微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物特性及其應(yīng)用研究

閆星月，王 艷，王 悅，趙 寧，楊冰姿

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076）

目前，農(nóng)副產(chǎn)物再增值已經(jīng)在食品行業(yè)、農(nóng)業(yè)中初見成效。主要采用直接利用的方式，如稻殼用來制備活性炭和吸附劑[1]；麥麩添加到餅干、面包、火腿腸等食品中作為品質(zhì)改良和膳食纖維強(qiáng)化劑[2]；豆渣用來加工各種膨化食品、焙烤食品[3]；米糠、麥麩、豆粕等直接添加到家畜飼料中。但是，對(duì)于米糠、麥麩、豆粕和豆渣這些農(nóng)副產(chǎn)物來說，膳食纖維含量豐富，抗?fàn)I養(yǎng)因子含量高，不利于人體或動(dòng)物的消化吸收。當(dāng)前加工手段不能完全降解膳食纖維，降低抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量，因此其利用水平低，應(yīng)用途徑受到限制。近年來，隨著生物科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，微生物發(fā)酵技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。微生物在發(fā)酵過程中，能改善原料原有的品質(zhì)和結(jié)構(gòu)，還能產(chǎn)生很多有益的小分子物質(zhì)，使得發(fā)酵原料的利用價(jià)值大大提高。研究表明，將微生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)物的處理中，不僅使小麥麩、玉米皮、米糠等的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量降低，還能改善其膳食纖維品質(zhì)，一些無法利用的或者是利用率低的成分也被分解為易消化的小分子物質(zhì)，蛋白質(zhì)含量及消化率提高，其保存時(shí)間也隨之延長(zhǎng)[4]。從微生物發(fā)酵菌種及效果、發(fā)酵方式和發(fā)酵后產(chǎn)品的應(yīng)用等3個(gè)方面總結(jié)，以期為研究農(nóng)副產(chǎn)物處理的學(xué)者提供一些理論依據(jù)。

1 發(fā)酵菌種及效果

1.1 發(fā)酵菌種

目前，在農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵過程中主要使用的微生物菌種有乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌和霉菌四大類。芽孢桿菌在發(fā)酵過程中可產(chǎn)生多種活性酶，如蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶和糖化酶等。這些酶在發(fā)酵過程中可以有效地對(duì)農(nóng)副產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)、脂肪酸和碳水化合物進(jìn)行降解，轉(zhuǎn)化為低分子小肽、游離脂肪酸和低聚糖，可以顯著降低農(nóng)副產(chǎn)物中纖維素和抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量，還可以產(chǎn)生多種維生素。如產(chǎn)纖維素酶枯草芽孢桿菌在發(fā)酵麩皮的過程中能將纖維素含量降至11.7%[5]。

乳酸菌作為一種革蘭氏陽性厭氧菌，可以通過利用碳水化合物產(chǎn)生乳酸。在發(fā)酵過程中可以產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，如有機(jī)酸、酶類和乳酸菌素等。這些產(chǎn)物能夠顯著降低環(huán)境pH值，從而可以很好地抑制物料中的雜菌，還可以抑制吲哚等有害物質(zhì)的積累[6]。賈朋輝等人[7]研究發(fā)現(xiàn)在麩皮的發(fā)酵過程中使用一定量的乳酸菌，麩皮中的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量減少，從而增加了麩皮中的有效成分含量。此外，乳酸菌具有完善的蛋白水解系統(tǒng)，利于蛋白質(zhì)的水解，釋放出游離氨基酸[8]。Zhao H M等人[9]利用乳酸菌作為發(fā)酵菌種發(fā)酵麥麩，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以提高麥麩中天冬氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸、絲氨酸等氨基酸的含量。

酵母菌在發(fā)酵的過程中能夠產(chǎn)生大量的核酸、蛋白質(zhì)、維生素及多種酶，能夠使發(fā)酵基質(zhì)的目的產(chǎn)物含量提高，品質(zhì)也能得到改善。由于其在發(fā)酵中可以產(chǎn)生各種能夠降解細(xì)胞壁的酶，如酯酶、多糖降解酶和糖苷酶等，對(duì)于麩皮來說，可以使其細(xì)胞壁中的酚酸和阿拉伯木聚糖等釋放出來，從而提高兩者的含量，而且能有效降低植酸的含量，提高粗蛋白的含量。崔晨曉等人[10]利用酵母菌發(fā)酵麩皮，其植酸含量下降43.3%，多酚物質(zhì)含量提升了49.4%，可溶性的阿拉伯木聚糖含量提升了212%，粗蛋白的相對(duì)含量提高到了23.42%。

