微生物在食品加工中的應用

發布時間：2022-03-14所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要：微生物在食品加工中應用領域廣泛，列舉食品加工中主要應用的微生物，并對其在傳統發酵食品和現代食品加工中的應用進行綜述，表明微生物學的進步促進食品加工行業的發展。 關鍵詞：微生物;傳統;食品加工;現代;應用 微生物泛指所有看不見或看不清的微小生物，其中

　　摘 要：微生物在食品加工中應用領域廣泛，列舉食品加工中主要應用的微生物，并對其在傳統發酵食品和現代食品加工中的應用進行綜述，表明微生物學的進步促進食品加工行業的發展。

　　關鍵詞：微生物;傳統;食品加工;現代;應用

　　微生物泛指所有看不見或看不清的微小生物，其中包括細胞型的原核微生物、真核微生物以及非細胞型的病毒和亞病毒;具有個體微小、構造簡單、分布廣泛、種類復雜多樣、適應性強等特點;古今中外人們不斷通過實踐和總結，掌握了利用微生物進行食品加工的方法與技術，例如我國的制曲、釀酒技術等[1]。近現代隨著微生物學研究的不斷進步，發酵技術也得到了長足的發展，微生物在食品加工中的應用范圍也越發寬廣。目前食品加工中常用的微生物有細菌如乳酸菌和醋酸菌等，真菌如酵母菌和霉菌等。本文結合當前的研究進展，綜述了食品加工中常用的微生物及其在傳統發酵食品和現代食品加工中的應用。

　　1 食品加工中常用微生物

　　1.1 細菌

　　1.1.1 乳酸菌

　　乳酸菌(lactic acid bacteria，LAB)是革蘭氏陽性菌，可產生乳酸脫氫酶并發酵糖類從而代謝得到乳酸[1-2]。根據代謝產物中是否只含有乳酸將其分為同型發酵 LAB(如干酪乳酸菌、乳酸鏈球菌、鏈球菌等的代謝只有乳酸)和異型發酵 LAB(如明腸膜狀明珠菌、短乳桿菌、番茄乳桿菌等)[3];LAB 在食品加工中常用于生產發酵乳制品和發酵果蔬制品等，也可作為益生菌添加到食品中，增加特定功能。

　　1.1.2 醋酸菌

　　醋酸菌(acetic acid bacteria，AAB)是一類好氧型革蘭氏陰性菌的總稱，在有氧條件下能將糖類、乙醇氧化為醋酸及其他有機酸[4]。醋酸菌主要靠細胞膜結合酶來進行醋酸發酵，乙醇通過乙醇脫氫酶氧化轉化為乙醛，乙醛進而通過乙醛脫氫酶作用被氧化為醋酸;食品加工中常用的醋酸菌主要為醋酸桿菌屬[5]，廣泛用于發酵制備食醋、果醋飲料等系列產品。

　　1.2 真菌

　　1.2.1 酵母菌

　　酵母菌(yeasts)一般泛指可發酵糖類的各種單細胞真菌，主要存在于偏酸含糖的水生環境，屬于兼性厭氧菌;有氧條件下，酵母菌可將糖分解為二氧化碳和水;無條件下，可將糖分解為酒精和二氧化碳。很久前人類就將酵母運用于發酵酒類和面包。除此之外，酵母的自溶物也可以作為調味料添加到食品中，來改善食品風味，提高功能特性[6]。

　　1.2.2 霉菌

　　霉菌(moulds)是絲狀真菌的統稱，在食品加工中常用的有曲霉屬、根霉屬、毛霉屬、木霉屬等，通常將霉菌用作糖化劑。霉菌具有分泌多種酶的功能，分泌的蛋白酶能將蛋白質降解為小分子的多肽和氨基酸，糖化酶可將淀粉水解為單糖[7];霉菌在酒類、食醋、醬油、腐乳、醬類、大豆干酪等傳統食品的加工中應用較為廣泛。

　　2 微生物在傳統發酵食品中的應用

　　2.1 白酒

　　我國的酒文化歷史悠久、源遠流長，早在原始社會時期我們的祖先已經能夠進行簡單的釀酒活動，白酒的釀造是多種微生物共同發揮作用的復雜過程[8]。

　　酒曲中的霉菌以曲霉屬最常見，另外包括紅曲霉屬、根霉屬、木霉屬等，它們在白酒釀造過程中能夠產生淀粉酶、蛋白酶等功能性酶[9-10]。王鵬昊等[11]從不同來源的酒曲中分離出 30 株霉菌，并對其進行高產蛋白酶活和 α-淀粉酶的篩選鑒定，結果發現高產菌株與米曲霉同源性最高，從而為米曲霉在釀酒工業中的應用提供了參考。

