第五章微生物在食品发酵工业中的应用

2019/8/161第五章微生物在食品发酵工业中的应用2019/8/162应用于发酵工业的微生物种类，主要有：细菌，放线菌，酵母菌，霉菌等。人类对微生物的应用可概括为两大方面：利用微生物的酶及其代谢产物；利用微生的菌体及其内含物。2019/8/163主要内容一、微生物的酶及微生物代谢产物的应用二、微生物的菌体及其内含物的应用2019/8/164第一节微生物的酶及微生物代谢产物的应用2019/8/165一、微生物酶1.1概况：酶（enzyme）是活细胞产生的一种生物催化剂。酶是一类具有催化功能的蛋白质，能够使生物体内发生各种各样的生物化学变化，无论是动物、植物或微生物本身，它们的生长、发育、繁衍后代等，新陈代谢时所进行的一切生化变化，几乎都是在酶的催化下发生的，可以说没有酶就没有生命。酶的催化作用很早就为人们的生活所利用。2019/8/1661897年Buchner发现酶的细胞外作用现象，从而导致了酶的商品化生产。最初的商品酶制剂主要以动植物为原料提取，如从牛胃中提取凝乳酶、从胰脏中提取胰酶、从血液中提取凝血酶及从植物材料中提取淀粉酶等。之后，Takamine利用霉菌来生产淀粉酶使得酶制剂工业取得突破。其方法甚至在今天仍被采用。20世纪90年代以后，随着基因工程的广泛介入，经过酶基因重组，“基因工程+发酵工艺+先进发酵设备”可以算是酶工业的第三次飞跃。微生物作为酶制剂来源的地位得到了进一步的加强，显示出了动植物无法与其比拟的巨大优越性。2019/8/167用微生物来生产酶产品，具有微生物生长繁殖快，生活周期短，生产能力几乎可以不受限制地扩大，能满足迅速扩张的市场需求;此外，微生物种类繁多，微生物酶品种齐全.多样性。近几十年来，微生物酶已经发展成为大规模的工业生产，成了各种酶制剂的主要来源，特别是当基因工程介入时，动植物细胞中存在的酶，几乎都能够利用微生物细胞获得。因此，有计划和仔细地筛选微生物菌株，通常可以获得能够生产几乎任何一种酶的适当菌株。2019/8/1681.2微生物酶的种类:酶的组成与分类单聚体蛋白酶蛋白寡聚体蛋白:谷酰胺合成酶多聚体蛋白:丙酮酸脱氢酶酶辅基:血红素辅因子辅酶:NAD,FAD,生物素等激活剂:金属离子胞内酶酶胞外酶2019/8/169胞内酶的分布：酶种类部位参与物质运输的酶细胞膜参与糖代谢的酶细胞质呼吸酶内膜或线粒体蛋白质合成酶核糖体光合作用酶色素体2019/8/1610目前巳发现的微生物的酶巳有2500多种，使用价值高而大量规模化生产的仅20多种。主要有，淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶等10余种。广泛应用于，食品、发酵、纺织、制革、医药、造纸、日用化工、水产加工、畜禽饲料、三废处理、化学分析等，其中60％用于食品工业。2019/8/1611菌种分离纯化初筛复筛摇瓶试验最佳产酶条件研究酶的制备→微生物育种→收集发酵液→胞外酶收集菌体→破碎→胞内酶酶学研究产品→扩大→工业生产物理诱变化学诱变分子改造→遗传工程基因工程保藏菌种1.3微生物酶开发的一般程序2019/8/1612二、微生物酶在食品工业中的应用：利用胞外酶将原料中大分子蛋白质、淀粉等分解为可被细菌和酵母菌利用的小分子物质，如氨基酸、葡萄糖等；利用胞内酶，通过代谢调节和人工控制发酵条件，利用糖类等某些营养物质在发酵过程中积累大量的代谢产物，如酒精、氨基酸、柠檬酸、乳酸、乙酸等发酵产品；此外，还可利用某些微生物在人工培养过程中产生大量的酶的特性，从发酵液（物）中提取酶来生产酶制剂（淀粉酶、蛋白酶、纤维素分解酶等），广泛用于食品发酵、制药、制糖、制革和饲料工业中。2019/8/16132.1用于酒精发酵：淀粉质原料十曲(含“糖化酶”)→糖化→葡萄糖发酵为酒精。制曲方法不同，酒精发酵方法也随之不同，常用的有：液体曲糖化法、根霉糖化法（Amylo法）、麸曲糖化法（固体曲）、加酶糖化法和麦芽糖化法等。目前国内以液体曲糖化法为主，以黑曲霉培养的液体曲作为淀粉质原料的糖化剂。