食品发酵工程介绍

发酵的定义狭义“发酵”的定义在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被复原为乳酸而获得能量等等。广义“发酵”的定义工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培育的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气〔有氧〕培育的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。发酵工程〔FermentationEngineering〕的定义发酵工程，是利用“生物细胞”的特定功能，通过现代工程技术手段〔主要是发酵罐生产各种特定的有用物质，或者把微生物直接用于某些工业化生产的一种生物技术体系。这里的“生物细胞”包括微生物细胞和动物、植物细胞及其固定化细胞。因此，发酵工程使渗透有工程学的微生物学，是发酵技术的工程化。发酵工程是化学工程与生物工程技术相结合的产物，它将微生物学、生物化学、化学工程学等的根本原理和技术有机地结合在一起，利用微生物进展规模化生产，是生产加工与生物制造实现产业化的核心技术。发酵工程技术主要包括供给高性能生产菌种的菌种技术、实现低本钱大规模生产产品的发酵技术和最终获得合格产品的分别纯化技术。进展发酵工程的关键技术〔菌种技术、发酵技术和分别技术〕及重大产品的争论开发，将发挥中国丰富的生物资源优势，提高发酵工程的技术水平，促进生物化工、生物医药、食品加工等相关行业的产品竞争力和可持续进展。1.4特点〔1〕发酵工程使用的原料来源广泛，多为农副产品，其中以碳源为主，只参加少量有机和无机氮源，不含有毒物质。〔2〕发酵工程的反响过程比较温顺，通常在常温、常压下进展。而且，反响过程是以生物体的自身调整方式进展，多个反响就像是一个反响一样，可在单一设备中进展，因此一种设备可有多种用途。〔3〕简洁进展简单的高分子化合物的生产，如酶、化学活性体等。〔4〕能够高度选择性地进展复制化合物在特定部位的反响，如甾体化合物的氧化、复原等。〔5〕生产产品的微生物菌体本身也可作为发酵产物。例如，富含蛋白质、酶、维生素的单细胞蛋白等。〔6〕发酵过程是纯种培育过程。生产中使用的设备、管道、截门和培育基都必需严格灭菌，通入的空气也应当是无菌空气。在操作中应特别留意严格防止污染，尤其要防止噬菌体的侵入，否则，会引起重大的损失。〔7〕生产力量，可以到达事半功倍的效果。〔8〕在发酵生产中，还可以通过改进工艺技术和设备来提高产品的产量和质量。发酵工程的进展史自然发酵阶段微生物纯培育技术的建立微生物液态深层发酵技术的建立微生物酶转化及代谢调控技术的应用微生物发酵原料的拓宽微生物基因工程育种初级代谢产物和代谢调控中起作用的各种物质，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、多糖和核酸等次级代谢产物通常是在生长后期合成。次级代谢产物是通过次级代谢合成的产物，如抗生素、生物碱、色素、激素和毒素等，这些产物是对微生物本身无明显生理作用或对自身生长是非必需的，但对产生菌的生存可能有肯定价值。次级代谢产物与初级代谢产物的关系次级代谢产物和初级代谢产物对产生菌的生长生殖作用虽然不同，但它们的生物合成途径是相互关联的。初级代谢中产生的一些小分子化合物是全部次级代谢途径中的原料，即通过初级代谢中的糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径等所产生的物质进一步转化和合成一系列有着不同化学构造和性质的次级代谢产物。2-1中简要说明白初级代谢途径与次级代谢途径的联系与区分。2.1.1.2工业发酵常见微生物及其代谢产物1)细菌及其代谢产物放线菌及其代谢产物霉菌及其代谢产物酵母菌及其代谢产物工业发酵对生产菌种的一般要求〔1〕安全性。〔2〕有在较短的发酵周期内产生大量发酵产物的力量。〔3〕物质的转化率，削减分别纯化的难度，降低本钱，提高产品的质量。〔4〕生长生殖力量强，生长、反响速度快，发酵周期短，产孢菌应具有较强的产孢子力量。〔5〕原料来源广，价格低廉，菌种能高效地将原料转化为产品。〔6〕对需要添加的前体物质有耐受力量，并不能将前体作为一般碳源利用。〔7〕菌种纯，遗传特性稳定，抗噬菌体力量强，以保证发酵生产和产品的稳定性。工业发酵生产菌种来源从自然界分别筛选从菌种保藏机构获得。从生产过程中已有菌种中筛选发生正突变的优良菌种。菌种选育种变异，再经过筛选而到达菌种改进的目的。菌种选育方法主要包括自然选育、诱变育种、杂交育种和基因工程育种。自然选育〔自然分别〕的一般程序，是把菌种制备成单孢子悬浮液，经过适当的稀释以后，在固体平板上进展分别，挑取局部单菌落进展生产力量的测定，经反复筛选，以确定生产力量更高的菌株代替原来的菌株。