发酵工程技术在食品开发中的应用分析

引言：发酵工程技术在食品产业中的应用历史悠久，为饮食多样化做出了巨大贡献。然而，随着社会的进步，人们对食品质量的需求也在不断提升。虽然传统的发酵技术有着悠久的历史，但通过引入现代化技术研究产物，可以为其注入新的活力，使其散发出独特的发酵工艺魅力。这样，微生物的发酵物品种类将更加丰富，发酵技术和生物技术也能完美结合，从而开发出一种全新的现代发酵技术，为微生物资源的开发和利用做好充分准备。

一、当前国内外的发酵技术的现状和发展

1.国内发酵技术的现状

发酵工程技术在食品开发中扮演着至关重要的角色。当前，国内外对发酵技术的研究与应用呈现出多个方面的现状和发展趋势。随着生物技术的发展，人们对微生物资源的挖掘和利用日益深入。从传统的酵母、乳酸菌到一些新型的发酵微生物，如益生菌、功能性微生物等，都在食品发酵中得到广泛应用。这一领域的不断深入研究，为食品工业带来了更多的选择和可能性。

中国拥有悠久的发酵食品历史，如酱油、豆豉、米酒等，这些传统发酵食品不仅在国内受到青睐，在国际市场也备受关注。我国致力于传统发酵食品的保护与传承，同时也不断提高其生产工艺和质量。随着健康饮食理念的普及，功能性发酵食品备受青睐。我国在益生菌、醋酸菌等功能性微生物的研究与应用方面取得了突破，推出了一系列具有益健康功能的发酵食品。这些食品不仅满足了人们的口味需求，还有利于身体健康，受到了消费者的欢迎。此外，我国在发酵技术领域加大了科技创新力度，并积极开展国际合作。与国外发酵技术领域的先进技术和经验交流，促进了我国发酵技术的发展与提升。这种国际合作不仅促进了技术的进步，还有利于我国在全球市场的竞争力。

2.市场规模增长趋势

根据行业报告和市场调研数据，全球发酵食品市场规模近年来持续呈现稳健增长的趋势。例如，根据Market Research Future的报告，2019年全球发酵食品市场规模约为2500亿美元，并预计在未来几年内以年均增长率约6%的速度增长。2019年，全球发酵食品市场规模约为2500亿美元，而到2022年，该市场规模已经达到2800亿美元，预计在未来几年内，将以年均增长率约6%的速度持续增长。这一增长主要受到消费者对健康、美味和营养食品日益增长的需求驱动。中国发酵食品市场在迅速增长，根据国内行业报告显示，2019年中国发酵食品市场规模约为8000亿元人民币，而到2022年已超过9000亿元人民币。预计未来几年，中国发酵食品市场将保持高速增长。这一增长受到中国消费者日益增长的收入、健康意识提升以及生活方式变化的影响。

除了传统的酱油、酒类外，现代消费者对健康和营养的追求推动了更多类型的发酵食品的出现。例如，酸奶、发酵乳制品、发酵酱料、泡菜、酵素食品等新型发酵食品品类不断涌现，并受到消费者的青睐。据统计，全球超过75%的消费者每天至少食用一种发酵食品，这显示了发酵食品品类多样化的受欢迎程度。美国、欧洲、亚洲等地区是全球发酵食品市场的主要消费者和生产者。欧洲地区的发酵食品消费水平领先，而美国的发酵食品市场规模较大。亚洲地区的市场增长速度较快，其中中国、日本、韩国等国家是亚洲发酵食品市场的主要增长引擎。

中国作为世界上最大的食品市场之一，在全球发酵食品市场中占据重要地位。中国市场的发展潜力巨大，吸引了全球发酵食品生产商的关注和投资。随着中国经济的持续增长和消费升级，中国发酵食品市场有望继续保持快速增长。

二、现代发酵工程技术

（一）菌种选育

在最初的发酵过程中，人们主要使用从自然环境中获取的原始菌株进行发酵，特别是在食品发酵领域。然而，这些自然菌株的生产能力有限，导致在大规模、高强度生产目标产品时，成本较高且不太适合使用。在早期，由于对微生物的了解不足，菌种筛选主要依靠经验，并对菌曲进行保存和传代。

随着对微生物的深入了解，发酵工艺已发展到纯种发酵阶段。在深层发酵阶段，大量的初级和次级代谢产物被合成，例如丙酮、丁醇、乙醇以及各种抗生素，为发酵工艺的发展打开了新的可能性。

