發(fā)酵工程在功能性食品中的應用

1、.：.；發(fā)酵工程在功能性食品中的運用1 功能性食品功能性食品是指強調其成分對人體能充分顯示機體防御功能的工業(yè)化食品，是新時代對傳統(tǒng)食品的深層次要求。開發(fā)功能性食品的最終目的，就是要最大限制地滿足人類本身的安康需求。開發(fā)功能性食品，要對其“平安性和“功能性進展科學評價，這就需求明確其中起關鍵作用的、真正具有生理作用的效果成分，或稱活性成分，功能因子。1.1效果成分顯然，效果成分是消費功能性食品的關鍵。就目前而言，業(yè)已確認的效果成分，主要包括以下8類：功能性碳水化合物：如真菌多糖、功能性低聚糖、功能性單雙糖。能性脂類：如-3和-6多不飽和脂肪酸、磷脂等。氨基酸、肽與蛋白質：如?；撬帷⒗业鞍琢纂?、降

2、壓肽、免疫球蛋白、酶蛋白等。維生素和維生素類似物：包括水溶性維生素、油溶性維生素、生物類黃酮等。礦物元素：包括常量、微量元素等。植物活性成分：如皂苷、生物堿、萜類化合物、有機硫化物等。益生菌：主要是乳酸菌類，尤其是雙歧桿菌。低能量食品成分：包括蔗糖替代品、脂肪替代品等。 功能性食品的出現，標志著作為食品中的關鍵組分，開場從重點要求大量的傳統(tǒng)營養(yǎng)素，轉向重點要求微量的效果成分。1.2高新技術由于效果成分普遍具有“微量 、“高效和“不穩(wěn)定的特點，運用傳統(tǒng)的工程技術，已不能順應微量成分的制造，不能開發(fā)出高科技的功能性食品?，F代食品工程高新技術的出現，將有力地促進這個問題的圓滿處理。高新技術在功能性食

3、品消費中所占的比重不斷增大，特別是生物技術的運用得以長足的開展，尤其是用在功能性食品配料即效果成分的消費上，有力地推進了食品工業(yè)革命性的變化。就目前而言，生物技術已在功能性食品消費上得到有效運用，上述的8類效果成分中，除植物活性成分普通采用提取分別法外，其他的均可用生物技術來高效消費。生物技術，是運用自然科學及工程學原理，依托微生物動物植物細胞及其產生的活性物質，作為某種化學反響的執(zhí)行者，將原料進展加工成某種產品 來為社會效力的技術。生物技術包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程，其中基因工程、 細胞工程和酶工程在功能性食品產業(yè)的運用已有相關專著和文獻報導，可做參考。以下主要就發(fā)酵工程在功能

4、性食品的某些運用作一概述，并簡單回想一下發(fā)酵技術的開展歷史。2.發(fā)酵工程與功能性食品產業(yè)2.1發(fā)酵技術的沿革 2.1.1傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術天然發(fā)酵 主要產品有酒、醋、醬油、泡菜、干酪等，特點是發(fā)酵過程很難人為控制，消費只能憑閱歷，口傳心授。 2.2.2第一代微生物發(fā)酵技術純培育技術的建立德國人柯赫首先建立了微生物的純培育技術，開創(chuàng)了人為控制發(fā)酵過程的時期，加上簡單密封式發(fā)酵罐的發(fā)明，發(fā)酵管理技術的改良，發(fā)酵工業(yè)進入了近代化學工業(yè)的行列。這時期產品有酒精、丙酮、丁醇、有機酸、酶制劑等，主要是一些厭氧發(fā)酵和外表固體發(fā)酵產生的初級代謝產物。2.2.3第二代近代微生物發(fā)酵技術深層培育技術可分為兩個時

