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微生物学技术在食品中的广泛应用
发布:sungodbio   浏览:2660次

【摘要】本文采取综述的形式,对近年来微生物学技术在食品应用领域的最新成果与进展进行介绍,重点介绍白色农业的发展,新型微生物产品作为食品添加剂以及微生物学在食品保鲜防腐领域的应用。

【关键词】微生物技术 食品 白色农业 发酵 食品安全

 

随着时代的不断发展,各种社会问题开始显现,能源紧张、环境污染、人口问题、资源匮乏……人类在享受发展成果的同时,也开始面临这些新的挑战, 其中资源、能源、人口、环境等问题都关系到农业发展与粮食安全,而在传统农业已不适应现代社会的需求时,各种高科技、高产、低耗的新型农业应运而生,其中 以微生物应用为主的白色农业开始崭露头角。此外,微生物技术在食品生产、食品添加剂、食品质量和食品安全检测方面也都发挥着越来越重要的作用。

1、传统微生物技术与现代微生物技术的比较

本文重点介绍现代微生物技术在食品领域的重要作用,但为了对比突出,特在此对微生物技术的传统应用作简要介绍。

微生物的传统应用主要是指微生物发酵技术,我们生活中的许多食品都是来源于微生物发酵,如中国的酱油和腐乳,日本的纳豆和。清酒,韩国的泡菜, 以及西方国家的面包、干酪和酸奶等。其中最为著名的还属酒类,在我国,利用微生物进行谷物酿酒的历史,至少可追溯到距今4000多年的龙山文化时期。我国 原始氏族社会末期的龙山文化遗址中,就出土了大量陶制的酒器如尊、高脚杯、小壶等,证明这时期酿酒工艺已相当发达,谷物酒已成为当时较为普遍的饮料。以制 酱、酱油、豆豉、醋、腐乳为代表的酿造业在我国也有3000多年悠久的历史[1]

与传统微生物发酵技术相比,现代微生物技术无论从应用范围还是生产效率上都有极大的进步。

首先在对生产菌种的认识上,现代微生物技术有了更加科学的了解。传统自然发酵中的微生物体系成分复杂,单一菌种发酵活力较低,不适合工业化大规 模生产。而随着微生物科学的发展进步,人类对发酵过程中的微生物有了科学的认识,能够采用纯种的菌株进行发酵,大大提高了产率,同时还运用基因工程技术选 育新的菌种,利用辐射等理化因素进行诱变育种以及菌株杂交等手段来产生形状更加优良的菌种。其中我国在一些主要发酵产品中的菌种选择如下:制醋采用 AS1.41、沪粮101等,制酱油选用沪粮3.042(中科AS3.951)米曲霉,酸奶生产用保加利亚乳杆菌及嗜热链球菌,味精发酵的菌种有北京棒杆 菌AS1.299、钝齿棒杆菌AS1.542、谷氨酸棒杆菌等[2]

在发酵技术上,现代微生物食品加工一般在发酵罐等发酵设备中,连续自动地进行,发酵的全部参数,如温度、pH、罐压、溶解氧、空气流量、二氧化 碳含量等均可自动记录控制,工作效率大大提高。而且食品加工过程都有着良好生产操作规范,在容易发生食品安全问题的环节上,建立了相应的预防控制措施,充 分保证产品的安全性[1]

同时现代发酵技术在获取发酵产物的同时,还开始利用微生物产生的酶来生产食品,这也是较传统发酵食品的一大进步。如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等已被广泛应用于苏打饼干、面包、蛋品、奶酪等各类食品的生产。

2、现代微生物技术生产新型食品添加剂

随着人民生活水平的提高,人们对食品的要求已经从过去的“量”上升到“质”的追求了,人们开始越来越关注所谓的绿色食品、健康食品、保健食品以 及食品安全。在对原料的要求越来越高的同时,对各种食品添加剂的安全性也迫切关注,尤其是经常接触的防腐剂、色素等更是众多添加剂中的“明星”。现代科学 技术的发展也带来了许多全新的食品添加剂,其中微生物学技术也起着重要作用。

近年来,一种糖类——壳寡糖作为新型的食品添加剂引起了人们的关注。

几丁质又名甲壳素、甲壳质,是地球上仅次于纤维素的第2大类天然高分子化合物,素有“软黄金”之美誉。壳聚糖是几丁质脱乙酰后的产物,含有游离氨基,能结合酸分子,是天然多糖中唯一的碱性多糖[3]。其水溶性差,应用十分有限,而壳寡糖就是壳聚糖的降解产物,其水溶性>99%,人体对其吸收率达到99.9%,因此比壳聚糖具有更优越的生物活性。近年来,随着对壳聚糖的研究不断深入,发现其有很多重要的生理功能:

(1)早在20世纪70年代末,壳寡糖就被发现具有降血压、血脂、胆固醇的作用。壳寡糖是聚阳离子,易与胆汁结合并能全部排出体外,大大降低胆 固醇酶催化活性,阻碍胆固醇的转化吸收。同时壳寡糖能聚集带负电荷的脂肪,形成屏障,阻碍脂肪消化酶活化,从而阻碍脂肪消化吸收。(2)壳寡糖能够提高巨 噬细胞的吞噬功能,促进抗体生成,抑制肿癌生长活性。同时壳寡糖能够提高T淋巴细胞和B淋巴细胞活力,增加免疫活性细胞的数量,提高其质量,从而增强机体 免疫功能。由于壳寡糖兼具分子量小和成膜特性,容易进入细胞壁干扰细胞的新陈代谢,并且能在细胞表面形成膜从而阻止营养物质的输入,从而起到抑菌和杀菌作 用。(3)壳寡糖具有促进双歧杆菌生长的功能,调节肠道内微生物代谢活动,改善肠道内微生物区系分布,调节肠道菌群。壳寡糖还具有膳食纤维特性,有降血糖 作用,且安全性较高,为治疗糖尿病开辟了新途径[3]

由于壳聚糖具有上述重要的生理功能而且易于人体吸收,所以可以广泛应用在以下几个方面:

[1]延长食品货架期壳寡糖聚合度较高,作为食品添加剂可以用于改善食品结构,提高食品保水性及调节水分活性。壳 寡糖有明显的抑制淀粉老化的作用,热稳定性能好,添加到淀粉食品中可以抑制淀粉老化,延长淀粉食品的货架期。同时,还可以利用壳寡糖优良的生物学功能,提 高淀粉食品的营养价值。由于壳寡糖有抗菌和抑菌作用,将其添加到液体食品中,既对汁液有一定的澄清作用,又可起到防腐保鲜作用,特别适于酸性或低酸性食品 的保鲜。壳寡糖有望成为一种新型的绿色食品防腐剂而得到推广应用。

[2]果汁澄清壳寡糖是天然的大分子阳离子型絮凝剂,能与果汁中带负电荷的果胶、丹宁和蛋白质等吸附絮凝,从而达到澄清果汁的目的。目前,用壳寡糖对果汁进行澄清的研究不断增多,试验证明,其澄清效果好,果汁营养价值损耗小。

[3]果蔬保鲜壳寡糖具有良好的吸湿和保湿功能。壳寡糖内的强极性基团与水分子相互作用,影响了水的活度和流动阻 力。此外,一NH和一NHCOCH基团之间易形成氢键,使分子链形成网状结构,因而使得一定聚合度的壳寡糖具有良好的吸湿保湿能力。同时还利用壳寡糖对真 菌的抗菌作用,可将其制成保鲜膜,延长果蔬的保鲜期。

[4]减肥食品聚合度2~3的壳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,可作为糖尿病 人的可食甜味剂。同时,壳寡糖还具有膳食纤维的特性,能与脂肪、脂肪酸和胆固醇形成络合物。该络合物一方面能够减少人体对脂肪类物质的吸收,促进脂类排出 体外;另一方面因结合食品中的脂肪而降低了食品的热量,将壳寡糖添加到食品中可作良好的减肥食品。

[5]抗癌食品将壳寡糖添加到乳制品中,可促使双歧杆菌大幅度增殖,改善肠道菌群比例,防止肠道紊乱,降低肠炎和 结肠癌的发病率。此外,壳寡糖中的聚葡糖胺链带有4价铵离子,能粘合胆汁酸,阻止胆汁酸循环,中和过多的胃酸,形成的凝胶可粘在胃壁上形成胃壁保护层,防 止胃酸对胃损伤面的刺激和腐蚀,从而使胃炎及溃疡病得到改善,有效防止胃部癌变。聚合度4~7的壳寡糖具有抑制癌细胞生长和转移的效果,作为肿瘤放疗的辅 助性药物,能有效提高人体抗肿瘤免疫功能,对细胞分裂具有调节作用,在日本已被用作抗肿瘤功能性保健食品。

[6]功能性食品壳寡糖生物活性高,无毒、副作用,可被人体快速吸收。以壳寡糖为主要原料生产的功能性食品能够提 高机体免疫力,活化细胞,促进肠道双歧杆菌等有益菌的生长,并抑制有害菌的生成。目前壳寡糖的主要消费地在日、韩、美、法、俄等国,美国和欧洲以壳寡糖为 主要成分的功能性食品逐渐增加,韩国于1996年批准壳寡糖为功能性保健食品,我国现在已有“海赋健”和“鳃之宝”等年需求壳寡糖240t的保健食品生产 厂家,中国科学院大连化学物理研究所也研制出品了“久康奇善胶囊”等[3]

壳聚糖具有如此众多的生理功能,一定会在食品工业、医药和农业领域具有广阔的应用前景。

3、微生物技术与白色农业

所谓白色农业,是指微生物资源产业化的工业型新农业,包括高科技生物工程的发酵工程和酶工程。白色农业生产环境高度洁净,生产过程不存在污染。其产品安全、无毒、无副作用,加之人们在工厂车间穿戴白色工作服帽从事劳动生产,故形象地称之为白色农业。其具有以下鲜明的特征:

(1)生物工业型农业应用高科技开发丰富的微生物资源,依靠人工能源,不受气候和季节的限制,可常年在工厂内大规模生产。

(2)拓展型农业变革传统农业“单相形态”的生产模式为“多相形态”的生产模式,有助于传统的“二维”农业向新型的“三维”农业转变。

(3)资源节约型农业将动植物的有机废弃物经微生物处理转化为饲料或食物,从而节约了资源,实现资源的循环综合利用。

(4)高效环保型农业具有生产周期短,高产、高效,产品无污染、无毒副作用,节约水土资源,不污染环境,资源可综合利用的特征[4]

目前,白色农业的研究应用一共有6大领域:微生物食品,微生物饲料,微生物肥料,微生物农药、兽药,微生物能源,微生物生态环境保护剂等[5]。其中微生物食品是微生物技术在食品领域的直接应用,而饲料、肥料等也间接影响着食品技术。

随着当今社会人口压力越来越大,粮食问题的解决也越发迫切,为此世界各国竞相开发微生物蛋白质资源。利用单细胞蛋白质生产高蛋白质新型人造食 品,前景十分广阔,如用每年世界石油产量的1%作原料,利用微生物工程来生产单细胞蛋白质,可供1O亿人吃1年。据推算,1座占地不多、年产1000万吨 单细胞蛋白质的微生物工厂,相当于12万公顷耕地生产的大豆蛋白,或2000万公顷草地饲养的牛羊所产出的动物蛋白质。利用微生物生产的真菌肉、食用油等 在英国、法国、日本已规模化生产,产品已在超级市场出售。由小球藻制成的食品面包已在日本实现规模化生产。螺旋藻被联合国粮农组织称为“人类未来的粮 食”、“人类最佳保健品”,素有“植物肉”之称。1kg蘑菇所含蛋白质相当于2kg禽肉或3kg鸡蛋的蛋白质含量。食用菌中蛋白质的含量是小麦、玉米的几 倍,大白菜、番茄的几十倍。许多食用菌还具有抗癌、降脂、提高机体免疫力的功效[4]

4、有害微生物的预防及食品的保藏

在食品贮藏过程中,会发生微生物滋生使食品变质的现象。可以通过微生物学知识结合数学模型对食品产品中的微生物危害,和食源性病原微生物的危害情况进行预测[6]。具体包括为初级,次级和三级模型:

初级模型(primarymodel)描述在一个特定的环境条件下,微生物数量与时间的函数关系,主要是描述微生物生长的模型。

次级模型(secondarymodel)描述初级模型的参数与环境变量(如温度,pH,盐度,空气水平等)之间的函数关系。

三级模型(tertiarymodel)指建立在初级模型和次级模型基础之上的电脑应用软件程序。

通过这三级模型,可以应用于食品工业预测评估特定食品和特定加工条件下微生物生长繁殖的速度、生长限度和失活速率,以达到开发新产品,改革现有产品,决策贮存条件和货架期的目的。

除了食品的保藏,食品安全问题也已成为国际组织、各国政府、工商企业和消费者关注的焦点和目前研究的热点。根据WTO/SPS协定(实施卫生与 动植物检疫措施协定),各国政府有权采取强制性卫生措施保护本国人民健康、免受进口食品的危害,同时要求各国政府采取的卫生措施必须建立在风险评估的基础 上。因此,风险评估是各国制定食品卫生标准和实施食品安全管理的基础。开展食源性微生物风险评估,对有效管理食品的安全问题,保护消费者健康,具有重要的 意义。

在此背景下,食品风险评估技术近年来也得到充分发展,风险评估的过程可以分为四个明显不同的阶段:危害识别,危害描述,暴露评估以及风险描述。

1、危害识别

危害识别指识别可能产生健康不良效果并且可能存在于某种或某类食品中的生物、化学和物理因素。

2、危害描述

危害描述指对与食品中可能存在的生物、化学和物理因素有关的健康不良效果性质的定性或定量评价。

3、暴露评估

暴露评估指对于通过食品的可能摄入和其他有关途径暴露的生物、化学和物理因素的定性或定量评价。

4、风险描述

风险描述是根据危害识别、危害描述和暴露评估,对某一给定人群的已知或潜在健康不良效果的发生可能性和严重程度进行定性或定量的估计,包括与这些评估有关的不确定性的描述[7]

通过以上四个阶段的评估,可以大致科学的得到食品中食源性微生物的潜在危害程度。

5、微生物学在食品领域应用的展望

从微生物食品的发展来看,可食用微生物作为未来开发的食源,尚处于“幼稚”期,但优势明显,开发潜力巨大,具有产业化发展前景。

21世纪将是一个微生物制剂时代飞我们应高度重视微生物食品,在食品领域中广泛应用生物技术,不断筛选出新的功能菌株,丰富可食用微生物资源,为人类生存与健康服务。

展望21世纪食品技术的发展,未来的微生物技术不仅有助于实现食品的多样化,而且有助于生产特定的营养保健食品,进而作用于治病健身的领域。当 然,微生物是大自然恩赐给我们人类的一大资源,在地球上与动物资源、植物资源一起形成了三维空间结构,而在这个资源机构中只有微生物对资源的再生起着重要 的作用.有待我们人类去探索与发现[8]


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