發(fā)酵工程技術(shù)在食品開發(fā)中的應(yīng)用分析

引言：發(fā)酵工程技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用歷史悠久，為飲食多樣化做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對食品質(zhì)量的需求也在不斷提升。雖然傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)有著悠久的歷史，但通過引入現(xiàn)代化技術(shù)研究產(chǎn)物，可以為其注入新的活力，使其散發(fā)出獨(dú)特的發(fā)酵工藝魅力。這樣，微生物的發(fā)酵物品種類將更加豐富，發(fā)酵技術(shù)和生物技術(shù)也能完美結(jié)合，從而開發(fā)出一種全新的現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)，為微生物資源的開發(fā)和利用做好充分準(zhǔn)備。

一、當(dāng)前國內(nèi)外的發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

1.國內(nèi)發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀

發(fā)酵工程技術(shù)在食品開發(fā)中扮演著至關(guān)重要的角色。當(dāng)前，國內(nèi)外對發(fā)酵技術(shù)的研究與應(yīng)用呈現(xiàn)出多個(gè)方面的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人們對微生物資源的挖掘和利用日益深入。從傳統(tǒng)的酵母、乳酸菌到一些新型的發(fā)酵微生物，如益生菌、功能性微生物等，都在食品發(fā)酵中得到廣泛應(yīng)用。這一領(lǐng)域的不斷深入研究，為食品工業(yè)帶來了更多的選擇和可能性。

中國擁有悠久的發(fā)酵食品歷史，如醬油、豆豉、米酒等，這些傳統(tǒng)發(fā)酵食品不僅在國內(nèi)受到青睞，在國際市場也備受關(guān)注。我國致力于傳統(tǒng)發(fā)酵食品的保護(hù)與傳承，同時(shí)也不斷提高其生產(chǎn)工藝和質(zhì)量。隨著健康飲食理念的普及，功能性發(fā)酵食品備受青睞。我國在益生菌、醋酸菌等功能性微生物的研究與應(yīng)用方面取得了突破，推出了一系列具有益健康功能的發(fā)酵食品。這些食品不僅滿足了人們的口味需求，還有利于身體健康，受到了消費(fèi)者的歡迎。此外，我國在發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域加大了科技創(chuàng)新力度，并積極開展國際合作。與國外發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)交流，促進(jìn)了我國發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展與提升。這種國際合作不僅促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步，還有利于我國在全球市場的競爭力。

2.市場規(guī)模增長趨勢

根據(jù)行業(yè)報(bào)告和市場調(diào)研數(shù)據(jù)，全球發(fā)酵食品市場規(guī)模近年來持續(xù)呈現(xiàn)穩(wěn)健增長的趨勢。例如，根據(jù)Market Research Future的報(bào)告，2019年全球發(fā)酵食品市場規(guī)模約為2500億美元，并預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)以年均增長率約6%的速度增長。2019年，全球發(fā)酵食品市場規(guī)模約為2500億美元，而到2022年，該市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到2800億美元，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，將以年均增長率約6%的速度持續(xù)增長。這一增長主要受到消費(fèi)者對健康、美味和營養(yǎng)食品日益增長的需求驅(qū)動(dòng)。中國發(fā)酵食品市場在迅速增長，根據(jù)國內(nèi)行業(yè)報(bào)告顯示，2019年中國發(fā)酵食品市場規(guī)模約為8000億元人民幣，而到2022年已超過9000億元人民幣。預(yù)計(jì)未來幾年，中國發(fā)酵食品市場將保持高速增長。這一增長受到中國消費(fèi)者日益增長的收入、健康意識提升以及生活方式變化的影響。

除了傳統(tǒng)的醬油、酒類外，現(xiàn)代消費(fèi)者對健康和營養(yǎng)的追求推動(dòng)了更多類型的發(fā)酵食品的出現(xiàn)。例如，酸奶、發(fā)酵乳制品、發(fā)酵醬料、泡菜、酵素食品等新型發(fā)酵食品品類不斷涌現(xiàn)，并受到消費(fèi)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球超過75%的消費(fèi)者每天至少食用一種發(fā)酵食品，這顯示了發(fā)酵食品品類多樣化的受歡迎程度。美國、歐洲、亞洲等地區(qū)是全球發(fā)酵食品市場的主要消費(fèi)者和生產(chǎn)者。歐洲地區(qū)的發(fā)酵食品消費(fèi)水平領(lǐng)先，而美國的發(fā)酵食品市場規(guī)模較大。亞洲地區(qū)的市場增長速度較快，其中中國、日本、韓國等國家是亞洲發(fā)酵食品市場的主要增長引擎。

