微生物發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用與展望

Application and Prospect of Microbial Fermentation Technology in Food Industry

YU Xinling

（Fengcheng City Market Supervision Administration， Liaoning Province，Dandong 1181o0， China）

Abstract： This article deeply analyzes the various applications of microbial fermentation technology in the food industry， elaborates on its technical principles，fermentation types，and microbial species，and explores indetail its application in fieldssuchas grain，meat products，soyproducts，brewing，dairyproducts，etc.Itanalyzes the impacton food quality and looks forward to future trends in new technology applications，new strain development， sustainable development， etc.，aiming to provide theoretical basis for promoting the innovative development of microbial fermentation technology in the food industry.

Keywords： microbial fermentation technology; food industry; food quality; development prospects

微生物發(fā)酵技術(shù)作為食品工業(yè)的重要組成部分，擁有悠久的歷史。從古代釀造酒類、制作發(fā)酵豆制品，到如今廣泛應(yīng)用于各類食品生產(chǎn)，該技術(shù)不斷發(fā)展演變。它不僅豐富了食品的種類，還在提升食品品質(zhì)、保障食品安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在現(xiàn)代食品工業(yè)中，微生物發(fā)酵技術(shù)的深人研究和創(chuàng)新應(yīng)用，對于滿足消費(fèi)者日益多樣化的需求、推動食品行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文系統(tǒng)梳理微生物發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用體系，通過技術(shù)原理、代謝路徑與典型案例的有機(jī)結(jié)合，重點(diǎn)闡述該技術(shù)在糧食加工、肉制品、豆制品、釀酒及乳制品領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模式；分析其對食品品質(zhì)提升的作用機(jī)制，并結(jié)合代謝工程、合成生物學(xué)等前沿技術(shù)，提出未來發(fā)展的三大創(chuàng)新方向，為產(chǎn)業(yè)升級提供理論支撐。

1微生物發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

1.1在糧食加工食品中的應(yīng)用

在糧食加工食品領(lǐng)域，微生物發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用廣泛且至關(guān)重要。以饅頭、面包制作過程為例，酵母菌是關(guān)鍵角色。在發(fā)酵時，酵母菌分解面團(tuán)中的糖類，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。這些氣體在面團(tuán)內(nèi)形成細(xì)密氣孔，讓饅頭、面包變得柔軟蓬松，極大地改善了口感與質(zhì)地。同時，發(fā)酵過程中酵母菌還會生成多種風(fēng)味物質(zhì)，賦予面食獨(dú)特的麥香和發(fā)酵香氣。

微生物發(fā)酵技術(shù)在糧食加工中形成了成熟的產(chǎn)業(yè)化模式。以安琪酵母股份有限公司的工業(yè)化生產(chǎn)為例，其開發(fā)的復(fù)合發(fā)酵劑可使面團(tuán)醒發(fā)時間縮短 30% ，成品中還原糖含量提升 18.7%^[1] 。通過高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵過程中乳酸菌與酵母菌的

食品科技

協(xié)同作用可降解 75% 以上的植酸，使鈣、鐵等礦物質(zhì)的生物利用率提高 22%～28%^[2] 。在食醋生產(chǎn)領(lǐng)域，江蘇恒順集團(tuán)采用的固態(tài)分層發(fā)酵工藝，使醋酸轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在 98.5% 以上，產(chǎn)品中總酸含量達(dá)6.5 g/100mL，風(fēng)味物質(zhì)種類較傳統(tǒng)工藝增加42%[3]

1.2 在肉制品加工中的應(yīng)用

現(xiàn)代發(fā)酵肉制品生產(chǎn)已形成完整的微生物調(diào)控體系。從風(fēng)味和質(zhì)地改善角度來看，乳酸菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生乳酸，乳酸會降低肉制品的pH值，使得肌肉蛋白質(zhì)發(fā)生變性。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的最新研究顯示，添加 0.05% 的戊糖片球菌發(fā)酵劑，可使火腿中亞硝酸鹽殘留量降低 62% ，同時產(chǎn)生的細(xì)菌素具有廣譜抑菌活性[4]。在質(zhì)構(gòu)改良方面，微生物產(chǎn)生的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可使肉蛋白交聯(lián)度提高 35% ，顯著改善產(chǎn)品彈性[5。這一變化讓肉質(zhì)變得更加鮮嫩多汁，口感得到極大提升。與此同時，微生物在代謝過程中會產(chǎn)生各種物質(zhì)，這些物質(zhì)賦予了肉制品獨(dú)特的風(fēng)味，如發(fā)酵香腸的濃郁香味便是微生物發(fā)酵的結(jié)果。在延長保質(zhì)期方面，發(fā)酵創(chuàng)造的厭氧環(huán)境有效減少了需氧微生物的污染，從而大大延長了肉制品的保質(zhì)期，讓消費(fèi)者能更安心地享用美味的肉制品。

