瑞士乳桿菌發(fā)酵技術及其系列產品的工業(yè)化開發(fā)

1、瑞士乳桿菌發(fā)酵技術及其系列產品的工業(yè)化開發(fā)項目實施方案1研究目的、意義和必要性 （主要包括項目提出的背景和必要性，國內外現(xiàn)狀和技 術發(fā)展趨勢、市場需求分析，本項目在產業(yè)鏈發(fā)展中的地位與作用，說明項目產業(yè)化前景以及對相關技術與產品及其產業(yè)的帶動作用等）目前國外已經有多個特定保健功能的乳酸菌株被用于功能性酸奶的制造之中，提高了酸奶的保健效果。其保健功能主要包括抗高血壓功能，抗腸道感染，抗腹瀉，促進營 養(yǎng)物質的消化吸收、調節(jié)胃腸道功能，提高免疫系統(tǒng)功能。這些特定的保健功能基于對發(fā)酵菌株和配方的長期選擇，都具有動物實驗和人群觀察的深入研究基礎，因而得到廣 大消費者的信任，提高了酸奶的附加值，創(chuàng)造了良好

2、的社會效益和經濟效益。我國奶業(yè)生產各環(huán)節(jié)技術水平是限制我國奶業(yè)發(fā)展的關鍵制約因素。與發(fā)達國家相 比，我國乳制品的品種不多，在功能性產品，乳中生物活性物質的提取和乳制品的精深 加工、功能性發(fā)酵乳制品的開發(fā)更顯不足，但這些乳制品市場前景廣闊。我國在未來的乳制品生產中應進一步開發(fā)乳制品品種以適應不同消費者的需要，開發(fā)乳蛋白活性肽、 功能性發(fā)酵乳制品等品種。在開發(fā)功能性酸乳的過程中，乳蛋白肽引起了科學界和工業(yè)界的廣泛關注。法國某 公司制造了名為 ProdietF2000 的奶蛋白水解產物，包含有生物活性肽，具有緩解焦慮的特性。該產品能夠舒緩精神，安定情緒，有助于減輕焦慮所產生的后果。美國、日本及 歐盟

3、的許多國家如瑞士目前已有類似含有功能性短肽的酸奶產品在市場上銷售，得到了消費者的普遍認可。黑龍江儒泰生物工程有限責任公司開發(fā)生產的乳蛋白活性肽通過了 國家體育總局興奮劑檢驗中心的興奮劑檢測，可以用作運動員營養(yǎng)補劑和功能性營養(yǎng)成分。食用有關產品后在增強肌肉力量和快速恢復疲勞等方面產生明顯的效果，并對產品 進行了延緩衰老，免疫調節(jié)、降脂、降糖、術后康復等方面的臨床人群實驗。國內外的 研究和市場現(xiàn)狀表明，具有復合保健功能的發(fā)酵乳制品在我國具有極大的開發(fā)和加工潛 力。實驗證明保健酸乳的預防致癌物質引起的腸癌、降低血膽固醇含量、提高系統(tǒng)免疫 功能，減輕過敏反應等功能作用多與酸乳中生物活性功能肽具有密切的

4、關系。例如，以瑞士乳桿菌一一瑞士乳桿菌發(fā)酵的酸乳中含有l(wèi)ie-Pro-Pro和Vai-Pro-Pro短肽，互以輔助降血壓，緩解緊張，改善腦功能，提高記憶和學習能力，增加絕經期婦女血鈣濃度的多 種功能。血管緊張素 I 轉換酶（ Angiotensin I Conventing Enzyme ，ACE ），它可以切除 血管緊張素 I 的羧基端 His Leu 二肽，形成至今已知升高血壓活性最強的多肽 血管 緊張素 II ；而血管緊張素 I 轉換酶抑制肽（ ACEIP ）可以一定程度上抑制 ACE 的活性， 在人體中產生降血壓得作用。近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)一些發(fā)酵乳制品具有一定的降血壓 作用；而且目前