霉菌在發(fā)酵過程中可以分泌植酸酶、蛋白酶、木聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、脂肪酶、淀粉酶、谷氨酰酶和纖維素酶等，能夠使底物中的纖維素和半纖維素得到有效的降解，將多糖水解為低聚糖，從而降低不可溶性膳食纖維含量，增加可溶性膳食纖維。對(duì)于麩皮和豆渣來說，其膳食纖維含量豐富，霉菌是發(fā)酵的優(yōu)選菌種。

1.2 發(fā)酵效果

1.2.1 改善膳食纖維的品質(zhì)

大豆、米糠、麥麩等農(nóng)副產(chǎn)物中的膳食纖維含量豐富，但不溶性膳食纖維比例較高，不利于人和動(dòng)物的消化吸收，因此限制了其利用途徑。通過微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物，可以利用菌種產(chǎn)生的纖維素酶系水解破壞原料的纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化降解，從而不溶性膳食纖維含量減少，改善膳食纖維品質(zhì)[11]。閔鐘熳等人[12]利用枯草芽孢桿菌在最優(yōu)試驗(yàn)條件下發(fā)酵米糠，其可溶性膳食纖維含量達(dá)12.88%，表明微生物發(fā)酵法可以有效改善農(nóng)副產(chǎn)物中的膳食纖維。劉磊等人[13]利用嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌混合發(fā)酵米糠，使米糠中可溶性膳食纖維含量提高了112.21%。

1.2.2 降解抗?fàn)I養(yǎng)因子

抗?fàn)I養(yǎng)因子是在農(nóng)作物生長(zhǎng)代謝過程中產(chǎn)生，可以保護(hù)農(nóng)作物免受部分病蟲侵害，但當(dāng)人或畜禽攝食過多抗?fàn)I養(yǎng)因子時(shí)，會(huì)影響消化吸收的功能，甚至對(duì)生長(zhǎng)健康產(chǎn)生不利影響。目前，已開發(fā)的消除或者使抗?fàn)I養(yǎng)因子失活的處理手段有物理失活法、化學(xué)失活法及生物降解法。與其他幾種方法相比較，微生物發(fā)酵法，可同時(shí)有效降解各種抗?fàn)I養(yǎng)因子，而且安全無污染，處理農(nóng)副產(chǎn)物更具優(yōu)勢(shì)[14]。

農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵菌種及降解效果見表1。

表1 農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵菌種及降解效果

1.2.3 富集和提取功能性成分含量

麩皮中的阿魏酸等酚類物質(zhì)具有抗氧化的作用，尹志娜[21]采用黑曲霉發(fā)酵麩皮，酚酸含量達(dá)到10 707.5 μg/g，較未發(fā)酵麩皮酚酸含量增加6.99倍，阿魏酸含量為416.6 μg/g，較未發(fā)酵麩皮增加15倍。農(nóng)副產(chǎn)物中的多糖如米糠多糖、麥麩多糖等抗氧化活性和清除自由基的能力很強(qiáng)。安曉萍等人[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)釀酒酵母接種量6.73%，枯草芽孢桿菌接種量為3.27%輔以其他培養(yǎng)條件時(shí)，麩皮多糖提取含量比單純酶解法高很多，高達(dá)55.92 mg/g。史俊祥[23]研究表明，經(jīng)過釀酒酵母菌和枯草芽孢桿菌發(fā)酵后的麩皮中多糖含量達(dá)到130.21 mg/g，是未發(fā)酵麩皮多糖含量的3.8倍。此外，麥麩、豆渣、米糠等多種農(nóng)副產(chǎn)物中均含有豐富的γ-氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，GABA），其具有預(yù)防心血管疾病、改善神經(jīng)機(jī)能等多種作用。張弘等人[24]利用混合乳酸菌對(duì)米糠進(jìn)行液體發(fā)酵，能夠?qū)⒚卓分械墓劝彼徇M(jìn)行生物轉(zhuǎn)化成為高質(zhì)量濃度的GABA，達(dá)到了富集的效果。豆粕中的黃酮類化合物和酚類化合物、豆渣的大豆異黃酮、麥胚中的黃酮具有抗氧化、保護(hù)血管、防止動(dòng)脈硬化等功能。Yang J等人[25]利用解淀粉芽孢桿菌發(fā)酵豆粕，結(jié)果表明其黃酮類化合物和總酚類含量增加2倍以上。Vidiany A等人[28]利用釀酒酵母固態(tài)發(fā)酵豆渣，結(jié)果表明發(fā)酵有助于豆渣總酚的增加，還能促進(jìn)其異黃酮的生物轉(zhuǎn)化。

2 發(fā)酵方式

微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物的方式，從發(fā)酵條件來說，有好氧和厭氧結(jié)合生產(chǎn)工藝發(fā)酵。從發(fā)酵劑的組成來說，主要包括單一菌種發(fā)酵、復(fù)合菌種發(fā)酵及菌種+酶制劑3種類型。

