發(fā)酵工業(yè)原料及其處理優(yōu)秀公開課

第三章發(fā)酵工業(yè)原料及其處理1本章內(nèi)容

一、發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分二、淀粉水解糖的制備三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌2第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分發(fā)酵培養(yǎng)基的作用：滿足菌體的生長促進產(chǎn)物的形成3一、工業(yè)上常用的碳源（carbonsource）糖類來源葡萄糖乳糖淀粉蔗糖純葡萄糖、水解淀粉純?nèi)樘?、乳清粉大麥、花生粉、燕麥粉、黑麥粉等甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜、粗紅糖、精白糖等工業(yè)上常用的糖類及來源5谷物淀粉優(yōu)點：來源廣泛、價格低，可解除葡萄糖效應。谷物淀粉缺點：a.難利用、發(fā)酵液比較稠、一般>2.0%時加入一定的α-淀粉酶。b.成分較復雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等。

6有機氮：來源：一些廉價的原料，如玉米漿、豆餅粉、花生餅粉、魚粉、酵母浸出膏等。二、工業(yè)上常用的氮源（nitrogensource）71、無機鹽：硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物及一些微量元素。三、發(fā)酵培養(yǎng)基中的無機鹽和生長因子9提供生長因子的農(nóng)副產(chǎn)品原料:（1）玉米漿（最具代表性)（2）麩皮水解液（3）糖蜜（4）酵母2、生長因子（growthfactor）101、前體：能直接被微生物在生物合成過程中結(jié)合到產(chǎn)物中去，而其自身的結(jié)構并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量有較大的提高。在生產(chǎn)中常采用少量多次地加入前體。四、發(fā)酵生產(chǎn)的前體物質(zhì)和促進劑、抑制劑等112、促進劑所謂產(chǎn)物促進劑是指那些非細胞生長所必須的營養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。13添加劑酶微生物酶活力增加倍數(shù)Tween(0.1%)大豆酒精提取物（2%）植酸質(zhì)（0.01%-0.3%)洗凈劑LS(0.1%)聚乙烯醇苯乙醇(0.05%)醋酸+維生素纖維素酶蔗糖酶-葡聚糖酶木聚糖酶淀粉酶脂酶右旋糖酐酶普魯蘭酶蛋白酶脂肪酶蛋白酶蛋白酶糖化酶纖維素酶纖維素酶許多真菌許多真菌許多真菌許多真菌許多真菌許多真菌繩狀青霉產(chǎn)氣桿菌米曲霉泡盛曲霉曲霉、桔青霉等棲土曲霉筋狀擬內(nèi)胞霉真菌綠色毛霉201610446201.52.872.502-41.61.24.42143、抑制劑

抑制某些代謝途徑的進行，同時刺激另一代謝途徑，以致可以改變微生物的代謝途徑。15

在工業(yè)生產(chǎn)中，將淀粉水解為葡萄糖（glucose）的過程稱淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。

第二節(jié)淀粉水解糖的制備17一、淀粉相關知識1、淀粉通常以顆粒狀態(tài)存在，顆粒大小隨不同淀粉而異

谷類淀粉顆粒較小，如大米淀粉顆粒直徑3-8um薯類淀粉顆粒較大，如木薯淀粉5-35umPotatostarchWheatstarch18直鏈淀粉100-60000-1，4糖苷鍵-1，4糖苷鍵-1，6糖苷鍵支鏈淀粉1000-3000000普通谷物和薯類淀粉含直鏈淀粉17%-27%，其余為支鏈淀粉；粘玉米、糯米全部為支鏈淀粉2、淀粉的分子結(jié)構19（一）酸解法