　　細菌在白酒釀造中對風味化合物的產生有著極其重要的作用，如梭菌屬和芽孢桿菌屬的細菌。梭菌屬包括生長于厭氧環境中的 Clostridium kluyveri 和 Clostridium sp. BPY5 在濃香型白酒的釀造中分別參與了己酸和丁酸的合成，賦予了濃香型白酒的典型香氣[12-13]。羅建超等[14-15]從茅臺酒不同生產環節篩選出產香菌株如地衣芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等，發現發酵過程中芽孢桿菌是四甲基吡嗪的重要合成菌，從而對茅臺酒香味特征的形成起到重要作用。

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　　酵母是白酒生產中的重要功能性微生物，釀酒酵母在白酒的生產過程中主要的代謝產物是酒精，還可以產生多種萜烯類化合物[16]。除了釀酒酵母屬，其它酵母在白酒釀造中的作用也非常重要。Kong Y 等研究了清香型白酒發酵過程中酵母種屬的結構組成和風味物質的成分，鑒定出 8 種酵母可能與 58 種揮發性風味物質的形成存在相關性[17]。

　　2.2 食醋

　　食醋的釀造有著上千年的歷史，在傳統的釀造工藝中有著復雜的微生物，主要為霉菌、酵母菌、醋酸菌等微生物[18]。

　　霉菌在食醋的釀造中，通過功能酶的分泌將淀粉、蛋白質等大分子物質酶解為葡萄糖、氨基酸等小分子物質。食醋釀造過程中以淀粉質為主要原料時，需通過霉菌產生糖化酶將淀粉水解為糖，進而為酒精發酵以及醋酸發酵提供原料，米曲霉、黑曲霉是傳統食醋發酵的關鍵微生物，Machida M 等研究證實了米曲霉分泌酶的效率是影響食醋發酵生產的重要因素之一[19]。酵母菌在食醋的釀造中主要起到支撐酒精發酵的作用，缺氧的條件下分解糖產生乙醇，其產生的乙醇還可同經乳酸菌降解產生的乳酸合成為酯類，可提高食醋的風味[20]。隨著分子生物學的發展，科研工作者在傳統的食醋釀造菌群中發現了許多新酵母，并對其功能開展了相關研究。Solieri L 等在意大利的傳統釀造香醋菌群中發現了 2 株新酵母其對醋的香氣物質的形成有著重要作用[21]。醋酸菌是食醋釀造中不可缺少的菌株，Gluconacetobacter 和 Acetobacter 具有較強的醋酸耐受性，因此可以作為食醋生產的菌株。 Fukuyama H 等通過 PCR-RFLP 和 16SRNA 分離鑒定出傳統 葡 萄 醋 發 酵 中 的 醋 酸 菌 ，證 實 發 酵 過 程 中的主要菌種為 Gluconacetobacter 和 Acetobacter[22]。DE VERO L 等經過對意大利香醋中醋酸菌的多樣性進行分析，發現 Acetobacteraceti 和 Acetobacter pasteurianus 為意大利香醋中主要的醋酸菌。傳統的食醋發酵過程中，微生物群落結構復雜，其中有些重要功能的微生物如乳酸菌、芽孢桿菌等對食醋的風味也有著積極的影響。在食醋中含量最多的不揮發酸是乳酸，主要來源于乳酸菌。

　　2.3 發酵乳制品

　　乳制品在世界各國很受歡迎，甚至在一些國家和地區的人們飲食結構中占據著重要地位。常見的發酵乳制品有酸奶、干酪、酸性奶油等，乳制品一般以乳液為主要原料，通過乳酸菌發酵或者是乳酸菌和酵母菌共同發酵來制得。