（二）过程控制

温度、pH值、溶氧量、OD值、转速、压力等多个因素的监测构成了全面的数据采集系统，为生物发酵过程提供了全面的监测和调控。数据收集系统对环境条件进行实时监测，包括温度、pH值、溶氧量等。这些参数直接影响微生物的生长和代谢过程。通过对这些数据的收集，系统能够实现对发酵环境的动态调整，确保微生物菌种在最适宜的条件下进行繁殖和产物生成。监测系统负责追踪发酵液中多种物质的含量，如铵离子、金属离子、甲醇、葡萄糖、乳酸、谷氨酸、乙醇等。这些物质的浓度直接关系到发酵的效果和产物的质量。通过实时监测这些指标，系统能够在发酵过程中进行精准的控制，调整添加物质的浓度。

尾气检测设备用于分析发酵过程中产生的尾气，包括水分、氧气和二氧化碳等浓度。尾气分析为发酵过程的评估提供了重要数据，有助于了解微生物的代谢情况和发酵的进行程度。通过对尾气的监测，系统可以及时调整通气流量等参数，维持发酵系统的平衡状态。数据解析系统对生物反应器中微生物生长速率等派生数据的计算。反馈操作系统利用解析后的数据实时调整发酵条件，包括温度、转速、流加速度和通气流量等。

（三）分离技术

发酵液中产物的分离与纯化是发酵生产的重要环节，其成本约占总生产成本的20%，并对产品品质有显著影响。该过程包括破碎、离心、过滤、萃取、色谱分离、膜分离、浓缩、结晶、干燥、制剂等多种步骤，具体操作过程会根据产品类型进行调整。在现代科技的推动下，高性能材料如高分子材料在分离过程中得到广泛应用，如半透膜和色谱填料等。

三、现代发酵工程技术在食品研发中的应用

（一）在传统发酵产品改良中的应用

在食品研发与生产领域，还可以将现代发酵工程技术用于对传统发酵食品的改良，尤其是在酿造酱油、食醋以及酒精类产品的加工生产中。①对于酱油的酿造，可以利用曲霉发酵工艺来实现酱油酿造的改良，曲霉的使用能极大地提升原料中蛋白质的利用率，经过研究发现，使用曲霉后，原料中蛋白质利用率能高达85%。②利用固定醋酸菌的方法进行食醋酿造，不仅能显著提升醋化能力，还能缩短发酵的周期，提高食醋的生产效率，降低酿造成本。

（二）在食品添加剂研发中的应用

1、氨基酸

氨基酸是一种有机化合物，由具有碱性和酸性属性的氨基和羧基组成。它是蛋白质的基本组成成分，也是人体所需的重要营养素。

氨基酸碳链上的α-氨基酸能产生酸、甜、苦、鲜等多种风味。在调味品中使用量最大的氨基酸是谷氨酸单钠和甘氨酸。利用微生物发酵技术制备氨基酸，是一种有效的方法。如红酵母菌种经二次发酵可得到L-苯丙氨酸，而黄色短杆菌发酵得到的则是谷氨酸单钠。另外，还可以通过工程菌培养获得特异性氨基酸。与常规的化学合成法比较，微生物发酵具有高产、低成本等优点。

2、维生素

维生素是人体必需的微量营养素，需要通过饮食来摄取。在人类的生长发育及新陈代谢中扮演着关键角色。实际上，维生素是一种营养物质，既不构成人体细胞，也不提供能量。由于体内无法自行合成维生素或仅能合成极少量，因此必须通过食物来源获取，例如在食品的研发和加工过程中可以通过添加的方式来补充维生素。此外，我们也可以通过现代发酵工程技术来生产维生素。比如，用一种叫做阿氏假囊酵母类的微生物进行发酵，就能够生产出维生素B2；从黄杆菌、丙酸杆菌中分离纯化可得到维生素B12；用弱氧化醋酸杆菌与氧化葡萄糖酸杆菌进行发酵，可生产维生素C。

3、防腐剂

防腐剂是一种食品添加剂，可以阻止微生物的活动，并保护食品免受微生物的侵害。它们通过破坏微生物的酶系统运动，抑制酶活性，从而防止食品的变质。除这类防腐剂外，还含有苯甲酸、山梨酸等防腐剂，以维持食物的质量和营养。防腐剂在食品工业中有着广泛的用途。

4、核苷酸

核苷酸是一种关键的化合物，对能量代谢和人体免疫系统起着重要作用。采用发酵工程技术，可以通过微生物发酵生产核苷和嘌呤核苷酸。比如，在发酵过程中，先用热水将核酸提取出来，然后利用酶水解的方法得到腺嘌呤核苷酸和次黄嘌呤核苷酸。

