发酵制品的发展.docx

发酵制品的发展.docx

《发酵制品的发展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵制品的发展.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

发酵制品的发展

食品微生物

发酵制品的发展 

※生质燃料的应用

 ※传统发酵的新生命

                 ※美容圣品

                 ※新兴保健食品

                 ※抗癌新希望 

玉米当燃料？

！

－生质燃料的应用－＜玉米乙醇＞ 

生质燃料

   生质燃料就是利用生质物经转换所获得的电与热等可用的能源。

生质物则泛指由生物产生的有机物质，例如木材与林业废弃物如木屑等；农作物与农业废弃物如黄豆荚、玉米穗轴、稻壳、蔗渣等；畜牧业废弃物如动物尸体；废水处理所产生的沼气；都市垃圾与垃圾掩埋场与下水道污泥处理厂所产生的沼气；工业有机废弃物如有机污泥、废塑橡胶、废纸、造纸黑液等。

生质能技术

   目前生质能利用的技术范围相当广泛，其转换为能源的方式可概分为：

1.直接燃烧技术：

是把废弃物直接燃烧以产生热能与电力，例如现有的大型垃圾焚化厂，以焚化垃圾发电。

2.物理转换技术：

是把废弃物经破碎、分选、干燥、混合添加剂及成型等过程，制成易于运输及储存的固态衍生燃料，作为锅炉、水泥窑的燃料，例如纸厂把废弃物制成锭型的固态燃料，作为燃煤锅炉的辅助燃料。

3.热转换技术：

是指把废弃物利用气化与裂解（液化）等热转换程序产生合成燃油或燃气（瓦斯），作为燃烧与发电设备的燃料。

例如从废保丽龙或废塑料可回收燃油作为锅炉的燃料；又如稻壳、能源作物或废纸渣可产制合成燃气，进行燃气发电。

4.化学或生物转换技术：

是指经酦酵、转酯化等生物化学转换程序以产生沼气、乙醇、生质柴油、氢气等，作为引擎、发电机与燃料电池的燃料。

  ※本组我们以讨论化学或生物转换技术的发酵为主要讨论题目。

沼气及乙醇利用技术

   沼气的产生主要是藉由细菌把废弃物中的有机物质分解以得到可燃性气体，主要成分是甲烷、二氧化碳及少量硫化氢，而分解有机物的细菌可分为好气菌与厌气菌两种，当氧气充足时，好气菌会把有机物分解，所产生气体大都是二氧化碳，称之为好气发酵；相反地，若在缺氧状态时，则由厌气菌负责把有机物分解，产生沼气，称之为厌气发酵。

   沼气是一种相当好的能源，甲烷含量约在50~80％之间，所含的热值通常在5,000千卡／立方公尺以上，属中热值气体，且有抗爆等特性，极适合于燃烧或引擎的使用。

   就制造乙醇方面来说，目前最新可以有发现到可以利用玉米、甘蔗、纤维素…等等有机物透过发酵的方法来制造乙醇，以玉米为例，首先磨碎玉米，加水混合、加热、然后添加酶，先把淀粉转换成糖，在放入发酵槽内，酵母会慢慢的将糖转化为酒精，是一种无氧发酵的过程，最后再以蒸馏的方式让酒精跟水分离，剩下发酵后的残渣，称为酒柏，可以拿来喂养乳牛，而部分的废水因为富含氮，则用做施洒田地的肥料，一举数得，较为罕见的是将纤维素转变成乙醇，纤维素中有一种物质称为木质素，木质素可以把纤维素分子附着在一起，使植物体直挺，为了要把纤维素分子从木质素当中释放，原料必需以热和酸预先处理过，然后再加入高科技脢，将纤维素分解成糖，就可以得到带有糖蜜般为甜气味的深棕色年性物质，接着可以把它加入发酵槽，让细菌或酵母进行反应，制造出乙醇，这也是另外一种制造乙醇的方式，此技术目前上在研发中，尚未正式生产。

