发酵工程

第四章发酵工程FermentationEngineeringOutline1.菌种的选育2.培养基的配制3.培养基和设备的灭菌4.扩大培养和接种5.发酵过程6.产品的分离提纯发酵工程内容发酵工程“发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词.它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。发酵工程发酵工程(fermentationengineering):研究发酵工业生产过程中，各个单元操作的工艺和设备的一门科学。具体包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等。1.菌种的选育2.培养基的配制3.培养基和设备的灭菌4.扩大培养和接种5.发酵过程6.产品的分离提纯发酵工程内容1857年法国化学家、微生物家巴斯德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。”巴斯德认为，酿酒是发酵，是微生物在起作用；酒变质也是发酵，是另一类微生物在作祟；随着科学技术的发展，可以用加热处理等方法来杀死有害的微生物，防止酒发生质变。同时，也可以把发酵的微生物分离出来，通过人工培养，根据不同的要求去诱发各种类型的发酵，获得所需的发酵产品。LouisPasteur1822-18951.菌种的选育•Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律•其后不久，科赫(Koch)建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用这些技术研究炭疽病时，发现动物的传染病是由特定的细菌引起的。从而得知，微生物也和高等植物一样，可以根据它们的种属关系明确地加以区分，从此以后，各种微生物纯培养技术获得成功。单种微生物分离和纯培养技术的建立，是食品发酵与酿造技术发展的一个转折点。科赫(Koch)•18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术科赫的主要贡献发明了固体培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立。创造了细菌染色方法。发现了许多病原菌，为以后研究药物和寻找治疗方法提供了依据。证实炭疽病因—炭疽杆菌发现结核病原菌—结核杆菌提出了为证明某种特定细菌是某种特定疾病的病原菌的“科赫原则”用划线法获得单菌落colony：bacteriallawn(菌苔)利用微生物的特点发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大适应能力(2)有极强的消化能力(3)有极强的繁殖能力利用微生物的特点：UseofMicroorganisms•Positive（益处）•Biomass•Production•Conversion•Negative（危害）•Pathogens•Spoilage微生物的种类真菌：酵母、霉菌、担子菌显微藻类原生动物细菌、放线菌支原体、衣原体、立克次氏体、兰细菌具有细胞结构的微生物草履虫水绵细菌、放线菌支原体、衣原体、立克次氏体、兰细菌没有细胞结构的微生物原核生物由原核细胞构成的）真核微生物（由真核细胞构成的）病毒亚病毒原核微生物----细菌、放线菌真核微生物----霉菌、酵母细菌是单细胞原核微生物，个体微小，形态简单，以二分裂方式繁殖。在自然界中，细菌分布最广、数量最多。