第六章食品发酵.

第六章食品发酵LOGO1.发酵和发酵食品的定义一、发酵广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。二、发酵食品广义——凡是利用微生物作用制取的食品都称为发酵食品狭义——人们利用有益微生物加工制造的一类食品，具有独特的风味2.发酵的分类1.代谢产物发酵2.酶制剂发酵3.菌体发酵4.生物转化发酵3.微生物对食品成分的作用类型1.阮解型阮解型微生物分解蛋白酶，将蛋白质等含氮物质分解生成胨、多肽、寡肽、氨基酸等产物，氨基酸可进一步转化成为酸、醛、醇和其他无机小分子物质如胺类、硫化氧、甲烷、氢气等。2.脂解类脂解菌是能分解脂肪、磷脂和类脂物质的微生物。通过脂酶的作用，将这些脂类降解成脂肪酸、甘油、醛、酮类化合物、CO2和水，使油脂酸败，产生哈喇味和鱼腥味等异味。3.糖类发酵型有些微生物（如部分霉菌和细菌）能合成和分泌糖酶，在细胞外催化淀粉逐渐水解成各种糊精、低聚糖、麦芽糖、葡萄糖。另一类不能直接水解大多数糖，原料必须经过酶或其他微生物的作用使大多数分解成为简单糖以后才能被细胞利用。4.食品发酵中的常用微生物一、醋酸杆菌属（一）此菌为幼龄菌属，革兰氏阴性杆菌，无芽孢，需氧，能将乙醇氧化为醋酸。（二）主要作用于发酵粮食、腐败的水果、蔬菜、变酸的酒类和果汁。二、乳酸杆菌此菌属革兰氏阳性菌，菌体呈杆状，链状排列。根据它利用葡萄糖进行同型发酵或异型发酵的特性分为同型发酵群和异型发酵群。常在乳制品和植物性发酵食品中发现。有嗜酸乳杆菌、乳酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌和干酪乳杆菌等。酵母菌（一）酿酒酵母又名啤酒酵母，为子囊菌纲，内孢霉目。应用于啤酒、白酒、果酒的酿造和面包的制造。由于菌体的维生素、蛋白质含量高，也可作药用和饲料酵母。分布于水果表面、发酵果汁、果园土壤和酒曲中。（二）球拟酵母球拟酵母属半知菌纲，丛梗孢目，隐球酵母可，球拟酵母属。有的菌种具有酒精发酵能力，能使葡萄糖转化为多元醇，如在工业上利用糖蜜生产甘油。（三）面包酵母亦称压榨酵母、活性干酵母、新鲜酵母，用于面包发酵。制法是将纯酵母移植于含糖的培养液中，大量通气条件下，使之繁殖，再用高速离心机分离培养液中的酵母。（四）上面酵母酵母在液体基质中培养时，许多增值的酵母细胞浮游于培养液上层，此就称为上面酵母。下面酵母亦同。霉菌毛霉属具有分解蛋白质功能，用来制造腐乳，可使腐乳产生芳香物质和蛋白质分解物。某些菌种具有较强的活力，可用于酒精和有机酸的工业原料的糖化和发酵。曲霉属菌丝老熟后常呈黑、棕、黄、绿、红等颜色。曲霉菌具有分解有机质的能力，在酿造中常作为糖化菌种或者制作酱油。根霉属用途广泛，能产生淀粉酶，使淀粉转化为糖，是酿酒工业常用的糖化菌，也引起食品及其制品霉变。红曲霉属能合成多种酶类，如淀粉酶、麦芽糖酶、蛋白酶、天然色素，及其他生理活性物质，如柠檬酸、琥珀酸、乙醇，常用以酿酒、制醋、酱油、味精、肉制品和豆腐乳着色剂。5.发酵保藏的原理1.发酵产酸微生物发酵产生的有机酸主要有乳酸、醋酸、柠檬酸等其他有机酸，从而降低食品的pH，提高了其储藏性。2.发酵产乙醇乙醇除了具有调节和改善风味的作用外，还可以抑制其他一些有害微生物的作用。乙醇浓度越高，抑制微生物的作用越强。3.抑制其他腐败微生物的生长作为发酵过程中的优势菌，产生乙酸或酸的微生物在生长和代谢的同时消耗食品中的营养成分（尤其是碳源和氮源）有些微生物还能产生除酸和醇以外的其他抑菌物质，如过氧化氢、二氧化碳、光谱抗生素（如罗伊式菌素）和细菌素（如乳酸链球菌素、大肠杆菌属）等。6.发酵对食品品质的影响1.质地软化2.营养价值和消化率提高3.食品的风味和香味发生改变4.促进色泽的改变5.使产品具有益生作用1）.发酵用微生物及酶的益生作用2）.多肽与氨基酸的益生作用3）.多糖与低聚糖的益生作用4）.