1.3在豆制品發(fā)酵中的應(yīng)用

豆制品發(fā)酵過程中微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)顯著特異性。腐乳發(fā)酵體系中毛霉與曲霉的協(xié)同作用可產(chǎn)生12種新型抗氧化肽，DPPH自由基清除率達(dá) 89.3%^[6] 某公司的專利技術(shù)顯示，采用米曲霉3.042菌株發(fā)酵的醬油，其氨基態(tài)氮含量可達(dá) 1.8g/100mL ，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類超過300種[2]。在功能性成分開發(fā)方面，發(fā)酵豆豉中的 γ- 氨基丁酸含量可達(dá) 3.2mg?g^-1 ，具有顯著的降血壓功效[1]。不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵產(chǎn)生了大量的益生菌，顯著提高了豆制品的營養(yǎng)價值，促使豆制品形成了獨(dú)特風(fēng)味。

1.4在釀酒中的應(yīng)用

釀酒是微生物發(fā)酵的經(jīng)典應(yīng)用，現(xiàn)代釀酒技術(shù)已建立完整的微生物圖譜庫。中國白酒發(fā)酵中，已分離鑒定出56種關(guān)鍵功能微生物，其中地衣芽孢桿菌可產(chǎn)生特征性的己酸乙酯，形成獨(dú)特香氣和風(fēng)味。在啤酒釀造領(lǐng)域，酵母種類及發(fā)酵條件會影響啤酒風(fēng)味和品質(zhì)，形成多種類型啤酒。青島啤酒股份有限公司開發(fā)的基因工程酵母，可使雙乙酰含量控制在0.05 mg·L-1以下，發(fā)酵周期縮短15%[3]。

1.5 在奶制品中的應(yīng)用

在乳制品加工領(lǐng)域，微生物發(fā)酵技術(shù)已形成標(biāo)準(zhǔn)化的微生物制劑應(yīng)用體系。以酸奶生產(chǎn)為例，保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌的共生發(fā)酵體系通過乳糖代謝生成乳酸，使酪蛋白發(fā)生酸凝固形成凝膠結(jié)構(gòu)，同時將牛奶中的色氨酸轉(zhuǎn)化為煙酸（維生素 ΔB₃ ），其含量可提升1.8倍[1。值得注意的是，現(xiàn)代奶酪生產(chǎn)通過精準(zhǔn)調(diào)控嗜熱鏈球菌與保加利亞乳桿菌的1：3 黃金配比，可使原料乳中蛋白質(zhì)利用率提升至92% ，并促使游離氨基酸總量增加2.3倍，形成獨(dú)特的奶酪風(fēng)味前體物質(zhì)[1]。特別值得關(guān)注的是內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的最新研究成果，他們從傳統(tǒng)酸馬奶中分離出具有特殊代謝功能的乳桿菌群落，其分泌的13種新型胞外多糖經(jīng)動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)可顯著增強(qiáng)巨噬細(xì)胞吞噬活性，這為功能性乳制品開發(fā)提供了新的菌種資源[7]。

2微生物發(fā)酵技術(shù)對食品品質(zhì)的提升

2.1感官品質(zhì)的多維調(diào)控

微生物發(fā)酵可通過代謝調(diào)控與物質(zhì)轉(zhuǎn)化顯著改善食品感官品質(zhì)，具體體現(xiàn)在色澤、風(fēng)味和質(zhì)地上的多維提升。在色澤形成方面，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的天然色素賦予食品獨(dú)特外觀，如紅曲霉分泌的MonascinA色素可使產(chǎn)品色價達(dá) 2000U?g^-1 ，其熱穩(wěn)定性較合成色素提高 37%^[4] ，這種特性在醬油、腐乳等傳統(tǒng)發(fā)酵食品中尤為顯著，形成了標(biāo)志性的紅棕色外觀。