5、期，前一時期抗生素工業(yè)的開展，以青霉素的消費為代表，構成規(guī)模化消費，同時采用了深層培育技術，即機械攪拌通氣技術，從而推進了抗生素工業(yè)乃至整個發(fā)酵工業(yè)的快速開展。這時期的產品主要是好氧發(fā)酵的次級代謝產物。后一時期是20世紀50年代氨基酸發(fā)酵工業(yè)，在引進了“代謝控制發(fā)酵技術后，得以快速開展，即將微生物經過人工誘變，獲得代謝發(fā)生改動的突變株，在控制條件下，選擇性地大量消費某種人們所需求的產品。這項技術也被用于核苷酸、有機酸和抗生素的消費中。這個時期是近代發(fā)酵工業(yè)的鼎盛時代。新產品、新技術、新工藝、新設備不斷出現，運用范圍也日益擴展，如能源開發(fā)、環(huán)境維護等。2.2.4第三代微生物發(fā)酵技術發(fā)酵工程又稱微

6、生物工程，以基因工程、細胞工程、蛋白質工程等現代生物技術為支撐，利用微生物的生長和代謝活動，經過現代化工程技術手段進展工業(yè)規(guī)模消費的技術，是微生物菌種、發(fā)酵工藝和發(fā)酵設備的協(xié)調，根據發(fā)酵目的對微生物的采集、分別和選育提出要求，對發(fā)酵工藝進展設計和優(yōu)化，對發(fā)酵設備提出改良和配套選型的工程技術。它的主要內容包括：工業(yè)消費菌種的選育，最正確發(fā)酵條件的選擇和控制，生化反響器的設計以及產品的分別提取和精制等過程。在功能性食品領域，發(fā)酵工程在消費多元糖醇、大型真菌菌絲體、微藻、維生素和維生素類似物、多不飽和脂肪酸、功能性乳制品等方面都已到實踐運用，并已產生明顯的經濟效益和深遠的社會效益。2.2木糖醇的發(fā)酵

7、法消費木糖醇為多元糖醇，溶于水會吸熱，其吸熱值在糖醇類甜味劑中最大，因此食用時會產生涼爽的口感，在體內代謝不需求胰島素參與，能防齲齒，也可作為非腸道營養(yǎng)的能量來源。 木糖醇的消費方法有三種：提取、化學合成、生物合成。目前，工業(yè)消費主要采用化學合成法：半纖維素加酸催化水解，得到含木糖的水解液，經純化脫色，在一定條件下經過戊糖加氫反響消費木糖醇，轉化率5060。生物合成法是利用微生物中的復原酶，以木糖為底物來消費木糖醇，可有效降低木糖醇的消費本錢：不僅省去木糖純化步驟，而且簡化木糖醇的分別步驟，是一種很有出路的消費方法。 2.2.1原料：主要運用植物半纖維素的水解產物，半纖維素的主要成分是木聚糖，

8、在無機酸作用下水解成木糖，可作為基質。2.2.2菌種：以木糖為基質消費木糖醇，主要思索2種酶：一是木糖復原酶以NADPH或NADH為輔酶，一是木糖醇脫氫酶以NAD+或NADP+為輔酶。選擇木糖醇消費菌種的原那么：高木糖復原酶活性或低木糖醇脫氫酶活性。根據該原那么，選擇了膜醭假絲酵母，木糖代謝途徑：木糖 NADPH NADP+木糖醇NAD+ NADH 木酮糖 5磷酸木酮糖 單磷酸己糖途徑 2.2.3影響要素 2.2.3.1通氣率 通氣培育能提高木糖向木糖醇的轉化量，由于木糖醇的消費直接同生物量的添加相聯絡。并且受氧氣耗費量的影響極大。要有效消費木糖醇，首先思索的是微生物細胞在培育基中快速積累，這

9、可經過在介質中溶解氧來處理，但木糖醇的消費需求缺氧條件，在整個培育過程中介質維持高程度的溶解氧會導致木糖醇氧化成木酮糖。因此，應在培育早期維持高程度的溶解氧，然后在產木糖醇的時期降低微生物的呼吸率。 2.2.3.2木糖含量 培育基中的木糖含量會顯著影響木糖醇的產量。普通來講，在批量處置中，假設微生物可以耐受高含量的糖分和高浸透壓，初始糖含量的添加能提高消費速率和轉化率。根據實驗初始木糖含量在80g120gL比較適宜。 2.2.3.3氮源 氮源和通氣率都是非常重要，經過比較8種無機氮源和4種有機氮源，發(fā)現銨鹽是最好的無機氮源，酵母提取物是最好的有機氮源。運用這兩種氮源時，木糖醇轉化率分別為16.

