微生物在食品加工中的应用

贾金滏，杨立风，刘光鹏，*

（1.山东农业工程学院，山东德州251100；2.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南250014）

微生物泛指所有看不见或看不清的微小生物，其中包括细胞型的原核微生物、真核微生物以及非细胞型的病毒和亚病毒；具有个体微小、构造简单、分布广泛、种类复杂多样、适应性强等特点；古今中外人们不断通过实践和总结，掌握了利用微生物进行食品加工的方法与技术，例如我国的制曲、酿酒技术等[1]。近现代随着微生物学研究的不断进步，发酵技术也得到了长足的发展，微生物在食品加工中的应用范围也越发宽广。目前食品加工中常用的微生物有细菌如乳酸菌和醋酸菌等，真菌如酵母菌和霉菌等。本文结合当前的研究进展，综述了食品加工中常用的微生物及其在传统发酵食品和现代食品加工中的应用。

1 食品加工中常用微生物

1.1 细菌

1.1.1 乳酸菌

乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）是革兰氏阳性菌，可产生乳酸脱氢酶并发酵糖类从而代谢得到乳酸[1-2]。根据代谢产物中是否只含有乳酸将其分为同型发酵LAB（如干酪乳酸菌、乳酸链球菌、链球菌等的代谢只有乳酸）和异型发酵LAB（如明肠膜状明珠菌、短乳杆菌、番茄乳杆菌等）[3]；LAB在食品加工中常用于生产发酵乳制品和发酵果蔬制品等，也可作为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）是一类好氧型革兰氏阴性菌的总称，在有氧条件下能将糖类、乙醇氧化为醋酸及其他有机酸[4]。醋酸菌主要靠细胞膜结合酶来进行醋酸发酵，乙醇通过乙醇脱氢酶氧化转化为乙醛，乙醛进而通过乙醛脱氢酶作用被氧化为醋酸；食品加工中常用的醋酸菌主要为醋酸杆菌属[5]，广泛用于发酵制备食醋、果醋饮料等系列产品。

1.2 真菌

1.2.1 酵母菌

酵母菌（yeasts）一般泛指可发酵糖类的各种单细胞真菌，主要存在于偏酸含糖的水生环境，属于兼性厌氧菌；有氧条件下，酵母菌可将糖分解为二氧化碳和水；无条件下，可将糖分解为酒精和二氧化碳。很久前人类就将酵母运用于发酵酒类和面包。除此之外，酵母的自溶物也可以作为调味料添加到食品中，来改善食品风味，提高功能特性[6]。

1.2.2 霉菌

霉菌（moulds）是丝状真菌的统称，在食品加工中常用的有曲霉属、根霉属、毛霉属、木霉属等，通常将霉菌用作糖化剂。霉菌具有分泌多种酶的功能，分泌的蛋白酶能将蛋白质降解为小分子的多肽和氨基酸，糖化酶可将淀粉水解为单糖[7]；霉菌在酒类、食醋、酱油、腐乳、酱类、大豆干酪等传统食品的加工中应用较为广泛。

2 微生物在传统发酵食品中的应用

2.1 白酒

我国的酒文化历史悠久、源远流长，早在原始社会时期我们的祖先已经能够进行简单的酿酒活动，白酒的酿造是多种微生物共同发挥作用的复杂过程[8]。

酒曲中的霉菌以曲霉属最常见，另外包括红曲霉属、根霉属、木霉属等，它们在白酒酿造过程中能够产生淀粉酶、蛋白酶等功能性酶[9-10]。王鹏昊等[11]从不同来源的酒曲中分离出30株霉菌，并对其进行高产蛋白酶活和α-淀粉酶的筛选鉴定，结果发现高产菌株与米曲霉同源性最高，从而为米曲霉在酿酒工业中的应用提供了参考。

细菌在白酒酿造中对风味化合物的产生有着极其重要的作用，如梭菌属和芽孢杆菌属的细菌。梭菌属包括生长于厌氧环境中的Clostridium kluyveri和Clostridium sp.BPY5在浓香型白酒的酿造中分别参与了己酸和丁酸的合成，赋予了浓香型白酒的典型香气[12-13]。罗建超等[14-15]从茅台酒不同生产环节筛选出产香菌株如地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等，发现发酵过程中芽孢杆菌是四甲基吡嗪的重要合成菌，从而对茅台酒香味特征的形成起到重要作用。

