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椰果發酵技術及食品中應用

瀏覽次數: 日期:2017-07-18 10:30
 
陳正行,于秋生,徐暉 
( 江南大學 糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室, 江蘇無錫 214122)
 
摘要: 發酵技術生產的椰果,即微生物纖維素,是纖維素在自然界存在的一種形式,很久以前就用于食品制造。 椰果的原料天然、生物合成過程溫和、最終產物綠色,具有高持水量、高濕態,柔韌性、高原位反應活性等優異性能。在綜述30多年來世界上微生物纖維素發酵制備技術的基礎上,提出我國椰果發酵產業今后的發展方向。
 
關鍵詞: 椰果;膳食纖維;微生物纖維素;發酵技術;功能特性
 
中圖分類號: TS255.1    文獻標志碼: A
 
1.膳食纖維、微生物纖維素與椰果
 
膳食纖維既不能被胃腸道消化吸收,也不能產生能量,曾一度被認為是一種“無營養物質”而長期沒得到足夠的重視。沒得到足夠的重視。 19 世紀 60 年代,首次提出的“粗纖維冶概念,用來表示不能被稀酸、稀堿所溶解,不容易被家畜消化的部分。粗纖維是植物細胞壁的主要組成成分,其主要成分是纖維素、半纖維素、木質素及少量含氮物質。通常認為粗纖維對人體不具有營養作用,甚至吃多了還會影響人體對食物中營養素( 尤其是微量元素) 的吸收,對身體不利,故一直未被重視。 因此,膳食纖維一詞在 20 世紀 70 年 以前的營養學中不曾出現。隨著飲食結構、生活方式和生存環境改變導致的高血脂、糖尿病、肥胖癥患者不斷增多,促使營養學、食品科學和預防醫學等相關學科深入研究,逐漸發現膳食纖維具有相當重要的生理作用,繼而把膳食纖維作為除碳水化合物、水、蛋白質、礦物質、維生素、脂肪以外的第七大必需營養素。
 
自然界最不缺的高分子材料是天然纖維素,但人類最缺的是生理活性優越的功能性纖維素。功能性纖維素是膳食纖維體現其生理活性的根本,已成為膳食纖維概念誕生以來食品科學的主要研究方向之一。 椰果就是一種在國外得到廣泛認同的優質功能性膳食纖維,是以椰子水或椰子汁為原料經微生物培養形成的一種乳白色半透明凝膠狀厚膜,主要成分為微生物纖維素。
 
1886 年, Brown 等[1] 發現在釀醋過程中漂浮于液面的凝膠狀薄膜,經分析證實其在化學結構上與天然纖維素組成一致,故稱之為微生物纖維素(mi鄄crobial cellulose,MC) 或細菌纖維素( bacterial cellu鄄lose,BC),都是吡喃型葡萄糖單體通過 茁鄄1,4鄄糖苷鍵連接而形成的一種無分支、大分子直鏈聚合物,具有(C6 H10 O5 ) n 的組成,直鏈間彼此平行,不呈螺旋構象,無分支結構。到 1954年,Schramm 等[2] 提出了HS 培養基,微生物纖維素才開始被批量化制備。今天,微生物纖維素以椰果、面膜、創傷敷料、音響振膜、強度紙張和人造血管等多重身份出現在人們的生活中。 其中,椰果即食品形式的微生物纖維素。
 
2.微生物纖維素的制備技術  
 
自然界中,能夠產生纖維素的微生物種類繁多,而醋桿菌以其胞外合成纖維素特性與較高的纖維素產率被作為模板微生物(archetypemicroorganism)廣泛用于微生物合成纖維素的研究。 微生物纖維素實為醋桿菌的代謝產物,其生物合成過程主要分為 2個部分:細胞內生物合成( intercellular biosynthesis) 和細胞外生物自組裝( extracellular biogenesis) 。 由于葡萄糖小分子在微生物體內經歷了 4 個主要的酶參與反應, 形成糖核苷酸前驅體( sugar nucleotide precursor) ———尿苷二磷酸葡萄糖( uridine-diphos-ophate-glucose,UDP-glucose),并最終經由細胞側壁呈線性排列的終端合成器,以b-1,4鄄葡萄糖鏈的形式排出細胞體外,后者通過分子鏈間氫鍵結合,經過纖維素微纖(cellulose microfibril) 、纖維素絲帶( cel-lulose ribbon) 、 纖維素絲束(cellulose bundle) 等步驟,最終形成各向異性的纖維素網狀結構( cellulose network) [3] 。 因此,醋桿菌也被稱為纖維素合成的微生物“ 工廠”。
 
