食品工艺学：食品发酵

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1、第六章 食品发酵,第1节 发酵的概念及一般工艺过程 第2节 菌种选育 第3节 发酵类型 第4节 发酵工艺过程控制 第5节 发酵产物提取与精制 第6节 污染防止与挽救,一、发酵的概念 二、发酵的一般工艺过程,Q:你认为什么是发酵？,一、发酵的概念,传统发酵：在我国，人们习惯把通过微生物纯种或混种作用后，不经过单一成分的分离提取和精制，获得的成分复杂、有较高风味要求的食品生产称为发酵，也即酿造。 如啤酒、葡萄酒、黄酒、白酒等酒类发酵及酱油、食醋、酱品、豆豉、腐乳、盐渍菜、酸泡菜、酸奶等调味和发酵食品的生产，均称为酿造,一、发酵的概念,广义发酵：指微生物在无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代谢或次

2、生代谢等微生物代谢活动，大量积累人类所需的微生物体或微生物酶或微生物代谢产物的所有过程。 如有机溶剂、抗生素、有机酸、酶制剂、氨基酸等的生产，均称为发酵。,发酵工程,提供微生物适宜生长条件，利用微生物的某种特定功能，通过现代化的技术手段，生产出所需要的产品。,产物的提取与精制,菌种选育,发酵条件的工艺控制,定义：是指利用生物的生命活动产生的酶，对无机或有机原料进行加工，获得产品的工业。,发酵工业,传统发酵（酿造）工业：成分复杂，较高风味要求的发酵食品的工业。 近代发酵工业：需要纯种接种发酵，精制产品的发酵工业。 食品发酵：微生物在食品工业中应用的一个领域。,二、发酵的一般工艺过程,菌种筛选,摇

3、瓶试验,发酵罐试验,发酵的一般工艺过程,发酵工艺要点,发酵原料及其预处理,原料特点：糖质或淀粉质等含量较高， 价格相对低廉，易得。,粉碎、酶解,菌种的活化及扩大培养,种子扩培技术,概念：是指将保存于沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级放大培养而获得一定数量和质量的纯种过程。这些纯培养物称为种子。,种子扩培流程,图 种子扩大培养流程图 1-沙土孢子；2-冻干菌种；3-斜面种子；4-摇瓶液体种子；5-茄子瓶斜面种子；6-固体培养基种子；7、8-种子罐培养物；9-发酵罐,种子质量的控制,影响种子质量的因素 ：培养基、培养条件、种龄、接种量等 种子

4、质量的控制措施 ：菌种稳定性的检查 ；无杂菌检查,例：生产啤酒酵母菌种子扩培流程,保藏菌种,菌种活化,10mL麦芽汁,250mL麦芽汁,5-10L麦芽汁,100L麦芽汁,25 2天,25 2-3天,25 2天,15-20 3-5天,菌种,直投式发酵剂,是指一系列高度浓缩和标准化的冷冻干燥发酵剂菌种，直接加入到灭菌的原料中进行发酵，无需对其活化、扩培等其它预处理工作。 活菌数：1010-12CFU/g； 优势：省去菌种车间，减少人员、简化工艺,污染小 价格：200-300元/吨产品（酸奶）,发酵培养基的配制与灭菌,Q:一般培养基里面应该含有什么成分呢？培养基、培养设备、空气等的灭菌处理,发酵过程

5、控制,发酵产物纯化及副产物的处理,发酵产物的提取 （细胞、代谢产物）,副产物的利用和处理 （饲料、工业原料）,第2节 菌种选育及扩培技术,一、生产菌种的要求和来源 二、菌种选育的方法,一、生产菌种的要求和来源,1、生产菌种的要求： 在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。 发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如农副产品。 菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害。 发酵后，所产不需要的代谢产物少，而且产品相对容易分离，下游技术能用于规模化生产。 遗传特性稳定，抗逆能力强，而且易于进行基因操作。,2.生产菌种的来源,自然环境,二、菌株选育的方法,

