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贵州大学酿酒与食品工程学院作业（论文）题目：发酵工程在食品工业中的应用课程名称：食品高新技术任课教师姓名：朱秋劲研究生姓名：宋小娟学号：2013021205年级：2013级专业：食品科学任课教师评分：评阅意见：任课教师签名：年月日发酵工程及其在食品工业上的应用摘要：随着生物技术的不断发展，发酵工程作为食品生物技术中的一个分支，在食品加工过程中起着至关重要的作用，现代发酵工程结合基因工程、细胞工程等生产出许多种天然的食品，如：单细胞蛋白，黄原胶，细胞色素等，这一技术为食品加工业提供了一条健康发展道路。关键词：现代发酵工程；发酵类型；食品加工FermentationengineeringanditsapplicationinfoodindustryAbstract:withthecontinuousdevelopmentofbiotechnology,fermentationengineeringasabranchoffoodbiotechnology,foodprocessing,playsanimportantroleintheprocessofmodernfermentationengineeringcombinedwithgeneticengineering,cellengineeringandsoontoproducemanykindsofnaturalfood,suchas:singlecellprotein,xanthangum,cytochrome,etc.,thetechnologyforfoodprocessingprovidesahealthydevelopmentroad.Keywords:modernfermentationengineering;Thefermentationtype;Foodprocessing发酵工程也叫微生物工程，是利用微生物的生长和代谢活动，通过现代化工技术来生产各种有用物质的一种技术。发酵工程的内容随着生物技术的发展不断扩大和充实。现代的发酵工程结合了基因工程、细胞工程、分子修饰和改造等新技术，不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用[1]。发酵工程是一个由实践科学组成的一种生产手段，早已广泛的应用于我们的生活中。就现阶段发酵工程的发展而言，它已经历了“农产手加工”、“近代发酵工程”、“现代发酵工程”这3个阶段。1微生物发酵工程的原理发酵工程分为菌种、发酵和提炼等三个阶段。发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上，生物学原理是发现发酵工程最基本的原理。发酵原理的核心内容是微生物复杂系统运行的自然规律（即微生物生命活动的三个基本假说）[2]。细胞经济假说（生命活动的法则，控制）揭示细胞经济的运行原理，它们体现了细胞代谢活动的自主性。以面包制作过程中的发酵过程为例谈谈发酵原理。面包在制作的过程中首先需要面团的发酵，促进面团体积的膨胀。面团发酵的过程是一系列物理、化学变化的过程，发酵所产生的气体均匀分布在面团中；在各种生物酶的作用下，面团中的双糖和多糖转化成糖，在适宜的温度、水分、pH值以及必要的矿物元素环境下，酵母直接利用单糖进行新陈代谢，酵母发酵的过程伴随产生的各种复杂化学芳香物质。2发酵工程特点微生物发酵技术具有以下特点[3]：（1）发酵过程以生命体的自动调节方式进行，数十个反应过程能够在发酵设备中一次完成，也可在同一发酵设备生产多种发酵产品；（2）反应通常在常温常压下进行，条件温和，能耗少，设备简单；（3）原料通常以农副产品（糖蜜、淀粉）、工业废水或可再生资源（如植物秸秆、木屑等）等为主，利于综合利用；（4）能高度选择地在复杂化合物的特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应，容易产生复杂的高分子化合物；（5）产物专一，副反应少，污染小，是较为环保的工业生产方式。3微生物发酵过程分类3.1根据微生物种类不同，微生物发酵过程可以分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类[4]。