发酵技术 第一章 绪论

发酵技术

TechnologyofFermentation1

授课内容：第1章绪论第2章工业微生物菌种的选育、保藏与培养第3章发酵工艺条件优化第4章发酵机制第5章发酵工程动力学第6章发酵工程单元操作第7章发酵生产设备第8章发酵工程试比拟放大第9章发酵工程各论2第1章绪论本章内容：1.1发酵的定义、发展历史1.2发酵产物的类型；1.3发酵工业的特点与范围；1.4发酵工业的现状与发展趋势。重点：发酵的定义、发酵工业的特点及发酵的产物类型。

3一.发酵与发酵技术概论1什么是发酵？“发酵”-fermentation,由拉丁语ferver（起泡、翻涌）派生而来。

1.1传统的“发酵”：1.2狭义的“发酵”：生物化学上，……1.3广义的“发酵”：微生物学上，……——工业发酵。4

请说出几种发酵食品？5发酵食品

6789101112发酵技术与日常生活—食品发酵食品：酸奶、馒头、面包、酱油、米酒、米醋等等……13发酵技术与日常生活—化工产品14发酵技术与日常生活—医药产品15沼气发酵沼气发酵又叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气，它的主要成分是甲烷占55％～70％左右，二氧化碳占25％～40％左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮和氨等。16沼气发酵技术无氧条件利用微生物——甲烷细菌产生甲烷甲烷燃烧可用于照明、发电。沼渣是沼气发酵后残留在沼气池底部的半固体物质,含有丰富的机质、腐殖酸、粗蛋白、氮、磷、钾和多种微量元素等，是一种缓速兼备的优质有机肥和养殖饵料。

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酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。

20白酒的酿造过程霉菌、酵母菌21醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。

22醋酸菌的形态结构

醋酸菌最适生长温度30－35°C最适PH:5.4～6.323

酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。

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酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。25

酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。

26酸泡菜、酸黄瓜、奶酪及饮料乳酸菌2728“蒙牛”酸乳中的乳杆菌2829“蒙牛”酸乳中的球菌29

面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。30

馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面粉发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。31馒头、面包、酱油、醋酵母菌32广义的“发酵”——“工业发酵”

：

泛指利用微生物制造或生产某些产品的过程。

包括：（1）厌氧培养的生产过程，如酒精，乳酸等。（2）通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等。工业发酵的产品:

既有细胞代谢产物，也包括菌体本身；包括发酵的食品在内。33

传统的“发酵”：

“发酵”Fermentation本意与酒的起泡现象有关，“发酵”主要用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。

主要指传统的发酵食品的生产现象。

ferver：发泡、沸腾fermentation微生物的发酵现象－－请看下面现象34狭义的“发酵”：

指厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出CO2。35

二.发酵工业的发展历史36甲古文中的酒文字

37远古人类发现，吃剩的米粥数日后变成了醇香可口的饮料—人类最早发明的酒38我国古代的酿酒作坊（四川新都县出土的汉代画像）39

1、传统发酵技术:自然发酵

外国

●公元前4000~3000年，古埃及人酿造酒、醋

●公元前2000年，古希腊人和古罗马人酿葡萄酒

●公元前三世纪，古巴比伦人用谷物酿啤酒中国

●距今4200~4000年前，龙山文化时期即有酒器出现

●公元前1000多年前有酒、醋等的甲骨文文字记载

传统自然发酵的主要产品有：酒(白酒、黄酒、清酒、果酒、啤酒等)、醋、酱油、泡菜、奶酒、干酪、腐乳、纳豆等40古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿造阶段。即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。现代：412、纯培养技术的建立---第一个转折期奠基人：安东尼.列文虎克、巴斯德、柯赫等

本时期产品：酵母、酒精、丙酮、有机酸、酶制剂等，主要为厌氧发酵和表面固体发酵的初级代谢产物。3、深层培养技术的建立---第二个转折期1928年英国细菌学家弗莱明发现点青霉可产抑制葡萄球菌的青霉素。1945年大规模生产，采用深层培养技术。链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等出现其他发酵产品也相继出现本时期产品：抗生素类、氨基酸类、酶制剂类42列文虎克（Leewenhoch,1632-1723）荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片创造了一架能放大266倍的原始显微镜一生制作了419台显微镜；发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。43纯培养技术的建立1857年法国化学家、微生物家巴斯德（Pasteur）提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果。”科赫（Koch）建立了单种微生物的分离、纯培养技术，人工培养，控制微生物的发酵进程。1897年，布赫纳（Buchner）发现：发酵起作用的化学本质——来自微生物产生的酶。