中國作為世界上最大的食品市場之一，在全球發(fā)酵食品市場中占據(jù)重要地位。中國市場的發(fā)展?jié)摿薮螅巳虬l(fā)酵食品生產(chǎn)商的關(guān)注和投資。隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和消費(fèi)升級，中國發(fā)酵食品市場有望繼續(xù)保持快速增長。

二、現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)

（一）菌種選育

在最初的發(fā)酵過程中，人們主要使用從自然環(huán)境中獲取的原始菌株進(jìn)行發(fā)酵，特別是在食品發(fā)酵領(lǐng)域。然而，這些自然菌株的生產(chǎn)能力有限，導(dǎo)致在大規(guī)模、高強(qiáng)度生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，成本較高且不太適合使用。在早期，由于對微生物的了解不足，菌種篩選主要依靠經(jīng)驗(yàn)，并對菌曲進(jìn)行保存和傳代。

隨著對微生物的深入了解，發(fā)酵工藝已發(fā)展到純種發(fā)酵階段。在深層發(fā)酵階段，大量的初級和次級代謝產(chǎn)物被合成，例如丙酮、丁醇、乙醇以及各種抗生素，為發(fā)酵工藝的發(fā)展打開了新的可能性。

（二）過程控制

溫度、pH值、溶氧量、OD值、轉(zhuǎn)速、壓力等多個(gè)因素的監(jiān)測構(gòu)成了全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為生物發(fā)酵過程提供了全面的監(jiān)測和調(diào)控。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)對環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括溫度、pH值、溶氧量等。這些參數(shù)直接影響微生物的生長和代謝過程。通過對這些數(shù)據(jù)的收集，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)酵環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保微生物菌種在最適宜的條件下進(jìn)行繁殖和產(chǎn)物生成。監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)追蹤發(fā)酵液中多種物質(zhì)的含量，如銨離子、金屬離子、甲醇、葡萄糖、乳酸、谷氨酸、乙醇等。這些物質(zhì)的濃度直接關(guān)系到發(fā)酵的效果和產(chǎn)物的質(zhì)量。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測這些指標(biāo)，系統(tǒng)能夠在發(fā)酵過程中進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，調(diào)整添加物質(zhì)的濃度。

尾氣檢測設(shè)備用于分析發(fā)酵過程中產(chǎn)生的尾氣，包括水分、氧氣和二氧化碳等濃度。尾氣分析為發(fā)酵過程的評估提供了重要數(shù)據(jù)，有助于了解微生物的代謝情況和發(fā)酵的進(jìn)行程度。通過對尾氣的監(jiān)測，系統(tǒng)可以及時(shí)調(diào)整通氣流量等參數(shù)，維持發(fā)酵系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)對生物反應(yīng)器中微生物生長速率等派生數(shù)據(jù)的計(jì)算。反饋操作系統(tǒng)利用解析后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)酵條件，包括溫度、轉(zhuǎn)速、流加速度和通氣流量等。

（三）分離技術(shù)

發(fā)酵液中產(chǎn)物的分離與純化是發(fā)酵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其成本約占總生產(chǎn)成本的20%，并對產(chǎn)品品質(zhì)有顯著影響。該過程包括破碎、離心、過濾、萃取、色譜分離、膜分離、濃縮、結(jié)晶、干燥、制劑等多種步驟，具體操作過程會(huì)根據(jù)產(chǎn)品類型進(jìn)行調(diào)整。在現(xiàn)代科技的推動(dòng)下，高性能材料如高分子材料在分離過程中得到廣泛應(yīng)用，如半透膜和色譜填料等。

三、現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)在食品研發(fā)中的應(yīng)用

（一）在傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品改良中的應(yīng)用

在食品研發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域，還可以將現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)用于對傳統(tǒng)發(fā)酵食品的改良，尤其是在釀造醬油、食醋以及酒精類產(chǎn)品的加工生產(chǎn)中。①對于醬油的釀造，可以利用曲霉發(fā)酵工藝來實(shí)現(xiàn)醬油釀造的改良，曲霉的使用能極大地提升原料中蛋白質(zhì)的利用率，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，使用曲霉后，原料中蛋白質(zhì)利用率能高達(dá)85%。②利用固定醋酸菌的方法進(jìn)行食醋釀造，不僅能顯著提升醋化能力，還能縮短發(fā)酵的周期，提高食醋的生產(chǎn)效率，降低釀造成本。