5、認為發(fā)酵乳的降血壓作用與發(fā)酵乳中的 ACE 抑制肽有關。 雖然乳酸菌的蛋白質水解酶系統(tǒng)較弱，但其胞外蛋白酶可限制性地水解乳蛋白質并將肽釋放于培養(yǎng)基 中。日本研究人員以瑞士乳桿菌發(fā)酵乳喂食小鼠， 試驗組較對照組 ACE 被抑制， 并提高 腦苷的水平，從而證明了瑞士乳桿菌的抑制到高血壓，提高記憶力的作用。美國醫(yī)學數(shù)據庫 MEDLINE 迄今收集了 357 篇與瑞士乳桿菌相關涉及基因工程，酶 學，營養(yǎng)學，工藝學的論文。 美國專利數(shù)據庫迄今授權了 210篇關于瑞士乳桿菌的專利，另外公開了 151 篇。兩大數(shù)據庫的文獻表明了國外科學家對于瑞士乳桿菌的研究興趣和 工程開發(fā)的步伐。芬蘭 VALIO 乳品公司

6、于上世紀末，投放了名為“ EVOLUS ”的含有瑞士乳桿菌的產品，經動物試驗和臨床試驗證明具有抑制血管緊張素酶（ACE ）的作用，可以緩解原發(fā)性高血壓，該產品被美國食品技術（Journal of Food Tech no logy專欄作者 評述為近年來的十大功能食品之一。 VALIO 乳品公司于 2003 年向我國推銷該產品的專 利使用權。日本 CALPIS 公司在國外開設 10 余家分公司制造以瑞士乳桿菌和酵母發(fā)酵的 乳制品。最近還推出了粉劑盒和片劑的瑞士乳桿菌產品。 現(xiàn)有 VALIO 、NESTLE 、CALPIS 等三家國外公司在我國獲得專利，但是各自使用的菌種和技術路線有所不同。我國高

7、校如天津科技大學和萊陽農學院等從 2002 年開始研究瑞士乳桿菌發(fā)酵乳的 生理功能，開發(fā)功能性乳制品。天津科技大學趙征、王艷萍等從民間酸乳中分離了一株瑞士乳桿菌，命名為TUST-005，該菌種已經得到了中國科學院微生物研究所的鑒定。趙征等在完成天津市自然科學基金項目“功能性奶酪的開發(fā)與應用”中應用瑞士乳桿菌， 制作硬制干酪和新鮮軟質干酪，并用以發(fā)酵乳清，在試驗中，通過多種方法降低瑞士乳桿菌的產酸能力，而保持其蛋白酶的活性，改進了產品的感官品質和功能作用。其中通 過噴霧干燥改造瑞士乳桿菌的方法經國內查新檢索，未見相近的報道。申報了“具有抑制血管緊張素轉化酶功能的新鮮干酪及其制備方法” 、“具有酪

8、蛋白磷酸肽和血管緊張素 抑制肽的乳清飲料及其制備方法”等四項國家發(fā)明專利。天津科技大學就瑞士乳桿菌的 開發(fā)形成了從菌種、應用、功能檢測比較完善的研究體系和放大試驗的能力。在全國范圍內，功能性酸奶將是開發(fā)重點，在未來幾年中乳品企業(yè)將進入功能性酸 奶的生產階段。工業(yè)化開發(fā)瑞士菌酸乳已經成為我市乳品加工業(yè)主動參加全國乳業(yè)競爭的當務之急。本實施方案提出分別以牛乳為原料，以瑞士乳桿菌為發(fā)酵劑，工業(yè)化開發(fā)功能性酸乳、制品及瑞士菌發(fā)酵劑，為市場提供一系列具有顯著保健功能、合理性價比的功能性發(fā)酵乳制品。本項目將有助于構建我市奶業(yè)科技創(chuàng)新體系與現(xiàn)代奶業(yè)產業(yè)化生產模式，提升我市奶業(yè)科技創(chuàng)新能力，提升我市乳品加工業(yè)

9、的核心競爭力，推動我市奶業(yè)優(yōu)質高效發(fā)展。參考文獻1Maeno M. Identification of an antihypertensive peptide from casein hydrolysates produced by aproteinase from Lactobacillus CP790. Journal of Dairy Science; 79 （ 8） 1316 -1321. 19972Seppo L, The effect of a Lactobacillus LBK 16 H fermented milk on hypertension, study on human

