食品发酵工程及其在食品上的应用

1、贵州大学酿酒与食品工程学院作业（论文）题目： 发酵工程在食品工业中的应用课程名称： 食品高新技术 任课教师姓名： 朱秋劲 研究生姓名： 宋小娟 学 号： 2013021205 年 级： 2013级 专 业： 食品科学 任课教师评分： 评阅意见：任课教师签名： 年 月 日发酵工程及其在食品工业上的应用摘要：随着生物技术的不断发展，发酵工程作为食品生物技术中的一个分支，在食品加工过程中起着至关重要的作用，现代发酵工程结合基因工程、细胞工程等生产出许多种天然的食品，如：单细胞蛋白，黄原胶，细胞色素等，这一技术为食品加工业提供了一条健康发展道路。关键词：现代发酵工程；发酵类型；食品加工fermenta

2、tion engineering and its application in food industryabstract: with the continuous development of biotechnology, fermentation engineering as a branch of food biotechnology, food processing, plays an important role in the process of modern fermentation engineering combined with genetic engineering, c

3、ell engineering and so on to produce many kinds of natural food, such as: single cell protein, xanthan gum, cytochrome, etc., the technology for food processing provides a healthy development road.key words: modern fermentation engineering ;the fermentation type; food processing发酵工程也叫微生物工程，是利用微生物的生长

4、和代谢活动，通过现代化工技术来生产各种有用物质的一种技术。发酵工程的内容随着生物技术的发展不断扩大和充实。现代的发酵工程结合了基因工程、细胞工程、分子修饰和改造等新技术，不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用1。发酵工程是一个由实践科学组成的一种生产手段，早已广泛的应用于我们的生活中。就现阶段发酵工程的发展而言，它已经历了“农产手加工”、“近代发酵工程”、“现代发酵工程”这 3 个阶段。1 微生物发酵工程的原理发酵工程分为菌种、发酵和提炼等三个阶段。发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上，生物学原理是发现发酵工程最基本的原理。发酵原理的核心内容是微生物复杂系

5、统运行的自然规律 （即微生物生命活动的三个基本假说）2。细胞经济假说 （生命活动的法则，控制）揭示细胞经济的运行原理，它们体现了细胞代谢活动的自主性。以面包制作过程中的发酵过程为例谈谈发酵原理。面包在制作的过程中首先需要面团的发酵，促进面团体积的膨胀。面团发酵的过程是一系列物理、化学变化的过程，发酵所产生的气体均匀分布在面团中；在各种生物酶的作用下，面团中的双糖和多糖转化成糖，在适宜的温度、水分、ph值以及必要的矿物元素环境下，酵母直接利用单糖进行新陈代谢，酵母发酵的过程伴随产生的各种复杂化学芳香物质。2 发酵工程特点微生物发酵技术具有以下特点3：（1）发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十

6、个反应过程能够在发酵设备中一次完成，也可在同一发酵设备生产多种发酵产品；（2）反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备简单；（3）原料通常以农副产品（糖蜜、淀粉）、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等）等为主，利于综合利用；（4）能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应，容易产生复杂的高分子化合物；（5）产物专一，副反应少，污染小，是较为环保的工业生产方式。3 微生物发酵过程分类 3.1 根据微生物种类不同，微生物发酵过程可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类4。（1）好氧性发酵在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵，

7、利用棒状杆菌进行的谷氨酸发酵等。（2）厌氧性发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。此外，酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌氧性发酵积累酒精，而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞，因此称为兼性发酵。3.2 根据培养基状态的不同，微生物发酵又可分为固体发酵和液体发酵；按照发酵设备来分，可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵5。3.2.1 固体发酵某些微生物生长需水很少，可利用疏松而含有必须营养物的固体培养基进行发酵生产，称为固体发酵。许多调味品的生产，如我国传统的酿酒、制酱及大豆发酵食品等的生产均为固体发酵。另外

8、，固体发酵还利用与蘑菇的生产，奶酪和泡菜的制作等。固体发酵一般是开发式的，因而不是纯培养，无菌要求不高，它的一般过程为：将原料预加工后再经蒸煮灭菌，然后制成含一定水分的固体物料，接入预先培养好的菌种进行发酵。发酵成熟后要适时出料，并进行适当处理，或进行产物的提取。固体发酵所需设备简单，操作容易，所用原料多为来源丰富的工农业副产品，如麸皮、薯粉、大豆饼粉、高梁、玉米粉等，因此，至今仍在某些产品的生产上不同程度地沿用，但这种方式有许多缺点，如劳动强度大，不便于机械化操作，微生物品种少，生长慢，产品有限等。3.2.2 液体发酵液体深层发酵法是指在液体培养基内部进行的微生物培养过程。液体深层发酵是在青

