发酵工程及其应用1讲解

微生物发酵与食品生产 n我们的日常生活中也接触到许多发酵 食品，请思考这样一个问题：哪些食 品是由微生物发酵生产的？相应的发 酵种类是什么？ 举例说出利用微生物发酵生产的5种食品 微生物的应用微生物的应用 n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。 微生物的应用微生物的应用 n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。 微生物的应用微生物的应用 n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。 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。 微生物的应用微生物的应用 微生物的应用微生物的应用 n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。 n酒酿：是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条 件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的 食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将 大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡 萄糖发酵产生酒精。 微生物的应用微生物的应用 微生物的应用微生物的应用 n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。 n馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制 的，如果连续使用面肥发酵，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。 微生物的应用微生物的应用 微生物的应用微生物的应用 n泡菜：（乳酸菌） n腐乳：（毛霉、青霉、酵母、曲霉等） n酸菜：与泡菜类似。 微生物的应用微生物的应用 微生物的应用微生物的应用 n糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽； n果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起 悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期 等作用； n各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类 罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防 腐，保存营养和改善口感等； n各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸 味剂调节口味、口感； n可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂， 其中约70%80%的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生 的酶，加工生产的。 微生物的应用微生物的应用 微生物工程发酵与食品生产 微生物与 发酵食品 发酵生产 的历史 传统发酵工业 现代发酵工业 发酵与 发酵食品 微生物发酵 需要的条件 传统发酵技 术的作用 防止食物腐败 口感更好 营养更好 更易消化 现代发酵技 术的作用 生产效率高 质量易控制 确保安全性 发酵食品 的生产 发酵食品的生产 菌种的选育 菌种的扩大培养 培养基的配制 水 碳源 氮源 无机盐类 生长因子 灭菌和接种 发酵的条件控制 温度 溶氧量 分离和提纯 发酵工程发酵工程 发酵工程发酵工程 §加料口 §放料口 §无菌空气入口 §排气口 §冷却水进口 §冷却水出口 §PH检测及控制装置 §搅拌器 一、发酵工业经历了哪几个阶段？一、发酵工业经历了哪几个阶段？ n原始发展阶段（发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术 进步缓慢，完全是经验式的，并不知道其中的原理 。） n传统发酵工业阶段（人们才开始了解发酵现象的本质 ， 采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不 高，规模一般不大 。） n现代发酵工业阶段（生产技术要求高；生产规模大；技 术发展速度快；菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、 新设备的应用达到前所未有的程度。 ） n生物技术产业阶段 （利用构建的基因工程菌生产 ） n四千年前，利用微生物酿酒； n1857年，巴斯德证明活酵母能酒精发酵；19世纪 末到20世纪30年代，利用微生物生产的新产品不 断出现 n20世纪40-50年代，无菌技术的发展和大型发酵罐 的设计成功，例：弗洛里、钱恩研究出了大规模 生产青霉素方法 n20世纪70年代后，分子生物学的发展，利用基因 工程将特定的基因转移到微生物中，获得能生产 特定产品的基因工程菌，再进行发酵培养。 传统发酵工业 现代发酵工业 生物技术产业阶段 原始发酵工业 二、微生物发酵需要条件的探究 微生物的发酵需要糖类，当有糖类存在时酵母 菌能进行发酵。 实验内容： 探究酵母菌发酵所需要的条件 假设 号瓶 内容物结果 1温水、酵母 2温水、酵母和5mL盐水 3温水、酵母和5mL糖水 4温水、酵母和30mL糖水 5温水、5mL糖水 实验记录表 无气体产生 无气体产生 有气体产生 有大量气体产生 无气体产生 思考： 1、为什么要加入温水？ 2、设置3号和4号瓶的目的是什么？为什么要设置5号瓶？ 3、如果在瓶中加入牛奶、硝酸盐则结果有何不同？ 三、发酵生产过程探秘三、发酵生产过程探秘 n发酵： 是利用微生物，在适宜的条件下，将 原料经过特定的代谢途径转化为人类所需 要的产物的过程。 