　　乳酸菌在發酵乳制品中起著重要作用，它能夠分解乳糖產生乳酸及風味物質，還可以抑制霉菌生長，延長產品保質期，雙歧桿菌、鏈球菌、乳桿菌等為最常用的乳酸菌[23]。李博等[24]從 14 株益生乳桿菌中篩選出具有蛋白酶活、能夠分解花生蛋白且繁殖力強的干酪乳桿菌 05-20 和植物乳桿菌 fs-4，發酵花生酸奶產品的開發提供了依據。趙瑞香等[25]對嗜酸乳桿菌的生長能力、產酸能力、產香能力和蛋白質分解能力開展了相關研究，發現該菌株能夠使發酵乳有較高的營養價值并呈現良好的風味。近來研究表明某些酵母菌與乳酸菌共生發酵乳制品，具有不同程度的相互促進作用，其代謝產物能夠促進乳酸菌的生長，并且對特殊香味的提高有一定促進作用[26-27]。閆彬等[28]從酸馬奶中分離出一株乳酸菌與一株酵母菌，發現乳酸菌與酵母菌存在共生關系，混合菌種發酵可提升酸馬奶風味物質的產出率。

　　2.4 面食

　　面食一般是指以小麥磨成的面粉制成的食品，例如我國的饅頭和西方的面包等，歷史悠久，種類繁多，作為主食之一在人類生活中占據重要位置。一些面食在制作過程中需要加入酵母或相關發酵劑進行發酵，傳統發酵是利用酵母菌、乳酸菌等微生物的混合發酵，在現代食品的加工工業中主要是加入面包酵母進行發酵。

　　酵母對于發酵面制品是必不可少的，食品加工中常用的面包酵母有鮮酵母(壓榨酵母)、活性干酵母等，發酵過程中產生的二氧化碳可以使面團蓬松并增大體積，產生低分子有機酸、醇類等物質形成獨特的發酵風味[29]。張守文等[30]通過研究發現酵母種類以及發酵工藝對面包風味物質的形成和面包保鮮期的長短有很大影響。王剛等[31]從傳統食物重慶泡菜和揚州豆醬中篩選出 3 株產香酵母，經研究發現季也蒙畢赤酵母與市場上的活性干酵母混合發酵后可以改善面包風味。另外人們普遍認為，使用“酵頭”比使用活性干酵母制作饅頭的口感和風味更好，歸因于“酵頭”主要為酵母菌和乳酸菌的復合菌，且為互生關系，其代謝產生的某些有機酸可與酵母菌產生的醇、醛等相互作用，有利于特殊風味物質的形成。曹相輝[32]研究發現由酵母菌和乳酸菌共同發酵的饅頭比酵母菌單獨發酵的品質好,確定了釀酒酵母、副干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和異常漢遜酵母的菌種比例為 4 ∶ 2 ∶ 6 ∶ 1 時制得的饅頭品質最好。

　　2.5 醬類

　　醬類食品一般作為調味品被食用，在許多國家深受歡迎，我國飲食中更是離不開醬。發酵醬類主要有以豆類為原料的豆醬、以肉類為原料的肉醬、以小麥粉為原料的甜面醬、以魚蝦為原料的魚醬和蝦醬等，深受人們的喜愛[33]。以豆醬為例，豆醬生產中一般用的是霉菌，常用的有米曲霉和黑曲霉，可以分泌蛋白酶、淀粉酶等多種酶，促進后期酵母菌和乳酸菌的生長繁殖，使豆醬產生其特有的香味。劉瑩等[34]通過 4 種單一菌種發酵蠶豆醬發現米曲霉中性及堿性蛋白酶活性強，醬中氨基酸態氮含量高;黑曲霉酸性蛋白酶和淀粉酶活性強，醬中還原糖含量高;米曲霉發酵制得的醬色澤、風味最好，是制作蠶豆醬的良好菌種。研究發現豆醬發酵中應用較多的酵母菌是魯氏酵母，其耐鹽性強且有較強的產酒精能力。乳酸菌有利于豆醬風味物質的形成，能使豆醬著色，并可與酵母菌共同作用，其發酵產物可以與酵母菌的發酵產物結合，形成特有的醬香味。張巧云[35]從 4 個豆醬樣品中分離出不同菌株，通過研究發現豆醬發酵后期人工加入畢赤酵母和類腸膜魏斯氏菌能使豆醬風味得到明顯改善。

　　2.6 泡菜

　　泡菜是我國傳統發酵食品中的最為常見的蔬菜制品，制作原料選用新鮮蔬菜，經乳酸菌群和少量酵母協同發酵而成，產品具有價格低廉、酸鮮純正、開胃理氣的特點，很受消費者青睞。

