第一章 绪 论1什么叫发酵？发酵(fermentation)一词来源于拉丁文“fervere”，是指酵母作用于果汁或麦芽汁所表现出来的“沸腾”现象，这种现象是由果汁或麦芽汁中含有的糖厌氧发酵产生的二氧化碳泡引起的，如中国黄酒的酿造和欧洲啤酒的发酵就以起泡现象作为判断发酵进程的标志对于生物化学家来说，发酵是指厌氧条件下，微生物对有机化合物进行不彻底的分解代谢并释放少量能量的过程；而对于工业微生物学家了说，发酵的定义则更为广泛，微生物所进行的一切活动都可以称为发酵，任何通过大规模培养微生物来生产产品的过程都是发酵过程广义上发酵包括微生物的好氧过程2. 发酵工业的历史 古老的发酵与酿造技术是人类利用微生物的开始随着人类文明的发展，科学技术的不断进步，食品发酵技术在近几个世纪得到了迅速发展生物技术包括基因工程、酶工程、细胞工程和发酵工程技术，而利用生物技术制造食品的产量与产值占生物技术的首位发酵技术是农产品加工和食品加工的重要手段之一，并被认为是食品领域在21世纪最可能获得突破性进展的一个分支发酵技术具有巨大的发展潜力，将为解决世界面临的粮食、蛋白质、能源问题提供美好的前景。
2.1 食品发酵技术的第一个转折点 17世纪后叶Leewenhoch（列文虎克）制成了世界上第一台显微镜19世纪中叶以前，“自然发生说”占主动地位，没有人发现微生物与发酵的关系Pasteur巴斯德在瓶中加入肉汁，发现在加热情况下不发酵，不加热则发生发酵现象，并详细观察了发酵液中许多微生物的生长情况等，由此他得出结论：发酵是由微生物进行的一种化学变化其后不久，Koch柯赫建立了单种微生物的分离和纯培养技术，并将单一微生物菌种应用于各种发酵产品中，在产品防腐、产量提高和质量稳定等方面起到了重要作用因此，单种微生物分离和纯培养技术的建立，是食品发酵技术的第一个转折点 这一时期，虽然揭示了发酵的本质，但还是没有认识发酵的化学本质2.2 食品发酵技术的第二个转折点1897年，Buchner布赫那阐明了微生物的化学反应本质为了把酵母提取液用于医学，他用石英砂磨碎酵母细胞制成酵母汁，并加入大量的砂糖防腐，结果意外地发现酵母汁也有发酵现象，产生了乙醇和CO2，这是用无细胞体系进行发酵的最初例子这使人们认识到，任何生物都具有引起发酵的物质——酶，这也促成了当代生物化学的诞生，也将生物化学和微生物学彼此沟通起来了，大大扩展了发酵的范围，丰富了发酵产品。
但此后，发酵技术未见有特别的改进直到1940s，借助于抗生素工业的兴起，建立了通风搅拌培养技术因为二次大战的需要，人们迫切需要大规模生产青霉素，于是借鉴丙酮丁醇的纯种厌氧发酵技术，成功建立了深层通气培养法和一整套培养工艺，包括向发酵罐中通入大量无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等，使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、培养物的供给都受到严格的控制这些技术极大地促进了发酵工业，各种有机酸、酶制剂、维生素、激素、抗生素等都可以借助于好气性发酵进行大规模生产因此，好气性发酵工程技术成为发酵技术发展的第二个转折点但是这一时期的发酵技术主要还是依赖对外界环境因素的控制来达到目的的，已远远不能满足人们对发酵产品的需求2.3 食品发酵技术的第三个转折点 人们以动态生物化学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，有选择地大量生产人们所需要的物质这一新技术首先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品得到应用可以说，人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术是发酵技术的第三个转折点2.4 食品发酵技术发展的新时期 随着矿产物的开发和石油化工的迅速发展，微生物发酵产品和化学合成产品产生了竞争。
由于化工原料丰富而低廉，这一阶段发达国家有相当一部分发酵产品改用合成法生产但由于对化工产品的毒性有顾虑，人们采用化学合成结合微生物发酵的方法来生产产品，如生产某些有机酸，先采用化学合成法合成其前体物质，然后用微生物转化得到最终产品这样，将化学合成与微生物发酵有机地结合起来的工程技术就建立起来了，这形成了发酵技术发展的第四个转折点随着现代工业的迅速发展，发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面都有了极大的发展发酵过程全部基本参数，包括温度、pH、罐压、溶解氧、氧化还原电位、空气流量、CO2含量等均可自动记录并自动控制的大型全自动连续发酵罐已付诸应用发酵过程的连续化、自动化也成为这一时期重点发展的内容 1970s发展起来的DNA技术，又大大推动了发酵技术的发展先是细胞融合技术，得到了许多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通过常规发酵得到了许多新的有用物质近年来得到迅猛发展的基因工程技术，可以在体外重组生物细胞基因，并克隆到微生物细胞中去构建工程菌，利用工程菌生产原来微生物不能生产的产物，如胰岛素、干扰素等，使微生物的发酵产品大大增加可以说，发酵技术已经不再是单纯的微生物发酵，已扩展到植物和动物细胞领域，包括天然微生物、人工重组工程菌、动植物细胞等生物细胞的培养。
随着转基因动植物的问世，发酵设备——生物反应器也不再是传统意义上的钢铁设备，昆虫的躯体、动物细胞的乳腺、植物细胞的根茎果实都可以看做是一种生物反应器因此，随着基因工程、细胞工程和酶工程的发展，现代发酵工业已开辟了一片崭新的领域表1 发酵工业发展历史阶段表时间阶段主要技术1900前自然发酵阶段天然接种1900－纯培养阶段单种微生物分离和纯培养技术1940－通气培养阶段好气性发酵工程技术1957代谢控制阶段人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术1960－全面发展阶段微生物酶反应生物合成与化学合成相结合；生物反应器的连续化、自动化1979－基因工程阶段DNA重组技术3. 微生物发酵的特点发酵：任何通过大规模培养微生物来生产产品的过程，包括厌氧发酵和需氧发酵酿造：是我国人们对一些特定产品进行发酵生产的一种叫法，通常把成分复杂、风味要求较高，诸如黄酒、白酒、啤酒、葡萄酒等酒类以及酱油、酱、食醋、腐乳、豆豉、酱腌菜等副食佐餐调味品的生产称为酿造而将成分单一、风味要求不高的产品，如酒精、柠檬酸、谷氨酸、单细胞蛋白等的生产称为发酵发酵的特点：⑴安全简单：发酵过程绝大多数在常温常压下进行，生产过程安全简单；⑵原料广泛：以淀粉、糖蜜或其它农副产品、石化产品为主原料，添加少量营养因子，就可以进行反应了。