以酸（無機酸或有機酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖的方法。211.水解過程：總反應式：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6過程：(C6H10O5)n(C6H10O5)xC12H22O11C6H12O6淀粉糊精麥芽糖葡萄糖H+對作用點無選擇性，-1,4-糖苷鍵和-1,6-糖苷鍵均被切斷。222.副反應——葡萄糖的復合反應和分解反應復合二糖復合低聚糖5`-羥甲基糠醛有機酸、有色物質(zhì)等淀粉葡萄糖鹽酸水解反應復合反應分解反應23影響復合反應的因素：1）葡萄糖濃度3）酸的種類和濃度4）溫度DE值：dextroseequivalentvalue（葡萄糖當量值）表示淀粉糖的含糖量。還原糖含量（％）DE值＝100％干物質(zhì)含量（％）2）淀粉乳濃度25影響分解反應的因素：1）糖化加熱時間3）葡萄糖濃度2）酸度263.評價優(yōu)點：工藝簡單，水解時間短，生產(chǎn)效率高，設備周轉(zhuǎn)快。缺點：（1）副產(chǎn)物多，影響糖液純度，一般DE值只有90％左右。（2）對淀粉原料要求嚴格，不能用粗淀粉，只能用純度較高的精制淀粉。29淀粉鹽酸蒸汽水調(diào)漿糖化冷卻中和脫色壓濾濾渣糖液活性炭Na2CO34.酸解工藝流程

淀粉的酸水解工藝是根據(jù)淀粉在水解過程中的水解反應和復合、分解反應規(guī)律性來決定的。30

1淀粉質(zhì)量2淀粉乳濃度的選擇3酸的種類和用量4糖化溫度、壓力和時間5糖化終點31（二）酶解法用專一性很強的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。32淀粉酶解法分兩步：（1）液化：用α-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又稱葡萄糖淀粉酶）將糊精和低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。

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酶水解位置水解次序水解產(chǎn)物液化淀粉酶1，4糖苷鍵無先后次序葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖異麥芽糖、低聚糖糖化糖化酶1，4和1，6從非還原性葡萄糖糖苷鍵末端開始1.酶水解特性342、淀粉的液化及液化終點的控制糊化：在溫水中，當?shù)矸垲w粒無限膨脹形成均一的粘稠液體的現(xiàn)象，稱為淀粉的糊化。此時的溫度稱為糊化溫度。老化：分子間已斷裂的氫鍵、糊化淀粉又重新排列形成新的氫鍵的過程，也就是復結(jié)晶的過程。35液化方法36噴射液化該工藝的特點是利用噴射器將蒸汽噴入淀粉乳的薄膜，在短時間內(nèi)通過噴射器快速升溫至145C完成糊化、液化，使形成的“不溶性淀粉顆粒”在高溫下分散，從而使所得的液化液既透明又易于過濾，淀粉的出糖率也高，同時采用了真空閃急冷卻，提高了液化液的濃度。37液化程度的控制I2試測定DE值DE值高，糊精太小，不利于糖化酶作用，影響催化效率，終點DE值低。DE值低，液化不徹底，糖化速度慢，酶用量大，時間長，過濾性能差。383.淀粉糖化及糖化終點的控制

（1）糖化的溫度及pＨ值：決定于所用的糖化劑的性質(zhì)。（2）加酶量：（3）液化液DE值的影響：在碘試本色的前提下，液化液DE值越低，則糖化液DE值越高。（4）異淀粉酶的影響：39

糖化終點：終點確定：DE值達最高時，加熱滅酶方法：無水乙醇滴入糖化液，無白色沉淀則達到糖化終點

40糖化工藝

液化糖化滅酶過濾成品糖液414.評價

優(yōu)點：（1）反應條件溫和，不需高溫、高壓設備。（2）副反應少，水解糖液純度高。（3）對原料要求粗放，可用粗原料并在較高淀粉乳濃度下水解。（4）糖液顏色淺，質(zhì)量高。

缺點：（1）生產(chǎn)周期長，一般需要48小時。（2）需要更多的設備，且操作嚴格。42酸酶法酶酸法（三）酸酶結(jié)合水解法431）酸酶法：葡萄糖糖化酶酸解酶解淀粉糊精或低聚糖酸酸酶法特點：液化速度快；糖化是由酶來進行的，對液化液要求不高，可采用較高的淀粉乳濃度，提高生產(chǎn)效率；用酸較少，產(chǎn)品顏色淺，糖液質(zhì)量較高。442）酶酸法：葡萄糖酸酸解糖化酶解液化淀粉糊精或低聚糖-淀粉酶酶酸法特點：可采用粗原料淀粉，淀粉濃度也較酸法高，糖液色淺45