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15、發(fā)的具體內容及其要點）1）瑞士乳桿菌發(fā)酵劑制備技術改造瑞士乳桿菌菌種，降低產酸能力，保持或提高蛋白酶的活性，優(yōu)化培養(yǎng)和冷凍干燥的條件，分別制備噴霧干燥和凍干的菌種，在所開發(fā)的產品中評價菌種的性能和可 靠性，為工業(yè)化生產奠定基礎，設計批產 1000g 菌種的生產線。2）瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳制造技術應用改造的瑞士乳桿菌，開發(fā)制造瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳的新技術，制造酸乳和新鮮干酪；檢測功能性肽，通過體外實驗和動物實驗證明產品增加骨密度，輔助降血壓功能 的功能性；設計日產 3 噸產品的生產線。2） 瑞士乳桿菌發(fā)酵乳保健功能的評價技術利用瑞士乳桿菌等發(fā)酵高濃度濃縮，制造含有功能性肽、胞外多糖和低聚半乳糖等的功

16、能飲料，檢測功能性成分，通過動物實驗證明產品的功能性。3研究目標 （包括總體目標、實施年限和進度安排、考核指標等）（1）總體目標完成批處理 1000L 的發(fā)酵乳試驗。為工業(yè)化生產制備菌種,完成工業(yè)化生產線的設 計。為消費者提供接受性良好，保健功能顯著，價格性能比合理的乳制品。2）技術經濟指標 技術指標瑞士乳桿菌發(fā)酵乳和瑞士乳桿菌發(fā)酵及其干燥產品符合相關的國家標準和行業(yè)標 準。經動物試驗，表明具有增加骨密度，緩解原發(fā)性高血壓的作用。凍干發(fā)酵劑：活菌數(shù)109/mL,保存期-18C下1年。 經濟指標以當前酸乳的經濟指標估算瑞士乳桿菌發(fā)酵系列產品,其經濟指標為：年產值 2700 萬元,利稅為 990萬

17、元。生產線投資 1000萬元, 1 .5年可以回收投資。3）考核指標以三批 1000L 中試合格產品，根據以上技術指標和經濟指標申請省部級成果鑒定； 申請國家發(fā)明專利 3項；在核心期刊發(fā)表 4 篇論文，其中國際刊物 1 篇。4）實施年限和進度安排 實施年限2006年4月 2009年 4月 進度安排2006.4-2006.12: 進行菌種干燥試驗，進行 1000L 酸乳發(fā)酵試驗、 1000L 新 鮮軟質干酪發(fā)酵試驗；2007.1-2007.6: 功能性酸乳和新鮮干酪的分析檢驗；發(fā)酵劑實驗室試驗；2007.7-2007.12: 發(fā)酵酸乳和新鮮干酪的功能評價；發(fā)酵劑擴大試驗與應用；瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳

18、和新鮮干酪產品生產線設計；2008.1-2008.6:生產線改造；2008.7-2008.12:試產；2009.1-2009.4:總結、驗收、鑒定。4需要解決的關鍵技術問題和創(chuàng)新點 （包括主要技術特點、創(chuàng)新點，需要解決的 技術問題、能形成的知識產權情況等）1）主要技術特點 應用具有保健功能的瑞士乳桿菌， 在發(fā)酵牛乳過程中賦予制品以增加骨密度， 輔 助降血壓的保健功能； 運用改造的瑞士乳桿菌，減少乳酸的生成，改善產品的感官品質； 噴霧干燥的瑞士乳桿菌發(fā)酵乳制品，為擴大產品銷售范圍創(chuàng)造條件； 制備各產品所需的凍干菌種或噴霧干燥的菌種，為工業(yè)化創(chuàng)造必要的條件。2）創(chuàng)新點和需要解決的問題 改造瑞士乳桿

