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12发酵工艺学TechnologyofFermentation湖北民族学院食品科学与工程专业讲授:罗祖友本课程的教学安排:•教学大纲本校自编大纲(2006版)。参考大纲：浙江大学《发酵工艺学考研大纲》、南京农大《发酵食品工艺学》、中国药科大学《发酵工艺学》。•理论课讲授:32学时。包括：总论：微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用、发酵工艺的原理与设备；各论：几类典型发酵食品的发酵原理与工艺特点。•实验教学:16学时。（指导教师：田成罗祖友刘金龙）•教学进度：1-12周。第14周考试(第14周一5月26周四或27周五)。4教材：何国庆主编．食品发酵与酿造工艺学．北京：中国农业出版社，2001参考书：1.程丽娟，袁静主编．发酵食品艺学．杨凌：西北农林科技大学出版社，20022.王福源主编．现代食品发酵技术(二版)．北京：中国轻工业出版社，20043.章克昌主编．酒精与蒸馏酒工艺学．北京：中国轻工业出版社，20084.余龙江主编．发酵工程原理与技术应用．北京：化学工业出版社，20065.白秀峰主编．发酵工艺学．北京：中国医药科技出版社，20036.余龙江.发酵工程原理与技术应用.北京:化学工业出版社，20067.食品与发酵工业》(月刊)8.《中国酿造》(月刊)理论授课内容及学时分配：第1章绪论（1学时）第2章微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用（3学时）第3章发酵工艺学基础及主要设备（4学时）第4章酒精发酵与酿酒（8学时）第5章氨基酸与核苷酸发酵（2学时）第6章有机酸发酵及其发酵食品（4学时）第7章酶制剂生产（2学时）第8章发酵豆制品（6学时）第9章其它发酵食品(2学时）6实验内容及学时分配：实验一发酵罐的结构系统与使用方法（2，基础）实验二小曲根霉菌等酿制酒酿（2，基础）实验三酒酿发酵参数的监控与发酵终点的判断（2，基础）实验四果酒与果醋的酿制（4，综合）实验五酸豆乳饮料的制作（4，设计）实验六豆豉的制作（2，设计）第1章绪论本章内容：1.1《发酵工艺学》的课程性质与学科地位；1.2发酵与酿造的定义、发展历史；1.3微生物发酵的特点及研究对象；1.4发酵工业的工艺流程；1.5发酵工业的发展趋势与研究热点。重点：发酵的定义、微生物发酵的特点及发酵工业的产品类型和一般工艺流程。1.1《发酵工艺学》的课程性质与学科地位•《发酵（食品）工艺学》是食品科学与工程专业本科的专业必修课，是一门综合性及实践性很强的课程。•《发酵工艺学》是建立在牢固掌握生物化学、微生物学、化工原理等专业基础课的理论知识基础上的专业课程，是食品科学与工程、生物工程等专业的一门主干课程。•发酵技术是支撑现代食品工业的重要技术，同时也是生物技术产业化的重要手段。生物化学食品微生物畜产品工艺学化工原理食品化学发酵(食品)工艺学果蔬、农产品工艺学其它相关课程1.2发酵与酿造的定义、发展历史1.2.1什么是发酵、酿造？何为发酵食品？“发酵”-fermentation,由拉丁语ferver（起泡、翻涌）派生而来。1.2.1.1传统的“发酵”：1.2.1.2狭义的“发酵”：生物化学上，……1.2.1.3广义的“发酵”：微生物学上，……——工业发酵。1.2.1.4“酿造”与“发酵”的区别：•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。•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。•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。13•IntroductiontoFoodScienceP200：Fermentationallowsthegrowthofmicroorganisminordertoproduceastableproduct.Productscommonlyproduced,atleastinpart,byfermentationinclude:beer,pickles,olives,somemeatproducts,bread,cheese,coffee,cocoa,soysauce,sauerkrautandwine.Microorganismscanbecomefood,andbiotechnologychangesthewaymicroorganismsareused.•“酿造”与“发酵”的区别，何为发酵食品？本质上都属于“广义的发酵”。区别在于：最终产品的成分的复杂性不同。——酿造(brewing)：我国人民对一些特定产品的发酵生产的特殊称法，由未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵的过程称为酿造，其产品成分复杂、风味要求高。发酵食品的生产，多数属于“酿造”过程。——什么是发酵食品？•发酵食品是指经过微生物（细菌、酵母和霉菌等）或酶的作用，使加工原料发生许多理想的十分重要的生物化学变化及物理变化后制成的食品。•开门七件事……与发酵食品有关？•广义的发酵工业，利用微生物所具有生物加工与生物转化能力，将廉价的发酵原料转变为各种高附加值产品的产业。