混合发酵与纯种发酵

       混合发酵与纯种发酵是在发酵工艺演进中,由于中西方文化底蕴的不同,形成两种性质不同的工艺路线。二者各有所长,各自适宜于不同质量要求的产品。在生产实践中必须正确区分,如果不能选择与产品质量要求相适应的工艺,后果必然不良。20世纪30年代以来,我国开始对传统白酒、黄酒、酱油、食醋等进行了研究改进,虽然在增加产量、提高劳动生产率和实现产业化等方面取得了一定成绩,但是产品质量都有所下降,麸曲酒不如大曲酒,液态深层发酵醋不如固态醋,熟料曲黄酒不如生料曲黄酒,低盐固态发酵酱油不如传统发酵酱油,这是不争的事实,究其原因,主要是工艺路线错了。
  1、发酵工艺的萌芽与分化
  微生物引起的发酵现象自然存在,人们在日常生活和生产实践中经常遇到,有不同的感性认识。如水果、果汁久贮后会有酒味;用水调好的面团放置一段时间会膨胀发泡;牛奶放久了会变酸等。在这些现象反复出现的过程中,人们逐渐学会在有效地控制下进行酿酒,制作面包、馒头和酸奶。人类最早的发酵产品是酒,人们把酿酒时气体外溢在液面上形成的沸腾状态叫做“酵”,用“发酵”表示酿酒的过程。在狩猎时代酿酒的原料只有野生的果实,到了农耕时代主要用发芽的谷物酿酒。在饮食文化方面,中国注重多种风味的调和,早在2000多年前《吕氏春秋·本味》就有“甘而不浓、酸而不酷、咸而不减、辛而不烈、淡而不薄”等调味方面的记载,至今中国的发酵调味品及一般调味料均比西方各国多,我国食醋的固形物,不挥发酸和氨基酸三项风味指标的含量均大大高于西方醋。为了改善酒的风味,我国先民在长期的生产实践中,不断地追求探索终于创造了人工培养微生物,以制曲术为基础,注重多种微生物协同作用的混合发酵工艺路线。明·宋应星《天工开物》:“古代用曲造酒,用蘖造醴,后世厌醴味薄,逐渐失传,则蘖法亦亡。”扬曲弃蘖是我国发酵工艺上的一次飞跃,开创了人工培养微生物的历史。使参与发酵的微生物、酶系由少到多,代谢产物由简单到丰富,成品酒的风味由淡到醇厚。奠定了在常温下糖化、发酵混合进行的工艺路线。并为后来食醋、酱、豉、酱油等的发明,创造了条件。
  2、中国古代的科技遗产
  《齐民要术》中记载了12种制曲法,23种制醋法,20多种酿酒法和多种酱、豉制作法。书中虽然没有提出混合发酵一词,但是所有的产品都是多种微生混合发酵产生的。各种产品都要制曲,各种制曲方法都是利用自然气温变化的规律,创造适合有关微生物长的养分、水分、温度、湿度等条件,培养出酒曲、醋曲、酱曲、豉曲等不同的微生物群体。尽管限于当时的技术条件,看不到微生物的个体形态,但能通过对微生物群体的观察,如“五色衣”、“黄衣”、“醋衣”等来区分和控制微生物的生长发育。从“衣生”、“衣沉”来判断醋液发酵的程度。在微生物史上首先提出醋酸菌是有生命的物质,这比欧洲关于醋酸菌是生物还是非生物的争论早1300年。书中:“作豉法”、“作酱法”是把固态无盐发酵法,固态低盐发酵用于豆豉、豆酱生产最早的记载,较之现代的固态无盐发酵和固态低盐发酵更具有优势。书中在酱醪中添加黄蒸浸出液,和用曲的冷水浸出液酿酒,是世界上最早把酶制剂用于发酵生产的文献记载。然而由于时代科技水平的局限,以及历史、认识等方面的原因,我国传统发酵工艺长期局限在感性认识和生产实践阶段,正所谓“虽市井工匠皆能精其术,而博学鸿儒不能明其理。”迟滞了生产的发展。传统发酵工艺的真谛有待于我们去研究发掘。
  3、混合发酵的特点
  3.1多菌共生酶系互补
