发酵工程在农产品加工上的应用

杨淑芳

（天津市农业信息中心，天津　３００２０１）

摘　要：　发酵工程技术在农产品加工方面的应用越来越广泛，该文阐述了发酵工程的概念；论述了发酵工程在农产品加工方面的应用，提出了与生产实践相结合的实例；展望了发酵工程技术在农产品加工领域中的美好发展前景。

关键词：发酵工程；农产品加工

收稿日期：２００８－０４－０３

作者简介：杨淑芳（１９５６－），女，高级工程师，研究方向为农业信息。

发酵工程是现代生物技术的组成部分，是采用现代发酵设备，使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的产品。基因工程和细胞工程是生物技术的主要领域，是发酵工程、酶工程的基础；发酵工程和酶工程又是基因工程、细胞工程研究成果的实际应用，其中发酵工程占有重要位置。从生物工程的过程看，只有通过发酵工程，才能使由基因工程或细胞工程获得的某种目的菌种实现工业化生产，获得经济效益。可见，发酵工程是生物技术产业化的基础。生物技术中的基因工程、酶工程、单克隆抗体、生物量的转化等研究成果为发酵工程注入新的内容，使传统的发酵工艺焕发“青春”，赋予微生物发酵技术新的生命力，使微生物发酵制品不断增加，也使发酵工

程在制药业、食品工业和农产品加工业显示出强大的生命力。该文主要介绍发酵工程在农产品加工方面的应用。

１　发酵工程在甜高粱茎秆加工上的应用

随着经济和社会的高速发展，能源的需求量越来越大。在国际国内石油价格不断上涨的情况下，世界各国都在积极探索利用可再生能源发展可再生的石油替代燃料。甜高粱茎秆发酵制取燃料乙醇是目前生物质能领域的研究热点之一。试验研究表明，甜高梁每年的乙醇产量为６１０６Ｌ／ｈｍ２，而号称太阳能最有效转化器的甘蔗只有４６８０Ｌ／ｈｍ２，玉米为２３９０Ｌ／ｈｍ２。甜高梁光合效率为大豆、甜菜和小麦等作物的２￣３倍。在生物能源系统中，甜高粱是第一位竞争者，是世界公认的高能作物。甜高粱同普通高粱一样，每亩地也能产出２００￣５００ｋｇ的粮食籽粒，但甜高粱的精华在于它亩产４０００￣５０００ｋｇ、富含１８％￣２４％糖分的茎秆。巴西政府自１９７５年开始用甜高粱发酵生产酒精，并提出一项以甘蔗、木薯、红薯、甜高粱为原料发酵生产酒精替代汽油的计划。美国从１９７８年开始进行甜高粱发酵生产酒精的研究，美国能源部还将甜高梁列为制取酒精的主要作物，他们计划用甜高粱逐渐取代玉米生产酒精。从１９８２年开始，欧洲开展了甜高梁的研究，首先估价了甜高粱作为一种有潜力的工业和能源作物的可能性，并于１９９１年在欧共体内成立了甜高粱网，在不同国家分工开展甜高梁研究。Ｗｙｍａｎ　［１］就中国北方的

发酵工程在农产品加工上的应用

甜高梁茎秆发酵生产燃料酒精进行了经济预算，在原料、工艺、种植、人工等几个方面论证了中国甜高梁生产燃料乙醇的潜质，比美国更具优势。从能源安全和经济发展方面讲，甜高粱茎秆发酵制取燃料乙醇具有较为广阔的前景。目前甜高粱茎秆发酵生产燃料乙醇的工艺主要有两种：一是榨汁后对汁液进行液态发酵，是研究较为成熟的工艺；二是茎秆粉碎后进行固态发酵。

