食品生物技术概论发酵工程

1、食品生物技术概论2021 食品生物技术专业陈金辉第四章 发酵工程及其在食品工业中的应用食品生物技术概论学习任务一、发酵工程概述发酵工程的开展历史发酵工程的研究内容发酵工程相关设备与技术二、发酵工程在食品工业中的应用第一节 发酵工程概述发酵工程概念： 微生物工程，利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需要的产品的技术，主要包括一、发酵工程的开展历史1、天然发酵阶段8000年前，用蘖制造饴糖；2500年前我国人民创造酿酱、醋，知道用曲治疗消化道疾病；?齐民要术?详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺在农业上，虽然还不知道根瘤菌的固氮作用，但已经在利用豆科植物轮作提高土壤肥力。在应用有益微

2、生物的同时，还对有害微生物进行预防和治疗。为防止食物变质，采用盐渍、糖渍、枯燥、酸化等方法。隆庆年间开始用人痘预防天花。1798年英国医生琴纳Jenner提出用牛痘预防天花。 发酵工程的开展历史纯培养技术的建立：安东.列文虎克确定了微生物的存在：霉菌、酵母菌、细菌等法国通过巴斯德实验证明发酵是由微生物引起的原理。“酒精发酵是由于酵母的作用，葡萄酒的酸败是由酵母以外的另外一种微生物醋酸菌的第二次发酵引起的。柯赫创造饿了固体培养技术，建立微生物的纯培养技术。发酵工程的开展历史深层培养技术的建立时期： 1929年英国弗莱民()发现了青霉素。1940年弗洛里和钱恩别离出较高纯度的青霉素。1941年英美

3、两国合作，开拓了抗生素的发酵工业时代。发酵工程的开展历史微生物工程时期年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，为基因工程的理论和实际应用奠定了根底。发酵工程的开展历史2. 基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的开展，为定向培育培育微生物开辟了新途径，微生物工程应运而生。发酵工程的研究内容1.菌种的选育2.培养基的配置3.种子扩大培养4.发酵过程中发酵条件的控制5.产品的别离提纯： 代谢产物的别离；菌体本身的别离空气空气净化处理保藏菌种斜面活化扩大培养种子罐主发酵碳源、氮源、无机盐等营养物质灭菌产物分离纯化成品发酵工程的研究内容发酵厌氧性发酵好氧性发酵厌氧发酵罐通风发酵罐搅拌釜发酵罐

4、气升式发酵罐气泡柱式生物反响器发酵工程有关设备与技术1.生物反响器:搅拌釜生物反响器气泡柱式生物反响器气升式生物反响器搅拌釜生物反响器发酵工程有关设备与技术2.微生物发酵技术概念：各种微生物发酵技术在发酵工程中的应用。特点：反响耗能少，反响条件温和，通常在常温常压下进行；能有效利用工业废水，生产辅料等作为发酵原料，有利于生产的综合利用产物专一，副反响少，污染小；对于复杂化合物的发酵生产具有高度选择性。发酵工程有关设备与技术3.发酵工程控制技术概念：将计算机、传感器等现代监测手段运用于发酵工程之中，实现对发酵过程中实时数据的监控。3.1 发酵过程的参数检测发酵过程参数的检测分为两种方式，一是利用

5、仪器进行在线检测，二是从发酵罐中取出样品进行离线检测。常用的在线检测仪器有各种传感器如pH电极、溶氧电极、温度电极、液位电极、泡沫电极、尾气分析仪等。离线分析发酵液样品的仪器有分光光度计、pH计、温度计、气相色谱GC、液相色谱HPLC、色质联用GC-MS等。温度对发酵的影响及其控制影响发酵温度的因素Q发酵=Q生物+Q搅拌+Q通气-Q蒸发-Q辐射Q发酵：在发酵过程中，引起温度变化的原因是由于发酵过程中所产生的净热量。Q生物：是指微生物在生长繁殖过程中，本身产生的大量热量。Q搅拌：好氧培养的发酵罐都有一定功率的搅拌装为装置，搅拌带动发酵液做机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，由此产生一定