10、7gL和30.6gL 。 2.2.3.4培育基中的其它糖類 往基質中參與葡萄糖，會對酵母發(fā)酵木糖生成木糖醇產生反作用，葡萄糖對木糖耗費的禁阻效應，只需很短時間就就能到達最大值，一旦葡萄糖含量降低到一定值時，對木糖的轉化很快又重新開場。這闡明其調理機制并不是代謝產物阻遏阻遏酶合成，而是反響抑制抑制酶活性。當葡萄糖含量低于5gL時，木糖醇的產量不會降低，由于此時葡萄糖進展的是有氧代謝，不會產生乙醇。而當葡萄糖含量超越5gL時，多于部分會經過無氧代謝生成乙醇，此反響和木糖復原生成木糖醇同為復原反響，相互之間競爭氧化復原勢，導致木糖醇產量降低。2.2.3.5 pH和溫度 假絲酵母菌株最適pH46，最適

11、溫度范圍2830。2.2大型真菌的發(fā)酵法消費許多大型真菌含有多種活性物質，如多糖、多肽、生物堿、萜類化合物、甾醇、苷類、酚類、酶、維生素、植物激素等。具有提高免疫力、抗腫瘤、抗炎和抗?jié)兊刃Ч?大型真菌的深層發(fā)酵是在抗菌素發(fā)酵技術的根底上開展起來的，與傳統(tǒng)栽培真菌子實體的方法不同。它是在大型發(fā)酵罐內進展，經過調整培育基組成和發(fā)酵工藝，在短時間內得到大量的真菌菌絲體。分析闡明，這樣得到的真菌菌絲體與傳統(tǒng)栽培真菌子實體，在化學組成和生理功能上均很類似。用發(fā)酵菌絲體中的真菌多糖、真菌蛋白及其他活性物質，來調制消費功能性食品，這類食品具有加強機體免疫力和明顯的抗腫瘤活性，很有開展出路。這種方法的最大

12、優(yōu)點是，易于實現工業(yè)化消費，規(guī)模大、產量高、周期短、效益高。缺陷是，一次性投資大，部分菌絲體缺乏子實體特有的風味。經研討以為適宜于深層發(fā)酵的食用或藥用大型真菌多達80余種，但真正實現工業(yè)化消費的尚不太多。發(fā)酵法消費真菌的主要工藝是：母種 搖瓶培育 種子罐 發(fā)酵罐深層發(fā)酵。 2.2.1靈芝的發(fā)酵法消費 2.2.1.1 工藝 斜面母種2628，5d 一級搖瓶培育500ml，2426，200rmin，23d 二級搖瓶培育500ml, 2628,90r min,2d) 種子罐培育40L，2628,，200rmin,1:0.30.5VVm,接種量5%,4d 發(fā)酵罐培育200L，2628，200r/min

13、，1:0.5VVm，67d 放罐 2.2.1.2 培育基組成略 2.2.1.3 培育條件 溫度 靈芝深層培育適宜溫度為2730，低于27菌絲生長緩慢，高于30菌絲易老化，3638菌絲停頓生長。溫度能影響多糖的產量。在發(fā)酵過程中，前期030h以稍高的溫度促進菌絲迅速生長，在30150h以稍低的溫度盡能夠延伸有效物質的生成期，150h后，溫度稍提高，以促進有效物質的分泌。 通氣 通氣的目的是保證最好的溶氧性，以提供靈芝菌絲體生長所需的氧，此外還可除去二氧化碳和代謝產物。深層培育供氧情況對菌體的生長和有效物質的積累意義艱苦，特別是發(fā)酵初期1216h，由于菌絲量顯著添加，菌絲耗氧率到達頂峰，對溶解氧極

