乳品发酵剂工业化生产进展
2006-09-17 17:22:21   来源：不详   评论：0 点击：

     最近10年中，浓缩型乳酸菌发酵剂已获得广泛应用，特别是直投式发酵剂已在乳品和奶酪行业中已占有优势。从根本上避免了产品自然发酵周期长，质量波动大和食用安全性及卫生性难于保障的缺陷，促进了产品及生产过程的标准化。
    但直至目前为止，我国发酵乳的生产尚无专用的乳酸菌浓缩型培养物，而有关大豆制品、发酵蔬菜、发酵肉类及葡萄酒等的乳酸菌发酵剂生产几乎是一片空白。使得发酵剂市场长期被国外知名企业垄断，其市场售价高达 10-15 万元吨，1000吨生产规模可形成一亿元以上的利润。由此可见，开发具有我国自主知识产权的，符合中国国情的，性能稳定的标准化商品发酵剂已势在必行。本文中，笔者针对乳品发酵剂制备过程中的重要工艺环节进行了综述，为实现其大规模工业化生产提供相关资料。
1   商业发酵剂的种类
1.1 常规发酵剂
    商业发酵剂按其使用形态可分为传统的液体发酵剂和经低温干燥、喷雾干燥或冷冻干燥等保存技术制成的粉末发酵剂；随使用菌种数量的不同，又可分为单一菌株、多菌株或天然混合菌株发酵剂；不过习惯上多依据微生物的生长特性，大致分为最适生长温度介于 20-30度之间的嗜温型发酵剂和最适生长温度介于40-45度之间的嗜热型发酵剂，其常用菌种如表1所示。

其中，传统酸奶类制品多采用嗜热型发酵剂，主要功用是分解乳糖转化为乳酸；嗜温型发酵剂则多用于生产干酪制品，主要功用是代谢乳中柠檬酸生成重要的风味物质，同时释放出二氧化碳促进产品质构成。                                                        
1.2 新型发酵剂                
    乳酸菌优良特性的不断发现促进了发酵剂种类的更新，使其工业价值和经济效益增值数倍。如使用酸敏感性保加利亚乳杆菌发酵剂可生产风味柔和的酸乳，并延长产品的保质期；产胞外多糖（EPS）发酵剂可赋予产品良好的质构及粘度，从而减少乳固体和稳定剂的用量，降低生产成本；而为了健康目的开发出的“益生”型发酵剂（主要包括嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和双歧杆菌等）已广为消费者接受。很明显，未来的发酵乳生产可能会要求提供具有明确生产特性的乳酸菌发酵剂。
2  影响乳酸菌生长的因素
2.1 培养基
    乳酸菌是具有严格营养要求的化能异养菌，只有很好地了解其对营养物质的要求，分析各种生长辅助因子的特性，才能在研究和生产中正确地选择增菌培养基和培养条件，得到满意结果。适宜生产乳酸菌发酵剂的经典培养基成分如表2所示。

       
2.1.1 碳源：由于乳酸菌缺乏分解淀粉等大分子碳水化合物的酶系，能够利用的碳源主要是乳糖等简单糖类。此外，因碳源对乳酸菌来说还兼有能源的作用，是需要量最大的营养，所以其比例往往远高于氮源。但若碳源浓度超过 3%，乳酸菌的生长则会因细胞脱水而开始下降，并且产生碳分解代谢物阻遏效应。如Hujanen在对干酪乳杆菌NRRIb-441产L (+)乳酸的培养基进行优化时，发现起始葡萄糖浓度在 80-160g/l范围内，乳酸转化率与糖浓度成反比。
2.1.2 氮源：乳酸菌蛋白质分解能力有限，增殖速度快慢和培养基中氨基酸的含量密切相关，因此其最适氮源主要是水解蛋白类物质。氮源中以酵母膏的增菌效果最好，其中多含辅酶与核酸的组成成分（如氨基酸类、肽类和维生素），有助于从多方面满足乳酸菌生长要求。不过酵母粉的高价格往往限制其使用。Kwon 等采用大豆粉的酶水解物大豆蛋白胨来代替酵母膏，并适量添加维生素（如泛酸），使鼠李糖杆菌的乳酸转化率达到92%，高于15g/l酵母膏培养时，且原料的价格下降至仅使用酵母膏时的41%左右。
