发酵工程在食品工业上的应用

苏宝泉，生物工程专业1314班，学号201321042112 【摘要】发酵工程是指运用现代工程技术并通过生物（只要是微生物）的某些特定功能或直接应用于工业生产，替人类进行产品生产的一种新技术，它是现代生物技术的核心技术之一，无论是传统发酵产品还是现代基因技术产品都离不开他的支持。

本文主要论述了发酵工程的形成与发展，并介绍了发酵工程的现状已经发酵工程的广阔前景，本文还列举了现代发酵工程相较传统发酵技术的一些难以弥补的优点，意在说明发酵工程的先进性和重要性，于此同时，本文也详细介绍了现代发酵工程在食品工业上的应用，例如对传统食品的改善以及利用发酵法生产新性食品。 关键词：发酵工程；食品工业；应用

The application in food industry of

fermentation engineering

Su Baoquan, class biological engineering 1314,

Student number 201321042112

[Abstract] Fermentation engineering refers to using the modern engineering technology and through biological (microbial) as long as it is of certain features or directly applied to industrial production and for human beings to a new technology of production, it is one of the core technology of modern biological technology, both in traditional fermentation products and modern genetic technology products without his support.

This paper mainly discusses the formation and development of fermentation engineering, and introduces the current situation of fermentation engineering has the broad prospects of fermentation engineering, this paper also enumerates the modern fermentation engineering than some difficult to make up for the advantages of the traditional fermentation technology, to the advanced nature and importance of the fermentation engineering, at the same time, this paper also introduces in detail the application of modern fermentation engineering in food industry, such as on the improvement of the traditional food and the use of fermentation to produce new products. Key words: fermentation engineering; The food industry；

application

0 引言

发酵具有悠久的历史，在几千年前，人们就开始运用发酵技术生产奶酪，酱油，以及酿酒。随着人们对世界的认知不断扩大，人们学会了发酵技术的原理，懂得结合运用了现代先进的理论知识和传统的发酵技术，形成了现代化的发酵技术，为发酵工程的形成奠定了可靠的理论和实践基础。 发酵工程技术是现代生物技术的核心技术之一，无论是传统发酵产品还是现代基因技术产品都离不开他的支持。它具有生产条件温和，原料来源丰富且价格低廉，产物专一，废弃物对环境污染小和容易处理等特点，因此发酵工程在医药工业、食品工业、农业、冶金工业、环境保护等许多领域得到了广泛的应用，逐步形成了规模庞大的发酵工业，它必将成为未来的支持产业之一。 1 发酵工程的定义

发酵工程是指运用现代工程技术并通过生物（只要是微生物）的某些特定功能或直接应用于工业生产，替人类进行产品生产的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配置、灭菌、扩大培养和接种、发酵工程和产品的分离提纯等方面。发酵工程的应用主要在医药工业、食品工

业、化学工业、能源工程、环境科学领域，其中在食品工业的应用主要有三大类产品，一是生产传统的发酵产品，如奶酪、啤酒、酱油、食醋等;二是生产食品添加剂，改善食品的品质及色、香、味；三是帮助人们解决粮食问题。 2 发酵工程的发展

2．1发酵工程的发展历程 1） 自然发酵时期

人类利用微生物代谢产物已经有几千年的历史，而人们认识发酵、研究发酵却只有200多年的，从史前到19世纪人们对发酵的本质不了解，“自然发生说”盛极一时，此阶段一般都是手工作坊，谈不上发酵工业。产品简单，质量不稳定。 2） 纯种培养时期

此时，人们已经会利用发酵技术生产酒精、有机酸、酶制剂等，通过采用纯种培养和无菌操作技术，再加上灭菌及使用密闭发酵罐，避免了发酵时被污染的问题的同时，也提高了产品的质量，真正的发酵工业开始形成。 3） 深层培养时期

在那个青霉素发现的年代，由于战争造成的大量需求促进了发酵技术的发展，20世纪40年代，通过通气搅拌发酵技术，青霉素发酵生产得以成功实现，同时也使需氧菌的发酵生产进入了大规模工业化生产。

4） 近代发酵工程时期

以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合其生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，既能选择性地大量生产人们所需要的物质。 5） 现代发酵工程时期

应用分子生物学和分子遗传学的方法，人为的将任意生物的特定又有用的遗传基因组合到特 定微生物的基因中去，在分子水平上选育新的物 种，创造新的微生物，从而达到定向改变自然界微 生物所不能合成的产物。 2.2 发酵工程的现状

如今的发酵工程经历了半个多世纪，从最早的抗生素发酵到氨基酸，有机酸，甾体激素的生物转化、维生素的生物制备法、单细胞蛋白和淀粉糖等工业化生产。随着现代生物技术的发展，发酵技术的应用已涉及国际民生的方方面面。