１．１甜高粱茎秆液态发酵

在液态发酵过程中，由于甜高粱汁液中氮源、无机盐含量不能满足酵母菌的需求，大多数研究者通过在汁液中添加氮源和无机盐来研究最佳的发酵工艺条件。从节省水资源、降低劳动强度和减少费用的角度考虑，液态发酵中高密度发酵更具竞争力。当可溶性固形物含量从１６ｇ／１００ｇ升高到３１ｇ／１００ｇ时，可节约５８．５％的用水，同时减少环境污染，提高设备利用率，而且高密度发酵可以增加发酵速率和酒精得率。Ｂｖｏｃｈｏｒａ［２］等研究了在甜高粱汁液和磨碎的甜高粱籽粒混合液中加入蔗糖（浓度３４ｇ／ｌ００ｍｌ混合液）进行高密度液态发酵，酒精的最大得率能达到１６．８％（ｖ／ｖ）。高密度液态发酵有利于提高从甜高梁茎秆汁液中获取燃料乙醇的收益。甜高梁茎秆汁液高密度发酵工业化生产往往采用固定化酵母发酵工艺，固定化技术应用于酒精发酵的机理是利用活细胞或酶的高度密集，从而比普通游离状态的细胞成倍地增长，加快反应速度、缩短反应周期和提高工作效率。载体内部的酵母受外界影响较少，并不断增殖向外扩散，载体内部一直保持原有品质，而且拥有较好的抗污染能力。从固定化入手来提高发酵强度是一种切实可行的方法。刘荣厚［３］等研究了在摇床和流化床反应器上进行固定化酵母汁液酒精发酵，取得了很好的效果，为燃料乙醇的发展提供了科学依据。

１．２甜高梁茎秆固态发酵

固态发酵是指培养基呈固态，含水量在６０％￣８０％之间，没有或几乎没有自由流动水状态下的一种或多种微生物发酵的过程。甜高粱茎秆固体发酵是借鉴传统的白酒固体生产工艺原理，结合甜高粱茎秆原料本身的特点，将甜高粱茎秆直接粉碎后进行发酵。这样可以节省榨汁的成本，另外固态发酵还具有需水量少、能耗小、产物浓度高、产生的废水少和运作费用低等优点。国内外一些学者进行了甜高粱茎秆固态发酵酒精的研究。陈洪章［４］等利用固态发酵酒精的工艺，用活化了的耐高温酿酒高活性酵母，确定了最优的发酵方案，将总糖含量为１３％，含水量约８０％的甜高粱茎秆在最佳优化条件下固态发酵２４ｈ，酒精得率达到０．２９８ｇ乙醇／ｇ甜高梁秆干料。１９９５年，Ｍａｍｍａ［５］等人利用Ｆｕｓａｒｉｕｍ　ｏｘｙｓｐｏｒｕｍ和Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ混菌糖化发酵甜高梁茎秆，先利用Ｆｕｓａｒｉｕｍ　ｏｘｙｓｐｏｒｕｍ产生的酶水解纤维素和半纤维素生成可发酵糖，再利用Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ发酵糖产生乙醇，乙醇得率在５．２￣８．４ｇ乙醇／１００ｇ新鲜甜高梁茎秆，得率的差异取决于不同时期收获的甜高粱茎秆的糖分组成不同。

甜高粱茎秆生产燃料乙醇具有原料可再生性、缓解大气污染和部分补充不可再生化石能源的优势，因此受到世界各国的关注，尤其在能源环境危机日趋加剧的今天，大力发展可再生能源已经成为人类谋求可持续发展的必然选择。生物质燃料乙醇产业将成为一个崭新的、规模巨大的“能源农业”领域。

２　发酵工程在饮料加工上的应用

２．１麦汁饮料

大麦在世界粮食作物中产量居第四位，仅次与小麦、水稻和玉米。以价格低廉、来源丰富的大麦为主要原料，生产乳酸发酵饮料，不仅增加了饮料的新品种，也为粮食转化增值开辟一条新途径。工艺流程：大麦→浸渍→发芽→干燥→粉碎→糖化→麦汁→加辅料调配→均质→灭菌→接种→无菌灌装→发酵→后熟→检验→成品。

２．２红薯饮料

用红薯与鲜奶配合发酵制成的红薯酸奶，有红薯的特有香味，还增加了酸奶纤维素、维生素和多种微量元素，减少脂肪含量，既可达到动植物营养互补，又能降低生产成本，是一种风味独特的滋补饮料。

