發(fā)酵工程 (第3章)

發(fā)酵工程原理與技術(shù)第三章發(fā)酵工業(yè)原料及其處理1、碳源物質(zhì)：一、發(fā)酵培養(yǎng)基中各種成分的定量及原料第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分（1）碳源物質(zhì)作用

a、提供合成細(xì)胞物質(zhì)所需碳素。b、提供能源（生長及合成產(chǎn)物）c、提供目的產(chǎn)物中的碳（2）碳源物質(zhì)淀粉、淀粉水解糖、糖蜜、有機(jī)酸、低碳醇、脂類、烴類（3）工業(yè)上常用作碳源的淀粉質(zhì)原料（p51）a、淀粉的性質(zhì)不同產(chǎn)地甘薯的淀粉顆粒b、淀粉質(zhì)原料（a）工業(yè)淀粉谷類淀粉：結(jié)構(gòu)致密、顆粒較小薯類淀粉：結(jié)構(gòu)疏松，顆粒較大常用工業(yè)淀粉：玉米淀粉、小麥淀粉、甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉（b）谷類（糾錯(cuò)）（c）薯類。2、氮源物質(zhì)：

a、提供合成細(xì)胞物質(zhì)所需氮素。（1）氮源物質(zhì)作用b、碳源不足時(shí)可為某些厭氧微生物提供能源c、如果目的產(chǎn)物有氮素存在要提供目的產(chǎn)物所需氮素。（2）氮源物質(zhì)黃豆餅粉、花生餅粉、棉籽餅粉、玉米漿、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、發(fā)酵菌絲、酒糟等。有機(jī)氮源：無機(jī)氮源：氨水、液氨、尿素、硝酸鹽、銨鹽（3）工業(yè)上常用做氮源的蛋白質(zhì)類原料黃豆餅粉：抗生素玉米漿：用量0.4％－0.8％蛋白胨酵母粉蠶蛹粉：制霉菌素3、無機(jī)鹽（1）無機(jī)鹽作用（自己看書p51）（2）發(fā)酵培養(yǎng)基中的無機(jī)鹽（p54）a、磷酸鹽（a）作用I、提供某些蛋白質(zhì)、核酸、ADP、ATP所需磷元素II、緩沖作用（b）工業(yè)常用磷酸鹽K3PO4﹒3H2O、K3PO4、Na2HPO4﹒12H2O、NaH2PO4﹒2H2Ob、硫酸鎂（a）作用I、提供酶的激活劑－鎂元素II、為菌體提供合成含硫蛋白的硫源（b）工業(yè)需要量MgSO4﹒7H2O：0.25～1g/Lb、鉀鹽（a）作用I、維持細(xì)胞一定滲透壓和細(xì)胞透性II、是某些酶的激活劑（b）工業(yè)常用鉀鹽微生物需要鉀量以K2SO4計(jì)0.1g/L如果培養(yǎng)基磷酸鹽用K3PO4﹒3H2O或K3PO4鉀鹽就足夠。如用Na2HPO4﹒12H2O或NaH2PO4﹒2H2O需要配用0.3～0.6g/L的KCl4、生長因子（p51和p54自己看書）5、前體（講過了）6、促進(jìn)劑、抑制劑（p51和p54、55自己看書）第二節(jié)淀粉水解糖的制備一、酸水解法。酸水解法是以酸（無機(jī)酸或有機(jī)酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。1、酸水解法的原理：淀粉在高溫加酸作用下，首先是顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，然后酸作用于α-1,4糖苷鍵及α-1,6糖苷鍵,使之?dāng)嗔?，水解前者的速度要快于后者。H+對(duì)淀粉的糖苷鍵作用沒有一定順序，糖鏈的斷裂不規(guī)則，同時(shí)生成糊精，低聚糖，麥芽糖和葡萄糖。隨著水解進(jìn)行，葡萄糖，麥芽糖等還原性糖越來越多，當(dāng)葡萄糖值>60后，葡萄糖復(fù)合與分解反應(yīng)明顯，會(huì)產(chǎn)生其它有味物質(zhì)（如苦的龍膽二糖）以及色澤加深。