《食品生物技术-下游加工技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《食品生物技术-下游加工技术（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第六章第六章 食品生物工程下游技术食品生物工程下游技术第一节第一节 下游工程概述下游工程概述第二节第二节 原料与预处理原料与预处理第三节第三节 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎第四节第四节 初步纯化初步纯化第五节第五节 精细纯化精细纯化 第六节第六节 成品加工成品加工第一节第一节 下游工程概述下游工程概述 生物工程下游技术的重要性 生物工程下游技术的特点 下游工程的目的产物 下游工程的基本路线 下游工程的质量控制一、生物工程下游技术的重要性一、生物工程下游技术的重要性 生物技术产业工业化的必不可少的重要组成； 改进分离工程是生物技术产业降低生产成本和 提高经济效益的关键。生物制品成本构成
2、的主要 部分，分离纯化部分的成本约占总成本50%以上 。三、三、生物工程下游技术的特点生物工程下游技术的特点在原料液中目标成分的含量较低，10%；原料液是复杂的多相体系；目标成分的稳定性差，在不适宜的分离条件下会分解和失活 ；要求产品的纯度要高。四、下游工程的目的产物四、下游工程的目的产物 1 1、目的产物的特点目的产物的特点l l不稳定性不稳定性; ;l l相对分子量较大；相对分子量较大；l l含量低含量低, ,纯度高纯度高; ;l l易被微生物污染、分解；易被微生物污染、分解；l l成分较为复杂成分较为复杂; ;l l许多是生物功能因子许多是生物功能因子. .2 2、食品生物技术目的产物分
3、类食品生物技术目的产物分类 l l蛋白质、多肽、氨基酸类蛋白质、多肽、氨基酸类l l酶、辅酶、酶抑制剂类酶、辅酶、酶抑制剂类l l多糖类多糖类l l免疫调节类免疫调节类l l其他，包括脂类、多不饱和脂肪酸、去氧胆酸、维生素、芳其他，包括脂类、多不饱和脂肪酸、去氧胆酸、维生素、芳 香物质、色素等。香物质、色素等。3 3、食品生物技术目的产物的商业用途食品生物技术目的产物的商业用途l l功能食品功能食品l l食品添加剂食品添加剂l l生物药物生物药物l l化妆品化妆品五、下游工程的基本路线五、下游工程的基本路线预处理预处理固液分离固液分离初步纯化初步纯化精细纯化精细纯化成品成品 加工加工下游加工过
4、程可分为4个阶段：培养液( 发酵液)的预处理固液分离；初步纯化(提取)； 高度纯化(精制)：最后纯化。 下下 游游 工工 程程 的的 基基 本本 框框 架架 六、下游工程的质量控制六、下游工程的质量控制下游工程的质量控制包括产品的鉴定、纯度、活性 、安全性、稳定性和一致性等。第二节第二节 原料与预处理原料与预处理 原料原料下游工程的原料包括发酵工程、酶工程、细胞工程的发酵 液和培养液（主要原料），以及基因工程获得的动、植物、微 生物的有机体和器官。发酵液特点：发酵液特点： （1）内容：发酵液的成分极为复杂，包括：微生物菌体、残存培养基、活 性酶类、微生物的代谢产物。 （2）性质：悬浮液状态、悬
5、浮物颗粒小、浓度低、液体黏度大，性质不稳 定。发酵液作为原料时，要注意发酵液菌体的生长阶段：生长对数期目标成分是初级代谢产物（核酸、酶等）； 菌体衰亡期、产物积累高峰期目标成分是次级代谢产物。转基因动植物作为原料时，要注意季节、生长期、组织器官 部位、老嫩程度、新鲜度对目标成分含量和活性程度的影响 。 发酵液的预处理1 .1 .悬浮液的预处理悬浮液的预处理 悬浮液的基本特性：细胞的相对密度与培养液相似可压缩性，粘稠，属非牛顿流体，流变学复杂悬浮状态稳定预处理目的 ：a 改变发酵液物理性B.除去发酵液中部分杂质 2.预处理方法 l加热 提高发酵液温度可显著降低悬浮液黏度，提高过滤 效率；（前提：
