食品发酵与酿造工艺学基础复习题.docx
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食品发酵与酿造工艺学基础复习题
食品发酵与酿造工艺学基础复习题
1、什么叫初级代谢和次级代谢？
答：
初级代谢：
微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程称为初级代谢。
常见的初级代谢产物有：
乙醇、氨基酸、呈味核苷酸、有机酸、多羟基化合物、多糖（黄原胶、结冷胶）、糖类和维生素。
次级代谢：
是相对于初级代谢而言的一个概念。
它是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无必要功能的物质的过程。
次生代谢产物大都是分子结构复杂的化合物。
根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、酶和毒素。
2、简述微生物自我调节代谢的基本方式
答：
①调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力---通道调节；
②调节代谢流---通量调节；
③通过酶的定位以限制它与相应底物的接近---限制其基质有形接近
3、简述微生物代谢调控的主要方式。
答：
（1）酶活性的激活和抑制：
在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。
。
（2）酶合成的诱导和阻遏：
酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。
（3）能荷的调节（P65）：
当细胞中腺苷酸全部是ATP，能荷为1；当细胞中腺苷酸全部是ADP，能荷为0.5；当细胞中腺苷酸全部是AMP，能荷为0。
当细胞或线粒体中三种核苷酸同时并存时，能荷大小随三者比例而异，三者的比例随细胞生理状态而变化。
能荷在细胞不同生长时期的变化另外一个度量细胞能量状态的参数是磷酸化位。
磷酸化位=[ATP]/[ADP][Pi]磷酸化位除了腺苷酸外，还决定于无机磷浓度。
磷酸化位与能荷相比，其值变化范围更宽，因此是反映细胞能量状态更加灵敏的指标。
4、优良生物反应器应具备什么条件？
答：
生物反应器是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的生物反应器应具备的条件：
1） 结构简单；2） 不易染菌；3） 良好的液体混合性能；4） 较高的传质传热速率；5） 单位时间单位体积的生产能力高；
6） 同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
5、具备良好发酵菌种基本准则是什么？
答：
①菌种细胞的生长活力强，移种到发酵罐后能迅速生长以缩短延滞期；
②生理性状稳定，以便得到稳定的菌体生长过程；
③菌体浓度及总量能满足大容量发酵接种的要求；
④无杂菌污染，以确保整个发酵过程的正常进行；
⑤保持稳定的生产能力，使最终产物的生物合成量维持稳定高产。
6、简述分批发酵和连续发酵的优缺点。
答：
分批发酵：
定义：
是指在灭菌后的培养基中，接入菌种直到发酵结束，而不再向发酵液中加入或移出任何物质的发酵过程（书）
或者：
在一个封闭系统中含有初始限量基质的发酵方式，在这一过程中，除了氧气、消泡剂及控制pH的酸或碱外不再加其他任何物质。
（PPT）
连续发酵：
定义：
是一个开放体系，通过连续流加新鲜培养基并以同样的流量连续的排放出发酵液，从而使微生物细胞群体保持稳定的生长环境和生长状态，并以发酵中的各个变量多能达到恒定值而区别于瞬变状态的分批发酵。
（书）
培养基料液连续输入，并同时放出含有产品的相同体积发酵液，使罐内料液维持恒定，微生物在近似恒定状态下生长的发酵方式。
（PPT）
分批发酵
连续发酵
优点：
操作简单，周期短，且操作引起染菌的概率低，生产过程、产品质量易控制，不会产生菌种老化和变异等问题
优点：
生产效率高、占地面积小、操作简单、节省劳力、减少能耗（如接种物制备、发酵罐清洗、灭菌等）、产物质量较稳定、自动化程度高。
缺点：
底物限制或抑制问题，无法长时间维持微生物继续生长和合成产物，因而产率较低，不适合用于对底物及其初始浓度敏感的次级代谢产物的发酵，且由于非生产时间较长，设备利用率低。
缺点：
存在菌种易发生变异、发酵过程易染菌、新加入培养基与原有培养基不易完全混合、影响培养物利用等突出问题，有时细胞在发酵罐壁和传感器上的黏附会影响发酵过程的正常进行。
补料分批发酵：
定义：