（三）在单细胞蛋白研发中的应用

研究表明，除植物和动物蛋白外，还有一种微生物蛋白，叫做单细胞蛋白。其中，酵母蛋白、细菌蛋白和海藻蛋白被列为三大类。酵母蛋白质的蛋白含量约为40%至60%，细菌蛋白质的蛋白含量约为60%至70%，而藻类蛋白质的蛋白含量可高达90%。特别是螺旋藻和小球藻，它们的蛋白质含量非常丰富，富含人体所需的氨基酸和活性成分。为此，世界各国都在大力研发藻类食品。单细胞蛋白是一类重要的生物活性蛋白，它不仅可以用来制备人造肉类，而且由于其优异的抗氧化性能，还可以被研发成婴儿食品。另外，单细胞蛋白对食品的某些性质也有一定的影响，如添加浓缩蛋白的活性酵母，可明显改善食品的风味，可作为食品增鲜剂使用。

（四）在保健食品研发中的应用

保健食品，也称功能性食品，是指具有健康保健功能或有助于人体获取有益微生物的食品。保健食品市场随着人们对健康意识的提高而迅速发展。为了保证保健食品的健康和安全，发酵技术被广泛应用于保健食品的研发中。

例如，研发类胡萝卜素是一种利用发酵菌种获得类胡萝卜素的方法，这些微量元素对人体健康至关重要，具有抗氧化作用，还能增强机体的免疫功能。另一种方法是研发含有乳酸菌的食品，如酸奶、酸乳酪、乳酸发酵的果蔬汁及乳酸菌饮料等。补充乳酸菌可以改善肠道功能，保持肠道微生态平衡，减少有害菌的滋生。

四、发酵技术的升级与创新

（一）微生物菌种的筛选和改良

利用现代生物工程技术，科研人员通过高通量筛选等方法，能够更加精准地选取适应发酵过程的微生物菌种。基因编辑技术的广泛应用，如CRISPR-Cas9等，使科学家能够直接修改微生物的基因，精确调控代谢途径，提高菌株的发酵性能。实验证明，经过基因编辑改良的酵母菌株在啤酒酿造中发酵效率提高了30%以上，同时在面包生产中也实现了更快速的发酵过程。

（二）发酵过程自动化和精确控制

先进设备如发酵罐和生物反应器的广泛应用，实现发酵过程的自动化和数字化监控。数据监控系统通过实时追踪发酵参数，确保温度、pH值、氧气浓度等因素的精准控制，提高了产品的一致性和稳定性。根据工业生产的数据，采用自动化发酵系统的生产线相比传统手工操作，产量提高了25%，同时减少了能耗和原材料浪费。

（三）新型生物反应器技术的应用

柔性生物反应器的采用成为发酵工程技术创新的亮点之一。其可变形的袋状容器设计更好地适应微生物生长的需要，提高了产物的纯度和产量。实际生产中，采用柔性生物反应器的工艺降低了操作难度，同时也带来了显著的经济效益。相关数据显示，相比传统生物反应器，柔性生物反应器可降低能耗20%，减少设备投资30%以上。

五、发酵技术在全球市场的探索

美国的发酵食品市场在2019年达到约450亿美元，是全球发酵食品市场中的重要部分。这一市场规模的增长主要得益于消费者对健康、美味和多样化食品的需求。美国的发酵食品市场包括酸奶、酒类、泡菜等多个品类。其中，酸奶类产品占据了重要地位，市场份额超过30%。同时，酿酒产业也在美国具有重要地位，包括啤酒、葡萄酒等。欧洲地区的发酵食品市场在2020年达到400亿欧元，是全球发酵食品市场中的重要一环。尽管市场规模相对稳定，但其成熟度和品质领先地位在全球范围内有着显著影响。欧洲市场以酸奶、奶酪、腌制品等为主要产品。其中，法国、意大利等国家的奶酪制品享有盛誉，成为欧洲发酵食品市场的特色之一。亚洲地区的发酵食品市场增长速度较快，尤其是中国、日本、韩国等国家。中国作为亚洲乃至全球最大的食品市场之一，在发酵食品领域占据着重要地位。以中国市场为例，中国的发酵食品市场规模已超过9000亿元人民币，并呈现持续增长的趋势。除了传统的酱油、豆腐等，新兴的发酵食品品类也在中国市场迅速崛起，如酸奶、泡菜等。

全球范围内除美国、欧洲和亚洲，发酵食品市场也在其他地区有一定规模的存在，如拉丁美洲、中东和非洲等地。这些地区的市场规模虽然相对较小，但也在不断发展壮大，受到消费者的青睐。全球发酵食品市场呈现出多样化、成熟化和增长态势良好的特点。各地区市场有着不同的特色和发展趋势，消费者对健康、美味和营养食品的需求不断增加，推动了市场的持续发展。

六、结束语

总之，发酵工程技术作为一种重要的生物技术，已经在食品工业中得到了广泛的应用。随着科学技术的不断进步，发酵工程技术也在不断发展和创新，为食品工业的可持续发展提供了强大的技术支持。今后，我们需要进一步加强对发酵工程技术的研究和应用，推动食品工业的创新发展。

文章来源：  《上海轻工业》   https://www.zzqklm.com/w/kj/30978.html

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