食品生物技术导论PPT

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1、食品生物技术导论食品生物技术导论1目 录o第一章第一章 绪绪 论论o第二章第二章 食品与基因工程食品与基因工程o第三章第三章 食品与蛋白质工程食品与蛋白质工程o第四章第四章 食品与酶工程食品与酶工程o第五章第五章 食品与发酵工程食品与发酵工程o第六章第六章 食品与细胞工程食品与细胞工程o第七章第七章 食品生物工程中的下游过程食品生物工程中的下游过程o第八章第八章 食品生物技术与食品安全检测食品生物技术与食品安全检测o第九章第九章 生物技术与食品工业生物技术与食品工业“三废三废”治理治理2第一章第一章 绪绪 论论n第一节第一节 食品生物技术涵义食品生物技术涵义n第二节第二节 食品生物技术研究内容

2、食品生物技术研究内容n第三节第三节 食品生物技术特点食品生物技术特点n第四节第四节 食品生物技术发展简史食品生物技术发展简史n第五节第五节 分子生物学的形成和发展分子生物学的形成和发展3第一节第一节 食品生物技术涵义食品生物技术涵义一、生物技术一、生物技术l所所谓谓生生物物工工程程是是达达到到特特殊殊目目的的生生物物过过程程的的控控制制性性工工程程 “操操纵纵生生物物 （微微生生物物、植植物物、动动物物）的的细细胞胞、组组织织或或酶酶，进进行行生生物物合合成成及及分分解转化解转化”。 二、食品生物技术二、食品生物技术l食食品品生生物物技技术术（food biotechnology）是是利利用用

3、生生物物体体及及其其细细胞胞、亚亚细细胞胞和和分分子子组组成成部部分分，结结合合工工程程学学、信信息息学学等等手手段段去去研研究究及及加加工工处理或制造食品产品的新技术。处理或制造食品产品的新技术。 4第二节第二节 食品生物技术研究内容食品生物技术研究内容一、食品与基因工程一、食品与基因工程l基基因因工工程程又又称称遗遗传传工工程程，它它是是在在体体外外将将异异源源DNA（目目的的基基因因）与与基基因因载体（质粒、病毒等）重组成复制子并转移至宿主细胞的过程。载体（质粒、病毒等）重组成复制子并转移至宿主细胞的过程。 二、食品与酶工程二、食品与酶工程l酶是活细胞产生的具高度催化活性和高度专一性的生

4、物催化剂。酶是活细胞产生的具高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。l所谓酶工程是把酶或细胞或经过修饰后直接应用于化学反应的生物催所谓酶工程是把酶或细胞或经过修饰后直接应用于化学反应的生物催化工程，包括固定化酶、固定化细胞和固定化活细胞体系等。化工程，包括固定化酶、固定化细胞和固定化活细胞体系等。l酶工程的应用能有效地改造传统的食品工业。酶工程的应用能有效地改造传统的食品工业。 5三、食品与发酵工程三、食品与发酵工程n发发酵酵工工程程其其涵涵义义是是采采用用现现代代发发酵酵设设备备，使使经经基基因因重重组组技技术术改改良良的的细细胞胞或或经经其其它它现现代代技技术术改改造造的的菌菌株株进进行行放

5、放大大培培养养和和控控制制发发酵酵，获获得得工工业业化化生产预定的食品产品或食品的功能成分。生产预定的食品产品或食品的功能成分。 四、食品与细胞工程四、食品与细胞工程l应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术、细胞拆合技术以及动物、植物和细胞培养技术，包括细胞融合技术、细胞拆合技术以及动物、植物大量控制性培养技术，还包括染色体工程和细胞质工程等内容。大量控制性培养技术，还包括染色体工程和细胞质工程等内容。 l细胞工程与微生物细胞培养一样，在人工控制条件下在生物反应器中细胞工程与微生物

6、细胞培养一样，在人工控制条件下在生物反应器中大规模培养，获得人类所需要的各种食品产品及保健产品大规模培养，获得人类所需要的各种食品产品及保健产品 6五、食品与蛋白质工程五、食品与蛋白质工程n1983年年美美国国Genex 公公司司KUtrner提提出出蛋蛋白白质质工工程程（protein engineering）概概念念，其其涵涵义义是是指指从从蛋蛋白白质质分分子子结结构构的的设设计计入入手手，将将待待改改进进的的蛋蛋白白质质提提纯纯为为结结晶晶，用用x射射线线衍衍射射等等手手段段研研究究其其空空间间构构象象，确确定定其其需需要要改改变变的的氨氨基基酸酸残残基基，然然后后再再用用基基因因定定位

7、位突突变变和和体体外外定定向向进进化化等等方方法法达达到到修修饰饰蛋蛋白白质质分子空间结构的目的。分子空间结构的目的。 六、食品与后基因组学六、食品与后基因组学l2003年年随随着着人人类类基基因因组组图图谱谱草草图图绘绘制制成成功功，为为后后基基因因组组学学（post-genomics）的的诞诞生生拉拉开开了了序序幕幕。而而现现代代研研究究认认为为，一一个个基基因因可可以以编编码码数数个个蛋蛋白白质质，随随之之形形成成所所谓谓基基因因组组学学（genomics）和和蛋蛋白白质质组组学学（proteomics），近近年年来来，在在日日本本、美美国国和和德德国国等等国国又又启启动动了了营营养养基

8、基因因组学（组学（nutrigenomics）的研究。）的研究。 7七、食品与食品安全七、食品与食品安全n生生物物技技术术的的发发展展为为食食品品安安全全的的检检测测提提供供高高速速高高效效的的PCR系系统统检检测测技技术术。为为加加强强食食品品安安全全在在食食品品加加工工过过程程除除必必须须严严格格执执行行CAC、HACCP、GMP和和ACP安安全全体体系系外外。还还必必须须制制订订切切实实可可行行的的食食品品安安全全监监督督管管理理体体系。系。 8第三节第三节 食品生物技术特点食品生物技术特点一、食品生物技术与食品产业化紧密相关一、食品生物技术与食品产业化紧密相关l食食品品生生物物技技术术

9、对对改改造造传传统统食食品品工工业业和和农农副副产产品品深深加加工工，具具有有革革命命性性意意义义和和较较大大的的经经济济价价值值。食食品品生生物物技技术术即即食食品品生生物物工工程程包包括括上上游游工工程程（up stream process）和和下下游游工工程程（down stream process），整整个个过过程程有有多多个个操操作作工工序序，一一环环扣扣一一环环，核核心心技技术术为为生生物物技技术术和和酶酶工工程程，形形成成较较为为完完整整的的产产业业链链，如图如图1-1所示。所示。 图图1-1 食品生物技术产业链示意图食品生物技术产业链示意图9二、食品生物技术属边缘性交叉学科二、

10、食品生物技术属边缘性交叉学科n生生物物技技术术是是研研究究生生命命的的科科学学技技术术，是是生生物物科科学学和和工工程程学学综综合合交交叉叉的的边边缘学科。缘学科。 三、食品生物技术具有三、食品生物技术具有“六高六高”基本特征基本特征l食食品品生生物物技技术术与与其其他他高高新新技技术术一一样样，对对国国民民经经济济的的发发展展和和食食品品工工业业的的革革新新具具有有“六六高高”的的基基本本特特征征：即即高高效效益益，高高智智力力、高高投投入入、高高竞竞争争、高风险和高潜力。高风险和高潜力。 四、食品生物技术属高新技术范畴四、食品生物技术属高新技术范畴l根根据据当当今今世世界界科科技技发发展展

11、对对世世界界经经济济发发展展贡贡献献情情况况。信信息息、能能源源、生生物物技术、航天、材料、汽车和环境等己被列为世界技术、航天、材料、汽车和环境等己被列为世界“七大七大”高科技领域。高科技领域。 10五、食品生物技术已成为食品科学发展的重要研究方向五、食品生物技术已成为食品科学发展的重要研究方向n食食品品生生物物技技术术作作为为生生物物技技术术的的分分支支学学科科，在在自自然然科科学学中中涵涵盖盖范范围围广广为为其特征。其特征。 第四节第四节 食品生物技术发展简史食品生物技术发展简史一、史前时期一、史前时期l从从出出土土文文物物发发现现，追追溯溯至至距距今今数数千千多多年年前前的的龙龙山山文文