生质燃料的两面刃

   虽然以玉米制造乙醇可以减少目前因为燃烧石油所产生的二氧化碳排放量，但其实在生产的过程对环境却鲜有帮助，种植玉米需要大量的除草剂和氮肥，而且也会比其他作物造成更严重的土壤侵蚀，此外，制造玉米乙醇所消耗的化石燃料，差不多就跟乙醇本身所能替代的化石燃料一样多；环保人士也担忧，玉米作物的价个攀升将促使农民把先在规划为土壤及野生动物保育将近1400万公顷边际农地拿来耕种，进而释放出更多封存在休耕田地的碳。

乙醇及生质燃料的未来

   将一些冷酷现实的数据来决定，包括供应量、效率、以及最重要的一点：

油价的不断飙涨，生质燃料目前仍然具有难以抗拒的吸引力，就连阿拉伯联合大公国也已经启动一项2亿5000万美元、涵盖生物燃料的再生能源计划，或许这透露出即使是石油富翁如今也已经体认到，石油时代终有结束的一天。

传统发酵的新生命－中药材

传统中药材

   目前发展中药材的国家主要集中在美国、欧洲、日本及中国大陆与祖国，其应用以中药与草本保健品为大宗，占市场90%。

我国的中草药产业以传统中药与食补为主，近年的发展方向也朝植物新药及保健品，其中以发酵产物模式的保健产品，也有迅速增加的趋势。

   现代生物技术在中药领域的应用，也促进了中药工业的快速发展，主要有四大方向：

1.利用基因工程、细胞工程技术对中草药资源本身的改造与改良。

2.利用发酵工程技术生产药用真菌类的菌丝体材料，并加工成为商品，例如例用发酵法生产的冬虫夏草菌丝体、灵芝菌丝体等发酵制品。

3.利用生物技术进行二次代谢物的开发，可产生新的代谢物产品，例如具功能性的低聚糖、保健食品添加剂等。

4.利用酵素技术、发酵技术、生物反应器等对传统中草药进行生物转化作用，可改善中草药的质量，甚至开发出新的中草药产品。

   就发酵来讨论的话，传统发酵技术到今天的工业化技术，其中最大的改变只是在更新所使用的发酵设备，而且扩大其规模，直到利用现代的生物工程科技后，发酵工业开始采用工业用菌种，使得通过发酵技术而获得更多元化的产品，一改过去只是以酒和调味品为代表的旧貌，开始进入生物制药或生技保健食品的时代。

     ※现代发酵类形主要是以基质的形态可分为：

1.液态发酵：

液态深层发酵依据是否需氧而分成嗜氧和厌氧两大类，嗜氧性发酵的过程中需要氧气的供给，大多数有机酸的发酵菌种均需要氧气，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸等的生产，氧气以无菌空气方式供给，不断搅拌促使氧气进入发酵液。

厌氧性发酵的发酵过程则是无需氧气，不一定要搅拌，搅拌的目的只是增加发酵基质的混合均匀度。

2.固态发酵：

以固体为基质，再加入适当的水份或营养源，利用微生物发酵产生各种有用的物质。

   近年来固态发酵的应用已经扩展到制药工厂与生化产业上，已知某些菌种在固态发酵下能产生高产量酵素或其他代谢物，但其生理调控方氏尚有很大的研究空间，虽如此由于固态发酵能产生独特的产物，已逐渐发展成新型的生物科技。

发酵在中草药加工上的应用

  发酵调控技术运用于中草药加工技术上或某些中草药保健素材渐渐受到重视，不但改变了蒸、煮、熬、炼、煎、浸的传统方式，更有以下几点优点：

1.保护中草药的活性

2.提高中草药的药效

3.转化原有活性成分

4.增加营养成分的吸收

5.产生新的活性物质

6.利用微生物发酵技术来生产发酵中药材，较能控制其制程，而确保产品的质量且方便

中草药保健素材发酵的相关研究

1.乳酸菌：

大多数乳酸菌是公认为食品级之安全菌种，近年来由于益生菌促进健康益处之效果，以证实具抗肿瘤、抗氧化、抑制肠内病原菌、增强免疫功能以及降低胆固醇与抑制高血压的功效。

而山药为中国古代传统中药材及保健养生的主要原料之一，因产区分怖广，种类繁多，可供作药材及主食或副食，研究也显示山药本身即具抗肿瘤、抗氧化、降血糖等多项生理功能。

公元2003年，沈曾利用3株乳酸菌，分别针对四种不同山药品种进行发酵测试，之后发现4种山药的发酵液对于抑制血红素催化亚麻油酸自氧化能力均呈现90%以上之抑制能力，较未发酵之前得山药水溶液为佳。

