新型食品发酵重点

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1、1.1.2 发酵的定义（1）狭义 “发酵”的定义在生物化学或生理学上发酵是指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量 的一种方式，或者更严格地说，发酵是以有机物作为电子受体的氧化还原产能反应。如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙 酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。（2）广义 “发酵”的定义工业上所称的发酵是泛指利用生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌 氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过 程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。产品即有细胞代谢产物，也包括菌体细 胞、酶等。1.1.3 发酵工程（Fermentat

2、ion Engineering）的定义发酵工程，是利用“生物细胞”的特定功能，通过现代工程技术手段（主要是发酵罐 或生物反应器的自动化、高效化、功能多样化和大型化）生产各种特定的有用物质， 或者把微生物直接用于某些工业化生产的一种生物技术体系。这里的“生物细胞”包 括微生物细胞和动物、植物细胞及其固定化细胞。因此，发酵工程使渗透有工程学 的微生物学，是发酵技术的工程化。 发酵工程是化学工程与生物工程技术相结合的产物，它将微生物学、生物化学、化 学工程学等的基本原理和技术有机地结合在一起，利用微生物进行规模化生产，是 生产加工与生物制造实现产业化的核心技术。 发酵工程技术主要包括提供高性能生产菌

3、种的菌种技术、实现低成本大规模生产产 品的发酵技术和最终获得合格产品的分离纯化技术。进行发酵工程的关键技术（菌 种技术、发酵技术和分离技术）及重大产品的研究开发，将发挥中国丰富的生物资 源优势，提高发酵工程的技术水平，促进生物化工、生物医药、食品加工等相关行 业的产品竞争力和可持续发展。 具体说来，发酵工艺过程的主要内容包括：发酵原料的选择及预处理，微生物菌种的选育及 扩大培养，发酵设备选择及工艺条件控制，发酵产物的分离提取，废弃物的回收和利用等。发酵工程的产品可分为以下六大类： （ 1 ）微生物菌体细胞 如酵母菌、食用菌、微生物农药的生产。 （ 2 ）微生物酶类 如各种酶种、酶制剂和各种曲类

4、的生产。 （ 3 ）微生物代谢产物 如初级代谢产物氨基酸、有机酸、有机溶剂、核苷酸、蛋白 质、核酸和维生素等，次级代谢产物抗生素、生物碱和植物激素的生产等。 （ 4 ）微生物的转化产物 利用微生物代谢过程中的某一种酶或酶系将一种化合物转 化成含有特殊功能基团产物的生物化学反应。如将甘油转化为二羟基丙酮，将葡萄 糖转化为葡萄糖酸，将山梨醇转化为L-山梨糖等。特别是甾体激素的转化受到了广 泛的重视。 （ 5 ）工程菌发酵产物 20 世纪 70 年代兴起的基因工程和细胞工程，取得了飞跃的 发展。通过基因工程和细胞工程创造出许许多多的具有特殊功能的“工程菌”，用发 酵技术可以生产出更多更好的产品，发挥

5、更大的经济效益。 （ 6）动物、植物细胞大规模培养的产物 如利用木瓜细胞大规模培养生产木瓜蛋白 酶，利用植物细胞培养技术生产天然食用色素等。1.3 发酵的类型根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将发酵分成若干类型： （1）按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。 （2）按发酵产物来区分：如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维 生素发酵等。 （3）按发酵形式来区分，则有：固态发酵和深层液体发酵。 （4）按发酵工艺流程区分则有：分批发酵、连续发酵和流加发酵。 （5）按发酵过程中对氧的不同需求来分，一般可分为：厌氧发酵和需氧发酵（通风 发酵）两大类型。1.4 发酵

6、工程的特点 （1）发酵工程使用的原料来源广泛，多为农副产品，其中以碳源为主，只加入少量 有机和无机氮源，不含有毒物质。 （2）发酵工程的反应过程比较温和，通常在常温、常压下进行。而且，反应过程是 以生物体的自身调节方式进行，多个反应就像是一个反应一样，可在单一设备中进 行，因此一种设备可有多种用途。 （3）容易进行复杂的高分子化合物的生产，如酶、化学活性体等。 （4）能够高度选择性地进行复制化合物在特定部位的反应，如甾体化合物的氧化、 还原等。 （5）生产产品的微生物菌体本身也可作为发酵产物。例如，富含蛋白质、酶、维生 素的单细胞蛋白等。 （6）发酵过程是纯种培养过程。生产中使用的设备、管道、