酵母是白酒生产中的重要功能性微生物，酿酒酵母在白酒的生产过程中主要的代谢产物是酒精，还可以产生多种萜烯类化合物[16]。除了酿酒酵母属，其它酵母在白酒酿造中的作用也非常重要。Kong Y等研究了清香型白酒发酵过程中酵母种属的结构组成和风味物质的成分，鉴定出8种酵母可能与58种挥发性风味物质的形成存在相关性[17]。

2.2 食醋

食醋的酿造有着上千年的历史，在传统的酿造工艺中有着复杂的微生物，主要为霉菌、酵母菌、醋酸菌等微生物[18]。

霉菌在食醋的酿造中，通过功能酶的分泌将淀粉、蛋白质等大分子物质酶解为葡萄糖、氨基酸等小分子物质。食醋酿造过程中以淀粉质为主要原料时，需通过霉菌产生糖化酶将淀粉水解为糖，进而为酒精发酵以及醋酸发酵提供原料，米曲霉、黑曲霉是传统食醋发酵的关键微生物，Machida M等研究证实了米曲霉分泌酶的效率是影响食醋发酵生产的重要因素之一[19]。酵母菌在食醋的酿造中主要起到支撑酒精发酵的作用，缺氧的条件下分解糖产生乙醇，其产生的乙醇还可同经乳酸菌降解产生的乳酸合成为酯类，可提高食醋的风味[20]。随着分子生物学的发展，科研工作者在传统的食醋酿造菌群中发现了许多新酵母，并对其功能开展了相关研究。Solieri L等在意大利的传统酿造香醋菌群中发现了2株新酵母其对醋的香气物质的形成有着重要作用[21]。醋酸菌是食醋酿造中不可缺少的菌株，Gluconacetobacter和Acetobacter具有较强的醋酸耐受性，因此可以作为食醋生产的菌株。Fukuyama H等通过PCR-RFLP和16SRNA分离鉴定出传统葡萄醋发酵中的醋酸菌，证实发酵过程中的主要菌种为Gluconacetobacter和Acetobacter[22]。DE VERO L等经过对意大利香醋中醋酸菌的多样性进行分析，发现Acetobacteraceti和Acetobacter pasteurianus为意大利香醋中主要的醋酸菌。传统的食醋发酵过程中，微生物群落结构复杂，其中有些重要功能的微生物如乳酸菌、芽孢杆菌等对食醋的风味也有着积极的影响。在食醋中含量最多的不挥发酸是乳酸，主要来源于乳酸菌。

2.3 发酵乳制品

乳制品在世界各国很受欢迎，甚至在一些国家和地区的人们饮食结构中占据着重要地位。常见的发酵乳制品有酸奶、干酪、酸性奶油等，乳制品一般以乳液为主要原料，通过乳酸菌发酵或者是乳酸菌和酵母菌共同发酵来制得。

乳酸菌在发酵乳制品中起着重要作用，它能够分解乳糖产生乳酸及风味物质，还可以抑制霉菌生长，延长产品保质期，双歧杆菌、链球菌、乳杆菌等为最常用的乳酸菌[23]。李博等[24]从14株益生乳杆菌中筛选出具有蛋白酶活、能够分解花生蛋白且繁殖力强的干酪乳杆菌05-20和植物乳杆菌fs-4，发酵花生酸奶产品的开发提供了依据。赵瑞香等[25]对嗜酸乳杆菌的生长能力、产酸能力、产香能力和蛋白质分解能力开展了相关研究，发现该菌株能够使发酵乳有较高的营养价值并呈现良好的风味。近来研究表明某些酵母菌与乳酸菌共生发酵乳制品，具有不同程度的相互促进作用，其代谢产物能够促进乳酸菌的生长，并且对特殊香味的提高有一定促进作用[26-27]。闫彬等[28]从酸马奶中分离出一株乳酸菌与一株酵母菌，发现乳酸菌与酵母菌存在共生关系，混合菌种发酵可提升酸马奶风味物质的产出率。

