行業(yè)資訊
微生物學(xué)技術(shù)在食品中的廣泛應(yīng)用
【摘要】本文采取綜述的形式,對近年來微生物學(xué)技術(shù)在食品應(yīng)用領(lǐng)域的最新成果與進(jìn)展進(jìn)行介紹,重點(diǎn)介紹白色農(nóng)業(yè)的發(fā)展,新型微生物產(chǎn)品作為食品添加劑以及微生物學(xué)在食品保鮮防腐領(lǐng)域的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】微生物技術(shù) 食品 白色農(nóng)業(yè) 發(fā)酵 食品安全
隨著時(shí)代的不斷發(fā)展,各種社會問題開始顯現(xiàn),能源緊張、環(huán)境污染、人口問題、資源匱乏……人類在享受發(fā)展成果的同時(shí),也開始面臨這些新的挑戰(zhàn), 其中資源、能源、人口、環(huán)境等問題都關(guān)系到農(nóng)業(yè)發(fā)展與糧食安全,而在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已不適應(yīng)現(xiàn)代社會的需求時(shí),各種高科技、高產(chǎn)、低耗的新型農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生,其中 以微生物應(yīng)用為主的白色農(nóng)業(yè)開始嶄露頭角。此外,微生物技術(shù)在食品生產(chǎn)、食品添加劑、食品質(zhì)量和食品安全檢測方面也都發(fā)揮著越來越重要的作用。
1、傳統(tǒng)微生物技術(shù)與現(xiàn)代微生物技術(shù)的比較
本文重點(diǎn)介紹現(xiàn)代微生物技術(shù)在食品領(lǐng)域的重要作用,但為了對比突出,特在此對微生物技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用作簡要介紹。
微生物的傳統(tǒng)應(yīng)用主要是指微生物發(fā)酵技術(shù),我們生活中的許多食品都是來源于微生物發(fā)酵,如中國的醬油和腐乳,日本的納豆和。清酒,韓國的泡菜, 以及西方國家的面包、干酪和酸奶等。其中最為著名的還屬酒類,在我國,利用微生物進(jìn)行谷物釀酒的歷史,至少可追溯到距今4000多年的龍山文化時(shí)期。我國 原始氏族社會末期的龍山文化遺址中,就出土了大量陶制的酒器如尊、高腳杯、小壺等,證明這時(shí)期釀酒工藝已相當(dāng)發(fā)達(dá),谷物酒已成為當(dāng)時(shí)較為普遍的飲料。以制 醬、醬油、豆豉、醋、腐乳為代表的釀造業(yè)在我國也有3000多年悠久的歷史[1]。
與傳統(tǒng)微生物發(fā)酵技術(shù)相比,現(xiàn)代微生物技術(shù)無論從應(yīng)用范圍還是生產(chǎn)效率上都有極大的進(jìn)步。
首先在對生產(chǎn)菌種的認(rèn)識上,現(xiàn)代微生物技術(shù)有了更加科學(xué)的了解。傳統(tǒng)自然發(fā)酵中的微生物體系成分復(fù)雜,單一菌種發(fā)酵活力較低,不適合工業(yè)化大規(guī) 模生產(chǎn)。而隨著微生物科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步,人類對發(fā)酵過程中的微生物有了科學(xué)的認(rèn)識,能夠采用純種的菌株進(jìn)行發(fā)酵,大大提高了產(chǎn)率,同時(shí)還運(yùn)用基因工程技術(shù)選 育新的菌種,利用輻射等理化因素進(jìn)行誘變育種以及菌株雜交等手段來產(chǎn)生形狀更加優(yōu)良的菌種。其中我國在一些主要發(fā)酵產(chǎn)品中的菌種選擇如下:制醋采用 AS1.41、滬糧101等,制醬油選用滬糧3.042(中科AS3.951)米曲霉,酸奶生產(chǎn)用保加利亞乳桿菌及嗜熱鏈球菌,味精發(fā)酵的菌種有北京棒桿 菌AS1.299、鈍齒棒桿菌AS1.542、谷氨酸棒桿菌等[2]。