（二）在食品添加劑研發(fā)中的應(yīng)用

1、氨基酸

氨基酸是一種有機(jī)化合物，由具有堿性和酸性屬性的氨基和羧基組成。它是蛋白質(zhì)的基本組成成分，也是人體所需的重要營養(yǎng)素。

氨基酸碳鏈上的α-氨基酸能產(chǎn)生酸、甜、苦、鮮等多種風(fēng)味。在調(diào)味品中使用量最大的氨基酸是谷氨酸單鈉和甘氨酸。利用微生物發(fā)酵技術(shù)制備氨基酸，是一種有效的方法。如紅酵母菌種經(jīng)二次發(fā)酵可得到L-苯丙氨酸，而黃色短桿菌發(fā)酵得到的則是谷氨酸單鈉。另外，還可以通過工程菌培養(yǎng)獲得特異性氨基酸。與常規(guī)的化學(xué)合成法比較，微生物發(fā)酵具有高產(chǎn)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2、維生素

維生素是人體必需的微量營養(yǎng)素，需要通過飲食來攝取。在人類的生長發(fā)育及新陳代謝中扮演著關(guān)鍵角色。實(shí)際上，維生素是一種營養(yǎng)物質(zhì)，既不構(gòu)成人體細(xì)胞，也不提供能量。由于體內(nèi)無法自行合成維生素或僅能合成極少量，因此必須通過食物來源獲取，例如在食品的研發(fā)和加工過程中可以通過添加的方式來補(bǔ)充維生素。此外，我們也可以通過現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)來生產(chǎn)維生素。比如，用一種叫做阿氏假囊酵母類的微生物進(jìn)行發(fā)酵，就能夠生產(chǎn)出維生素B2；從黃桿菌、丙酸桿菌中分離純化可得到維生素B12；用弱氧化醋酸桿菌與氧化葡萄糖酸桿菌進(jìn)行發(fā)酵，可生產(chǎn)維生素C。

3、防腐劑

防腐劑是一種食品添加劑，可以阻止微生物的活動(dòng)，并保護(hù)食品免受微生物的侵害。它們通過破壞微生物的酶系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，抑制酶活性，從而防止食品的變質(zhì)。除這類防腐劑外，還含有苯甲酸、山梨酸等防腐劑，以維持食物的質(zhì)量和營養(yǎng)。防腐劑在食品工業(yè)中有著廣泛的用途。

4、核苷酸

核苷酸是一種關(guān)鍵的化合物，對能量代謝和人體免疫系統(tǒng)起著重要作用。采用發(fā)酵工程技術(shù)，可以通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)核苷和嘌呤核苷酸。比如，在發(fā)酵過程中，先用熱水將核酸提取出來，然后利用酶水解的方法得到腺嘌呤核苷酸和次黃嘌呤核苷酸。

（三）在單細(xì)胞蛋白研發(fā)中的應(yīng)用

研究表明，除植物和動(dòng)物蛋白外，還有一種微生物蛋白，叫做單細(xì)胞蛋白。其中，酵母蛋白、細(xì)菌蛋白和海藻蛋白被列為三大類。酵母蛋白質(zhì)的蛋白含量約為40%至60%，細(xì)菌蛋白質(zhì)的蛋白含量約為60%至70%，而藻類蛋白質(zhì)的蛋白含量可高達(dá)90%。特別是螺旋藻和小球藻，它們的蛋白質(zhì)含量非常豐富，富含人體所需的氨基酸和活性成分。為此，世界各國都在大力研發(fā)藻類食品。單細(xì)胞蛋白是一類重要的生物活性蛋白，它不僅可以用來制備人造肉類，而且由于其優(yōu)異的抗氧化性能，還可以被研發(fā)成嬰兒食品。另外，單細(xì)胞蛋白對食品的某些性質(zhì)也有一定的影響，如添加濃縮蛋白的活性酵母，可明顯改善食品的風(fēng)味，可作為食品增鮮劑使用。

（四）在保健食品研發(fā)中的應(yīng)用

保健食品，也稱功能性食品，是指具有健康保健功能或有助于人體獲取有益微生物的食品。保健食品市場隨著人們對健康意識的提高而迅速發(fā)展。為了保證保健食品的健康和安全，發(fā)酵技術(shù)被廣泛應(yīng)用于保健食品的研發(fā)中。

例如，研發(fā)類胡蘿卜素是一種利用發(fā)酵菌種獲得類胡蘿卜素的方法，這些微量元素對人體健康至關(guān)重要，具有抗氧化作用，還能增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。另一種方法是研發(fā)含有乳酸菌的食品，如酸奶、酸乳酪、乳酸發(fā)酵的果蔬汁及乳酸菌飲料等。補(bǔ)充乳酸菌可以改善腸道功能，保持腸道微生態(tài)平衡，減少有害菌的滋生。