7、截门和培养基都必须严 格灭菌，通入的空气也应该是无菌空气。在操作中应特别注意严格防止污染，尤其 要防止噬菌体的侵入，否则，会引起重大的损失。 （7）在不增加任何设备投资的情况下，通过菌种选育，改良菌种的生产性能来提高 生产能力，可以达到事半功倍的效果。 （8）在发酵生产中，还可以通过改进工艺技术和设备来提高产品的产量和质量。 基于以上特点，工业发酵日益引起人们重视。和传统的发酵工艺相比，现代发酵工 程除了上述的发酵特征之外更有其优越性。除了使用微生物外，还可以用动植物细 胞和酶，也可以用人工构建的“工程菌来进行反应；反应设备也不只是常规的发酵 罐，而是以各种各样的生物反应器而代之，自动化连续化

8、程度高，使发酵水平在原 有基础上有所提高和和创新。发酵工程也有一些问题需要引起重视： （1）底物不可能完全转化为目的产物，而且会有很多副产物产生。如四环素发酵液 中除了有四环素外，还会有金霉素、差向四环素、脱水四环素等副产物。这些副产 物的存在，给提取和精制带来了一定的困难。 （2）由于发酵工程采用的是活细胞，其产物的生产率一方面受外界环境的影响，另 一方面受细胞自身的影响，所以工艺控制比较困难，生产波动比较大。 （3）发酵工程需要的辅助设备多，如空气压缩机、空气净化系统、冷却水系统、灭 菌用蒸汽系统等。因此，动力费用比较高。 （4）发酵中，因为底物浓度不能过高，导致需要使用大体积的反应器。

9、（5）发酵废液中具有较高的COD和BOD，排放前，必须经过处理。1.5发酵工程的应用范围 （1）发酵工程在食品工业上的应用 食品工业是世界上最大的工业之一，也是微生物技术最先开发应用的领域。例如以 糖类物质为主要原料酿造葡萄酒、白酒、黄酒和啤酒，以牛奶为原料生产奶酒、奶 酪、酸奶等发酵乳制品，以淀粉类物质为主要原料生产谷氨酸、赖氨酸等，以豆类 和谷物为原料生产酱油、醋、腐乳和泡菜等，以及用各种原料生产单细胞蛋白等。近年来，发酵工程应用于食品生产和开发，促进了食品工业的飞速发展，主要体现 在四个方面：一是对食品资源的改造与改良；二是将农副原材料加工成商品，如酒 类、调味品等发酵产品；三是对产品进

10、行二次开发，形成新的产品，如许多食品添 加剂等；四是对传统食品加工工艺进行改造，降低能耗，提高产率，改善食品品质 等。1.6 发酵工程的发展史 1.6.1 天然发酵阶段 从几千年前一直到19 世纪，人们利用自然发酵现象，从事酿酒、酱、醋、奶酪 等生产，并积累了有关发酵的经验。但对这种“发酵”的本质的了解，直到19世纪末 仍然是一知半解。因此，当时完全是凭经验而进行家庭作坊式生产，时常被杂菌污 染所困扰。可见 19 世纪末以前的很长时间，发酵工程处于天然发酵阶段，主要产品 有各种饮料酒、酒精、酱、酱油、醋、干酪、酸乳及酵母等。多数产品为嫌气发酵 非纯种培养，凭经验传授技术，产品质量不稳定是这个阶

11、段的特点。 1.6.2 微生物纯培养技术的建立 人类历史上第一个真正看到并描述微生物的人，是荷兰商人、博物学家安东-列文虎 克（Antonie van Leeuwenhoek），他利用自己发明制造的显微镜发现了微生物世界（当 时被称为微小动物）。但此后的 200 年间，微生物学的研究基本上停留在形态描述和 分门别类的阶段。直到19世纪中叶，巴斯德通过著名的Pasteur实验，证明了发酵 原理，指出发酵现象是微小生命体进行的化学反应。其后，他连续对当时的乳酸发 酵、酒精发酵、葡萄酒酿造、食醋制造等各种发酵现象进行研究，明确了这些不同 类型的发酵是由形态上可以区分的各种特定的微生物所引起的。他指出