在發(fā)酵技術(shù)上,現(xiàn)代微生物食品加工一般在發(fā)酵罐等發(fā)酵設(shè)備中,連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行,發(fā)酵的全部參數(shù),如溫度、pH、罐壓、溶解氧、空氣流量、二氧化 碳含量等均可自動(dòng)記錄控制,工作效率大大提高。而且食品加工過程都有著良好生產(chǎn)操作規(guī)范,在容易發(fā)生食品安全問題的環(huán)節(jié)上,建立了相應(yīng)的預(yù)防控制措施,充 分保證產(chǎn)品的安全性[1]。
同時(shí)現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)在獲取發(fā)酵產(chǎn)物的同時(shí),還開始利用微生物產(chǎn)生的酶來生產(chǎn)食品,這也是較傳統(tǒng)發(fā)酵食品的一大進(jìn)步。如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等已被廣泛應(yīng)用于蘇打餅干、面包、蛋品、奶酪等各類食品的生產(chǎn)。
2、現(xiàn)代微生物技術(shù)生產(chǎn)新型食品添加劑
隨著人民生活水平的提高,人們對食品的要求已經(jīng)從過去的“量”上升到“質(zhì)”的追求了,人們開始越來越關(guān)注所謂的綠色食品、健康食品、保健食品以 及食品安全。在對原料的要求越來越高的同時(shí),對各種食品添加劑的安全性也迫切關(guān)注,尤其是經(jīng)常接觸的防腐劑、色素等更是眾多添加劑中的“明星”。現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展也帶來了許多全新的食品添加劑,其中微生物學(xué)技術(shù)也起著重要作用。
近年來,一種糖類——?dú)す烟亲鳛樾滦偷氖称诽砑觿┮鹆巳藗兊年P(guān)注。
幾丁質(zhì)又名甲殼素、甲殼質(zhì),是地球上僅次于纖維素的第2大類天然高分子化合物,素有“軟黃金”之美譽(yù)。殼聚糖是幾丁質(zhì)脫乙酰后的產(chǎn)物,含有游離氨基,能結(jié)合酸分子,是天然多糖中唯一的堿性多糖[3]。其水溶性差,應(yīng)用十分有限,而殼寡糖就是殼聚糖的降解產(chǎn)物,其水溶性>99%,人體對其吸收率達(dá)到99.9%,因此比殼聚糖具有更優(yōu)越的生物活性。近年來,隨著對殼聚糖的研究不斷深入,發(fā)現(xiàn)其有很多重要的生理功能:
(1)早在20世紀(jì)70年代末,殼寡糖就被發(fā)現(xiàn)具有降血壓、血脂、膽固醇的作用。殼寡糖是聚陽離子,易與膽汁結(jié)合并能全部排出體外,大大降低膽 固醇酶催化活性,阻礙膽固醇的轉(zhuǎn)化吸收。同時(shí)殼寡糖能聚集帶負(fù)電荷的脂肪,形成屏障,阻礙脂肪消化酶活化,從而阻礙脂肪消化吸收。(2)殼寡糖能夠提高巨 噬細(xì)胞的吞噬功能,促進(jìn)抗體生成,抑制腫癌生長活性。同時(shí)殼寡糖能夠提高T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞活力,增加免疫活性細(xì)胞的數(shù)量,提高其質(zhì)量,從而增強(qiáng)機(jī)體 免疫功能。由于殼寡糖兼具分子量小和成膜特性,容易進(jìn)入細(xì)胞壁干擾細(xì)胞的新陳代謝,并且能在細(xì)胞表面形成膜從而阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的輸入,從而起到抑菌和殺菌作 用。(3)殼寡糖具有促進(jìn)雙歧桿菌生長的功能,調(diào)節(jié)腸道內(nèi)微生物代謝活動(dòng),改善腸道內(nèi)微生物區(qū)系分布,調(diào)節(jié)腸道菌群。殼寡糖還具有膳食纖維特性,有降血糖 作用,且安全性較高,為治療糖尿病開辟了新途徑[3]。
由于殼聚糖具有上述重要的生理功能而且易于人體吸收,所以可以廣泛應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:
[1]延長食品貨架期殼寡糖聚合度較高,作為食品添加劑可以用于改善食品結(jié)構(gòu),提高食品保水性及調(diào)節(jié)水分活性。殼 寡糖有明顯的抑制淀粉老化的作用,熱穩(wěn)定性能好,添加到淀粉食品中可以抑制淀粉老化,延長淀粉食品的貨架期。同時(shí),還可以利用殼寡糖優(yōu)良的生物學(xué)功能,提 高淀粉食品的營養(yǎng)價(jià)值。由于殼寡糖有抗菌和抑菌作用,將其添加到液體食品中,既對汁液有一定的澄清作用,又可起到防腐保鮮作用,特別適于酸性或低酸性食品 的保鮮。殼寡糖有望成為一種新型的綠色食品防腐劑而得到推廣應(yīng)用。
[2]果汁澄清殼寡糖是天然的大分子陽離子型絮凝劑,能與果汁中帶負(fù)電荷的果膠、丹寧和蛋白質(zhì)等吸附絮凝,從而達(dá)到澄清果汁的目的。目前,用殼寡糖對果汁進(jìn)行澄清的研究不斷增多,試驗(yàn)證明,其澄清效果好,果汁營養(yǎng)價(jià)值損耗小。
[3]果蔬保鮮殼寡糖具有良好的吸濕和保濕功能。殼寡糖內(nèi)的強(qiáng)極性基團(tuán)與水分子相互作用,影響了水的活度和流動(dòng)阻 力。此外,一NH和一NHCOCH基團(tuán)之間易形成氫鍵,使分子鏈形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因而使得一定聚合度的殼寡糖具有良好的吸濕保濕能力。同時(shí)還利用殼寡糖對真 菌的抗菌作用,可將其制成保鮮膜,延長果蔬的保鮮期。
[4]減肥食品聚合度2~3的殼寡糖具有非常爽口的甜味,又由于其降血糖的生理功能,且安全性能高,可作為糖尿病 人的可食甜味劑。同時(shí),殼寡糖還具有膳食纖維的特性,能與脂肪、脂肪酸和膽固醇形成絡(luò)合物。該絡(luò)合物一方面能夠減少人體對脂肪類物質(zhì)的吸收,促進(jìn)脂類排出 體外;另一方面因結(jié)合食品中的脂肪而降低了食品的熱量,將殼寡糖添加到食品中可作良好的減肥食品。
[5]抗癌食品將殼寡糖添加到乳制品中,可促使雙歧桿菌大幅度增殖,改善腸道菌群比例,防止腸道紊亂,降低腸炎和 結(jié)腸癌的發(fā)病率。此外,殼寡糖中的聚葡糖胺鏈帶有4價(jià)銨離子,能粘合膽汁酸,阻止膽汁酸循環(huán),中和過多的胃酸,形成的凝膠可粘在胃壁上形成胃壁保護(hù)層,防 止胃酸對胃損傷面的刺激和腐蝕,從而使胃炎及潰瘍病得到改善,有效防止胃部癌變。聚合度4~7的殼寡糖具有抑制癌細(xì)胞生長和轉(zhuǎn)移的效果,作為腫瘤放療的輔 助性藥物,能有效提高人體抗腫瘤免疫功能,對細(xì)胞分裂具有調(diào)節(jié)作用,在日本已被用作抗腫瘤功能性保健食品。
[6]功能性食品殼寡糖生物活性高,無毒、副作用,可被人體快速吸收。以殼寡糖為主要原料生產(chǎn)的功能性食品能夠提 高機(jī)體免疫力,活化細(xì)胞,促進(jìn)腸道雙歧桿菌等有益菌的生長,并抑制有害菌的生成。目前殼寡糖的主要消費(fèi)地在日、韓、美、法、俄等國,美國和歐洲以殼寡糖為 主要成分的功能性食品逐漸增加,韓國于1996年批準(zhǔn)殼寡糖為功能性保健食品,我國現(xiàn)在已有“海賦健”和“鰓之寶”等年需求殼寡糖240t的保健食品生產(chǎn) 廠家,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所也研制出品了“久康奇善膠囊”等[3]。
殼聚糖具有如此眾多的生理功能,一定會在食品工業(yè)、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
3、微生物技術(shù)與白色農(nóng)業(yè)
所謂白色農(nóng)業(yè),是指微生物資源產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)型新農(nóng)業(yè),包括高科技生物工程的發(fā)酵工程和酶工程。白色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境高度潔凈,生產(chǎn)過程不存在污染。其產(chǎn)品安全、無毒、無副作用,加之人們在工廠車間穿戴白色工作服帽從事勞動(dòng)生產(chǎn),故形象地稱之為白色農(nóng)業(yè)。其具有以下鮮明的特征:
(1)生物工業(yè)型農(nóng)業(yè)應(yīng)用高科技開發(fā)豐富的微生物資源,依靠人工能源,不受氣候和季節(jié)的限制,可常年在工廠內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)。
(2)拓展型農(nóng)業(yè)變革傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“單相形態(tài)”的生產(chǎn)模式為“多相形態(tài)”的生產(chǎn)模式,有助于傳統(tǒng)的“二維”農(nóng)業(yè)向新型的“三維”農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。
(3)資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)將動(dòng)植物的有機(jī)廢棄物經(jīng)微生物處理轉(zhuǎn)化為飼料或食物,從而節(jié)約了資源,實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)綜合利用。
(4)高效環(huán)保型農(nóng)業(yè)具有生產(chǎn)周期短,高產(chǎn)、高效,產(chǎn)品無污染、無毒副作用,節(jié)約水土資源,不污染環(huán)境,資源可綜合利用的特征[4]。
目前,白色農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用一共有6大領(lǐng)域:微生物食品,微生物飼料,微生物肥料,微生物農(nóng)藥、獸藥,微生物能源,微生物生態(tài)環(huán)境保護(hù)劑等[5]。其中微生物食品是微生物技術(shù)在食品領(lǐng)域的直接應(yīng)用,而飼料、肥料等也間接影響著食品技術(shù)。
隨著當(dāng)今社會人口壓力越來越大,糧食問題的解決也越發(fā)迫切,為此世界各國競相開發(fā)微生物蛋白質(zhì)資源。利用單細(xì)胞蛋白質(zhì)生產(chǎn)高蛋白質(zhì)新型人造食 品,前景十分廣闊,如用每年世界石油產(chǎn)量的1%作原料,利用微生物工程來生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì),可供1O億人吃1年。據(jù)推算,1座占地不多、年產(chǎn)1000萬噸 單細(xì)胞蛋白質(zhì)的微生物工廠,相當(dāng)于12萬公頃耕地生產(chǎn)的大豆蛋白,或2000萬公頃草地飼養(yǎng)的牛羊所產(chǎn)出的動(dòng)物蛋白質(zhì)。利用微生物生產(chǎn)的真菌肉、食用油等 在英國、法國、日本已規(guī)模化生產(chǎn),產(chǎn)品已在超級市場出售。由小球藻制成的食品面包已在日本實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。螺旋藻被聯(lián)合國糧農(nóng)組織稱為“人類未來的糧 食”、“人類最佳保健品”,素有“植物肉”之稱。1kg蘑菇所含蛋白質(zhì)相當(dāng)于2kg禽肉或3kg雞蛋的蛋白質(zhì)含量。食用菌中蛋白質(zhì)的含量是小麥、玉米的幾 倍,大白菜、番茄的幾十倍。許多食用菌還具有抗癌、降脂、提高機(jī)體免疫力的功效[4]。
4、有害微生物的預(yù)防及食品的保藏
在食品貯藏過程中,會發(fā)生微生物滋生使食品變質(zhì)的現(xiàn)象。可以通過微生物學(xué)知識結(jié)合數(shù)學(xué)模型對食品產(chǎn)品中的微生物危害,和食源性病原微生物的危害情況進(jìn)行預(yù)測[6]。具體包括為初級,次級和三級模型:
初級模型(primarymodel)描述在一個(gè)特定的環(huán)境條件下,微生物數(shù)量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,主要是描述微生物生長的模型。
次級模型(secondarymodel)描述初級模型的參數(shù)與環(huán)境變量(如溫度,pH,鹽度,空氣水平等)之間的函數(shù)關(guān)系。