12、化化时时期期。酿酿酒酒、制制醋和制酱等发酵技艺已经发展到世界一流水平。醋和制酱等发酵技艺已经发展到世界一流水平。 11二、近代时期二、近代时期n从从19世世纪纪50年年代代开开始始，伴伴随随着着欧欧洲洲的的文文艺艺复复兴兴带带来来科科学学和和工工业业的的繁繁荣荣。由由于于法法国国科科学学家家巴巴斯斯德德（Pasteur）对对微微生生物物学学创创立立的的贡贡献献，德德国国科科学学家家柯柯赫赫（Koch）发发明明了了微微生生物物的的分分离离和和纯纯种种培培养养技技术术和和法法国国学学者者布布合合乃乃尔尔（Buchner）兄兄弟弟俩俩通通过过实实验验揭揭示示了了发发酵酵本本质质是是细细胞胞中中酶酶的

13、的作作用用。标标志志着着传传统统食食品品生生物物技技术术向向近近代代食食品品生生物物技技术术的的发发展展。从从传传统统发发酵酵食食品的生产靠天然微生物作用品的生产靠天然微生物作用 。三、现代的发展三、现代的发展l从从20世世纪纪50年年代代初初开开始始，伴伴随随着着生生物物化化学学，遗遗传传学学和和化化学学分分析析技技术术的的发发展展。特特别别是是1953年年“DNA双双螺螺旋旋结结构构”的的发发现现、1969年年酶酶固固定定化化技技术术的的应应用用成成果果和和1973年年基基因因工工程程诞诞生生等等重重大大科科技技成成就就为为标标志志的的划划时时代代发发展展 12第五节第五节 分子生物学的形

14、成和发展分子生物学的形成和发展一、细胞学说一、细胞学说l在在19世世纪纪中中时时施施莱莱登登和和施施旺旺（Schwann）两两位位学学者者经经过过20年年的的研研究究绘绘出有关细胞结构明显图象和细胞组成，从而创立了细胞学说。出有关细胞结构明显图象和细胞组成，从而创立了细胞学说。 二、生物进化论二、生物进化论l奥奥地地利利学学者者格格里里哥哥尔尔.孟孟德德尔尔（Gregor Mendel）研研究究认认为为，遗遗传传性性状状是由一对遗传因子决定的，是由一对遗传因子决定的， 13四、摩尔根的基因学说四、摩尔根的基因学说n摩摩尔尔根根提提出出：“物物质质必必须须由由某某种种独独立立的的要要素素组组成成

15、，正正是是这这些些要要素素我我们们叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因”。五、基因本质的发现五、基因本质的发现l摩摩尔尔根根提提出出：“物物质质必必须须由由某某种种独独立立的的要要素素组组成成，正正是是这这些些要要素素我我们们叫叫做做遗遗传传因因子子，或或者者更更简简单单地地叫叫做做基基因因”。多多年年来来研研究究证证实实这这种种转转化化物质就是物质就是DNA，这是基因本质的重大发现。，这是基因本质的重大发现。 14六、分子生物学的诞生六、分子生物学的诞生n1953年年美美国国遗遗传传学学家家詹詹姆姆斯斯.沃沃森森（James D .Watson）和和英英国国生

16、生物物物物理理学学家家弗弗朗朗西西斯斯.克克里里克克（Francis crick）根根据据莫莫.休休.弗弗.威威尔尔金金斯斯（M.H.F.wilkins）的的x-射射线线衍衍射射等等系系列列图图谱谱结结构构分分析析基基础础上上，用用标标度度分分子子模模型型在在英英国国Max Perutz教教授授分分子子生生物物学学实实验验室室进进行行研研究究。其其研研究究成成果果，在在英英国国自自然然杂杂志志上上发发表表的的DNA结结构构一一文文，提提出出了了“DNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型”。首首次次阐阐明明了了D结结构构与与功功能能，为为遗遗传传信信息息的的贮贮存存、传传递递和和利利用用提提供供了了科

17、科学学依依据据，创创立立了了现现代代分分子子生生物物学学。这这是是20世世纪纪科科学学史史上上划划时时代代的的里里程程碑碑。Watson和和crick均均为为诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者。DNA双双螺螺旋旋结构分子模型如图结构分子模型如图1-1、1-2所示其结构要点说明如下：所示其结构要点说明如下： 图图1-1 DNA分子双螺旋结构模型分子双螺旋结构模型图图1-2 DNA双螺旋结构分子模型双螺旋结构分子模型 15n（1）DNA是是由由两两条条极极性性相相反反并并互互补补的的多多聚聚核核苷苷酸酸链链，围围绕绕中中心心轴轴的的双螺旋结构。此螺旋为右螺旋，并存在大沟和小沟。双螺旋结构。此螺旋为右螺旋

18、，并存在大沟和小沟。n（2）两两条条链链中中碱碱基基之之间间按按照照A配配对对T、G配配对对C的的互互补补原原则则，DNA两两链链间间的的维维系系主主要要靠靠氢氢键键，其其中中A与与T之之间间形形成成二二个个氢氢键键，G与与C之之间间形形成三个氢键。成三个氢键。n（3）双双螺螺旋旋的的直直径径为为2nm，两两个个相相邻邻碱碱基基的的间间距距为为0.34nm，每每10个个碱碱基基的的间间距距为为3.4nm，构构成成一一段段完完整整的的螺螺旋旋结结构构，其其相相邻邻碱碱基基的的夹夹角角为为36。n（4）两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链间间碱碱基基配配对对的的互互补补规规律律为为：A配配对对T或或T

19、配配对对A、G配对配对C或或C配对配对G，而且其分子比率为，而且其分子比率为1。16n（1）DNA分分子子能能自自我我复复制制根根据据DNA双双螺螺结结构构模模型型，在在两两条条多多聚聚核核苷苷酸酸链链中中，任任何何一一条条都都可可以以作作为为另另一一条条生生物物合合成成的的模模板板，这这一一点点明明显显地地不不同同于于其其它它生生物物大大分分子子。经经过过自自我我复复制制出出来来的的每每一一个个DNA分分子子中中的的一一条条链链被被保保留留下下来来。这这种种复复制制，称称为为半半保保 留留 复复 制制 （ Semi conservative replication）（如图）（如图1-3）。）

20、。 n（2）DNA是遗传基因的载体是遗传基因的载体 可以从分子水平上阐明其生物学功能：可以从分子水平上阐明其生物学功能：图图1-3 半保留复制示意图半保留复制示意图17n（3）DNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型为为遗遗传传信信息息的的保保存存、传传递递和和利利用用提提供供了了基基础础。同同时时，根根据据1970年年Crick等等人人提提出出的的分分子子生生物物学学中中心心法法则则，如图如图1-4所示。所示。 n（4）DNA的的调调节节功功能能1961年年，法法国国 分分 子子 生生 物物 学学 家家 F.Jacob和和J.Monod首首次次证证实实在在大大肠肠杆杆菌菌（）基基因因调调节节事事实

21、实，提提出出了了乳乳糖糖操操纵纵子（子（Lac Operon）假说。）假说。 图图1-4 分子生物学中心法则分子生物学中心法则5l应应用用乳乳糖糖操操纵纵子子假假说说，从从分分子子水水平平上上阐阐明明基基因因控控制制蛋蛋白白质质的的诱诱导导合合成成另一种酶合成调节与酶的诱导合成机制不同，称为酶的反馈阻遏。另一种酶合成调节与酶的诱导合成机制不同，称为酶的反馈阻遏。 18n第一节第一节 概概 述述n第二节第二节 工具酶工具酶n第三节第三节 目的基因制备目的基因制备n第四节第四节 基因载体基因载体n第五节第五节 基因重组基因重组n第六节第六节 转化、增殖和表达转化、增殖和表达n第七节第七节 基因工程

22、在食品工业中应用基因工程在食品工业中应用n第八节第八节 后基因组学及其应用研究后基因组学及其应用研究第二章第二章 食品与基因工程食品与基因工程19第一节第一节 概概 述述一、基因工程的诞生一、基因工程的诞生l1973年年S.N.Cohen等等在在美美国国科科学学院院学学报报（PNAS）上上发发表表了了题题为为“Construction of Biological Functional Bacterial Plasmid in Vitro”，阐阐明明了了体体外外构构建建的的细细菌菌质质粒粒能能够够在在细细胞胞中中进进行行表表达达，标标志志着着基基因因工工程程的的诞生诞生 20二、基因工程涵义、特