12、， “酒精发酵 是由于酵母的作用，葡萄酒的酸败是由于酵母以外的另一种更小的微生物（醋酸菌） 的第二次发酵作用所引起的。 ”随之发明了著名的巴氏消毒法，使法国葡萄酒酿造业 免受酸败之苦。巴斯德也因此被人们誉为“发酵之父”。 其后不久，布雷菲尔德（Brefeld）创建了霉菌的纯粹培养法（1872年）；汉逊（Hansen） 建立了啤酒酵母的纯粹培养发酵（1878年）；柯赫（Koch R）完成了细菌纯粹培养 技术（1872 年），从而确立了单种微生物的分离和纯粹培养技术，使发酵技术从天 然发酵转变为纯粹培养发酵。为此，人们设计了便于灭除其他杂菌的密闭式发酵罐 以及其他灭菌设备，开始了乙醇、甘油、丙酮、

13、丁醇、乳酸、柠檬酸、淀粉酶和蛋 白酶等的微生物纯种发酵生产，与巴斯德以前的自然发酵是两个迥然不同的概念。 此阶段称为发酵工程的第一个里程碑以微生物的纯种培养技术为主要特征。 1.6.3 微生物液态深层发酵技术的建立 1929年，弗莱明（Fleming A）发现了青霉菌能抑制其菌落周围的细菌生长的现象， 并证明了青霉素的存在。但由于当时青霉素的产量非常低，并未受到广泛重视。其 后在1940年，钱恩（Chain E B）和弗洛里（Florey H）两位博士精制出青霉素，并 确认青霉素对伤口感染症比当时的磺胺药剂更具疗效，加上第二次世界大战爆发， 青霉素作为医治战伤感染的药物而大力推进了青霉素的工业

14、化生产和研究，成功创 立了液态深层发酵技术。采用液态深层发酵技术，再配以离心、溶剂萃取和冷冻干 燥等技术，使青霉素的生产水平有了很大提高，其中发酵水平从液体浅盘发酵的 40UmL-1效价提高到200UmL-1 （1943年）。随后，链霉素、金霉素等抗生素相继 问世，抗生素工业迅速崛起。此阶段称为发酵工程的第二个里程碑以微生物液 态深层发酵技术为主要特征。 164微生物酶转化及代谢调控技术的应用 1950年一I960年，随着基础生物科学如生物化学、酶化学、微生物遗传学等学科的 飞速发展，再加上新型分析方法和分离方法的发展，发酵工程领域有了两个显著进 步。其一是采用微生物进行甾体化合物的转化技术，

15、其二是以谷氨酸等发酵生产成 功为代表的代谢控制发酵技术的出现。前者以美国为中心，采用微生物的生化反应， 将载体转化成副肾上腺皮质激素、性激素等技术，进行了非常广泛研究，结果几个 甾体化合物系列的激素投入工业化生产。后者是1956年由日本的木下祝郎弄清楚了 生物素对细胞膜通透性的影响，在培养基中限量提供生物素影响了膜磷脂的合成， 从而使细胞膜的通透性增加，谷氨酸得以排出细胞外并大量积累。1957 年，日本将 这一技术应用到谷氨酸发酵生产中，从而首先实现了 L-谷氨酸的工业化生产。谷氨 酸工业化发酵生产的成功促进了代谢调控理论的研究，采用营养缺陷型及类似物抗 性突变株实现了 L-赖氨酸、L-苏氨酸

16、等的工业化生产。此阶段称为发酵工程的第三 个里程碑一一以微生物酶转化及代谢调控技术为主要特征。 165 微生物发酵原料的拓宽 1960 年1970 年这段时期，微生物代谢调控技术在发酵工程中得到了广泛的应用， 几乎所有的氨基酸和核苷酸物质都可以采用发酵法生产。同时，石油微生物的发现， 发酵原料多样化开发研究的开展，促进了单细胞蛋白发酵工业的兴起，使发酵原料 由过去单一性碳水化合物向非碳水化合物过渡。从过去仅仅依靠农产品的状况，过 渡到从工厂、矿业资源中寻找原料，开辟了非粮食（如甲醇、甲烷、氢气等）发酵 技术，拓宽了原料来源的途径。此时期称为发酵工程的第四个里程碑一一以发酵原 料的转变或拓宽为主要特征。 166 微生物基因工程育种 1