發酵技術在農產品加工中的應用研究

摘要隨著科學技術的發展，生物工程技術應用范圍日益廣泛。發酵技術作為生物工程的一部分，在農產品加工中具有重要的應用價值。發酵技術作為一種古老而又經典的加工方法，具有獨特的優勢和潛力。發酵技術通過利用微生物的代謝活動，可以改善食品的品質、延長貨架期、提高產品的營養價值，同時還可以降低加工成本和環境污染。因此，發酵技術在農產品加工中的應用越來越受到研究者和產業界的關注。針對目前發酵技術在農產品加工中的應用情況進行分析，總結發酵技術的應用現狀，以期為提高農產品加工質量提供參考。

關鍵詞農產品；加工；發酵技術

中圖分類號TS201.3"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0012-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

StudyontheApplicationofFermentationTechnologyinAgriculturalProductProcessing

XIZhi-fang，LIYu-chun，LINYi-yietal

（CollegeofHorticultureandFood，GuangdongVocationalCollegeofEcologicalEngineering，Guangzhou，Guangdong510520）

AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology，theapplicationofbioengineeringtechnologyisincreasinglyextensive.Asapartofbioengineering，fermentationtechnologyhasimportantapplicationvalueintheprocessingofagriculturalproducts.Asanancientandclassicalprocessingmethod，fermentationtechnologyhasuniqueadvantagesandpotential.Fermentationtechnologycanimprovefoodquality，extendfoodlife，improvenutritionalvalue，andreduceprocessingcostandenvironmentalpollutionbyutilizingmicrobialmetabolism.Therefore，theapplicationoffermentationtechnologyinagriculturalproductprocessinghasattractedmoreandmoreattentionofresearchersandindustry.Inthispaper，theapplicationoffermentationtechnologyinagriculturalproductsprocessingwasanalyzed，andtheapplicationstatusoffermentationtechnologywassummarized，inordertoprovidereferenceforimprovingthequalityofagriculturalproductsprocessing.

KeywordsAgriculturalproducts;Processing;Fermentationtechnology

基金項目廣東省林業科技創新項目（2020KJCX011）；

廣東省林業科技創新項目（2021kjcx010）；廣東生態工程職業學院校級精品課程（2020zlgc-xj-jpkc022）；廣東生態工程職業學院質量工程項目2021年食品教學團隊項目；廣東生態工程職業學院校級科研項目（2020kykt-xj-zk07）。

作者簡介奚志芳（1980—），女，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，從事特色林果的加工貯藏、產品開發的教學與科研工作。*通信作者，講師，博士，從事食品添加劑的綠色合成及應用、食品營養的教學與科研工作。

收稿日期2023-11-14；修回日期2024-04-22

當今世界的糧食系統（包括農業和食品加工業）面臨著兩個重大挑戰。第一個是很大一部分農產品在食品加工步驟中損失、丟失和浪費，或者由于缺乏適當的儲存設施而導致糧食短缺、食品品質降低和環境污染。比如，水果飲料等食品加工行業產生大量植物廢物，包括果肉、果皮和營養含量高的青貯飼料等。現有的“末端處理”技術涉及在將廢物排放到環境中之前進行處理或過濾，無法充分利用和開發這些農副產品。第二個問題是農產品加工不能提供一個促進健康飲食的良好選擇。很多現代食品中含有過量的糖、精制碳水化合物、加工肉類、人工添加劑、反式脂肪等物質，這些物質是人類肥胖、2型糖尿病（T2DM）、荷爾蒙失衡、心血管疾病（CVD）和人類神經退行性等疾病的重要發生因素。

發酵技術的應用可以有效解決這些問題。發酵是一項古老的技術，最早是為了保存易腐爛的食品而開發的。研究發現，發酵食品較其制造原料有許多優勢，它們更安全、更穩定，并提供獨特的感官和營養特性以及治療特性^［1］，例如，發酵可以有效抑制或消除不同種類的微生物，包括食源性病原微生物和腐敗微生物^［1］。發酵可以合成維生素、必需氨基酸和蛋白質等營養物質，從而提高食品的營養價值，促進營養物質的消化吸收，減少抗營養物質如植酸和蛋白酶抑制劑，賦予食品特有的色、香、味和改善食品的質地^［2-3］。并且，通過發酵可以降低食品的毒性，提高食品的安全性。例如，在面團發酵過程中，可以明顯減少小麥粉中的赭曲霉毒素A（一種生谷物中的腎毒性霉菌毒素）的含量^［4］。此外，很多研究發現發酵可以使產品產生新的藥理作用。例如，在牛奶發酵過程中，形成血管緊張素-1轉化酶抑制肽有助于降低血壓，同時發酵過程中產生的胞外多糖具有促進抗氧化、抗糖尿病和抗癌^［5］等功能，還能降低血糖、抗腹瀉和抗血栓^［5-7］。