⑶反应专一：通过发酵可以得到较为单一的代谢产物，避免不利或有害副产物混在其中；⑷代谢多样：即使极其复杂的高分子化合物，也能在自然界找到所需要的代谢产物；⑸易受污染：由于发酵培养基营养丰富，各种微生物都很容易生长，发酵过程要严格控制染菌；⑹菌种选育：通过各种菌种选育手段得到高产的优良菌种，是能否创造显著经济效益的关键，另外生产过程中菌种会不断变异、退化，因此需进行菌种的选育和优化工作4. 发酵工艺学的研究对象4.1 按产业部门来分 ⑴酿酒行业：黄酒、啤酒、白酒、葡萄酒 ⑵传统酿造行业：酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、酸奶 ⑶有机酸发酵工业：柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等 ⑷酶制剂工业：淀粉酶、蛋白酶等 ⑸氨基酸发酵工业：谷氨酸（味精）、赖氨酸 ⑹功能型食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等 ⑺食品添加剂工业：黄原胶、海藻糖等 ⑻菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等 ⑼维生素发酵：VB2、VB12等 ⑽核苷酸发酵：ATP、IMP、GMP4.2按产品性质来分 ⑴代谢产物发酵：生物细胞在新陈代谢过程中，生物体进行复杂的生物合成，获得了许多重要的代谢产物，包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。
初级代谢产物或中间代谢产物包括各种氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类及糖类等次级代谢产物是由初级代谢的中间体或产品合成的, 许多次级代谢产物具有喆抗微生物的活性，有些是特殊的酶抑制剂，有些是生长促进剂，许多具有药物功效 ⑵酶制剂发酵：酶普遍存在于动植物细胞和微生物细胞内，可以说，所以生物细胞都含有酶工业用酶大多来自于微生物发酵生产的酶，如：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、转化酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、凝乳酶、过氧化氢酶、青霉素酰化酶、胆固醇氧化酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰化酶等 另外，酿酒工业、传统酿造工业等生产中应用的各种曲的生产也相当于酶制剂的生产，其实质在于培养多种微生物并使其分泌多种酶，在生产中发挥其分解淀粉和蛋白质等原料的作用，因此曲的生产也可以看成是复合酶制剂生产 ⑶生物转化发酵：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 ⑷菌体制造：这是以获得具有特定用途的生物细胞为目的产品的一种发酵，包括单细胞蛋白、藻类、食用菌和人、畜防治疾病用的疫苗，生物杀虫剂等的生产。
细胞物质发酵生产的特点是细胞的生长与产物积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，刚进入生长稳定期时细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期 属于食品发酵的有酵母培养、单细胞蛋白培养、藻类、食用菌的发酵藻类含有丰富的维生素、较高的必须氨基酸、生物活性物质（如DHA、EPA等），很多被用来制作保健品食用菌如冬虫夏草、蜜环菌、灵芝、茯苓、香菇等，都已大规模发酵生产5. 发酵工程的发展趋势 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），在最适条件下，生产有价值的产物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的，其关系图如下：基因工程微生物或细胞改良或创建生物新品种细胞工程发酵工程酶工程生化工程产品细胞工程产品图 生物技术五大技术体系关系图 发酵技术处于生物技术的中心位置，绝大多数生物技术的目标都是通过发酵工程来实现的，许许多多通过生物技术发展起来的新产品都必须用发酵方法来生产发酵技术由两个核心部分组成：生物催化剂（包括生物细胞和酶）；生物反应系统，需考虑温度、pH、通气、搅拌等条件的控制，从而使生物细胞呈现最佳的性能，生成和积累大量产物。
从生物技术发展的趋势、发酵与生物技术的关系来分析，发酵工程的发展主要集中在以下几个方面： ⑴利用基因工程技术，人工选育和改良菌种 基因工程是一种将目的基因从DNA上切割下来，在体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导等手段将重组的基因导入受体细胞，使后者获得复制该基因的能力，从而达到定向改变菌种遗传特性或创造新菌种的目的这是常规育种方法无法达到的现已能使微生物获得只有动植物细胞才有的生产特性，如采用微生物发酵技术就能获得价格昂贵的动物性蛋白质，如胰岛素、干扰素等 ⑵结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养 细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的阶段动物细胞可生产生物激素、疫苗、免疫球蛋白等；植物细胞可生产生物碱类、色素、类黄酮、。