进入21世纪，生命科学毅然成为新一代的前沿学科之一世界许多大公司正将注意力向生命学科部分转移，如欧美许多传统的化学公司已经将重点转向生物技术，其中包括美国的孟山都公司、德国的赫斯特公司和法国的罗那普朗克公司等等。

3 发酵工程在食品工业中的应用

3.1 传统的食品加工工艺的改造

相比传统发酵工艺，一是以生物为对象，不完全依赖地球上的有

限资源，而着眼于再生资源的利用，不受原料的限制；二是生物反应比化学合成反应所需的温度要低得多，同时可以简化生产步骤，实行生产过程的连续性，大大节约能源，缩短生产周期，降低成本，减少对环境的污染；三是可开辟一条安全有效地生产价格低廉、纯净的生物制品的新途径。；四是能解决传统技术或常规方法所不能解决的许多重大难题，如遗传疾病的诊治，并为肿瘤、能源、环境保护提供新的解决办法；五是可定向创造新品种、新物种，适应多方面的需要，造福于人类；六是投资小，收益大，见效快。

发酵工程正逐渐形成一股引起工业调整和社会结构改革的力量。因此，世界各国政府，纷纷把微生物发酵工程列入本国科学技术优先开发的项目。

在现代发酵技术改造传统发酵食品中，最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺。例如在国外的啤酒生产中，大多数

采用了固定化酵母的连续发酵工艺，它可将啤酒的发酵时间缩短至1d，甚至更低的90rain。在我国的传统酿造制品黄酒、酱类、豆腐乳等，均利用优选的菌种发酵，而且改良了风味品质。与此同时，利用发酵工程生产天然色素、天然新型香味剂等食品添加剂，并逐步取代人工合成的色素和香精，这也是当前食品添加剂研究和前进的方向。 3.1.1 现代发酵法生产酱油

我国目前酱油的生产工艺主要为低盐固态发酵工艺、高盐稀态发酵工艺以及两者相结合的分酿固稀发酵工艺。低盐固态发酵工艺因为蛋白利用率高，操作简便，设备简单，发酵周期较短，产品风味一般，可生产普通酱油而被大多数酱油生产企业采用。但随着人民生活和消费水平的提高，消费者对香味浓，色泽浅，体态佳的酱油倍受青睐，为迎合市场的需求，以高盐稀态发酵工艺酿造酱油是众多厂家的首选。“低盐固态发酵工艺”和“高盐稀态发酵工艺”两种发酵方法的比较见表1所示。

表1低盐固态发酵工艺和高盐稀态发酵工艺的比较 项目 原料 酒醅含盐量（%） 酒醅含水量（%） 发酵温度（℃） 低态固盐 麸皮、豆粕 8~11 50~60 40~50 高态稀盐 小麦、豆粕 17~20 70~80 5~30 发酵周期（天） 生香酵母和乳酸菌添加情况 发酵过程操作 油渣分离方式 产品色泽 产品风味 成本 30 无法添加 不动或倒地 原池或移位淋油 深褐色 有酱油香气 低 180 可以添加 高压空气搅拌 压榨过滤 浅褐色 香气浓郁 高 由表1可见，两种发酵工艺关键的区别在于发酵与油渣分离的方法和条件。低盐固态发酵工艺发酵温度低，水分小，使酶类和微生物存活率低，氨基酸的生成率相对较低，无法添加生香酵母和乳酸菌。高盐稀态发酵工艺发酵时间长，水分大，起作用的酶类全，氨基酸生成率较高。两种方法工艺条件的较大差异决定了低盐固态酱油的风味远不如高盐稀态酱油。同时，由表1也可以看出，高盐稀态发酵工艺发酵周期长，生产成本高，这也是该工艺需要不断改进之处。 3.1.2桶内二次发酵法生产小麦啤酒

随着社会的发展，消费者对于啤酒质量特别是口味和营养要求不断提高，啤酒行业的技术和产品质量也在随着消费需要不断升级，从普通瓶装啤酒到桶装鲜啤酒，再到纯生啤酒，啤酒的性呢过和质量不断提高，但都存在不同程度的缺陷，

桶内二次发酵小麦啤酒的生产工艺为：以40%的小麦芽和60%的大麦芽为原料，采用优化的糖化工艺，增加44℃休止时间以增加小麦啤酒中重要的呈香物质4-乙烯基愈创木酚的含量。利用筛选出的上面发酵酵母No.303进行主发酵，发酵温度22℃，当啊残糖降至3.8°P时，结束主发酵。得到的发酵液除上面发酵酵母后，将下面发酵酵母No.308按照添加后发酵液中酵母个数为8×10^6～1×10^7个/mL的数量和1.5%浸出物（相当于3.8%主发酵液体积的11.0°P全麦芽汁）。立刻于无菌条件下灌装入无菌的5L桶内。将灌装入5L桶后的嫩啤酒进行后贮。后贮分为两个阶段，热贮为18~19℃贮存7天，然后将迅速降温至6～8℃，冷贮14天。