2、淀粉酸水解法制糖的工藝過程（1）淀粉酸水解法工藝流程（p64）（2）淀粉酸水解法工藝條件的確定（p64）a、淀粉原料的選擇酸水解法對(duì)淀粉質(zhì)量要求較高雜質(zhì)危害見書p64b、無機(jī)酸的選擇和用量國內(nèi)普遍采用催化效能最高的鹽酸。用量為干淀粉的0.6％～0.7％。缺點(diǎn)：催化復(fù)合反應(yīng)的能力也大；對(duì)設(shè)備腐蝕較大；中和后產(chǎn)生氯化物，增加糖液鹽分少數(shù)用硫酸。因運(yùn)輸存儲(chǔ)方便，價(jià)格低。缺點(diǎn)：需用碳酸鈣中和，中和時(shí)產(chǎn)生硫酸鈣，少部分不能過濾除去的易沉積在加熱管表面，影響傳熱。且糖液存儲(chǔ)時(shí)硫酸鈣慢慢沉淀造成糖液混濁。日本多用草酸。因用石灰中和后生成的草酸鈣不溶解，可以過濾除去。缺點(diǎn)：催化效能低，不夠經(jīng)濟(jì)c、水解的溫度與壓力靠控制壓力來控制加熱蒸氣的溫度溫度越高水解速度越快，但同時(shí)復(fù)合與分解反應(yīng)也越快，且對(duì)設(shè)備腐蝕加強(qiáng)，對(duì)設(shè)備的耐壓性能要求高。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，宜控制在蒸氣壓力為0.28～0.32MPa（表壓）為好。d、淀粉乳濃度淀粉乳濃度高可保證發(fā)酵配料需要并可提高生產(chǎn)效率，但復(fù)合分解反應(yīng)多，糖液純度降低，色澤加深。易于水解的淀粉原料（薯類淀粉等）淀粉乳濃度要高些，不易于水解的淀粉原料（谷類淀粉等）淀粉乳濃度要低些。e、糖化終點(diǎn)糖化時(shí)間過短水解不完全，糊精含量高，葡萄糖含量低，糖液質(zhì)量差，對(duì)發(fā)酵和產(chǎn)物提取都不利。糖化時(shí)間過長復(fù)合分解反應(yīng)強(qiáng)，復(fù)合糖多，色素增加，葡萄糖值也降低。糖化終點(diǎn)檢測：無水乙醇（3）糖化設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)糖液質(zhì)量的影響（自己看書）（4）水解糖液的中和、脫色除雜a、中和（a）中和的作用I、除酸II、使蛋白質(zhì)等呈膠體狀態(tài)的雜質(zhì)達(dá)到等電點(diǎn)凝聚析出（b）用來中和的物質(zhì)I、純堿Na2CO3II、燒堿NaOHb、脫色除雜（a）活性碳吸附法I、溫度一般控制在65℃II、pH控制在5.0以下。III、時(shí)間25～30分鐘為好IV、活性碳用量控制在淀粉量的0.6％～0.8％（c）中和注意事項(xiàng)I、pH終點(diǎn)控制（I）pH偏低雜質(zhì)不能最大量的凝聚析出（II）pH偏高分解反應(yīng)產(chǎn)生色素，部分凝聚物又重新溶解，造成過濾困難，泡沫增加。薯類淀粉原料所含蛋白質(zhì)等電點(diǎn)較高，pH應(yīng)稍高些。玉米淀粉原料pH應(yīng)稍低些。II、溫度控制一般控制在60～70℃之間為宜。過高易生成焦糖，抑制某些生產(chǎn)菌的生長。過低也不行，后續(xù)的脫色除雜過濾需要一定的溫度。（b）離子交換法I、優(yōu)點(diǎn)選擇性強(qiáng)，脫色效果好，便于管道化、連續(xù)化及自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。II、缺點(diǎn)國產(chǎn)樹脂質(zhì)量差，價(jià)格高（c）壓濾溫度一般控制在60～70℃二、（雙）酶水解法。（一）（雙）酶水解法的優(yōu)缺點(diǎn)（自習(xí)p56）（二）淀粉酶及其水解作用（p66）1、α-淀粉酶/液化酶/糊精化酶內(nèi)切型淀粉酶，從淀粉分子內(nèi)部任意切開α-1,4糖苷鍵，不能水解α-1,6糖苷鍵。水解速度受底物分子大小和結(jié)構(gòu)的影響，分子越小越難水解，分枝越多越難水解，離α-1,6糖苷鍵越近的鍵越難水解。