酵母菌在发酵工业中的应用

酵母菌在发酵工业中的应用

摘要：我国劳动人民在几千年前就利用酵母制酱酿酒等，酵母菌在人类的食品化工能源等方面有重大作用。酵母菌发酵食品可改善其风味及提高营养价值。随着生物技术的发展，基因工程在改造酵母方面获得了很多成功，使酵母获得了很多对人类有益的性状。在能源匮乏的今天，利用酵母发酵生物质产酒精作为能源代替品已越来越引起重视。但还需解决纤维素难利用等问题，因此亟需改造酵母，使其适应于纤维素等发酵。

关键词：酵母菌 食品风味 可再生能源 基因工程

The role of yeast in fermention industry

Abstract：The people of our country make sauce and alcohol .Yeast play a important role in food chemeical-industry and energy and so on .Food ferment by yeast has a special taste and nutrient .Along the development of biotechnology ,gene engineer succeeds to change the characters of yeast and get many new properties of yeast to fit the fermentation .Because the short of energy , it is importanceto use yeast to ferment alcohol as a substitution . But yeast can't use fiber to ferment effecient . Gene engineer may solve this problem .

Key words：yeast , flavor of food ,renewable energy sources ,gene engineer .

1 酵母在发酵中的历史回顾

中国是世界上在食品生产中利用微生物发酵技术最早的文明古国,具有许多民族特色的发酵食品,如豆腐乳、豆豉、酱油、酱、醋和白酒等,这些食品的制造工艺属传统的发酵工业[1]。利用酵母对肉制品进行发酵，如腊肉，可以提高肉制品的消化吸收率及营养价值[2]。酵母菌与人类生活密切相关，除了发面做馒头、面包和酿造各种饮料酒外，还能生产酒精、甘油、甘露醇、有机酸、维生素等等。酵母以通气方式培养可产生大量菌体，其蛋白质含最可达千酵母之50%。食用酵母多以糖蜜为原料，生产饲料酵母则以酒精工业、淀粉工业、制糖工业、啤酒工业、千酪工业、造纸工业(亚硫酸盐纸浆废液)等废液以及石腊油、木材水解液为原料生产。生产设备向着大型化和自动化方向发展[3]。使用化学超声波等方法使酵母细胞破碎入醪液发酵，可以缩短发酵周期，提高酱油质量[4]。

2 酵母抽提物的呈味作用原理

一般用酵母菌分为啤酒酵母和卡尔酵母，啤酒酵母属于上面酵母，而卡尔酵母属于下面酵母。酵母的发酵产物可以改善食品风味，能使人增强食欲。例如天然调味料——酵母抽提物(也称“酵母精”) 是以酵母发酵液为原料经自溶等工序而制得[5], 它不同于味精只含单一谷氨酸钠, 除了谷氨酸钠外, 还含丰富的其它10 多种氨基酸、肽以及多肽类、呈味核苷酸、维生素及微量元素等, 多种成分形成一种复杂的复合效应, 不仅具有味精的鲜味, 而且还具有浓郁的肉香味, 添加到许多食品中, 具有强烈的增鲜和增香作用, 可达到理想的调味效果[6]。因而在欧美、日本等发达国家早已大量使用。归纳起来, 酵母精可用在如下多种食品的调味中: 家用调味品、肉类食品加工、水产品加工、快餐食品、方便面汤料及其它汤料、膨化食品、腌渍类佐料、素食食品以及营养滋补品等[7]。酵母源生物饲料作为天然绿色生物添加剂，在改善动物消化健康、提高动物产品质量等有很好的效果[8]。酵母中约有31%的编码基因与哺乳动物的一些重要功能基因具有很高的同源性[9]，使其应用价

值。目前比较流行的食品酵母活性干酵母，应用价值十分的高。活性干酵母有两个基本特征：一是常温下长期贮存而不失去活性，二是将活性干酵母在一定条件下复水活化后，即恢复成自然状态并具有正常酵母活性的细胞。其中，细胞含量超过200亿cfu/g，含水量小于6%的活性干酵母被称为高活性干酵母。高活性干酵母具有含水量低、复水快、贮藏时间长、使用方便等优点。在食品酿酒工业中都有很广泛的应用[10]。

3 酵母在生物能源中的作用

随着石油资源匮乏、价格飞速增长以及全球气候变暖、环境恶化等问题的日益严重, 各国政府、企业和科学界均致力于推动传统石油化工制造行业的产业升级[11]。工业生物制造技术是一种可再生的、环境友好、节能减排的先进技术, 微生物发酵则是其中的重中之重。代谢工程的发展虽然只有短短的20 年, 却极大地推动了微生物发酵工业的发展, 既降低了微生物发酵的生产成本, 又拓展了发酵产品的多样性, 使其在和石油化工制造技术的竞争中在局部占据了上风。2006 年全球的化学市场销售中5%来自于工业生物技术。麦肯锡咨询公司预测在2010年工业生物技术的产值将达到560 亿美元, 占化学市场的20%。随着系统生物学和合成生物学等新技术的迅速发展, 代谢工程和微生物发酵工业在不久的将来会取得新一轮的辉煌[12]。燃料酒精是一种潜力巨大的生物能源，纤维质原料具有来源广泛、成本低廉、可再生等优点，因此，用纤维质原料制燃料酒精具有其他淀粉原料不可比拟的优势。目前，燃料酒精的生产占世界酒精总产量的66﹪，并且还有进一步增加趋势［13］。但是，转化过程中纤维素酶的成本降低问题、发酵工艺的优化问题以及酒精废糟的综合利用问题尚未得到完善，值得我们深入的研究解决。

