第十一章微生物在食品制造中的应用微生物与人类生活有着极其密切.

第十一章微生物在食品制造中的应用微生物与人类生活有着极其密切的联系，它们可以造福人类，也会给人类带来巨大的灾难。现在，微生物工业已发展成为整个工业的一个重要组成部分，被广泛地用于制造食品、饲料、肥料、医药化工、冶金、纺织、污水处理等方面。微生物用于食品制造是人类利用微生物最早，重要的方面，在我国已有数千年的历史。人们在长期的实践中积累了丰富的经验，利用微生物制造了种类繁多、营养丰富、风味独特的食品。随着科学技术的进步，微生物在食品工业中的应用前景将更加广阔。总而言之，微生物在工业上的应用主要包括如下三个方面:一、利用微生物的菌体和内容物例如：酵母菌的应用，菌体蛋白、维生素、核酸等.二、利用微生物产生的酶例如：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等二十多种酶制剂三、利用微生物的某些代谢产物例如：酒精、乳酸、柠檬酸、氨基酸、抗生素等。第一节微生物发酵一、发酵（一）概念1、指电子供体和电子受体都是有机化合物的生物氧化作用。是微生物在嫌氧条件下分解有机物质的过程。2、在应用微生物学中，是指利用微生物生产人类所需要的代谢产物的过程称为发酵。例如：酒精发酵、醋酸发酵、谷氨酸发酵、青霉素发酵等，是指利用微生物生产酒精、醋酸、谷氨酸和青霉素的过程，不管这种过程是在厌氧条件下，还是在好氧条件下发生的统称为发酵。（二）发酵的基础：微生物、基因工程、固相菌（酶）、连续发酵（生化反应器的应用）。（三）发酵产品：传统产品有啤酒、白酒、醋、酸奶等；单细胞蛋白、有机酸、多糖、酶制剂、激素等；利用微生物产生的生物活性物质有细菌素、双歧因子、抗生素等。二、微生物发酵和生物工程学当今许多生物工程的生产方法都是起源于古老而传统的发酵工业，例如：啤酒发酵、乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵等。1929年抗生素（青霉素）的发现及继之在40年代大规模的生产应用，使发酵工艺有了非常大的进步。从那时起，发酵工业的发展不仅限于抗生素的生产，还发展到许多有用的化工产品，如有机酸，多糖，酶制剂，激素等。现在，发酵工业已在各国发展形成了巨大的工业门类。在发酵生产的同时，也增强了生物化学、微生物学和化学工程之间的联系。因此，今天发展起来的生物工程学并非是一种突然的发现，也不是全新的学科，而是早在几十年前就已经开始的，开始了一个新的技术时代。它的基础仍是微生物发酵，只是融合了基因工程，固相菌（酶）和连续发酵等新技术，从而推动了这个领域的向前发展。而且与国民经济的发展有着密切的关系。如图所示：微生物工程学近二十年来，由于微生物工程发生了革命性的变革，不仅吸收了基因工程、细胞工程、固定化、连续化等新技术，而且扩大领域到环保、可更新能源等方面。因此，微生物工程学（发酵工程学）是一门研究微生物的工业应用和微生物发酵工艺的原理的科学。三、微生物发酵工程的特点发酵工程的内容是随着科学发展而不断扩大的。目前公认的定义是：利用微生物的某种特性，通过现代化工程技术手段进行工业规模生产的技术。他的主要内容包括：①工业生产菌种的选育；②最佳发酵条件的选择和控制；③生化反应器（发酵罐）的设计；④产品的分离、提取和精制等过程；发酵工程的特点（与化学工程相比较）：1、一步生产；2、采用的条件较温和；3、设备投资少；4、原料便宜；5、有害的副产物极少；6、不足之处：发酵产物浓度低，混有较多的异物，提取、纯化、精制工艺繁琐，从而提高了成本。另外，发酵的废液、废渣等富含有机物质，需要处理，否则会污染环境。四、微生物发酵的发展概况：（一）微生物发酵大事记1680年：显微镜的发明和微生物的发现；1857年：证明了发酵是由于微生物的作用；1897年：证明发酵是酶的作用；1905年：利用固体培养基分离培养微生物；1929年：青霉素的发现，化学工程的进步，酶化学的进步；进入二十世纪后：50年代：生物化学和微生物遗传学的进步；60年代：石油微生物的研究；70年代：分子生物学、细胞工程、酶工程、分子育种等的发展。