第三节 微生物和食品加工、食品质量与安全及控制的关系
微生物由于其在自然界中的广泛分布及多样性，以及在适宜的条件下旺盛的生长与代谢活动，使得各种各样发酵食品生产、食品改性以及食品功能性提高等方面的实现有了可能性。国内外学者通过研究微生物分离、培养、检测以及应用现代分子生物学技术、仪器分析技术及计算机与信息等技术，充分挖掘微生物的潜在作用及其功能，从而造福人类。
一、微生物在传统发酵食品中的应用
传统发酵食品有着悠久的发展历史，因其香醇味美、营养丰富而广泛分布于世界上许多国家和地区，如中国的酱油、腐乳、豆豉、食醋，日本的纳豆，韩国的泡菜，意大利的色拉米香肠，以及西方许多国家的奶酪，都是人们餐桌上必不可少的美味佳肴。尤其近年来，国内外专家对发酵食品的功能性活性成分进行了多方研究，揭示了发酵食品众多的生物强化作用及营养功能，如抗氧化、溶血栓、抗癌、降血糖、降血压等，使得传统发酵食品越来越受到人们的青睐。我国大多数传统发酵食品的总体工业化程度较低，技术发展滞后。因此采用现代高新技术实现生产的现代化，不断地提升工艺技术水平，是继承、发扬传统发酵食品的主要发展方向。
（一）传统肉食品发酵技术
利用传统工艺生产火腿是在特定自然环境下进行的，风味的形成长达10个月，既影响产量，又难以进行质量管理，这种状况已严重制约火腿产业的发展。要运用现代食品生物技术，改进火腿的传统工艺，从根本上解决我国肉类企业长期以来未能解决的技术难题，必须首先了解具有产香作用的菌群在食品中的生长特点和作用条件，以便在控温控湿条件下，模拟自然条件进行人工发酵而不改变火腿产品的传统风味。干腌火腿微生物生境与菌群关系的研究结果表明，火腿原料肉属高盐介质，发酵过程中NaCl含量无变化，pH值略有上升，Aw渐趋下降，亚硝酸钠含量略有增加。适应火腿高盐、低湿、常温环境生存和发酵的菌系构成，发酵前期为嗜盐性球菌、杆菌和酵母，中期以球菌和酵母为主，后期只有球菌和少量的酵母分布，实验证实这些发酵菌群会产生独特风味，从而为火腿腌制剂、发酵剂的构建以及控温控湿发酵工艺提供了理论依据。
（二）益生菌技术
益生菌的应用技术已成为国内外食品工业中一个快速发展的研究领域。益生菌是指对人类健康（可寄主在人体肠道中）有益的微生物活菌剂，我们熟悉的酸奶、干酪、开菲尔、马奶酒等发酵乳制品的生产离不开乳酸菌和双歧杆菌等的发酵；腌制的酸泡菜、优质美味的传统酱油、豆瓣酱和辣椒酱等，在发酵和成熟工艺中都有乳酸菌的参与。萨拉米肉肠、腌咸鱼也需要通过乳酸菌来获得风味以及保鲜和成熟。目前我国尚缺乏原始创新的益生菌关键技术和产品，在产业和市场上形成了国外产品与技术的双重垄断，限制了我国益生菌产业的健康发展。近几年，国内研究院所相继开展了针对益生菌的基础与产业化应用研究，包括中国农业大学、内蒙古农业大学、江南大学和中科院微生物研究所等多家单位分别对益生乳酸菌高效定向筛选与产业化应用关键技术、乳酸菌功能基因、乳酸菌生理功能、发酵菌剂及在乳品、肉品和蔬菜制品等方面展开研究，利用多学科交叉技术与方法建立功能性益生菌的高效定向筛选模型并获取功能性益生菌菌种，研究解决益生菌产业化的关键技术问题，以期形成我国益生菌产业的核心菌种资源和关键技术体系。
在传统发酵食品行业利用益生菌方面，从大列巴、馒头、发面饼、麻花、白酒酒曲、米酒等样品中筛选能够产生包括多种芳香物质的益生菌种，加入面粉中应用于馒头发酵、玉米粉发酵、发糕及糯米粉、饮料制造中，用于发酵黏豆包及饮料，以期进一步增加发酵产品风味，最终得到产品品质更优良的谷物发酵食品。据研究，酿酒酵母适合发酵面食和酒精性饮料，保加利亚乳杆菌适合面食增香和发酵谷物酸性饮料，嗜酸乳杆菌适合发酵谷物酸性饮料。将棒状乳杆菌棒状亚种(Lac.coryniformis)、短乳杆菌(Lac.brevis)、布氏乳杆菌(Lac. buchneri)、干酪乳杆菌干酪亚种(Lac.casei subsp.Casei)和植物乳杆菌(Lac.plantarun)五种乳酸菌分别接种于泡菜中作为优势菌和传统的自然发酵泡菜方式进行比较，分别对泡菜的亚硝酸盐的产生及变化、pH值的变化、感官品质进行比较分析。得到的结果是植物乳杆菌可以明显缩短泡菜的发酵时间，泡菜的色、香、味明显变好，且能显著降低亚硝酸盐的含量。另外，以糯米、糜米、小米和玉米渣为原料，利用从内蒙古地区传统自然发酵酸粥中分离、鉴定、筛选出的性状优良的乳酸菌，人工接种发酵生产酸粥。通过对发酵时间、发酵温度、接种量的研究，确定发酵酸粥生产工艺的最佳参数。得到的研究结果，以糯米、糜米、小米、玉米碴的混合谷物作为原料（混合比例1∶1∶1∶1），以干酪乳杆菌NSZL-1和鼠李糖乳杆菌NSZL-2为发酵剂（两菌种的混合比例为2∶1），接种量为5×106CFU/g，发酵温度为35℃，发酵时间为30h，制得的酸粥酸度适口，谷香味突出，具有独特的风味。
