发酵技术专题复习资料.docx

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发酵技术专题复习资料

发酵及发酵工业

广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。

狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。

发酵工业：

（巴斯德）经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过程叫发酵工业。

如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。

酿造（brewing）：

我国人们对一些特定产品发酵生产的特殊称法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。

酿造工业：

经自然培养、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。

如黄酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。

1836-1837年Larkutzing发现在啤酒的发酵中存在活的生物体，但并未发现发酵与微生物的关系。

发酵是由微生物进行的一种化学变化，不同类型的发酵是由形态可以区别的各种特殊的微生物所引起的。

1870年，Pasteur发现了微生物之间有相互抑制的作用。

即拮抗作用。

其间1804年，法国厨师阿卑特（Appert）发明了瓶装罐头）

科赫的功绩

发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立

证实炭疽病因—炭疽杆菌

发现结核病原菌—结核杆菌

科赫法则

1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。

建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和琼脂平板（1882）

显微镜技术：

包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术。

利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源菌（炭疽、结核、链球、）

1884年提出了科赫法则（Koch’sostulates）：

病原微生物存在与病体而非健康体；可纯培养；纯培养物接种后染病；可重新分离再培养

（JosephLister,1827~1912）首创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以防术后感染，为防腐、消毒，以及无菌操作奠定了基础。

1878年，李斯特分离乳酸链球菌时用注射器和酒杯培养装置

1897年，Buchner（布赫纳）阐明了发酵的化学本质。

即发酵是由酶引起的一类化学反应。

实验：

酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁（应用于医学）+白砂糖（防腐）意外发现发酵这是无生物细胞体系发酵的最初例子。

1928年，Fleming发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。

1940年，Florery和Chain：

碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大……..等相继发现。

1984年达9000多种。

1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起

1956年，Watson和Crick发现DNA双螺旋结构，为微生物遗传学及育种技术的研究带来极大发展。

v1956年，日本的士下祝郎利用发酵法制造出了Glu。

v至今22种氨基酸用发酵法生产，其中18种直接发酵，4种用酶转化法生产。

发酵工业的工程技术发展史

第一个转折点——微生物纯种分离培养技术建立

自然发酵时期：

知其然而不知其所以然，如厌气性——酒类，好气性——醋。

微生物纯种分离培养技术，开创了人为控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。

第二个转折点——通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）

20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接种、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模生产。

第三个转折点——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立

以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。

该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。

第四个转折点——发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立

发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面有了极大发展。

发酵过程的基本参数包括T、Ph、罐压、溶O2、Eh、空气流量、泡沫、CO2含量等均可自动记录和控制。

（在线测试探头等）

第五个转折点——微生物生物合成和化学反应合成相结合工程技术的建立

针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体，用化学合成法得到终产品或反之。

如Amyno法生产酱油。

发酵食品的渊源及其文化内涵

发酵是一门古老而又现代的技术，结合了神秘的传统、古老的文化和变化无穷的生物技术。

文化底蕴深厚、产品形态多种多样、技术手段推陈出新、理论研究和技术创新永无止境。

最早的发酵产品据记载起源与5000BC。

据记载最早的发酵食品应是酒类，通常认为是wine,因为大自然中具备了野生果类和酵母菌，条件适宜情况下即行发酵。

在神话传说中亦有猿猴酿酒之说。

由于自然界中资源的多样性（F、M），便有了多种多样的发酵食品。

4000BC——Beer，至古埃及即出现了麦芽糖化。

5000-6000BC——wine、黄酒、白酒、Cheese

4000BC——Beer，至古埃及即出现了麦芽糖化。

（酱油、调味品）

白酒：

农业社会粮食节余，生霉、发酵、蒸馏而得

古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿造阶段。

即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。

由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。

由于其发酵的机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光大和合理调控。

直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。

难以解决的实际问题

尽管如此，食品发酵与酿造仍然有许多难以解决的实际问题，例如许多工程方面的研究经验还不足，还没有归纳为系统的理论，许多产品的发酵过程中的问题尚难以解决，很多问题有待研究探讨。

丝状真菌的发酵（霉菌、放线菌）：

由于没有完善的理论指导，因而还没有满意的设计和放大方法，而霉菌、放线菌又是发酵工业中占重要地位的菌类。

连续发酵的理论虽然研究很多，但许多生产实际问题仍然未能解决，由于菌种的突变、微生物的复杂性和多样性以及试验工艺条件的不稳定性和局限性等问题，除了酵母、啤酒、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖酸的发酵和活性淀粉的处理采用连续发酵外，大规模生产上极少采用。