俗称流加，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地向发酵罐内补入一种或一种以上的营养物（如菌体生长的限制性底物）和添加剂（如产物生成的前体物质），以克服由于营养不良导致发酵过早结束。
（书）
是指在分批发酵过程中，间歇或连续的补加新鲜培养基的发酵方式。
（PPT）
补料分批发酵
优点
缺点
①可以解除底物的抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应；
②对于好氧发酵，补料分批发酵可以避免在分批发酵中因一次性投料过多造成细胞大量生长导致耗氧过多，以致通气搅拌设备不能匹配的状况，还可以再某些情况下减少菌体生成量，提高有用产物的转化率；
③在补料分批发酵中，菌体可被控制在一系列连续的过渡阶段，可用来作为控制细胞质量的手段和理论的研究。
同时，研究补料分批发酵是达到自动控制和最优控制的前提。
①用于反馈控制的附属设备价格较贵；
②对操作者的操作技能有较高要求；
③向发酵罐中补加何种物质和如何添加，仍带有盲目性；
④和连续式比，仍存在一定的非生产时间，和分批式比，中途要加新鲜培养基，增加了染菌的危险。
四种发酵培养技术：
分批发酵、连续发酵、分批补料发酵、半连续发酵（带放）
7、写出Monod方程并简述表示的意义。
答：
几个关键名词
细胞生长动力学模型摩洛多方程：
Monod方程：
不存在除了单一基质量之外的其它限制细胞生长的条件【Ks半饱和常数】
6、解释基质消耗动力学方程表示的意义。
答：
假设发酵过程中没有中间代谢产物的积累，则含碳基质的质量平衡算式为：
消耗的含碳基质=维持代谢消耗量+菌体生长消耗量+产物合成消耗量
8、什么叫体积传氧系数，影响KLα的主要因素是什么？
答：
体积溶氧系数kLa：
单位时间单位体积溶液所吸收的气体。
影响kLa的因素：
物系的性质——粘度，扩散系数，表面张力
操作条件——温度，压力，通气量，搅拌转数
反应器的结构——反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式
搅拌能够显著提高溶氧系数，具体表现为：
1） 搅拌能把大的空气气泡打成微小气泡，a和气液的接触时间增大；
2） 搅拌使液体作涡流运动，延长了气泡的运动路线，即增加了气液的接触时间；
3） 搅拌使发酵液呈湍流运动，从而减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力；
4） 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积的增加，使推动力均一。
主要传递阻力是气液相间氧传递过程；
影响氧传递的因素有溶氧系数（KLa）和传递推动力（C*-CL）；
氧载体包括：
液态烷烃、正十二烷、正十六烷、全氟化碳、油酸、硅油、豆油。
9、什么是发酵液氧饱和度、临界溶氧浓度和摄氧率？
答：
耗氧速率：
是指单位体积培养液在单位时间内细胞摄取（或消耗）氧的量，也称摄氧速率；
临界溶氧浓度：
通常将不影响微生物呼吸的最低溶氧浓度称为临界氧浓度。
氧饱和度：
发酵液中溶氧浓度与临界溶氧浓度之比，当比值大于1时，发酵才能正常进行。
10、什么叫巴斯德效应？
答：
巴斯德效应：
呼吸抑制发酵的现象，在好氧的条件下，酵母的发酵能力降低，即由于呼吸作用的进行使酒精产量大为降低。
（机理是由于酵解的过程受末端产物ATP的反馈抑制，由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产生大量ATP，ATP控制酵解途径关键酶――磷酸果糖激酶的活性，最后抑制葡萄糖进入细胞，导致葡萄糖利用降低）
11、简述无菌空气制备的基本过程。
答：
空气净化流程：
提高空气的洁净度→经过空气压缩机→冷却后除去空气中油和水→总过滤器和分过滤器除菌→获得无菌空气
发酵生产中制备无菌空气的大致过程：
（空气预处理）空气→空压机→贮气罐→冷却→除油水→加热→（空气过滤）总过滤器→分过滤器→无菌空气
12、试论述空气过滤除菌过程中，压缩机、粗过滤器、空气储罐、空气冷却器和气液分离器的作用。
答：
主要的设备的作用：
粗过滤器【去除大颗粒尘埃，粗过滤器分为布袋过滤器、油浴洗涤和水雾除尘器3种】→空气压缩机【供给能量】→贮罐【缓冲排气压力，稳定气压】→油水分离器【去除压缩空气中的大颗粒油水雾】→空气冷却器【冷却压缩空气，使其析出水汽】→水分离器【分离压缩空气的水汽】→加热器【除水后相对湿度一般为100%，加热以降至50-60%】→总过滤器【除菌，给全厂提供无菌空气】→分过滤器【进一步除菌，保证各发酵罐空气无菌】