6、目标产物耐热）l调节pH值 适当调节pH值可使蛋白质等两性物质处于等电点 ，不稳定而沉淀出来；也可改变大分子的电荷性质.l凝聚和絮凝 指在化学试剂的作用下，改变发酵液中的大 分子物质和细胞碎片的分散性质，使聚结沉淀。常用的凝聚剂与絮凝剂凝聚剂：凝聚剂：铝盐，铁盐，钙盐，锌盐絮凝剂：絮凝剂： （1)阳离子型：阳离子聚丙烯酰胺，聚丙烯酸二烷基胺 乙酯，聚二烯丙基四胺盐。 (2)阴离子型：聚丙烯酸钠，聚苯乙烯磺酸，木质素磺酸 (3)非离子型：聚氧乙烯 (4)天然类：甲壳素 第三节第三节 固液分离和细胞破碎固液分离和细胞破碎 固液分离固液分离目标产物为胞外产物固液分离重点为液相部分；目标产物为胞内产物
7、固液分离重点为固相部分。 固相部分必须经细胞破碎，将目的产物转移至液相部 分，再对液相部分进行分离纯化。固液分离方法：固液分离方法： 细菌和酵母的发酵液离心分离 离心分离实质：在离心产生的重力场作用下使悬浮颗粒沉降的 操作； 离心分离方式：分批的、半连续的、连续的；霉菌和放线菌的发酵液过滤分离 过滤分离实质：在操作中迫使悬浮液通过固相支撑物或过滤介 质、截留固相，达到固液分离的目的； 离心分离方式：压力过滤、真空过滤、错流过滤（切向流过滤 ）；原理设备设备特点缺点离心在离心产产 生的重力 作用下颗颗 粒沉降速 度加快而 沉淀高速冷冻冻离心机适于粒度小，热热不 稳稳定的物质质回 收，适于实验实验
8、 室应应用容量小，连续连续 操作困难难 ，大规规模工业应业应 用 性差碟片式离心机适于大规规模工业应业应 用，可连续连续 ， 也可批式操作， 操作稳稳定性较较 好，易放大，推 广半连续连续 或批式操作时时， 出渣清洗烦杂烦杂 ；连连 续续操作固形物含水 高，总总的分离效率 低管式离心机批式操作，转转速高 ，固形分离效果 较较好，含水低，容量有限，处处理量小， 折装频频繁，噪声大倾倾析式离心机连续连续 操作，易放大 ，易工业应业应 用 ，操作稳稳定对对很小颗颗粒固形物回收 困难难，设备设备 投资资高过滤过滤依据过滤过滤 介质质的孔 隙大小进进 行分离板框式过滤过滤 机 平板过滤过滤 机 真空旋转
9、过滤转过滤 机 管式过滤过滤 机 深层过滤层过滤 机 涂层过滤层过滤 机设备简单设备简单 、操作容 易，适合大规规模 工业应业应 用分离速度低，分离效果 受物料性质变质变 化的 影响，劳动劳动 强度大影响过滤的因素:a.菌种：真菌，放线菌，细菌; b.培养基：黄豆，花生，淀粉; C.发酵时间：菌体自溶前放罐.细胞破碎 细胞破碎的方法有机械、生物和化学等方法。大规 模生产中常用高压匀浆器和球磨机。（1）珠磨法：利用珠磨机快速研磨破碎方法。操作简单 、稳定，可连续生产，破碎率高，但温度升高多，对热 敏感成分易失活，细胞碎片小，给后续操作增加难度。 （2）高压匀浆法：利用高压驱使下高速运动并发生剧烈
10、 冲击，使细胞破碎的方法。操作简单，可连续生产；但 破碎率比珠磨法差，不适合丝状真菌和含有包涵体包涵体的基 因工程菌的破碎。第四节第四节 纯化方法纯化方法萃取法吸附法沉淀法离心法膜分离法 萃取 1.有机溶剂萃取原理：依靠在水和有机溶剂中的分配系数差异进行分离.例: 抗生素在水及与水互不相溶的溶剂中有不同的溶 解度。当其进行相转移时，杂质不能或较少地随着转移 ，因而能达到浓缩和提纯的目的。 有机溶剂萃取特点（1） 萃取过程有选择性； （2） 通过相转移减少产品水解； （3） 适用于不同规模； （4） 传质快； （5） 毒性与安全环境问题。由于蛋白质遇有机溶剂会引起变性，故溶剂萃法一般仅用 于抗生
11、素等小分子生物物质的提取。常用的萃取方式 多级逆流萃取2.两水相萃取法 概述概述两水相萃取法仅适用子蛋白质的提取，近年来也开 始研究用于小分子物质。由于聚合物分子的不相容性， 两种聚合物的水溶液(含盐或不含盐)可以分成两相。蛋 白质分子可在两相间进行分配。 3.超临界萃取 原理原理: :利用某些流体在高于其临界压力和临界温度时具有 很高的扩散系数和很低的黏度,但具有与流体相似的密 度的性质,对一些液体或固体物质进行萃取的方式. 特点特点: :萃取能力大、速度快，对物质具有选择性；设备要求高，规模小。 吸附法1 1、 概述概述吸附法系利用吸附剂与目的物质、杂质、色素物质 、有毒物质之间的分子引力