Schramm 等[2] 發現靜態與動態搖瓶 2 種發酵培養條件下得到的微生物纖維素,在形貌、理化性質等方面差異較大。 這為之后的相關研究定下了基調:從實際應用的角度出發,靜態發酵培養得到的微生物纖維素具有規則的外形與均質的結構,更具應用價值。 但是,受制于醋桿菌的賴氧特性,靜態培養條件下微生物纖維素形成于培養液與空氣的界面。 在很長的一段時間內,靜態發酵培養依賴于手工操作,受人為因素影響大。 20 世紀 80 年代的微生物纖維素發酵產率低下,產品批次間差異大,菌膜染菌、鼓泡等問題突出。 Masaoka 等[4] 和 Okiyama 等[5] 對發酵培養過程中外界因素對微生物纖維素產量、產率以及結構等方面的研究較為深入,為微生物纖維素的規?;齔雋送懷齙墓畢?。 其研究成果有,靜態發酵培養時,培養容器應是具有較大上表面積的淺盤,既節約空間,又可提高纖維素產率;同時,在靜態培養之前,用發酵罐動態培養,在短時間內將細胞體積濃度提升到靜態培養時微生物纖維素快速生長時的水平,先動態后靜態的 2 步法培養方式能夠縮短發酵培養微生物纖維素的周期,同時得到的微生物纖維素膜也更均質。
 
微生物纖維素的生物合成過程是一個受菌種特性、培養液組成、環境參數、培養條件等多種因素協同影響的復雜過程,單純依靠靜態培養或動態培養都無法實現微生物纖維素發酵生產的機械化、高效化。 通過建立數學模型,量化表達微生物纖維素生物合成過程中纖維素產量與主要影響因素之間的函數關系,對于微生物纖維素發酵培養自動化、機械化、可控化具有非常重要的意義。 近 20 年來,微生物纖維素發酵培養技術得到了巨大的進步,今后必將擺脫傳統作坊式、批次化的手工模式,全面進入機械化、連續化、低成本化的生物工程時代。
 
3.微生物纖維素的食品化應用
 
微生物纖維素是經過美國 FDA 認證的一般公認安全( generally recognized as safe,GRAS) 的食品添加物[6] 。 由于其高含水率以及高纖維素含量,經過漂水、脫酸以及調味加工后,口感耐嚼爽滑,質地與鮑魚、魷魚、墨魚類似,彈性則類似魔芋,作為膳食纖維食品、增稠劑、脂肪替代物、分散劑、乳化劑、穩定劑以及質地改良劑等廣泛應用于食品加工行業[7 - 8] 。
 
20 世紀 40 年代開始,菲律賓、越南、印度尼西亞等東南亞國家通常選擇資源充足的椰子水作為微生物纖維素的天然培養液,因此微生物纖維素在食品行業中有著非常好聽的名字———椰果、 椰纖果(nata de coco) 。 20 世紀 90 年代,美國與日本已將椰果制成各種類型的食品產品,如冰淇淋、面包、人造奶油、功能性飲料等,品種超過 20 種[9] 。
 
在我國,椰果產業發展始于 1996 年并主要集中于海南地區。 此后十余年的不斷探索和實踐,不論在生產技術、工藝設備方面,還是在產品開發、市場推廣方面,都取得不小進步。 為規范椰果產業發展,經海南省標準化主管部門批準,2003 年成立了由衛生、科研機構和生產企業共同組成的椰果地方衛生標準起草組,2005 年出臺了海南省地方標準 DB 46 / 42—2005《 椰果衛生標準》。 在此基礎上,2007 年農業部出臺了農業行業標準 NY / T 1522—2007 《 椰子產品椰纖果》 ,這是椰果行業唯一的行業標準。 但令人遺憾的是,消費者對于椰果知之甚少,基本上還停留在奶茶、果汁等飲料添加物的層面。 同時,由于高昂的生產成本和狹窄的應用范圍,部分生產廠家為牟取暴利聯系越南地區椰農進行家庭作坊式生產粗制椰果并通過走私途徑非法銷售。 因此,我國椰果發酵制備技術有待提高的空間還很大。
 
