第十四章+食品微生物与发酵

食品工程与营养科学学院食品科学概论第十四章食品微生物与发酵第一节食品微生物概述第二节发酵技术第三节发酵产品及生产工艺精品课程食品科学概论第一节食品微生物概述一、微生物的分类与鉴定微生物的分类单位，依次为界（Kingdom）、门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、种(Species)，其中种是最基本的分类单位。在两个主要分类单位之间，还可分为亚门、亚纲、亚目等。在种以下还可细分为亚种、变种、型、菌株等。微生物的分类单位精品课程食品科学概论微生物的命名法则微生物的命名法则普遍采用瑞典植物学家林奈氏(Linnaeus)于1753年创立的双名法。它是用两个拉丁词或希腊词组成一个学名，前面一个是属名，通常是描述生物形态的名词或发现该生物的人名，该字第一个字母应大写；后一个是种名，表示该生物的某种特征，字母一律小写，印刷时学名须斜体。当出现同物异名或同名异物时，为避免混乱通常在正式的拉丁名后还要附上定名人姓名及命名年份。精品课程食品科学概论微生物的分类系统细菌的分类系统目前比较有代表性的和有参考价值的分类系统有三个：一个是苏联的克拉西里尼科夫编著的《细菌和放线菌的鉴定》，一个是法国的普雷沃编著的《细菌分类学》，第三个是美国布瑞德等人主持编著的《伯杰氏鉴定细菌学手册》。其中以《伯杰氏鉴定细菌学手册》一书最有影响。放线菌的分类系统放线菌目前应用较广泛的分类系统主要有两个：一个是苏联的克拉西里尼科夫的分类系统，另一个是美国的瓦克斯曼的分类系统。精品课程食品科学概论真菌的分类系统在真菌分类方面，近年来趋向于采用Ainsworth的分类系统。该分类系统认为真菌不属于低等植物，而是属于单独成立的真菌界。界以下分为粘菌门和真菌门。在国内，中国科学院微生物研究所新编著的《常见与常用真菌》一书最具代表性。精品课程食品科学概论微生物的鉴定方法微生物的分类鉴定方法通常可分成四个不同水平：①细胞形态和习性水平，②细胞组分水平，③蛋白质水平，④核酸水平，随着科技日新月异的发展，在化学分类学和数值分类学等的基础上，许多高新技术也逐渐应用于微生物的分类鉴定。精品课程食品科学概论二、微生物的营养微生物的营养需要与营养类型微生物的营养需要营养是指生物体从外部环境中摄取必需的能量和物质，以满足自身生理需要的必要生物学过程。营养物则是微生物所需要的、具有营养功能的物质，在微生物学中，它还包括非常规物质形式的光辐射在内。微生物的营养物包括六大营养要素：碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。精品课程食品科学概论微生物的营养类型微生物的营养类型也就是微生物需求的营养范围，实质上是微生物的代谢类型。不同种类的微生物，有着不同的酶系统，要求不同类型的营养物质，进行着不同类型的物质代谢。微生物的营养类型依据碳源和能源可分为两类，即自养型和异养型。精品课程食品科学概论微生物的培养类型液体批量培养：在液体培养基中培养，培养过程中不需要加入新的培养基。琼脂斜面培养：在试管或小瓶中装入约5mL固体培养基(如营养琼脂)熔化后摆成斜面冷却。将接种物涂布到斜面或用接种环在斜面上划线。穿刺培养：将含琼脂或明胶培养基的试管或瓶子垂直放置，使培养基凝固，用接种针挑取少量接种物垂直穿入至容器的中部。半固体培养：菌株所生长的培养基含有足够的琼脂(0.02%～0.3%)使其有一定的黏度，但却没有完全固化。振荡培养：使用含固体培养基的试管或瓶子。培养基熔化后，于45℃保温、接种，在手中充分振荡、转动混匀，垂直放置使之固化。平板培养：①平板划线法，②倾倒平皿法精品课程食品科学概论微生物的培养基培养基是由人工配制的、适合微生物生长繁殖或产生代谢产物用的混合营养料。任何培养基都应具备微生物生长所需的六大营养素，且其间的比例合适。培养基按成分可分为天然培养基、组合培养基和半组合培养基；按外观的物理状态可分为液体培养基、固体培养基、半固体培养基和脱水培养基；根据培养基对微生物的功能分为基础培养基、加富培养基、选择性培养基、鉴别性培养基。