食品生物技术--发酵

1、第一章第一章 发酵工程发酵工程1发酵工程发酵工程发酵工程：是生物技术的重要组成部分，它将微生物学、生物化学和食品工程的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术、由于是以培养微生物为主，所以又称为微生物微生物工程。2参考书参考书微生物学教程（第二版）周德庆高等教育出版社3微生物的定义微生物的定义 微生物微生物（microorganism, microbe）:存在于自然界存在于自然界中的一群体型细小、结构简单、肉眼看不见，必中的一群体型细小、结构简单、肉眼看不见，必须借助于特殊仪器放大后才能观察到的微小生物须借助于特殊仪器放大后才能观察到的微小生物 按其

2、结构、化学组成及生活习性可分为按其结构、化学组成及生活习性可分为: :原核类:仅有原始核质，无核仁或核膜，细胞器很不完善。如细菌、仅有原始核质，无核仁或核膜，细胞器很不完善。如细菌、放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、螺旋体放线菌、支原体、立克次氏体、衣原体、螺旋体 真核类:细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体，细胞器完细胞核的分化程度较高，有核膜、核仁和染色体，细胞器完整。如真菌（酵母菌和霉菌）、整。如真菌（酵母菌和霉菌）、 原生动物、藻类原生动物、藻类非细胞类:体积微小，能通过除菌过滤器。如病毒和朊病毒等体积微小，能通过除菌过滤器。如病毒和朊病毒等 按其致病性可分为按其致病性可分为:

3、 :病原性微生物非病原性微生物4微生物的特点微生物的特点个体小个体小,面积大：面积大：小于小于0.1mm。肉眼不可见。肉眼不可见。分布广分布广, ,种类多（种类多（10万多种）万多种） ：自然界中到处都：自然界中到处都有，如水、空气、土壤等有，如水、空气、土壤等, , 土壤中的数量最多。土壤中的数量最多。代谢强，转化快：代谢强，转化快：发酵乳糖的细菌在发酵乳糖的细菌在1小时内可分小时内可分解其自重解其自重100010000倍的乳糖；产朊假丝酵母合倍的乳糖；产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比食用公牛强成蛋白质的能力比食用公牛强10万倍万倍生长旺，繁殖快：生长旺，繁殖快：微生物有惊人的繁殖速度，大微生

4、物有惊人的繁殖速度，大多数微生物几十分钟内就可以繁殖一代多数微生物几十分钟内就可以繁殖一代适应性强，易变异适应性强，易变异（耐药性产生的原因）（耐药性产生的原因）5葡萄球菌葡萄球菌 6微生物的类群和形态结构微生物的类群和形态结构 一、细菌一、细菌 细菌是一类细胞细而短、结构简单、细胞壁坚韧，以二分裂方式无细菌是一类细胞细而短、结构简单、细胞壁坚韧，以二分裂方式无性繁殖的原核微生物，分布广泛。性繁殖的原核微生物，分布广泛。1.细菌的形态与结构细菌的形态与结构 （1） 球菌球菌 多数球菌直径在多数球菌直径在1微米左右，外观呈球形微米左右，外观呈球形或近似球形。由于繁殖时分裂平面不同可形成不同的排或

5、近似球形。由于繁殖时分裂平面不同可形成不同的排列方式，分为双球菌、链球菌、葡萄球菌等。列方式，分为双球菌、链球菌、葡萄球菌等。 （2） 杆菌杆菌 形态多数呈直杆状，也有的菌体稍弯，形态多数呈直杆状，也有的菌体稍弯，多数呈分散存在，也有的呈链状排列，分为棒状杆菌、多数呈分散存在，也有的呈链状排列，分为棒状杆菌、链状杆菌、球杆菌等。链状杆菌、球杆菌等。 （3） 螺形菌螺形菌 菌体弯曲，呈弧形或螺旋形。如幽门螺菌体弯曲，呈弧形或螺旋形。如幽门螺杆菌。杆菌。 细菌虽小，仍具有一定的细胞结构和功能。细胞壁、细细菌虽小，仍具有一定的细胞结构和功能。细胞壁、细胞膜、细胞质和核质等各种细菌都有，是细菌的基本结