三級模型(tertiarymodel)指建立在初級模型和次級模型基礎(chǔ)之上的電腦應(yīng)用軟件程序。
通過這三級模型,可以應(yīng)用于食品工業(yè)預(yù)測評估特定食品和特定加工條件下微生物生長繁殖的速度、生長限度和失活速率,以達(dá)到開發(fā)新產(chǎn)品,改革現(xiàn)有產(chǎn)品,決策貯存條件和貨架期的目的。
除了食品的保藏,食品安全問題也已成為國際組織、各國政府、工商企業(yè)和消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)和目前研究的熱點(diǎn)。根據(jù)WTO/SPS協(xié)定(實(shí)施衛(wèi)生與 動(dòng)植物檢疫措施協(xié)定),各國政府有權(quán)采取強(qiáng)制性衛(wèi)生措施保護(hù)本國人民健康、免受進(jìn)口食品的危害,同時(shí)要求各國政府采取的衛(wèi)生措施必須建立在風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ) 上。因此,風(fēng)險(xiǎn)評估是各國制定食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施食品安全管理的基礎(chǔ)。開展食源性微生物風(fēng)險(xiǎn)評估,對有效管理食品的安全問題,保護(hù)消費(fèi)者健康,具有重要的 意義。
在此背景下,食品風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)近年來也得到充分發(fā)展,風(fēng)險(xiǎn)評估的過程可以分為四個(gè)明顯不同的階段:危害識別,危害描述,暴露評估以及風(fēng)險(xiǎn)描述。
1、危害識別
危害識別指識別可能產(chǎn)生健康不良效果并且可能存在于某種或某類食品中的生物、化學(xué)和物理因素。
2、危害描述
危害描述指對與食品中可能存在的生物、化學(xué)和物理因素有關(guān)的健康不良效果性質(zhì)的定性或定量評價(jià)。
3、暴露評估
暴露評估指對于通過食品的可能攝入和其他有關(guān)途徑暴露的生物、化學(xué)和物理因素的定性或定量評價(jià)。
4、風(fēng)險(xiǎn)描述
風(fēng)險(xiǎn)描述是根據(jù)危害識別、危害描述和暴露評估,對某一給定人群的已知或潛在健康不良效果的發(fā)生可能性和嚴(yán)重程度進(jìn)行定性或定量的估計(jì),包括與這些評估有關(guān)的不確定性的描述[7]。
通過以上四個(gè)階段的評估,可以大致科學(xué)的得到食品中食源性微生物的潛在危害程度。
5、微生物學(xué)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的展望
從微生物食品的發(fā)展來看,可食用微生物作為未來開發(fā)的食源,尚處于“幼稚”期,但優(yōu)勢明顯,開發(fā)潛力巨大,具有產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。
21世紀(jì)將是一個(gè)微生物制劑時(shí)代飛我們應(yīng)高度重視微生物食品,在食品領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用生物技術(shù),不斷篩選出新的功能菌株,豐富可食用微生物資源,為人類生存與健康服務(wù)。
展望21世紀(jì)食品技術(shù)的發(fā)展,未來的微生物技術(shù)不僅有助于實(shí)現(xiàn)食品的多樣化,而且有助于生產(chǎn)特定的營養(yǎng)保健食品,進(jìn)而作用于治病健身的領(lǐng)域。當(dāng) 然,微生物是大自然恩賜給我們?nèi)祟惖囊淮筚Y源,在地球上與動(dòng)物資源、植物資源一起形成了三維空間結(jié)構(gòu),而在這個(gè)資源機(jī)構(gòu)中只有微生物對資源的再生起著重要 的作用.有待我們?nèi)祟惾ヌ剿髋c發(fā)現(xiàn)[8]。