发酵工程在功能性食品中的应用研究

冯源

（河北农业大学，河北保定 071000）

1 发酵工程的特征

发酵工程的应用使食品行业更加多样化。发酵工程的显著特征有：（1）原料在生活中常见，如糖类、淀粉、麦芽等；（2）几十个反应在发酵过程中可以一次性完成，并且能够在同一个设备中互不干扰[1]；（3）发酵过程主要是以生命体的自我调节进行的，产生的废料少；（4）发酵条件温和，对高温高压没有要求，从而减少了对能源的消耗；（5）发酵工程具有专一性，能利用微生物的某些特征精准地在特定的官能团做出反应[2]。

2 功能性食品的简述

功能性食品是具有特定的营养保健功能的食品，生物活性物质的含量明确，且不以治疗为目的适用于特定人群食用的食品。功能性食品必须满足以下三个要求：一是不以治疗为目的，并且不能取代药品在人类生活中治疗疾病的作用；二是针对特定人群研制的；三是必须无毒无害，符合食品安全法律法规[3]。

功能性食品的研制有待完善，因此发酵工程技术在功能性食品中的应用尤为重要。

3 发酵工程在功能性食品中的应用

3.1 开发真菌及真菌多糖

真菌的深层发酵在大型发酵罐中进行，在抗菌素发酵技术的基础上，不断调整培养基的种类和组成，通过优化发酵工艺，在短时间内得到大量大型真菌的菌丝体。真菌的提取方法有酶法、超声波法、热水提取法，其中超声波法操作简单，不需加热条件，耗时短，得率高。胡斌杰等[4]通过实验得出，超声波提取方法的最佳条件为：提取温度60 ℃，料液比1∶15，超声时间25 min，并发现多糖提取率较传统热水提取法提高30%以上。通过发酵工程得到的真菌菌丝体与传统的子实体在生理功能上很相似，用发酵工程开发真菌和真菌多糖，易于实现工业化生产，规模大，效益高[5]。

应用光谱分析法、化学分析法、核磁共振法和色谱分析法测定真菌多糖的化学结构及性质特征，其中包含所含单糖组成、碳链构象、分支结构及分子量。Shaoping Nie等[6]利用水解作用使多糖的糖苷键断裂，通过GC-MS法鉴定单糖组成。研究表明，应用高效液相色谱法测定单糖组成的前提是通过1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮进行柱前衍生化。真菌多糖在我国应用广泛，中国医学科学院药物研究所已经完成了人工发酵培养虫草菌工程，表明了发酵工程技术的重要地位和光明前景。

3.1.1 香菇多糖的提取

随着生物工程技术的发展，采用深层发酵技术短时间获得大量菌丝体，提取香菇多糖，有成本低、周期短的优点，易于大规模生产，解决了从子实体中提取多糖成分难度大、周期长、成本高等问题，发酵工程对香菇多糖的研究具有重要现实意义。

采用摇瓶培养研究香菇菌丝液体发酵的最适培养条件，利用超声波辅助水提取香菇多糖，香菇多糖的提取率最高可达12.5%。目前，我国学者研究了发酵因素对提取胞外多糖产量的影响，影响因素主要有乙醇浓度、醇沉时间和发酵液的pH。研究发现，液体发酵技术与固体栽培相比，具有周期短、产量大、成本低、产生的活性物质多等优点。故液体发酵法将会成为越来越多人研究的对象，同时带来社会效益。

3.1.2 灵芝多糖的提取

灵芝为属多孔菌科灵芝属，是我国应用历史悠久的药用真菌，具有较高的药用价值。研究表明，灵芝中最主要的活性成分是灵芝多糖，具有增加人体免疫力、抗病毒、抗衰老等多种功效。

液体发酵灵芝菌丝体是在适宜的培养基及培养条件下，通过液体深层发酵法培养的菌丝体[7]。液体深层发酵技术培养灵芝有两大优点：一是打破了固体栽培的局限性，在短时间内制备出大量的优质液体菌种，是一种产量高、周期短、成本低、适于工业化生产的生产方式[8]，便于工厂大规模生产；二是通过液体发酵法提取的灵芝菌丝体不仅含有灵芝多糖，还有大量有益的次生代谢产物，这些胞外活性物质可用于开发保健食品的研究，极大地推动了发酵工程在灵芝中的应用。

在现阶段我国加强在优良菌株的选育、培养基的筛选、优化培养条件和发酵工艺的改良方面的投入力度，提高了深层发酵的技术水平，为发酵工程在食品中的应用提供必要条件。

3.1.3 真菌多糖在酸奶中的应用

添加真菌多糖的风味发酵乳是近年来研制的一类新型的功能性乳制品。它是以鲜奶为原料，添加真菌多糖，如灵芝多糖、茶树菇多糖等，并通过发酵工程技术生产出食用菌多糖风味发酵乳[9]。刘丹等[10]分别对浸汁保健型酸奶和真菌粉凝固性酸奶的生产工艺进行优化，发酵工程在功能性乳制品行业的应用有了新的发展。通过对添加不同多糖酸奶的物化性质和感官指标进行对比评价，实现发酵工程对于真菌的开发。