6、胞膜、细胞质和核质等各种细菌都有，是细菌的基本结构。构。 7 细菌的结构细菌的结构一般构造：一般构造：是细胞不变部分，每个细胞都有是细胞不变部分，每个细胞都有 细胞壁细胞壁 细胞膜细胞膜 细胞质细胞质 核区核区特殊构造：特殊构造：是细胞可变部分，不是每个都有是细胞可变部分，不是每个都有 鞭毛、菌毛、性菌毛鞭毛、菌毛、性菌毛 糖被（包括荚膜和粘液层）糖被（包括荚膜和粘液层） 芽孢芽孢8细菌细胞的模式结构细菌细胞的模式结构 细菌的结构细菌的结构9细菌细菌 G G+ +细菌细胞壁厚度大（细菌细胞壁厚度大（202080nm80nm）、化学组分简单，）、化学组分简单，细胞壁的化学组成以肽聚糖为主，占壁物

7、质总量的细胞壁的化学组成以肽聚糖为主，占壁物质总量的40409090；另外结合有其它多糖及一类特殊多聚物；另外结合有其它多糖及一类特殊多聚物磷壁酸磷壁酸（一般（一般10%10%）。）。 G G- -细菌细胞壁厚度较细菌细胞壁厚度较G+G+细菌薄细菌薄, ,层次较多层次较多, ,成分较复杂成分较复杂, , 肽聚糖层很薄（仅肽聚糖层很薄（仅2 23nm3nm）, ,故机械强度较故机械强度较G+G+细菌弱细菌弱. .10 通过革兰氏染色法，能够把细菌分为两大类：是先用龙胆紫（亦称结晶紫）染，所有细菌都染成了紫色，然后再涂以革兰氏碘液，来加强染料与菌体的结合，再用95%的酒精来脱色2030秒钟，有些细

8、菌不被脱色，仍保留紫色，有些细菌被脱色变成无色，最后再用复红或沙黄复染1分钟，结果已被脱色的细菌被染成红色，未脱色的细菌仍然保持紫色，不再着色，这样，凡被染成紫色的细菌称为革兰氏阳性菌(G菌)；染成红色的称为革兰氏阴性菌（G菌）。分类分类11革兰氏染色原理革兰氏染色原理革兰氏染色的结果取决于细菌细胞壁的结构： G菌：细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种透性障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔障缩小，故保留结晶紫-碘复合物在细胞膜上。呈紫色。 G菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂含量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，沙黄复染后呈红色。12细菌细菌13G G+

9、+ 细菌与细菌与G G - -细菌细胞壁的比较细菌细胞壁的比较细细菌菌壁厚壁厚nmnm肽聚糖肽聚糖磷壁酸磷壁酸脂多糖脂多糖蛋白质蛋白质脂肪脂肪G+G+ 20208080 40409090+ +- -约约20201 14 4G-G-2 2 3 31010- -+ +约约606011 112222总结：总结：1.G+1.G+菌具有大量的肽聚糖，独含磷壁酸，不含脂菌具有大量的肽聚糖，独含磷壁酸，不含脂多糖；多糖；2. G-2. G-菌含有少量的肽聚糖，独含脂多糖，蛋白质菌含有少量的肽聚糖，独含脂多糖，蛋白质含量较多，不含磷壁酸。含量较多，不含磷壁酸。14 细菌的繁殖细菌的繁殖 细菌生长速度很快，一般