2013 年,國內椰果飲料龍頭企業喜多多集團與江南大學國家工程實驗室合作建立了國內首家“ 椰果技術研究中心冶 ,致力于椰果生產的國產化、工業化和標準化。 2014 年,經過一年多的合作研發,喜多多集團在福建省泉州喜多多食品有限公司建成日生產1 t 椰果的恒溫恒濕椰果發酵車間、菌種擴培車間,將東南亞地區粗獷的椰果生產方式轉變成程序可控的標準化生產模式,并以國際領先的水平經評價通過中國輕工業聯合會組織的科技成果鑒定,此成果獲得2015 年中國輕工業聯合會“ 科技進步三等獎冶。 2015 年,椰果技術研究中心通過感官評定與質構、白度檢測相結合的方法,制定了《 椰果質量分級標準》 , 這是對農業行業標準 NY / T 1522—2007《椰子產品椰纖果》的一個補缺。
 
4.結束語
 
關于微生物纖維素的報道,最早可以追溯到我國北魏時期。 我國古代杰出農學家賈思勰所著的《齊民要術》中就有關于釀醋過程中,發酵液表面生成凝膠狀膜的記載。 椰果的發酵生產與食品化應用至今已經歷了 60 多個年頭,發酵制備技術的不斷發展在椰果產業化推進過程中起到了至關重要的作用。 隨著生活水平的不斷提高以及人口老齡化現象的不斷加劇,人們對日常飲食健康的關注程度已不斷提高。 椰果作為一種優質功能性膳食纖維,必將得到越來越廣泛的認同。 目前,雖然已開發的椰果產品品種不少,但面市的椰果產品形式還較單一。今后,我國椰果發酵產業要充分利用椰果的功能特性優勢,從健康食品的視角,開發不同消費群體理解和接受的產品功能和產品形式,以利于我國椰果發酵產業的可持續健康發展。 例如,利用椰果極強的吸水性以及纖維素網絡密集的活潑羥基,與不同中草藥提取物進行復合,開發多種高附加值功能性保健椰果食品。
 
 
參考文獻:
 
[1] BROWN A J. The chemical action of pure cultivations of Bacterium aceti [ J ] . Journal of the Chemical Society Transactions,1886, 49:172 - 186.
[2] SCHRAMM M,HESTRIN S. Factors affecting production of cellulose at the air / liquid interface of a culture of ace-tobacter xylinum [ J] . Journal of General Microbiology, 1954, 11(1): 123 - 129.
[3] ROSS P,MAYER R,BENZIMAN M. Cellulose biosynthe-sis and function in bacterial [ J ] . Microbiological Reviews, 1991, 55(1): 35 - 58.
[4] MASAOKA S,OHE T,SAKOTA N. Production of cellu- lose from glucose by acetobacter-xylinum[ J] . Journal of Bioscience and Bioengineering,1993, 75(1): 18 - 22.
[5] OKIYAMA A, SHIRAE H, KANO H, et al. Bacterial cellu- lose: 1.2-stage fermentation process for cellulose production by Acetobacter aceti[J] . Food Hydrocolloids, 1992, 6(5): 471 - 477.
[6] KENT R A,STEPHENS R S,WESTLAND J A. Bacterial cellulose fiber provides an alternative for thickening and coating[J] . Food Technology, 1991, 45(6): 108.
[7] OKIYAMA A, MOTOKI M, YAMANAKA S. Bacterial cellulose: 3.development of a new form of cellulose[J] . Food Hydrocoll,1993, 6(6): 493 - 501.
[8] OKIYAMA A, MOTOKI M, YAMANAKA S. Bacterial cellulose: 4. application to processed foods [ J] . Food Hydrocolloids, 1993, 6(6): 503 - 511.
[9] 戶田登志也, 桑名好惠, 桐山修八.1994, 29 (8): 16 - 21.
 
 
 
                                                                             【來源:2017年3月食品科學技術學報】
  

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