自然选育的菌种来源于自然界、菌种保藏机构或生产过程，从自然界中选育菌种的过程较为简单，而从生产过程或菌种保藏机构得到菌种的自然选育过程较为简洁。因此，下面以从自然界中选育菌种的过程为例，阐述菌种自然选育的主要步骤。其具体做法一般分为四个步骤：样品采集、增殖培育、纯种分别和筛选等。假设产物与食品制造有关，还要对菌种进展毒性鉴定，见图2-2。采样平板分别增殖培育原种斜面或平板分别 原种斜面或复筛 原种斜面增殖培育平板分别平板分别原种斜面原种斜面再复筛初步工艺条件摸索定性或初筛较优菌株半定量进一步的生产性能试验和毒性试验2-2半定量进一步的生产性能试验和毒性试验增加分别的概率，增加该菌种的数量，称为富集培育。常用的纯种分别方法有三种，即划线分别法、稀释分别法和组织分别法。诱变育种的一般步骤利用各种诱变剂处理微生物细胞，提高基因的随机突变频率，扩大变异幅度，通过肯定的筛选方法，猎取所需要优良菌株的过程，称为诱变育种。诱变育种包括诱变和筛选两个局部。诱变局部包括由动身菌株开头，制出颖孢子悬浮液〔或细菌悬液〕作诱变处理，然后以肯定稀释度涂平皿，至平皿上长出单菌落等各步骤。因诱发突变是使用诱变剂促使菌种发生突变，所以诱发所形成的突变与菌种本身的遗传背景、诱变剂种类及其剂量的选择和合理使用方法均有亲热关系，亦可说这三者是诱变局部的关键所在。筛选局部包括经单孢子分别长出单菌落后随机挑至斜面，经初筛和复筛进展生产能力测定和菌种保存〔马上筛选出来的高产菌种保藏好。因此，可以认为，诱变育种的整个过程主要是诱变和筛选的不断重复，直到获得比较抱负的高产菌株。最终经考察其稳定性、菌种特性、最适培育条件等后，再进一步进展中试、放大。诱变育种应留意的问题诱变成功的关键包括动身菌株的选择、诱变剂种类和剂量的选择，以及合理的使用方法等。紫外线诱变的步骤与方法：①制备菌悬液以处于对数期的细菌斜面、孢子刚成熟的霉菌或放线菌为动身菌，16~24h，霉菌、放线菌培育到绝大局部孢子刚刚萌发。然后，离心除去液体培育基，用生理盐水制备菌悬液，参加玻璃珠振荡分散，以无菌滤纸或脱脂棉花过滤，使形成单细胞，分散程度达90108个/m107~108个/m，106~107个/mL②紫外线照耀处理前，先开紫外灯预热20min，使光波稳定。然后，取3mL菌悬液置于7cm培育皿中，并置于诱变箱内的磁力搅拌器上，离灯管肯定距离，翻开皿盖，暴露于紫外线下照耀肯定时间，边照耀边搅拌，力求使细胞均匀吸取紫外线光波。照耀过程必需在备有黄光或红光的暗室内进展，以免光复活。经过紫外线诱变后的菌体转入无菌试管内，置于冰水中浸1~2h，由于细胞参与对突变修复的各种酶类活性在低温条件下受到抑制，使修复难以进展，有利于提高突变率。③后培育与稀释涂布照耀完毕的菌悬液参加到适合的培育基中，在适宜温度下暗培育1.5~2.0h，培育完毕后，从中吸取肯定量培育物按肯定稀释度进展稀释，然后以待筛选。亚硝基胍〔NTG〕诱变亚硝基胍为黄色结晶状物质，性质不稳定，遇光易分解，放出NO，颜色由黄色变为绿色，诱变效应会降低。因此，亚硝基胍须保存在棕色瓶中，并在避光、枯燥、低温条件下贮存。亚硝基胍不溶于水，须加助溶剂，使用时现配现用。亚硝基胍有“超诱变剂”之称，能使细胞发生一次或屡次突变，诱变效果好，尤其适合于诱发养分缺陷型突变株。另外，亚硝基胍还能使多基因并发突变，在复制叉四周一个基因突变能诱发邻近位置的基因间续连锁突变亚硝基胍在水溶液中随着不同的pH将产生不同的分解产物，从而影响诱变效应。pH5.5时，NTGHNO2，HNO2本身就具有诱变作用；当溶液pH8.0以上时，NTG会分解产生CH2N2，对核酸起烷化作用，引起微生物突变；当溶液pH6.0时，NTG本身和DNApH6.0的条件下进展诱变处理。由于酸碱条件影响NTG的诱变效果，配制NTG溶液常用适宜的缓冲液，如磷酸缓冲液和Tris缓冲液。NTG是一种猛烈的致癌物质，操作时肯定要穿工作服，戴橡皮手套、口罩，用称量瓶称量，最好在通风橱中进展。但凡接触过NTG的器皿必需准时、单独处理，例如1~2mol/LNaOH2%的Na2S2O3浸泡过夜，洗净。NTG的诱变处理方法：①取颖的斜面，用肯定pH的磷酸缓冲液或Tris缓冲液洗下菌苔制备菌悬液。②配制NTG母液：由于NTG不溶于水，配制时需加甲酰胺或丙酮等助溶剂少许，然后加缓溶液，其比例为9:〔缓冲溶液9mNTG丙酮溶液1m，一般NTG母1mg/mL100~1000μg/mL，放线菌、1000~3000μg/mL。③将以上菌悬液和NTG〔30~35℃，真菌25~28℃，放线菌30~32℃〕20~60min，孢子为90~120min。终止反响时，用冷的生理盐水稀释到50倍以上或在低温下进展离心洗涤，去除药液，加无菌水使沉淀悬液并制成肯定稀释度，涂布于平板。菌种保藏的根本原理