從水解糖的質(zhì)量及降低糖耗，提高原料利用率方面來考慮，則以雙酶法最好，酸酶法次之，酸法最差；從時間來說，則酸法最短，雙酶法最長46

淀粉水解糖液質(zhì)量要求

1、色澤：淡黃色透明2、糖液不含糊精3、還原糖含量：18%（酸解法）；25-38%（酶解法）4、DE值：﹥90%（酸解法）；﹥95%（酶解法）5、透光率：﹥40%（酸解法）；﹥60%（酶解法）6、pH:4.6-4.87、淀粉轉(zhuǎn)化率：﹥92%（酸解法，玉米淀粉糖）；﹥95%(酶解法，玉米淀粉糖）；87%（酸解法，大米糖）

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第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌一、消毒與滅菌的原理和方法1、在發(fā)酵過程中夾雜其它雜菌造成的后果：1、生產(chǎn)菌和雜菌同時生長，競爭培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，導致生產(chǎn)能力下降；2、雜菌及其產(chǎn)生的物質(zhì)，使提取精制發(fā)生困難；3、雜菌大量繁殖，改變代謝途徑，使生物反應產(chǎn)生異常變化；4、雜菌會降解目的產(chǎn)物，使生產(chǎn)過程失??；5、發(fā)生污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。482、滅菌與消毒的區(qū)別滅菌：用物理或化學方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細胞、細菌芽孢和孢子消毒：用物理或化學方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。493、滅菌的原理和方法干熱滅菌法濕熱滅菌法射線滅菌法化學藥品滅菌法過濾除菌法火焰滅菌法50（1）干熱滅菌

原理：利用高溫對微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物。常用方法：灼燒和電熱箱加熱，140-180℃1-2小時使用范圍：玻璃及金屬用具及沙土管滅菌全自動干熱滅菌器51（2）濕熱滅菌

原理：蒸汽冷凝放出大量潛熱，具有穿透力，且在高溫有水分條件下，蛋白質(zhì)易變性。常用方法：水煮常壓滅菌：100℃飽和蒸汽滅菌：一般121℃，30分鐘使用范圍：培養(yǎng)基和發(fā)酵設備滅菌。

高壓蒸汽滅菌鍋52（3）

輻射滅菌原理：利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學反應造成菌體死亡。

常用：紫外線、X射線和γ射線。

使用范圍：用于室內(nèi)空氣及器皿表面滅菌

微波滅菌機53（4）化學物質(zhì)滅菌原理：藥物與微生物細胞中的成分反應，使蛋白質(zhì)變性、酶失活。使用范圍：器皿、雙手和實驗室、無菌室的環(huán)境滅菌，不能用于培養(yǎng)基滅菌

54常用的滅菌劑化學物質(zhì)名稱有效濃度化學物質(zhì)名稱有效濃度新潔爾滅(苯扎溴銨)0.25%甲醛37%杜滅芬0.25%戊二醛2%高錳酸鉀0.1%-0.25%苯酚0.1%-0.15%漂白粉5%過氧乙酸0.02%-0.2%酒精75%焦碳酸二乙酯0.01%-0.1%煤酚皂（來蘇爾）1%—5%

55（5）過濾除菌

原理：利用微生物不能透過濾膜除菌。方法:0.01~0.45m孔徑濾膜，使用范圍：用于壓縮空氣、酶溶液及其他不耐熱化合物溶液除菌。

56（一）濕熱滅菌的原理1、微生物的熱阻二、培養(yǎng)基與設備的滅菌致死溫度：殺死微生物的極限溫度。致死時間：在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時間57微生物相對熱阻細菌和酵母的營養(yǎng)細胞1細菌芽孢3×106霉菌孢子2-10病毒及噬菌體1-5某些微生物對濕熱的相對熱阻（與大腸桿菌比較）熱阻，指微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。相對熱阻是指某一微生物在某條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。582.微生物熱死定律：對數(shù)殘留定律

在一定溫度下，微生物受熱致死遵循分子反應速度理論，微生物受熱死亡的速率-dN/dt與任何瞬間殘留的活菌數(shù)N成正比，即

當Nt=0時，t=∞，

既無意義，也不可能。一般采用Nt=0.001，即1000次滅菌中只有一次失敗。123可見滅菌時間取決于污染程度(N0)、滅菌程度（殘留菌數(shù)Nt）和值59斜率：-k60非對數(shù)殘留定律：61：反應速率常數(shù)（比死亡速率常數(shù)）◆

死亡速率常數(shù)是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物種類和滅菌溫度而異?！舴磻俾食?shù)k與滅菌溫度T的關系：