6、自然选育 诱变育种(物理诱变剂、化学诱变剂、生物诱变剂) 杂交育种 原生质体融合 基因工程,基因工程育种：目的基因 载体（噬菌体、质粒） 重组载体 引入细胞 基因表达 重组体的筛选及鉴定,微生物的自然选育,例：葡萄中酿酒酵母的分离、筛选与鉴定,微生物的自然选育,例：葡萄中酿酒酵母的分离、筛选与鉴定,微生物的自然选育,例：葡萄中酿酒酵母的分离、筛选与鉴定,微生物的自然选育,例：葡萄中酿酒酵母的分离、筛选与鉴定,不同糖类的发酵 生长能力 抗逆性能 原料中的适应性 生产能力,微生物的自然选育,例：葡萄中酿酒酵母的分离、筛选与鉴定,第3节 发酵类型,一、固态发酵与液态发酵,固态发酵:是指微生物在没有或

7、几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程。,厌氧菌：窖池堆积，压紧密封 好氧菌：容器表面静置发酵，通气和/或翻动。浅盘培养法、转桶法、厚层通气法。,一、固态发酵与液态发酵,液态发酵：指培养基呈液态的微生物发酵过程。,液态发酵：发酵罐。 因素：温度、pH、通风、搅拌、罐压力等，必须控制。,固态发酵与液态发酵相比的优、缺点,1.菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌种选择性少,二、分批发酵、连续发酵、补料分批发酵,分批发酵的概念,封闭系统培养，指一次性投料、接种直到发酵结束，产品一次性收获。在发酵过程中，除了不断通气（如好氧发酵），调节pH外，与外界没有其它物料交换的一种发酵方式。,特点： 典型

8、的非稳态过程。 微生物生长延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期。 操作简单、周期短，染菌机会少，原料利用率高，但生产效率低。,连续发酵的概念,在开放系统中进行的。连续不断的向发酵罐中流加新鲜发酵液，同时又连续不断的排出等量的发酵液，从而使pH、养分、溶解氧保持恒定，使微生物生长和代谢活动保持旺盛稳定状态的一种发酵方式。,特点：恒态。 优点：提高生产效率；质量稳定；自动控制。 缺点：营养物质利用率较低；菌种易变异；易染菌；,罐式连续发酵实现方法 恒浊法：通过调节营养物的流加速度，利用浊度计检测细胞浓度，使之恒定。 恒化法：保持某一限制性基质在一恒定浓度水平，使菌的比生长速率保持一定。,连续发酵的优

9、缺点（与分批发酵比较）,补料分批发酵,概念：是指在开始时投入一定量的基础培养基，到发酵过程中的适当时期，开始连续补加碳-能源或（和）氮源或（和）其它必需基质，直至发酵液体积达到发酵罐最大操作容积后，将发酵液一次全部放出。,单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸,发酵工业应用,与分批培养方式比较 1、可以解除底物抑制； 2、对于好氧发酵，可以避免在分批培养过程中因一次性投糖过多造成的细胞大量生长、耗氧过多以至通风搅拌设备不能匹配的状况； 3、微生物细胞可以被控制在一系列连续的过渡态阶段，可用于控制细胞的质量。 与连续培养方式比较 1、无菌要求低 2、菌种变异和退化少 3、使用范围更广

10、。,补料分批发酵优点,图10-3 好氧菌大型发酵罐示意图,好氧菌大型发酵罐示意图,单罐连续发酵示意图 多罐连续发酵示意图,三、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化酶或细胞：固定于水不溶载体可重复和连续使用； 游离酶或细胞：未固定 固定化发酵：固定化酶(细胞)用于发酵可称为固定化酶(细胞)发酵，或简称固定化发酵。,三、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化类型：,定义：主要是按照正、负电荷相吸的原理，酶或细胞吸附在载体的表面而被固定。 物理吸附法：主要利用瓷碎片、玻璃球、尼龙网、棉花、木屑、毛发等作载体。 离子吸附法：则主要利用DEAE-纤维素、DEAE-葡萄糖凝胶等作为载体。,三、固定化酶和固定化细胞发

11、酵,固定化类型：,包埋法：是将酶（细胞）包在凝胶微小格子内，或是将酶（细胞）包裹在半透性聚合物膜内的固定化方法。 凝胶包埋法：所用的聚合物主要为合成高分子物质和天然大分子物质，如琼脂、明胶。 微胶囊法：则是一种用半透性的高聚物薄膜包裹酶（细胞）的技术，常为球状体，直径由几微米到几百微米。,三、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化类型：,定义：酶或细胞与载体通过共价键作用而被固定。酶或细胞溶液与含羧酸载体(R-COOH)或氨基载体(R-NH2)，在缩合剂碳化二亚胺作用下，经搅拌等处理，而制成固定化酶或细胞。,三、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化类型：,交联法的基本原则是酶分子与多功能试剂之间形成共价