14、為敏感，需特別留意供氧情況，否那么引起異常發(fā)酵，出現菌絲自溶或原生質凝集，導致明顯的代謝變化、產量下降甚至發(fā)酵失敗。 攪拌 由于氧難溶于水，為加大其溶解度，必需進展攪拌，轉速100200r/min，過快會把菌絲打得很碎，對菌體生長不利。還應根據培育基得性質，決議攪拌器方式，攪拌流型等問題，靈芝菌絲體深層培育基粘度大液面高，常采用兩檔或三檔攪拌器，大型發(fā)酵罐多至四檔。目前國內外已開展瘦長型無機械攪拌發(fā)酵罐H:D=1216,罐身高，空氣量大，氧利用率高。由于無機械攪拌，罐體易堅持嚴密，染菌率低，普通在0.2%以下。消泡 靈芝深層培育基中含有蛋白質類物質，在通氣和攪拌下易構成泡沫，導致培育液上升，呵

15、斥大量的逃液，添加染菌時機。同時由于泡沫過多，還會影響通氣和攪拌的正常進展。泡沫產生的主要緣由有兩點：一是通氣攪拌程度；二是培育基的原料性質。消除泡沫的方法有機械消泡和消泡劑消泡兩種，普通采用后一種。靈芝深層培育的消泡劑為植物油，用量0.03%。pH 靈芝深層培育要求一定的pH范圍，最適生長的pH5.06.0，發(fā)酵初期pH4.05.4，到了發(fā)酵中期菌絲體生長旺盛，菌體干物質和有效成分積累，pH急劇下降到2.53.5之間，進入發(fā)酵后期菌絲生長緩慢，出現菌體自溶，pH上升。發(fā)酵過程中pH的變化也與培育基組成有親密的關系，如采用玉米粉蔗糖酵母粉培育基，到發(fā)酵中后期pH會急劇下降，而采用花生餅粉蔗糖培

16、育基pH變化不大。在發(fā)酵中遇到急劇下降或上升，普通參與酸或堿調理，參與磷酸鹽作緩沖。菌齡與接種量 靈芝深層培育菌種的菌齡普通為48h左右,接種量510，接種量少了會延伸發(fā)酵周期，接種量太多菌絲老化快，降低有效物質的積累，也給后處置帶來困難。2.3維生素C的發(fā)酵法消費維生素C，又名L抗壞血酸，為人體所必需的維生素，并作為許多具有重要生理功能的金屬酶的輔助因子，參與膠原蛋白的羥基化、肉堿生物合成、多巴胺羥基化等多種代謝活動。同時維生素C還是一種重要的自在基去除劑，可去除超氧陰離子O2、羥自在基OH和烷過氧基ROO等，這些自在基被以為與癌癥、心血管疾病等親密相關。維生素C廣泛用于食品、功能性食品、藥

17、品和化裝品中，目前世界總產量每年近80000t，總值超越6億美圓，市場前景寬廣。2.3.1萊氏法工藝不斷為消費維生素C的普遍方法，其根本原理是： D葡萄糖 H2/Ni D山梨醇弱氧化醋酸桿菌L山梨糖丙酮/H2SO4雙丙酮L山梨糖高錳酸鉀雙丙酮L古洛酸 水解 2酮基L古洛酸 內酯化、烯醇化 L抗壞血酸2.3.2兩次發(fā)酵工藝 由于萊氏工藝道路繁雜冗長，輔助原料耗費量大，自20世紀60年代開場研討重點集中于微生物發(fā)酵，希望能將D山梨醇或L山梨糖直接轉化為2酮基L古洛酸。我國從1969年開場在微生物發(fā)酵化學合成法的根底上進展維生素C的兩次發(fā)酵工藝的研討，在1974年獲得很大勝利，挑選得到以氧化葡萄糖酸

18、桿菌為主要產酸菌，以條紋假單胞菌為伴生菌的自然共生菌絲，兩者共生發(fā)酵時，能L山梨糖直接轉化為2酮基L古洛酸, 省去了萊氏法中的丙酮維護步驟，防止了丙酮、酸、堿或苯等有機溶劑的大量運用，其工藝簡單，可節(jié)省大量化工原料，平安衛(wèi)生，三廢和污染較小，已為國內大部分廠家采用。 2.3.3消費菌種將D山梨醇轉化為L山梨糖的微生物除弱氧化醋酸桿菌，還可用生黑醋酸桿菌。將L山梨糖轉化為2酮基L古洛酸所用的主要產酸菌是氧化葡萄糖酸桿菌，除與條紋假單胞菌共生發(fā)酵外，還可與熒光假單胞菌、雙黃假單胞桿菌和綠葉假單胞菌等共生發(fā)酵。2.3.4發(fā)酵工藝 消費時可直接用葡萄糖或淀粉水解液為原料，經復原葡萄糖成山梨醇。反響終了