10、约细菌生长速度很快，一般约20min分裂一分裂一次。若按此速度计算，细菌群体将庞大到次。若按此速度计算，细菌群体将庞大到难以想象的程度。但事实上由于细菌繁殖难以想象的程度。但事实上由于细菌繁殖中营养物质的逐渐消耗，有害代谢产物的中营养物质的逐渐消耗，有害代谢产物的逐渐积累，细菌不可能始终保持高速度的逐渐积累，细菌不可能始终保持高速度的无限繁殖。经过一段时间后，细菌繁殖速无限繁殖。经过一段时间后，细菌繁殖速度逐渐减慢，死亡菌数增多，活菌增长率度逐渐减慢，死亡菌数增多，活菌增长率随之下降并趋于停滞。随之下降并趋于停滞。15 二、真菌二、真菌真菌是一类有细胞壁，无叶绿素，以寄生或腐生真菌是一类有细胞

11、壁，无叶绿素，以寄生或腐生方式生存，少数为单细胞，多数为多细胞，能进方式生存，少数为单细胞，多数为多细胞，能进行无性或有性繁殖的一类真核细胞型微生物。行无性或有性繁殖的一类真核细胞型微生物。真菌包括单细胞与多细胞两类。单细胞真菌呈圆真菌包括单细胞与多细胞两类。单细胞真菌呈圆形或卵圆形，称为形或卵圆形，称为酵母菌酵母菌；多细胞真菌由菌丝和；多细胞真菌由菌丝和孢子组成，并交织成团，称孢子组成，并交织成团，称丝状菌丝状菌或或霉菌霉菌。真菌生长的最适的温度为真菌生长的最适的温度为2228，最适的，最适的pH值值为为46。其繁殖能力强，但生长速度比细菌慢，。其繁殖能力强，但生长速度比细菌慢，常需常需1-

12、4周才形成菌落。真菌对热的抵抗力不强，周才形成菌落。真菌对热的抵抗力不强，一般加热一般加热6070 1小时即被杀死，但对干燥、日小时即被杀死，但对干燥、日光、紫外线和一些化学消毒剂有抵抗力，但对光、紫外线和一些化学消毒剂有抵抗力，但对2.5碘酒、碘酒、10甲醛则较敏感。甲醛则较敏感。16 三、病毒三、病毒病毒属非细胞型微生物，在自然界分布非常广泛，病毒属非细胞型微生物，在自然界分布非常广泛，可在人、动物、植物、真菌和细菌中寄居并引起可在人、动物、植物、真菌和细菌中寄居并引起感染。感染。病毒是体积最小、结构最简单的微生物，病毒是体积最小、结构最简单的微生物，它仅有一种核酸（它仅有一种核酸（DNA

13、或或RNA）作其遗传物质。）作其遗传物质。病毒必须在宿主活细胞内寄生，依靠细胞提供的病毒必须在宿主活细胞内寄生，依靠细胞提供的能量、营养物质及生物大分子合成机制，完成病能量、营养物质及生物大分子合成机制，完成病毒的复制过程。毒的复制过程。病毒与人类的关系极为密切，人类的传染病约病毒与人类的关系极为密切，人类的传染病约75是由病毒引起的。有些病毒传染性强，可引起是由病毒引起的。有些病毒传染性强，可引起世界大流行（如流感、艾滋病等）。世界大流行（如流感、艾滋病等）。17术语术语下列术语常用于表示物理或化学方法对微生物的杀灭程度下列术语常用于表示物理或化学方法对微生物的杀灭程度 消毒：消毒：杀死物体

14、上病源微生物的方法杀死物体上病源微生物的方法,并不一定能杀死细并不一定能杀死细菌的芽胞。消毒所用的试剂称为消毒剂。菌的芽胞。消毒所用的试剂称为消毒剂。 灭菌：灭菌：杀灭物体上所有微生物的方法。灭菌比消毒要求高，杀灭物体上所有微生物的方法。灭菌比消毒要求高，包括杀灭细菌芽孢在内的全部病原微生物和非病原微生物。包括杀灭细菌芽孢在内的全部病原微生物和非病原微生物。 抑菌：抑菌：抑制体内或体外细菌的生长繁殖。常用的抑菌剂为抑制体内或体外细菌的生长繁殖。常用的抑菌剂为各种抗生素，可抑制细菌的繁殖。各种抗生素，可抑制细菌的繁殖。 防腐：防腐：防止或抑制体外细菌生长繁殖的方法，细菌一般不防止或抑制体外细菌生