生物柴油主要以植物油脂、动物油酯、废餐饮油等原料通过酯交换法来生产，但成本

过高，且与其他产业竞争原料[14]。将纤维素、半纤维素等糖化发酵培养高含油脂的酵母、霉菌、藻类可获得更多的生物柴油原料。如果能够大规模培养获得可以在湖泊、海洋生长的绿藻、螺旋藻、微藻、小球藻等，替代动植物油酯作为生物柴油的原料，将彻底解决人类的能源问题。各种海洋、湖泊高产油脂的藻类菌种筛选培养，油料树种的大面积种植，纤维素、半纤维素糖化后高产油脂的酵母、霉菌、藻类的发酵培养，均是好的发展方向[15]。微生物以单糖为碳源发酵产油脂以纤维素裂解产生的单糖、寡糖等裂解液为碳源，经高产油脂的霉菌，酵母菌，藻类发酵生产油脂，生产生物柴油[16]。

目前已发现能代谢木糖的微生物百余种，包括细菌、真菌和酵母菌，但是细菌发酵木糖产乙醇的浓度和产率较低，产物复杂，耐乙醇能力较差，真菌产乙醇速度较慢[17]，所以，大量的研究集中在发酵性能相对较好的酵母菌上。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中半纤维素占到11%～37%[18]，而半纤维素水解产物主要为木糖，所以通过酵母充分利用木质纤维素水解液中的木糖发酵生产乙醇是木质纤维素乙醇产业技术成熟的关键[19]。

4 酵母发酵工业面临的困难和问题

根据絮凝特性和糖抑制类型,啤酒酵母的絮凝可分为FLO1型(甘露糖专一型)和New FLO1型(受甘露糖,麦芽糖,葡萄糖,蔗糖等抑制)[20]。发酵啤酒过程中，使啤酒酵母啤酒凝集可以减轻过滤压力，增加啤酒清纯口味[21]。如果酵母能够分泌β-内切葡聚糖酶,就可以使啤酒中的大麦β-葡聚糖在发酵中降解,从而防止了由β-葡聚糖可能引起的混浊,去除β-葡聚糖也有利于含高β-葡聚糖的啤酒的过滤[22]。

在生产过程中，选用性能优良、 稳定的酵母菌菌株并不断优化酵母菌的营养与环境， 尽量不要让酵母菌通过调节自身的功能去适应环境， 而是要不断优化营养与环境，去满足酵母菌生理活动的需求， 保证酵母菌发酵正常， 从而保证发酵产品的质量稳定性[23]。

发酵过程中对于保障纯种发酵和质量稳定,酵母菌株的稳定性至关重要,因此,遗传改良的酵母必须保持其新获得的性状。目前,将目的基因整合进酵母染色体一般比在质粒载体中更稳定。但是,随着遗传学的高速发展,质粒载体会更稳定[24]。最近几年,利用酵母遗传学改良,构建更好的酵母菌株已经取得了长足的进步。相信不久的将来,经遗传改良的啤酒酵母将广泛地应用于啤酒酿造工业,显示出其巨大的价值。

5.展望

酵母对人类贡献很多，但随着人类社会的发展，酵母目前的产品不足以满足人类日益增长的需求，亟需选着具有新性状的酵母来适应发酵工业的需要。目前有三种方法：从自然界选择自发突变菌株 、诱变和使用基因工程改造[25]。

获得自发突变株或诱变株是较简单的直接改良酵母菌株的方法。自发突变菌株通常无外源遗传损伤,不需要再通过回交方法去除或抑制之。自发突变株通常较稳定。但自发突变也具有突变频率低,需富集等缺陷[26]。

对酵母进行诱变剂(EMS、NTG、紫外线)处理也是一种很有效的筛选目的菌株的方法

[27]。

基因工程改造酵母。酵母具有比大肠杆菌更完备的基因表达调控机制及对表达产物的

加工修饰和分泌能力，并且不会产生内毒素，是基因工程中良好的真核基因受体菌[28]。采用基因工程方法将多种纤维素酶在酿酒酵母中高效共表达,就可直接降解纤维素,应用于环境和生物质能等领域[29] 。pScIKP载体能成功用于多个外源基因共表达和产物协同作用的研究[30],为构建能直接降解纤维素的酿酒酵母菌株,实现纤维素可再生能源的生物利用奠定了基础[31]。Ingram 研究小组分析了生产乙醇的大肠杆菌代谢网络, 确定丙酮酸和NADH 供给是乙醇合成的关键节点; 通过扩增表达运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶, 将碳代谢通量几乎全部转入乙醇合成, 从而使乙醇发酵产率达到95%以上[32]。

酵母生产企业每吨产品产生的发酵残液较多。因此在发酵生产的同时，要加强对度水的治理，做到达标排放，将企业建成环境友好企业。许多工厂是将酵母工厂废水蒸发浓缩，制成颗粒状的物质，作为牛饲料。有的工厂直接将含氮量高的发酵液排放到种草的农场，作为补充肥料。发酵工业与国民经济和人民生活关系密切，对支援农业、繁荣市场、扩大出口、换取外汇、以及三废治理、环境保护等方面，起着重要的作用。随着生物技术的研究和应用，发酵工业必将给人类带来更大的益处。而酵母发酵则是发酵工业中的重中之重，一定要重视。

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