如：谷氨酸棒状杆菌生产味精；谷氨酸棒状杆菌生产味精； 黄色短杆菌生产赖氨酸； 黄色短杆菌生产赖氨酸； n n 发酵过程中的微生物：发酵过程中的微生物： 大多数为好氧微生物，少数为厌氧微生物 大多数为好氧微生物，少数为厌氧微生物 选育菌种选育菌种 配制配制 培养基培养基 灭菌灭菌 发酵罐发酵罐 内发酵内发酵 接种接种 分离分离 提纯提纯 产品产品 扩大培养扩大培养 发酵生产过程发酵生产过程 内容：内容： 1 1）菌种的选育）菌种的选育 2 2）培养基的配制）培养基的配制 3 3）灭菌）灭菌 4 4）扩大培养和接种）扩大培养和接种 5 5）发酵过程）发酵过程 6 6）产品的分离和提纯）产品的分离和提纯 发酵工程生产过程发酵工程生产过程 （一）菌种的选育（一）菌种的选育 怎样才能得到优良的菌种？怎样才能得到优良的菌种？ 1 1）若生产的是微生物直接合成的产物）若生产的是微生物直接合成的产物 ，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先，如青霉素、谷氨酸等，则可从自然界中先 分离出相应菌种，再用物理或化学的方法分离出相应菌种，再用物理或化学的方法诱诱 变育种变育种，从突变个体中筛选出符合生产要求，从突变个体中筛选出符合生产要求 的优良菌种。的优良菌种。 2 2）若生产的是微生物不能合成的产品）若生产的是微生物不能合成的产品 ，则可用，则可用基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程的方法对菌种的方法对菌种 的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞 或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。或工程菌，从而达到生产相应产品的目的。 （二）扩大培养（二）扩大培养 工业发酵要想在较短时间内得到大量的发工业发酵要想在较短时间内得到大量的发 酵产物，则需要大量的菌体。如何得到大酵产物，则需要大量的菌体。如何得到大 量菌体来缩短生产周期？量菌体来缩短生产周期？ 需要经过多次扩大培养。需要经过多次扩大培养。 怎样对菌种进行扩大培养怎样对菌种进行扩大培养？ 将培养到生长速度最快时期的将培养到生长速度最快时期的 菌体分开，再进行培养。菌体分开，再进行培养。 （三）培养基的配制（三）培养基的配制 生长因 子 无机盐水氮源碳源 酸碱 度 成 分 是细 胞内 各种 化学 反应 的进 行场 所 合成自 身物质 提供能 量，最 常用的 是糖类 是微生物细 胞生长繁殖 和生物合成 不可缺的物 质。分为无 机氮和有机 氮两种 提供不 可缺少 的矿质 元素 如： 酵母 膏、 动物 肝脏 浸出 液、 麦芽 汁 根 据 不 同 的 微 生 物 进 行 调 节 思考：蛋白胨、酵母膏可以作为什么？ 1 1、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，、发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种， 整个发酵过程不能混入杂菌，为什么？整个发酵过程不能混入杂菌，为什么？ 因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发因为杂菌将与菌种形成竞争关系，对发 酵过程造成不良影响。酵过程造成不良影响。 （四）灭菌和接种（四）灭菌和接种 例如：例如： 1 1）在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，）在谷氨酸发酵过程中混入放线菌， 则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸则放线菌分泌的抗生素会使大量的谷氨酸 棒状杆菌死亡。棒状杆菌死亡。 2 2）在青霉素生产过程中混入杂菌，这）在青霉素生产过程中混入杂菌，这 些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。些杂菌会分泌青霉素酶，分解青霉素。 2 2、如何防止杂菌的污染？、如何防止杂菌的污染？ 在发酵前对培养基和发酵设施进行严格在发酵前对培养基和发酵设施进行严格 的灭菌处理。的灭菌处理。 3 3、怎样才算灭菌彻底？、怎样才算灭菌彻底？ 用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞 体、芽孢和孢子。体、芽孢和孢子。 （五）发酵过程（五）发酵过程中心阶段中心阶段 发酵过程的监控：发酵过程的监控： 1 1、要在发酵过程中随时取样检测培养液中、要在发酵过程中随时取样检测培养液中 细菌数目、产物浓度以了解发酵进程；细菌数目、产物浓度以了解发酵进程； 2 2、及时添加必需的培养基成分来延长菌体、及时添加必需的培养基成分来延长菌体 生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物 3 3、要严格控制温度、要严格控制温度、pHpH、溶氧、通气量与、溶氧、通气量与 转速等发酵条件。转速等发酵条件。 。 发酵过程的影响因素：发酵过程的影响因素： 微生物分解有机物释放的能量，一微生物分解有机物释放的能量，一 部分用于合成部分用于合成ATPATP，另一部分散发到培养另一部分散发到培养 基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌基中时，会引起发酵温度升高；机械搅拌 也会产生一部分热量引起温度升高。此外也会产生一部分热量引起温度升高。此外 ，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热，发酵罐壁散热，水分蒸发会带走部分热 量，使发酵温度降低。量，使发酵温度降低。 用冷却水进行温度的调节用冷却水进行温度的调节 1 1、温度、温度 2 2、PHPH值值 PHPH发生变化的主要原因是培养基中营养发生变化的主要原因是培养基中营养 成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸成分的利用和代谢产物的积累。如当谷氨酸 棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时， 培养液的培养液的pHpH就会下降；而碱性物质的消耗和就会下降；而碱性物质的消耗和 氨的生成等则会导致培养液的氨的生成等则会导致培养液的pHpH上升。上升。 调节和控制培养液调节和控制培养液pHpH