（二）生物工程（新的生物技术）的内容基因工程，细胞工程，酶工程，发酵工程，生物反应器。（三）微生物发酵的类型固态发酵——好气、厌气；液态发酵——好气、厌气；五、微生物发酵的工艺过程（一）工艺过程1、菌种阶段：做好菌种的保藏，防止优良性状的衰退，防止杂菌的污染。菌种使用前的活化，种子扩大培养等。2、种子扩大培养阶段:一级种子：在原种活化的基础上进行扩大培养；二级种子：一级种子与发酵罐之间加入的繁殖罐，种子液量为发酵液总量的5—10%。这里要求种子能够产生大量的菌体，而不是需要大量的目的产物。培养基要求营养丰富，有利于菌体的生长繁殖，但种子培养基成分不能与发酵液差别太大，以免影响发酵过程中发酵菌的生长代谢。3、发酵阶段：主要阶段，这里要求必须严格控制条件，使其产生最大量的目的产物。4、提炼阶段：将发酵醪进行加工处理，获得所需要的产品。加工处理的方法很多，根据所需产品的不同而采取不同的方法。具体方法：蒸馏、过滤、盐析、分子筛、喷雾干燥、离子交换等。（二）原料的选择及前处理1、原料选择：①资源丰富、容易收购、就地取材、便于运输、节省费用；②符合质量要求、价格低廉、降低成本；③容易贮存、不易霉变；④杂质含量少、不含有害物、以保证产品质量；2、原料的前处理：主要争对淀粉质原料，由于分子量大，微生物不能直接利用，须用酸或酶（糖化作用）水解成简单的糖类物质。六、微生物发酵的条件及其控制（一）发酵的生化过程1、底物的消耗；2、氧的吸收；3、细胞的生长；4、二氧化碳的释放；5、热能的产生；6、产物的形成和培养基（发酵液）pH值的变化等代谢活动。发酵过程注意事项：防止污染、补氧补料（糖）、温度调节、调整pH值。（二）发酵条件的控制1、温度控制最重要的因素，从酶反应动力学来看，温度升高，反应速度加快。但是，发酵菌菌体则只能在最适温度范围内活动。在发酵过程中，由于微生物的呼吸作用，将产生大量的热量，必然导致品温的剧烈升高。这样，一般可以采取洒水、开窗、翻动曲盘等方法来降低室温和品温。总而言之，在发酵的不同阶段中，要随时注意温度的变化，及时进行调节，以避免温度过高或过低而影响发酵质量。2、通气与搅拌：好氧性微生物在液体培养时，利用溶解于培养液（发酵液）中的氧气，进行呼吸。通过通风与搅拌的方式，可增加气液的接触时间，增加氧的溶解度，促进发酵。好氧发酵一般采用的通风量：0.3—2VVM[体积（空气）/体积（培养液）·min]将压缩空气通过过滤器，除去杂菌，使成为无菌空气。3、PH值：培养基的pH值对微生物的生长繁殖以及代谢活动具有很大影响，因此，在发酵过程中调节pH值非常重要。大多数细菌生长的pH值范围是4—9，最适pH值在7.5左右；酵母菌和霉菌的最适pH值趋向酸性(4.5—6.0)；放线菌的最适pH值范围一般在微碱性（7.0—7.5）。发酵过程中由于受原料的影响，pH值将发生变化，出现生理酸性（分解糖类产酸）和生理碱性（分解蛋白质和氨基酸产碱）。可用补料和适当的缓冲物质进行调节。除此之外，需要控制的发酵条件还很多，例如：培养基（原料）的灭菌效果、发酵菌的安全保存、接种卫生、补糖（补料）、消除泡沫等。七、发酵设备（略）第二节细菌在食品制造中的应用细菌的种类很多，用于食品制造业的诸多方面，现在只介绍几个主要产品。一、醋酸菌的应用——食醋的生产我们知道，食醋是我国人民日常生活中的调味品之一，也是我国利用微生物生产的一个古老的产品。在民间，食醋的生产是采用存在于自然界中的醋酸菌进行自然发酵的；在工厂里，为了提高产量和质量，避免杂菌污染，采用人工纯接种的方式进行发酵。长期以来用于食醋生产的细菌有纹膜醋酸菌（醋化醋杆菌）、许氏醋杆菌。但目前应用最多的是恶臭醋杆菌混浊变种（AS1.41）、巴氏醋酸菌巴氏亚种(泸酿1.01号)。醋酸菌在充分供给氧气的情况下生长繁殖,并把基质中的乙醇氧化为醋酸，这是一个生物氧化过程，反应式省略。根据菌种不同，在发酵过程中还可产生少量的其它有机酸以及有香味的酯类等，使食醋具有良好的风味，因此，选择优良的菌种对食醋生产非常重要。