微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究

通過(guò)在豆制品、面制品、茶葉以及乳制品的制作過(guò)程中引入微生物發(fā)酵技術(shù)，可以極大提升食品的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；且微生物發(fā)酵的反應(yīng)條件和反應(yīng)環(huán)境符合綠色生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的最大化運(yùn)用。本文先是分析了微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，然后提出了優(yōu)化及實(shí)施微生物發(fā)酵的關(guān)鍵策略。

一、微生物發(fā)酵技術(shù)概述

發(fā)酵工程被稱作微生物工程，其實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)技術(shù)手段被稱作微生物發(fā)酵技術(shù)。微生物發(fā)酵技術(shù)是細(xì)胞融合技術(shù)、DNA重組技術(shù)、現(xiàn)代分子改造修飾技術(shù)以及傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相互融合后產(chǎn)生的一種生物技術(shù)類型，具體包括微生物菌種選育培養(yǎng)技術(shù)、微生物資源開發(fā)利用技術(shù)以及固定化細(xì)胞技術(shù)等。這類發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展與成熟為有效改善食品生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

微生物發(fā)酵技術(shù)可以按照微生物來(lái)源和基質(zhì)中水分含量的不同進(jìn)行劃分。其中，按照微生物來(lái)源的不同可以分為自然發(fā)酵和接種發(fā)酵。前者是利用自然環(huán)境中的微生物進(jìn)行發(fā)酵的過(guò)程；后者需要提前選出純種的菌種進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵周期較短、產(chǎn)品質(zhì)量較高。按照基質(zhì)中水分含量的不同可以分為液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵。前者是通過(guò)菌體在培養(yǎng)液中的代謝反應(yīng)，收獲相應(yīng)的代謝產(chǎn)物及菌絲體的方式；后者是以固體有機(jī)廢物為基質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，具有產(chǎn)酶量高、能耗低等優(yōu)勢(shì)。

二、微生物發(fā)酵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（一）可以提高食品品質(zhì)

1.提升食品感官品質(zhì)。動(dòng)物、植物類食品中的某些揮發(fā)性成分會(huì)產(chǎn)生特有的味道，如羊肉的膻味、茴香的香辛氣味、魚的魚腥味以及紫蘇的辛辣味等，這些味道可能會(huì)影響食品的生產(chǎn)和加工。通過(guò)引入微生物發(fā)酵技術(shù)，可以在一定程度上降低和改善這些不良影響，從而起到提升食品感官品質(zhì)的作用。例如，將酵母菌及乳酸菌進(jìn)行二次發(fā)酵后可以有效去除甘草本身的腥味，使其口感變得更為酸爽。

2.消除食品對(duì)人體的不良影響。微生物發(fā)酵可以消除食物本身對(duì)人體的一些不良作用。比如，花生作為食物中的八大主要過(guò)敏原之一，可能會(huì)使人體產(chǎn)生過(guò)敏性休克或死亡等反應(yīng)，而采用納豆芽孢桿菌與高壓滅菌相結(jié)合的技術(shù)可以有效降低花生的致敏性，提高花生制品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

3.增強(qiáng)食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。首先，微生物發(fā)酵技術(shù)可以提升食物中多糖的含量。不同的多糖對(duì)人體生物學(xué)活性的功效及作用不同，其中的真菌類多糖，如靈芝多糖可以有效抗癌和抗腫瘤，擁有較為成熟的應(yīng)用市場(chǎng)；動(dòng)物多糖在防治心腦血管疾病和降低機(jī)體衰老速度等方面表現(xiàn)較好；微生物多糖則有助于調(diào)節(jié)人體腸道菌群，增強(qiáng)人體腸胃功能。其次，微生物發(fā)酵技術(shù)會(huì)影響產(chǎn)品中蛋白質(zhì)的含量。相較于熱化學(xué)、干熱和濕熱等處理方式，微生物發(fā)酵可以提升粗蛋白質(zhì)的體外消化率和蛋白質(zhì)溶解度，如在枯草芽孢桿菌、植物乳桿菌等菌種的作用下，食物中的氨基酸、酸溶蛋白和粗蛋白的含量顯著增長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)得到的單細(xì)胞蛋白這一新型蛋白質(zhì)能夠提高飲料和奶制品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，增強(qiáng)相關(guān)食品的風(fēng)味和口感。最后，微生物發(fā)酵技術(shù)會(huì)對(duì)食品中的一些植酸、單寧、胰蛋白酶抑制劑等因子產(chǎn)生一定的影響。例如，JAIN以小麥粉為反應(yīng)原料，在與枯草芽孢桿菌JJBS250反應(yīng)24h后，小麥粉中的植酸含量有所下降，這有助于人們更好地消化及吸收食物。