２．３南瓜乳发酵饮料

南瓜乳发酵饮料是以南瓜汁、脱脂乳为主要原料，配以糖尿病患者专用的新型甜味剂－液体木糖醇及其他辅料，经乳酸菌发酵制成的一种新型保健饮品，尤其适合肥胖症、糖尿病患者食用。南瓜乳发酵饮料不但具有发酵乳的风味和营养保健成分，而且含有南瓜有效活性成分，具有降血糖、降血脂、改善胃肠功能等功效。

２．４向日葵籽乳酸饮料

向日葵籽仁中含蛋白质２１％￣３０％，氨基酸的含量有１７种之多，其中必需氨基酸有１１种。向日葵籽仁中含有较多的维生素Ｅ及铁、磷、镁等营养元素，特别是其所含不饱和脂肪酸－亚油酸，可溶解胆固醇，防止动脉硬化，减少心血管疾病，对人体有较高的营养保健作用。原料：向日葵籽、砂糖、奶粉、菌种（保加利亚杆菌、嗜热链球菌）。工艺流程：葵花籽→捡选→去壳→提取绿原酸→浸泡→磨浆→配料→均质→杀菌→过滤→冷却→接种→发酵→冷藏→成品。向日葵籽乳酸饮料乳白略带灰色，酸甜适中，有向日葵仁的特有香味。

２．５膨化玉米粉酸奶

玉米是一种含多种营养成分的高产经济作物，含有大量的氨基酸、脂肪和粗纤维。经挤压、膨化、粉碎后的玉米粉除以上特点外，由于采取了高温高压短时的加工方法，营养成分几乎未被破坏，原料经糊化处理后，更易消化吸收，挤压后的淀粉和蛋白质均易受酶作用而发生水解，产品口感细腻，风味好。以膨化后的玉米粉为原料，配以脱脂乳，用乳酸菌进行发酵制成膨化玉米粉乳酸发酵制品，酸甜适口，口感细腻，有乳香和玉米清香，含有大量对人体有益的活性乳酸菌。

２．６马铃薯醋的加工

在马铃薯汁制成的酒中加入醋酸菌种，进行醋酸发酵制成马铃薯醋母液，之后再将马铃薯醋母液中

添加蜂蜜、蔗糖、味素、乙基麦芽酚、饴糖、盐、香精及食用色素，最后添加矿化水基液将马铃薯醋母液调制成酸度为３．５％的成品醋，在醋中保留原有人体必需的多种元素，有和胃调中、健脾益气之功效；能

够改善肠胃功能，对胃溃疡、十二脂肠溃疡、慢性胆囊炎、痔疮引起的便秘均有一定的疗效；还有降低血液中的胆固醇，使血管有弹性，从而防止动脉硬化的功能。这种醋既能用于烹饪食品，又可加于水中饮用，为外观澄清透明，甘香浓郁，酸甜柔和，清爽可口的新型饮品及调味佳品。

２．７中华猕猴桃果醋

中华猕猴桃营养价值高，被誉为“水果之王”。中华猕猴桃果醋生产工艺流程：猕猴桃→洗净→粉碎→蒸煮→加麸曲→榨汁→果汁→加酒母→酒精发酵→加醋酸菌液→醋酸发酵→过滤→高温杀菌→装瓶→成品。

３　发酵工程在开发功能性食品辅料上的应用

３．１亚麻酸的制备

利用经筛选高含油的鲁氏毛菌、少根根菌等蓄

积油脂较高的菌株作为发酵剂，以豆粕、玉米粉、麸皮等作为培养基，经液体深层发酵法制备亚麻酸，与植物源相比具有产量稳定、周期短、成本低、工艺简单等优越性。

３．２有机微量元素

（１）富硒酵母：经研究发现酵母细胞对硒具有富集作用（吸收率约７５％），利用酵母的这一特点，在特定培养环境下及不同阶段在培养基中加入硒，使它被酵母吸收利用而转化为酵母细胞内的有机硒，然后由酵母自溶制得产品。富硒酵母９５％以上的硒是以有机硒的形式存在的。因此酵母是将无机硒转化为有机硒的安全有效载体。富硒酵母在国外已实现工业化并进入实用阶段。