13、根据基质消耗与产物形成关系将发酵分为几种类型？
根据微生物生长与产物形成是否偶联将发酵分为几种类型？
分别举例说出判断因素。
答：
（1）根据基质消耗与产物形成关系将发酵分为三种类型：
Ⅰ型：
生长偶联产物生成——菌体生长、碳源利用和产物形成几乎在相同时间出现高峰。
产物形成直接与碳源利用有关。
Ⅱ型：
生长与产物生成部分偶联——在生长开始后并无产物生成，在生长继续进行到某一阶段才有产物生成。
产物形成间接与碳源利用有关。
Ⅲ型：
非生长偶联产物生成——在生长停止后才有产物生成。
产物形成与碳源利用无准量关系。
（2）根据微生物生长与产物形成是否偶联将发酵分为三种类型
生长耦联型：
微生物的生长、碳水化合物的降解代谢和产物的形成几乎是平行进行的，营养期和分化期彼此不分开，也即代谢产物的生成和细胞的生长是同步的和完全耦联的【策略：
延长发酵周期有利于产物合成】；
部分生长耦联型：
产物间接的与微生物的初级产能代谢途径相关，这类反应产物的生产与细胞的生长仅有间接关系【策略：
根据其耦联程度而灵活调节】。
非生长耦联型：
产物一般不是直接或间接来自微生物的产能降解代谢，而是通过两用代谢途径合成的，所以产物的生产与细胞生长无直接关系【策略：
如次生代谢产物，则以缩短菌体的对数生长期，并迅速获得足够量的菌体细胞后延长生产期，以提高产量】；
14、影响发酵pH改变的主要因素及控制方法。
答：
影响发酵过程pH变化的因素：
引起发酵液pH下降的因素
引起发酵液pH升高的因素
1、培养基中碳氮比不当，碳源过多
2、消泡油加得过多
3、生理酸性物质（铵盐）过多，氨被利用。
1、培养基中碳氮比不当，氮源过多，氨基酸释放；
2、生理碱性物质（如硝酸盐）过多；
3中间补料时氨水或尿素等碱性物质加入的量过多。
发酵液pH的控制方法：
①调节培养基的初始pH至适合范围，并加入缓冲溶液或碳酸钙制成缓冲能力强，pH变化不大的培养基。
②选用不同代谢速度碳源和氮源构成适当比例配制培养基。
③在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行pH的调节，进而合理的控制发酵过程，也可通过调整通气量来控制pH。
④发酵过程中采用补料方法控制pH。
⑤发酵过程中将pH控制与代谢调节结合起来。
还可采取的应急措施有：
①改变搅拌速度或通气量，以改变溶解氧浓度，控制有机酸的积累量及其代谢速度；
②改变温度，以控制微生物代谢速度；
③改变罐压及通气量，改变溶解二氧化碳浓度；
④改变加入的消泡油用量或加糖量等，调节有机酸的积累量。
15、简述pH对发酵的影响
答：
（1）pH影响酶的活性。
当pH值抑制菌体某些酶的活性时使菌的新陈代谢受阻
（2）pH值影响微生物细胞膜所带电荷的改变，从而改变细胞膜的透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢物的排泄，因此影响新陈代谢的进行
（3）pH值影响培养基某些成分和中间代谢物的解离，从而影响微生物对这些物质的利用
（4）pH影响代谢方向
（5）pH影响菌体的形态
（6）pH影响产物的稳定性
16、简述发酵温度对发酵的影响
答：
1、温度对微生物细胞生长的影响
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。
2.温度对产物形成的影响
温度对菌的生长、产物合成的影响可能是不同的。
活化能越大，对温度越敏感，所以，温度的偏差对青霉素的产量影响最严重。
3.温度影响发酵液的物理性质
温度还可以通过改变发酵液的物理性质,间接影响微生物的生物合成.如:
温度对氧在发酵液中的溶解度就有很大的影响。
4、温度影响生物合成的方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素，当温度低于300C时，这种菌合成金霉素能力较强；温度提高，合成四环素的比例也提高，温度达到350C时，金霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
5、温度还影响微生物的调节机制。
如氨基酸生产中，其末端产物对其合成途径的第一个酶的反馈抑制随温度的降低而加大。
故抗生素生产时，可后期降低温度，阻断蛋白质的合成，有利于抗生素的合成。
谷氨酸发酵过程对温度的控制：
谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～34℃，产生谷氨酸的温度为36～37℃。
在谷氨酸发酵的前期菌生长阶段和种子培养阶段应满足菌体生长的最适温度。