采用桶内二次发酵工艺对上述发酵液进行处理，二次添加酵母和可发酵性浸出物，利用酵母的生物活性，消耗啤酒容器中的残存溶解氧，克服了啤酒容器造成啤酒氧化的先天缺陷，彻底解决了长期以来储存在罐/桶装纯生啤酒口味不新鲜和保证口味的新鲜却又无法长期保存的矛盾；进一步饱和二氧化碳，使其含量达到6～８g/L，令啤酒酒体更完美；含有活酵母，酒体呈均匀浑浊，色泽金黄，具有典型的古老德国小麦啤酒的酒体醇厚感，而且泡沫丰富，更富有营养。 3.2 发酵法生产新型食品 3.2.1红薯饮料

发酵液制备条件的优化在本研究中,甘薯要经过切片、热烫、打浆、蒸煮、酶解、过滤和调配等工艺过程。甘薯切片后在95℃下热烫5min,有最佳的护色作用,又可使薯浆更加细腻均匀;95℃下糊化30min,薯浆中的淀粉能充分糊化,同时避免了蒸煮味的产生;饮料的料水比为1:6时,饮料有最佳的色泽、香味和口感;采用双酶法水解甘薯中的淀粉,运用α-淀粉酶进行液化,单因素试验结果表明:酶用量6U/100ml薯浆,在温度60℃,pH值6.0的条件下,酶解25min比较合适;运用糖化酶进一步糖化,通过正交试验确定了最佳作用条件:温度65℃、酶用量64U/100mL薯浆、时间90min、pH值4.5。

3.2.2猕猴桃果醋及其果醋饮料的研究

以成熟猕猴桃为主要原料 ,经酒精发酵和醋酸发酵生产猕猴桃果醋。经对比试验确定了酒母配比(果酒酵母与酒精酵母比 2∶ 1)和适宜的发酵条件(酒精发酵 2 5℃、 48h ,醋酸发酵 3 4℃、 16d)以及澄清方法 ,最后将果醋调配成果醋饮料。 3.2.3 微生物发酵法生产番茄红素

番茄中番茄红素的含量比较低，1kg新鲜的番茄大约可以提取到0.02g的番茄红素，因此天然提取法的价格昂贵，产率低，无法满足需求，而利用微生物发酵生产番茄红素一直是研究人员研究的方向。早在1963年就有专利报道Blakeslea tripora在培养基中发酵几天后得到0.0997g/L的番茄红素。

迄今为止，能够生产番茄红素的微生物有毛霉菌Muucorales fungi(Blakeslea,Choanephpra以及Phycomyces)等，特别是三孢布拉氏霉军（Blakeslea trispora）.另外一一些藻类如小球藻（Chlorella）、螺旋藻（Spirulina）等也能自身合成番茄红色。特别是随着基因技术的迅速发展，利用基因工程菌生产番茄红素成为研究的热点。

在植物、藻类、光合细菌及其他细菌中，链孢红素或番茄红色经过环化、甲基化、，加入不同的含氧基因以及加氢、脱氢等反应，可以合成不同的类胡萝卜素。但是如果加入特殊物质就可以阻断β-胡萝卜素生物合成途径中最后的二部环化反应，从而使番茄红素积累，从而增加番茄红素产量。三孢布拉氏霉菌发酵生产番茄红素时，加入d可使三孢子酸培养β-胡萝卜素合成抑制突变株的番茄红素产量增高2.8倍，而对于加入嘧啶使番茄红素得到积累的情况下，加入三孢子酸可使番茄红素产量提高6.8倍。

4.总结

随着生命科学的发展，发酵工程的应用领域也在不断的扩大。微生物发酵与人民的吃穿息息相关，同时与国家的节能减排大政方针密切联系，与国家的循环经济是分不开的。发酵技术随着时代的发展而不断向前发展，从传统的发酵工业到现代发酵工业，再到微生物工程，它不仅成为生物技术产业的重要支柱，而且和基因工程技术的结合使它如虎添翼。

参考文献

1.张叶叶.发酵工程在食品工业中的运用[J]中国市场，2013年，34：62-63

2.王立群.高盐稀态发酵酿造酱油的特点[J] 粮油加工与食品机械，2002年，10期：53-54

3.李珊珊. 桶内二次发酵法生产小麦啤酒的研究[J]山东轻工业学院，2009年：1

4.涂强. 甘薯发酵饮料的研制[J]华中农业大学，2009年：9-10页 5.薛永恒,刘邻渭. 猕猴桃果醋及其果醋饮料的研究[J]中国酿造，2001年，05期：23-24

6.Swarthout Eael J. Process for lycopene production, US 3097146,1963

7.Diez Garcia Bruno, Marcos Ana Teresa, Peiro Cezon Enrique et al. Lycopene production method, EP 1184464,2002

8.吴元峰、郑裕国，番茄红素的发酵法生产工艺研究进展[J]中国食品学报，2003增刊：414-415