精品课程食品科学概论三、微生物的代谢与调节微生物的呼吸作用微生物的呼吸作用，是在细胞内酶的催化下，氧化基质，释放能量的过程，即生物氧化作用。在呼吸过程中，凡以氧为受氢体，必须在有氧条件下生长繁殖的微生物，称为需氧性微生物(或好气性微生物)；凡以无机氧化物作为最终电子受体必须在无氧条件下生长繁殖的微生物，称为厌氧性微生物。在有氧和无氧条件下都能生长繁殖的微生物，称为兼性厌氧性微生物。微生物的呼吸作用可根据最终电子受体的性质，分为有氧呼吸作用、无氧呼吸作用和发酵作用。精品课程食品科学概论微生物无氧酵解的类型微生物在无氧条件下对葡萄糖的降解：葡萄糖经1,6-二磷酸果糖降解为丙酮酸，这是大多数厌氧菌和兼性厌氧微生物进行葡萄糖无氧分解的共同途径。丙酮酸以后，不同种类的微生物有不同发酵类型，形成不同的发酵产物。其发酵类型有：酒精发酵，同型乳酸发酵，丁酸发酵，丙酸发酵，混合酸发酵等。精品课程食品科学概论微生物酶在我国，微生物酶用于食品生产历史十分悠久，如：酒的酿造，豆腐乳、豆豉、酸菜等的制造。微生物酶工业生产的基本工艺包括菌种培养、菌种扩大培养、种子罐扩大培养、生产培养以及酶的抽提、纯化、浓缩、沉淀回收、干燥、粉碎、稳定、检测、成品。由于微生物酶的存在部位不同，有胞外酶和胞内酶之分。精品课程食品科学概论碳水化合物的分解代谢各种多糖首先被相应的胞外酶(如淀粉酶、纤维素酶等)水解成双糖或单糖。双糖的分解一般是在细胞内发生的，有两种方式：一种是双糖被相应的水解酶分解成单糖，另一种是在相应的磷酸解酶的作用下，加磷酸分解。碳水化合物的合成代谢少数微生物能将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2的固定作用，或CO2的同化。①自养型微生物：自养菌可通过磷酸核酮糖环或乙酰CoA环将CO2同化成碳水化合物。②异养型微生物：异养菌则利用有机物(如丙酮酸及其衍生物、α-酮戊二酸等)、CO2等共同进行CO2的固定。碳水化合物的代谢精品课程食品科学概论蛋白质与氨基酸的分解代谢蛋白质是大分子化合物，不能直接进入细胞，必须在细胞外被蛋白酶和肽酶分解成氨基酸后才能被微生物利用。氨基酸的降解有脱氨和脱羧两种基本方式，分别被脱氨酶和脱羧酶所催化。当培养基的pH值偏碱时，进行脱氨作用，偏酸时进行脱羧作用。脱氨作用主要有：氧化脱氨、水解脱氨、还原脱氨、直接脱氨和Stickland反应等五种。蛋白质与氨基酸的代谢精品课程食品科学概论蛋白质与氨基酸的合成代谢蛋白质的合成：蛋白质的生物合成，是由该生物的DNA决定的，即先以DNA为模板合成mRNA(此过程称为转录)，再以mRNA为模板合成蛋白质(此过程称为翻译)。翻译过程是在核蛋白体上进行的。氨基酸的合成：微生物通过固氮作用，或硝酸还原作用所生成的NH3，或直接吸收外界的NH3，以及含氨化合物分解释放的氨，都可以用来使酮酸氨基化，形成相应的氨基酸。这些酮酸主要是三羧酸循环的中间产物或其他化合物的分解产物。由氨基化所生成的氨基酸常被称为初生氨基酸。初生氨基酸可以合成次生氨基酸。精品课程食品科学概论脂肪的分解代谢脂肪在脂酶的作用下水解成甘油和脂肪酸。甘油可在甘油激酶的催化下与ATP形成磷酸甘油，然后经EMP途径或HMP途径进一步氧化。脂肪酸是在辅酶A的参与下经一系列脂肪酰酶的作用逐步形成许多乙酰辅酶A。乙酰辅酶A可进入TCA循环彻底氧化成CO2和H2O，也可进入乙醛酸环，合成糖类。精品课程食品科学概论脂肪的合成代谢脂肪酸的合成:偶数碳原子的长链脂肪酸是通过丙二酰CoA途径合成的，这一途径由一系列反应组成，将C2单位连续加到乙酰CoA上。脂肪和磷脂的合成:微生物合成甘油三酯(即脂肪)的途径中，磷脂酸处于关键地位，由磷脂酸再转化成其他磷脂和脂肪。磷脂酸的生成有三种方式：a.由3-磷酸甘油酸与脂酰CoA反应生成；b.由甘油二酯经磷酸化生成；c.由甘油一酯经ATP磷酸化后，再与脂酰CoA结合而成。精品课程食品科学概论微生物在其整个生命活动过程中，约有上千种酶参与各种代谢。这些酶非常严密地根据外界环境条件而变化，尽可能地满足微生物细胞生命活动的需要，他们调节和控制着细胞内的各个代谢环节，顽强地维持着细胞的生长繁殖。