  混合发酵是以成分复杂的谷物为原料,有多种微生物分泌的酶系参与,水解与发酵混合进行,将原料成分转化成多种风味和营养物质的过程。它适用于产品成分复杂,风味要求高的传统发酵食品,如酿造白酒、黄酒、食醋、酱油、豆酱、豆豉、腐乳等的生产。多种微生物、酶系主要来源于制曲,其次是在开放发酵的条件下,由环境中进入。在制曲过程中,自然存在的多种微生物,进入曲料中竞争生存,能适应制曲环境的保存下来,生长繁殖,积累了丰富的代谢产物和种类繁多的酶系。成曲是以霉菌为主,兼有酵母和细菌共生的群体。菌株多、酶系广,既是发酵的动力,还含有风味成分其及前体物质。在开放发酵条件下,大量的微生物进入发酵醪(醅)中,适者生存,与曲中的微生物互生、交替、平衡、制约、酶系互补,代谢产生多种风味和营养物质。如用谷物酿醋,霉菌分泌的水解酶系催化产生化学反应,将纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪等水解生成代聚糖、可发酵糖、多肽、氨基酸、脂肪酸和甘油;酵母把可发酵糖转化为酒精,同时伴生甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸等;糖化未彻底的低聚糖继续水解为可发酵糖。以醋酸菌为主的细菌类,分泌的氧化酶,氧化酒精生成醋酸,氧化甘油、甘露醇等醇类生成二酮和果糖;氧化淀粉、葡萄糖生成葡萄糖酸、琥珀酸、苹果酸等有机酸,随着酸、醇结合的酯化反应也在进行,发酵终了代谢产物丰富,产品风味醇香浓重,其固形物、不挥发酸和氨基酸三项风味指标为世界食醋之冠。
  现代研究试验证明,不同的微生物有不同的代谢途径,代谢产物各不相同。多种微生物协同作用能优势互补,相辅相成能起到单一菌株起不到的作用。
  3.2省工节能,简化工艺设备,生化反应完善
  混合发酵是在常温条件下,水解、发酵不分阶段,混合进行,故能省工节能,简化工艺设备,克服中间生成物浓度过大对生化反应的不良影响,最终生成物浓度较大。
  4、后来居上的纯种发酵
  纯种发酵是在成分单一的发酵基质中,仅接入一种微生物,通过对该微生物的培养,得到纯度较高的单一性产物。如谷氨酸发酵,一般用淀粉水解为基质,谷氨酸杆菌为发酵菌种,发酵结束后,发酵液主要成分是谷氨酸及少量的残糖、含氮物、无机盐、菌体及微量发酵副产物。经过沉淀、分离、结晶,成品谷氨酸含量达99%。为使发酵顺利进行,必须保持发酵的始终单菌纯种,要求人工扩大的菌种不得被污染,一旦发现其它菌株出现,便称之为发酵事故。因而对发酵设备和环境要求较高,要有严格的灭菌措施和空气净化系统。
  纯种发酵使用单一的微生物,参与生化反应的酶系不多,代谢产物较少,适宜生产成分单一,纯度较高,无风味要求的医药、化工产品,用于生产成分复杂,风味要求高的发酵食品则不相宜。虽然纯种发酵最早用于啤酒生产,后来又广泛用于葡萄酒、食醋生产。但是啤酒发酵,数千年来都以麦芽为糖化剂,参与发酵的微生物主要是酵母,它的风味物质主要来自烘焙麦芽、酒花和酵母的代谢产物。改为纯种发酵后,只是用纯种酵母的代谢产物代替了野生酵母的,对产品风味成分的改变甚微,容易为消费者接受,葡萄酒也是如此。同样,西方的食醋品种主要是果汁醋、麦芽醋和酒精醋,原料成分比较单一、代谢产物不多。日本酿醋工艺最早源自我国,自明治维新后引进西方技术,产品以果汁醋、麦芽醋、酒精醋为主,仅有少量的米醋。西方醋和日本醋中风味指标均低于中国醋,和液态深层发酵醋接近。所以纯种发酵的液态深层发酵醋能在西方和日本迅速发展。实践证明,纯种发酵应用于生产我国成分复杂、营养丰富、风味要求高的产品,质量都有所下降。
  5、纯种发酵在中国的实践
  我国应用纯种发酵技术改革传统发酵产品始于1930年。南京中央工业试验所从天然曲中分离出纯种米曲霉制成酱油种曲。方心芳试验用纯种麸曲代替大曲酿酒是在1932年。我国的纯种曲和日本的不同,是由某一优良菌株制成的。它克服了天然曲的缺点,同时也抛弃了它的优点。这种单菌曲的酶系较少,发酵代谢产物不多,产品风味要差些。有陈騊声的诗为证:“纯菌代黄衣,天然高效率。可惜酱油香,难与古法匹。”包启安曾用纯粹培养的米曲霉制曲,和天然曲分别制酱,在同样条件下进行天然发酵,结果用天然曲制成的酱风味,就优于纯米曲霉的。