23、点及其操作步骤二、基因工程涵义、特点及其操作步骤n基基因因工工程程（gene engineering）又又称称为为分分子子克克隆隆（molecular cloning）或或重重组组DNA技技术术（recombinant DNA Technology），其其涵涵义义为为：用用酶酶学学方方法法，将将异异源源基基因因与与载载体体DNA在在体体外外进进行行重重组组，将将形形成成的的重重组组子子DNA导导入入宿宿体体细细胞胞，使使异异源源基基因因在在宿宿体体细细胞胞中中复复制制表表达达，从从而而达达到到改改造造生生物物品品种种或或性性状状，大大量量生生产产出出人人类类所所需要生物品种和产物。需要生物品种

24、和产物。n基因工程操作过程如图基因工程操作过程如图2-1所示。所示。图图2-1基因工程操作过程示意图基因工程操作过程示意图221三、基因工程的发展三、基因工程的发展n1977年年英英国国分分子子生生物物学学家家F.Sanger发发明明了了快快速速DNA测测序序技技术术并并首首先先完完成的全长成的全长5387bp的的174噬菌体基因组全序列的测定噬菌体基因组全序列的测定 。n1982年年第第一一个个由由基基因因工工程程菌菌生生产产的的药药物物胰胰岛岛素素已已在在美美国国和和英英国国获获准准使使用。用。 n1983年年第第一一个个转转基基因因植植物物培培育育成成功功，1992年年第第一一个个转转基

25、基因因玉玉米米及及转转基基因因小小麦麦植植株株诞诞生生，1994年年转转基基因因番番茄茄上上市市。1996年年完完成成了了酵酵母母基基因因组组DNA（125105bp）的的全全序序列列测测定定。2003年年人人类类基基因因组组计计划划经经过过20多多年年努努力力已已宣宣布布草草图图描描绘绘成成功功。为为后后基基因因组组时时代代的的诞诞生生拉拉开开了了序序幕幕 。22第二节第二节 工具酶工具酶n在基因工程中应用的酶统称为工具酶（在基因工程中应用的酶统称为工具酶（enzyme of tools）。）。 l一、限制性内切酶种类一、限制性内切酶种类l限制性内切酶有三种类型：限制性内切酶有三种类型：I型

26、酶、型酶、II型酶和型酶和III型酶。型酶。 lII型型酶酶分分子子量量较较小小，大大约约20-100kD，是是一一种种简简单单的的单单功功能能酶酶，作作用用时时无无需需辅辅助助因因子子或或只只需需Mg2+，能能识识别别双双链链DNA上上特特异异的的核核苷苷酸酸序序列列，同同时时专专一一性性强强，而而且且其其识识别别序序列列与与切切割割序序列列相相一一致致。这这类类酶酶特特别别适适合合于基因工程操作。于基因工程操作。 l二、限制性内切酶命名二、限制性内切酶命名l1973年，年，H.O.Smith和和Nathaus提出限制性内切酶的命名原则提出限制性内切酶的命名原则 一、限制性内切酶一、限制性内

27、切酶l限限制制性性内内切切酶酶（restriction endonuclease 简简称称RE）是是一一类类专专一一性性很很强强的核酸内切酶的核酸内切酶 23l三、限制性内切酶的作用机制和作用方式三、限制性内切酶的作用机制和作用方式n如图如图2-2所示所示图图2-2限制性核酸内切酶作用机制限制性核酸内切酶作用机制 l其作用方式及识别位点有如下几种：其作用方式及识别位点有如下几种：l1.识别不同的特异核苷酸序列识别不同的特异核苷酸序列lEcoR I识别识别lHae I识别识别 24nAsu I识别识别 nEcoR II识别识别nMbo I识别识别 n注：注：表示切割表示切割5-磷酸二酯键位置。磷

28、酸二酯键位置。n2.识别序列皆具有回文结构识别序列皆具有回文结构n3.切切割割后后形形成成各各种种粘粘性性末末端端或或平平整整末末端端，按按其其切切割割双双链链的的方方式式可可分分两种：粘性末端和平整末端。两种：粘性末端和平整末端。 l限限制制性性内内切切酶酶错错位位切切割割DNA双双链链而而形形成成彼彼此此互互补补的的单单链链末末端端，称称为为粘性末端（粘性末端（Cohesion ends）。）。 25n另另一一种种是是在在同同一一位位点点平平齐齐切切割割DNA两两条条链链而而形形成成的的双双链链末末端端，称称为为平平整整末末端端（Flush ends）。如）。如Alu I的识别序列为：的识

29、别序列为：l4.切割后形成异源二聚体切割后形成异源二聚体l四、限制性内切酶识别序列及反应系统四、限制性内切酶识别序列及反应系统l限制性核酸内切酶在双链限制性核酸内切酶在双链DNA上能够识别的特殊核苷酸序列称为识别序列。上能够识别的特殊核苷酸序列称为识别序列。l稀稀切切酶酶（rare cuting enzymes），如如表表2-1所所示示 ，同同裂裂酶酶（isoschizomer）如如表表2-2所所示。同尾酶（示。同尾酶（isocaudamer），如表），如表2-3所示。所示。 26表表2-1 部分限制性内切稀切酶部分限制性内切稀切酶2稀切酶切 割 位 点 数识别序列Ad2SV40X174M13

30、mp7PBr322T7TPAA.DFseIGGCCGGCCO30000001NotIGCGGCCGC070000000RsrIICGGWCCG520000110SfiIGGCCN5CCGG031000112SgrICrCCGGyG760001000SwaIATTT/AAAT011010101表表2-2 具有相同切割位点的同裂酶具有相同切割位点的同裂酶限制性核酸内切酶识别序列及切割位点限制性核酸内切酶识别序列及切割位点AatI，StuIAAGG/CCTBamHI，BstIG/GATCCAccII，FnuDII，MunI，ThaICG/CGBbnIII，ClaIBbuI，SphIAT/CGATGC

31、ATG/CAccIII，BspII，MroIT/CCGGABbrPI，PmaCICAC/GTGAcyI，AhaII，AnsII，BbiIIGr/CgyCBcnI，NciIBspRI，HaeIII，PatICC/sGGGG/CCAflI，AuaII，Eco471G/GwCCBstYI，MflI，XhoIIR/GATCyAflII，BfrIC/AATTGCcrI，PaeR71，XhoI，SexIC/TCGAGAhaIII，DraITTT/AAACelII，EspIGC/TnAGCAocI，Bsu361，Crnl,Eco811CC/TnAGGCfoI，HhaICfrI，EaeIGCG/CY/GGCC

32、r27AocII，BmyI，Bsp1286，NspII，SduIGdGCh/CDarII，EcoO1091EagI，EclXI，Eco521rG/GnnCCyC/GGCCGAosI，AuiII，PspITGC/GCAEcoT141，StyIC/CwwGGApaLI，SnoIG/TGCACEcoVIII，HindIIIA/AGCTTApyI，BstNI，MvaICC/wGGHapII，HpaII，MspIC/CGGAquI，AvaI，AvrI，NspIIIC/yCrGHincII，HindIIGty/rACAseI，AsnIAT/TAATKsPI，SacII，SstIICCGC/GGAsp700

33、1，XmnIGAAnn/nnTTCNspHI，NsPIrCAtG/yAspHI，HgiAIGwGCw/GPvuI，XorIICGAT/CGAspI，Tth111GACn/nnGTCSacI，SstIGAGCT/CAspI，Cfr131，NspIV，Sau961G/GnCCTaqI，TthHB81XamI，XcyIT/CGAC/CCGGGAsuII，BstBI，NspV，SfuITT/CGAA表表2-3 部分限制性核酸内切同尾酶部分限制性核酸内切同尾酶2黏性末端限 制 性 核 酸 内 切 酶5CATGAflIII，DsaI，NcoI，StyI，BspHI5GATCSau3A，NdeII，BglI