發酵也被廣泛用于生產獨特和新穎的食品^［8］以及將農產品垃圾轉化為高價值的食品成分、化學品和生物化學品^［1］，例如，食品調味劑、有機酸^［9］和酶^［10］。

這些優勢促進了傳統發酵產品產生商業化價值和更多功能型創新產品的開發^［1］。因此，發酵技術的應用為農產品加工帶來了一種全新的解決方案。目前發酵技術在農產品加工中應用廣泛，如食品領域、農副產品領域、藥物領域、其他農產品領域等。該研究綜述發酵技術在農產品加工中的應用情況，以期為提高農產品加工質量提供參考。

1發酵技術

1.1傳統發酵技術

傳統發酵技術包括深層發酵 （SMF）和固態發酵（SSF），深層發酵（SMF）是一種微生物在深層培養液中生長的過程，該培養基中不斷添加強制性營養物質，以更好地培養微生物，包括在中等發酵和高濃度的封閉反應器中準確地培養選定的微生物^［11-12］。固態發酵（SSF）是一種在制藥、紡織、食品等不同行業中應用的發酵技術，使用固體基質支持物代替液體培養基來生產代謝微生物^［13-14］。與深層發酵相比，固態發酵具有直接利用農業和工業殘留物作為碳源、成本低廉等優點（表1）。

1.2新興發酵工藝技術

新興發酵工藝的出現就是為了提高傳統發酵過程的效率，繼而達到控制（操縱）過程變量的目的。比如更換使用的發酵劑菌株、提高發酵過程中特定底物的可用性，以及開發更快發酵和將底物有效轉化為所需代謝物的制備方法或制造工藝。非熱處理技術如高壓處理（HPP）、脈沖電場（PEF）和超聲波（US）等可以對發酵過程變量產生積極影響，提高潛在的用于提高食品發酵過程的效率，從而能夠生產出在感官屬性和營養品質方面具有更好特性的發酵產品。其機制可以概括為：①通過增加微生物膜來增加發酵劑活性，通過在微生物細胞膜上形成可逆孔來提高滲透性和增加傳質，從而加速必需營養物質跨細胞膜的運輸并消除細胞中的廢物^［16-19］。②通過增強膜透化增加酶活性，從而增加酶釋放，以及酶構象的變化，從而增加可用活性位點的數量與底物接觸并提高酶對底物的親和力^［20-23］。③對底物進行化學和物理修飾，從而為發酵劑培養和酶活性提供最佳環境。

2發酵技術在食品加工中的應用

2.1傳統食品與釀酒工業

在傳統食品的發展歷程中，發酵技術一直伴隨著生產過程。我國傳統的發酵醬都是以谷類、豆類作為主要原料，在適當的溫度、濕度下，經微生物發酵而成的半固態食品或液態食品。常見的植物類發酵醬主要有黃豆醬、甜面醬、豆瓣醬、豆豉、果醬、辣椒醬等。釀醋工藝在我國已有3000多年的歷史，其以曲作為發酵劑，經發酵釀造而成。隨著社會發展，釀醋的原料也更加多樣化，各類新品種醋被開發，如甜柿子果醋、草莓復合果醋、蘋果醋等（表2）。

根據北魏賈思勰所著《齊民要術》，我國形成相對完善的曲釀酒體系已經有1500多年的歷史。在曲釀酒體系中，對制曲的季節、原材料的處理、制曲水分的控制等都有著較為明確的要求，從而保證了酒品的質量。我國曲釀酒技術的發展逐漸形成了具有我國特色的釀酒方法，與國外各類釀酒技術截然不同，體現了屬于我國的獨特風味。至今，我國的曲釀酒技術仍在世界釀酒領域占據著重要的地位。然而，由于啤酒、白酒等高度酒精飲品的受眾相對較小，為了進一步擴大受眾群體，各類低度酒飲料相繼上市。這些低度酒通常以面包液為基質，結合菌類母液等進行混合發酵。