6、的热量称为搅拌热。Q蒸发：这局部热量是在发酵过程中以蒸汽形式散发到发酵罐的液面，再由排气管带走的热量。Q辐射：是指罐内外温差，使发酵液中有局部热通过罐体向外辐射。温度对发酵的影响(1) 温度对微生物生长的影响 温度是通过影响微生物膜的液晶结构、酶和蛋白质的合成与活性，以及RNA的结构和转录等影响微生物的生命活动。具体表现在两个方面：一方面，随着微生物所处环境温度升高，微生物细胞中的蛋白质和酶活性增强，生物化学反响加快，生长速率提高；另一方面，随温度上升，微生物细胞中对温度较敏感的组成成分如蛋白质、核酸等会受到不可逆的破坏。超过最适温度以后，生长速率随温度升高而迅速下降。(2) 温度对产物合成的

7、影响 在发酵过程中，温度对生长和生产的影响是不同的。 温度影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中所用的金色链霉菌，其发酵过程中同时能产生金霉素，在低于30下，合成金霉素的能力较强；合成四环素的比例随温度的升高而增大，当到达35时只产生四环素，而金霉素合成几乎停止。 温度对代谢有调节作用。在低温20时，氨基酸合成途径的终产物对第一个酶的反响抑制作用比在正常生长温度37更大。故可考虑在抗生素发酵后期降低发酵温度，使蛋白质和核酸的正常合成途径提高关闭，从而使发酵代谢转向目的产物合成。(3)温度对培养液物理性质的影响 温度通过影响氧在培养液中的溶解度、氧传递速度等因素，进而影响到微生物细胞的生长。最适

8、温度的选择最适温度是指最适于菌的生长或产物的生成的温度。由于适合菌体生长的最适温度往往与发酵产物合成的最适温度不同，故经常根据微生物生长及产物合成的最适温度不同进行二阶段发酵。最适生长温度的选择 同一菌种在不同生长阶段以及不同的培养条件，最适生长温度会有所不同。 对于对数生长期的细菌，对温度的影响不敏感。故在最适温度范围内提高对数生长期的培养温度，既有利于菌体的生长，又防止热作用的破坏。不同的培养条件： 在通气条件较差的情况下，最适发酵温度通常选择比正常良好通气条件下的发酵温度低一些。 培养基成分和浓度也会影响到最适温度的选择。如在使用基质浓度较稀或较易利用的培养基时，提高培养温度会使养料过早

9、耗竭，导致菌丝自溶，发酵产量下降。3.1.2 pH对发酵的影响及其控制 pH值对发酵过程的影响发酵液pH的改变会导致微生物细胞原生质体膜的电荷发生改变，从而引起原生质体膜对个别离子渗透性的改变，进而影响微生物对培养基中营养物质的吸收及代谢产物的分泌，阻碍新陈代谢的正常进行。 。pH的变化会影响菌体中的各种酶活以及菌体对基质的利用速率，从而影响菌体的生长和产物的合成。培养液的pH直接影响微生物的代谢。发酵过程中pH变化的规律在发酵过程中，pH是动态变化的，这与微生物的代谢活动及培养基性质密切相关。一方面，微生物通过代谢活动分泌有机酸如乳酸、乙酸、柠檬酸等或一些碱性物质，从而导致发酵环境的pH变化

10、；另一方面，微生物通过利用发酵培养基中的生理酸性盐或生理碱性盐从而引起发酵环境的pH变化。发酵过程中pH值的控制一般，pH调控通常有以下几种方法。配制适宜的培养基，调节培养基的初始pH至适宜范围并使其有很好的缓冲能力。培养过程中参加非营养基质的酸碱调节剂，如CaCO3等防止pH过度下降。培养过程中参加基质性酸碱调节剂，如氨水等。加生理酸性或碱性盐基质，通过代谢调节pH。将pH控制与代谢调节结合起来，通过补料来控制pH。过酸时，加适量的氮源，提高发酵的通气量；过碱时，适当增加碳源，降低通气量。溶解氧对发酵的影响及其控制目前，大多数的工业发酵属于好氧发酵，在发酵过程中需要不断地向发酵罐中供给足够的