（２）富硒红曲：中国食品发酵研究院和航天生物技术公司利用特殊的育种方式，在富硒培养基中培养出了具有降血脂、抗衰老的富硒功能性红曲。３．３超氧化物歧化酶（ＳＯＤ）

ＳＯＤ广泛存在于动植物和微生物中，目前国内ＳＯＤ的生化制品主要是从动物血液的红细胞中提取的。鉴于动植物特别是动物血液来源相对困难，而微生物具有可较大规模培养的优势，所以利用微生物发酵法制备ＳＯＤ将具有更大实际意义，能制备ＳＯＤ的菌株有酵母、细菌及霉菌。

３．４　Ｌ一肉碱

Ｌ－肉碱广泛存在于有机体组织内，是中国新批准的营养强化剂。传统的生产方法是化学合成法，如今开发了发酵法和酶法。利用根霉、毛霉、青霉进行固态发酵，在可溶性淀粉、硝酸钠、磷酸二氢钾和小麦麸皮组成的固体培养基中，２５℃培养４￣７ｄ，Ｌ－肉碱的产量为１２％￣４８％。

３．５微生物多不饱和脂肪酸

在许多微生物中都含有油脂，低的含油率２％￣３％，高的６０％￣７０％，且大多数微生物油脂富含多不饱和脂肪酸，有益于人体健康。当前，利用低等丝状真菌发酵生产多不饱和脂肪酸已成为国际发展趋势。在中国，武汉烯王生物有限公司目前已实现大规模生产富含花生四烯酸的微生物油脂。微生物油脂的应用已势不可挡，富含ＡＡ和ＤＨＡ的微生物油脂已在美国、日本、英国、法国等国上市。３．６功能红曲

功能红曲制造工艺为：将稻米清洗后用０．２％柠檬酸水溶液浸泡，蒸熟，冷却至４５℃，接种红曲霉，经发酵、干燥制成。功能红曲具有降血脂、降血糖的保健功能。红曲所含莫那克林Ｋ　（ｍｏｎａｅｏｌｉｎ　Ｋ）具有降低血清胆固醇的作用。

３．７乳酸菌

乳酸菌是一类以利用碳水化合物发酵产生大量乳酸的细菌。乳酸菌具有维持肠道正常菌群平衡，抑制腐败菌繁殖，防止有害物质产生，延缓衰老，抗肿瘤、降血脂、胆固醇，增强免疫力等保健功能。乳酸菌大多属于厌氧或兼性厌氧菌（如双歧杆菌），只能在无氧或少氧条件下生长，这给生产、包装、运输、存放带来不便。利用基因工程将ＳＯＤ基因和过氧化氢酶（ＣＡＴ）基因转人双歧杆菌中，获得耐氧的双歧杆菌菌株。３．８苹果酸

以黄曲霉ＨＡ５８００为出发菌株，用液化淀粉、脱脂玉米粉、葡萄糖、淀粉水解糖不同碳源、以玉米浆与硫酸铵配合氮源、无机盐类等原料直接发酵生产苹果酸。

３．９以纤维素为原料发酵生产乳酸

乳酸及其盐类可用于食品、医药、化工等行业。由于发酵法生产乳酸的原料为葡萄糖、淀粉等，但生产成本较高。因此。选择廉价、广泛的纤维素为原料生产乳酸成为研究热点之一。金滨锋等人［６］进行了利用硫酸、纤维素酶水解玉米芯发酵生产乳酸的研究。试验结果表明，纤维素酶水解产物葡萄糖含量高于硫酸水解的葡萄糖含量；还研究了以纯葡萄糖、含盐葡萄糖、玉米芯分别为底物发酵生产乳酸的过程．得到了以玉米芯为原料发酵生产乳酸产量相对较高的试验结果。