抗氧化活性物质的益生作用5）.降胆固醇、降血压物质和其他物质的益生作用6.形成新的食品类型7.发酵食品的形成过程第一阶段：大分子降解阶段第二阶段：代谢产物形成阶段第三阶段：发酵食品的陈酿阶段7.发酵的一般工艺过程（一）菌种及确定的种子培养基和发酵培养基的组成根据原料特性和产品特征选择适宜的微生物菌种，根据微生物菌种的特性，结合生产实际，制定合理的生产工艺流程，确定种子培养基和发酵培养基（二）培养基制备发酵罐和辅助设备的灭菌培养基的分类1.按照培养基的纯度分类：合成培养基和天然培养基2.按照培养基的状态分类：固体培养基、半固体培养基和液体培养基3.按招培养用途分类：斜面培养基、种子培养基和发酵培养基。2.培养基的配制原则发酵培养基配制前要进行原料的预处理，掌握合适的加热条件（加水量、气压、时间等），使淀粉糊化，蛋白质达到一次变性的程度，避免未变性或过度变性（二次变性）蛋白质出现。配制培养基需要考虑的因素有：合适的碳氮比、pH、渗透压、生长因子和氧化还原电势。根据具体情况，从微生物营养特点及生产工艺要求出发，选择合适的培养基，已达到稳产、高产的目的，同时也要增产节约、因地制宜。3.培养基发酵罐和辅助设备的灭菌1)培养基灭菌配制好的培养基要及时采用高压蒸汽进行加热灭菌。发酵培养基实罐灭菌是先间接加热至90℃，再间接加热至121℃，维持30min。发酵培养基连续灭菌采用的条件是130℃，维持5min。为防止“假压”，一定要将罐内的空气排净。灭菌后的实罐一般要用无菌气体进行保压冷却，以防止杂菌污染。2）空罐及管道灭菌3）空气总过滤器和分过滤器灭菌（三）菌种活化与扩大培养1.菌种的复壮狭义的菌种复壮：一旦发现菌种生产性状下降或杂菌污染，就必须进行纯化和优选；广义的菌种复壮：在菌种的生产的性状尚未衰退以前，经常有意思地进行纯种分离和生产性状的测定，以期使菌种的生产性能逐步提高。2.菌种的活化和扩培沙土管孢子摇瓶液体培养斜面孢子培养茄子瓶斜面培养一级种子罐培养冷冻干燥孢子固体培养基培养发酵罐四级种子罐培养三级种子罐培养二级种子罐培养发酵菌种的培养的基本类型和方法1.静置培养或通气培养2.固体培养或液态培养3.浅层培养或深层培养4.载体培养法（四）发酵及过程控制采用纯种混合发酵生产传统风味的发酵食品是方向。液体发酵是目前发酵工业上最主要的发酵形式。在食品发酵过程中，有的需要氧气，有的需要厌氧条件。工业常用的仍是批量式发酵。（五）发酵终点判断发酵终点的指标有产物产量、过滤速度、氨基氮含量、菌体形态、pH、发酵液外观和温度等。发酵终点要综合考虑这些参数来确定。(六）下游加工发酵技术下游加工的一般过程主要包括发酵液的预处理与分离、初步纯化、高度纯化、成品加工等过程。第二节菌种选育1.生产菌种的要求能够用于工业生产的微生物菌种，要具有以下特性：1.非病原菌；2.遗传稳定，菌种不易变异或退化；3.易于产生营养细胞孢子或其他繁殖体，种子的生长旺盛迅速；4.必须是纯种或明确的少数几种菌组成的简单混菌系统；5.对诱变剂敏感；6.能在廉价原料制成的培养基上生长迅速，发酵周期短，目的产物产量高；7可以在易控制的培养条件下迅速生长繁殖。。。二、菌种选育的方法（一）选种1.样品采集采样对象以采集土壤为主。一般园田土和耕作过的沼泽土中，以细菌和放线菌为主。1有机质含量和通风情况2土壤酸碱度和植被状况3地理条件和季节性南方土壤比北方土壤微生物多4季节分离筛选菌种2）采样方法在选好适当地点后，用小铲子除去表土，取离地面5-15cm处的土约10g，盛入清洁的牛皮纸袋或塑料袋中，扎好，标记，记录采样时间、地点、环境条件等，以备查考。为了使土样中微生物的数量和类型尽少变化，宜将样品逐步分批寄回，以便及时分离。2.富集培养在采集的样品中，待分离的菌种不一定占优势，常以投其所好和取其所抗的原则在培养基中投放和添加特殊的养分或抗菌物质，使所需菌种数量相对增加，从天然样品中的劣势菌转变为人工环境中的优势菌，从而得到富集。