2、淀粉葡萄糖苷酶/糖化型淀粉酶/糖化酶外切型淀粉酶，從底物非還原性末端依次水解α-1,4糖苷鍵，也能水解α-1,6糖苷鍵，但較慢，速度僅是前者的十分之一。水解速度也受底物分子大小的影響，水解聚合度10～20的糊精時(shí)速度最快，水解淀粉和低聚糖速率較慢。水解能力隨不同微生物來源而異。（三）淀粉的液化及液化終點(diǎn)的控制（p68）1、液化理論（1）淀粉的糊化a、定義淀粉顆粒由于受熱吸水膨脹，晶體結(jié)構(gòu)消失，變成糊狀液體，這種現(xiàn)象叫做糊化。b、糊化過程的三個(gè)階段預(yù)糊化/可逆吸水階段糊化/不可逆吸水階段溶解/淀粉粒最后解體階段（2）淀粉的老化a、定義分子間氫鍵斷裂的糊化淀粉重新排列形成新氫鍵的過程。也就是一個(gè)復(fù)結(jié)晶的過程。b、老化的影響因素（a）直鏈淀粉易老化，支鏈淀粉不易老化。（b）DE值越小越易老化（c）堿性條件可以抑制淀粉老化（d）高溫條件下不易老化，2～4℃極易老化（e）快速升溫或快速降溫不易老化（f）淀粉糊濃度過高易發(fā)生老化（3）液化的溫度盡量采取高一些的溫度（原因自習(xí)p69）（4）液化的方法與選擇（自習(xí)）2、液化程度的控制將碘液滴入液化液中，如顯棕紅色或橙黃色則達(dá)到液化終點(diǎn)。加熱到100℃保溫10min滅酶pH調(diào)至4.0滅酶3、液化工藝（自己看書）（四）淀粉的糖化及糖化終點(diǎn)的控制1、糖化理論（1）糖化的溫度和pH盡量選用較高的溫度和較低的pH糖化（2）加酶量（3）液化液DE值的影響（4）異淀粉酶的影響2、糖化終點(diǎn)的控制把無水乙醇滴入糖化液中，無白色沉淀則達(dá)到糖化終點(diǎn)加熱到80℃保溫20min滅酶3、糖化工藝（自己看）三、酸酶結(jié)合水解法（p57,自習(xí)）四、水解糖液的質(zhì)量要求（p72自習(xí)）第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌一、消毒與滅菌的原理與方法。（一）消毒與滅菌在發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用（自習(xí)）（二）消毒與滅菌的區(qū)別（自習(xí)）（三）滅菌的原理和方法1、干熱滅菌法（1）原理高溫產(chǎn)生的干熱對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮等作用。（2）方法a、灼燒b、干燥箱2、濕熱滅菌法（1）原理借助蒸氣釋放的熱能使微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學(xué)鍵，特別是氫鍵受到破壞，引起不可逆的變性使微生物死亡。b、水煮常壓滅菌c、飽和蒸氣滅菌高壓滅菌鍋發(fā)酵車間設(shè)備空消和培養(yǎng)基實(shí)消（3）優(yōu)缺點(diǎn)（自己看書p74）（2）方法a、巴氏消毒法3、輻射滅菌法（1）原理利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡。（2）方法a、紫外線b、γ射線、高速電子流的陰極射線c、X射線4、化學(xué)藥劑滅菌法（1）原理利用藥物與微生物細(xì)胞中的成分發(fā)生反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、酶失活。（2）常用化學(xué)藥劑a、高錳酸鉀溶液b、漂白粉c、75%酒精d、過氧乙酸e、新潔爾滅和杜滅芬f、甲醛g、戊二醛h、環(huán)氧乙烷（書無）i、酚類j、焦碳酸二乙脂k、抗生素5、過濾除菌（1）原理微生物不能透過濾膜。（2）方法用0.01～0.45um孔徑的濾膜對(duì)壓縮空氣、酶溶液、啤酒和其它不耐熱化合物溶液除菌。二、培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌（一）