　　生產泡菜的核心技術是乳酸菌的乳酸發酵，這是因為乳酸發酵不僅有利于保留蔬菜的營養成分和色澤，而且可以進一步豐富產品的感官品質和營養品質。乳酸菌在發酵過程中產生的有機酸(包括乳酸、丙酸、乙酸等)、氨基酸短肽、2-庚酮等風味物質能夠賦予泡菜柔和的酸味和清爽的口感。當前我國泡菜大多選用自然微生物發酵生產，該發酵方式易受環境條件影響，且發酵周期長、產品品質穩定性差，致使泡菜的標準化和規模化生產受到影響。純菌種發酵和直投式菌種發酵技術的進步為泡菜產業的發展提供了新的契機，泡菜的純菌種發酵可以認為的調控發酵條件，進而保證產品的品質和生產效率。Panda S H 等對紅薯采用乳酸菌純菌種發酵，所得產品的色、香、味評價均較高[36]。Gardner N J 等將植物乳桿菌、腸膜明串珠菌和乳酸片球菌復配后用于胡蘿卜、甘藍、甜菜、洋蔥等蔬菜的發酵，取得了良好的效果[37]。謝明勇團隊針對大宗果蔬的益生菌高效發酵關鍵技術開展了研究，解決了傳統發酵泡菜存在的食品安全問題，保證了產品質量的穩定性，使得泡菜的發酵周期大大縮短，提高了生產效率、降低了生產成本。

　　隨著國家和人們對產品安全和產品品質重視的提高，純菌種發酵蔬菜加工的產業化將是泡菜生產的趨勢。

　　3 微生物在現代食品加工中的應用

　　3.1 微生態制劑

　　隨著人類對微生物學的不斷研究探索，微生態制劑得到迅速發展，逐漸運用到食品、飼料、醫療等領域中。微生態制劑分為益生菌、益生元和合生元 3 種類型，應用的微生物主要有酵母菌、乳酸桿菌、雙歧桿菌等，由于具有增加腸道中有益菌、調節人體微生態平衡、增強機體免疫力、防止胃腸疾病等作用，微生態制劑在食品加工中的應用越來越廣[38]。以乳制品行業為例，益生菌乳制品有益生菌酸奶、益生菌奶粉和益生菌干酪等，益生元與合生元乳制品也擴展到奶粉和乳飲料等產品的生產中[39]。益生菌劑對人類健康的影響也是近來國際研究的熱點，LI J 等通過對患有肝癌的小鼠喂養益生菌劑 1 周后，研究發現小鼠的腫瘤重量和體積減少了 40 %[40]。

　　3.2 果酒

　　果酒是以水果為原料經釀酒酵母發酵釀制而成的低酒精度飲料酒。隨著社會的發展和人們生活水平的提高，現代的人們越來越注重生活品質。果酒因酒度低，含有較多的營養成分，對人體具有較好的保健作用，經常飲用能防止高血壓、動脈硬化、心腦血管疾病等，加之具有水果的果香和獨特的風味，故被廣大消費者所青睞。釀酒酵母在果酒的釀造過程中具有關鍵性的作用，酵母性狀的好壞對釀制果酒的口感和風味具有直接的影響，因此果酒酵母的篩選對果酒的生產有重要的影響。當前，葡萄酒酵母多被用于果酒的生產，致使產品品質較差，因此，篩選和馴化適合蘋果發酵的菌種至關重要。近年來，經過科研人員不斷深入研究，在果酒酵母選育方面取得了較大進步。 Okunowo W O 等[41]對 4 種不同來源酵母的發酵性能開展研究，得到一株發酵性能良好，產甲醇較低，適合臍橙果酒發酵的酵母。

　　3.3 果醋

　　果醋是以水果為原料利用現代生物技術經酵母菌酒精發酵和醋酸菌醋酸發酵而成的兼有營養及保健功能的新型液態食品[42-43]。果醋發酵條件溫和，能將水果中的大部分營養成分及活性物質保留，而且經微生物作用后營養成分和活性物質得以進一步豐富[44-45]。果醋發酵通常采用便于控制、發酵周期短的現代液態純種發酵技術，致使產品的風味較為單一。當前，相關的科研工作者依據傳統食醋釀造微生物多樣性的研究對混合菌液態發酵果醋的風味及品質開展了相關研究。田璐等以柿子加工副產物為原料，選配葡萄糖酸桿菌、植物乳桿菌和明串珠菌進行單一菌種和混菌發酵，所得果醋的柿香味和醋香濃郁、口感佳、品質優[46]。楊建紅等通過采用植物乳桿菌與酵母菌進行混菌酒精發酵，然后接入醋酸菌完成醋酸發酵，所得棗醋的柔和度、口感和風味均得到了較大提高[47]。