富集的方式包括控制培养基的营养成分、控制培养条件、添加特殊的抑菌剂。3.微生物的分离菌种分离的方法有两个层次的方法：“菌落纯”的水平的分离方法包括稀释涂布和划线分离，稀释分离法，利用平皿中的生化反应进行分离，组织分离法；“菌株纯”水平的分离方法包括毛细管分离法，小滴分离法和显微操作仪法。4.野生型目的菌株的筛选某些菌在目的菌株分离的基础上，进一步通过筛选，选择具有目的产物合成能力相对高的菌株。一般分为初筛和复筛两步。初筛是从大量分离到的微生物将具有含成目的产物的微生物筛选出来的过程。初筛一般分为平板筛选和摇瓶筛两种。复筛，一般菌株通常要重复3~5个摇瓶，培养后的发酵液采用精确的分析方法来测定。5.野生型目的菌株的菌株鉴定菌株鉴定一般分为3个步骤：1.获得该微生物的纯种分离物；2.测定一系列必要的鉴定指标；3.根据权威的鉴定手册进行菌种的鉴定。常用的鉴定指标有形态结构、生理生化特征、血清学反应和遗传特征等。（二）育种育种育种即按照发酵生产的要求，根据微生物遗传变异理论，对现有的发酵菌种的生产性状进行改造或改良，以提高产量改变质量、降低成本、改革生产工艺。育种技术包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合育种、基因工程定向育种1.自然育种自然选育：它是利用微生物在一定条件下产生自发变异，通过分离、筛选，排除劣质性状的菌株，选择出维持原有生产水平或具有更优良生产性能的高产菌株。（二）自然选育的目的和适应条件目的：保持菌种优良性状的稳定性；保持菌种的纯度；将具有高产性状的微生物从混杂的群体中分离出来，建立高产菌株占优势的群体。适应条件：长期保存时，使菌种尽可能纯化；菌种选育时，及时自然分离，得到稳定的高产菌株。2.诱变育种诱变育种诱变育种：是指人为地、有意识地将对象生物置于诱变剂中，使该生物体发生突变，从这些突变体中筛选具有优良性状的突变株的过程。突变：从生物表型上说是突然发生的可遗传的变化，这种变化就称为突变。带有这种变化的菌株称为突变菌株。突变包括基因突变（点突变或微小损伤）和染色体畸变两大类。自然突变或自发突变：在自然状况下发生的突变。诱发突变：在人为地用物理或化学因素诱发的突变。（二）诱变的基本原理诱变剂：用来处理微生物并能提高生物体突变频率的物理或化学因素，称为诱变因索，又称诱变剂。三类：物理、化学、生物诱变剂。1.物理诱变诱变剂作用机理各不相同，诱变效果也不同。快中子、60Co、γ-射线、β-射线、电离辐射，引起染色体倒位、易位、缺损、重组及其他畸变。紫外线-----不形成离子的非电离辐射(最常用)。紫外线对生物诱变最有效的波长是------200~300nm，其中260nm左右作用最大。2.化学诱变剂是一类能与DNA起作用而改变其结构并引起DNA变异的物质。3.生物诱变按诱变方式可分为3类：采用噬菌体，质粒和转座子分别进行转导诱发突变，转化诱发突变和转座诱发突变，可以引起碱基的取代和断裂，产生DNA的缺失，重复和插入等突变诱变育种的优点：方法简单，投资少，成效高等优点缺点：缺乏定向性诱变部分应注意出发菌株的选择，诱变剂及剂量的选择，诱变处理方法的应用，筛选部分要采用有效的筛选方法来提高育种的效率。1.出发菌株的选择和处理2.出发菌株的纯化和单细胞悬液的制备3.诱发剂的使用方法4.诱变剂的剂量选择5.突变菌株的筛选3.细胞工程育种细胞工程包括杂交育种和原生质融合育种两种技术。杂交育种一般是指两个基因型不同的菌株通过吻合（结合）使遗传物质重新组合，从中分离和筛选具有新性状的菌株。原生质体融合技术具有重组频率较高，受结合型或致育性的限制较小，重组体种类较多，遗传物质的传递更为完整等多个特点。4.基因工程育种基因工程育种是指利用基因工程方法对生产菌株进行改造而获得高产工程菌，或者是通过微生物间的转基因而获得新菌种的