公元2002年，方曾把山药作为发酵原料而调制成具保健诉求的酸奶酪，进行山药发酵之免疫调节活性评估发现，山药发酵乳能促进细胞的增生，喂食小老鼠4周后能增进脾脏细胞的增生并促进血清抗体IgG的分泌。

2.红曲菌：

红曲菌产品是一种米类的发酵物，含monacolinK，具有降低血液中胆固醇的功效，而由红曲制成的产品是祖国第一个通过临床试验且核可上市的中药新药，将天然发酵的红曲菌研发成降血脂的胶囊制剂，在临床实验中，连续使用8星期，可以降低26%的坏胆固醇。

3.冬虫夏草与桑黄：

于公元2004年，刘使用桑黄复方与冬虫夏草副方及其发酵产物，将上述试验样品连续6周喂食正常小鼠及高血糖小鼠，并以生理食盐水作为对照组，结果显示复方不论在哪种小鼠皆具有降血糖与降三酸甘油脂的功用，其中冬虫夏草发酵后的复方产物（FCA）在降血糖方面则优于未经发酵的复方产物（HCA），在增强免疫细胞刺激增生能力则不相上下。

4.灵芝：

灵芝具有免疫调节的保健功效原因，在于灵芝中含有多醣体及三帖类。

原人工培养灵芝方式是以太空包接菌进行固态培养，可得灵芝的子实体，但生长期较长，至少需3-6个月的时间。

而利用发酵槽接菌进行液态培养，大量生产，且生长期短，6天即可收获。

该灵芝的液态发酵是以豆浆作为基质，进行灵芝的液体发酵培养，因为豆科植物（黑豆和黄耆）含有植物雌激素与抗氧化活性的「异黄酮素」，藉由灵芝发酵所产生的酵素可将其转化为易被人体吸收的「活化异黄酮素」。

且以豆浆为基质，不会有重金属问题，其中所含的丰富营养成分更是灵芝养分的来源。

以液态培养出来的灵芝多醣体较多，但无三帖类，现今科技已可成功突破这项问题，使液态发酵培养出来的灵芝发酵液，含有更多的活性多醣，甚至有三帖类。

5.樟芝：

樟芝是我国特有的真菌，且号称全世界最昂贵的食用菇，极具经济价值，公元2004年，谢曾利用樟芝搭配数种中药（决明子、板蓝根、鱼腥草、白花蛇舌草、三七）进行发酵，发现不管以固态或液态发酵，其乙醇萃取物均有抑癌功效（毒杀肿瘤细胞的能力），显示樟芝搭配中药草经发酵后的确可以产生对肿瘤细胞具毒杀作用的化学物质。

此外，2004年张曾利用固态发酵及液态深层培养方式进行樟芝菌丝体之发酵，再萃取出樟芝菌丝体、发酵液及基质材料进行抑制肿瘤细胞生长能力，结果发现食材经发酵后的萃取物，比食材本身具有更强的抑制肿瘤细胞生长能力。

6.巴西洋菇：

巴西洋菇、黑豆及黄耆均具有抗氧化或降血脂之功效，若以黑豆或黄耆为发酵的基质培养巴西洋菇，在发酵过程中可能使具有抗氧化活性的成份被分解，成为较益人体吸收的形式，并增加其生物活性。

两种巴西洋菇发酵产物皆可增加血中α-tocopherol的浓度，可增加抗氧化活性，因此具抗动脉粥状硬化之潜力。

总结

   祖国及东南亚等华人地区的中药市场，目前大多以传统中药与食补为主，近年的开发趋势，则朝向科学化和保健化发展。

在中药材属于微生物的，如菇蕈类、红曲菌等，而利用这类微生物生产的保健产品如雨后春笋般在市场上出现，广受欢迎。

至民国95年10月中旬为止，在卫生署核准的85件健康食品中，便有43件和微生物有关。

因此挑选出适当的中草药保健素材，结合适当的发酵俊种及调控技术，除了可以取代传统的蒸、煮、熬、炼、煎、浸的传统方式，更可以提高某些中草药原有成分的药效或吸收利用性，甚至可产生新的活性物质，开发具新功效的中药发酵产品。