4.提升食品的安全性。無(wú)論是傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵還是現(xiàn)代的微生物發(fā)酵技術(shù)，其原材料都以微生物為主，與較為激烈的化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)合成相比，其結(jié)構(gòu)分解與重組更為溫和，不易產(chǎn)生毒性，可以避免化學(xué)合成物質(zhì)對(duì)人體的負(fù)面影響，安全性更強(qiáng)。

（二）可以實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)

從微生物發(fā)酵的條件和環(huán)境來(lái)看，其通常是在常溫、常壓下產(chǎn)生生化反應(yīng)，可以降低高溫、高壓反應(yīng)對(duì)環(huán)境和設(shè)備的損壞，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性，降低能源消耗，促進(jìn)食品工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。從發(fā)酵過(guò)程來(lái)看，參與發(fā)酵的原料類型豐富多樣，可以對(duì)廢棄生物進(jìn)行回收再利用，從而使資源價(jià)值得到最大化的開發(fā)與運(yùn)用，有助于減少對(duì)有限自然資源的開采。另外，微生物發(fā)酵這一催化反應(yīng)的反應(yīng)速率較快、生產(chǎn)效率較高，有助于實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從而有效推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量水平的提升。

三、微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）面制品

面制品生產(chǎn)是食品領(lǐng)域較為常見的微生物發(fā)酵應(yīng)用場(chǎng)景，通常會(huì)運(yùn)用酵母菌等微生物對(duì)面制品進(jìn)行發(fā)酵，從而使面團(tuán)產(chǎn)生較多蓬松的氣孔，達(dá)到更好的口感和風(fēng)味，如面包、披薩以及饅頭等面食產(chǎn)品皆使用了微生物發(fā)酵技術(shù)。此外，這一技術(shù)還可以在一定程度上降低面制品中糖分及碳水化合物的含量，從而使其更健康。

（二）調(diào)味品

微生物發(fā)酵技術(shù)在調(diào)味品領(lǐng)域的運(yùn)用也十分常見，如醬、醋和醬油等都是發(fā)酵而來(lái)的。通常情況下，會(huì)以高粱、大豆和米為原料進(jìn)行發(fā)酵，它們?cè)谝粋€(gè)特定的復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生發(fā)酵反應(yīng)，從而得到調(diào)味品。

（三）茶葉

我國(guó)是各類茶葉的原產(chǎn)地，且在很早之前便開始通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)多種類型的茶制品。其中，全發(fā)酵茶和半發(fā)酵茶是較為常見的兩種產(chǎn)品，且經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)的茶葉，如白茶、紅茶及烏龍茶等，與不發(fā)酵的綠茶在風(fēng)味上具有明顯的差別。此外，微生物發(fā)酵技術(shù)還可以使茶葉中的茶多酚結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的化合物，鞏固茶葉中的有效成分，進(jìn)一步提高茶葉的保健價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

（四）豆制品

微生物發(fā)酵技術(shù)參與豆制品的生產(chǎn)與制作也十分常見。以普通大豆為原材料，引入微生物發(fā)酵技術(shù)，可以降低大豆的硬度，并通過(guò)蛋白酶對(duì)大豆中蛋白質(zhì)的水解，發(fā)酵形成豆干和豆腐等產(chǎn)品。此外，豆制品的衍生產(chǎn)品，如毛豆腐和腐乳等的制作也用到了微生物發(fā)酵技術(shù)，在此過(guò)程中，曲霉菌、青霉菌、毛霉菌和酵母菌等發(fā)揮了相應(yīng)的作用。

（五）乳制品

發(fā)酵乳制品是以牛奶為基礎(chǔ)原料生成的產(chǎn)品，酸奶、發(fā)酵黃油是其中比較常見的類型。乳汁與發(fā)酵菌發(fā)生反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生酮、酸、醛、酯等產(chǎn)物，促使乳基質(zhì)發(fā)生變化，生成丙酮酸、乳酸以及酪酸等有機(jī)酸，從而使乳汁轉(zhuǎn)化為凝乳、酸奶、酸牛奶等奶制品。相較于未發(fā)酵的黃油，發(fā)酵后的黃油在口感上更加柔軟、細(xì)膩，風(fēng)味也得到了明顯改善，可以更好地應(yīng)用于食品生產(chǎn)與加工中。

（六）現(xiàn)代釀酒

微生物發(fā)酵技術(shù)是現(xiàn)代釀酒工藝中最為核心的一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容。酵母菌是一種單細(xì)胞真菌，在糖類物質(zhì)的幫助下可以完成自身代謝，產(chǎn)生相應(yīng)的生長(zhǎng)物質(zhì)及能量。在具體的釀酒過(guò)程中，酵母菌等微生物在一定的環(huán)境和反應(yīng)條件下可以將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己途凭?，從而滿足釀酒要求。近年來(lái)，釀酒蒸餾技術(shù)和發(fā)酵溫度控制技術(shù)發(fā)展迅速，人們可以精準(zhǔn)掌握酒醅成分的變化，使得酒品的產(chǎn)量與質(zhì)量得到不斷的提升與完善。