食醋的酿造方法通常可分为固态发酵和液态发酵两大类，我国传统的酿造法多采用固态发酵。用这种方法生产的醋风味较好，但需要的辅料多，发酵周期长，原料利用率低，劳动强度大。（一）原料可用于食醋生产的原料很多，有粮食、干鲜果品、野生的含糖或淀粉的果类等。例如：糖、蜜、高梁、大米、玉米、甘薯、糖糟、梨、柿、枣类等。一般著名的食醋仍以糯米、大米、高梁等粮食原料为主。（二）工艺流程原料混合→加水拌匀、蒸煮→冷却后加麸曲和酒目→糖化、发酵→接入醋酸菌→醋酸发酵→加盐陈酿→淋酸→陈酿（脂化、增香、增加固形物和色泽、使醋酸提高到5%以上）→配兑→灭菌→包装、成品。我国生产的食醋品种很多，而且有许多名优产品。如山西陈醋、镇江香醋、四川麸醋、江浙的玫瑰醋、福建的红曲醋以及东北的白醋等。各种醋在选料、发酵工艺及最后的调配料、陈酿上都有各自的特点。二、乳酸菌的应用——发酵乳制品发酵乳制品：良好的原乳（鲜乳）经过微生物的发酵作用，成为具有特殊风味的食品，这样的食品称为发酵乳制品。它们通常具有良好的风味、较高的营养价值、有的还具有一定的保健作用，深受消费者欢迎。有名的发酵乳制品有干酪、酸奶油、酸乳、马奶酒等乳酸发酵——由糖大量生成乳酸的发酵称为乳酸发酵，根据发酵产物的不同可分为同型和异型乳酸发酵。用于生产发酵乳制品的细菌主要是乳酸菌，乳酸菌的种类较多，常用的有以下几种：干酪乳杆菌Lactobacilluscasei、保加利亚乳杆菌L.bulgarices、嗜酸乳杆菌L.acidophilus、植物乳杆菌L.plantarum、瑞士乳杆菌L.helvetieus、乳酸乳杆菌L.lactis、乳酸链球菌Lactococcuslactis、乳脂链球菌Lactococcuscremoris、嗜热链球菌Streptococcusthermophilus、噬柠檬酸链球菌Str.Citrovores、副噬柠檬酸链球菌Str.Paracitrovorus、丁二酮链球菌Str.DiacetilactiS……根据乳酸菌对糖的发酵特性，可以分为同型发酵和异型发酵两种类型。同型发酵型乳酸菌在糖发酵时产物主要是乳酸；异型发酵主产物除乳酸外还有乙醇、乙酸、甘油、CO2、H2等。大肠杆菌群（E.coli）属于异型乳酸发酵类菌。发酵乳制品生产中所用的发酵剂，有时使用单菌株，而更多的时候则是用两种或两种以上的菌株配合进行发酵，以便使制品获得更好的风味，同时也有利于防止噬菌体的侵害。但各种乳制品使用的发酵剂不尽相同。下面介绍几种主要的乳制品（一）酸牛奶酸牛奶是由新鲜牛乳经乳酸菌发酵制成的食品。它具有较高的营养价值，所含蛋白质易被人体消化吸收，其中的钙质较普通牛乳中的更易于吸收。有人认为：酸牛奶在胃肠道内具有抑制异常发酵的作用，并有防止和治疗胃肠炎的效果。因此，随着酸奶越来越受到人们的喜爱，其生产规模、产量在不断扩大。制作酸牛乳的主要菌种是：保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌。发酵剂是用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌按一定比例混合的，这样制作的酸牛乳风味和质地较好。两种菌的比例，对于酸牛乳的质量十分重要，具体可根据二菌的培养方式，即混合培养还是单菌培养、按种量、发酵温度、发酵时间、pH值以及牛乳的加热温度等来确定比例。在发酵过程中乳糖含量下降、酸度升高、球菌的数量减少或消失。这是因为杆菌耐酸而球菌不耐酸。1、原料：合格鲜牛乳2、工艺流程：原料乳→①净化（除去白血球及其它可见异物）→②脂肪含量标准化（加入脱脂乳或分离稀如油）→③配料（在60℃时：加入4—8%蔗糖；添加脱脂奶粉，使非脂固形物达到标准）→④均质（压力：8—10mpa）→⑤★灭菌（参数：90℃5inm、85℃30inm、135℃2—3S）→⑥接种（43—45℃、2—3%）→⑦分装→⑧发酵（40—43℃、3—6h）→⑨冷却（至10℃）→⑩★冷藏