9、霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。根据操作方式的不同，液体深层发酵主要有分批发酵、连续发酵和补料分批发酵三种类型。（1） 分批发酵 培养基和菌种一次加入进行培养，与外部没有物料交换。其全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的培养基、接种、发酵过程、放罐和洗罐，所需时间的总和为一个发酵周期。分批发酵是最常用的发酵方法，广泛用于多种发酵过程，传统的生物产品发酵多用此过程。它除了控制温度和ph值及通气以外，不进行任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则有明显改变，发酵初期营养过多，可能抑制微生物的生长，而发酵的中后期又可能因为营养物减少而降低培养效率。从细胞的增值来说，初期细胞浓度低，增长慢，后

10、期细胞浓度虽高，但营养物浓度过低也生长不快，总的生产能力不是很高。（2） 连续发酵所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如培养基浓度、产物浓度、ph值等都能保持相对恒定，微生物细胞的浓度及其生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。与分批发酵相比，连续发酵具有以下优点：a.可以维持稳定的操作条件，有利于微生物的生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；b.能够更有效实现机械化和自动化，降低劳动强度，

11、减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；c.减少设备清洗、准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备利用率，节省劳动力和工时；d.由于灭菌次数减少，使测量仪器探头的寿命延长；e.容易对过程进行优化，有效提高发酵产率。（3） 补料分批发酵补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。通过向培养系统中补充物料，可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内，既保证微生物的生长需要，又不会造成不利影响，从而达到提高产率的目的。补料在发酵过程中的应用，是发酵技术上一个划时代的进步。补料技术本身也由少次多

12、量、少量多次，逐步改为流加，近年又实现了流加补料的微机控制。同传统的分批发酵相比，补料分批发酵可以解除营养物质的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应（葡萄糖效应葡萄糖被快速分解，代谢所积累的产物在抑制所需产物合成的同时也抑制其他一些碳源、氮源的分解利用）；对于好氧发酵，它可以避免在分批发酵中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以致通风搅拌设备不能匹配的状况；它还可以在某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。在真菌培养中，菌丝的减少可以降低发酵液的黏度，便于物料输送及后处理。与连续发酵相比，它不会产生菌种老化和变异问题，其适用范围也比连续发酵广。4 发酵设备生物反应器是利用生

13、物催化剂为微生物发酵或酶反应提供良好的反应环境的设备 ，通常称为发酵罐6。分别是：机械搅拌式发酵罐、通风搅拌式发酵罐和厌氧发酵设备。5 发酵工程在食品工业中的应用发酵工程除了应用于传统的酿酒和调味品德生产外，抗生素的发现和大规模深层培养技术的问世，赋予了微生物发酵技术新的生命力。发酵工程产品的品种不断增加，如单细胞蛋白、食品胶、天然色素、功能性不饱和脂肪酸等多种食品添加剂和保健食品功能性基料。5.1 单细胞蛋白的发酵生产单细胞蛋白（scp）有的可直接供人们食用，有的可作家畜、家禽的饲料。因其富含蛋白质、风味温和、容易储存等特点，可代替传统的蛋白质添加剂，如鱼粉、豆粉等。从酵母或细菌等微生物体获

14、取的单细胞蛋白含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂类、微生素以及矿物质，营养价值高。除了作饲料外，还可以作为营养强化剂添加到食品中。赵彩艳7采用豆腐渣为主要原料，接种酵母菌量为14%，发酵温度30，发酵周期72h，该条件下发酵终产物粗蛋白含量为40.43%。毕荣宇等8利用毕赤酵母作为出发菌株，利用玉米粉和豆粕作为碳源和氮源生产单细胞蛋白。张琴9利用棉秆，青霉接种量为10%，发酵53h，得到单细胞蛋白含量的评均值为25.38%。朱将伟等10利用枯草芽孢杆菌与产朊假丝酵母作为发酵菌种，以稻草秸秆为原料，采用混合发酵方式生产单细胞蛋白，并对混合发酵的条件进行了优化，最终产物中的蛋白含量可达约24.5%。

15、5.2 食品胶的发酵生产近年来，利用发酵法生产微生物多糖如黄原胶、结冷胶、茁霉多糖等不断发展，这些新型的食品胶以其安全、无毒、功能独特等优良特性广泛应用于食品工业中作为增稠剂、稳定剂、乳化剂和品质改良剂。5.2.1 黄原胶黄原胶是黄单孢杆菌发酵产生的细胞外杂多糖。黄原胶在食品工业中作为：胶凝剂、稳定剂、保鲜剂和持水剂等。王桂兰11采用廉价易得的培养基，首次在黄原胶发酵中添加表面活性剂和植物油，显著提高了黄原胶的产量，首次将黄原胶进行精制，并使各项参数达到注射用原料药的标准。何海燕等12在发酵温度28，接种量10%,ph7.5,发酵96h，产生的黄原胶产量达35.28g/l。5.2.2 结冷胶结

