发酵工程原理及其在食品工业中的应用

发酵工程原理及其在食发酵工程原理及其在食品工业中的应用品工业中的应用第一节第一节概述概述发酵发酵：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其初级代谢产物、次级代谢产物制备微生物菌体本身，或其初级代谢产物、次级代谢产物的过程的过程。。发酵工程发酵工程：也称微生物工程。利用微生物生长速度快、：也称微生物工程。利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，最大限度地发挥微生物的某种通过现代化工程技术手段，最大限度地发挥微生物的某种特定功能，以生产出人类所需的产品。特定功能，以生产出人类所需的产品。一、发酵工程的定义一、发酵工程的定义生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物（一）发酵工程主要研究对象（一）发酵工程主要研究对象1.1.大规模微生物细胞培养过程；大规模微生物细胞培养过程；2.2.大规模培养基灭菌和空气灭菌过程；大规模培养基灭菌和空气灭菌过程；3.3.微生物细胞生长和产物形成动力学；微生物细胞生长和产物形成动力学；4.4.发酵过程的优化；发酵过程的优化；5.5.生物反应器的放大和设计；生物反应器的放大和设计；6.6.发酵过程的参数监控和计算机应用；发酵过程的参数监控和计算机应用；7.7.发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物（二）发酵工程产品类型（二）发酵工程产品类型1.1.以菌体为产品。以菌体为产品。((酵母菌、单细胞蛋白酵母菌、单细胞蛋白))2.2.以微生物的酶为产品。（碱性蛋白酶、淀粉酶）以微生物的酶为产品。（碱性蛋白酶、淀粉酶）3.3.以微生物的代谢产物为产品。（氨基酸、脂类）以微生物的代谢产物为产品。（氨基酸、脂类）4.4.利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改造，即产品的转化过程。（醋的酿造）造，即产品的转化过程。（醋的酿造）生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物二、发酵工程的发展简史二、发酵工程的发展简史（一）天然发酵阶段（一）天然发酵阶段主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数产品为厌氧发酵、非纯种培养、凭经验传授技术和产品产品为厌氧发酵、非纯种培养、凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。质量不稳定是这个阶段的特点。（二）纯培养技术的建立（二）纯培养技术的建立纯培养技术纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。期。（三）通气搅拌发酵技术的建立（三）通气搅拌发酵技术的建立通气搅拌发酵技术通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业上的第二个转的建立是发酵工业上的第二个转折点。折点。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物（四）代谢控制发酵技术（四）代谢控制发酵技术由氨基酸发酵而开始的代谢控制发酵，使发酵工业由氨基酸发酵而开始的代谢控制发酵，使发酵工业进入一个新的阶段。随后，核苷酸、酶制剂以及有机酸进入一个新的阶段。随后，核苷酸、酶制剂以及有机酸等方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。等方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。（五）开拓发酵原料时期（五）开拓发酵原料时期石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷等碳氢石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料。化合物被用来作为发酵原料。（六）基因工程阶段（六）基因工程阶段使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物，如胰岛素、干扰素、白介素和多细胞生长因子产物，如胰岛素、干扰素、白介素和多细胞生长因子等，大大地拓宽了发酵工业的范围，使发酵工业发生了等，大大地拓宽了发酵工业的范围，使发酵工业发生了革命性变化。革命性变化。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物三、发酵工艺及方法三、发酵工艺及方法（一）固体发酵法（一）固体发酵法利用固体基质，如麸皮、米糠、秸秆等为主要原料，利用固体基质，如麸皮、米糠、秸秆等为主要原料，再根据需要添加其他谷糠、豆饼、无机盐等，加水拌成含再根据需要添加其他谷糠、豆饼、无机盐等，加水拌成含水量适度的半固态物料作为培养基，供微生物的生长繁殖水量适度的半固态物料作为培养基，供微生物的生长繁殖和产生代谢产物。目前利用固体发酵法生产的产品有酒曲、和产生代谢产物。目前利用固体发酵法生产的产品有酒曲、白酒、酱油、食醋、腐乳、酶制剂、食用菌等。白酒、酱油、食醋、腐乳、酶制剂、食用菌等。（二）液体发酵法（二）液体发酵法利用液态培养基，进行微生物的生长繁殖和形成人们利用液态培养基，进行微生物的生长繁殖和形成人们所需要的代谢产物。根据通气（供氧）或不通气及通气方所需要的代谢产物。根据通气（供氧）或不通气及通气方法的不同，又分为法的不同，又分为液体表面发酵法液体表面发酵法、、液体深层通气发酵法液体深层通气发酵法、、液体厌氧发酵法液体厌氧发酵法三种。三种。