酵母菌(“酒化酶”)2019/8/1614发酵机理淀粉质原料黑曲霉糖化酶葡萄糖酵母菌ＥＭＰ途径（行厌氧发酵）酒精十CO2目前，常用糖化酶产生菌是：黑曲霉As3.4309（俗称UV—11号），该菌产糖化酶系纯、糖化力较高、耐高温、耐低pH、糖化时最适温度600Ｃ最适pH4.0～4.6。2019/8/1615酒精酵母酶系较复杂，主要有：①蔗糖转化酶：将蔗糖葡萄糖十果糖；②麦芽糖酶：将麦芽糖2个葡萄糖；③酒化酶系（类）：参与催化葡萄糖酒精十CO2的各种酶的总称。酒精发酵不需游离氧参加，否则酵母菌将糖彻底分解为水和CO2，同时获得大量菌体和能量。2019/8/16162.2用于饮料酒的酿造：供人饮用的、乙醇含量在0.5％～65％（体积分数,V/V）的饮品，包括各种发酵酒、蒸馏酒、配制酒。发酵酒是以谷物、水果、乳类等为原料，主要经“谷物→糖化酶糖化→酵母酒化”或“无需将原料糖化而直接经酵母发酵”等工艺而制得。酒精含量小于24％(V/V)的饮料酒，主要是啤酒、果酒、黄酒、乳酒和低度白酒等5类。2019/8/16172.2.1用于啤酒酿造：主发酵阶段，啤酒酵母在充02冷却麦芽汁中行有氧呼吸，可发酵糖类进入TCA循环彻底分解为H2O和CO2并放大量热量，菌体细胞大量增殖；后发酵阶段，当酵母增殖到一定程度，即进行厌氧发酵，可发酵糖类经EMP途径被发酵产生乙醇、CO2和少量热量。啤酒发酵是多种酶参与的复杂生化反应过程，只有95％～96％可发酵性糖生成乙醇与CO2；其余的2.0％～2.5％用于合成酵母新细胞；另有1.5～2.5％糖类转化成高级醇、有机酸、酯类、双乙酰、醛类、含硫化合物等副产物，给啤酒带来生涩与不成熟的风味。2019/8/16182.2.2用于葡萄酒酿造：葡萄汁中的果糖和蔗糖被葡萄酒酵母酒化酶系经EMP途径发酵生成乙醇和CO2，其中蔗糖先被葡萄酒酵母的蔗糖转化酶分解为葡萄糖和果糖，再进入EMP途径发酵。葡萄酒酵母的氧化酶可促进葡萄酒的氧化作用（老熟陈化和色素沉淀等）。2019/8/16192.2.3用于黄酒酿造：以糯米（或籼米、粳米、黍米、玉米）为主要原料，利用麦曲（或米曲、红曲）为糖化剂，酒药为糖化发酵剂，进行多菌种混合自然发酵酿造而成的酒精含量为12％～18％（V/V）的饮料酒。它包括淋饭酒、摊饭酒和喂饭酒。新工艺黄酒，则是在上述传统工艺的础上利用纯种麦曲（黄曲霉或米曲霉）为糖化剂，纯种酒母为发酵剂，以纯种发酵取代自然发酵。①麦曲：以破碎的全小麦为原料，主要培殖曲霉（黄曲霉或米曲霉为主，少量黑曲霉、灰绿曲霉、青霉），其次含有根霉和毛霉，还有少量酵母等微生物，作为酿造黄酒的糖化剂。2019/8/1620黄曲霉产生液化型淀粉酶（分解淀粉产生糊精、麦芽糖和葡萄糖）和蛋白酶（分解蛋白质产生多肽、低肽和氨基酸）,由这些代谢产物相互作用产生的色泽、香味等赋予黄酒独特风味并为酵母提供营养物质。传统麦曲采用自然培养，现代用人工接种黄曲霉，如As3.800和苏16号。黑曲霉主要产生糖化型淀粉酶，可将淀粉水解为葡萄糖，常用的黑曲霉有As3.4390（俗称UV－11）和As3.758。实际生产中，在黄曲霉制作的麦曲中添加少量纯种黑曲霉麸曲或商品黑曲霉糖化酶，以减少麦曲用量，提高糖化效果。2019/8/1621②酒药：为小曲中的一个种类，又称药曲。是以籼米粉、米糠为原料，加入少量中草药（辣蓼草粉末）主要培殖根霉、毛霉和酵母菌，少量细菌，作为制备淋饭酒母或以淋饭法酿造甜黄酒的糖化发酵剂。根霉产生糖化型淀粉酶，可将淀粉水解为葡萄糖，还产生乳酸、琥珀酸、延胡索酸等有机酸酶系，降低基质pH抑杂菌生长，并使酒体醇厚、口味丰满。传统小曲用自然培菌法，现在用纯种根霉，常用的有Ｑ303、As3.851、3.852、3.866、3.867和3.868等。2019/8/1622常用的黄酒酵母有：732号、501号、醇2号、As2.1392、Ｍ－82、ＡＹ等，尤以前3种从淋饭酒醅中分离：含有酒化酶系，赋予黄酒酒香和酯香，并具繁殖快、发酵力强、产酸低、耐酸、耐高浓度酒精、对杂菌污染抵抗力强等。