12、而使其吸附在吸附剂上。2 2 、应用、应用发酵产品的除杂、脱色、有毒物质的分离提纯和抗生 素的提取。 3.特点（1） 不用或少用有机溶剂； （2） 操作简便，安全； （3） 生产过程pH 变化小； （4） 从稀溶液分离溶质； （5） 吸附剂对溶质的作用小； （6） 吸附平衡为非线性； （7）选择性差。3 、吸附剂的类型普通吸附剂吸附普通吸附剂吸附： （1）疏水或非极性吸附剂，典型的活性炭。 活性炭有很多缺点：吸附性能不稳定、选择性不高、可 逆性差、不能连续操作，劳动强度较大、炭粉还会影响 环境卫生。 （2）亲水或极性吸附剂，如硅胶，氧化铝。（3）特点l不用或少用有机溶剂；l 操作简便，安全；l
13、 生产过程pH 变化小；l 从稀溶液分离溶质；l 吸附剂对溶质的作用小；l 吸附平衡为非线性；l 选择性差。大网格聚合物吸附剂（非离子树脂）：大网格聚合物吸附剂（非离子树脂）：优点：选择性好、解吸容易、机械强度好、流体阻力 小、反复使用、可适用于各种产品。离子交换法概述：利用离子交换树脂分离生物物质的方法。原理：利用离于交换树脂和生物物质之间的化学亲和力有选 择件地将生物物质吸附上去然后以较少量的洗脱剂将它 洗下来。 离子交换剂的分类 （1）强酸性阳离子交换树脂 （2）弱酸性阳离子交换树脂 （3）强碱性阴离子交换树脂 （4）弱碱性阴离子交换阴树脂树脂性能比较影响离子交换速度因素（1）树脂颗粒的
14、大小； （2）树脂的交联性； （3）温度； （4）离子的大小； （5）离子价； （6）树脂的强弱； （7）树脂层装填的松紧度。影响吸附因素（1）吸附剂性质：l 吸附容量（a 比表面，b 空隙度）;l吸附速度（a 粒度，b 孔径分布）;l机械强度（使用寿命）（2）吸附物性质:l表面张力；l溶质在易溶解的溶剂中吸附量小；l极性吸附剂易吸附极性物质；l同系物极性越小，越易被非极性吸附剂吸附。（3）溶液pH 的影响 （解离度）（4）温度的影响 （吸附热，溶解度）（5）其它组分的影响（促进，干扰，互不影响） 沉淀法概述概述 最古老的分离和纯化生物物质的方法，但目前仍广泛 比用在工业上和实验室中。沉淀法广
15、泛用于蛋白质的提取 中。由于其浓缩作用常大于纯化作用，因而沉淀法通常作 为初步分离的一种方法，用于从去除了菌体或细胞碎片的 发酵液中沉淀出生物物质，然后再利用色层分离等方法进 一步提高其纯度。 沉淀特点：(1) 料液体积大大降低； (2) 作为纯化前处理或最后产物收集方法； (3) 操作简便,成本低。沉淀又可分为下列沉淀又可分为下列5 5种类型：种类型： (a) 盐析盐析 (b)加入有机溶剂加入有机溶剂 (c)调调pHpH至等电点至等电点 (d)加入非离子型聚合物加入非离子型聚合物 (e)加入聚电解质加入聚电解质盐析盐析 加入高浓度的盐使蛋白质沉淀其机理为蛋白质 分子的水化层被除去，而相互吸引
16、。最常用的盐是硫酸 铵，加入的量通常应达到2060的饱和度。 等电点沉淀法在低的离子强度下，调pH至等电点，使蛋白质所带 净电荷为零降低了静电斥力，而疏水力能使分子间相 互吸引，形成沉淀。但对一些亲水性强的蛋白质(如明胶 )，则在低离子强度的溶液中，调pH在等电点并不产生 沉淀。等电点沉淀法优点：等电点沉淀法优点： （1）适用于疏水性强的蛋白。 （2）中性盐浓度增大时，等电点向偏酸方向移动，溶解 度增大； （3）价廉价，无毒。等电点沉淀法缺点：等电点沉淀法缺点：是酸化时，易使蛋白质失活，这是由于蛋白质对低 pH比较敏感。有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法是利用与水可以互溶的有机溶剂使产物 沉淀的方法这个方法在酶制剂、氨基酸、抗生素等发酵 产物提取中被广泛采用。机理：为加入有机溶剂会使溶液的
