食品生物技術(shù)概論發(fā)酵工程

1、食品生物技術(shù)概論2021 食品生物技術(shù)專業(yè)陳金輝第四章 發(fā)酵工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用食品生物技術(shù)概論學習任務(wù)一、發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程的開展歷史發(fā)酵工程的研究內(nèi)容發(fā)酵工程相關(guān)設(shè)備與技術(shù)二、發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用第一節(jié) 發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程概念： 微生物工程，利用微生物的生長繁殖和代謝活動來大量生產(chǎn)人們所需要的產(chǎn)品的技術(shù)，主要包括一、發(fā)酵工程的開展歷史1、天然發(fā)酵階段8000年前，用蘗制造飴糖；2500年前我國人民創(chuàng)造釀醬、醋，知道用曲治療消化道疾??；?齊民要術(shù)?詳細地記載了制曲、釀酒、制醬和釀醋等工藝在農(nóng)業(yè)上，雖然還不知道根瘤菌的固氮作用，但已經(jīng)在利用豆科植物輪作提高土壤肥力。在應(yīng)用有益微

2、生物的同時，還對有害微生物進行預防和治療。為防止食物變質(zhì)，采用鹽漬、糖漬、枯燥、酸化等方法。隆慶年間開始用人痘預防天花。1798年英國醫(yī)生琴納Jenner提出用牛痘預防天花。 發(fā)酵工程的開展歷史純培養(yǎng)技術(shù)的建立：安東.列文虎克確定了微生物的存在：霉菌、酵母菌、細菌等法國通過巴斯德實驗證明發(fā)酵是由微生物引起的原理?！熬凭l(fā)酵是由于酵母的作用，葡萄酒的酸敗是由酵母以外的另外一種微生物醋酸菌的第二次發(fā)酵引起的。柯赫創(chuàng)造餓了固體培養(yǎng)技術(shù)，建立微生物的純培養(yǎng)技術(shù)。發(fā)酵工程的開展歷史深層培養(yǎng)技術(shù)的建立時期： 1929年英國弗萊民()發(fā)現(xiàn)了青霉素。1940年弗洛里和錢恩別離出較高純度的青霉素。1941年英美

3、兩國合作，開拓了抗生素的發(fā)酵工業(yè)時代。發(fā)酵工程的開展歷史微生物工程時期年，Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，為基因工程的理論和實際應(yīng)用奠定了根底。發(fā)酵工程的開展歷史2. 基因重組技術(shù)、細胞融合等生物工程技術(shù)的開展，為定向培育培育微生物開辟了新途徑，微生物工程應(yīng)運而生。發(fā)酵工程的研究內(nèi)容1.菌種的選育2.培養(yǎng)基的配置3.種子擴大培養(yǎng)4.發(fā)酵過程中發(fā)酵條件的控制5.產(chǎn)品的別離提純： 代謝產(chǎn)物的別離；菌體本身的別離空氣空氣凈化處理保藏菌種斜面活化擴大培養(yǎng)種子罐主發(fā)酵碳源、氮源、無機鹽等營養(yǎng)物質(zhì)滅菌產(chǎn)物分離純化成品發(fā)酵工程的研究內(nèi)容發(fā)酵厭氧性發(fā)酵好氧性發(fā)酵厭氧發(fā)酵罐通風發(fā)酵罐攪拌釜發(fā)酵罐

4、氣升式發(fā)酵罐氣泡柱式生物反響器發(fā)酵工程有關(guān)設(shè)備與技術(shù)1.生物反響器:攪拌釜生物反響器氣泡柱式生物反響器氣升式生物反響器攪拌釜生物反響器發(fā)酵工程有關(guān)設(shè)備與技術(shù)2.微生物發(fā)酵技術(shù)概念：各種微生物發(fā)酵技術(shù)在發(fā)酵工程中的應(yīng)用。特點：反響耗能少，反響條件溫和，通常在常溫常壓下進行；能有效利用工業(yè)廢水，生產(chǎn)輔料等作為發(fā)酵原料，有利于生產(chǎn)的綜合利用產(chǎn)物專一，副反響少，污染??；對于復雜化合物的發(fā)酵生產(chǎn)具有高度選擇性。發(fā)酵工程有關(guān)設(shè)備與技術(shù)3.發(fā)酵工程控制技術(shù)概念：將計算機、傳感器等現(xiàn)代監(jiān)測手段運用于發(fā)酵工程之中，實現(xiàn)對發(fā)酵過程中實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。3.1 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測發(fā)酵過程參數(shù)的檢測分為兩種方式，一是利用