農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵的基本工藝過程見圖1。

圖1 農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵的基本工藝過程

2.1 單一菌種發(fā)酵

增加了1.068倍，效果比單一菌種處理好很多。

2.2 菌種+酶制劑發(fā)酵

該方法成本低，易于控制，操作簡(jiǎn)單，但是發(fā)酵效果卻不輸混合菌種發(fā)酵。王曉明等人[29]研究了一種菌酶融合制作高肽來發(fā)酵豆粕的新工藝，其結(jié)果表明菌酶協(xié)同發(fā)酵可以有效地降解豆粕的抗原蛋白。

單一菌種發(fā)酵工藝和發(fā)酵過程較簡(jiǎn)單，不同的菌種類型發(fā)酵結(jié)果不同。

單一菌種發(fā)酵效果見表2。

表2 單一菌種發(fā)酵效果

2.3 復(fù)合菌種發(fā)酵

復(fù)合菌種在發(fā)酵過程中由于互補(bǔ)或協(xié)同作用能很好地彌補(bǔ)單一菌種發(fā)酵的短板，往往能夠產(chǎn)生優(yōu)于單一菌種發(fā)酵的效果。曾亞桐等人[38]利用枯草芽孢桿菌與產(chǎn)朊假絲酵母進(jìn)行單菌和復(fù)合菌種發(fā)酵，結(jié)果證明復(fù)合菌種發(fā)酵降解抗?fàn)I養(yǎng)因子的速度相較于單一菌種發(fā)酵明顯加快。復(fù)合菌種發(fā)酵，除了能更好地降解抗?fàn)I養(yǎng)因子外，其改善膳食纖維的效果也更好。魏如騰[39]利用復(fù)合菌種固態(tài)發(fā)酵玉米秸稈，其纖維素的降解率達(dá)34.8%，纖維素降解率和發(fā)酵效果對(duì)比單一菌種發(fā)酵明顯更好。此外，對(duì)于營(yíng)養(yǎng)成分和功能性成分含量的提高，復(fù)合菌種的發(fā)酵效果也比單一菌種發(fā)酵好。韓穎潔等人[40]在發(fā)酵玉米秸稈時(shí)采用酵母菌、枯草芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌混合發(fā)酵方式，發(fā)酵后的玉米秸稈的粗蛋白含量增加了1.068倍，效果好于單一菌種處理。胡瑞等人[41]利用復(fù)合益生菌發(fā)酵豆粕，并添加外源蛋白酶，其結(jié)果表明菌酶協(xié)同發(fā)酵豆粕能更好地改善豆粕的蛋白質(zhì)品質(zhì)，顯著降低大豆抗原蛋白的免疫原性。

3 微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物的應(yīng)用

3.1 發(fā)酵食品

3.1.1 發(fā)酵飲品

發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物，不僅保留其原有營(yíng)養(yǎng)成分，還產(chǎn)生了對(duì)人體有益的生物活性小分子，發(fā)酵能使農(nóng)副產(chǎn)物產(chǎn)生獨(dú)特的風(fēng)味，用來制作飲品，能使人們更方便快捷地吸收各種營(yíng)養(yǎng)素。有研究表明，在酸奶中添加從豆渣中提取的果膠和水溶性膳食纖維有著與明膠相似的作用效果，發(fā)酵后的酸奶保水性得到了提高，品質(zhì)得到較大程度的改善，還能夠促進(jìn)雙歧桿菌的增殖，從而使乳制品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高，應(yīng)用范圍更廣泛[42]。白婕等人[43]在全脂乳的發(fā)酵過程中添加從豆渣中提取的豆渣膳食纖維，以低聚木糖為輔料，制成了一種膳食纖維保健酸奶。米糠、碎米、麥胚等農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵后能產(chǎn)生多種營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)于改善人體腸道健康等十分有用。朱蕊芳等人[44]利用乳酸菌發(fā)酵碎米，經(jīng)過一定的工藝處理后得到的飲料，不僅口感順滑，具有濃郁且獨(dú)特的米香味和發(fā)酵醇香，乳酸菌在發(fā)酵過程中還可以改善和提高碎米的有效成分，產(chǎn)生對(duì)人體有益的物質(zhì)。趙雯等人[45]研究發(fā)現(xiàn)以混合菌種發(fā)酵麥胚制備的乳酸菌發(fā)酵飲料不僅保留了本身豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，如必需脂肪酸、維E等，還富含活性乳酸菌，在提高機(jī)體生命代謝、調(diào)節(jié)腸道菌群、促進(jìn)消化吸收等方面有著重要的意義。侯銀臣等人[46]以麥胚為原料，利用發(fā)酵劑對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵制作脫脂麥胚酸奶相比于原味酸奶，脫脂麥胚酸奶的多肽含量、蛋白質(zhì)含量、抗氧化活性和質(zhì)構(gòu)等方面明顯增高。