酒药中的毛霉产生液化型淀粉酶和蛋白酶，分解淀粉和蛋白质产生葡萄糖和氨基酸，为酵母菌生长提供营养物。2019/8/1623③乌衣红曲：是以籼米为原料，主要培殖红曲霉、黑曲霉、酵母菌，作为酿造黄酒的糖化发酵剂。红曲霉分泌红色素或黄色素，产生糖化型淀粉酶和蛋白酶，并产生柠檬酸、琥珀酸、乙醇。耐酸，最适pH3.5～5.0，耐受最低pH2.5，耐10％酒精。常用的红曲霉有：As3.555、As3.920、As3.972、As3.976、As3.986等(2008.3.24止)2019/8/16242.2.4用于白酒酿造：是以含淀粉或可发酵糖等的物质为原料，利用大曲、小曲、麸曲和纯种酒母作为糖化发酵剂，经糖化、发酵、蒸馏酿制而成的蒸馏酒。酒体呈无色或微黄，澄清透明，具有独特的芳香和风味，含酒精度41％～65％（体积分）为高度白酒，40％（体积分）以下为低度白酒。2019/8/1625大曲、小曲、麸曲的主要微生菌群及其作用：①大曲是以全小麦为原料，或以小麦︰大麦︰豌豆＝7︰2︰1或5︰4︰1制成混合原料，经自然接种培养而制成的大砖块形的酒曲。大曲中的微生物主要是曲霉，其次是根霉、毛霉和酵母菌，及少量细菌，为大曲酒的糖化发酵剂。曲霉和根霉是主要的糖化菌种，其中黑曲霉的糖化力较高；米曲霉和黄曲霉的糖化力较低，但液化力和蛋白分解力较强；根霉和红曲霉产生糖化酶和有机酸；毛霉产生淀粉酶和蛋白酶。2019/8/1626大曲中含有产酒精力高的啤酒酵母和产酯生香能力高的产酯酵母菌。大曲中的细菌主要有：乳酸杆菌、醋酸杆菌、嗜热芽孢杆菌（如高温枯草芽孢杆菌）等，前两种存在于清香（汾香）型和浓香（窖香）型白酒大曲中，后一种存在于酱香（茅香）型白酒大曲中。大曲具有的液化力、糖化力、蛋白质分解力、发酵力和产酯力对成品大曲酒的香型、风格具重要作用。2019/8/1627②小曲：是以大米粉为原料，以曲种接种，主要繁殖根霉、毛霉和酵母菌，少量细菌，作为半固态法生产小曲酒的糖化发酵剂。其糖化菌主要是根霉，其次是毛霉和梨头霉。酵母菌有啤酒酵母和产酯酵母。还有乳酸菌和醋酸菌。2019/8/1628③麸曲：是以麸皮为主要原料，20％～30％鲜酒糟和稻壳为辅料，经接种纯曲霉菌种扩大培养而成，作为固态发酵法生产麸曲白酒的糖化剂。麸曲白酒生产中先后采用了黄曲霉和黑曲霉As3.4309作糖化菌种，或在黑曲基础上配入少量的黄曲（＜30％）。近年来，利用黑曲霉、根霉、红曲霉和拟内孢霉为糖化剂，配以啤酒酵母、产酯酵母和己酸菌等酿制白酒，使麸曲白酒和大曲白酒的风味接近。麸曲也可用于酒精和黄酒的生产。2019/8/16292.3用于谷氨酸发酵（味精生产）：葡萄糖经EMP途径（为主）和HMP途径（为辅）生成丙酮酸，丙酮酸进一步生成乙酰辅酶Ａ，而后进入TCA循环生成α-酮戊二酸，后者在谷氨酸脱氢酶作用下，在NH4+存在时，被还原氨基化生成谷氨酸。谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶活力强，有利于α-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸；而α-酮戊二酸脱氢酶活力微弱或丧失，使α-酮戊二酸不能继续氧化；脲酶活性强，能将发酵时流加的尿素分解为NH3和CO2，产生的NH3或流加的氨水可作为合成菌体蛋白质的氮源与合成谷氨酸的原料。2019/8/1630目前我国谷氨酸生产常用菌株有：C.pekinenesisn）As１.299、钝齿捧杆菌（C.crenatum）As1.542、天津棒杆菌Ｔ6－13、黄色短杆菌As1.582（No617）和As1.631等。谷氨酸是菌体异常代谢产物，只有菌体正常代谢失调时才积累谷氨酸，并在生物素限量时，因细胞膜的渗透性改变而使谷氨酸容易漏出。理论上，由葡萄糖生成谷氨酸的转化率为81.7％，但实际为40％～50％。因部分葡萄糖为菌体生长提供碳源和能源，以及产生的微量副产物而被消耗掉。2019/8/16312.4用于乳制品的发酵：2.4.1常用菌种：①乳酸细菌：乳酸乳球菌、乳酸