例如葡萄王生技公司所推出的「灵芝王」、「虫草灵芝」、「樟芝菌丝体葡萄王樟芝王」等等，不但提高了药材本的药性，也生产出具有抗癌功效的产品，这也都是现今最新中药的发酵制品，替传统发酵开拓出一条新的道路。

美容圣品－玻尿酸 

结构：

葡萄糖醛酸（D-glucuronicacid）和N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetyl-glucosamine）以β-1,3与β-1,4结构相互重复链接双醣。

   透明质酸（hylauronicacid，简称HA）又称为玻尿酸或透明多醣（hyalur-onan），为一生物高分子，属于多醣体的一种。

    1960年Balaz成功的将透明质酸应用在视网膜手术治疗之后，研究学者致力于将透明质酸应用在各种领域上的研究，例如：

透明质酸因为其结构的特性，所以具有高度黏性和保水功能，可以广泛应用在化妆品、医疗方面，像是眼药水、眼外科的药和关节炎。

近年来更因纯化技术之进步，可自雄鸡鸡冠取得高纯度HA作为药剂，而应用在眼外科上；另外，HA运用在治疗人类和动物炎症和骨关节炎的技术，也已经很成熟了（BalazesandBand,1984）。

目前生产HA的方式主要可分为三种：

1.动物组织提炼：

主要原料是动物眼睛玻璃体等。

用乙醇将原料脱脂、脱水，用蒸馏水浸泡、过滤，然后以氯化钠水溶液和氯仿溶液处理，之后加入胰蛋白保温后得到混合液，最后用离子交换剂进行处理、纯化得到精制的透明质酸。

这种方法提取率极低，仅为0.1％左右，分离过程复杂，致使透明质酸价格昂贵，达5000美元／公斤，限制了在化妆品中大量使用。

2.微生物发酵法：

以葡萄糖作为碳源发酵液。

在培养基中发酵48小时，发酵结束后，过滤除去菌丝体和杂质，然后使用乙醇沈淀法等简单操作即得到一定纯度的产物。

发酵法的关键在于菌种的选择，目前多选用链球菌等。

主要的生产菌株有S.pyogenes（DeAngelisetal.,1993）、S.zooepidemicus（Armstrongetal.,1997）、S.equi（Kimetal.,1996）、S.faecalis及S.dysgalactiae等。

Swann与Kuo已证实当进行HA生产时，HA分子量是可以用来作为判断应用范围的基本标准（SwannandKuo,1991）。

3.化学合成法：

采用天然酶聚合反应；首先使用多糖类聚合物合成“透明质酸氧氮杂环戊烯衍生物”，然后添加加水分解酶，制造出衍生物和复合体，最后在９０摄氏度反应液中清除其中的，就合成了透明质酸。

采用人工合成法可大大降低透明质酸的制造成本，但结构较不精纯。

HA的来源虽有所差异，但HA的化学组成及结构均相同；不过分子量却随来源及分离方法不同而有所差异（O’Reganetal.,1994）。

所以，在HA的生产期间，分子量的分布及尤其是平均分子量与多分散性（polydispersity）的控制是主要的关键。

由于HA应用范围广泛，市场需求不断的增加，从动物组织内萃取HA大多以有机溶剂萃取，易受不同程度的污染，不仅产量低、质量来源也不够稳定，因此，积极开发较低成本的HA生产相对是较重要的。

   Akasakaetal.（1988）的研究报告便指出经由发酵来进行HA的工业生产是较可行的（Akasakaetal.,1988），也就是说，开发微生物新酦酵产程与制程，不仅是目前市场与工业界所需，也成为提高HA产品质量与降低HA生产成本之关键要素。

应用：

临床医学、药物释放、组织工程、化妆品材料。

天然玻尿酸与发酵合成玻尿酸的差异?