19、菌，降低產酸能力，保持蛋白酶活性； 優(yōu)化瑞士乳桿菌的發(fā)酵技術，制造具有增加骨密度，輔助降血壓的功能食品； 主要需要解決的問題：建立識別酸乳和新鮮干酪中短肽的方法。3）專利和知識產權本項目擬就以下方面申報中國專利： 具有增加骨密度，輔助降血壓功能的酸乳及其制備方法； 具有增加骨密度，輔助降血壓功能的新鮮干酪及其制備方法； 制備低產酸能力的瑞士乳桿菌發(fā)酵劑的方法在本項目立項前形成的專利權屬于天津科技大學，天津海河乳業(yè)有限公司具有使用 權。在本項目執(zhí)行過程中形成的知識產權由雙方申請專利。5. 研究方法和工藝技術路線(盡可能清楚地敘述研究的具體方法和技術路線，包括實驗方法、技術原理、工藝路線及其可行性

20、分析等)(1)困種改造和發(fā)酵劑制備本項目從通過培養(yǎng)過程的代謝調控，調節(jié)乳酸菌糖代謝途徑，限制或減少乳酸的形 成；結合化學中和培養(yǎng)法，解除代謝產物乳酸對乳酸菌生長的抑制，從而實現(xiàn)乳酸菌的 快速生長和高濃度培養(yǎng)。通過噴霧干燥和冷凍干燥制備，制備干粉發(fā)酵劑。在干燥過程 中改變工藝參數(shù)，降低產酸能力，并保持蛋白酶的活力。(2) 瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳和新鮮軟質干酪研究利用瑞士菌發(fā)酵制品的內在機理、工藝路線及加工參數(shù)，在小試的基礎上分別 進行50L、1000L的功能性乳制品的放大試驗和中試，確定工業(yè)化生產的具體方案和各 種參數(shù)及方法。瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳工藝流程牛乳-殺菌冷卻-接種培養(yǎng)-調味-包裝-功能性酸乳

21、-冷藏噴霧干燥-酸乳粉瑞士乳桿菌發(fā)酵新鮮干酪工藝流程牛乳或復原乳-增濃-殺菌冷卻-灌裝-接種H加酶-灌裝-培養(yǎng)-新鮮干酪-冷藏(3) 瑞士菌發(fā)酵乳制品中的功能性物質的分析與檢測應用酶技術、膜分離技術，凝膠過濾，分離濃縮發(fā)酵乳中的短肽，利用高壓液相色 譜、色質聯(lián)用、氨基酸分析儀等技術識別短肽的結構。(4) 瑞士菌發(fā)酵乳制品中的保健功能評價體外需血管緊張素轉化酶抑制作用的測定：根據馬尿酸組胺酰亮氨酸( HHL在IC50) 0定條件下經血管緊張素轉化酶的作用生成馬尿酸的原理，用過馬尿酸的生成量間接測 定ACE勺活力大小，測定血管緊張素轉化酶抑制肽的活性及其半抑制濃度( 輔助降血壓作用的動物試驗：根據

22、我國衛(wèi)生部批準保健食品的功能測定方法進 行。 增加骨密度作用的動物試驗：根據我國衛(wèi)生部批準保健食品的功能測定方法進 行。6. 總經費預算、資金籌措方式及來源（包括項目總投資概算、新增資金籌措及來源、資金使用計劃等）經費預可算（單位：萬元）經費來源預算金額其中2006 年2007 年2008 年來源合計140605525國家部委撥款0000其市財政撥款3015105區(qū)縣財政配套0000主管部門配套0000中單位自籌110454520銀行貸款0000其它0000經費支出預算金額其中市財 政撥款計算依據經費總額14030人員費390設備費4214購置設備儀器及其他資產明細見附表能源材料費145購買牛

23、乳等原料，購買菌種、試劑、動物其試驗外協(xié)費356評價二項功能，每項17.5萬元租賃費00差旅費31.5考察調研0.2萬元/次人會議費3參加全國會議4次,國際會議2次中國際科技合作經費00貸款貼息費00管理費1.51.5單位管理費總額的5%期初運行費00其它費用2.51申請專利、發(fā)表論文特別說明：7. 預期的經濟、社會效益分析及成果應用、產業(yè)化銜接情況（包括產品成本分析、產品單位售價與盈利預測、經濟效益分析、項目投資評價、社會效益分析、轉化和產業(yè)化安排等）本項目的經濟效益分析見表7-1。表7-1項目經濟效益分析產品年產量/噸出廠價/萬元/噸年產值/萬元利稅率利稅萬元/年投資/萬元瑞士菌發(fā)酵酸乳2