34、I，XhoII，BamHI，MleI，BelI5GGCCEclXI，EaeI5CGCGMluI，AflIII，BssHII，DsaI5CCGGCfr10，AgeI，XmaI，AvaI，MorI5TCGASaeI，XhoI，AvaI5GTACSap718，BanI，SphI5CTAGSpeI，NheI，AvrII，StyI，XbaI5CGMaeI，AcyI，HinPI，NarI，HpaII，MspI，TaqI，ClaI，AccI，SfuI5TANdeI，MaeI，MseI，AsnICATG3NlaIII，NspI，SphIAGCT3SacI，BanII，BmyIGGCC3ApaI，BanII，B

35、myI，AspHITGCA3NsiI，AspHI，BmyI，PstIGCGC3HaeII，BbeI28二、基因工程操作中的其他酶二、基因工程操作中的其他酶（一）、（一）、DNA连接酶连接酶（二）、（二）、DNA聚合酶聚合酶I（三）、碱性磷酸酯酶（三）、碱性磷酸酯酶（四）、（四）、T4多聚核核苷酸激酶多聚核核苷酸激酶（五）、（五）、S1核酸酶核酸酶（六）、反向转录酶（六）、反向转录酶29第三节第三节 目的基因制备目的基因制备n原原核核生生物物基基因因的的分分离离多多采采用用前前法法，而而真真核核细细胞胞基基因因的的分分离离则则采采用用后后两两种方法。种方法。一、生物学方法一、生物学方法l原原核核

36、生生物物中中常常用用鸟鸟枪枪射射击击法法或或滔滔弹弹散散射射法法（shotgun cloning）来来克克隆隆分分离离基基因因。此此法法优优点点是是：快快速速简简便便、产产物物纯纯度度高高，是是真真正正的的天天然然基基因因，兼有外显子和内含子。兼有外显子和内含子。 l另另一一种种生生物物学学方方法法是是采采用用分分子子杂杂交交手手段段。1973年年，Shin和和Martin用用分分子杂交技术分离目的基因获得成功。子杂交技术分离目的基因获得成功。30二、化学合成法二、化学合成法化学合成一个循环有如下化学合成一个循环有如下4个步骤：个步骤：l整个合成反应历程如图整个合成反应历程如图2-3表示。表示

37、。 图图2-3 固定化亚磷酸三酯法合成寡聚核苷酸固定化亚磷酸三酯法合成寡聚核苷酸31三、基因文库法三、基因文库法n基基因因文文库库（gene library）或或称称为为DNA文文库库，它它是是指指用用克克隆隆方方法法将将一一种种生生物物全全部部基基因因组组以以重重组组体体的的方方式式长长期期保保持持在在适适当当的的宿宿主主中中。当当需需要要重重组组体体DNA某某一一片片段段时时，便便可可以以在在此此文文库库中中查查找找。基基因因文文库库又又称称为为cDNA文库文库34。cDNA文库构建的步骤：文库构建的步骤：l1.酶促合成法制取酶促合成法制取cDNAl2.从组织或细胞中制备总从组织或细胞中制

38、备总RNA和和mRNAl3.合成合成cDNA第一条链第一条链32l其反应过程为图其反应过程为图2-5的所示。的所示。图图2-5 合成合成cDNA第一链反应过程第一链反应过程33l4. cDNA第二条链的合成，其反应历程如图第二条链的合成，其反应历程如图2-6所示。所示。图图2-6 置换法合成置换法合成cDNA反应过程反应过程34四、四、PCR扩增法扩增法n1985年年 ， 美美 国国 Cetus公公 司司 的的Mullis等等人人开开发发成成功功的的聚聚合合酶酶链链式式反反应应（Polymerase chain reaction，PCR ）技技术术，这这一一快快速速地地扩扩增增特特异异DNA片

39、片段段系系统统在在分分子子生生物物学学领领域域中中是是一一项项重大的革新。重大的革新。 n其反应历程如图其反应历程如图2-7所示。所示。图图2-7 PCR扩增技术基本原理扩增技术基本原理35第四节第四节 基因载体基因载体n目目前前，在在基基因因工工程程中中应应用用的的基基因因载载体体主主要要是是质质粒粒、病病毒毒和和噬噬菌菌体体，它它们们都都能能担担当当无无性性繁繁殖殖载载体体。因因为为它它们们均均符符合合作作为为载载体体应应具具备备的的下下列列条条件：件：n（1）本身是一个复制子，能自我复制；）本身是一个复制子，能自我复制；n（2）相对分子质量较小，）相对分子质量较小， n（3）能给宿主细胞

40、（受体细胞）提供可选择标记）能给宿主细胞（受体细胞）提供可选择标记 n（4）只有单一限制性内切酶切点）只有单一限制性内切酶切点一、质一、质 粒粒l质质粒粒（plasmid）存存在在于于细细菌菌、放放线线菌菌及及酵酵母母细细胞胞内内细细胞胞质质中中双双螺螺旋旋共共 价价 闭闭 环环 的的 DNA（ covalently,closed and circular DNA,缩缩 写写 为为cccDNA）。它能进行独立复制并保持恒定遗传的复制子。）。它能进行独立复制并保持恒定遗传的复制子。 36（一）质粒载体（一）质粒载体pBR322npBR322是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的人人工工构构建建的的

41、载载体体之之一一。如如图图2-8所所示示5。用用小小写写英英文文字字母母P代代表表质质粒粒，BR表表示示该该质质粒粒 研研究究者者Bolivar 和和Rogigerus，而而322是是具具体体研研究究编编号号。pBR322大大小小为为4363bp，（1bp=1碱基对）含有碱基对）含有2个抗生素抗性基因个抗生素抗性基因 。npBR322质质粒粒具具有有抗抗菌菌素素抗抗性性基基因因 ，构构建建的的pBR325、pBR327如如图图2-9、图图2-10所示。所示。 图图2-9 pBR325衍生质粒衍生质粒 图图2-10 pBR327衍生质粒衍生质粒37（二）质粒载体（二）质粒载体PUCnpUC质质粒

42、粒是是在在pBR322的的基基础础上上，在在未未端端加加入入一一段段多多克克隆隆位位点点（multiple cloning sites,MCS）的）的LacZ基因。基因。二、二、噬菌体噬菌体l噬噬菌菌体体（Phage）是是病病毒毒的的一一种种，形形态态微微小小，只只能能在在电电子子显显微微镜镜下下才才能观察到。能观察到。 三、三、M13噬菌体噬菌体四、病毒四、病毒38第五节第五节 基因重组基因重组n基基因因重重组组即即将将目目的的基基因因（或或外外源源基基因因）与与载载体体在在体体外外结结合合构构建建形形成成重重组子。组子。 图图2-11 DNA体外重组方式体外重组方式 39第六节第六节 转化

43、、增殖和表达转化、增殖和表达一、转化一、转化1、宿主细胞、宿主细胞2、感受态、感受态3、扩增检筛、扩增检筛 R.K.Saiki和和K.B.Mullis分分别别于于1985年年和和1987年年发发展展了了一一种种“多多聚聚酶酶链反应（链反应（polymerase chain reaction,PCR）” 。 PCR技技术术操操作作步步骤骤为为：反反复复将将目目的的基基因因片片段段进进行行热热变变性性处处理理，令令其其双双股股链链解解开开；进进行行反反链链杂杂交交、退退火火、形形成成单单链链；用用Taq DNA多多聚聚酶酶沿沿DNA链链全全程程全全成成出出两两股股双双链链DNA分分子子；然然后后开

44、开始始第第二二个个反应周期反应周期 。40二、基因表达二、基因表达 克隆克隆DNA的最终目的是表达最终目的产物。因此，通过的最终目的是表达最终目的产物。因此，通过DNA重重组技术使特定基因片段在受体细胞内大量增殖，拷贝数目大大增加，组技术使特定基因片段在受体细胞内大量增殖，拷贝数目大大增加，就必须使特点基因进一步转录、翻译为相应的蛋白质（或酶），进而就必须使特点基因进一步转录、翻译为相应的蛋白质（或酶），进而获得它们的代谢产物，这一过程获得它们的代谢产物，这一过程称为基因表达。称为基因表达。 第七节第七节 基因工程在食品工业中应用基因工程在食品工业中应用一、转基因微生物食品一、转基因微生物食品