发酵与酿造的研究对象

1、按产业部门来分：

◆酿酒工业

◆传统酿造工业

◆有机酸发酵工业

◆酶制剂发酵工业：

淀粉酶中95%以上为霉菌、细菌淀粉酶

◆氨基酸发酵工业

◆功能性食品生产工业：

低聚糖、真菌多糖、红曲等

◆食品添加剂生产工业：

黄原胶、海藻糖

◆菌体制造工业：

单细胞蛋白、酵母等

◆维生素发酵工业：

Vc、VB2、VB12

◆核苷酸发酵工业：

ATP、IMP、GMP

2、按产品性质来分：

v代谢产物发酵：

产品包括初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物。

1、初级代谢产物：

微生物生长不同阶段产生不同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、脂类、糖类等。

2、次级代谢产物：

微生物细胞生长进入稳定期，有些微生物合成的在对数生长期不能合成的、对细胞代谢没有明显意义但具有明显优势的化合物。

v酶制剂发酵：

1894年，日本高峰（Takanin）利用霉菌→高峰淀粉E（胞内或胞外）→E分离提取→E制剂→固定化酶（中国的曲酒可以看成是复合酶制剂的生产）。

v生物转化发酵：

生物转化是指利用生物细胞中的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值化合物的生化反应。

其特点是：

反应特异性强。

如：

LA→CLA

vSCP、藻类、食用菌类（冬虫夏草、蜜环菌、灵芝、茯苓、香菇、云芝）

与化学工业相比，食品发酵与酿造的特点：

安全简单原料广泛反应专一代谢多样易受污染菌种选育

我国发酵食品的工艺特色：

1、采用多种原料，且多以淀粉质原料为主。

2、多菌种混合发酵，且多以霉菌为主的微生物群。

（国外多以细菌、乳酸菌）

3、工艺复杂、多用曲：

董酒生产制的曲用72味中药。

曲（Koji）

4、多为固态发酵：

醅、醪

食品发酵与酿造与现代生物技术的关系

生物技术的四大技术体系之一

发酵技术的两大核心：

生物催化剂（其最有效、稳定、方便的生物催化剂形式是整体生物细胞，目前最广泛采用的是微生物细胞）生物反应系统

现代生物技术即应用生物体（微生物、动物细胞、植物细胞）或其组成部分（细胞器、酶），在最适合条件下，生产有价值的产物，或进行有益过程的技术。

它是一门涉及分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、化学、物理学、工程学的多学科、综合性的科学技术。

生物技术是靠基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大技术体系支撑起来的。

现代发酵技术已超越了微生物工程的范畴。

由此可见，发酵工程（包括酶工程）与细胞工程、基因工程谁也离不开谁，发酵工程（包括酶工程）需要基因工程、细胞工程为他提供最良好的生物细胞（或酶），而基因工程、细胞工程得到的最良好的细胞（或酶）必须要经过发酵工程（包括酶工程）才能实现其价值。

若采用的生物催化剂是酶、休止细胞、死细胞或固定化细胞，则反应系统比较简单，只需考虑温度、PH等容易控制的条件。

若采用的是生物活细胞，则要为该细胞提供最优生长、最优形成产物的可控系统和环境，使温度、pH、通气、搅拌、罐压、溶解氧、二氧化碳含量等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使该生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。

这就充分反映出生化工程是发酵工程转化为生产力必不可少的重要环节。

发酵与酿造工程中常用技术

●微生物技术

制片染色和显微技术、无菌操作技术、纯种分离和培养技术、合成培养基技术、育种技术、深层液态发酵技术、菌种保藏技术

●化学技术

产物分离技术、提取精制技术

食品发酵与酿造发展趋势及研究热点

利用基因工程技术有选择地创造物种（新型微生物资源）。

固定化酶和固定化细胞的生产和应用。

生物传感器的研究与设计，发展发酵与酿造的过程控制技术。

生物代谢产物的分离提取和纯化技术

大规模的连续发酵工艺的建设和优化。

\1972年，美国Berg和Jackson等人将猿猴病毒基因组SV40DNA、λ噬菌体的Gene及Ecoli半乳糖探纵子在体外重组获得成功。

人们的第一反应是禁止。

（可能为自然界创造一个不可预知的危险物种，导致人类灭顶之灾。

）

\安全可靠性（分子医学：

基因治疗免疫缺陷症1990，1991人类基因组）

现代发酵工程与发酵工业

发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微生物学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。

现代发酵工程不但生产酒精类饮料、醋酸和面包，而且生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，在化学工业上生产氨基酸、香料、生物高分子、酶以及维生素和单细胞蛋白等。

发酵工程

主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术

（1）有严格的无菌生长环境：

包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；

在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；

（2）在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；

（3）种子培养和生产培养的不同的工艺技术。

（4）在进行任何大规模工业发酵前，必须在实验室规模的小发酵罐进行大量