15、长繁殖的方法，细菌一般不死亡。同一种化学药品在高浓度时为消毒剂，低浓度时常死亡。同一种化学药品在高浓度时为消毒剂，低浓度时常为防腐剂。为防腐剂。 无菌：无菌：不存在活的细菌。防止细菌进入人体或其他物品的不存在活的细菌。防止细菌进入人体或其他物品的操作技术，为无菌操作。操作技术，为无菌操作。18 芽孢芽孢芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；以重新转变成为营养态细胞； 一般的芽孢在普通的条件下可保存几年至一般的芽孢在普通的条件下可保存几年至几十年的生活力；世界上最古老的芽孢：几十年的生活力；世界上最古老的芽孢：2.5亿年；亿年；其对热力

16、、干燥、辐射、化学消毒等理化其对热力、干燥、辐射、化学消毒等理化因素有强大的抵抗力；因素有强大的抵抗力；杀灭芽胞最可靠的方法是高压蒸汽灭菌。杀灭芽胞最可靠的方法是高压蒸汽灭菌。19消毒与灭菌消毒与灭菌一、物理灭菌方法一、物理灭菌方法热力灭菌法热力灭菌法辐射杀菌法辐射杀菌法滤过除菌法滤过除菌法超声波杀菌法超声波杀菌法干燥与低温抑菌法干燥与低温抑菌法20消毒与灭菌消毒与灭菌l热力灭菌法：使蛋白质、酶及核酸永久性破环，细胞使蛋白质、酶及核酸永久性破环，细胞膜溶解，导致细胞发生不可逆转的死亡。膜溶解，导致细胞发生不可逆转的死亡。1、干热灭菌法干热灭菌法采用灼烧或干热空气灭菌采用灼烧或干热空气灭菌 ，使

17、，使用方便，适用于玻璃器皿和瓷器等耐高温的固体用方便，适用于玻璃器皿和瓷器等耐高温的固体物的灭菌物的灭菌 。2、湿热灭菌法湿热灭菌法利用热蒸汽杀死微生物。利用热蒸汽杀死微生物。 高压蒸汽灭菌：利用高温高压蒸汽进行灭菌的方高压蒸汽灭菌：利用高温高压蒸汽进行灭菌的方法法 ，蒸汽的穿透力较热空气强可以杀死一切微生，蒸汽的穿透力较热空气强可以杀死一切微生物，包括细菌的芽孢，真菌的孢子或休眠体等耐物，包括细菌的芽孢，真菌的孢子或休眠体等耐高温的个体高温的个体 。最可靠最适用最广泛的灭菌方法。最可靠最适用最广泛的灭菌方法。21消毒与灭菌消毒与灭菌l辐射灭菌法辐射灭菌法 1、紫外线紫外线：波长波长200-3

18、00nm的紫外线具有杀的紫外线具有杀 菌作用。穿透物质的能力很差，一般要求紫外灯菌作用。穿透物质的能力很差，一般要求紫外灯距离照射物不超过距离照射物不超过1.0米为宜米为宜 2、电离辐射、电离辐射 高速电子、高速电子、X射线、射线、射线射线 3、微波、微波 波长波长1mm1m22消毒与灭菌消毒与灭菌l滤过除菌法滤过除菌法用物理阻留的方法将液体或空气中的细菌除去用物理阻留的方法将液体或空气中的细菌除去, ,以以达到除菌目的。达到除菌目的。滤菌器含有微细小孔滤菌器含有微细小孔0.220.22微米微米, ,只允许液体或气只允许液体或气体通过体通过, ,而大于孔径的细菌等颗粒不能通过而大于孔径的细菌等