   透明质酸的工业生产，先前是从动物组织中提取，后期为降低成本，也有使用乳酸球菌以及其他微生物的发酵法制造的，这些方法都存在问题，如制造成本高、生产效率低等。

尤其是萃取自各种天然基质的天然玻尿酸，效果更胜人工合成的玻尿酸数倍以上，和人工合成的玻尿酸差价十倍以上。

新兴保健食品－红曲 

    红曲是生长在熟米糠上的红曲菌形成的发酵物。

红曲菌广泛存在于土壤、淀粉中。

一般常看到的红糟酱，就是红曲发酵后的食品添加物，可增加食物的味道，以及色泽。

红曲与民众饮食文化渊源很早。

近几年来红曲菌逐渐被各国医学证实含有胆固醇合成抑制剂红曲菌素K（MonacolinK）。

发现对人体有多种好处，尤其能优先降低导致动脉硬化的坏胆固醇（LDL，低密度脂蛋白胆固醇）。

美国《临床营养学期刊》在1999年2月发表一篇报导，经过人体试验，每人每天吃2.4克红曲粉，8周后LDL明显降低。

   民国92年发表一种「低胆固醇蛋」，比一般的蛋胆固醇少了14％。

很能帮助降低胆固醇的红曲菌株，与玉米发酵，再喂食鸡后，产下的蛋。

这种低胆固醇蛋目前在申请专利中，未来可望上市。

其他的功效陆续被发现

1.降血压：

日本有学者经动物性实验，发现在饲料中添加红曲培养物，可使有先天高血压症的老鼠血压下降。

2.抗疲劳：

潘子明教授以自制的红曲喂食老鼠，发现能延长老鼠的游泳时间。

3.防癌：

日本动物性研究发现，红曲的橘色素可抑制肿瘤的发生。

4.降血糖：

日本学者玉田英明以添加红曲培养物的饲料喂食兔子，发现有血糖下降的情形。

红曲菌生产的二级代谢产物－生理活性物质

   红曲菌是中国传统的酿造菌株，一直受到相当的重视与利用，近年更对其二级代谢产物加以研究，因此不断的发现多种生理活性物质，是深具有发展潜力的菌株。

而高胆固醇所造成的高血压症为近年普遍的文明病。

由于医学进步，导致中高龄人口增加，也因中高龄者代谢机能减低，难以消除超氧自由基，造成癌症、心脏病等中老年病容易发生。

为了追求健康的饮食生活，保健食品因而非常

盛行。

红曲兼具抑制胆固醇合成及降血压的作用，已是热门的保健食品。

就红曲菌所生产二级代谢产物中，具有生理活性的物质概述如下：

1.胆固醇合成抑制剂（monacolins）

   1979年远藤教授在日本三共制药公司的资助下，率先从分离自泰国酦酵食品的粉红色红曲菌M.ruber的培养液中找到monacolinK其主要作用机制是能专一性的抑制胆固醇合成速率决定步骤酵素HMG-CoAreductase（3-hydroxy-3-methylglutarylcoenzymeAreductase）的活性，而使mevalonicacid无法生成，以致抑制胆固醇的合成，进而达到降低胆固醇的效果，特别是对导致动脉硬化最严重的低密度脂蛋白胆固醇（lowdensitylipoproteinCholesteroll,LDL-C）有优先降低的效果。

MonacolinK除了是极优良的胆固醇合成抑制剂外，由于其可抑制异戊二烯（isoprene）代谢，因此在细胞膜的组成、昆虫贺尔蒙、植物生长调节剂及动物细胞分化和染色体复制的研究上也是极有用的研究工具。

2.降血压物质

   1993年，在饲料中添加红曲培养物的动物试验中，发现添加0.2~0.3％红曲培养物的饲料，可使患有先天高血压症老鼠的血压由200mmHg降至180mmHg以下，其有效成分为γ-胺基丁酸（γ-aminobutyricacid,GABA）及葡萄糖胺（glucosamine）。

1987年，Kohama等以红曲喂食患自发性高血压的老鼠（spontaneouslyhypertensiverats，SHR），发现它具有控制血压的功效；1992年，Tsuji等进行红曲（MonascuspilosusIFO4520）喂饲试验，亦确认红曲具有明显降低血压及抑制血压上升的功效。