葡萄酒在我國有著悠久的釀造歷史。釀造是一個涉及微生物協同作用的過程，釀酒酵母在整個發酵過程中扮演著關鍵角色。釀酒酵母具有很強的殺菌能力，它可以與其他微生物競爭營養并抑制其生長。同時，釀酒酵母還能分解葡萄中的糖分、色素等物質，并生成多種酶。不同類型的釀酒酵母產生的酒精含量也有所不同^［2］。酵母在葡萄酒發酵過程中起著重要的作用，如果控制不當，會對葡萄酒的質量產生不良影響。以硫化氫為例，酵母過度繁殖會產生這種污染物，硫化氫具有刺鼻氣味，會影響葡萄酒的口感。此外，酵母還可以作為澄清葡萄酒的絮凝劑。但是，酵母對待外界環境的耐受性有限，過度使用或處理不當可能會破壞葡萄酒的口感和風味。

2.2食品添加劑

目前生物技術在添加劑生產中的作用日益凸顯，已經成為食品添加劑生產的重要趨勢。如目前生活中常見的各類食用色素、香料等，大部分都是經過發酵技術制備而成的。食用色素是常見的食品添加劑，因此其安全性一直以來都備受人們的關注，發酵技術制備的食用色素無須添加化學品，從而降低了化學合成潛在的風險，且不會增加生產成本，工藝產量高，安全性好，目前已經成為食用色素生產主要技術。傳統味精加工過程中采用的是酸法水解技術，而目前則多采用雙酶法糖化發酵技術，不僅有效提高了原材料的利用率，還降低了生產的成本。利用發酵技術生產的食用膠有安全、無毒、功能性獨特等優勢，作為增稠劑、乳化劑、穩定劑或品質改良劑等被廣泛用于食品工業內。

2.3植食性發酵食品

功能性食品生產一直是近年食品行業發展的主要焦點，在開發中多利用食品中的有效成分，這些有效成分經處理后直接進入人體內，對人類的生理功能產生積極的影響。發酵食品的研發和推廣不僅使人們的飲食更加豐富多彩，還具有一定的保健和治療作用，有助于延長壽命。

在谷物、豆類、藥用植物甚至乳制品等植食性產品的發酵過程中，通常占主導地位的微生物群落是乳桿菌屬、明串珠菌屬、乳球菌屬和鏈球菌屬。在酒精發酵過程中，酵母菌（釀酒酵母）和乳酸菌占主導地位，而在醋酸發酵過程中，醋桿菌屬和葡糖桿菌屬的真菌占主導地位，在奶酪發酵過程中，青霉菌屬、丙酸桿菌屬以及乳酸菌占主導地位。研究表明，發酵食品可用于改善因微生物組多樣性下降而引起的健康問題^［25］，比如，乳酸發酵的食物會產生可以調節腸道微生物組的生物活性化合物。一項對Kefir（發酵乳）等發酵食物進行的測試結果表明，食用Kefir有助于消除致病菌螺桿菌并改善乳糖的吸收^［26］。在植物底物的發酵過程中，酸性條件會抑制植酸酶的活性。該酶合成的植酸會螯合植物中的二價金屬離子（如Ca²⁺和Zn²⁺），從而降低其生物利用度。而微生物酶和內源植物酶可以改變水果和蔬菜基質的特性，提高各種植物化學物質（多酚、類胡蘿卜素和芥子油苷）的生物利用度^［27］。這些植物化學物質具有廣泛的抗氧化、抗炎和抗癌活性，還可以控制肥胖、二型糖尿病（T2DM）以及衰老等問題^［27］。當發酵技術應用在功能性飲料上還可在醫療領域展現出潛在的應用前景。例如，Johnson等^［28］從棕櫚酒（北蘇門答臘島一種發酵酒精飲料）中分離出一種 T2 菌株，其分子量較低（26～28 kD）。該酶是纖維蛋白溶解酶的潛在來源，可以降解纖維蛋白，口服時可以預防血栓形成。