19、颗粒不能通过 。适用范围：血清、毒素、抗生素以及空气等的除适用范围：血清、毒素、抗生素以及空气等的除菌。菌。23消毒与灭菌消毒与灭菌二、化学灭菌方法二、化学灭菌方法许多化学药物能影响微生物的化学组成、许多化学药物能影响微生物的化学组成、物理结构和生理活性，从而发挥防腐、消物理结构和生理活性，从而发挥防腐、消毒及灭菌的作用。毒及灭菌的作用。洁净室洁净室(区区)应定期消毒，使用的消毒剂不得应定期消毒，使用的消毒剂不得对设备、物料和成品产生污染。消毒剂品对设备、物料和成品产生污染。消毒剂品种应定期更换，防止产生耐药菌株。种应定期更换，防止产生耐药菌株。24消毒与灭菌消毒与灭菌类别类别作用机制作用机制

20、常用种类常用种类用途用途酚类酚类蛋白变性，细胞膜蛋白变性，细胞膜损伤损伤石炭酸石炭酸地面、器具表面、皮肤消地面、器具表面、皮肤消毒毒醇类醇类蛋白变性蛋白变性75酒精酒精皮肤、体温计消毒皮肤、体温计消毒氧化剂氧化剂氧化、蛋白沉淀氧化、蛋白沉淀二氧化氯二氧化氯地面、器具表面、皮肤消地面、器具表面、皮肤消毒毒重金属盐重金属盐氧化、蛋白酶变性氧化、蛋白酶变性红汞、硫柳汞红汞、硫柳汞皮肤、粘膜、小创伤消毒皮肤、粘膜、小创伤消毒氧化剂氧化剂氧化、蛋白沉淀氧化、蛋白沉淀过氧乙酸、碘过氧乙酸、碘酒酒塑料、玻璃器材、皮肤消塑料、玻璃器材、皮肤消毒毒表面活性剂表面活性剂蛋白变性，细胞膜蛋白变性，细胞膜损伤损伤0.

21、1新洁而灭新洁而灭地面、器具表面、皮肤消地面、器具表面、皮肤消毒毒常用消毒剂种类和用途常用消毒剂种类和用途25发酵工程简史发酵工程简史26发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等 27谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆)蛋白质水解法生产。1957年，日本率先用微生物发酵法生产成功。常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌等。培养基通常用豆饼(或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa

22、的蒸汽进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。 发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，还有对温度、pH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置。 28是好氧菌，因此，发酵过程要不断地通入无菌空气，并通过搅拌，使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧)；同时，也能使菌种与培养液充分接触，提高它们对原料的利用率。在温度为3037、pH为78.0的条件下，经2832h，培养液中就会生成大量的谷氨酸。最后，将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能得到谷氨酸50100g。提取出来的谷氨酸用适量的Na2CO3

23、溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤，便制成了味精。 29常用的微生物常用的微生物工业生产上常用的微生物细菌放线菌酵母菌霉菌30谷氨酸棒状杆菌是，因此，发酵过程要不断地通入无菌空气，并通过搅拌，使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧)；同时，也能使菌种与培养液充分接触，提高它们对原料的利用率。在温度为3037、pH为78.0的条件下，经2832h，培养液中就会生成大量的谷氨酸。最后，将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能得到谷氨酸50100g。提取出来的谷氨酸用适量的Na2CO3溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤，便制成了味精。 31按照是否需氧，发酵分

24、为好氧、厌氧和兼性厌氧三大类好氧发酵：发酵过程需要氧气。多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌促进氧气进入发酵液。 厌氧发酵：发酵过程无需氧气，不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维素过程不需要氧气。 兼性发酵：酵母菌是兼性厌氧微生物 无氧：积累酒精 有氧：大量繁殖菌体32谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，发酵过程要不断地通入无菌空气，并通过搅拌，使空气形成细小的气泡，迅速溶解在中(称溶氧)；同时，也能使菌种与培养液充分接触，提高它们对原料的利用率。在温度为3037、pH为78.0的条件下，经2832h，培养液中就会生成大量的谷氨酸。最后，将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能