——这是发酵技术发展的第一个转折点。44彻底否定了自然发生说证实发酵由微生物引起巴斯德的功绩免疫学—预防接种发明巴氏消毒法4546科赫的功绩证实炭疽病因—炭疽杆菌发现结核病原菌—结核杆菌科赫法则发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立（RobertKoch）

47Fleming1928年，Fleming发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。弗莱明(1881～1995)英国细菌学家1928年，Fleming将其命名为：青霉素48

重要的近代微生物技术产品产业化年代18世纪前酒、醋、酱、啤酒、面包、奶酪、人痘接种、蒸馏酒精1880~1920乳酸面包酵母甘油丙酮丁醇淀粉酶转化酶1920~1940柠檬酸葡萄糖酸蛋白酶核黄素山梨糖1940~1950青霉素短杆菌肽链霉素金霉素新霉素两性霉素衣康酸纤维素酶果胶酶淀粉酶1950~1960谷氨酸赖氨酸土霉素四环素新生霉素红霉素制霉菌素卡那霉素丝环氨酸庆黄霉素曲酸柠檬酸葡萄糖酸过氧化氢酶甾体氧化产物赤霉素葡聚糖等1960~1970糖化酶氨基酰化酶脂肪酶乳糖酶头孢霉素林可霉素利副霉素万古霉素核糖霉素杀稻瘟菌素甾体氧化产物核苷酸生物杀虫剂黄原胶石油发酵污水处理单细胞蛋白1970~1980博来霉素阿霉素杀念珠菌素交沙霉素有效霉素苏氨酸门冬氨酸凝乳酶Vc木糖醇苹果酸长链二元酸1980~阿维霉素苯丙氨酸环氧乙烷丙烯酰氨酶抑制剂聚羟基丁酸酯

494、人工诱变育种、基因工程菌---第三个转折期

●核苷酸、有机酸及部分抗生素用诱变育种的方法使产量大幅度提高。

●构建的基因工程菌可产生菌体本身不能产生的产物(如胰岛素、生长激素、细胞因子及多种单克隆抗体等)或使产量大幅度提高。5、发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立

20世纪60年代——，发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、PH、罐压、溶O2、空气流量、泡沫、CO2含量等均可自动记录和控制。——这是发酵技术发展的第四个转折点。50三.发酵产物的类型1、微生物菌体2、微生物代谢产物3、微生物酶4、微生物转化产物51微生物菌体发酵

目的：获得微生物菌体细胞

酵母和藻类、担子菌，苏云金芽杆菌、疫苗等

52微生物菌体传统菌体发酵工业现代菌体发酵工业酵母发酵菌体蛋白（单细胞蛋白）发酵杀虫剂：苏云金杆菌，蜡样芽孢杆菌，侧孢芽孢杆菌；白僵菌、绿僵菌

疫苗/jpkc53新的菌体发酵产品:药用功能菌体茯苓菌→茯苓担子真菌→灵芝、香菇类虫草头孢菌密环菌微生物菌体/jpkc54

面包酵母

藻类55

白僵菌的分布范围很广，从海拔几米至2000多米的高山均发现过白僵菌的存在，白僵菌可以侵入6个目15科200多种昆虫、螨类的虫体内大量繁殖，同时不断产生白僵素（大环脂类毒素）和草酸钙结晶，这些物质可引起昆虫中毒，使体液发现机能发生变化，打乱新陈代谢以致死亡。5657

苏云金杆菌是目前产量最大、使用最广的生物杀虫剂。它的主要活性成分是一种或数种杀虫晶体蛋白，又称δ-内毒素，对鳞翅目、鞘翅目、双翅目、膜翅目、同翅目等昆虫，以及动植物线虫、蜱螨等节肢动物都有特异性的毒杀活性，而对非目标生物安全因此，Bt杀虫剂具有专一、高效和对人畜安全等优点目前苏云金杆菌商品制剂已达100多种，是世界上应用最为广泛、用量最大、效果最好的微生物杀虫剂，因而倍受人们