45、转基因微生物菌株则称为工程菌（转基因微生物菌株则称为工程菌（engineering strain）。）。 41（一）应用于提高食品产品的品质（一）应用于提高食品产品的品质第第 一一 个个 采采 用用 基基 因因 工工 程程 改改 造造 的的 食食 品品 微微 生生 物物 为为 面面 包包 酵酵 母母（saccharomyces cerevisiae）。 1991年年，英英国国政政府府批批准准通通过过了了DNA重重组组面面包包酵酵母母工工程程菌菌的的商商业业化化应应用用7。在在啤啤酒酒酿酿造造中中一一乙乙酰酰乳乳酸酸通通过过自自发发氧氧化化作作用用形形成成双双乙乙酰酰，双双乙乙酰酰形形成成机机理

46、理及及其其基基因因重重组组控控制制双双乙乙酰酰如图如图2-12、图、图2-13所示。所示。图图2-12 啤酒酿造中双乙酰形成机理啤酒酿造中双乙酰形成机理图图2-13 啤酒酵母导入啤酒酵母导入-乙酰乳酸脱羧酶基因后双乙酰酶促转化乙酰乳酸脱羧酶基因后双乙酰酶促转化42（二）应用于简化工艺，缩短生产周期（二）应用于简化工艺，缩短生产周期近年来，在一个啤酒酵母菌株中表达了一个内源性的近年来，在一个啤酒酵母菌株中表达了一个内源性的PGUI基因，结果基因，结果发现这个重组菌株能够分泌有活性的内聚半乳糖酸酶，可以大大缩短葡萄酒发现这个重组菌株能够分泌有活性的内聚半乳糖酸酶，可以大大缩短葡萄酒的过滤时间。的过

47、滤时间。 （三）应用于食品的抗菌和防腐保鲜（三）应用于食品的抗菌和防腐保鲜现将工程菌在食品工业应用较多的菌株如列表现将工程菌在食品工业应用较多的菌株如列表2-4所示。所示。 表表2-4 基因工程改良的微生物工程菌基因工程改良的微生物工程菌工程菌名称改造的方式用 途Lactobacillus修饰细菌素合成乳制品生产、无污染物质生产Lactococcus修饰蛋白酶活性乳制品生产加速干酪熟化避免噬菌体感染提高菌种稳定性修饰溶菌酶合成干酪生产，预防杂菌感染43Saccharomyces葡聚糖酶基因导修啤酒酵母中表达啤酒生产，缩短发酵时间Cerevisiae饰豌豆脂肪氧化酶增强面团流变学物性及稳定性Sa

48、ccharomyces Carlsbergensis修饰来自Enterobacter aerogenes或Aceto-bacter pasteurianus的a-乙酸乳酸脱羧酶基因缩短酿造周期修饰来自Aspergieeus niger 的葡萄糖淀粉酶基因应用于淀粉降解和低热量啤酒的生产修饰来自Schwanniomyces occidentalis的淀粉酶和葡萄糖淀粉酶应用于淀粉酒精和低热量啤酒的生产葡聚糖酶应用于葡聚糖降解和啤酒过滤澄清Saccharomyces Cerevisiae-1,4-葡聚糖酶基因导入葡萄酒酵母中表达增加酿制酒的果香味萜类化合物形成（四）应用于食品级酶制剂生产菌的改良（

49、四）应用于食品级酶制剂生产菌的改良 凝乳酶（凝乳酶（chymosin）是第一个应用基因工程技术把小牛胃中的凝）是第一个应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移至细菌或真核微生物生产的一种酶。乳酶基因转移至细菌或真核微生物生产的一种酶。 现将现将NovoNordisk、Gist-Brocades等公司采用基因工程改良霉菌等公司采用基因工程改良霉菌种列于表种列于表2-5、表、表2-6、表、表2-7。 44表表2-5 丹麦丹麦Novo Nordisk公司利用基因工程改良产酶微生物菌种公司利用基因工程改良产酶微生物菌种124546（5）应用于生产保健食品的有效成分）应用于生产保健食品的有效成分n现现

50、在在，可可以以采采用用转转基基因因手手段段，在在动动、植植物物或或其其细细胞胞中中，得得到到基基因因表表达达而而制制造造有有益益于于人人类类健健康康的的保保健健成成分分或或有有效效因因子子。采采用用基基因因重重组组构构建建军军一一株株高高表表达达的的单单链链蛋蛋白白2.5-DKG还还原原酶酶，以以加加速速催催化化生生成成维维生生素素C的的前体前体2-KLG，便可有效地缩短生产维生素，便可有效地缩短生产维生素C的生产周期。的生产周期。 n超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶（SOD）能能有有效效消消除除氧氧自自由由基基， Brehm等等人人将将BStearothermophilus的的Mn-SOD基基因

51、因克克隆隆入入大大肠肠杆杆菌菌中中，其其重重组组体体Mn-SOD在在大大肠肠杆杆菌菌高高效效达达，产产生生的的SOD占占可可溶溶性性蛋蛋白白49%。采采用用基基因因重重组组技技术术克克隆隆破破囊囊壶壶菌菌（Thraustochy triumroseum）DHA合合成成关关键键酶酶基基因因，进进而而在在酵酵母母真真核核细细胞胞中中表表达达。Anammartet14克克隆隆了了毕毕氏氏酵母酵母9脂肪酸脱饱和酶基因及其调节机制。脂肪酸脱饱和酶基因及其调节机制。47（6）应用于食品微生物快速检测）应用于食品微生物快速检测n随随着着DNA分分子子检检测测技技术术和和PCR等等技技术术的的应应用用，可可使

52、使沙沙门门氏氏菌菌、李李斯斯特特氏菌、致泻性氏菌、致泻性E.coli等食源性微生物的检测已发展到一个新水平。等食源性微生物的检测已发展到一个新水平。 二、转基因动物食品二、转基因动物食品l转转基基因因动动物物食食品品是是由由转转基基因因动动物物产产生生的的食食物物或或利利用用转转基基因因动动物物为为原原料料生生产产的的食食品品或或食食品品添添加加剂剂。 1985年年，第第一一例例转转基基因因家家畜畜研研制制成成功功由由于于转转基基因因家家禽禽及及其其生生产产的的食食品品是是人人类类较较直直接接的的食食物物，基基因因重重组组技技术术改改进进牛奶成分如表牛奶成分如表2-8所示。所示。 48表表2-

53、8 基因重组技术改进牛奶成分基因重组技术改进牛奶成分1849三、转基因植物食品三、转基因植物食品n所所谓谓转转基基因因植植物物食食品品是是指指由由转转基基因因植植物物产产生生的的食食物物或或利利用用转转基基因因植植物物为为原原料料生生产产的的食食品品或或食食品品添添加加剂剂。1983年年，世世界界上上第第一一例例转转基基因因植植物物即即转转抗抗虫虫基基因因的的烟烟草草问问世世。1994年年美美国国FDA批批准准延延熟熟保保鲜鲜的的转转基基因因番番茄茄上上市。市。 nTi质质粒粒是是诱诱导导植植物物肿肿瘤瘤的的质质粒粒。依依据据T区区携携带带基基因因功功能能，可可决决定定植植物物冠冠瘿瘿瘤瘤的的

54、形形成成和和控控制制冠冠瘿瘿碱碱的的合合成成。Ti质质粒粒结结构构中中的的可可转转移移DNA（T-DNA）复复促促进进Ti质质粒粒转转移移至至植植物物细细胞胞Ch-DNA中中。其其基基因因重重组组和和转转移移过过程程如图如图2-15所示。所示。图图2-15 利用利用Ti质粒将外源基因转导入植物组织示意图质粒将外源基因转导入植物组织示意图250n至至目目前前为为上上，在在欧欧洲洲根根据据相相关关法法规规（90/220EEC）已已有有10多多种种转转基基因因植植物物（作作物物）被被批批准准上上市市，如如表表2-9所所示示。在在世世界界上上有有23个个作作物物品品系系已已准准许许进进行行种种植植和和