3.1.2 發(fā)酵調(diào)味品

大豆類副產(chǎn)物如豆渣經(jīng)過發(fā)酵后，不僅其豆腥氣等不良?xì)馕侗桓纳?，發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生具有獨(dú)特風(fēng)味的物質(zhì)，且其中所含有的大分子物質(zhì)能被分解為小分子物質(zhì)。將發(fā)酵后的豆渣應(yīng)用到調(diào)味品中如用來制作醬油，不僅能提高醬油的品質(zhì)，改善香味，還利于人體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。Vong W C等人[47]利用降脂耶羅威亞酵母對(duì)豆渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵產(chǎn)物中脂質(zhì)、谷氨酸鹽含量增加，使豆渣具有了大量鮮味物質(zhì)，適宜于加入到食品中。張長(zhǎng)貴等人[48]利用豆渣生產(chǎn)醬油曲，成曲品質(zhì)良好。

3.2 發(fā)酵飼料

傳統(tǒng)農(nóng)副產(chǎn)物在飼料中的應(yīng)用大部分采用未經(jīng)處理直接添加的方式，這種處理方式對(duì)于農(nóng)副產(chǎn)物中一些不利成分沒有有效降解和去除，消化效果不好，且適口性差。經(jīng)過發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物應(yīng)用到飼料中可以很好地解決以上問題，并且在調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道菌群平衡及增強(qiáng)免疫力和抗氧化能力等方面成果顯著。Liu Y H等人[49]表明通過微生物發(fā)酵飼料飼喂動(dòng)物可以有效改善腸道健康，提高營(yíng)養(yǎng)消化率，進(jìn)而提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。明雷等人[50]研究表明玉米皮發(fā)酵飼料不僅適口性好，還能夠使動(dòng)物機(jī)體的新陳代謝得到提高，免疫功能得到增強(qiáng)，促進(jìn)生長(zhǎng)。熊瑩等人[51]通過在仔豬的基礎(chǔ)飼糧中分別添加5%，10%，15%的發(fā)酵豆粕，結(jié)果表明發(fā)酵的豆粕作為飼料可以有效降低仔豬的腹瀉率。Chu Y T等人[52]研究發(fā)現(xiàn)，使用添加10%發(fā)酵麥麩的發(fā)酵飼糧飼喂肉雞能夠使肉雞回腸絨毛高度及絨毛高度與隱窩深度比值很大程度的提高，回腸和盲腸內(nèi)的產(chǎn)氣莢膜梭菌、大腸桿菌數(shù)量降低，從而保障肉雞腸道健康。有研究表明，農(nóng)副產(chǎn)物在發(fā)酵過程中，產(chǎn)生的很多活性肽和生物活性小分子，如麩皮多糖、米糠多糖、酚酸類物質(zhì)等，均可以有效地增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化能力，提高免疫功能。魏炳棟等人[53]利用發(fā)酵玉米蛋白粉飼喂肉仔雞，結(jié)果表明在肉仔雞的飼糧中添加5%和10%的發(fā)酵玉米蛋白粉不僅能顯著提高其平均日采食量和平均日增重（p<0.05），還能夠極顯著地提高其血清抗超氧陰離子自由基和抑制羥自由基能力和（p<0.01）。由此可得，在肉仔雞飼糧中添加發(fā)酵玉米蛋白粉能夠有效促進(jìn)其生長(zhǎng)，優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu)和提高抗氧化能力。

4 結(jié)語

近年來，有關(guān)于微生物發(fā)酵技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)物處理中的應(yīng)用及發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物的應(yīng)用的研究越來越多，但是仍存在以下問題：

（1）尚未建立完善的發(fā)酵體系。目前，關(guān)于微生物發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物的研究較多，但是未能形成一個(gè)完備的發(fā)酵體系，如從菌種篩選到發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物到發(fā)酵后營(yíng)養(yǎng)特性的檢測(cè)及發(fā)酵農(nóng)副產(chǎn)物的應(yīng)用，尚未形成完整的流程，研究比較零散，給后來研究者造成了一定的困難，同時(shí)也限制了農(nóng)副產(chǎn)物的高效利用。因此，需要建立一套完備的農(nóng)副產(chǎn)物發(fā)酵體系，提高發(fā)酵效率。

（2）發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物應(yīng)用市場(chǎng)的擴(kuò)展。目前，對(duì)于發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物的應(yīng)用范圍較為狹窄，主要集中在飼料行業(yè)和食品行業(yè)，發(fā)酵后的農(nóng)副產(chǎn)物生物活性物質(zhì)含量豐富如黃酮類、酚酸類及多糖類，具有很多生理功能如抗氧化等，可以考慮應(yīng)用到醫(yī)療藥品的開發(fā)中，擴(kuò)大其應(yīng)用市場(chǎng)。