（三）多菌种发酵与低盐发酵工艺技术
水产原料鱼类、动物肉类及蔬菜等的传统加工工艺中相当一部分采用了自然发酵腌制加工方法，生产中采用高盐腌制工艺是通用性的方法，有利于食品的长期保藏。然而，由于高盐加工方式带来的大量用水及高盐废水对环境污染等突出问题，已不适应现代可持续工农业发展的要求。国内外专家对真空腌制、超声波技术等高新技术在低盐发酵食品中的应用进行了研究。利用真空浸渍食盐的方法制作低盐干酪，可以降低食盐的用量。采用真空动态腌制法开发低盐腌菜，控制腌制温度为20℃、真空度85kPa、动态真空腌制机搅拌转速为1r/min、食盐水溶液浓度为2%。结果表明，真空动态腌制产品的可食性、感官品质、食用营养性及安全性均优于传统腌制法，且加工周期短，适合工业化生产。利用超声波技术加工低盐咸肉，鲜肉在腌制前进行超声波处理，处理条件为93W,3h，腌制温度为8℃，能明显缩短腌制时间，加快腌制的进程。
在低盐发酵泡菜的研究中，科研人员从多种泡菜中筛选出了四株产酸较快、发酵风味好的乳酸菌，分别为肠膜明串珠菌肠膜亚种(Leuconostoc rflesenteroides subsp lM)，分别标记为Leu.1、Leu.2、Lact.1和Lact.2，经API50CH标准系统鉴定，Leu.1和Leu.2为肠膜明串珠菌肠膜亚种(Leuconostoc mesenteroides subsp.mesenteroides), Lact.1为干酪乳杆菌干酪亚种(Lactobacillus casei subsp.1), Lact.2为植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)。其中，Lact.1和Lact.2适用于酸度和盐含量较高的发酵泡菜，而Leu.1和Leu.2适用于低酸低盐的发酵泡菜。另外，通过接种纯种Bacillus coagulans进行低盐腌渍雪里蕻腌菜，也降低了腌菜中的盐含量，使盐分添加量由传统方法的8%~10%降至5%，且接种后腌菜中的溶氧量和pH下降较快，产酸量增加显著，能明显促进乳酸菌快速生长繁殖，并有效地抑制酵母菌和霉菌的生长。
二、微生物技术在食品质量安全与控制中的应用
目前世界上许多国家已经将生物技术、信息技术和新材料技术作为三大重点发展的技术。生物技术可以分为传统生物技术、工业生物发酵技术和现代生物技术。生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程五大工程技术。其中的基因工程技术的基础是分子生物学技术，为食品质量检测与食品控制研究提供理论基础与技术支撑，有助于进一步减少生产成本、增加产量和提高产品质量。
（一）微生物分子生态学技术在食品微生物菌群分析中的应用
随着PCR技术和分子生态学技术的不断发展，目前涌现出许多研究微生物群落结构组成和功能的分子生态学技术，主要包括克隆文库分析、遗传指纹图谱分析、探针杂交技术、磷脂脂肪酸标记(PLFA labeling)、稳定同位素探测(SIP)等。微生物群落结构及其功能关系是微生物生态学研究的热点内容，有助于开发微生物资源、阐明微生物群落与其环境的关系、揭示群落结构与功能的联系，从而指导微生物群落功能的定向调控。微生物生态学对传统发酵食品的研究与应用显得尤其重要。