在風(fēng)味調(diào)控方面，微生物代謝網(wǎng)絡(luò)生成的復(fù)雜化合物構(gòu)建了獨(dú)特的風(fēng)味矩陣。電子鼻檢測顯示，醬油發(fā)酵體系中4-乙基愈創(chuàng)木酚等酚類物質(zhì)含量達(dá)0.35mg^.kg^-1 ，形成了特征性醬香風(fēng)味[2]。白酒發(fā)酵過程中，不同菌種組合可產(chǎn)生超過200種揮發(fā)性化合物，其中己酸乙酯含量差異達(dá) 400% ，直接決定酒品香型風(fēng)格。

在質(zhì)構(gòu)優(yōu)化方面，微生物分泌的胞外多糖與酶可對食品物理特性產(chǎn)生顯著影響。質(zhì)構(gòu)儀分析顯示，面包發(fā)酵產(chǎn)生的葡聚糖可使產(chǎn)品硬度降低28% ，彈性模量提升 35%^[5] 。在腐乳生產(chǎn)中，毛霉分泌的蛋白酶使大豆蛋白水解度達(dá) 35% ，形成細(xì)膩柔軟的凝膠結(jié)構(gòu)，同時產(chǎn)生的氨基態(tài)氮含量達(dá)1.2g/100mL ，賦予產(chǎn)品醇厚口感[。

這種感官品質(zhì)的提升本質(zhì)上是微生物代謝產(chǎn)物與食品基質(zhì)相互作用的結(jié)果。通過精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)酵參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對色澤強(qiáng)度、風(fēng)味層次和質(zhì)構(gòu)特性的定向控制，為開發(fā)具有差異化感官體驗(yàn)的發(fā)酵食品提供了技術(shù)路徑。

2.2 營養(yǎng)品質(zhì)的生物強(qiáng)化

微生物發(fā)酵主要通過生物轉(zhuǎn)化機(jī)制提升食品營養(yǎng)品質(zhì)，主要體現(xiàn)在多糖、蛋白質(zhì)及其他營養(yǎng)素的生物強(qiáng)化效應(yīng)。在多糖合成方面，微生物代謝產(chǎn)生的功能性多糖展現(xiàn)出雙重價值：香菇發(fā)酵產(chǎn)生的香菇多糖（Lentinan，LNT）經(jīng)臨床驗(yàn)證可使小鼠巨噬細(xì)胞吞噬活性提升 230% ，而乳酸菌分泌的胞外多糖（ExopolySaccharides，EPS）在酸奶中形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可使產(chǎn)品持水率提高 40% ，同時作為益生元促進(jìn)雙歧桿菌增殖達(dá)12倍[2]。

在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化方面，微生物發(fā)酵可呈現(xiàn)多級提升效應(yīng)?？莶菅挎邨U菌分泌的堿性蛋白酶可將大豆蛋白水解為平均分子量為 1200Da 的小肽，其血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（Angiotensin ConvertingEnzyme，ACE）抑制率達(dá) 78.6% ；發(fā)酵豆豉的蛋白質(zhì)消化率較原料提升 52% ，游離氨基酸總量增加3.8倍。特別值得關(guān)注的是微生物菌體蛋白的貢獻(xiàn)，釀酒酵母在發(fā)酵過程中可使面包蛋白質(zhì)含量增加 15% ，其中必需氨基酸占比達(dá)42%[4-6]

其他營養(yǎng)素的生物強(qiáng)化表現(xiàn)為乳酸菌發(fā)酵使乳制品中維生素 B₁₂ 含量提升8.5倍，而谷物發(fā)酵產(chǎn)生的植酸酶可降解 83% 的植酸，使鈣、鐵生物利用率分別提高 41% 和 58% 。最新研究發(fā)現(xiàn)，某些工程菌株可將亞麻酸轉(zhuǎn)化為共軛亞油酸（ConjugatedLinoleicAcid，CLA），其抗癌活性較天然產(chǎn)物提高2.7倍。這些營養(yǎng)提升機(jī)制通過協(xié)同作用，使發(fā)酵食品的營養(yǎng)密度較原料平均提高 2.3～4.6 倍，構(gòu)建起具有功能導(dǎo)向的營養(yǎng)強(qiáng)化體系[5]。