若温度过高，菌体容易衰老。
在发酵的中后期菌体生长已经停止，为了大量积累谷氨酸，需要适当提高温度。
微生物生长的最适温度与产物合成的最适温度不一定相同。
17、发酵过程中泡沫是如何形成的？
如何控制泡沫？
常用的消泡剂有哪些？
请具体写出几个代表性消泡剂。
答：
在微生物深层培养过程中由于通气和搅拌、代谢气体的逸出以及培养基中糖、蛋白质、代谢物等稳定泡沫的表面活性物质的存在，使发酵液中产生一定数量的泡沫。
控制泡沫有两种方法：
机械消泡：
在搅拌轴上方安装消沫浆，泡沫借旋风离心场而消泡。
化学消泡：
利用消泡剂以降低液膜的机械强度或降低液膜的表面粘度进行消泡。
18、写出啤酒酿造的基本工艺流程及其主要操作要点。
答：
工艺：
原料→粉碎（麦芽粉）→糖化→麦汁过滤→麦汁煮沸（加酒花）→麦汁冷却（加酵母泥）→发酵→过滤→除菌→生啤
主要操作要点：
§ 麦汁煮沸的目的：
酶的钝化：
破坏酶的活力，停止淀粉酶的作用，稳定可发酵糖和
糊精的比例，确保稳定和发酵的一致性。
啤酒花，简称：
酒花，使用的主要目的是利用其苦味，香味，防腐力和澄清麦汁的能力。
酒花的主要成分有：
α-酸、β-酸及酒花油和多酚物质、果胶、蛋白质等。
§ 麦汁灭菌：
杀菌，避免乳酸菌等微生物在发酵时发生败坏，保证产品的质量。
蛋白
质的变性和絮凝沉淀：
析出某些受热变性以及与单宁物质的结合而絮凝沉淀得蛋白质，提高啤酒的非生物稳定性。
蒸发水分：
蒸发麦汁中多余的水分，达到要求的浓度。
酒花成分的浸出：
在麦汁的煮沸过程中添加酒花，将其所含的软树脂，单宁物质和芳香成分等溶出，以赋予麦汁独特的苦味和香味，同时也提高了啤酒的生物和非生物稳定性。
降低麦汁的pH值：
还原物质的形成，蒸发出不良的挥发性物质。
啤酒发酵：
冷却后的麦汁添加酵母以后，便是发酵的开始，整个发酵过程可以分为：
酵母恢复阶段，有氧呼吸阶段，无氧呼吸阶段。
酵母接种后，开始在麦汁充氧的条件下，恢复其生理活性，以麦汁中的氨基酸为主要的氮源，可发酵糖为主要的碳源，进行呼吸作用，并从中获取能量而发生繁殖，同时产生一系列的代谢副产物，此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。
19、简述培养基连续灭菌的基本工艺过程。
答：
连续灭菌（连消）（Continuoussterilization）:
是采用专一灭菌设备——连消塔，在高温下对液体培养基进行短时间加热灭菌。
连续灭菌的基本工艺过程：
原料→预热→加热→保温→冷却
优点：
（1）培养基受热时间短（可在20～30s达到预定灭菌温度），营养成分破坏少；
（2）质量均匀；（3）适用于自动控制
适用条件：
大规模生产，培养基中不含有固体颗粒或泡沫较少。
举例：
①连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程：
由连消泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器组成
②薄板换热器连续灭菌流程：
由3个薄板换热器、维持管组成，节约了蒸汽和冷却水。
③喷射加热连续灭菌流程：
由喷射加热器、维持管、膨胀阀和真空冷却器组成
20、简述通风发酵罐、厌氧发酵罐和固体发酵罐的主要类型。
答：
通风发酵罐：
机械搅拌式通风发酵罐、气升式发酵罐、气升环流式发酵罐、喷射自吸式发酵罐
厌氧发酵罐：
酒精发酵罐、葡萄酒发酵罐
固体发酵罐：
转鼓式发酵罐、浅盘式发酵罐
简述填料函式轴封和端面式轴封的优缺点及使用范围。
简述发酵菌种诱变育种的基本操作步骤及注意事项
21、写出酱油酿造的基本工艺流程及其主要操作要点。
答：
工艺流程：
原料处理——制曲——发酵——滤油——酱油后处理技术
固态低盐发酵操作要点
①注意食盐水的浓度：
浓度要求12~13° 。
②控制制醅用盐水的温度。
一般温度在50-55℃之间，使拌曲后酱醅开始的发酵温度达到42-44℃之间。
③拌水量必须恰当：
在制曲总重量的65%左右。
④上部加盐水量较下部稍多（有挥发）。
⑤防止表层过度氧化
用食盐将醅层和空气隔绝，从而既防止空气中杂菌的侵入，又避免氧化层的大量产生，对酱醅表层还具有保温、保水作用。
由于盖面盐不可避免的溶化，又使表层相当深度的酱醅含盐量偏高，从而影响到酶的作用和全氮利用率的提高。
可用塑料薄膜代替。
⑥保温发酵和管理
发酵前期：
控制在40-45℃的发酵温度，一般维持15d左右，
后期发酵：
温度可以控制在33℃左右；
整个发酵周期：
25-30d范围。
如发酵周期在20天左右：
最高温度不超过50℃；发酵温度前期以44-50℃为宜；后期酱醅品温可控制在40-43℃。
