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1、 第六章 发酵工程及其在食品工业中的应用第一节发酵工程的概述一、基本概念1、发酵发酵-fermentationfermentationn词源词源词源词源于拉丁文的“fervere”，指酵母作用于果汁或麦芽汁而表现出来的沸腾现象，是糖厌氧发酵产生二氧化碳的结果。n1857年法国微生物家巴斯德巴斯德提出了著名的发酵理论：“一切发酵过程都是微生物作用的结果一切发酵过程都是微生物作用的结果一切发酵过程都是微生物作用的结果一切发酵过程都是微生物作用的结果。”n工业工业工业工业上的发酵定义定义定义定义：任何通过大规模培养微生物来生产产品的过程都是发酵。2、发酵工程、发酵工程fermentation eng
2、ineeringn概念概念概念概念采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。种新技术。种新技术。种新技术。发酵工程是一门综合性的学科综合性的学科综合性的学科综合性的学科，包括微生物学、化学工程、基因工程、细胞
3、工程、机械工程和计算机软硬件工程n研究对象研究对象研究对象研究对象微生物、动物细胞、植物细胞n研究内容研究内容研究内容研究内容 1.1.1.1.菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养 2.2.2.2.发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌 3.3.3.3.发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制 4.4.4.4.发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯u
4、典型的发酵生产过程包括：典型的发酵生产过程包括：确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基；确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌； 菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中接种于发酵罐中 菌种的选育菌种的选育产物萃取和精制产物萃取和精制发酵过程中废弃物的处理与回收发酵过程中废弃物的处理与回收控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得人们渴望的代谢产物度地获得人们渴望的代谢产物 3、发酵的类型、发酵的类型 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是
5、否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由是否需氧是由是否需氧是由是否需氧是由所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。 好氧发酵好氧发酵好氧发酵好氧发酵 (aerobic fermentation) (aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发
6、酵生产菌需多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌促进氧气进入发酵液。拌促进氧气进入发酵液。拌促进氧气进入发酵液。拌促进氧气进入发酵液。 厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵(anaerobic fermentation)(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气，发酵过程无需氧气，发酵过程无需氧气，发酵过
7、程无需氧气，不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维素过程不需要氧气。素过程不需要氧气。素过程不需要氧气。素过程不需要氧气。 按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，发酵分为：发酵分为：发酵分为：发酵分为： 微生物发酵：微生物发酵：微生物发酵：微生物发酵： 植物细胞发酵；植物细胞发酵；植物细胞发酵；植物细胞发酵； 动物细胞发酵。动物细胞发酵。动物细胞发酵。动物细胞发酵。 动植物细胞的发酵历
8、史很短。通常所说的发酵主要动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要是指微生物发酵。是指微生物发酵。是指微生物发酵。是指微生物发酵。4、发酵的意义、发酵的意义 1.1.获得用其它方法不易获得的物质获得用其它方法不易获得的物质获得用其它方法不易获得的物质获得用其它方法不易获得的物质 酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、
9、复杂的多糖等物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，DD、L L型的挑选要用酶的型的挑选要用酶的型的挑选要用酶的型的挑选要用酶的立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。立体
10、专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。 2.2.获得菌体获得菌体获得菌体获得菌体 有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对象。象。象。象。 3.3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质转化为用其它方法不能或不易转化的物质转化为用其它方法不能或不易转化的物质转化为用其它方法不能或不易转化的物质 自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的
11、分解主要靠生物分解。自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的
12、转化产物是纸以及造纸转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸所产生的大量有污染的废水。所产生的大量有污染的废水。所产生的大量有污染的废水。所产生的大量有污染的废水。 n n天然发酵阶段（古代-1900年）n n纯培养技术的建立（1905年-）n n通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）n n开拓发酵原料时期（1960年-）n n基因工程阶段（1979-）二、发酵工程的发展历史发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业氨基酸、氨基酸、核酸发酵核酸发酵( (代谢控制发酵代谢控制发酵代谢控制
13、发酵代谢控制发酵)基因工程基因工程基因工程基因工程菌菌动物细胞大规模培养动物细胞大规模培养植物细胞大规植物细胞大规模培养模培养藻类细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物转基因动物n 第一个转折点第一个转折点第一个转折点第一个转折点：非食品工业（丙酮丁醇、甘油）n 第二个转折点第二个转折点第二个转折点第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业n 第三个转折点第三个转折点第三个转折点第三个转折点：切断支路代谢酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)，解除菌体自身的反馈调节，突变株的应用，前体、终产物、副产物等n 近代转折点近代转折点近代转折点近代转折点：基因、动物、海洋1 1、发酵工程的早期阶
14、段、发酵工程的早期阶段、发酵工程的早期阶段、发酵工程的早期阶段1900年以前，发酵产品只限于含酒精饮料和醋；古埃及已经能酿造啤酒，17世纪能在容量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造n人们的对发酵技术的认识起始于1919世纪末世纪末世纪末世纪末，主要来自于厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。n19161916年年年年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇丙酮丁醇丙酮丁醇丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油(第一次世界大战)由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品
15、工业发展n好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。n19331933年年年年等人发明了摇瓶培养法摇瓶培养法摇瓶培养法摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。2 2、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点19281928年年年年由Fleming发现青霉素19411941年年年年美国和英国合作对青霉素进行生产研究表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基40u/ml19431943年年年年沉浸
16、培养沉浸培养沉浸培养沉浸培养：5m3200u/ml当今：100-200m35-7万u/ml，链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展技术进展技术进展技术进展：l通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题供氧问题供氧问题供氧问题。l抗杂菌污染的纯种培养技术纯种培养技术纯种培养技术纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。 意义意义意义意义：l 抗生素工业的发展； l 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法； l 推动了整个发酵工业的深入发展；l 为现代发酵工程奠定了基础3 3、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸 核酸核酸核酸核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸 微生物变异变异变异变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术 切断支路代谢切断支路代谢切断支路代谢切断支路代谢转折点:酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏)解除菌体自身的反馈调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副产物等4 4、2020世纪世纪世纪世纪7070年代年代年代