5、儀器進行在線檢測，二是從發(fā)酵罐中取出樣品進行離線檢測。常用的在線檢測儀器有各種傳感器如pH電極、溶氧電極、溫度電極、液位電極、泡沫電極、尾氣分析儀等。離線分析發(fā)酵液樣品的儀器有分光光度計、pH計、溫度計、氣相色譜GC、液相色譜HPLC、色質(zhì)聯(lián)用GC-MS等。溫度對發(fā)酵的影響及其控制影響發(fā)酵溫度的因素Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌+Q通氣-Q蒸發(fā)-Q輻射Q發(fā)酵：在發(fā)酵過程中，引起溫度變化的原因是由于發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的凈熱量。Q生物：是指微生物在生長繁殖過程中，本身產(chǎn)生的大量熱量。Q攪拌：好氧培養(yǎng)的發(fā)酵罐都有一定功率的攪拌裝為裝置，攪拌帶動發(fā)酵液做機械運動，造成液體之間、液體和設(shè)備之間的摩擦，由此產(chǎn)生一定

6、的熱量稱為攪拌熱。Q蒸發(fā)：這局部熱量是在發(fā)酵過程中以蒸汽形式散發(fā)到發(fā)酵罐的液面，再由排氣管帶走的熱量。Q輻射：是指罐內(nèi)外溫差，使發(fā)酵液中有局部熱通過罐體向外輻射。溫度對發(fā)酵的影響(1) 溫度對微生物生長的影響 溫度是通過影響微生物膜的液晶結(jié)構(gòu)、酶和蛋白質(zhì)的合成與活性，以及RNA的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄等影響微生物的生命活動。具體表現(xiàn)在兩個方面：一方面，隨著微生物所處環(huán)境溫度升高，微生物細胞中的蛋白質(zhì)和酶活性增強，生物化學反響加快，生長速率提高；另一方面，隨溫度上升，微生物細胞中對溫度較敏感的組成成分如蛋白質(zhì)、核酸等會受到不可逆的破壞。超過最適溫度以后，生長速率隨溫度升高而迅速下降。(2) 溫度對產(chǎn)物合成的

7、影響 在發(fā)酵過程中，溫度對生長和生產(chǎn)的影響是不同的。 溫度影響生物合成的方向。例如，四環(huán)素發(fā)酵中所用的金色鏈霉菌，其發(fā)酵過程中同時能產(chǎn)生金霉素，在低于30下，合成金霉素的能力較強；合成四環(huán)素的比例隨溫度的升高而增大，當?shù)竭_35時只產(chǎn)生四環(huán)素，而金霉素合成幾乎停止。 溫度對代謝有調(diào)節(jié)作用。在低溫20時，氨基酸合成途徑的終產(chǎn)物對第一個酶的反響抑制作用比在正常生長溫度37更大。故可考慮在抗生素發(fā)酵后期降低發(fā)酵溫度，使蛋白質(zhì)和核酸的正常合成途徑提高關(guān)閉，從而使發(fā)酵代謝轉(zhuǎn)向目的產(chǎn)物合成。(3)溫度對培養(yǎng)液物理性質(zhì)的影響 溫度通過影響氧在培養(yǎng)液中的溶解度、氧傳遞速度等因素，進而影響到微生物細胞的生長。最適

8、溫度的選擇最適溫度是指最適于菌的生長或產(chǎn)物的生成的溫度。由于適合菌體生長的最適溫度往往與發(fā)酵產(chǎn)物合成的最適溫度不同，故經(jīng)常根據(jù)微生物生長及產(chǎn)物合成的最適溫度不同進行二階段發(fā)酵。最適生長溫度的選擇 同一菌種在不同生長階段以及不同的培養(yǎng)條件，最適生長溫度會有所不同。 對于對數(shù)生長期的細菌，對溫度的影響不敏感。故在最適溫度范圍內(nèi)提高對數(shù)生長期的培養(yǎng)溫度，既有利于菌體的生長，又防止熱作用的破壞。不同的培養(yǎng)條件： 在通氣條件較差的情況下，最適發(fā)酵溫度通常選擇比正常良好通氣條件下的發(fā)酵溫度低一些。 培養(yǎng)基成分和濃度也會影響到最適溫度的選擇。如在使用基質(zhì)濃度較稀或較易利用的培養(yǎng)基時，提高培養(yǎng)溫度會使養(yǎng)料過早