55、饲饲料料使使用用，延延迟迟成成熟熟番番茄茄（表表2-10）以以及及改改变变脂脂肪肪含含量的转基因作物（如表量的转基因作物（如表2-11）也已在某些国家准予种植。）也已在某些国家准予种植。表表2-9 欧洲获准上市的转基因作物及其产品欧洲获准上市的转基因作物及其产品1851表表2-10 世界各地种植的延迟成熟番茄及其产品世界各地种植的延迟成熟番茄及其产品18l注注：MFA改改变变脂脂肪肪酸酸含含量量（GmFad2-1 为为-12-去去饱饱和和酶酶基基因因；BayTE为为硫硫脂脂酶酶基基因因，源源自自海海湾湾月月桂桂树树Umbellaria californica）；ABR抗抗抗抗生生素素（bla为

56、为氨氨苄苄青青霉霉素素耐耐药药性性基基因因，npt卡卡那那霉霉素素耐耐药药性性基基因因）；RP报报告告基基因因（gus为为-葡糖醛酸酶基因）。葡糖醛酸酶基因）。52l目目前前，我我国国获获得得安安全全证证书书的的转转基基因因作作物物（如如表表2-12）和和已已发发放放安安全全证证书的进口转基因产品见表书的进口转基因产品见表2-13。表表2-12 我国获得安全证书的转基因作物我国获得安全证书的转基因作物19535455表表2-13我国已发放安全证书的进口转基因产品我国已发放安全证书的进口转基因产品1956四、食品与基因工程产业化四、食品与基因工程产业化n工程菌皱胃酶应用于干酪生产产业化工程菌皱胃

57、酶应用于干酪生产产业化 n干干酪酪是是用用皱皱胃胃酶酶或或胃胃蛋蛋白白酶酶将将原原料料乳乳凝凝聚聚，然然后后将将凝凝块块进进行行加加工工、成成型或发酵成熟而制成的富有营养价值的乳制品干酪（型或发酵成熟而制成的富有营养价值的乳制品干酪（cheese）。）。（一）干酪制造工艺流程（一）干酪制造工艺流程57第八节第八节 后基因组学及其应用研究后基因组学及其应用研究一、后基因组学涵义一、后基因组学涵义l所所谓谓后后基基因因组组学学（post-genomics）是是指指包包括括基基因因组组学学（genomis）、蛋蛋白白质质组组学学（proteomics）、代代谢谢组组学学（metabotomics）和

58、和生生物物信信息息学（学（bio-informatics）等主要内容。）等主要内容。 二、后基因组学的应用研究二、后基因组学的应用研究l1.肿瘤及癌症的发生均与细胞中染色体肿瘤及癌症的发生均与细胞中染色体DNA结构的变化密切相关。结构的变化密切相关。 l2.全面探索食品营养功能全面探索食品营养功能2122l3.利用哺乳动物及禽畜作为利用哺乳动物及禽畜作为“生物工厂生物工厂”提供人类优质食品提供人类优质食品58课程论文：n基因工程与食品基因工程与食品n1、概念清晰、概念清晰n2、基因工程研究内容和作用、基因工程研究内容和作用n3、基因工程在食品中应用的优势方面。、基因工程在食品中应用的优势方面。

59、n4、你对基因工程的认识、你对基因工程的认识59第三章第三章 食品与蛋白质工程食品与蛋白质工程n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 理性分子设计和定位突变技术理性分子设计和定位突变技术n第三节第三节 体外定向进化体外定向进化n第四节第四节 融合蛋白技术融合蛋白技术n第五节第五节 食物蛋白质改性技术食物蛋白质改性技术60第一节第一节 概述概述一、蛋白质工程的涵义一、蛋白质工程的涵义l蛋蛋白白质质工工程程是是指指以以蛋蛋白白质质的的结结构构及及其其功功能能关关系系为为基基础础，通通过过基基因因修修饰饰、蛋蛋白白质质修修饰饰等等分分子子设设计计，对对现现存存蛋蛋白白质质加加以以改改造造，组组建建新

60、新型型蛋蛋白白质质的的现代生物技术。现代生物技术。 l理理性性设设计计是是在在蛋蛋白白质质天天然然结结构构的的基基础础上上进进行行修修饰饰改改造造，但但是是，产产生生一一个个结结构构确确定定、具具有有新新功功能能特特性性蛋蛋白白质质并并不不容容易易，无无法法满满足足对对现现有有蛋蛋白白质进行分子改良的要求。质进行分子改良的要求。61二、理性分子设计和非理性分子设计二、理性分子设计和非理性分子设计n所所谓谓非非理理性性设设计计或或定定向向进进化化就就是是在在不不清清楚楚蛋蛋白白质质三三维维结结构构信信息息和和作作用用机机制制的的情情况况下下，在在实实验验室室条条件件下下模模拟拟自自然然进进化化的

61、的过过程程（随随机机突突变变、重重组组和和选选择择），在在一一定定条条件件下下使使基基因因发发生生大大量量变变异异，然然后后通通过过多多轮轮高高通通量量的的筛筛选选方方法法定定向向选选择择出出所所需需要要的的特特性性突突变变物物，在在较较短短时时间间内内完完成成漫漫长长的的自自然然进进化化过过程程，得得到到具具有有特特性性预预期期的的新新蛋蛋白白质质的的一一种种蛋蛋白白质质工工程程技技术术。非非理理性性设设计计的的主主要要技技术术包包括括定定向向进进化化(directed evolution) 、DNA 改改组组 (gene shuffling)及及融融合合蛋蛋白白 (fusions of p

62、roteins)技术等。技术等。 62三、蛋白质工程在食品工业中的应用三、蛋白质工程在食品工业中的应用n蛋蛋白白质质工工程程在在食食品品工工业业中中应应用用主主要要集集中中在在食食品品工工业业专专用用酶酶制制剂剂的的改改造造方方面面。通通过过酶酶结结构构或或局局部部构构象象的的调调整整和和改改造造， 可可大大大大提提高高食食品品专专用用酶酶制制剂剂的的耐耐高高温温、抗抗氧氧化化能能力力，增增加加酶酶的的稳稳定定性性和和适适用用pH 范范围围，从从而而获得性质更稳定、作用效率更高的酶。获得性质更稳定、作用效率更高的酶。第二节第二节 理性分子设计和定位突变技术理性分子设计和定位突变技术一、蛋白质理

63、性分子设计的基本步骤一、蛋白质理性分子设计的基本步骤l基基于于天天然然蛋蛋白白质质结结构构的的理理性性分分子子设设计计过过程程基基本本分分为为以以下下步步骤骤，如如图图3-1所示。所示。l表表3-1列出了蛋白质设计的目标及解决办法列出了蛋白质设计的目标及解决办法 63蛋白质几何优化结构比对分析天然蛋白质蛋白质晶体学蛋白质结构预测蛋白质三维结构结构与功能关系突变体设计预测合成定位突变从数据库输入分离纯化与表征新蛋白质图图3-1 蛋白质理性分子设计流程图蛋白质理性分子设计流程图64表表3-1 蛋白质设计的目标及解决办法蛋白质设计的目标及解决办法 65l表表3-2列出了目前蛋白质设计所涉及的计算工具

64、及软件。列出了目前蛋白质设计所涉及的计算工具及软件。表表3-2 蛋白质分子设计的技术工具及网址蛋白质分子设计的技术工具及网址66二、定位突变二、定位突变n定定位位突突变变是是在在已已知知蛋蛋白白质质结结构构与与功功能能的的基基础础上上，在在已已知知DNA序序列列中中取取代代、插插入入或或删删除除特特定定的的核核苷苷酸酸，从从而而产产生生具具有有新新性性状状的的的的突突变变蛋蛋白白质质（酶酶）分分子子的的一一种种蛋蛋白白质质工工程程技技术术，表表3-3列列出出了了部部分分应应用用定定位位突突变变技技术取得成效的工业酶制剂。术取得成效的工业酶制剂。 表表3-3 部分应用定位突变技术取得成效的工业酶

65、制剂部分应用定位突变技术取得成效的工业酶制剂67n（一一）寡寡核核苷苷酸酸引引物物介介导导的的定位突变定位突变 寡寡核核苷苷酸酸引引物物介介导导的的定定位位突突变变的的原原理理是是用用含含有有突突变变碱碱基基的的寡寡核核苷苷酸酸片片段段作作引引物物，在在聚聚合合酶酶的的作作用用下下启启动动DNA 分分子子进进行行复复制制。主主要要的的过过程程见图见图3-2)：详细步骤：详细步骤： 图图3-2 寡核苷酸介导的定位突变方法寡核苷酸介导的定位突变方法68n（二二）聚聚合合酶酶链链式式反反应应（PCR ）介介导导的的定定位位突突变变法法，聚聚合合酶酶链链式式反反应应（PCR ）介介导导的的定定位位突突