2.4 面食

面食一般是指以小麦磨成的面粉制成的食品，例如我国的馒头和西方的面包等，历史悠久，种类繁多，作为主食之一在人类生活中占据重要位置。一些面食在制作过程中需要加入酵母或相关发酵剂进行发酵，传统发酵是利用酵母菌、乳酸菌等微生物的混合发酵，在现代食品的加工工业中主要是加入面包酵母进行发酵。

酵母对于发酵面制品是必不可少的，食品加工中常用的面包酵母有鲜酵母（压榨酵母）、活性干酵母等，发酵过程中产生的二氧化碳可以使面团蓬松并增大体积，产生低分子有机酸、醇类等物质形成独特的发酵风味[29]。张守文等[30]通过研究发现酵母种类以及发酵工艺对面包风味物质的形成和面包保鲜期的长短有很大影响。王刚等[31]从传统食物重庆泡菜和扬州豆酱中筛选出3株产香酵母，经研究发现季也蒙毕赤酵母与市场上的活性干酵母混合发酵后可以改善面包风味。另外人们普遍认为，使用“酵头”比使用活性干酵母制作馒头的口感和风味更好，归因于“酵头”主要为酵母菌和乳酸菌的复合菌，且为互生关系，其代谢产生的某些有机酸可与酵母菌产生的醇、醛等相互作用，有利于特殊风味物质的形成。曹相辉[32]研究发现由酵母菌和乳酸菌共同发酵的馒头比酵母菌单独发酵的品质好,确定了酿酒酵母、副干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和异常汉逊酵母的菌种比例为4∶2∶6∶1时制得的馒头品质最好。

2.5 酱类

酱类食品一般作为调味品被食用，在许多国家深受欢迎，我国饮食中更是离不开酱。发酵酱类主要有以豆类为原料的豆酱、以肉类为原料的肉酱、以小麦粉为原料的甜面酱、以鱼虾为原料的鱼酱和虾酱等，深受人们的喜爱[33]。以豆酱为例，豆酱生产中一般用的是霉菌，常用的有米曲霉和黑曲霉，可以分泌蛋白酶、淀粉酶等多种酶，促进后期酵母菌和乳酸菌的生长繁殖，使豆酱产生其特有的香味。刘莹等[34]通过4种单一菌种发酵蚕豆酱发现米曲霉中性及碱性蛋白酶活性强，酱中氨基酸态氮含量高；黑曲霉酸性蛋白酶和淀粉酶活性强，酱中还原糖含量高；米曲霉发酵制得的酱色泽、风味最好，是制作蚕豆酱的良好菌种。研究发现豆酱发酵中应用较多的酵母菌是鲁氏酵母，其耐盐性强且有较强的产酒精能力。乳酸菌有利于豆酱风味物质的形成，能使豆酱着色，并可与酵母菌共同作用，其发酵产物可以与酵母菌的发酵产物结合，形成特有的酱香味。张巧云[35]从4个豆酱样品中分离出不同菌株，通过研究发现豆酱发酵后期人工加入毕赤酵母和类肠膜魏斯氏菌能使豆酱风味得到明显改善。

2.6 泡菜

泡菜是我国传统发酵食品中的最为常见的蔬菜制品，制作原料选用新鲜蔬菜，经乳酸菌群和少量酵母协同发酵而成，产品具有价格低廉、酸鲜纯正、开胃理气的特点，很受消费者青睐。