11、氧，以满足微生物生长代谢的需要。氧是一种难溶性气体，而且随着温度的上升，氧的溶解度减小。发酵液中含有大量的有机物和无机盐，由于盐析等作用造成氧在发酵液中的溶解度更低。如果不能及时地向发酵罐中供氧，这些溶解氧(DO)仅能维持微生物菌体15-20 s的正常代谢，随后氧将会耗尽。因此，在发酵过程中有效而经济地供氧极为重要。氧在微生物发酵中的作用氧是构成微生物细胞本身及其代谢产物的组分之一。虽然培养基中大量存在的水及其他成分如糖可以提供氧元素，但许多微生物细胞必须利用分子态的氧作为呼吸链电子传递系统末端的电子受体，最后与氢离子结合生成水，同时在呼吸链的电子传递过程中可释放出大量能量，供细胞生长和代谢使

12、用。此外，氧还可以作为中间体直接参与一些生物合成反响，例如乙醇在氧的作用下合成乙酸。增加溶氧的工艺措施(1) 改变通气速率:其作用是增加液体中夹持气体体积的平均成分。(2)改变搅拌速度:搅拌充分破碎泡沫，增加了有效气液接触面积，减少了气泡周围液膜厚度和菌丝外表液膜厚度，延长了气泡在液体中的停留时间，从而有效提高了系统的溶解氧浓度。(3)改变气体组成中的氧分压:采用富氧气体以改善供氧状况(4)改变罐压:通过改变氧的分压来提高溶解氧的浓度(5)发酵液的黏度:发酵过程中，菌体本身的繁殖和代谢都能引起发酵液黏度增加，从而使传质系数降低，导致溶氧下降。(6)参加中间传氧介质: 添加传氧中间介质，来提高氧

13、在气液相之间的传递。泡沫对发酵的影响及其控制泡沫的产生及其影响泡沫产生的原因包括： 外界引入 由发酵液内部产生 发酵液的理化性质对泡沫的形成起决定性作用。 培养基的灭菌方法、灭菌温度和时间也会改变培养基的性质，从而影响培养基的起泡能力。泡沫的负面影响： 降低了发酵罐的装料系数。 增加了菌群的非均一性。 泡沫可能从罐顶的轴封处渗出罐外，这就增加了染菌的时机。 大量起泡，控制不及时会引起“逃液，导致产物的流失。 泡沫严重时，会影响通气搅拌的正常进行，阻碍代谢气的排出，对菌体呼吸造成影响，甚至使菌体代谢异常，影响生产率。 消泡剂的参加有时会影响发酵产量或给下游别离纯化与精制工序带来麻烦。泡沫的控制控

14、制泡沫的目的在于打碎泡沫液膜，使气相和液相别离。可通过化学方法，降低泡沫液膜的外表张力，使泡沫破灭。可利用物理方法，使泡沫液膜的某些局部局部受力，打破液膜原来的受力平衡而破裂。也可从生产菌种本身的特性着手，预防泡沫的形成。如在单细胞蛋白生产中，筛选在生长期不易形成泡沫的突变株。消泡剂消泡根据消泡原理和发酵液的性质和要求，消泡剂必须具有以下特点。 消泡剂必须是外表活性剂，且具有较低的外表张力，消泡作用迅速，效率高。 消泡剂对气液界面的散布系数必须足够大，才能迅速发挥它的消泡活性，这就要求消泡剂具有一定的亲水性。 消泡剂在水中的溶解度较小，以保持其持久的消泡或抑泡性能。 对发酵过程无毒，对人、畜无

15、害，不被微生物同化，对菌体生长和代谢无影响，不影响产物的提取和产品质量。 不影响氧在培养液中溶解和传递。 消泡剂来源方便，价格廉价。在工业发酵过程中，通常利用添加消泡剂的方式来消除泡沫。发酵工业常用的消泡剂有天然油脂类、聚醚类、高级醇类等。天然油脂类：常用的天然油脂有玉米油、豆油等。消泡能力不强，使用时需要注意油脂的新鲜程度。聚醚类：聚氧乙烯氧丙烯甘油俗称泡敌，亲水性好，在发泡介质中易铺展，消泡能力强，但其溶解度大，消泡活性维持时间较短。高级醇类：十八醇是高级醇类中常用的一种，它与冷榨猪油一起能有效控制青霉素发酵的泡沫。过量的消泡剂通常会影响菌的呼吸活性和物质包括氧通过细胞壁的运输。在生产过程