微生物的各种代谢及其代谢物质，是由酶控制的，而微生物细胞内的酶又是由染色体上的基因控制的。这样形成了基因决定酶，酶决定代谢。反过来，代谢产物又可以反馈调节酶和基因的活动。微生物代谢的调节与控制精品课程食品科学概论第二节发酵技术一、分批发酵分批发酵在准封闭式系统内进行，种子接种到培养基后除气体流通外，发酵液始终留在生物反应器内。分批发酵过程一般粗分为四个阶段：停滞期(适应期)、对数(指数)生长期、静止期(稳定)期和死亡期；也可细分为六个时期：停滞期、加速期、对数期、减速期、静止期和死亡期。精品课程食品科学概论二、补料-分批发酵补料-分批发酵是在分批发酵过程中补入新鲜料液以克服由于养分不足导致发酵过早结束。由于只有料液的输入，没有输出，因此发酵液的体积在增加。补料-分批发酵的优点在于它能在这样一种系统中维持很低的基质浓度，从而避免快速利用碳源的阻遏效应和能够按设备的通气能力去维持适当的发酵条件，并且能减缓代谢有害物的不利影响。精品课程食品科学概论三、半连续发酵在补料-分批发酵的基础上加上间歇放掉部分发酵液(行业中称为带放)便可称为半连续发酵。带放是指放掉的发酵液和其他正常放罐的发酵液一起送入提炼工段。这是考虑到补料-分批发酵虽可通过补料补充养分或前体的不足，但由于有害代谢物的不断积累，产物合成最终难免受到阻遏。放掉部分发酵液，再补入适当料液不仅补充养分和前体而且代谢有害物被稀释，从而有利于产物的继续合成。精品课程食品科学概论四、连续发酵连续培养是发酵过程中一面补入新鲜的料液，一面以相近的流速放料，维持发酵液原来的体积。连续发酵达到稳态时放掉发酵液中的细胞量等于生成细胞量。细胞生长将导致基质浓度下降，直到残留基质浓度等于基质浓度。如基质浓度消耗到低于能支持相关生长速率的水平，细胞的丢失速率将大于生成的速率，这样稳态残留基质浓度将会提高，导致生长速率的增加，平衡又恢复。连续培养系统又称为恒化器。精品课程食品科学概论精品课程食品科学概论五、影响发酵的因素及其控制培养基的成分对微生物发酵产物的形成有很大的影响。每一种代谢产物有其最适的培养基配比和生产条件。培养基中的碳原浓度相当重要，若超过5%，细菌的生长因细胞脱水而开始下降；氮源的过度积累也不利于产物的形成；大多数矿物盐，尤其是磷酸盐阻遏几种次级代谢物的合成；营养因子能促进产物的合成。培养基精品课程食品科学概论灭菌情况培养基的灭菌情况对不同品种的发酵产生的影响是不一样的。一般随灭菌温度的升高，时间的延长，对养分的破坏作用增大，从而影响产物的合成，特别是葡萄糖不宜同其他养分一起灭菌。精品课程食品科学概论发酵期间菌种生长的快慢和产物合成的多寡在很大程度上取决于种子的质和量。接种菌龄是指种子罐中的培养物开始移种到下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。一般接种菌龄以对数生长期的后期，即培养液中菌浓度接近高峰时所需的时间较为适宜。不同品种或同一品种不同工艺条件的发酵，其接种菌龄也不尽相同。一般最适的接种菌龄要经多次试验，根据其最终发酵结果而定。接种量是指移种的种子液体积和发酵液体积之比。一般发酵常用的接种量为5%～10%。种子质量精品课程食品科学概论一般发酵温度升高，酶反应速率增大，生长代谢加快，生产期提前。但酶本身很容易因过热而失去活性，表现在菌体容易衰老，发酵周期缩短，影响最终产量。温度除了直接影响各种反应速率外，还通过改变发酵液的物理性质，影响生物合成的方向。不同菌种和培养条件以及不同的酶反应和生长阶段，最适温度是不同的。温度的选择还应参考其他发酵条件，灵活掌握。温度精品课程食品科学概论pH值pH是微生物生长和产物合成的非常重要的状态参数，是代谢活动的综合指标。pH值的变化会影响各种酶活、菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影响菌的生长和产物的合成。pH还会影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