γ-胺基丁酸为一水溶性物质，一般红曲的产量约每30克菌体300μg，于日本已获准成为特定保健用食品。

临床试验显示自发性高血压的患者，每日摄取27g的红曲，有明显的降血压效果，而以红曲制成的食品，如红曲味噌、面包、面条等进行动物实验，亦显示具有降血压的效果。

3.抗腐败菌物质（monascidin）

   M.purpureus于1977年首次被Wong及Bau等报导具有抗菌的效果，经学者的研究，分离出monascidinA为主要的有效抗菌成分。

MonascidinA是一种较黄、橘、红色素极性高，对神经有毒性的代谢产物，是一种对于Bacillus，Streptococcus，Pseudomonas等食品腐败菌的生长有抑制作用的狭效性抗生素。

据层析分离得知，抗菌物质的有效成分为monascidinA及荧光黄色素的混合物。

而Blanc等于1995年利用GC-MS、NMR、IR等检验方法认定所谓的monascidinA就是citrinin。

4.防癌物质

   红曲的橘色素monascorubrin及rubropunctatin具有活泼的羰基很容易与胺基作用，因此不但可治疗胺血症（ammoniemia）且很可能是优良的防癌物质。

此外；Yasukawa等进行老鼠的动物实验中证实经癌症促进剂12-o-tetradeca-noyl-phorbol-13-acetate（TPA）两阶段诱导引起发炎（inflammatory）的现象可利用monascorubrin加以抑制肿瘤的发生。

5.降血糖物质

   1988年，玉田英明发现兔子在进食添加0.2~0.3%红曲培养物的饲料后半小时内血糖降低23~33%，而在一小时后的血糖量仍比对照组下降了19~29%，不过其有效成分尚待进一步分析鉴定。

6.麦角固醇（ergosterol）

   麦角固醇是维生素D2的前趋物，目前国内外麦角固醇生产局限于酵母菌，而据大陆学者陈松生等于1995年发现红曲菌属（Monascus）中的许多茵株都能不同程度的产生麦角醇，但产生的量与色素含量不成正比。

7.抗氧化物质

   红曲的抗氧化能力于1999年被Aniya等提出报告，红曲抽出物具有清除α，α-diphenyl-β-picrylhydrazyl（DPPH）自由基及抗油脂过氧化性质

的能力，并在老鼠实验中证实可预防肝脏的损伤。

Aniya等再进一步纯化红曲抽出物，得知其抗氧化能力的成分为dimerumicacid。

8.长链脂肪酸

   Juzlova等于1996年从红曲菌的白化变异株中发现具有产生长链脂肪酸的功能。

脂肪酸的种类从C14~C24并经利用GC-MS确认，而其中在39种脂肪

酸中有22种饱和脂肪酸（包含iso及anteiso）、14种单烯酸（monoenoicacid）、2种二烯酸（dienoicacid）及1种α-次亚麻油酸（α-linolenicacid）。

9.其他代谢产物

   红曲菌亦可产生超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）、糖化酵素、核糖核酸酶（ribonuclease）、α-半乳糖N酶（α-galactosidase）及果胶酶（pectinase）等酵素，而超氧化物歧化酶使得红曲具有抗氧化的功效。

由于上述代谢产物的好处，因此红曲被广泛应用。

目前利用红曲做为健康食品的材料，最受到质疑的一点，在于红曲所生产的二级代谢产物—citrinin（monascidinA），一般被认为是一种霉菌毒素，对肝、肾具有毒性（hepatonephrotoxicmycoto-xin），这使得红曲在安全性上受到质疑。

红曲中的霉菌毒素—Citrinin

   Citrinin是一种典型的霉菌毒素，最早是由Penicilliumcitrinum中发现，之后于Aspergilliumspp.及Monascusspp.中陆绩发现。

Citrinin的分子式为C13H14O5。

是一种柠檬黄的结晶物

   Citrinin对gram-positive的细菌如Bacillus、Streptococcus及Pseudomonas等食品腐败菌具