　　果醋的開發可以加速水果資源的深加工，緩解水果滯銷的問題。隨著人們物質文化水平要求的提高，果醋將越來越受到人們的喜愛。

　　3.4 益生菌發酵果蔬汁

　　益生菌發酵果蔬汁是以芒果、胡蘿卜、南瓜等多種果蔬為原料，以乳酸菌發酵為主。利用乳酸菌或復合菌進行復合果蔬汁的發酵也有相關的報道。選用益生菌作為發酵菌種，通過生物發酵技術開發具有特殊營養保健功能的發酵果蔬汁飲料，是果蔬深加工技術的延伸，不僅可以使果蔬制品的風味得到改善，果蔬制品的醫療保健作用得到增加，而且還豐富了果蔬制品的花色品種，解決制約果蔬加工產業發展的瓶頸問題。 德國、韓國、日本等一些國家都進行了發酵果蔬汁的研究與開發，尤其是日本，大力開發發酵果蔬汁市場，形成了良好的發展態勢。日本大冢制藥公司在 2001 年開發的“蔬菜的戰士”植物性乳酸菌發酵蔬菜汁飲料產品，因獨特的風味，豐富的營養，很受市場歡迎。2010 年，瑞典 Skane 公司推出了一 種益生菌果汁，有醫學證據表明其所含的益生菌能夠促進女性對鐵的吸收[48]。Yoon K Y 等將甘藍汁接種干酪乳桿菌、植物乳桿菌和保加利亞乳桿菌，于 30 ℃溫度下發酵 48 小時后，獲得了含有大量活性益生菌，并且可以緩解乳糖不耐癥的發酵甘藍汁[49]。Filannino P 等將植物乳桿菌接種于有機石榴汁，開發出一款風味和健康功效俱佳的發酵石榴汁產品[50]。

　　益生菌發酵蔬菜汁不僅可保留蔬菜本身的營養成分，而且經乳酸菌發酵，能夠增加一定的有益成分，具有特殊保健功能。乳酸菌發酵蔬菜汁飲料發展前景廣闊，不僅可增加飲料品種，對于促進蔬菜原料的深加工產業發展具有積極的意義。

　　3.5 益生菌發酵休閑食品

　　休閑食品屬于一種快速消費品，主要有谷物類制品、干果類制品、薯類制品等，制作工藝主要有造型、調配、油炸(烘焙、膨化)、噴霧等，很少有產品在加工工藝中涉及益生菌發酵。隨著益生菌研究的深入及在食品加工中應用的推廣，益生菌發酵休閑食品必將成為熱點。崔蕊靜等以大豆、花生為原料，開展發酵休閑食品加工工藝的研究，發酵后大豆休閑食品大分子蛋白被分解成小分子物質，產品的風味和營養價值均得到了較大提高[51-53]。

　　3.6 酶制劑

　　近年來，酶制劑工業發展迅速，利用微生物生產酶制劑已經得到廣泛應用和推廣。霉菌、細菌、酵母菌、放線菌等微生物在酶制劑的生產上均有應用。如利用枯草芽孢桿菌生產液化型淀粉酶;利用根霉、黑曲霉等生產糖化型淀粉酶，淀粉酶可用于麥芽糖、酒等食品的生產，使其質量更優。再有，利用黑曲霉、根霉、青霉、枯草桿菌、灰色鏈霉菌等可生產蛋白酶，蛋白酶可用于乳酪生產、啤酒去濁等[54]。另外利用微生物生產果膠酶、纖維素酶等酶制劑，大大提高了食品的品質。

　　4 結束語

　　微生物在食品加工中的應用極其廣泛，我們的日常生活及飲食離不開微生物。傳統發酵食品生產過程微生物種群多樣性，產品風味和營養豐富;現代食品加工行業對微生物應用的定向調控加強，對發酵制劑品質控制能力也得到了相應提升，發酵效率提升，產品的品質更加穩定。隨著微生物學的不斷發展進步和人類對微生物了解的不斷深入，微生物發酵食品開始轉向解明分子反應機理和發酵過程智能化控制;微生物已經不再局限于傳統發酵食品的加工，越來越廣泛地應用于微生物制劑、益生菌發酵產品、酶制劑等現代食品的研發過程中;隨著人們對微生物認識的加深以及現代食品加工技術的不斷向前發展，微生物對人類生活的影響將越發重要，新興的微生物產業以及研究方向的涌現也將會不斷推進其在食品加工中的應用。——論文作者：賈金滏1 ，楊立風2 ，劉光鵬2，*

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