3.2 发酵在超氧化物歧化酶（SOD）制备中的应用

超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是一种来源于生命体的活性物质，能消除人体在新陈代谢中产生的有毒物质，是清除自由基的首要物质，具有抗衰老的特殊效果和提高人体免疫能力的作用，可预防动脉粥样硬化、治疗心脑血管疾病及与放化疗结合治疗癌症等。

国内外众多学者从化学性质、制备工艺、药理作用等方面对SOD进行了深入的研究，并从多种生物组织中提取出SOD[11]。固定SOD的制备方法简单，活力稳定，既保持较高的自由基清除率，又提高了对环境的耐受性，利用发酵工艺制备SOD，安全性高，且避免了可能发生的交叉感染[12-13]，具有较大的开发前景。

3.3 微生物发酵在γ-亚麻酸的制备中的应用

γ-亚麻酸是人体必需的一种脂肪酸，具有明显的降血压、降低血清甘油三酯和胆固醇水平的功效。

真菌和微藻是γ-亚麻酸的最主要的微生物来源。与传统方法相比，发酵法生产的γ-亚麻酸比较纯净，故精制成本低得多，传统方法在植物油脂中提取的γ-亚麻酸中含有更多的其他类型的不饱和脂肪酸，且含量不稳定，用发酵法生产γ-亚麻酸时间短，培养简单，生长速度快，成本低，原料不受限制。所以微生物发酵法为高效率地制备亚麻酸提供了条件。

3.3.1 发酵法制备γ-亚麻酸的主要菌种

制备γ-亚麻酸的菌种主要有根霉、被孢霉、毛霉、小克银汉霉等。其中，霉菌是非常适合生产γ-亚麻酸的菌种原料，筛选适合的培养基和优化发酵条件是增加γ-亚麻酸产量的必要措施，适合菌种的选择和优良的发酵条件为大规模产业化生产γ-亚麻酸奠定了基础。

3.3.2 固体发酵法应用于制备γ-亚麻酸

固体发酵有低成本、低能量消耗的优点，可以为微生物的生长和代谢提供一定浓度的营养。固体发酵满足对γ-亚麻酸产量的需求的基础上，利用了工业废弃物，减少浪费，降低成本[14]。随着微生物发酵技术的不断发展，固态发酵这一酿造技术将在不饱和脂肪酸的生产制备中发挥更大的作用，使现代固态发酵的应用具有巨大潜能。

3.4 维生素的提取

维生素K2可促进骨组织内骨钙素（BGP）的合成，预防和治疗骨质疏松症，降低血压，同时还对肝癌和白血病有治疗作用。

研究发现纳豆芽孢杆菌的发酵过程中，合适的氮、碳源以及氮碳比对维生素K2发酵具有重要作用，通过优化纳豆发酵工艺条件，可以提高纳豆中维生素K2的提取量[15]，满足生物体新陈代谢和生理调节需要，进而达到补充天然维生素K2的目的。

此外，维生素B2可通过阿氏假囊酵母等微生物发酵产生；维生素B12主要通过黄杆菌、丙酸杆菌等细菌及灰色链霉菌等经培养发酵后分离精制而得；维生素C可以通过弱氧化醋酸杆菌、氧化葡萄糖酸杆菌及条纹假单胞菌通过一定的工艺发酵生产而得。

3.5 利用现代发酵工程完善传统发酵食品

采用现代发酵工程技术改革传统工艺的成果显著，例如运用吸附-包埋法固定微生物细胞技术改造传统啤酒，利用优选的菌种发酵酱油、黄酒、豆腐乳等，不仅可以缩短发酵周期、降低能耗、增加产量、提高设备利用率，而且可以起到一定改良产品风味和品质的效果[16]。日本通过利用纯种曲霉酱油酿造进行改造，显著提高了原料中蛋白质的利用率（高于85%）；此外，在现代发酵工程的基础上利用固定化醋酸菌酿造食醋，提高了醋化能力，缩短了发酵延缓期，从而降低了成本，对于食用醋行业的发展有重大意义。

4 结语

综上所述，发酵工程在功能性食品中的应用广泛，包括开发真菌及真菌多糖、超氧化物歧化酶的制备及γ-亚麻酸的制备、维生素的提取和完善传统发酵制品等。发酵工程技术可以应用于生活的方方面面，有广阔的前景。不仅要重视发酵工程技术的理论研究和实验研究，提高对发酵工艺的重视程度，更要注重发酵工程与功能性食品的结合，完善功能性食品开发的实际流程，实现我国食品的健康有序的发展。