66、变变法法是是重重组组PCR (recombinment PCR)的一种，见图的一种，见图3-3 。 nPCR 介介导导的的定定位位突突变变法法优优点点是是操操作作较较简简单单，突突变变的的成成功功率率可可达达100%。 n（三三）盒盒式式突突变变，盒盒式式突突变变（cassette mutagenesis）也也称称片片段段 取取 代代 法法 （ DNA fragment replacement），是是一一种种区区域域性性定位突变方法。定位突变方法。 图图3-3 PCR介导的定位突变方法介导的定位突变方法69三、定位突变技术在酶结构改造中的应用三、定位突变技术在酶结构改造中的应用n（一一） 淀淀

67、粉粉酶酶，通通过过定定位位突突变变技技术术得得到到了了一一种种-淀淀粉粉酶酶的的双双突突变变体体A209V/H133T，该突变酶在，该突变酶在90时的半衰期比正常酶增加了时的半衰期比正常酶增加了9 倍。倍。n（二二） 蛋蛋白白酶酶，在在枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶的的活活性性位位点点内内有有一一个个Met 残残基基，利利用用定定位位诱变用诱变用Cys 代替代替Met 可以增加枯草杆菌蛋白酶的活性。可以增加枯草杆菌蛋白酶的活性。 n（三三） 脂脂肪肪酶酶，Yamaguchi 等等采采用用定定位位突突变变将将Cys 二二硫硫键键引引入入Humicola lanuginsa 脂脂肪肪酶酶，使使突突变

68、变体体的的热热稳稳定定性性提提高高了了12，酶酶的的最最适适温温度度提提高高了了10。Kampen 等等研研究究了了Staphylococcus hyicus 脂脂肪肪酶酶的的突突变变体体对对底底物物专专一一性性的的影影响响，发发现现将将356 位位的的Ser用用Val替替换换，其其脂脂酶酶活活性性降降低低了了12倍倍。利利用用定定位位突突变变的的方方法法将将Trichoderma reesei碱碱性性纤纤维维素素酶酶的的Glu137、Asn179和和Asp194 突突变变为为Lys，其热稳定性得到了提高。，其热稳定性得到了提高。70第三节第三节 体外定向进化体外定向进化一、蛋白质的体外定向进

69、化一、蛋白质的体外定向进化l定定向向进进化化与与定定位位突突变变的的不不同同点点是是它它不不需需要要已已知知蛋蛋白白质质的的结结构构信信息息，所所以以该该技技术术又又称称为为非非理理性性设设计计。DNA体体外外进进化的模式见图化的模式见图3-4。 靶基因随机DNA片段创造基因多样性（随机诱变和体外重组）基因产物分析选择高通量筛选体外体内数据分析（收集并确认阳性克隆）目标产物进一步定向进化随机片段化重组PCR图图3-4 DNA体外进化模式图体外进化模式图71二、二、DNA改组改组nDNA 改改组组( DNA Shuffling)又又称称DNA“洗洗牌牌”，是是DNA体体外外同同源源重重组组的一种

70、重组的一种重组PCR 技术。见图技术。见图3-5。 nDNA改改组组技技术术已已广广泛泛用用于于改改进进和和创创制制新新酶酶一一些些特特性性，在在提提高高酶酶的的活活性性、热热稳稳定定性性、底底物物特特异异性性、对对映映体体的的选选择择性性及及可可溶溶性性表表达达和和表表达达水水平平等等方面都已取得了不少成功结果。方面都已取得了不少成功结果。三、容错三、容错PCRl容容错错PCR 是是指指在在利利用用Taq聚聚合合酶酶进进行行目目的的基基因因的的PCR 扩扩增增的的同同时时引引入入碱基错配，导致目的基因随机突变的一种碱基错配，导致目的基因随机突变的一种DNA体外进化技术。体外进化技术。 四、定

71、向进化技术在酶制剂改造中的应用四、定向进化技术在酶制剂改造中的应用l运运用用定定向向进进化化技技术术对对现现有有酶酶制制剂剂进进行行改改良良，已已获获得得了了许许多多满满意意的的结结果果。表表3-4列出了通过定向进化技术研究获得成功的一些酶制剂。列出了通过定向进化技术研究获得成功的一些酶制剂。72表表3-4 应用定向进化技术研究的生物酶制剂应用定向进化技术研究的生物酶制剂73第四节第四节 融合蛋白技术融合蛋白技术一、融合蛋白概念和用途一、融合蛋白概念和用途l融融合合蛋蛋白白(fusion of proteins)技技术术是是另另一一项项蛋蛋白白质质工工程程技技术术。该该技技术术是是有有目目的的

72、地地把把两两段段或或多多段段编编码码功功能能蛋蛋白白的的基基因因编编码码区区首首尾尾连连接接在在一一起起，由由同同一一调调控控序序列列控控制制所所构构成成的的基基因因表表达达产产物物，进进而而表表达达所所需需蛋蛋白白。利利用基因融合表达外源蛋白主要有以下用途用基因融合表达外源蛋白主要有以下用途 ：l其其一一，融融合合蛋蛋白白技技术术的的出出现现为为解解决决在在大大肠肠杆杆菌菌等等原原核核生生物物中中表表达达出出具具有生物活性、折叠正确的重组蛋白提供了可能。有生物活性、折叠正确的重组蛋白提供了可能。 l其二，外源基因与宿主本身的蛋白的部分序列构成融合基因其二，外源基因与宿主本身的蛋白的部分序列构

73、成融合基因 。l其其三三，融融合合蛋蛋白白技技术术的的出出现现为为研研究究出出更更多多、更更好好的的基基因因工工程程靶靶向向药药物物提供了方便。提供了方便。 74二、融合蛋白技术的方法二、融合蛋白技术的方法n（一一）PCR 介介导导的的蛋蛋白白质质分分子子嵌嵌合合体体形形成成，融融合合蛋蛋白白技技术术是是利利用用DNA连连接接酶酶，将将把把两两段段或或多多段段编编码码功功能能蛋蛋白白的的基基因因编编码码区区首首尾尾连连接接在在一一起起，由由同同一一调调控控序序列列控控制制构构成成的的基基因因表表达达产产物物，进进而而表表达达所所需需蛋蛋白白，利利用用重重组组PCR方方法法（见见图图3-3） 。

74、n（二二）内内含含子子介介导导的的蛋蛋白白质质分分子子嵌嵌合合体体形形成成，内内含含子子介介导导的的蛋蛋白白质质分分子子嵌嵌合合体体形形成成已已经经发发展展成蛋白质工程研究的通用方法。方法见图成蛋白质工程研究的通用方法。方法见图3-6。n该该 方方 法法 的的 原原 理理 是是 ： 将将 目目 标标 蛋蛋 白白 质质 用用pCYB(bioLabs)作作为为表表达达载载体体进进行行表表达达，产产生生目标蛋白，即蛋白内含子目标蛋白，即蛋白内含子/甲壳素结合蛋白，甲壳素结合蛋白， 图图3-6 内含子介导蛋白质分子嵌合体形成内含子介导蛋白质分子嵌合体形成75三、融合蛋白技术的应用三、融合蛋白技术的应用

75、n（一）（一） 双功能酶双功能酶(多功能酶多功能酶)对对于于催催化化连连续续反反应应的的两两种种或或几几种种酶酶，可可以以利利用用基基因因融融合合的的方方法法构构成成的的融融合合蛋蛋白白，以以催催化化连连续续的的反反应应，将将产产生生相相互互增增效效的的协协同同效效应应。例例如如将将-半半乳乳糖糖苷苷酶酶和和半半乳乳糖糖脱脱氢氢酶酶组组成成融融合合蛋蛋白白，在在一一定定条条件件下下，融融合合蛋蛋白白偶偶联联反反应应产产生生NADH 的的速速度度是是同同时时加加入入这这两两种种单单酶酶的的反反应应速速度度的的两两倍倍以以上上，同同时时反反应应时时间间缩短了近四倍。缩短了近四倍。n（二）靶向药物（