广西大学轻工与食品工程学院林莹等利用传统分离培养法和基于PCR-DGGE的分子生物学方法来分析酸菜和酸奶等广西特色传统发酵食品中乳酸菌的多样性。结果显示，用传统分离培养结合分子生物学方法共获得7个属的乳酸菌，其中乳杆菌属是主要优势菌群。传统分离法与分子生物学法结合能够更有效地分析传统发酵食品中乳酸菌的多样性，获得更全面的信息。传统培养分离和分子生物学技术都确定了乳杆菌属是主要优势菌群，但与其他菌群存在一定的差异。且通过分子生物学方法获得的相对丰度较高的不可培养菌，这些菌在传统培养方法中都未曾检出，这表明只有那些适合培养基条件及培养温度的细菌才能从传统方法中分离出来。因而，采用PCR结合DGGE技术可更全面、更真实地反映传统发酵食品样品中微生物群落的结构和多样性。由此可见，传统的培养分离法与分子生物学技术相结合能够更有效地分析传统发酵食品中微生物的多样性，从而获得更全面的微生物多样性信息。宁波大学食品生物技术研究室吴祖芳团队采用16SrDNA基因克隆文库法、5.8S rDNA-ITS克隆文库方法和实时荧光定量PCR(RT-qPCR)等方法分别对传统腌制榨菜、雪菜与腌冬瓜等地方特色发酵蔬菜进行微生物多样性研究，得到了不同产品在不同腌制时期的微生物种类组成、优势菌群，同时通过液相、气相以及气质与液质联用技术研究了产品的营养与风味等成分，为阐明微生物与腌制食品质量关系提供了实验证据。
（二）食品微生物快速检测技术的研究
现代食品科技的发展及工业化基础已使食品具备了色香味兼备和营养等特色，然而食品安全成为现在人们关心的主要问题，如何吃得放心才是最重要的。食品安全检测技术是减少食源性疾病的基础，如何快速、准确地检测食品中残留的微生物成为食品安全检测问题的重中之重。食品微生物快速检测包括免疫传感器、蛋白质芯片、酶联免疫法、PCR、基因芯片、阻抗法，这些方法的应用和发展将为食品安全提供有力的保障。例如金黄色葡萄球菌肠毒素(SE)可引起人类中毒，其内毒素—中毒休克综合征毒素(TssTl)可引起中毒休克综合征，产生的脱皮毒素(ETA、ETB)与一系列脓疱性葡萄球菌感染有关。云泓若等选择肠毒素D(SED)基因的第360-381碱基为上游引物，第654~675碱基为下游引物，应用PCR技术扩增出SED基因的316bp长的DNA片段，并建立了直接利用细菌裂解液作为模板的PCR方法。杨素等用分子克隆方法获得了口蹄疫病毒、水泡性口炎病毒、蓝舌病病毒、鹿流行性出血热病毒和赤羽病病毒各一段高度保守的基因片段，可同时诊断上述5种动物传染病，此方法不但快速、准确、敏感，而且可同时进行多种病毒的检测。周琦等也研制出用于检测SARS病毒的全基因芯片，共660条病毒探针，覆盖了SARS冠状病毒的全部序列，应用该基因芯片可对病人、出入境食品、动植物及其产品进行检测。
总之，随着现代科技的发展，可以预料在不远的将来，传统的微生物检测技术将逐渐被各种新型简便的微生物快速诊断技术所取代。
（三）果蔬保鲜中微生物控制技术
果蔬原料或其加工产品由于营养丰富、水分含量高，如果贮藏条件不当，其遭各种微生物侵染后就容易腐败、变质，最后不能食用。通过对果蔬中微生物生长的控制减缓微生物的生长速率或促使其停止生长，从而防止果蔬的腐败变质是最常用的方法。目前为止，果蔬保鲜主要方法有温度控制保鲜、辐射保鲜、气调保鲜、减压贮藏保鲜、超高压处理贮藏保鲜、高压脉冲电场贮藏保鲜和化学保鲜方法及生物保鲜方法。化学保鲜方法包括采用食品防腐剂、化学保鲜剂、气体熏蒸和复合涂膜法等。生物保鲜方法包括天然产物保鲜剂和拮抗菌技术等。具体内容将在第十五章第三节中介绍。
（四）食品加工与质量控制其他方面
1．焙烤专用脂肪酶改善焙烤制品质量
江南大学徐岩研究团队从中国传统发酵食品大曲中筛选、克隆得到具有自主知识产权的新型华根霉脂肪酶基因，将此基因在毕赤酵母中高效表达及高效定向进化，提升改造脂肪酶的催化性能，通过微生物发酵调控技术，开发生产廉价的新型脂肪酶制剂。进一步将生产获得的脂肪酶制剂应用于焙烤制品生产中，研究结果有脂肪酶能够显著增加面包的比容、改善面包质构以及延缓面包老化等，与国外公司同类脂肪酶产品相比，该酶在改善面包的硬度、弹性、胶着性和咀嚼性方面效果更佳。该成果对综合提高我国食品领域的科技水平，推动我国酶制剂行业的产业化进程具有重大意义。
2．现代数字化及安全管理方法的应用
杨建民将HACCP管理方法运用到低盐固态发酵酱油的生产过程中，确定关键控制点，建立监控体系，有效确保了低盐发酵酱油的安全生产。