12、键得到三向的交联网架结构。 常用的交联试剂有戊二醛、联苯胺-2,2-双磺酸。,三、固定化酶和固定化细胞发酵,固定化酶和固定化细胞发酵的优点： 重复使用 利于产品的分离和提纯 易于机械化操作 缩短生产周期 使用时间较长等。,四、混合培养物发酵,混合培养物发酵产品:,混合培养物发酵的优点,可以充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高或获得二种或多种产品； 可以获得一些独特的产品。 混合的多种菌种，增加了发酵中许多基因的功能。通过不同代谢能力的组合，完成单个菌种难以完成的复杂代谢作用，可以代替某些基因重组工程菌株，进行复杂的多种代谢反应，或促进生长代谢，提高生产

13、效率。,主要的控制参数 1、pH值（酸碱度） 2、温度 3、溶解氧浓度 4、泡沫 5、补料,第4节 发酵工艺过程控制(液态发酵),一、温度的影响及其控制,（一）温度对微生物生长的影响 （二）温度对发酵的影响 （三）影响发酵温度变化的因素 （四）最适温度的控制,(一)温度对微生物生长的影响,影响酶的活性、影响细胞内各种反应速度 最低、最高、最适生长温度 在最适范围内生长速度随温度升高而增加，生长周期缩短 不同生长阶段的微生物对温度的反应不同,延滞期：细菌对温度的影响十分敏感，温度的较大变化会使延滞期变长。 对数生长期：最适生长温度的范围内，对温度变化不敏感，因此在最适温度范围内提高对数生长期的培

14、养温度，既有利于菌体的生长，又避免热作用的破坏。 生长后期：生长速度主要取决于氧的含量，温度影响较小，因此在培养的后期最好提高一些通气量。,（二）温度对发酵的影响,反应速度 酶系的组成及酶的特性 发酵的方向如金色链霉菌35，合成四环素；30 ，合成金霉素； 基质溶解度在发酵液中的物质溶解度也影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温度要严格控制。,凝结芽孢杆菌的-淀粉酶热稳定性受培养温度的影响是极为明显的： 55培养所产生的酶在90保持60min，其剩留活性为8899； 在35培养所产生的酶，经相同条件处理，剩余活性仅有610。,（三）影响发酵温度变化的因素,发酵过程中，随着微生物细胞对

15、培养基中的营养物质的利用、机械搅拌的作用，将会产生一定的热量；同时由于发酵罐壁的散热、水分的蒸发等将会带走部分热量。,发酵过程中释放出来的引起温度变化的净热量称为发酵热。 Q发酵 = Q生物 + Q搅拌 - Q蒸发 Q辐射,生物热（Q生物）,微生物细胞在生长繁殖过程中本身产生的大量热成为生物热。,生物热,生物热主要是培养基中的碳水化合物、脂肪和蛋白质被微生物分解成、水以及其他物质时释放出来的。 释放出来的能量部分用来合成高能化合物，供微生物合成和代谢活动的需要，部分用来合成产物，其余部分则以热的形式散发出来。 生物热大量产生于菌体的对数生长期，这一阶段所产生的大量热成为发酵过程热平衡的主要因素

16、。,在好氧发酵中，搅拌带动发酵液作机械运动，造成液体之间、液体和设备之间的摩擦，产生数量可观的热。,搅拌热（Q搅拌）,Q搅拌 = P3601（kJ/h） 式中：Q搅拌搅拌热（kJ/h）P搅拌功率（kW）；3601机械能转变为热能的热功当量kJ(kW.h)。,空气进入发酵罐后，就和发酵液广泛接触进行热交换，必然会引起水分的蒸发，被空气和蒸发水分带走的热量。,蒸发热（Q蒸发）,辐射热（Q辐射）,辐射热是指因发酵罐温度与环境温度不同，而使发酵液通过罐体向外辐射的热量 。辐射热的大小取决于发酵罐内外的温度差的大小，受环境温度变化的影响。,1）菌种特性 2）培养基 （成分及配比） 3）发酵阶段 4）搅拌类型及搅拌速度 5）通气速度 （影响Q蒸发） 6）罐内外的温差,影响发酵温度的因素,由于Q生物、Q蒸发在发酵过程中随时间而变化，因此发酵热在整个发酵过程中也随时间变化。为了使发酵在一定温度下进行，必须采取措施加以控制。,(四)最适温度的选择和控制,