生产泡菜的核心技术是乳酸菌的乳酸发酵，这是因为乳酸发酵不仅有利于保留蔬菜的营养成分和色泽，而且可以进一步丰富产品的感官品质和营养品质。乳酸菌在发酵过程中产生的有机酸（包括乳酸、丙酸、乙酸等）、氨基酸短肽、2-庚酮等风味物质能够赋予泡菜柔和的酸味和清爽的口感。当前我国泡菜大多选用自然微生物发酵生产，该发酵方式易受环境条件影响，且发酵周期长、产品品质稳定性差，致使泡菜的标准化和规模化生产受到影响。纯菌种发酵和直投式菌种发酵技术的进步为泡菜产业的发展提供了新的契机，泡菜的纯菌种发酵可以认为的调控发酵条件，进而保证产品的品质和生产效率。Panda S H等对红薯采用乳酸菌纯菌种发酵，所得产品的色、香、味评价均较高[36]。Gardner N J等将植物乳杆菌、肠膜明串珠菌和乳酸片球菌复配后用于胡萝卜、甘蓝、甜菜、洋葱等蔬菜的发酵，取得了良好的效果[37]。谢明勇团队针对大宗果蔬的益生菌高效发酵关键技术开展了研究，解决了传统发酵泡菜存在的食品安全问题，保证了产品质量的稳定性，使得泡菜的发酵周期大大缩短，提高了生产效率、降低了生产成本。

随着国家和人们对产品安全和产品品质重视的提高，纯菌种发酵蔬菜加工的产业化将是泡菜生产的趋势。

3 微生物在现代食品加工中的应用

3.1 微生态制剂

随着人类对微生物学的不断研究探索，微生态制剂得到迅速发展，逐渐运用到食品、饲料、医疗等领域中。微生态制剂分为益生菌、益生元和合生元3种类型，应用的微生物主要有酵母菌、乳酸杆菌、双歧杆菌等，由于具有增加肠道中有益菌、调节人体微生态平衡、增强机体免疫力、防止胃肠疾病等作用，微生态制剂在食品加工中的应用越来越广[38]。以乳制品行业为例，益生菌乳制品有益生菌酸奶、益生菌奶粉和益生菌干酪等，益生元与合生元乳制品也扩展到奶粉和乳饮料等产品的生产中[39]。益生菌剂对人类健康的影响也是近来国际研究的热点，LI J等通过对患有肝癌的小鼠喂养益生菌剂1周后，研究发现小鼠的肿瘤重量和体积减少了40%[40]。

3.2 果酒

果酒是以水果为原料经酿酒酵母发酵酿制而成的低酒精度饮料酒。随着社会的发展和人们生活水平的提高，现代的人们越来越注重生活品质。果酒因酒度低，含有较多的营养成分，对人体具有较好的保健作用，经常饮用能防止高血压、动脉硬化、心脑血管疾病等，加之具有水果的果香和独特的风味，故被广大消费者所青睐。酿酒酵母在果酒的酿造过程中具有关键性的作用，酵母性状的好坏对酿制果酒的口感和风味具有直接的影响，因此果酒酵母的筛选对果酒的生产有重要的影响。当前，葡萄酒酵母多被用于果酒的生产，致使产品品质较差，因此，筛选和驯化适合苹果发酵的菌种至关重要。近年来，经过科研人员不断深入研究，在果酒酵母选育方面取得了较大进步。Okunowo W O等[41]对4种不同来源酵母的发酵性能开展研究，得到一株发酵性能良好，产甲醇较低，适合脐橙果酒发酵的酵母。

3.3 果醋

果醋是以水果为原料利用现代生物技术经酵母菌酒精发酵和醋酸菌醋酸发酵而成的兼有营养及保健功能的新型液态食品[42-43]。果醋发酵条件温和，能将水果中的大部分营养成分及活性物质保留，而且经微生物作用后营养成分和活性物质得以进一步丰富[44-45]。果醋发酵通常采用便于控制、发酵周期短的现代液态纯种发酵技术，致使产品的风味较为单一。当前，相关的科研工作者依据传统食醋酿造微生物多样性的研究对混合菌液态发酵果醋的风味及品质开展了相关研究。田璐等以柿子加工副产物为原料，选配葡萄糖酸杆菌、植物乳杆菌和明串珠菌进行单一菌种和混菌发酵，所得果醋的柿香味和醋香浓郁、口感佳、品质优[46]。杨建红等通过采用植物乳杆菌与酵母菌进行混菌酒精发酵，然后接入醋酸菌完成醋酸发酵，所得枣醋的柔和度、口感和风味均得到了较大提高[47]。