四、發(fā)酵技術(shù)的升級與創(chuàng)新

（一）微生物菌種的篩選和改良

利用現(xiàn)代生物工程技術(shù)，科研人員通過高通量篩選等方法，能夠更加精準(zhǔn)地選取適應(yīng)發(fā)酵過程的微生物菌種?；蚓庉嫾夹g(shù)的廣泛應(yīng)用，如CRISPR-Cas9等，使科學(xué)家能夠直接修改微生物的基因，精確調(diào)控代謝途徑，提高菌株的發(fā)酵性能。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過基因編輯改良的酵母菌株在啤酒釀造中發(fā)酵效率提高了30%以上，同時(shí)在面包生產(chǎn)中也實(shí)現(xiàn)了更快速的發(fā)酵過程。

（二）發(fā)酵過程自動(dòng)化和精確控制

先進(jìn)設(shè)備如發(fā)酵罐和生物反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的自動(dòng)化和數(shù)字化監(jiān)控。數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)追蹤發(fā)酵參數(shù)，確保溫度、pH值、氧氣濃度等因素的精準(zhǔn)控制，提高了產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)化發(fā)酵系統(tǒng)的生產(chǎn)線相比傳統(tǒng)手工操作，產(chǎn)量提高了25%，同時(shí)減少了能耗和原材料浪費(fèi)。

（三）新型生物反應(yīng)器技術(shù)的應(yīng)用

柔性生物反應(yīng)器的采用成為發(fā)酵工程技術(shù)創(chuàng)新的亮點(diǎn)之一。其可變形的袋狀容器設(shè)計(jì)更好地適應(yīng)微生物生長的需要，提高了產(chǎn)物的純度和產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)中，采用柔性生物反應(yīng)器的工藝降低了操作難度，同時(shí)也帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，相比傳統(tǒng)生物反應(yīng)器，柔性生物反應(yīng)器可降低能耗20%，減少設(shè)備投資30%以上。

五、發(fā)酵技術(shù)在全球市場的探索

美國的發(fā)酵食品市場在2019年達(dá)到約450億美元，是全球發(fā)酵食品市場中的重要部分。這一市場規(guī)模的增長主要得益于消費(fèi)者對健康、美味和多樣化食品的需求。美國的發(fā)酵食品市場包括酸奶、酒類、泡菜等多個(gè)品類。其中，酸奶類產(chǎn)品占據(jù)了重要地位，市場份額超過30%。同時(shí)，釀酒產(chǎn)業(yè)也在美國具有重要地位，包括啤酒、葡萄酒等。歐洲地區(qū)的發(fā)酵食品市場在2020年達(dá)到400億歐元，是全球發(fā)酵食品市場中的重要一環(huán)。盡管市場規(guī)模相對穩(wěn)定，但其成熟度和品質(zhì)領(lǐng)先地位在全球范圍內(nèi)有著顯著影響。歐洲市場以酸奶、奶酪、腌制品等為主要產(chǎn)品。其中，法國、意大利等國家的奶酪制品享有盛譽(yù)，成為歐洲發(fā)酵食品市場的特色之一。亞洲地區(qū)的發(fā)酵食品市場增長速度較快，尤其是中國、日本、韓國等國家。中國作為亞洲乃至全球最大的食品市場之一，在發(fā)酵食品領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。以中國市場為例，中國的發(fā)酵食品市場規(guī)模已超過9000億元人民幣，并呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。除了傳統(tǒng)的醬油、豆腐等，新興的發(fā)酵食品品類也在中國市場迅速崛起，如酸奶、泡菜等。

全球范圍內(nèi)除美國、歐洲和亞洲，發(fā)酵食品市場也在其他地區(qū)有一定規(guī)模的存在，如拉丁美洲、中東和非洲等地。這些地區(qū)的市場規(guī)模雖然相對較小，但也在不斷發(fā)展壯大，受到消費(fèi)者的青睞。全球發(fā)酵食品市場呈現(xiàn)出多樣化、成熟化和增長態(tài)勢良好的特點(diǎn)。各地區(qū)市場有著不同的特色和發(fā)展趨勢，消費(fèi)者對健康、美味和營養(yǎng)食品的需求不斷增加，推動(dòng)了市場的持續(xù)發(fā)展。

六、結(jié)束語

總之，發(fā)酵工程技術(shù)作為一種重要的生物技術(shù)，已經(jīng)在食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)酵工程技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，為食品工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。今后，我們需要進(jìn)一步加強(qiáng)對發(fā)酵工程技術(shù)的研究和應(yīng)用，推動(dòng)食品工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://00559.cn/w/kj/30978.html