包括：1.2.2发酵工业与酿造工业：171）发酵食品工业(FermentedFoods)，如酱油，食醋，豆瓣酱等；2）有机酸发酵工业（OrganicAcids），如醋酸，乳酸，柠檬酸等；3）氨基酸发酵工业AminoAcids，如谷氨酸，赖氨酸等；4）低聚糖与多糖发酵工业oligosaccharidesandpolysaccharides，如低聚果糖，香菇多糖等；5）核苷酸发酵工业Nucleotides，如肌苷酸（IMP），鸟苷酸（GMP）等；6）药物发酵工业Pharmaceutical，如抗生素（青霉素，头孢菌素，链霉素等）；7）维生素发酵工业vitamin，如维生素C，维生素B2，维生素B12等；8）酶制剂发酵工业Enzymes，如淀粉酶、蛋白酶等；9）发酵饲料工业Feedstuff，如干酵母、单细胞蛋白等；10）生物肥料与农药工业biofertilizerandbiologicalpesticide，如细菌肥料、赤霉素等；11）溶剂发酵工业Solvent，如酒精、甘油溶剂等；12）水的生物处理工业及环保EnvironmentalApplication(WasteTreatment)，如活性污泥、沼气发酵、有毒物质降解等。经纯种培养和提炼精制获得成分单纯、无风味要求的产品的产业叫发酵工业。如，酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。——获得发酵产品的条件：适宜的微生物；保证或控制微生物进行代谢的各种条件；进行微生物发酵的设备；精制成产品的方法与设备。•狭义的发酵工业：19•酿造工业：经自然培养或控制发酵、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的加工产业。如黄酒、白酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。•因此，从狭义上讲，（多数的）发酵食品的生产，应该属于酿造工业的范畴，属于广义的、而不是狭义的发酵工业范畴。但成分单一的一些食品添加剂的发酵可属于后者。1.2.3发酵工业的发展历史(#)1.2.3.1发酵工业的微生物技术发展史:•1676年列文虎克（Leewenhoch）•1836—1837年Larkutzing•1856—1857年Pasteur•1880年科赫（RobertKoch）•1897年，Buchner（布赫纳）•1928年，Fleming•1940年，Florery和Chain•1945年，抗生素工业列文虎克（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。Larkutzing•1836-1837年Larkutzing发现在啤酒的发酵中存在活的生物体，但并未发现发酵与微生物的关系。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）Buchner（布赫纳）1897年，Buchner（布赫纳）阐明了发酵的化学本质。即发酵是由酶引起的一类化学反应。实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁（应用于医学）+白砂糖（防腐）意外发现发酵.——这是无生物细胞体系发酵的最初例子。Fleming1928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1940年，Florery和Chain：得到纯品青霉素，继而放线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大……..等相继发现。1984年达9000多种。1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）Florery和Chain——1956年，Watson和Crick发现DNA双螺旋结构，为微生物遗传学及育种技术的研究带来极大发展。分子生物学发展阶段。Watson和Crick——分子生物学的发展1.2.3.2发酵工业的工程技术发展史：发展至今，可分为6-7个阶段：：(教P3/T1-1)一阶段天然发酵阶段二阶段纯培养技术的建立三阶段通气搅拌发酵技术的建立四阶段代谢控制发酵技术五阶段发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立六阶段微生物生物合成和化学反应合成相结合工程技术的建立七阶段基因工程阶段•天然发酵阶段19世纪中叶以前，也称自然发酵阶段。天然接种，微生物混合发酵。但人类并不知道发酵的微生物本质和化学本质。尽管早在17世纪（1680年）出现了显微镜，并认识了微生物的存在。•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。•通气搅拌发酵技术的建立1928-1929年，Fleming弗莱明发现了青霉素，并证明了其在医学上的重要作用。20世纪40年代，由于二战爆发，三、四十年代广泛流行的肺结核，推动了青霉素工业化生产的科学研究与开发。1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究，建立了深层通气培养技术——深层培养，解决了深层培养的供氧问题。——这是发酵技术发展的第二个转折点。•代谢控制发酵技术1957年以后，以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。——这是发酵技术发展的第三个转折点。•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。•微生物生物合成和化学反应合成相结合,工程技术的建立——全面发展阶段：1960年以后，化学合成与生物合成相结合的时期。利用矿产、石油原料进行化学合成，生成一些前体物质，再利用微生物发酵将前体物质转化为最终的产品，或者先利用发酵生产前体物质，再进行化学合成得到终产品。——这是发酵技术发展的第五个转折点。基因工程阶段1979年以后，随着基因重组技术的出现，促进了重