19、后，過濾除去催化劑，離子交換除去離子雜質，活性炭脫色，濃縮得到符合要求的山梨醇溶液、將山梨醇溶液泵入內循環(huán)氣升式發(fā)酵罐中。加水調理山梨醇含量至1035，通常在發(fā)酵初期濃度較低，待菌體繁衍至對數期再提高含量。接種弱氧化醋酸桿菌進展發(fā)酵，調pH6.26.8，溫度2830，罐內壓力0.020.1MPa，通氣量0.61vvm，罐內裝填率7080。經1430h發(fā)酵終了，山梨醇得率可達96.5%，培育基組成略。第一次發(fā)酵終了后，將發(fā)酵醪升溫至80堅持10min滅菌，補充所需原輔料，調pH6.77.0，接種氧化葡萄糖酸桿菌和條紋假單胞菌，在30溫度下進展共生發(fā)酵。為保證產酸的正常進展應定期補充堿維持pH7.

20、0。經2036h，將山梨糖耗盡，發(fā)酵到達終點。發(fā)酵終了后，過濾或離心除去菌體蛋白，發(fā)酵液經靜置、廓清、離子交換、濃縮、枯燥后可得2酮基L古洛糖酸晶體，再經后續(xù)的化學合成階段得到終產品維生素C，總得率為44.5%46.7%。共生發(fā)酵種子和發(fā)酵罐培育基略2.3.5發(fā)酵法消費維生素C的研討進展 2酮基L古洛糖酸轉化率的提高 L山梨糖生物氧化成2酮基L古洛糖酸是由細胞膜界面或細胞內的山梨糖酮脫氫酶所催化，生成L山梨糖酮中間體，進入細胞質，然后經胞內脫氫酶進一步作用，在細胞質山梨糖酮復原酶和山梨糖復原酶作用下生成木酮糖，進入磷酸戊糖途徑，生成6磷酸葡萄糖，進入糖醛酸途徑，生成尿苷二磷酸葡萄糖醛酸UDP葡

21、萄糖醛酸，再經糖醛酸復原酶催化,NADPH為氫供體復原成L古洛糖酸，然后由內酯酶催化脫水構成L古洛糖酸內酯，最后由L古洛糖酸內酯氧化酶氧化成抗壞血酸。靈長目動物和人由于缺乏L古洛糖酸內酯氧化酶，故不能合成抗壞血酸，而大多數動植物都具有這一途徑。在這一途徑中， UDP-葡萄糖醛酸在差向異構酶催化下，C5上的基團差向異構，生成UDP-艾杜糖醛酸。國外有研討將李氏醋桿菌細胞膜界面上的山梨糖酮脫氫酶基因，在含細胞質山梨糖酮脫氫酶的氧化葡萄糖酸桿菌中表達，使L山梨糖氧化為2酮基L古洛糖酸的轉化率提高35。 在發(fā)酵過程中，由于UDP-艾杜糖醛酸的生成，導致2酮基L古洛糖酸的產量下降。經過化學誘變，可使UDP-艾杜糖醛酸的合成數量大幅度減少，從而提高2酮基L古洛糖酸的得率。另外，也有人提出經過2,5二酮基D葡萄糖酸途徑，來合成2酮基L古洛糖酸。先由歐文氏菌突變株將D葡萄糖轉化為2,5二酮基D葡萄糖酸，然后將整個培育基經十二烷基硫酸鈉處置以降低細胞活力，再參與葡萄糖，最后經棒狀桿菌變異菌株作用生成2酮基L古洛糖酸。在整個消費過程中，葡萄糖轉化率最高可達85， 2酮基L古洛糖酸的最終含量為10.5g/L。由2酮基L古洛糖酸生物轉化為L抗壞