林曉冬.一種快速發(fā)酵增香豆瓣醬的生產(chǎn)方法[P].中國專利：201210444328，2013-03-06.