16、冷胶是美国kelco公司开发的一种新型微生物多糖，其胶凝性能比黄原胶更为优越，如凝胶形成能力强、透明度高、最佳的风味释放、稳定性强、不需加热或稍微加热即可形成凝胶等，而且形成凝胶的温度和速度可根据需要在一定范围内变动。5.2.3 热凝胶 热凝胶是由tokuya harada教授于1966年发现的一种微生物多糖。随着对其结构、流变性质、物化性质、功能、应用等方面的研究不断深入，其独特的理化性质引起人们的广泛兴趣。热凝胶可以用作添加剂以提高各种食品的质量，由于不含生理热量，因此可以作为低能量食品的组份而得到广泛应用。近年来，用热凝胶制取得支链型-d-（1,3）-葡聚糖具有较高的抗肿瘤特性。而且，近

17、年来研究发现热凝胶的硫酸酯及其支链衍生物具有很强的抗艾滋病毒（hiv）活性。5.3 发酵法生产食用色素食用色素是一类重要的食品添加剂。微生物发酵法生产天然色素既避免了化学合成色素造成的潜在危险，又克服了从植物中提取色素受气候和土地等影响的弊端，具有产量高、成本低、使用安全等特点。5.3.1 发酵法生产黄曲黄色素thiyam general等13利用日本的一种海带（saccharina japonica）作为固体发酵的底物，在不加盐和氮源的条件下用黄丝曲霉属的真菌gt11进行固体发酵，ph7.0，相对湿度80%，接种量1.8*106ml/g，28下发酵192h，能产生510nm条件下吸光度值41

18、0，这种方法生成的色素可以被用在食品、化妆品和制药工业中。busaba yongsmith等14采用黄曲霉的诱变菌株tistr 3179作为黄曲色素发酵微生物，发现泰国的五种米中hom-mali米是最好的固体培养基，比玉米粉、大豆粉、甜土豆粉的效果还要好。其中相对湿度和温度也是主要影响因素。在温度为2832，相对湿度42%，接种量2%时，黄曲色素的最大产量是2224.63 a370u/gdw。5.3.2发酵法生产红曲色素红曲（ang-kak）是以大米为主要原料，经红曲霉发酵而成的一种色泽红色的米曲，在亚洲国家被广泛用于给各种发酵食品增加风味和着色，也可用于红米酒和高梁酒的酿造。pongrawe

19、e nimnoi等15发现温度和低物对红曲霉形成红色素有影响，研究发现将红曲霉cmu001放在马铃薯葡萄糖，30下培养2周能产生大量红色素，而放在胰蛋白胨葡萄糖酵母提取物上能大量增加菌体的干重。而用玉米粉作底物，再加入8%的葡萄糖时的产色素能力最好（129.63u/gds）。而色素在高温和紫外光条件下容易衰退。jun tan 等16研究通过一个简单的高通量系统测定红曲霉发酵样品产色素的量。将这个高通量系统与响应面分析方法相结合，从29种影响因素中选择出来4种主要的影响因素：葡萄糖（51.42g/l）、蛋白胨（4.91g/l）、nano3(1.00g/l)、kh2po4（1.00g/l）。这个系

20、统可以将色素色价从206.5u/ml提高到265.8u/ml。5.4 gaba（-氨基丁酸）的发酵生产 -氨基丁酸是一种降血压的药剂，可以由红曲霉产生。donghua jiang等17从发酵腐乳中筛选出一株红曲霉菌m6,其产gaba的能力为3.657g/l。经紫外诱变后的m6-13菌株产gaba量是m6的1.5倍（5.527g/l）。当把m6-13放人3.7l的发酵罐中培养，gaba的产量达到13.470g/l。5.5 功能性多不饱和脂肪酸的发酵生产多不饱和脂肪酸（pufas）是指含有两个或两个以上双链，且碳链长为1622个碳原子的直链脂肪酸，在生物制药和营养保健品中广泛关注和应用。常见的有：

21、-亚麻酸（gla）、-亚麻酸（ala）、二十碳五烯酸（epa）和二十二碳六烯酸（dha）等。（1）-亚麻酸和-亚麻酸是两种重要的不饱和脂肪酸，是细胞膜的基本成分和人体多种活性物质如前列腺素、epa、dha等的前体，对人心脑血管疾病有特殊疗效。目前主要-亚麻酸的主要来源是陆地植物。发酵法生产-亚麻酸主要有微藻和真菌。姜翠红18研究了以粗甘油为碳源培养深黄被孢霉生产-亚麻酸，发酵时间12d，发酵温度27.5、尿素1.0g/l，深黄被孢霉dla含量可达1.94g/l。高温高氮（1.25g/l，26.5）深黄被孢霉生物量提高，低温迪氮（1.0g/l,25）有利于-亚麻酸积累，所以深黄被孢霉可采用两步发