（1）好氧性发酵在发酵过程中需要不断地通入一定量的无菌空气，如利用黑曲霉进行的柠檬酸发酵，利用棒状杆菌进行的谷氨酸发酵等。（2）厌氧性发酵在发酵时不需要供给空气，如乳酸杆菌引起的乳酸发酵，梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等。此外，酵母菌是兼性厌氧微生物，它在缺氧条件下进行厌氧性发酵积累酒精，而在有氧即通气条件下则进行好氧性发酵，大量繁殖菌体细胞，因此称为兼性发酵。3.2根据培养基状态的不同，微生物发酵又可分为固体发酵和液体发酵；按照发酵设备来分，可分为敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵[5]。3.2.1固体发酵某些微生物生长需水很少，可利用疏松而含有必须营养物的固体培养基进行发酵生产，称为固体发酵。许多调味品的生产，如我国传统的酿酒、制酱及大豆发酵食品等的生产均为固体发酵。另外，固体发酵还利用与蘑菇的生产，奶酪和泡菜的制作等。固体发酵一般是开发式的，因而不是纯培养，无菌要求不高，它的一般过程为：将原料预加工后再经蒸煮灭菌，然后制成含一定水分的固体物料，接入预先培养好的菌种进行发酵。发酵成熟后要适时出料，并进行适当处理，或进行产物的提取。固体发酵所需设备简单，操作容易，所用原料多为来源丰富的工农业副产品，如麸皮、薯粉、大豆饼粉、高梁、玉米粉等，因此，至今仍在某些产品的生产上不同程度地沿用，但这种方式有许多缺点，如劳动强度大，不便于机械化操作，微生物品种少，生长慢，产品有限等。3.2.2液体发酵液体深层发酵法是指在液体培养基内部进行的微生物培养过程。液体深层发酵是在青霉素等抗生素的生产中发展起来的技术。根据操作方式的不同，液体深层发酵主要有分批发酵、连续发酵和补料分批发酵三种类型。（1）分批发酵培养基和菌种一次加入进行培养，与外部没有物料交换。其全过程包括空罐灭菌、加入灭过菌的培养基、接种、发酵过程、放罐和洗罐，所需时间的总和为一个发酵周期。分批发酵是最常用的发酵方法，广泛用于多种发酵过程，传统的生物产品发酵多用此过程。它除了控制温度和pH值及通气以外，不进行任何其他控制，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则有明显改变，发酵初期营养过多，可能抑制微生物的生长，而发酵的中后期又可能因为营养物减少而降低培养效率。从细胞的增值来说，初期细胞浓度低，增长慢，后期细胞浓度虽高，但营养物浓度过低也生长不快，总的生产能力不是很高。（2）连续发酵所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有效地延长分批培养中的对数期。在稳定的状态下，微生物所处的环境条件，如培养基浓度、产物浓度、pH值等都能保持相对恒定，微生物细胞的浓度及其生长速率也可维持不变，甚至还可以根据需要来调节生长速度。与分批发酵相比，连续发酵具有以下优点：a.可以维持稳定的操作条件，有利于微生物的生长代谢，从而使产率和产品质量也相应保持稳定；b.能够更有效实现机械化和自动化，降低劳动强度，减少操作人员与病原微生物和毒性产物接触的机会；c.减少设备清洗、准备和灭菌等非生产占用时间，提高设备利用率，节省劳动力和工时；d.由于灭菌次数减少，使测量仪器探头的寿命延长；e.容易对过程进行优化，有效提高发酵产率。（3）补料分批发酵补料分批发酵又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物料的培养技术。通过向培养系统中补充物料，可以使培养液中的营养物浓度较长时间地保持在一定范围内，既保证微生物的生长需要，又不会造成不利影响，从而达到提高产率的目的。补料在发酵过程中的应用，是发酵技术上一个划时代的进步。补料技术本身也由少次多量、少量多次，逐步改为流加，近年又实现了流加补料的微机控制。