24、0000.6120020%240500瑞士菌發(fā)酵新鮮奶酪10001.5150050%750500合計300027009901000消費者對于酸乳制品的營養(yǎng)價值已有基本的了解，逐漸喜愛酸乳的感官品質，形成了分布在各年齡段的消費群體。具有輔助降血壓、增加骨密度的功能乳制品在國內尚屬空白。隨著收入的提高，消費者對于酸乳11.2元/包裝的價位具有較好的承受能力。消費者對于功能性食品亦有一定的認識，期待具有保健功能又具有食品基本形態(tài)的功能食品的問世。這些都是瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳的工業(yè)化開發(fā)的有利條件。生產具有增加骨密度、輔助降血壓作用的乳制品將填補我國同類市場的空白，該類產品將會得到具有保健意識的中老年消

25、費群體的歡迎。該產品具有進一步開發(fā)的潛力，如改善記憶力、提高學習能力、緩解精神緊張、提高免疫力等功能，有望擴大消費者范圍。 本項目以產學研合作的方式共同研制和開發(fā)，做到科研能力和生產能力有機結合，加快了科研成果產品的向生產的轉化，縮短了產品的產業(yè)化進程。本項目擬形成瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳2000噸/年、瑞士乳桿菌發(fā)酵新鮮干酪 1000噸/年的生產能力。在全國和我市酸乳市場容量中的比例很小，通過積極的宣傳，可以獲得應有的市場份額。瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳及制品將會得到中、 老年消費者的歡迎。該項目年產酸乳產品2000噸，年產值為1200萬元，年利稅240萬元；項目投資為500萬元；年產新鮮軟質干酪產品10

26、00噸，年產值為1500萬元，年利稅750萬元；項目投資為500萬元；投資合計1000萬元。在銷售正常的情況下，預計1.5年可以回收投資，應該指出的是本方案所安排生產能力偏小，尚屬市場試驗的水平，如果能夠順暢銷售，應該盡快擴大生產規(guī)模，創(chuàng)造更大的經濟效益。8風險分析 （包括技術、人員、市場、政策和項目承擔單位等方面）1）技術風險現(xiàn)已完成瑞士乳桿菌酸乳和新鮮干酪的試驗，具備發(fā)酵酸乳核制造新鮮軟質干酪的 經驗。掌握測定短肽的方法及 ACE 抑制活性體外實驗的方法。短肽的分離與識別需要多種儀器和設備，部分檢測需要外單位協(xié)作解決，其檢測方 法的確立需要深入研究。評價 “增加骨密度、 輔助降血壓”動物實

27、驗的方法還有待掌握。2）市場風險瑞士乳桿菌發(fā)酵乳制品上市需要消費者的認同，需要一定的市場運作時間和過程， 特別是新鮮乳制干酪屬于高檔產品，價格較高，存在一定的市場風險。本課題組內包括 負責市場開發(fā)的經營管理人員， 同時在項目進行的主要階段都要進行專業(yè)化的市場咨詢， 以保證技術開發(fā)與市場運作的密切結合。9研究工作基礎條件 （主要包括現(xiàn)有技術和工作基礎、具備的條件、國內外的專 利情況、研究隊伍和產學研情況、是否取得小試成果或已通過鑒定、市科委前期資助情 況等）本項目的前期工作得到了 2004年天津市科委面上項目 “功能性奶酪系列產品的開發(fā) 與研制”和天津科技大學 2004年重點科研基金 “瑞士菌發(fā)