2.3 安全品質(zhì)的生物防控

微生物發(fā)酵對食品安全的影響呈現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)特征，其作用機(jī)制可歸納為生物防控與風(fēng)險轉(zhuǎn)化的動態(tài)平衡。在生物防控方面，微生物群落構(gòu)建的天然抑菌屏障展現(xiàn)出顯著效果：高通量測序顯示泡菜發(fā)酵體系中乳酸菌占比達(dá) 92% ，其分泌的苯乳酸對沙門氏菌的抑制率達(dá) 98.7%^[5] ，這種生物拮抗作用使泡菜無須添加防腐劑即可實(shí)現(xiàn)6個月貨架期。更值得關(guān)注的是，某些工程菌株展現(xiàn)出靶向解毒能力，黑曲霉分泌的漆酶可特異性識別黃曲霉毒素 ΔB₁ 的二呋喃環(huán)結(jié)構(gòu)，使其降解率達(dá) 91.2%^[3] ；而植物乳桿菌PS128對鉛離子的吸附容量可達(dá) 35.6mg?g^-1 菌體[]，這種生物吸附機(jī)制為重金屬污染食品提供了新型解決方案。

在風(fēng)險轉(zhuǎn)化方面，微生物代謝網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的定向轉(zhuǎn)化。最新研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌BF-

7658分泌的腈水解酶可將殘留的有機(jī)磷農(nóng)藥樂果降解為無毒產(chǎn)物。然而值得警惕的是，發(fā)酵過程若控制不當(dāng)（如溫度偏差 gt;2^°C 或 pH 值波動 gt;0.5 個單位），會導(dǎo)致菌群失衡，使蠟樣芽孢桿菌等條件致病菌的檢出率上升至 15% 。因此，現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)通過構(gòu)建“三維防控體系”（原料預(yù)處理－過程實(shí)時監(jiān)測－成品快速檢測），將雜菌污染風(fēng)險控制在 0.3% 以下，確保發(fā)酵食品安全可控[4]。這種生物防控與風(fēng)險轉(zhuǎn)化的協(xié)同作用，使發(fā)酵食品的安全品質(zhì)較傳統(tǒng)工藝提升，為食品工業(yè)提供了兼具安全性與可持續(xù)性的技術(shù)路徑。

3微生物發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中的發(fā)展展望

3.1智能生物制造體系構(gòu)建

基于代謝工程與合成生物學(xué)的深度融合，現(xiàn)代微生物發(fā)酵已形成“設(shè)計-構(gòu)建-驗(yàn)證-優(yōu)化”的閉環(huán)技術(shù)體系。代謝工程通過基因編輯技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵酶活的精準(zhǔn)調(diào)控。合成生物學(xué)則通過模塊化設(shè)計構(gòu)建人工細(xì)胞工廠，為復(fù)雜天然產(chǎn)物的綠色高效合成提供了新的思路。例如，中國科學(xué)院設(shè)計的大腸桿菌工程菌株實(shí)現(xiàn)葡萄糖到丁二酸的 85% 轉(zhuǎn)化率[4]

3.2 微生物資源開發(fā)創(chuàng)新

新菌種開發(fā)呈現(xiàn)“挖掘-改造－應(yīng)用”的立體化發(fā)展格局。從深海熱液口分離的極端嗜熱菌，其分泌的木聚糖酶在 90^qC 仍保持 85% 活性，可用于高溫發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇?；蚬こ碳夹g(shù)創(chuàng)造的功能菌株展現(xiàn)獨(dú)特優(yōu)勢，如內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的重組乳酸菌，通過表達(dá)人乳鐵蛋白使酸奶抗菌活性提升3倍[。

3.3可持續(xù)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型

循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念推動發(fā)酵產(chǎn)業(yè)生態(tài)重構(gòu)。某國外公司的酶解技術(shù)將秸稈纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，使原料利用率得到明顯提升；開發(fā)的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，將食品加工副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為 β- 葡聚糖含量達(dá) 78% 的功能性膳食纖維，附加值提升5倍[2。未來需重點(diǎn)突破極端環(huán)境微生物資源挖掘、人工光合固碳技術(shù)研發(fā)和碳足跡追蹤體系建設(shè)難點(diǎn)，構(gòu)建具有碳中和特征的新型發(fā)酵產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4結(jié)語

微生物發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用和重要價值。它通過不同發(fā)酵類型和微生物種類，在糧食、肉制品、豆制品、釀酒、奶制品等食品生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，顯著改善食品的感官品質(zhì)、營養(yǎng)成分，保障食品安全。隨著代謝工程、合成生物學(xué)、智能化控制等新技術(shù)的應(yīng)用，新菌種的不斷開發(fā)，以及可持續(xù)發(fā)展理念的深人貫徹，微生物發(fā)酵技術(shù)將在食品工業(yè)中迎來更廣闊的發(fā)展前景，為滿足消費(fèi)者對健康、美味、可持續(xù)食品的需求提供有力支持，推動食品工業(yè)向更高水平邁進(jìn)。

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