发酵技术在食品和农业方面的应用

2021-01-19蔺雯雯杨帆李亦非李沅依田裕加

生物化工 2021年2期

蔺雯雯，杨帆，李亦非，李沅依，田裕加

（中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670）

发酵是指借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体或者直接产物以及次级代谢产物的过程。我国在殷商时期开始酿酒，周朝开始酿造酱油，汉代开始制曲，北魏开始利用醋酸菌酶液酿醋。随着科技的发展，发酵的“潜在应用范围”逐渐被开发出来，并不再局限于简单的酿造，如今的发酵技术在食品、农业等多个领域中均有广泛应用。

1 发酵技术在食品方面的应用

1.1 发酵酿酒

北魏贾思勰所著的《齐民要术》中总结了我国古代劳动人民的酿酒发酵经验，表明我国在大约1 500年前就已经形成了较为完备的制曲酿酒体系。该体系从制曲季节、制曲原料的处理到控制制曲水分的标准和方法等多个方面均有一定的要求，以确保酿出优质的酒。我国从曲蘖酿酒发展而成的制曲酿酒法，既不同于地中海欧洲葡萄酒酿造技术，又区别于起源于古埃及的麦芽啤酒生产方法，所酿得的酒别有一番风味[1]。时至今日，我国的制曲酿酒方法仍在世界酿酒技术上占有一席之地。

但是，啤酒、白酒等酒精度较高的酒精饮品并不适合多数人，为扩大受众人群，低度数酒精饮料应运而生。以面包渣浸泡提取的面包液为原料，加入保加利亚乳酸菌、酵母菌等菌种混合发酵，发酵过程中控制发酵产生的酒精在千分之五左右，可以实现酒精含量只有1%左右，通过这种工艺制得的软饮料适合儿童等高度数酒精不耐受人群饮用。

1.2 新型发酵饮品

1.2.1 奶啤

发酵技术在饮品方面的应用发展迅猛，新型产品大量涌现。奶啤是二次发酵技术酿制的一种含适度二氧化碳、低酒精度、酸甜可口、营养丰富的新型健康乳制饮品，创新性地将啤酒和酸奶的香气有机地结合在一起，形成了“奶香槟”独特的香气和口感[2]，因其能够保持人体肠道内益生菌群的多样性，从而促进肠道蠕动，改善便秘症状。

1.2.2 无糖苏打水

“无糖专家”元气森林主打的0糖、0脂肪、0卡路里苏打气泡水，其碳水化合物主要来自赤藓糖醇，是通过微生物发酵法生产的糖醇，能量系数为0，深受减肥人士喜爱。

1.3 复合发酵果酒

果酒发酵不再选用单一原料，为追求更丰富的口感和营养价值，复合果酒逐渐发展起来。刘飞等[3]以红枣和新疆甘草为原料通过发酵工艺制得低酒精度的健康饮品，宋照军等[4]将高糖无花果和高酸山楂复配酿得果香馥郁、酸甜协调的果酒，申国霞等[5]将沙棘和冰白葡萄按照一定的比例搭配构成发酵基质酿造复合果酒。

1.4 新型发酵添加剂

肉制品加工中普遍使用的一种食品添加剂——亚硝酸盐可以抑制微生物尤其是肉毒梭状芽孢杆菌的生长，同时起着抑制氧化[6]、成色、呈味的作用，能够提高肉制品的感官品质。但是，亚硝酸盐会与食物中的氨基酸反应生成具有强致癌性的亚硝酸胺，过量食用亚硝酸盐会对人体产生危害，甚至引起急性中毒。随着生活水平的提高，人们对食品品质的要求也越来越高，绿色食品更受消费者青睐。发酵技术的产物作为新型添加剂替代化学合成型亚硝酸盐生产绿色腌肉制品已成为研究热点。王吉等[7]将发酵芹菜汁添加到调理猪肉饼中，测定贮藏过程中肉饼的亚硝酸盐残留量、生物胺、感官品质等多项指标，发现发酵芹菜汁在一定程度上可替代化学合成型亚硝酸盐并且能够使调理肉饼表现出较低的亚硝酸盐残留和较好的感官品质。

1.5 发酵酱、发酵醋

酱和醋是人们日常生活中不可或缺的调味品。传统的发酵酱多指以谷类、豆类为原材料，在适当的温度下经微生物发酵作用而成的半固态发酵食品。按照原料将发酵酱分为动物性原料酱（包括肉酱、鱼酱、虾膏等）和植物性原料酱（包括豆豉、豆酱、甜面酱、蔬菜酱、果酱等）[8]。醋作为中国各大菜系中最为传统的调味品之一，已有3 000年以上的历史。我国古代劳动人民以酒作为发酵剂来发酵酿制食醋。随着社会的进步和发展，制醋的原料也逐渐多样化。熊亚等[9]建立了桑葚-草莓复合果醋发酵动力学模型，李巧凤等[10]优化了甜柿果醋发酵工艺。

2 发酵技术在农业方面的应用

目前，“禁抗”“减抗”已成为养殖业发展的大势所趋，寻找可替代抗生素的新型添加剂或新型饲料已成为当前研究的主要课题。

2.1 发酵饲料

发酵饲料被认为是饲料“禁抗”后的最佳替代物，是利用微生物、复合酶为生物饲料发酵剂菌种，能够降低或消除饲料原料中的抗营养因子并产生一些酶类活性物质[11]，活菌含量较高，可以维持动物肠道内的微生态平衡，提高饲料转化率，增强免疫力的同时将大分子蛋白质分解为小分子肽类，是一种有利于动物吸收和利用的新型环保饲料[12]。王胜等[13]将生物发酵饲料添加到白羽肉鸡基础日粮中，发现生物发酵饲料可以明显改善白羽肉鸡的生长性能，提升其平均日增重，从而提升养殖的经济效益。

2.2 发酵技术在秸秆中的应用

我国是农业生产大国，农作物光合作用的产物有50%以上存在于秸秆中，但秸秆中粗纤维含量较高、粗蛋白含量较低且质地较粗硬，难以被动物吸收利用。大部分秸秆采用焚烧处理，不仅造成了生物资源的浪费，还会导致污染环境。发酵技术能够降低秸秆中的纤维含量，提高蛋白含量，从而提升其营养价值和饲用价值。桂蕴等[14]经试验分析得出发酵玉米秸秆可以提升肉牛的生长性能及肝、肾的代谢水平，从而提高养分消化率。

2.3 发酵技术将畜禽粪便“变废为宝”

随着我国农业的快速发展，养殖业规模化程度逐渐提高，统计数据显示，目前中国的畜禽粪年排放量达到近40亿吨，已成为生态环境的重要污染源之一。相关研究表明，发酵技术可以对畜禽粪便进行加工再利用，提升其利用率，从而提高经济效益、社会效益和生态效益。崔文正[15]设计了一种秸秆和粪便发酵及制作有机肥的一体化装置发酵技术，将多种功能集为一体，提高了制作效率。李奕等[16]发明了一种畜粪秸秆混合发酵沼气发电系统，实现了对畜禽粪便的环保利用。