（一）细菌Escherichiacoli（大肠杆菌）Salmonellatyphimurium（沙门氏菌）Bacillussubtilis（枯草芽孢杆菌）Clostridiumbotulinum(肉毒梭状芽孢杆菌)Streptococcuslactis（乳酸链球菌）Lactobacillus.Bulgaricus(保加利亚乳杆菌)Bacillusthermophilus(嗜热芽孢杆菌)CorynebacteriunPekinensis（北京棒杆菌）Usuallymicroorganism:ArrangementsofCocci单球菌双球菌链球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌球菌streptococcus链球菌Streptococcuspyogenes酿脓链球菌单球菌双球菌肺炎双球菌tetradtetrad四联球菌micrococcustetragenus四联微球菌金属镀膜，×40000Sarcina（八叠球菌）：streptococcus(葡萄球菌)Bacillus(杆菌)：流产布鲁氏菌escherichiacoli大肠杆菌Bacillusthuringiensis苏云金芽孢杆菌银合欢根瘤菌rhizobium大肠杆菌EscherichiacoliElectronMicrographofClostridiumbotulinum肉毒杆菌;肉毒芽孢梭菌Bacillusanthracis炭疽杆菌;cyanobacterium(蓝细菌)光合微生物，...mycobacterium分枝杆菌Bacillusbifidus双歧杆菌bifidobacteriumSpirlla（螺旋菌）Therearefewkindsinbacteriaandalwayspathogenicbacteria;(螺旋菌在细菌中种类较少，通常是病原菌)vibrio弧菌spirillum螺旋菌spirochaeta螺旋菌Vibriocholerae霍乱弧菌Leptospira钩端螺旋体rhodovibriosalinarium红弧菌spirillumvolutans迂回螺菌helicobacterpylori幽门螺杆菌Vibriocholerae霍乱弧菌spirochaeta(螺旋体)spirillum(螺旋菌)亮发菌的形态示丝状特殊形态Someparticularbacteriamorphology细菌分裂方式是裂殖，根据其核的分裂方式不同分无丝分裂核有丝分裂等。生存环境：温暖潮湿、富含有机物的地方，都有大量细菌活动。有特殊的臭味或酸败味，发粘、发滑.一般细菌的大小范围：0.5-1mm（直径）0.2-1mm（直径）X1-80mm（长度）0.3-1mm（直径）X1-50mm（长度）(长度是菌体两端点之间的距离，而非实际长度)最小：与无细胞结构的病毒相仿（50nm）最大：肉眼可见（0.75mm）费氏刺骨鱼菌(0.08mmx0.6mm)(Epulopisciumfishelsoni)比大肠杆菌大100万倍（1985年发现）德国科学家H.N.Schulz等1999年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌（sulfurbacterium），其大小可达0.75mm，Thiomargaritanamibiensis，---------“纳米比亚硫磺珍珠”（nanobacteria）（50nm）最大和最小细菌的个体大小悬殊：（Thiomargaritanamibiensis）（0.75mm）10亿~100亿倍每个细菌约有250～300条菌毛。有菌毛的细菌一般以革兰氏阴性致病菌居多，借助菌毛可把它们牢固地粘附于宿主的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等的粘膜上，进一步定植和致病。细菌细胞壁以外的构造———性毛(pili,单数pilus)构造和成分与菌毛相同，但比菌毛长，数量仅一至少数几根。性毛一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株（即供体菌）中，其功能是向雌性菌株（即受体菌）传递遗传物质。有的性毛还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。1、放线菌分类系统属原核微生物类群，介于细菌和真菌之间的单细胞微生物放线菌菌落中的菌丝常从一个中心向四周辐射状生长并因此而得名放线菌对人类最突出的贡献就是它能产生大量的、种类繁多的抗生素达4000种2.2Actinomycetes(放线菌)放线菌的应用：1、能产生大量的、种类繁多的抗生素(包括金霉素、氯霉素、卡那霉素、红霉素等)。