固体发酵与液体（深层）发酵相比固体发酵与液体（深层）发酵相比，，具有以下优点具有以下优点1.1.固体发酵单位体积的酶产量往往高于液体发酵几倍，固体发酵单位体积的酶产量往往高于液体发酵几倍，甚至几十倍，特别适合真菌酶类和一些次级代谢产物及大型甚至几十倍，特别适合真菌酶类和一些次级代谢产物及大型真菌的生产。真菌的生产。2.2.操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以利用多种其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料或废料进利用多种其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料或废料进行生产。行生产。3.3.固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即可，能耗低。固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即可，能耗低。4.4.固体发酵的产物提取一般步骤少，降低生产成本。有固体发酵的产物提取一般步骤少，降低生产成本。有些产物，如饲料或饲料添加剂，不需要分离步骤，全部发酵些产物，如饲料或饲料添加剂，不需要分离步骤，全部发酵物质可以作为产品。物质可以作为产品。5.5.发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物液体表面发酵法液体表面发酵法又称液体浅盘发酵法或静置培养法，是将已灭菌的又称液体浅盘发酵法或静置培养法，是将已灭菌的液体培养基，接入微生物菌种后，装入可密闭的发酵箱液体培养基，接入微生物菌种后，装入可密闭的发酵箱内盘架上的浅盘中，薄薄一层，液层厚约内盘架上的浅盘中，薄薄一层，液层厚约11～～2cm2cm，，然后然后向盘架间通入无菌空气，通过浅盘内培养基的表面供给向盘架间通入无菌空气，通过浅盘内培养基的表面供给氧气，并维持一定的温度进行发酵。氧气，并维持一定的温度进行发酵。优点优点：无须搅拌，动力消耗省。：无须搅拌，动力消耗省。缺点缺点：控制杂菌污染较难，所需场地较大，劳动强：控制杂菌污染较难，所需场地较大，劳动强度大，生产效率低。度大，生产效率低。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物液体深层通气发酵法液体深层通气发酵法将微生物接入装有无菌液体培养基的封闭发酵罐中进将微生物接入装有无菌液体培养基的封闭发酵罐中进行培养或发酵的技术。行培养或发酵的技术。优点优点：①容易按照生产菌种对代谢营养物以及不同生：①容易按照生产菌种对代谢营养物以及不同生理时期的通风、搅拌、温度和培养基理时期的通风、搅拌、温度和培养基pHpH值等的要求，选择值等的要求，选择最佳培养条件。最佳培养条件。②②产品纯度高，质量也较稳定，还具有机械化程度高、产品纯度高，质量也较稳定，还具有机械化程度高、劳动强度小、设备利用率高等优点。劳动强度小、设备利用率高等优点。缺点缺点：易染菌、无菌操作要求高、设备投资大。：易染菌、无菌操作要求高、设备投资大。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物液体厌氧发酵法液体厌氧发酵法能作大规模液体培养的厌氧菌仅丙酮丁醇梭菌，用能作大规模液体培养的厌氧菌仅丙酮丁醇梭菌，用于丙酮的发酵生产。酒精、啤酒、葡萄酒、酸乳的发酵于丙酮的发酵生产。酒精、啤酒、葡萄酒、酸乳的发酵属于兼性厌氧发酵，菌种培养时需要适量通气，发酵时属于兼性厌氧发酵，菌种培养时需要适量通气，发酵时则不通气。则不通气。优点优点：可省略通气和搅拌设备，简化工艺过程，还：可省略通气和搅拌设备，简化工艺过程，还能大大节约能源的消耗，提高生产效率。能大大节约能源的消耗，提高生产效率。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物四、四、我国发酵工业与先进国家相比，存在的我国发酵工业与先进国家相比，存在的主要差距主要差距1.1.传统发酵产品及产量发展过大过快传统发酵产品及产量发展过大过快酒类、谷氨酸、柠檬酸、普通酶制剂和抗生素等。酒类、谷氨酸、柠檬酸、普通酶制剂和抗生素等。2.2.发酵产品工业产值在国民生产总值中的比例较低发酵产品工业产值在国民生产总值中的比例较低（（1%1%）以下）以下3.3.发酵产品档次低，品种少，不配套。发酵产品档次低，品种少，不配套。4.4.技术创新力度不够，低水平重复现象严重。技术创新力度不够，低水平重复现象严重。生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物菌种能在廉价原料制成的培养基上迅速生长和繁菌种能在廉价原料制成的培养基上迅速生长和繁殖，并且生成所需的代谢产物产量要高。殖，并且生成所需的代谢产物产量要高。2.2.菌种可以在要求不高，易于控制的培养条件下（糖菌种可以在要求不高，易于控制的培养条件下（糖浓度、温度、浓度、温度、pHpH值值、溶解氧和渗透压等）迅速生长和发酵。、溶解氧和渗透压等）迅速生长和发酵。3.3.菌株生长速度和产物生成速度应较快，发酵周期较菌株生长速度和产物生成速度应较快，发酵周期较短。短。第二节第二节食品发酵菌种筛选食品发酵菌种筛选一、一、食品发酵工业对微生物菌种的一般要求食品发酵工业对微生物菌种的一般要求生物秀-专心做生物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区bbs.bbioo.com生物秀-专心做生物根据代谢控制的要求，选择单产高的营养缺陷型突根据代谢控制的要求，选择单产高的营养缺陷型突变菌株、调节突变菌株或野生菌株。变菌株、调节突变菌株或野生菌株。5.5.选择一些不易被噬菌体感染的菌株。选择一些不易被噬菌体感染的菌株。