22、酵生产-亚麻酸。milan ertík等19研究发现，微藻类产-亚油酸的效果最好，进行深层发酵，碳源为可溶性淀粉，氮源为尿素，gla的产量为1638.7mg/l。孙继民等20以拉曼被孢霉为出发菌体m5，通过亚硝基和激光诱变，最后筛得一株mf10，-亚麻酸的产率达12.5g/l。微生物发酵生产-亚麻酸的缺点是对高产菌株的选育困难，利用基因工程技术可以定向选育出优良性状的基因工程菌，并通过发酵大量生产。(2) epa和dha均属于高烯不饱和脂肪酸，广泛存在于深海鱼油之中（三文鱼、金枪鱼等），有益于人类健康。其生理功能主要有：预防和治疗动脉粥样硬化、血栓和高血压。然而油脂不很稳定，容易氧化

23、变质。微生物发酵法生产epa和dha具有生产周期短、培养简单、不受气候和季节限制，可大规模生产。eduardo l等21研究发现，被孢霉是生产epa的潜在来源，生长在12低温下可积累epa 15%以上。doornbos b等22发现海藻chlorella minutissia产dha。lopez huertas e等23报道淡水藻monodus suberraneus产dha。jin liu 等24人采用营绿等金鞭藻在恒化器中进行大规模培养生产epa和dha，培养条件是20、ph8.0、，当稀释率为0.00240.0377h，生长速率接近最大时，产epa为15.26mg/l。5.6 l苹果酸的

24、发酵生产l-苹果酸广泛应用于食品行业，在葡萄酒酿制过程中加入少量l-苹果酸可以使酒陈化，在医学上，有抗疲劳、护肝、改善心胀机能的作用。l-苹果酸可以采用一步发酵法或二步发酵法生产25。郝夕祥26研究了黄曲霉sfw-7在mn2+为14mg/l，fe2+为20mg/l,mg2+为10mg/l，l-苹果酸的产量为38.73g/l。并证实co2固定途径是积累l-苹果酸的主要途径。吴亚斌27研究基于产琥珀酸重组大肠杆菌 escherichia coli b0013-1050 的琥珀酸合成途径，利用red同源重组系统和xer/dif重组酶系统对其进行改造，构建l-苹果酸的合成途径。对重组菌 e. coli

25、 2040进行 15 升罐发酵试验，厌氧发酵 30 h，产 l-苹果酸 14 g/l，转化率 60.3%，生产强度0.47 g/(l·h)。o.pines等28研究酿酒酵母产l-苹果酸的过程中延胡索酸酶可以将产l-苹果酸的产量提高17倍。6 结语 随着现代发酵工程技术在食品领域的广泛应用，食品工业将不再是传统农业食品的概念，工业食品将在人们日常生活中占据重要的地位。现代食品工业的蓬勃发展，已显示出发酵工程技术的巨大生命力，要充分利用世界生物技术迅猛发展的契机，中式发酵工程技术的研究，促进我国食品工业的改革，实现我国食品工业健康有序的发展。参考文献1 张叶叶.发酵工程在食品工业中的应用

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29、elected monascus mutantj.appl microbiol biotechnol，2013（97）：88958902.15 pongrawee nimnoi ,saisamorn lumyong. improving solid-state fermentation of monascus purpureus on agricultural products for pigment productionj.food bioprocess techol，2011,4:13841390.16 jun tan,ju chu,wenjuan shi ,et al.high-thro

30、ughput screening steategy used for enhanced production of pigment by monasus purpureus d39-4j.foodsci .biotechnol,2012,21(6):1603-1610.17 donghua jiang ,hao ji,yan ye ,et al . studies on screening of higher -aminobutyric acid-producing monascus and optimization of fermentative parametersj.eur food r

31、es technol，（2011）232:541547.18 姜翠红.深黄被孢霉利用粗甘油生产-亚油酸的研究d.大连理工大学，2011,6（27）：5758.19 milan ertík,zuzana adamechová,and kobkul laoteng.microbial production of -linolenic acid：submerged versus solid-state fermentationsj.food sci.biotechnol，2012,21（4）：921926.20 孙继民，王卫卫，马庆辉等.复合诱变被孢霉原生质体获高产-亚麻酸的研究j.2011，(20)6:824829.21 eduardo l.health effects of oleic acid and long chain omega一3 fatty acid (epa and dha) enriched milks. a review of interve