2、生产维生素和酶(很好的葡萄糖异构酶产生菌)3、进行甾体转化、烃类发酵和污水处理UsuallymicroorganismActinomycetes①Streptomyces(链霉菌属)②Nocardia（诺卡氏菌属）③Micromonospora（小单孢菌属)④Actinomyces（放线菌属)colony工业上有重要的放线菌属孢子丝孢子囊streptomyces链霉菌大多数放线菌是好气的，生产抗生素过程中必须足够的通气量大多数放线菌的最适生长温度为2337℃放线菌的最适生长pH值为中性至微碱性在自然界中分布很广，尤其在有机质丰富的微碱性土壤中较多。大多腐生，少数寄生。产生多种抗生素（12000余种，60%左右来自放线菌），经济价值大（基内菌丝)SubstratemyceliumAerialmycelium（气生菌丝)Reproductivemycelium（孢子丝）直形、波浪形或螺旋形放线菌生殖方式三、霉菌霉菌和酵母同属于真菌。工业上最常用的霉菌以曲霉菌和青霉菌为主，根霉属和红曲霉属也较常用。霉菌：为丝状真菌的统称。凡是在营养基质上能形成绒毛状、网状或絮状菌丝体的真菌（除少数外），统称为霉菌。霉菌生殖方式1、黑曲霉（Aspergillusniger）2、米曲霉（Aspergillusoryzae）3、红曲霉（Monascus）4、青霉（Penicillium）5、木霉（Trichoderma）6、根霉（Rhizopus）7、毛霉（Mucor）)常用青霉菌生产青霉素、头孢等1、根霉(Rhizopus)米根霉(Rhizopusoryzae)淀粉酶活力极强，多作糖化酶使用；又由于具有较强的蛋白质分解能力，也可用于制造腐乳。华根霉(Rhizopuschinentis)是酿酒所必须的重要霉菌，也是酸性蛋白酶和腐乳生产中的重要菌种。•分类：与毛霉同属接合菌纲毛霉目。•分布:分布于土壤、空气中，常见于淀粉食品上，可引起霉腐变质和水果、蔬菜的腐烂。•形态特征：很多特征与毛霉相似，菌丝也为白色、无隔多核的单细胞真菌，多呈絮状。——与毛霉主要区别在于根霉有假根和匍匐枝，与假根相对处向上生出孢囊梗。孢子囊梗与囊轴相连处有囊托，无囊领。•繁殖：无性繁殖产孢囊孢子，有性繁殖产生接合孢子。根霉的孢子囊和孢囊孢子多为黑色或褐色，有的颜色较浅。代表种：米根霉（R.oryzae)、黑根霉(R.nigrican)等。2、毛霉(Mucor)鲁氏毛霉(Mucorrouxianus)从我国小曲中分离出来；能糖化淀粉且能生成少量酒精；能产生蛋白酶，有分解大豆蛋白的能力，常用来制作腐乳总状毛霉(Mucorracemosus)是毛霉中分布最广的一种，几乎在各地土壤中、一些生霉的材料上、空气中都能找到；酒曲中常见可制作豆豉分类学上属于藻状菌纲，毛霉目，毛霉属单细胞，菌丝无隔，多核。菌丝有分枝，主要有两个类型：单轴式，假轴式。1.单轴式孢囊梗、总状分枝（高大毛霉、总状毛霉）2.假轴式孢囊梗（鲁氏毛霉）3.孢子囊结构孢囊梗顶端膨大为孢子囊，内生孢囊孢子分布:广泛分布于土壤、空气中，也常见于水果、蔬菜、各类淀粉食物、谷物上，引起霉腐变质。形态特征：菌丝发达、繁密；白色无隔多核，为单细胞真菌。毛霉的孢子囊梗有单生的，也有分枝的。分枝有单轴、假轴两种类型。毛霉的菌丝多为白色，孢子囊黑色或褐色，孢子囊孢子大部分无色或浅兰色，因种而异。繁殖：可形成孢囊孢子、厚垣孢子、接合孢子。经济价值：蛋白酶、淀粉酶、有机酸、甾体转化分类：多数属于子囊菌亚门，少数属于半知菌亚门。分布：广泛分布于土壤、空气和谷物上，可引起食物、谷物和果蔬的霉腐变质，有的可产生致癌性的黄曲霉毒素。形态特征：菌丝发达多分枝，有隔多核，分生孢子梗由特化了的厚壁而膨大的菌丝细胞——（footcell足细胞）上垂直生出；分生孢子头状如“菊花”。曲霉菌丝、孢子常呈现各种颜色，黑、棕、绿、黄、橙、褐等，菌种不同，颜色各异3、曲霉(Aspergillus)子囊菌纲，曲霉属分生孢子梗从厚壁而膨大的菌丝细胞（足细胞）生出曲霉为多细胞，菌丝有分隔。营养菌丝大多匍匐生长，无假根分生孢子梗常顶端膨大而形成棍棒形、椭圆形、半球形、球形的顶囊，其表面产生小梗，单层或双层。繁殖：无性繁殖产分生孢子；大多数有性阶段不明，归为半知菌类。少数种可形成子囊孢子，归为子囊菌亚门。---大多数为