9、耗竭，導致菌絲自溶，發(fā)酵產(chǎn)量下降。3.1.2 pH對發(fā)酵的影響及其控制 pH值對發(fā)酵過程的影響發(fā)酵液pH的改變會導致微生物細胞原生質(zhì)體膜的電荷發(fā)生改變，從而引起原生質(zhì)體膜對個別離子滲透性的改變，進而影響微生物對培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及代謝產(chǎn)物的分泌，阻礙新陳代謝的正常進行。 。pH的變化會影響菌體中的各種酶活以及菌體對基質(zhì)的利用速率，從而影響菌體的生長和產(chǎn)物的合成。培養(yǎng)液的pH直接影響微生物的代謝。發(fā)酵過程中pH變化的規(guī)律在發(fā)酵過程中，pH是動態(tài)變化的，這與微生物的代謝活動及培養(yǎng)基性質(zhì)密切相關(guān)。一方面，微生物通過代謝活動分泌有機酸如乳酸、乙酸、檸檬酸等或一些堿性物質(zhì)，從而導致發(fā)酵環(huán)境的pH變化

10、；另一方面，微生物通過利用發(fā)酵培養(yǎng)基中的生理酸性鹽或生理堿性鹽從而引起發(fā)酵環(huán)境的pH變化。發(fā)酵過程中pH值的控制一般，pH調(diào)控通常有以下幾種方法。配制適宜的培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初始pH至適宜范圍并使其有很好的緩沖能力。培養(yǎng)過程中參加非營養(yǎng)基質(zhì)的酸堿調(diào)節(jié)劑，如CaCO3等防止pH過度下降。培養(yǎng)過程中參加基質(zhì)性酸堿調(diào)節(jié)劑，如氨水等。加生理酸性或堿性鹽基質(zhì)，通過代謝調(diào)節(jié)pH。將pH控制與代謝調(diào)節(jié)結(jié)合起來，通過補料來控制pH。過酸時，加適量的氮源，提高發(fā)酵的通氣量；過堿時，適當增加碳源，降低通氣量。溶解氧對發(fā)酵的影響及其控制目前，大多數(shù)的工業(yè)發(fā)酵屬于好氧發(fā)酵，在發(fā)酵過程中需要不斷地向發(fā)酵罐中供給足夠的

11、氧，以滿足微生物生長代謝的需要。氧是一種難溶性氣體，而且隨著溫度的上升，氧的溶解度減小。發(fā)酵液中含有大量的有機物和無機鹽，由于鹽析等作用造成氧在發(fā)酵液中的溶解度更低。如果不能及時地向發(fā)酵罐中供氧，這些溶解氧(DO)僅能維持微生物菌體15-20 s的正常代謝，隨后氧將會耗盡。因此，在發(fā)酵過程中有效而經(jīng)濟地供氧極為重要。氧在微生物發(fā)酵中的作用氧是構(gòu)成微生物細胞本身及其代謝產(chǎn)物的組分之一。雖然培養(yǎng)基中大量存在的水及其他成分如糖可以提供氧元素，但許多微生物細胞必須利用分子態(tài)的氧作為呼吸鏈電子傳遞系統(tǒng)末端的電子受體，最后與氫離子結(jié)合生成水，同時在呼吸鏈的電子傳遞過程中可釋放出大量能量，供細胞生長和代謝使

12、用。此外，氧還可以作為中間體直接參與一些生物合成反響，例如乙醇在氧的作用下合成乙酸。增加溶氧的工藝措施(1) 改變通氣速率:其作用是增加液體中夾持氣體體積的平均成分。(2)改變攪拌速度:攪拌充分破碎泡沫，增加了有效氣液接觸面積，減少了氣泡周圍液膜厚度和菌絲外表液膜厚度，延長了氣泡在液體中的停留時間，從而有效提高了系統(tǒng)的溶解氧濃度。(3)改變氣體組成中的氧分壓:采用富氧氣體以改善供氧狀況(4)改變罐壓:通過改變氧的分壓來提高溶解氧的濃度(5)發(fā)酵液的黏度:發(fā)酵過程中，菌體本身的繁殖和代謝都能引起發(fā)酵液黏度增加，從而使傳質(zhì)系數(shù)降低，導致溶氧下降。(6)參加中間傳氧介質(zhì): 添加傳氧中間介質(zhì)，來提高氧