阿累尼烏斯方程：k=Ae-E/RT

SvanteAugustArrhenius

wasaSwedishphysicalchemistbestknownforhistheorythatelectrolytes,certainsubstancesthatdissolveinwatertoyieldasolutionthatconductselectricity,areseparated,ordissociated,intoelectricallychargedparticles,orions,evenwhenthereisnocurrentflowingthroughthesolution.In1903hewasawardedtheNobelPrizeforChemistry.62細菌芽孢名稱值min-1枯草芽孢桿菌FS5230硬脂嗜熱芽孢桿菌FS1518硬脂嗜熱芽孢桿菌FS617產(chǎn)氣梭狀芽孢桿菌PA36793.8-2.60.772.91.8121℃某些細菌芽孢的值63（二）滅菌溫度與時間的計算和選擇培養(yǎng)基成分受熱破壞是化學分解反應，為一級動力學反應：-dC/d=′C培養(yǎng)基滅菌過程中，除微生物被殺死外，還伴隨著培養(yǎng)基成分被破壞，在加熱下氨基酸、維生素等受破壞。64ln(2

/1)ln(2′

/1′)＝EE′ln2/1＞ln2′/1′名稱E(J/mol)葉酸泛酸維生素B12維生素B1嗜熱脂肪芽孢桿菌枯草桿菌肉毒梭菌70.387.996.792.1283318343當滅菌溫度升高時，微生物死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。65

根據(jù)這一理論，培養(yǎng)基滅菌采用高溫短時的方法，有利于減少營養(yǎng)成分的破壞。

滅菌溫度/℃滅菌時間/min維生素B1破壞量/%10040099.3110366711515501204271300.581450.0821500.01＜166（三）影響培養(yǎng)基滅菌的因素在影響培養(yǎng)基滅菌的因素中，除了滅菌溫度和時間外，還有以下影響因素：1.培養(yǎng)基成分：◆油脂、糖類、蛋白質(zhì)增加耐熱性，滅菌時間長；◆高濃度的鹽類、色素等則削弱其抗性2.培養(yǎng)基物理狀態(tài)：◆固體培養(yǎng)基的滅菌時間要比液體培養(yǎng)基的滅菌時間長673、pH◆微生物在pH6.0～8.0范圍內(nèi)耐熱性最大◆pH低于6.0時，氫離子極易滲入微生物細胞，從而改變細胞的生理反應而促進其死亡，故培養(yǎng)基酸度愈高，則所需的殺菌時間愈短。684、培養(yǎng)基中微生物數(shù)量◆數(shù)量越多，所需滅菌時間越長例如：如肉毒梭狀芽孢桿菌，在105℃濕熱滅菌時間

芽孢桿菌數(shù)/ml時間(min)9×108489×106369×104209×1021492695.微生物細胞含水量：◆一定范圍含水越多蛋白質(zhì)凝固溫度越低，越易被殺死。

6.微生物細胞菌齡：7.耐熱性：8.泡沫：◆泡沫中的空氣形成隔熱層，對滅菌極為不利，可加入少量消泡劑。70（一）間歇滅菌三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝間歇滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設備一起進行滅菌的操作過程，也稱分批滅菌或?qū)嵐逌缇?1過程包括：升溫、保溫和冷卻三階段。各階段對滅菌的貢獻：20%、75%、5%。培養(yǎng)基間歇滅菌過程中的溫度變化情況1.間歇滅菌的溫度變化

72例：

有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在121℃溫度下進行實罐滅菌。原污染程度為每ml有2×105個耐熱細菌芽孢，121℃時滅菌速度常數(shù)為1.8min－1。求滅菌失敗幾率為0.001時所需的滅菌時間。解：N0=40×106×2×105=8×1012(個)N=0.001;=1.8(min－1)

=2.303lgN0N=2.3031.8lg(8×1015)=20.34(min)2.滅菌時間的估算

731、在進行培養(yǎng)基滅菌之前，通常應先把發(fā)酵罐的空氣分過濾器滅菌并用無菌空氣吹干。2、預熱：向夾套或蛇管中通入蒸汽，間接將培養(yǎng)基加熱至70℃左右作用：利于糊化；減少冷凝水的生成；減輕噪音

3.間歇滅菌工藝