28、酵劑及國產干酪的研發(fā)” 資助。長期的發(fā)酵劑和乳品開發(fā)工作使本課題組積累了相應的研究經驗和繼續(xù)研究的設備條 件；與企業(yè)的產學研合作可加速產品的市場化；目前各方面的條件已趨成熟，確保進 步研究工作的順利進行。1）項目的前期工作和基礎瑞士乳桿菌發(fā)酵酸乳的前期工作課題組從眾多乳酸菌中分離出若干種乳酸菌作為本課題中的瑞士菌中研究對象。例 如從一種民間培養(yǎng)的、具稱可以緩解中度高血壓的酸乳中分離出若干種乳酸菌，其中一 種鑒定為瑞士乳桿菌（Lactobacillus helveticus）。該菌傳代性能穩(wěn)定，連續(xù)接種培養(yǎng) 10批次，產酸率和產酸速率均保持穩(wěn)定，該菌種還具有抵抗噬菌體，抑制有害微生物生長 的作用

29、。本課題組在已經優(yōu)化了工藝條件的基礎上，完成了 50L 酸乳和發(fā)酵的試驗。在42C培養(yǎng)4小時，酸度達到2.5%, pH為4.3。應用液相色譜和氨基酸分析儀測定瑞士乳桿菌酸乳上清液，其分子量分布在lOOODa以下，lie-Pro-Pro和Vai-Pro-Pro短肽。測定了酸乳上清液的血管緊張素轉化酶抑制肽的活性為 79.3%。為了給功能評價提供樣品及作為保健食品擴大流通范圍，課題組進行了噴霧干燥和冷凍干燥，干燥乳固體為13%的發(fā)酵乳；噴霧干燥菌粉中活菌數(shù)達到106Cfu/g，冷凍干燥達到108Cfu/g，使用這兩種菌粉分別發(fā)酵牛乳，均取得與液體發(fā)酵劑相近的結果。課 題組擬擴大試驗，應用試驗樣品進

30、行動物喂養(yǎng)功能試驗。預期的保健功能包括增加骨密 度，輔助降血壓。 項目的設備條件天津科技大學食品工程與生物技術學院經過多年建設特別是天津市教委“十五實驗 室投資”的建設，現(xiàn)已具有批處理 200L 的液體食品試驗加工線及 30L 生物活性物質試 驗線，前者包括混料、加熱、均質、冷卻、發(fā)酵、包裝、冷藏等單元操作設備及其附屬1L、設施，后者包括水解、發(fā)酵、提取、超濾、濃縮、噴霧干燥和冷凍干燥設備。具有5L 和 50L 的自動發(fā)酵罐、 超低溫冰箱、冷凍干燥機等制備菌種的設備； 該院的液質聯(lián)用 等設備可以用于分子量分布的測定，該院具有流變儀和質地測定儀將能夠有效檢測上述 乳品加工中的物理變化和評價產品的

31、質量。 該院的動物實驗室， 可以用于進行功能評價。2) 國內外專利情況前已述及，三家國外公司就瑞士乳桿菌的應用在我國申請專利，已經獲得授權。本課題組就瑞士菌制造新鮮干酪和乳清飲料的相關技術申請國家發(fā)明專利4 項，國家知識產權局已經受理。本課題組申報新鮮干酪和乳清飲料的專利具有突破國外公司專利保護 的目的。3) 研究隊伍天津科技大學的課題組由兩名教授 (二名博導)、二名副教授和一名講師和一名實驗 師組成，內有博士后一名、碩士二名、博士生二名。本課題組人員來自食品工程、生物化學、微生物學、化學工程等學科，可以充分發(fā)揮多學科交叉，協(xié)同攻關的作用。人員 情況詳見 10、項目負責人和主要成員簡介。4) 產學研情況見承擔單位合作協(xié)議5) 小試成果和市科委前期資助本課題組承擔的天津市自然基金項目“功能性奶酪系列產品的開發(fā)與應用”中包含本 項目的主要技術，該項目已經通過天津市科委鑒定，技術水平被評為國內先進。6) 產業(yè)鏈條中的位置和作用我國乳業(yè)目前出現(xiàn)了低消費水平下的生產過剩， 一些地區(qū)出現(xiàn)了 “賣奶難” 的狀況， 其主要原因產品品種較少，乳品的深加工程度較低，主要產品集中于超高溫殺菌的液體乳、酸乳和乳粉， 本項目的研究與開發(fā)將為乳業(yè)提供瑞士乳桿菌發(fā)酵乳制品的制造技術，發(fā)酵制造功能食品的