13、在氣液相之間的傳遞。泡沫對發(fā)酵的影響及其控制泡沫的產(chǎn)生及其影響泡沫產(chǎn)生的原因包括： 外界引入 由發(fā)酵液內(nèi)部產(chǎn)生 發(fā)酵液的理化性質(zhì)對泡沫的形成起決定性作用。 培養(yǎng)基的滅菌方法、滅菌溫度和時間也會改變培養(yǎng)基的性質(zhì)，從而影響培養(yǎng)基的起泡能力。泡沫的負面影響： 降低了發(fā)酵罐的裝料系數(shù)。 增加了菌群的非均一性。 泡沫可能從罐頂?shù)妮S封處滲出罐外，這就增加了染菌的時機。 大量起泡，控制不及時會引起“逃液，導致產(chǎn)物的流失。 泡沫嚴重時，會影響通氣攪拌的正常進行，阻礙代謝氣的排出，對菌體呼吸造成影響，甚至使菌體代謝異常，影響生產(chǎn)率。 消泡劑的參加有時會影響發(fā)酵產(chǎn)量或給下游別離純化與精制工序帶來麻煩。泡沫的控制控

14、制泡沫的目的在于打碎泡沫液膜，使氣相和液相別離?？赏ㄟ^化學方法，降低泡沫液膜的外表張力，使泡沫破滅。可利用物理方法，使泡沫液膜的某些局部局部受力，打破液膜原來的受力平衡而破裂。也可從生產(chǎn)菌種本身的特性著手，預防泡沫的形成。如在單細胞蛋白生產(chǎn)中，篩選在生長期不易形成泡沫的突變株。消泡劑消泡根據(jù)消泡原理和發(fā)酵液的性質(zhì)和要求，消泡劑必須具有以下特點。 消泡劑必須是外表活性劑，且具有較低的外表張力，消泡作用迅速，效率高。 消泡劑對氣液界面的散布系數(shù)必須足夠大，才能迅速發(fā)揮它的消泡活性，這就要求消泡劑具有一定的親水性。 消泡劑在水中的溶解度較小，以保持其持久的消泡或抑泡性能。 對發(fā)酵過程無毒，對人、畜無

15、害，不被微生物同化，對菌體生長和代謝無影響，不影響產(chǎn)物的提取和產(chǎn)品質(zhì)量。 不影響氧在培養(yǎng)液中溶解和傳遞。 消泡劑來源方便，價格廉價。在工業(yè)發(fā)酵過程中，通常利用添加消泡劑的方式來消除泡沫。發(fā)酵工業(yè)常用的消泡劑有天然油脂類、聚醚類、高級醇類等。天然油脂類：常用的天然油脂有玉米油、豆油等。消泡能力不強，使用時需要注意油脂的新鮮程度。聚醚類：聚氧乙烯氧丙烯甘油俗稱泡敵，親水性好，在發(fā)泡介質(zhì)中易鋪展，消泡能力強，但其溶解度大，消泡活性維持時間較短。高級醇類：十八醇是高級醇類中常用的一種，它與冷榨豬油一起能有效控制青霉素發(fā)酵的泡沫。過量的消泡劑通常會影響菌的呼吸活性和物質(zhì)包括氧通過細胞壁的運輸。在生產(chǎn)過程

16、中應(yīng)盡可能減少消泡劑的用量。對于消泡劑的應(yīng)用應(yīng)注意在使用之前作比較試驗，找出消泡劑對微生物生理特性影響最小，消泡效率最大的條件。其次，在使用天然油脂時一次不能加得太多，過多的油脂會被脂肪酶分解為有機酸、脂肪酸、降低pH、使DO下降，影響發(fā)酵的正常進行。此外，宜使用機械方法與化學方法聯(lián)合控制泡沫。機械消泡化學消泡最顯著的缺點是影響氧氣的溶解，這對微生物供氧極為不利。機械消泡能克服這一缺點，但其應(yīng)用效果不如化學消泡迅速可靠，需要一定的設(shè)備和消耗一定的動力，其最大的缺點是不能從根本上消除穩(wěn)定泡沫的因素。 機械消泡借助機械攪拌起到破碎氣泡消除泡沫的作用。消泡裝置可安裝在罐內(nèi)或罐外。罐內(nèi)可在攪拌軸上方安