2.2 共生与拮抗作用
        自然界中广泛分布的乳酸菌能适应各个生存环境，如肉制品、乳制品、面食、洒类和蔬菜等发酵制品中的乳酸菌几乎都存在巧妙的共生或拮抗关系。Rajagopal等;研究表A保加利亚乳杆菌(游离氨基酸质量浓度为61.0一 144.6 mg/L)蛋白水解力高于嗜热链球菌(游离氨基酸质量浓度为2.4一14.8mg/L)，且混合菌培养时的蛋白水解力远胜于单一菌株培养时。这充分显示菌株间的共生关系C symbiosis )，即当保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌按一定比例接种牛乳进行发酵时，杆菌会为球菌的提供生长必需的短肚和氨基酸，特别是tfnlo氨酸和亮氨酸，而后者产生的甲酸和C02又刺激前者增殖。
    另一方面，乳酸菌在代谢过程中还会产生多种生长抑制因子，如有机酸、双乙酞、过氧化氢和细菌素等，导致部分菌活性受到抑制，表现出非协同生长现象。1928年，Roger*首次报道了乳酸乳球菌产生Nisin(乳链球菌肚)对保加利亚乳杆菌有抑制作用V inderola和Mocc在研究64对酸奶菌株组合后，发现约有80%球杆菌株之间存在拮抗作用，其主要原因是保加利亚乳杆菌的代谢产物抑制了嗜热链球菌的生民。由此可见，搭配菌种组合时小仅因制品的种类而异，还必须注意使各菌种间产生理想的共生效果而小是彼此竞争。
2.3  噬菌体污染
    在发酵过程中经常因噬菌体侵袭乳酸菌，致使菌体产酸能力严重下降乃至菌体破裂而致使发酵迟缓或发酵失败，给生产厂家造成巨大的经济损失。发酵工厂预防噬菌体污染时一般考虑以下两点:其一是菌体自带噬菌体(特别是溶源性细菌);其一是生产环境和自然条件中存在的噬菌体。
2.3.1 菌株要求:人们己通过丝裂霉素C诱导和紫外线照射，成功地将溶原性细菌内的噬菌体基因表达、复制、装配并释放出完整的温和噬菌体，并证明了一些温和型噬菌体与烈性噬菌体具有同源性。为防止溶原性细菌裂解释放噬菌体给发酵工收带来的严重威胁，生产中常准备多种对付小同噬菌体的抗性菌株，必要时还可以及时更换或交替使用发酵剂来抵制此类污染日前乳酸菌中许多耐噬菌体质粒己经得到鉴定，并在3个主要领域显示了它的作用:阻碍吸附(阻碍噬菌体对菌体细胞的入侵)、限制变性(易受噬菌体污染的DNA的酶遭破坏)、吸收感染(阻止寄主体内成熟噬菌体粒了的发展形成)。需要注意的是，选育的抗噬菌体菌株必须在发酵速度、产香和产粘等特性方面与母株相似;同时抗噬菌体基因应具有广谱机制，而并非只对单个菌株有效。
2.3.2 环境要求:因乳品厂生产设备一般是半开放式的，有时甚至为连续的生产模式，有必要建立因地制宜的清洁卫生和灭菌消毒制度。如严禁发酵废物(洗罐水和种了剩余培养物等)未经高温处理而排放;实行严格的定期灭菌，并定期监测发酵罐、管道及周围环境中噬菌体的数量变化;注意培养原料的选择，对可能是污染源的鲜乳应进行85度/20 min的热处理;此外噬菌体对乳品发酵剂的侵染依赖于培养基中的游离钙离了的存在。对此可通过制备去钙脱脂乳培养基，或在培养基中加入磷酸欲来有效防止扩大噬菌体污染的范围。
3 工业化制备
3.1 发酵控制