⑦倒池
目的：
使酱醅各部分温度、盐分、水分以及酶的浓度趋向均匀；排出酱醅内部产生的有害气体；增加酱醅的含氧量。
时间：
一般发酵周期20d左右时只需在第9-10d倒池一次。
如发酵周期在25-30d可倒池二次。
20、简述味精发酵的调控机理。
答：
谷氨酸发酵过程中，可通过①控制生物素、油酸、甘油的亚适量，控制细胞膜的合成；②加入青霉素,抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；③加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂（如聚氧化乙酰硬脂酰胺）,将脂类从细胞壁中溶解出来,使细胞壁疏松,通透性增加。
在IMP发酵中，控制Mn2+（限量）造成细胞膨胀的不规则形态，膜产生异常，非常专一性的膜透性被破坏，核苷酸生物合成补救途径酶系[PRPP激酶、Hx（次黄嘌呤）焦磷酸化酶]及Hx和R5-P都分泌于体外，在体外大量生物合成IMP。
写出食醋生产的基本工艺流程及其主要操作要点。
简述苹果酒生产的基本工艺和操作步骤。
（实验）
简述孢子发芽率的检测步骤。
（实验）
简述测定发酵液氧气的溶氧电极的类型和工作原理。
简述在发酵液中添加发酵菌种时，接种量的大小有什么因素决定？
发酵罐温度测定仪的类型及测定原理。
紫外线诱变育种的基本过程和操作方法
简述酒精蒸馏的原理与方法。
（实验）
简述不同淀粉酶的特性及作用条件的差别。
（麦芽糖化过程中）
简述味精生产的工艺流程。
清香型白酒酿造的工艺流程和操作要点。
简述大曲、小曲、药曲和酒母生产的差异性及主要功能作用
另复习在课堂布置的作业题
1、分批灭菌（实消）:
（Batchsterilization）指培养基在发酵罐中灭菌。
优点：
无需专一灭菌设备，但易发生局部过热而破坏营养成分的现象。
适用条件：
当培养基中含有固体颗粒或培养基有较多泡沫时，以采用分批灭菌为好。
对于容积小的发酵罐，连续灭菌的优点不明显，而采用分批灭菌比较方便。
2、反馈抑制：
某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积
3、营养缺陷性菌株：
野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长的菌株。
4、抗反馈调节突变菌株：
就是指一种对反馈抑制不敏感或对反馈阻遏有抗性，或二者兼而有之的菌株。
在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。
获得抗反馈调节突变株方法：
选育抗代谢类似物的突变株；从营养缺陷型回复突变株中获得对途径中调节酶解除反馈抑制的突变株
5、分解代谢物阻遏的典型实例：
葡萄糖效应。
葡萄糖效应（ glucose effect）：
又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。
葡萄糖或某些容易利用的碳源,其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
6、酶合成调节的机制（操纵子学说）1.操纵子是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由调节基因（R）、启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因（S）组成 ；调节基因:
用于编码调节蛋白的基因。
启动基因:
是一种能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行；结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。
一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。
调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。
当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。
有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。
调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。
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