霉菌在食品发酵中的应用与进化

引言

霉菌，这些看似不起眼的微生物，在食品发酵工业中扮演着举足轻重的角色。它们不仅是自然界中重要的分解者，更是人类文明中不可或缺的食品转化者。从古老的酱类、酱油到腐乳，再到现代化工产业中的柠檬酸、苹果酸生产，霉菌以其独特的酶系统，为我们日常生活中的美食添上了丰富的风味与色彩。本文旨在探讨霉菌在食品发酵领域的广泛应用，以及随着科技进步，其发酵技术与菌种选育的演变历程。

一、霉菌在传统发酵食品中的角色

1、酱类

酱类包括大豆酱、蚕豆酱、面酱、豆瓣酱、豆豉及其加工制品，都是由一些粮食或油料作物（如小麦或豆类）为主要原料，经微生物发酵酿制的半固体黏稠的调味品。主要有豆酱（黄酱）和面酱（甜面酱）两种，并可以这两种酱为基料调制出各种特色衍生酱品，酱油是酱的衍生品种。酱类发酵制品营养丰富，易于消化吸收，既可作小菜，又是调味品，具有特有的色、香、味，价格便宜，是一种受欢迎的大众化调味品。

我国制酱技术起源甚早，可以追溯到公元前千余年。目前，制酱技术得到了较大的提高，许多关键性问题得到了突破，例如将原来利用野生霉菌制曲改为纯粹培养制曲；创造因地制宜的简易通风制曲法；将日晒夜露天然发酵制酱改为人工保温发酵制酱等。

制曲是酱类酿造的关键环节，优良的菌种是生产优质产品的重要保证。酱类生产所用的菌种一般为霉菌，例如米曲霉（Aspergillus oryzae）、黑曲霉（Apergillus niger）、酱油曲霉（Apergillus sojae）和高大毛霉（ Mucor mucedo）等。目前大多数厂家选用米曲霉和黑曲霉，这类菌种适合固态制曲工艺，产生的中性蛋白酶活力较高，菌种具有生长繁殖快、原料利用率较稳定等特点。但单一菌种制曲产生的酶系不全，酸性蛋白酶活力、淀粉酶和谷氨酰胺酶活力较低，而以多菌种混合制曲可以提高酱类的质量，例如沪酿3.042米曲霉和 AS 3.758黑曲霉混合制曲，可以明显提高豆酱质量，氨基酸含量高，产品风味较好：沪酿3.042米曲霉和绿色木霉1号菌混合制曲能提高原料的利用率；沪酿3.042米曲霉、AS 3.350 黑曲霉及AS3.324甘薯曲霉3菌株混合制曲、混合发酵可显著提高产量和风味质量；利用AS 3.951、沪酿 3.042 米曲霉、AS 3.350 黑曲霉、D110谷氨酸菌、产酯酵母等多菌种协同作用制曲，与单一菌种相比，显著提高了原料利用率和产品质量。

2、酱油

酱油俗称豉油，主要是利用蛋白质原料（如豆饼、豆粕等）和淀粉质原料（如麸皮、面粉、小麦等），利用曲霉及其他微生物的共同发酵作用酿制而成的。酱油的成分比较复杂， 除食盐的成分外，还有多种氨基酸、糖类、有机酸、色素及香料等成分。酱油是人们常用的一种食品调味料，营养丰富，味道鲜美，以咸味为主，也有鲜味、香味等，能增加和改善菜肴的口味，还能增添或改变菜肴的色泽。我国人民在数千年前就已经掌握酿制工艺。

图1、酱油

参与酱油发酵的微生物主要包括米曲霉、酵母菌、乳酸菌及其他种类的细菌。酱油在前期发酵过程中主要起作用的是霉菌，经分离得到的霉菌经鉴定主要为米曲霉（Aspergillus oryzae）、酱油曲霉（Aspergillus sojae）、高大毛霉（Mucor mucedo）、黑曲霉（Aspergillus niger）等。米曲霉分泌的蛋白降解酶、肽酶、谷氨酰胺酶和淀粉酶系等，将原料中的蛋白质水解生成各种氨基酸而产生鲜味，形成酱油的独特滋味，米曲霉还分泌果胶酶，半纤维素酶和酯酶等。我国酱油厂制曲大多是使用米曲霉，其中使用最广泛的是由上海酿造科学研究所生产的沪酿3.042号米曲霉（即中科AS3.951米曲霉）。

在后酵过程中与酱油风味密切相关的微生物主要是乳酸菌和酵母菌。酵母菌在酱油酿造中，与酒精发酵作用、酸类发酵作用及酯化作用等有直接或间接的关系，对酱油的香气影响最大，例如鲁氏酵母（Saccharomyces rouxii）、易变球拟酵母（Torulopsis versatilis）和埃契氏球拟酵母（Torulopsis etchellsii）。酱油乳酸菌是指在高盐稀态发酵的酱醪中生长并参与酱醪发酵的耐盐性乳酸菌。从酱醪中分离出的乳酸菌有6个属18个种，代表性菌种包括酱油片球菌（Pediococcus sojae）及酱油四联球菌（Tetrcoccus sojae），它们是形成酱油良好风味的主要因素。在酱油发酵过程中，采用多菌种发酵，合理协调不同微生物的作用，对提高和改善酱油风味具有重要意义。