    如图1n"烟了示，首先将巴氏灭菌C115-121度/4-8s)后的培养基无菌转移到预先灭菌的发酵罐中，期间所有阀门、管路和泵都需经CIP就地清洗和蒸汽消毒;然后采用离心泵向新鲜培养基中接种母发酵剂:接种量太小会延长发酵时间，减少菌株对杂菌的抵抗力，接种量过大则会使发酵液pH急剧下降，故生产上一般推荐2-3%的接菌量;接下来将依据发酵菌种的特性对各种发酵生长参数(包括搅拌速度、温度. pH等)进行控制，使细胞产量达到最大。发酵过程pH应严格控制在士0.1个单位，可以采用氢氧化铵作为中和剂，并从发酵罐顶部靠着pH电极(180度方向)缓缓加入。另外除了采用严格的严氧技术外，还可通过添加还原物质以降低培养基的氧化还原电位，这些物质包括抗坏血酸、半胧氨酸谷氨酸和葡萄糖等;通常在对数末期或稳定期初期终止发酵，发酵结束后迅速将发酵培养液冷却到5一15度，制冷设备可以采用管式热交换器，也可以采用发酵罐夹层的循环水(1-2度)。
3.2 富集浓缩
    发酵结束后，培养液经冷却后泵入冷藏罐中采用各种物理方法进行浓缩。日前，大规模分离乳酸菌发酵剂菌体的分离器己配备了CIP就地清洗系统，这种分离设备离心转速相对较低，仅有4500-6000 r/min，但可以将原料乳中约90%的菌体细胞分离出来，另外随菌体离心沉淀下来的丙酮酸欲和一乙酞等酞基化合物，能与细胞内的氨基反应从而加速细胞死亡，理论上应将其与菌体细胞分离，但因实际操作过程小仅繁琐且易污染杂菌，所以在工收化生产中较少采用。应用超滤设备也能成功地对乳酸菌发酵剂菌体进行收集和浓缩。超滤时培养液进、出口的压力分别为414 KPa和207 KPa，分离膜面积为14 m`。实验表明，与常规浓缩方法相比，利用超滤可以使发酵剂细胞浓度提高3倍，而且乳酸菌的产酸活力也大幅度提高。
3.3 生物贮存
    在乳酸菌发酵剂生产单元操作中，喷雾干燥或冷冻干燥的日的都是将离心浓缩后收集到的菌体细胞转变成于粉形式。生产中，喷雾干燥的出日温度应控制在63-68度之间，进u空气的相对湿度小应超过60%。其次，为使喷雾干燥后发酵剂具有更好的活力和更高的活菌数，常在喷雾干燥之前向发酵培养液中添加一定比例的保护剂，如抗坏而酸和谷氨酸等稳定物质。此外，因乳酸菌菌种小同，对喷雾干燥加工工艺的敏感性是小同的。大多数嗜热型乳酸菌发酵剂因具有较高的耐热性，所以可以采用喷雾干燥技术来制备干粉发酵剂，而嗜温型乳酸菌发酵剂因对喷雾干燥加工工艺比较敏感，或许更适宜于用冷冻干燥技术来制备干粉发酵剂。近20年来，冷冻干燥技术己广泛应用于各类乳酸菌发酵剂的制备和生产中。与喷雾干燥方法相比，冷冻干燥后的乳酸菌发酵剂细胞基本没有受到破坏，活菌存活期也较长，且冷冻干燥发酵剂干粉的含水量通常低于2%
4 展望 日前西方乳业发达国家对发酵剂的研制己具有相当的深度和广度；
4.1 欧盟在生物技术应用于乳酸菌这一领域占据一定优势。以爱尔兰Starlal实验室为主体，对乳酸菌基因序列的分析、功能基因的确定、碳氮源代谢途径和所需工收特性基因改造等进行了全面细致地研究，预从基因角度了解发酵机理和过程;
4.2 乳酸菌尤其是双歧杆菌和嗜酸乳杆菌等肠道有益菌分泌的代谢产物对消化道健康、免疫和抑癌的积极作用己引起世界范围的重视，使得研究者跳出单纯利用发酵剂改u产品风味和质构的框架，一步开发出具有高附加值的功能型乳制品;
4.3 与发酵剂生产相配套的工程技术小断改进，诸如代谢调控技术、高密度培养技术、发酵与产物分离偶联技术和冷冻干燥生物技术等，小仅使乳酸菌进行自动化和连续化发酵生产成为可能，还大大降低了机械设备和冷冻干燥对菌体的损伤，提高了发酵剂保藏过程中菌体的存活率;
4.4 质量保证体系(如HACCP和GMP)的发展和建全，使得人们可以通过现代化技术手段使发酵剂生产趋于规范化和机械化，大幅度地提高了产品质量和档次。
    综上所述，乳酸菌发酵剂己成为乳制品发酵的核心，并己成功地应用于酸奶、乳饮料和功能型发酵制品的生产。随着发酵剂的制备在国内逐渐形成专收化和规模化的工收生产体系，必将为发酵乳制品整体技术水平的提高奠定基础。