17、裝消泡槳，泡沫借旋風離心場作用被壓碎，也可將少量消泡劑加到消泡轉(zhuǎn)子上以增強消泡效果。罐外法是將泡沫引出罐外，通過噴嘴的加速作用或離心力破碎泡沫。發(fā)酵工程有關(guān)設(shè)備與技術(shù)4.下游處理技術(shù)包括：發(fā)酵液的預處理、過濾、提取、精制、成品加工等膜別離技術(shù)：以選擇性透過膜作為別離介質(zhì)，發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用食品微生物學所研究的內(nèi)容包括：(1) 研究與食品有關(guān)的微生物的活動規(guī)律；(2) 研究如利用有益微生物為人類制造食品； (3) 研究如何控制有害微生物、防止食品發(fā)生腐敗變質(zhì)；(4) 研究檢測食品中微生物的方法，制定食品中微生物指標，從而為判斷食品的衛(wèi)生質(zhì)量而提供科學依據(jù)。 發(fā)酵工程在食品工業(yè)上的應(yīng)用1.

18、生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品：啤酒、果酒、醋、醬油傳統(tǒng)釀酒的工藝流程糯米過篩浸漬蒸煮攤冷清水漿水麥曲酒母落缸前發(fā)酵灌壇后發(fā)酵壓榨澄清煎酒成品 酒樽我國的啤酒釀造史發(fā)酵池 紫銅釀酒鍋制冷設(shè)備醋的原料和制作方法有4類 1中國傳統(tǒng)的釀醋原料，長江以南以糯米和大米粳米為主，長江以北以高粱和小米為主?，F(xiàn)多以碎米、玉米、甘薯、甘薯干、馬鈴薯、馬鈴薯干等代用。原料先經(jīng)蒸煮、糊化、液化及糖化，使淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，再用酵母使發(fā)酵生成乙醇，然后在醋酸菌的作用下使醋酸發(fā)酵，將乙醇氧化生成醋酸。2以含糖質(zhì)原料釀醋，可使用葡萄、蘋果、梨、桃、柿、棗、番茄等釀制各種果汁醋，也可用蜂蜜及糖蜜為原料。它們都只需經(jīng)乙醇發(fā)酵和醋酸發(fā)酵兩個生化

19、階段。3以乙醇為原料，加醋酸菌只經(jīng)醋酸發(fā)酵一個生化階段。例如以低度白酒或食用酒精加水沖淡為原料，應(yīng)用速釀法制醋，只需1天3天即得酒醋。4以食用冰醋酸加水配制成白醋，再加調(diào)味料、香料、色料等物，使之成為具有近似釀造醋的風味的食醋。醬油以肉做醬油醢：1. 鹽腌：趁鮮腌漬； 2. 發(fā)酵：通常以自然發(fā)酵為主，將鹽腌后的肉加鹽腌漬23年，在此期間要進行屢次翻拌使肉逐漸在酶的作用下分解成咸汁和渣； 3. 成熟：分解完畢后，移入大缸中進行露曬，每天翻拌12次，日曬1個月左右，逐漸產(chǎn)生香氣而趨于成熟； 4. 抽濾：將竹編長筒插入曬缸中，抽出清液，即得原油。濾渣一般再浸泡過濾二次； 5. 配制：取不同比例原油、中油、一油混合，即為各級醬油。以植物材料做醬：原料經(jīng)蒸熟冷卻，接入米曲霉制成醬曲，醬曲移入發(fā)酵池，加鹽水發(fā)酵，待醬醅成熟后，以浸出法提取醬油。醬油 制曲的目的是使米曲霉在曲料上充分生長，并產(chǎn)生和積蓄所需要的酶，如蛋白酶、肽酶、淀粉酶、谷氨酰胺酶、果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶等。在發(fā)酵過程中味的形成是利用這些酶的作用。如蛋白酶及肽酶將蛋白質(zhì)水解為氨基酸，產(chǎn)生鮮味；谷氨酰胺酶把無味的谷氨酰胺變成具有鮮味的谷氨酸；淀粉酶將淀份水解成糖，產(chǎn)生甜味；果