二、现代化生产与菌种改良

随着时间的推移，自然发酵逐渐让位于人工纯种培养，这不仅大大缩短了生产周期，减少了污染风险，而且使得食品发酵全年均可进行。例如，腐乳的生产，从最初的自然发酵转变为以毛霉（如五通桥毛霉、腐乳毛霉）为主的纯种培养，显著提升了生产效率与产品稳定性。

在我国用于酿造腐乳的菌种主要是毛霉，其次是根霉，利用细菌发酵的很少。毛霉是我国腐乳生产使用量最大、覆盖面最广的生产菌种，占腐乳菌种的90%~95%。用于腐乳生产的毛霉主要有五通桥毛霉（Mucor wutungkiao）、腐乳毛霉（Mucor sufu）、总状毛霉（Mucor racemosus）、雅致放射毛霉（ Actinomucor elegans）、高大毛霉（ Mucor mucedo）、海会寺毛霉、布氏毛霉（Mucor prainii）、冻土毛霉（Mucor hielmalis）等。其中前4种为我国腐乳培菌最常用的毛霉菌种，五通桥毛霉是20世纪40年代我国著名微生物学家方心芳从四川五通桥德昌酱园腐乳坯上分离出来的，腐乳毛霉是从浙江绍兴等地的腐乳中分离而得的，总状毛霉是从四川牛华溪等地的腐乳中分离出来的，雅致放射毛霉是由北京王致和食品厂的腐乳中分离。

根霉型腐乳是用耐高温根霉来生产的腐乳，主要有米根霉（Rhizopus oryzae）、华根霉（Rhizopus chinensis）和无根根霉（ Rhizopus arrhizus）等，南京腐乳即采用根霉菌种进行发酵。

细菌型腐乳可分为微球菌腐乳和枯草杆菌腐乳，国内腐乳生产很少使用细菌进行前期培菌。微球菌腐乳多采用藤黄微球菌（Micrococcus luteus）作为发酵菌种，其中以黑龙江克东腐乳最为著名，其腐乳特点是前后酿造两次需要180天，味道醇厚，后味绵长，营养丰富。枯草杆菌菌种多使用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），是武汉一些腐乳厂家的生产菌种。

除这三大类菌种外，鲁氏毛霉（Mucor Rouxianus）也可以作为腐乳发酵菌种。

图2、腐乳

三、柠檬酸与苹果酸的工业化生产

随着微生物学和发酵工程的进步，霉菌的应用范围扩展到了化工产品领域。柠檬酸，作为食品、医药、化妆品行业的关键原料，其工业化生产得益于对黑曲霉等曲霉菌种的高效利用。苹果酸的工业化生产亦是如此，黄曲霉、米曲等菌种通过发酵技术被用于生产这种重要的食品添加剂。

1、柠檬酸

柠檬酸发酵是好气性发酵。通过采用不同碳源和不同发酵方式（固态或液态）来选育柠檬酸产生菌。很多微生物都能产生柠檬酸，例如黑曲霉、泡盛曲霉、温特曲霉（ Aspergillus wentii）、字佐美曲霉（Aspergillus usamil）、海枣曲霉（Aspergillus phoenicis）、炭黑曲霉（ Aspergillus carbonarius）、棒曲霉（ Aspergillus clavatus）和斋藤曲霉（ Aspergillus saitoi），目前用于工业化生产的几乎都是黑曲霉。以石油、乙酸、乙醇为原料都是酵母作为生产菌种，例如解脂假丝酵母（Candida lipolytica）、热带假丝酵母（Candida tropicalis）等，以及毕赤氏酵母属（Pichia）、汉逊氏酵母属（Hansenula）和红酵母属（Rhodotorula）菌种能发酵正烷烃生产柠檬酸，伴随着相当数量的异柠檬酸。

关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。糖经糖酵解途径（EMP途径），形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸。

工业上发酵生产柠檬酸的方法有三种：表面发酵、固态发酵和液态深层发酵。前两种方法是利用气相中的氧，后者利用溶解氧。目前用的最多的方法是液态深层发酵。

2、苹果酸

L-苹果酸广泛存在于生物体中，是生物体三羧酸循环的成员。许多微生物都能产生苹果酸，但能在培养液中积累苹果酸并适于工业生产的，目前仅限于少数几种，大致有：用于一步发酵法的黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；用于两步发酵法的华根霉，无根根霉、短乳杆菌；用于酶转化法的短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。

总结

霉菌作为食品发酵的幕后英雄，其在食品工业中的应用经历了从传统到现代，从单一菌种到多菌种协同发酵的演变。随着生物技术的不断进步，霉菌菌种的选择、培养和应用越来越精细化，不仅提高了食品的品质与安全性，还推动了发酵产品的多样化与创新。未来，随着对微生物世界的更深层次探索，霉菌在食品发酵领域还将展现出更多未知的可能性，继续为人类的饮食文化贡献其独特的价值。

【相关资源】

名称：发酵毕赤酵母/Pichia fermentans

菌株编号：HZB220630

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更新日期：2024-05-29

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编制人：冬冬