  新中国成立后,人民生活水平空前提高,市场酱油、醋、酒等供求矛盾突出。为了“发展生产,保障供给”在“先普及后提高”的思想指导下,酿造行业中普遍推广了单菌纯种制曲;麸曲、酒母酿酒、酿醋;高温速酿的固态无盐、固态低盐酱油发酵法;以及液态法白酒,液态深层发酵等新技术。用单菌纯种曲酿酒、酿醋虽然曲中的菌株、酶系减少了,但在开放发酵的条件下,环境中的大量微生物还能进入发酵醪(醅)中,仍保留着一定的多菌(酶)混合发酵的优势,产品中的风味成份和传统工艺的差距较小。而固态无盐、低盐酱油发酵法、液态法白酒、液态深层发酵醋,都是高温水解,在高温条件下不仅微生物不能生长,适温较低原酶系也容易钝化失活。发酵代谢产物只能来自纯种制曲中的微生物分泌的酶系,产品成份比较单一。液态法白酒基本上是粗馏液。液态深层发酵醋类似醋酸水溶液。高温速酿酱油则酶解蛋白质、淀粉的水溶液。与酸水解蛋白质调味液相比,具有氨基酸含量低、设备投资大、生产周期长、生产成本高等多种劣势。虽然后来添加了低温后发酵,仅能补充部分呈味、生香物质,总的代谢产物仍比传统工艺酱油少,风味仍然达不到传统的水平。日本同行在品尝了这种酱油后都怀疑,多少年后中国是否还会有真正意义上的酱油。
我国工业微生物开拓者,纯种种曲创始人陈騊声教授在94岁高龄时说:“酱油酿造是一种混合菌株发酵,现在虽然采用纯粹培养的米曲霉和酵母,酿造时间大大缩短,但产品风味与酱香终不如老法酱油”。著名微生物学家,当年纯种酒曲的试验人方心芳教授晚年也说:“现在我们清楚地看到,有不少发酵食品用多菌种酿造,才能达到理想的成就。”陈老,方老都是我国微生物纯粹培养发酵的创始人和倡导者,他们积毕生科研实践的经验,认识到我国传统发酵工艺的真谛是多菌混合发酵时,已是耋耋之年,想有所为已是力不从心,殷切寄语于后来人。
  我国的传统发酵食品,都具有成份复杂,风味要求高的特点。食醋初步检出有130多种成份,酱油更为复杂,现在已知的有300多种化合物。这些成份形成的机理及其控制条件,至今还不甚明白。不过我们知道,它们都是在酶催化下,产生的各种化学反应生成的。酶对底物有专一性,一种酶只能作用于一种物质,原料中多种物质的分解,产品中复杂成份的合成,需要有多种不同性能的酶系参与。在现在的技术条件下,众多的酶系还必须由多种菌株产生。因此多菌(酶)发酵是生产传统发酵食品必需的客观条件。它不以人们的意志为转移,人们只能认识它、适应它。把纯种发酵用于生产传统发酵食品,必须使之具有多酶系的条件,否则后果不良。
  纯种发酵和混合发酵并没有不可逾越的鸿沟,日本的“复菌”种曲就是二者相结合的典范。它既是纯种又有多酶,多种酶系来自多种纯粹培养的微生物。随着科学技术的发展,生物工程和分子遗传学的深入研究,通过对微生物遗传信息的重新设计,多种酶系将会来自单一的菌,水解与发酵再也不分阶段进行。对提高产品质量,简化工艺和设备、省工节能,二者有异曲同工之妙。所不同的是前者集多酶于一菌株,后者多种酶系来自多种菌株。如把高产酒化酶、酯化酶酵母的DNA提出。重组到酱油用米曲霉细胞中,得到的转基因米曲霉,基本上可以满足酱油酿造所需的多种酶系。用它培养成的液体曲、酶制剂、固定化细胞酿造酱油,将不会呈现代谢产物少,风味差的缺点,实现酱油生产的管道化、自动化、向着规模化、工业化方面发展。
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     收录时间:2016-07-25 00:56 来源:中国食品机械设备网  作者:匿名
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