2.4發酵乳制品和動物產品

大量的科學研究都認為食用酸奶和奶酪等發酵乳制品對健康有益。例如，奶酪中的酪蛋白通過分泌細胞外蛋白酶對乳蛋白（酪蛋白和乳清）進行蛋白水解，產生一系列不同的生物活性短肽。這些生物活性肽可以通過與細胞受體和酶的相互作用顯著影響人體的生理和細胞代謝。這些生物活性肽具有免疫調節作用，通過對抗脂質過氧化和細胞活性氧水平起到抗氧化應激的作用，從而表現出抗炎和抗癌活性。某些酪蛋白衍生的生物活性三肽（纈氨酰-脯氨酰-脯氨酸和異亮氨酰-脯氨酰-脯氨酸）也可作為血管緊張素轉換酶（ACE）-II抑制劑，從而有助于預防高血壓。例如，牛奶和肉類等反芻動物衍生產品富含共軛亞油酸（CLA），這是亞油酸的反式脂肪酸異構體，其以抗肥胖和動脈粥樣硬化作用而聞名。與某些乳酸桿菌和雙歧桿菌一樣，某些細菌可以通過其亞油酸異構酶活性進一步增加牛奶中的CLA濃度。此外，由于細菌的基質軟化作用，發酵乳制品中的鈣、鎂等多種礦物質也比牛奶更豐富。與較低的心血管疾病風險相關的營養物質維生素 K2，就存在于工業發酵乳制品（如奶酪）中而不存在于牛奶中^［29］。

2.5生產單細胞蛋白

單細胞蛋白中較常見的有酵母蛋白、細菌蛋白、藻類蛋白，單細胞蛋白還可以在水果/蔬菜加工產生的各種廢物上生長，如甘蔗渣、菠蘿蔓越莓廢水、山藥皮、石榴皮、橙子果肉、香蕉皮，甚至奶酪乳清。單細胞蛋白的蛋白質產量很大程度上取決于生長基質的營養成分。釀酒酵母（酵母）、熱帶假絲酵母、黑曲霉（真菌）是高蛋白質含量單細胞蛋白的一些例子。螺旋藻（一種藍細菌）也是單細胞蛋白的一個常見例子，它可以在奶酪乳清等基質上生長。這些蛋白質都是優質的蛋白質資源，能夠有效解決日益緊張的蛋白質資源不足的問題，降低對農業資源的消耗。微生物所產的蛋白質不僅能夠直接供應人類食用，還能夠作為飼料來喂養家禽家畜，降低對常規飼料的需求。單細胞蛋白存儲性能良好，風味溫和，可代替傳統的蛋白質添加劑廣泛應用，同時還可作為營養強化劑用于食品加工中。

2.6新糖原開發

隨著我國肥胖人群、糖尿病患者數量的增加，新型健康糖類的研發也備受關注。利用微生物發酵技術能夠制備出新型的糖原，如在將淀粉酶解成葡萄糖后，可利用嗜高滲酵母進行發酵處理，再經濃縮、結晶、分離、抽離和干燥等步驟加工后，即可制得赤蘚糖醇。這類糖原甜度高、熱量低，對于含有肝腎疾病、糖尿病等無法直接適用含糖制品的人群而言，這類新型糖原能夠滿足其對甜味食物的食用需求，不會增加其發病風險。

3發酵技術的其他應用

3.1發酵技術在藥物研究中的應用

據世界衛生組織（WHO）估計，很多發展中國家超過3/4的人口使用草藥進行初級衛生保健^［30］。中草藥的使用和研究在我國更是有著幾千年的悠久歷史，是中華民族的瑰寶。通過微生物發酵介導的傳統中草藥生物活化可提高治療效力和功效并降低毒性，其基本原理可概括為以下幾個特點^［31］：①中藥的一些成分具備改變微生物代謝途徑的能力，進而產生嶄新的成分；②微生物在藥物發酵過程中，利用其產生的生物活性大分子如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶、酯酶和酰胺酶等，積極參與化學反應，將草藥分解并轉化為全新的實體；③大量微生物以中草藥有效成分為基礎，能夠合成嶄新的化合物；同時，這些微生物的次生代謝產物也與中草藥相互作用，導致全新的化合物形成；④草藥成分濃縮，微生物在其生長階段可以消耗非藥用成分，例如蛋白質、糖和其他物質。發酵技術是對傳統中草藥催化轉化并高效利用最有用的技術之一。發酵過程中其可通過對異黃酮、皂苷、植物甾醇和酚類等天然分子進行修飾或轉化來改善草藥的藥理特性，從而發揮有益健康和預防疾病的作用^［31］，在底物的代謝分解過程中，除了通常的微生物發酵產物（CO2和CH3CH2OH）之外還會產生幾種其他化合物，特別是在微生物生長的滯后階段。這些額外的化合物，屬于次級代謝物，如抗生素、肽、色素、酶和生長因子等，這些化合物具有抗感染、抗炎、抗癌等多種生物活性，因此被稱為生物活性化合物^［32-33］。因此，發酵技術是生產新的、毒性較小的生物活性產品的可行方法，化解了從生物系統或化學合成中生成這些產品的局限性。