４　发酵工程在生产食品添加剂上的应用目前，利用微生物技术发酵生产的天然色素、天然新型香味剂等食品添加剂，正在逐步取代人工合成的色素和香精，这也是现今食品添加剂研究的方向。４．１单细胞蛋白（ＳＣＰ）的生产

由于微生物菌体的蛋白质含量高，一般细菌含蛋白质６０％￣７０％，酵母４５％￣６５％，霉菌３５％￣４０％。因此，它是一种理想的蛋白质资源。为了和来源于植

物、动物蛋白相区别，人们把微生物蛋白称作为单细胞蛋白（Ｓｏｌｅ　Ｃｅｌｌ　Ｐｒｏｔｅｉｎ，ＳＣＰ）。前苏联利用发酵法大量生产酵母，最高产量曾达到６０万ｔ／年，成为世界上最大的单细胞蛋白生产国。由于生产ＳＣＰ的微生物以酵母和藻类为主，也有采用细菌、放线菌和丝状真菌等，但现在许多国家都在积极进行球藻和螺旋藻ＳＣＰ开发，如美国、日本、墨西哥等国所生产的螺旋藻食品既是高级营养品，也是减肥品，在国际市场上很受欢迎。

４．２食品色素

（１）红曲色素：以大米为原料，利用红曲霉发酵生产红曲色素，这是目前最廉价的纯天然食用色素。

（２）虾青素：虾青素可由红发夫酵母发酵后分离、提取制得。它有极强的抗氧化性能，具有抑制肿瘤、增强免疫力等保健功能。

（３）类胡萝卜素：可利用三抱布拉霉和红酵母发酵后，分离、提取生产类胡萝卜素。

４．３味精

使用双酶法糖化发酵工艺取代传统的酸法水解工艺，可提高原料利用率１０％　左右，已广泛应用于味精生产。

５　展望

近十年来，以提供蛋白质、氨基酸、核苷酸、有机酸、微生物多糖、酒精、饮料、食品添加剂和工业用酶的生物技术产业，均以２０％的年增长速度递增，

Fermentation engineering in agricultural products processing application

Y ang Shufang

(Tianjin agricultural information center, Tianjin 300201, China)

Abstract: Fermentation engineering was abroadly applied to production of farm produce and livestock products, On the concept of the technology of fermentation engineering; Fermentation Engineering in the appli-cation of agricultural products processing and production by the practice of examples; the prospect of fermenta-tion engineering technology in the processing of agricultural products will further develop in the area prospects.

Key words: fermentation engineering; processing of agricultural products;

形成了以发酵法制造谷氨酸为代表的氨基酸工业，以发酵法制造柠檬酸为代表的有机酸工业，以发酵法酿酒的酒精工业和酵母制品工业，形成了中国具有相当规模的农产品加工领域的发酵工业体系。发酵工程在农业上的应用具有投资少、见效快、污染小等优点，开展发酵工程的应用一举多得。在一些发达国家，发酵工程已成为国民经济的重要支柱。中国地域辽阔，农副产品多，因此发酵工程的研究与应用将会有一个新的飞跃。

参考文献

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［２］　Ｂｖｏｃｈｏｒａ　Ｊ　Ｋ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔａｒｃｈｆｒｏｍ　Ｍｏｕｌｄ　Ｉｎｆｅｃｔｅｄ　Ｄｉｓｃｏｌｏｕｒｅｄ　Ｓｏｒｇｈｕｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＦｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，（１）：１１５－１１７．

［３］刘荣厚．甜高粱茎秆汁液固定化酵母酒精发酵的研究［Ｊ］．农业工程学报，２００５，（９）：１３７－１４０．

［４］陈洪章．现代发酵工程技术在食品领域的应用研究进展［Ｊ］．中国酿造，２００５，（１２）：２１－２４．

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［６］金滨锋．现代生物技术在食品工业中的应用［Ｊ］．生物技术世界，２００５，（８）：３６－３９．

［７］　黎大爵．甜高粱及其应用［Ｍ］．北京：　北京科学出版社，１９９２：１６１－２８９．

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