同传统的分批发酵相比，补料分批发酵可以解除营养物质的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应（葡萄糖效应—葡萄糖被快速分解，代谢所积累的产物在抑制所需产物合成的同时也抑制其他一些碳源、氮源的分解利用）；对于好氧发酵，它可以避免在分批发酵中因一次性投入糖过多造成细胞大量生长，耗氧过多，以致通风搅拌设备不能匹配的状况；它还可以在某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率。在真菌培养中，菌丝的减少可以降低发酵液的黏度，便于物料输送及后处理。与连续发酵相比，它不会产生菌种老化和变异问题，其适用范围也比连续发酵广。4发酵设备生物反应器是利用生物催化剂为微生物发酵或酶反应提供良好的反应环境的设备，通常称为发酵罐[6]。分别是：机械搅拌式发酵罐、通风搅拌式发酵罐和厌氧发酵设备。5发酵工程在食品工业中的应用发酵工程除了应用于传统的酿酒和调味品德生产外，抗生素的发现和大规模深层培养技术的问世，赋予了微生物发酵技术新的生命力。发酵工程产品的品种不断增加，如单细胞蛋白、食品胶、天然色素、功能性不饱和脂肪酸等多种食品添加剂和保健食品功能性基料。5.1单细胞蛋白的发酵生产单细胞蛋白（SCP）有的可直接供人们食用，有的可作家畜、家禽的饲料。因其富含蛋白质、风味温和、容易储存等特点，可代替传统的蛋白质添加剂，如鱼粉、豆粉等。从酵母或细菌等微生物体获取的单细胞蛋白含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂类、微生素以及矿物质，营养价值高。除了作饲料外，还可以作为营养强化剂添加到食品中。赵彩艳[7]采用豆腐渣为主要原料，接种酵母菌量为14%，发酵温度30℃，发酵周期72h，该条件下发酵终产物粗蛋白含量为40.43%。毕荣宇等[8]利用毕赤酵母作为出发菌株，利用玉米粉和豆粕作为碳源和氮源生产单细胞蛋白。张琴[9]利用棉秆，青霉接种量为10%，发酵53h，得到单细胞蛋白含量的评均值为25.38%。朱将伟等[10]利用枯草芽孢杆菌与产朊假丝酵母作为发酵菌种，以稻草秸秆为原料，采用混合发酵方式生产单细胞蛋白，并对混合发酵的条件进行了优化，最终产物中的蛋白含量可达约24.5%。5.2食品胶的发酵生产近年来，利用发酵法生产微生物多糖如黄原胶、结冷胶、茁霉多糖等不断发展，这些新型的食品胶以其安全、无毒、功能独特等优良特性广泛应用于食品工业中作为增稠剂、稳定剂、乳化剂和品质改良剂。5.2.1黄原胶黄原胶是黄单孢杆菌发酵产生的细胞外杂多糖。黄原胶在食品工业中作为：胶凝剂、稳定剂、保鲜剂和持水剂等。王桂兰[11]采用廉价易得的培养基，首次在黄原胶发酵中添加表面活性剂和植物油，显著提高了黄原胶的产量，首次将黄原胶进行精制，并使各项参数达到注射用原料药的标准。何海燕等[12]在发酵温度28℃，接种量10%,pH7.5,发酵96h，产生的黄原胶产量达35.28g/L。5.2.2结冷胶结冷胶是美国Kelco公司开发的一种新型微生物多糖，其胶凝性能比黄原胶更为优越，如凝胶形成能力强、透明度高、最佳的风味释放、稳定性强、不需加热或稍微加热即可形成凝胶等，而且形成凝胶的温度和速度可根据需要在一定范围内变动。5.2.3热凝胶热凝胶是由TokuyaHarada教授于1966年发现的一种微生物多糖。随着对其结构、流变性质、物化性质、功能、应用等方面的研究不断深入，其独特的理化性质引起人们的广泛兴趣。热凝胶可以用作添加剂以提高各种食品的质量，由于不含生理热量，因此可以作为低能量食品的组份而得到广泛应用。近年来，用热凝胶制取得支链型β-D-（1,3）-葡聚糖具有较高的抗肿瘤特性。而且，近年来研究发现热凝胶的硫酸酯及其支链衍生物具有很强的抗艾滋病毒（HIV）活性。5.3发酵法生产食用色素食用色素是一类重要的食品添加剂。微生物发酵法生产天然色素既避免了化学合成色素造成的潜在危险，又克服了从植物中提取色素受气候和土地等影响的弊端，具有产量高、成本低、使用安全等特点。5.3.1发酵法生产黄曲黄色素ThiyamGeneral等[13]利用日本的一种海带（Saccharinajaponica）作为固体发酵的底物，在不加盐和氮源的条件下用黄丝曲霉属的真菌GT11进行固体发酵，pH7.0，相对湿度80%，接种量1.8*106ml/g，28℃下发酵192h，能产生510nm条件下吸光度