（七）防腐保鮮

微生物發(fā)酵技術(shù)還經(jīng)常被應(yīng)用于食品的防腐和保鮮領(lǐng)域。例如，蘋果酸和葡萄糖酸等酸味增強(qiáng)劑在經(jīng)過(guò)發(fā)酵后酸味較重，對(duì)于保持食品的口感和質(zhì)量有著積極的影響及作用。此外，將乳酸菌用于乳制品和肉制品發(fā)酵，可以提高食品的整體酸性，抑制其它微生物的生長(zhǎng)，確保食品安全及品質(zhì)。

四、提高微生物發(fā)酵技術(shù)優(yōu)勢(shì)的策略

（一）篩選和研發(fā)高產(chǎn)菌株

近年來(lái)，合成生物學(xué)、基因編輯等技術(shù)為改造和優(yōu)化微生物菌株提供了新的思路和技術(shù)支撐，使得菌株的設(shè)計(jì)更為科學(xué)、精準(zhǔn)。優(yōu)化及完善微生物發(fā)酵過(guò)程的首要步驟是篩選和構(gòu)建高產(chǎn)菌株，在轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)和基因組學(xué)技術(shù)的支撐下，深入了解優(yōu)良菌株的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，并對(duì)氨基酸、葡萄糖等代謝通路相關(guān)基因進(jìn)行定向改造，從而研發(fā)出高產(chǎn)能的工業(yè)菌株。

（二）融合合成生物學(xué)

合成生物學(xué)可以進(jìn)一步擴(kuò)大微生物發(fā)酵產(chǎn)品的種類。在食品生產(chǎn)過(guò)程中，要積極探索合成生物學(xué)與微生物發(fā)酵技術(shù)的結(jié)合路徑，重新設(shè)計(jì)和適當(dāng)調(diào)控微生物遺傳的內(nèi)容，完成對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。例如，使用基因編輯技術(shù)敲除微生物基因組中負(fù)反饋調(diào)控因子的表達(dá)，能夠提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量；在大腸桿菌中重構(gòu)異戊二烯，能夠極大地提高其生產(chǎn)效率。

（三）優(yōu)化發(fā)酵工藝條件

在完成篩選及構(gòu)建高效微生物菌株的工作后，需要通過(guò)調(diào)整和控制基質(zhì)配比、pH、溫度和溶氧水平等因素為微生物的生長(zhǎng)和代謝營(yíng)造科學(xué)、適宜的條件，以確保微生物處于最佳狀態(tài)。

（四）積極推廣新的技術(shù)

首先，引導(dǎo)、組織科研機(jī)構(gòu)和食品企業(yè)成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室與研究中心，為微生物發(fā)酵技術(shù)的研發(fā)提供共享實(shí)驗(yàn)設(shè)施與技術(shù)平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)微生物發(fā)酵技術(shù)更快地應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)。其次，設(shè)立專項(xiàng)資金支持研發(fā)項(xiàng)目，用于培育新型發(fā)酵菌株、優(yōu)化微生物發(fā)酵過(guò)程、基因編輯改造等創(chuàng)新性研究工作。最后，積極尋求微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域的多種運(yùn)用路徑。例如，運(yùn)用微生物發(fā)酵技術(shù)開發(fā)功能性食品；通過(guò)篩選并培養(yǎng)不同類型的微生物獲得具有特定功效的菌群、菌株，開發(fā)多種類型的功能性食品。

綜上，微生物發(fā)酵技術(shù)在食品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，未來(lái)可以通過(guò)篩選高產(chǎn)菌株、融合合成生物學(xué)、優(yōu)化發(fā)酵條件、積極推廣新技術(shù)等方式，進(jìn)一步推動(dòng)微生物發(fā)酵技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：2023年度山西省高?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目“不同陳釀時(shí)長(zhǎng)山西老陳醋品質(zhì)解析及關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)確證”（2023L307）。

作者簡(jiǎn)介：戴銘成（1987-），男，漢族，山西太谷人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称肺⑸锛鞍l(fā)酵食品。

樊迎（1987-），女，漢族，山西運(yùn)城人，講師，博士，研究方向?yàn)榘l(fā)酵食品、食品風(fēng)味及品質(zhì)調(diào)控。

連文綺（1986-），女，漢族，山西長(zhǎng)治人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称窢I(yíng)養(yǎng)與功能食品加工。