16、中应尽可能减少消泡剂的用量。对于消泡剂的应用应注意在使用之前作比较试验，找出消泡剂对微生物生理特性影响最小，消泡效率最大的条件。其次，在使用天然油脂时一次不能加得太多，过多的油脂会被脂肪酶分解为有机酸、脂肪酸、降低pH、使DO下降，影响发酵的正常进行。此外，宜使用机械方法与化学方法联合控制泡沫。机械消泡化学消泡最显著的缺点是影响氧气的溶解，这对微生物供氧极为不利。机械消泡能克服这一缺点，但其应用效果不如化学消泡迅速可靠，需要一定的设备和消耗一定的动力，其最大的缺点是不能从根本上消除稳定泡沫的因素。 机械消泡借助机械搅拌起到破碎气泡消除泡沫的作用。消泡装置可安装在罐内或罐外。罐内可在搅拌轴上方安

17、装消泡桨，泡沫借旋风离心场作用被压碎，也可将少量消泡剂加到消泡转子上以增强消泡效果。罐外法是将泡沫引出罐外，通过喷嘴的加速作用或离心力破碎泡沫。发酵工程有关设备与技术4.下游处理技术包括：发酵液的预处理、过滤、提取、精制、成品加工等膜别离技术：以选择性透过膜作为别离介质，发酵工程在食品工业中的应用食品微生物学所研究的内容包括：(1) 研究与食品有关的微生物的活动规律；(2) 研究如利用有益微生物为人类制造食品； (3) 研究如何控制有害微生物、防止食品发生腐败变质；(4) 研究检测食品中微生物的方法，制定食品中微生物指标，从而为判断食品的卫生质量而提供科学依据。 发酵工程在食品工业上的应用1.

18、生产传统的发酵产品：啤酒、果酒、醋、酱油传统酿酒的工艺流程糯米过筛浸渍蒸煮摊冷清水浆水麦曲酒母落缸前发酵灌坛后发酵压榨澄清煎酒成品 酒樽我国的啤酒酿造史发酵池 紫铜酿酒锅制冷设备醋的原料和制作方法有4类 1中国传统的酿醋原料，长江以南以糯米和大米粳米为主，长江以北以高粱和小米为主。现多以碎米、玉米、甘薯、甘薯干、马铃薯、马铃薯干等代用。原料先经蒸煮、糊化、液化及糖化，使淀粉转变为糖，再用酵母使发酵生成乙醇，然后在醋酸菌的作用下使醋酸发酵，将乙醇氧化生成醋酸。2以含糖质原料酿醋，可使用葡萄、苹果、梨、桃、柿、枣、番茄等酿制各种果汁醋，也可用蜂蜜及糖蜜为原料。它们都只需经乙醇发酵和醋酸发酵两个生化

19、阶段。3以乙醇为原料，加醋酸菌只经醋酸发酵一个生化阶段。例如以低度白酒或食用酒精加水冲淡为原料，应用速酿法制醋，只需1天3天即得酒醋。4以食用冰醋酸加水配制成白醋，再加调味料、香料、色料等物，使之成为具有近似酿造醋的风味的食醋。酱油以肉做酱油醢：1. 盐腌：趁鲜腌渍； 2. 发酵：通常以自然发酵为主，将盐腌后的肉加盐腌渍23年，在此期间要进行屡次翻拌使肉逐渐在酶的作用下分解成咸汁和渣； 3. 成熟：分解完毕后，移入大缸中进行露晒，每天翻拌12次，日晒1个月左右，逐渐产生香气而趋于成熟； 4. 抽滤：将竹编长筒插入晒缸中，抽出清液，即得原油。滤渣一般再浸泡过滤二次； 5. 配制：取不同比例原油、中油、一油混合，即为各级酱油。以植物材料做酱：原料经蒸熟冷却，接入米曲霉制成酱曲，酱曲移入发酵池，加盐水发酵，待酱醅成熟后，以浸出法提取酱油。酱油 制曲的目的是使米曲霉在曲料上充分生长，并产生和积蓄所需要的酶，如蛋白酶、肽酶、淀粉酶、谷氨酰胺酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等。在发酵过程中味的形成是利用这些酶的作用。如蛋白酶及肽酶将蛋白质水解为氨基酸，产生鲜味；谷氨酰胺酶把无味的谷氨酰胺变成具有鲜味的谷氨酸；淀粉酶将淀份水解成糖，产生甜味；果