果醋的开发可以加速水果资源的深加工，缓解水果滞销的问题。随着人们物质文化水平要求的提高，果醋将越来越受到人们的喜爱。

3.4 益生菌发酵果蔬汁

益生菌发酵果蔬汁是以芒果、胡萝卜、南瓜等多种果蔬为原料，以乳酸菌发酵为主。利用乳酸菌或复合菌进行复合果蔬汁的发酵也有相关的报道。选用益生菌作为发酵菌种，通过生物发酵技术开发具有特殊营养保健功能的发酵果蔬汁饮料，是果蔬深加工技术的延伸，不仅可以使果蔬制品的风味得到改善，果蔬制品的医疗保健作用得到增加，而且还丰富了果蔬制品的花色品种，解决制约果蔬加工产业发展的瓶颈问题。德国、韩国、日本等一些国家都进行了发酵果蔬汁的研究与开发，尤其是日本，大力开发发酵果蔬汁市场，形成了良好的发展态势。日本大冢制药公司在2001年开发的“蔬菜的战士”植物性乳酸菌发酵蔬菜汁饮料产品，因独特的风味，丰富的营养，很受市场欢迎。2010年，瑞典Skane公司推出了一种益生菌果汁，有医学证据表明其所含的益生菌能够促进女性对铁的吸收[48]。Yoon K Y等将甘蓝汁接种干酪乳杆菌、植物乳杆菌和保加利亚乳杆菌，于30℃温度下发酵48小时后，获得了含有大量活性益生菌，并且可以缓解乳糖不耐症的发酵甘蓝汁[49]。Filannino P等将植物乳杆菌接种于有机石榴汁，开发出一款风味和健康功效俱佳的发酵石榴汁产品[50]。

益生菌发酵蔬菜汁不仅可保留蔬菜本身的营养成分，而且经乳酸菌发酵，能够增加一定的有益成分，具有特殊保健功能。乳酸菌发酵蔬菜汁饮料发展前景广阔，不仅可增加饮料品种，对于促进蔬菜原料的深加工产业发展具有积极的意义。

3.5 益生菌发酵休闲食品

休闲食品属于一种快速消费品，主要有谷物类制品、干果类制品、薯类制品等，制作工艺主要有造型、调配、油炸（烘焙、膨化）、喷雾等，很少有产品在加工工艺中涉及益生菌发酵。随着益生菌研究的深入及在食品加工中应用的推广，益生菌发酵休闲食品必将成为热点。崔蕊静等以大豆、花生为原料，开展发酵休闲食品加工工艺的研究，发酵后大豆休闲食品大分子蛋白被分解成小分子物质，产品的风味和营养价值均得到了较大提高[51-53]。

3.6 酶制剂

近年来，酶制剂工业发展迅速，利用微生物生产酶制剂已经得到广泛应用和推广。霉菌、细菌、酵母菌、放线菌等微生物在酶制剂的生产上均有应用。如利用枯草芽孢杆菌生产液化型淀粉酶；利用根霉、黑曲霉等生产糖化型淀粉酶，淀粉酶可用于麦芽糖、酒等食品的生产，使其质量更优。再有，利用黑曲霉、根霉、青霉、枯草杆菌、灰色链霉菌等可生产蛋白酶，蛋白酶可用于乳酪生产、啤酒去浊等[54]。另外利用微生物生产果胶酶、纤维素酶等酶制剂，大大提高了食品的品质。

4 结束语

微生物在食品加工中的应用极其广泛，我们的日常生活及饮食离不开微生物。传统发酵食品生产过程微生物种群多样性，产品风味和营养丰富；现代食品加工行业对微生物应用的定向调控加强，对发酵制剂品质控制能力也得到了相应提升，发酵效率提升，产品的品质更加稳定。随着微生物学的不断发展进步和人类对微生物了解的不断深入，微生物发酵食品开始转向解明分子反应机理和发酵过程智能化控制；微生物已经不再局限于传统发酵食品的加工，越来越广泛地应用于微生物制剂、益生菌发酵产品、酶制剂等现代食品的研发过程中；随着人们对微生物认识的加深以及现代食品加工技术的不断向前发展，微生物对人类生活的影响将越发重要，新兴的微生物产业以及研究方向的涌现也将会不断推进其在食品加工中的应用。

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