3.2在農副產品上的應用

發酵技術是一種將農產品廢物再利用的可持續手段，這些方法更具經濟效益且持久。深層發酵和固態發酵是將農工業副產品轉化為適銷產品的最常見的兩種方式。

農產品的加工會產生大量廢棄物，這些也被稱為農業廢棄物。以果汁生產為例，制作果汁過程中會產生果渣和果皮等廢棄物，而食品加工行業則會產生薯渣和蔗渣等廢棄物。這些廢棄物富含豐富的有機物質，如蛋白質和纖維素。目前的很多研究是以廢棄物作為主要培養基，固態發酵處理農產品廢棄物。這種發酵方法對于解決環境污染問題非常有效，也有的研究方向是高效利用農業廢棄物，從中獲得可再利用的產品。例如，可以利用80%的乳酸菌和20%的酵母對橄欖廠廢水、糖蜜和稻殼等底物進行發酵，生產出pH為4.07的有機生物肥料^［34］。這種低pH的有機肥料可以長期儲存，而且無需特殊的儲存要求。目前已經有一些研究針對甘蔗渣、蘋果渣和馬鈴薯渣等廢棄物進行報道，可以利用這些廢棄物生產飼料蛋白、有機酸、乙醇和酶等產品。

3.3在其他農產品加工中的應用

3.3.1在煙草加工中的應用。

發酵技術是提高煙草可用性和感官質量的重要加工程序之一。在一般的卷煙加工過程中，通過適當添加各種口味的香料、香精等來增加成品煙的香味，彌補煙葉的一些缺陷，改善煙草制品的感官。但是，在煙草雪茄的點燃和吸食過程中，其香氣完全來自煙葉本身，因此對雪茄煙葉質量的要求非常高。雪茄煙葉在晾曬完成后會經過人工發酵，只有經過發酵處理的煙葉才能用于制作雪茄煙。雪茄煙葉的發酵工藝需要根據煙草質量，處理后煙葉的狀態、用途以及生產環境等因素進行選擇。通過發酵處理，煙葉中的蛋白質、糖類等高分子物質會分解為有機酸、羰基類化合物等香氣前體物質，從而提升煙草的品質，并改善煙葉的外觀。

3.3.2在飼料加工中的應用。

微生物發酵飼料是在人工控制條件下，利用植物性農副產品作為主要原料，利用微生物的特性，通過微生物作用產生有機酸和可溶性小肽等小分子物質，制備出富含營養、口感良好、微生物活性高的生物飼料。這項技術被廣泛認可為解決我國動物飼料資源不足問題中最為有效的方法之一。大量研究表明，通過微生物發酵，飼料原料的質量和營養價值得到了明顯提升^［5］，主要體現在以下幾個方面：①微生物發酵有助于降低飼料中的毒素和降解抗營養物質，減少對動物的傷害；②微生物發酵可以促進營養物質的消化吸收，微生物發酵過程中產生的小分子物質，如有機酸和可溶性小肽等，具有促進營養物質消化吸收的作用；③微生物發酵可以提高動物的免疫能力和抵抗力，微生物發酵飼料中的活菌數量較高，這些益生菌可以有效地提高動物的免疫能力和抵抗力，預防疾病；④微生物發酵可以預防動物疾病及減少畜禽養殖污染，通過微生物發酵飼料的應用，可以預防動物疾病的發生，同時減少畜禽養殖過程中對環境的污染。

4結語

發酵技術在農產品加工中的應用研究具有廣泛的前景和潛力。通過發酵技術的應用，可以改善農產品的保鮮性、口感和風味，提高其營養價值和功能性。然而，發酵過程產生的副產物，尤其是生物胺不能忽略，如果體內的生物胺超過特定限度，可能會損害健康。盡管如此，發酵技術可以根據最新的研究進展進行改進。未來的研究應進一步深入挖掘發酵技術在農產品加工中的潛力，探索更多創新的應用方式，為農產品加工業的發展注入新的活力。

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