76、二）靶向药物靶靶向向药药物物的的“生生物物弹弹头头”常常以以绿绿脓脓杆杆菌菌外外毒毒素素和和白白喉喉毒毒素素最最多多。国国内内外外已已成功构建了许多这类的融合蛋白，并在研究中显示了较好的疗效。成功构建了许多这类的融合蛋白，并在研究中显示了较好的疗效。 n（三）抗菌肽（三）抗菌肽 以以融融合合的的形形式式将将抗抗菌菌肽肽B (Cecropin B) 和和人人溶溶菌菌酶酶(hLyso)连连接接至至高高效效的的大肠杆菌表达载体上可以得到具有更高活性的抗菌和抗病毒的重组蛋白。大肠杆菌表达载体上可以得到具有更高活性的抗菌和抗病毒的重组蛋白。 76第五节第五节 食物蛋白质改性技术食物蛋白质改性技术一、蛋白

77、质的功能特性一、蛋白质的功能特性 蛋蛋白白质质的的功功能能特特性性（functionality）是是指指蛋蛋白白质质赋赋予予食食品品体体系系的的系系列物理化学性质。不同的食品体系对食物蛋白的功能特性要求不同。列物理化学性质。不同的食品体系对食物蛋白的功能特性要求不同。 (1)水水合合特特性性，也也称称水水动动力力学学特特性性（hydrodynamic properties)，包包括括溶解性、分散性、持水性、溶胀性、增稠性、润湿性及脱水收缩作用等；溶解性、分散性、持水性、溶胀性、增稠性、润湿性及脱水收缩作用等； (2)乳乳化化特特性性，也也称称表表面面相相关关特特性性（surface-relat

78、ed properties），包包括乳化性、发泡性、持水及持油性；括乳化性、发泡性、持水及持油性； (3) 流流变变和和质质构构性性能能，包包括括胶胶凝凝性性、粘粘附附性性、弹弹性性、内内聚聚性性、咀咀嚼嚼性等。见表性等。见表3-5。 77表表3-5 食品体系的蛋白质所具有的功能特性食品体系的蛋白质所具有的功能特性二、食物蛋白的改性二、食物蛋白的改性l（一）（一） 化学改性，见表化学改性，见表3-678表表3-6 蛋白质化学改性与功能效果蛋白质化学改性与功能效果 （二）酶法水解改性（二）酶法水解改性 食物蛋白的深度酶解，可产生具有一定生理活性的生物活性肽食物蛋白的深度酶解，可产生具有一定生理活

79、性的生物活性肽（bioactive peptides）。蛋白肽具有许多优良的加工特性和生理活性功）。蛋白肽具有许多优良的加工特性和生理活性功能能 。（三）（三） 酶法聚合改性酶法聚合改性79 MTGase是是一一种种能能催催化化多多肽肽或或蛋蛋白白质质的的谷谷氨氨酰酰胺胺残残基基的的-羟羟胺胺基基团团与与伯伯胺胺化化合合物物酰酰基基受受体体之之间间的的酰酰基基转转移移反反应应的的酶酶，通通过过该该反反应应可可共共价价导导入入蛋蛋白白质质、氨氨基基酸酸、多多肽肽至至同同种种或或异异种种蛋蛋白白，或或将将氨氨基基糖糖类类、磷磷脂脂导导入入蛋蛋白白质质形形成成多多相相共共轭轭蛋蛋白白质质(conju

80、gated proteins)，如如图图3-7所所示。示。图图3-7 转谷氨酰胺酶转谷氨酰胺酶(TGase)催化的反应催化的反应a)酰基的转移反应；酰基的转移反应；(b) 蛋白或多肽的蛋白或多肽的Gln和和Lys之间的交联反应；之间的交联反应；(c)脱胺反应脱胺反应 80 更更重重要要的的是是MTGase可可在在同同种种或或异异种种蛋蛋白白质质分分子子内内或或分分子子间间形形成成 -(-Glu)-Lys键键桥桥，形形成成同同质质(homologous)和和异异质质(heterologous)的的蛋蛋白白生物高聚物生物高聚物(biopolymer)，此反应能显著改变蛋白质的功能性质。，此反应能显

81、著改变蛋白质的功能性质。l（四）物理改性（四）物理改性 高高静静压压处处理理技技术术是是通通过过5001,000 MPa高高压压处处理理食食品品基基料料和和产产品品，用于食品杀菌和修饰改性的一种现代食品加工技术。用于食品杀菌和修饰改性的一种现代食品加工技术。 81第四章第四章 食品与酶工程食品与酶工程n第一节第一节 酶工程的发展概况酶工程的发展概况n第二节第二节 酶的制备与发酵生产酶的制备与发酵生产n第三节第三节 酶的分子修饰酶的分子修饰n第四节第四节 酶的非水相催化酶的非水相催化n第五节第五节 酶的固定化酶的固定化n第六节第六节 酶工程在食品工业中应用酶工程在食品工业中应用82n酶酶的的生生

82、产产及及其其在在生生物物反反应应器器中中进进行行催催化化应应用用技技术术过过程程称称为为酶酶工工程程（enzyme engineering） 第一节第一节 酶工程的发展概况酶工程的发展概况l直直到到20世世纪纪60年年代代，固固定定化化技技术术迅迅速速发发展展，标标志志着着酶酶工工程程产产业业化化新新的的开开端端。1969年年，日日本本千千烟烟一一郎郎首首次次在在工工业业上上应应用用固固定定化化氨氨基基酰酰化化酶酶从从DL-氨氨基基酸酸生生产产L-氨氨基基酸酸。 70年年代代后后期期，出出现现了了固固定定化化细细胞胞（固固定定化化活细胞或固定化增殖细胞）技术。活细胞或固定化增殖细胞）技术。 l

83、20世世纪纪80年年代代以以来来，酶酶分分子子修修饰饰技技术术发发展展很很快快，修修饰饰方方法法主主要要有有：酶酶分分子子主主链链修修饰饰、酶酶分分子子侧侧链链修修饰饰、酶酶分分子子组组成成单单位位置置换换修修饰饰、酶酶分分子子中金属离子置换和物理修饰等。中金属离子置换和物理修饰等。 83第二节第二节 酶的制备与发酵生产酶的制备与发酵生产一、动植物细胞培养产酶一、动植物细胞培养产酶l（一）植物细胞培养产酶（一）植物细胞培养产酶 目前通过植物细胞培养生产的酶如表目前通过植物细胞培养生产的酶如表4-1。l1. 植物细胞的特性植物细胞的特性 在在动动植植物物细细胞胞培培养养中中，存存在在与与微微生生

84、物物发发酵酵显显著著不不同同的的地地方方，应应予予以以重重视视。这这是是由由于于动动植植物物细细胞胞和和微微生生物物细细胞胞特特性性不不同同造造成成的的。它它们们的的不同特性如表不同特性如表4-2所示。所示。l2. 植物细胞培养产酶的工艺流程植物细胞培养产酶的工艺流程 外植体外植体细胞获取细胞获取细胞培养细胞培养分离纯化分离纯化产物产物l3. 植物细胞培养产酶的工艺条件控制植物细胞培养产酶的工艺条件控制84表表4-1 植物细胞培养产酶植物细胞培养产酶表表4-2 微生物、植物和动植细胞的特性比较微生物、植物和动植细胞的特性比较85n（1）培养基）培养基 植植物物细细胞胞常常用用培培养养基基有有M

85、S、B5、White和和KM-8P培培养养基。基。 n（2）温度和）温度和pH值值 温温度度一一般般控控制制在在室室温温范范围围（25左左右右）。植植物物细细胞胞pH值值一一般般控控制制在在微微酸酸性性范范围围，即即pH56，培培养养基基配配置置时时，pH值控制在值控制在5.5左右。左右。 n（3）溶氧量）溶氧量 溶解氧的供给一般要通过通风和搅拌。溶解氧的供给一般要通过通风和搅拌。n（4）光照）光照n（5）前体和刺激剂的添加）前体和刺激剂的添加86l（二）动物细胞产酶（二）动物细胞产酶动动物物细细胞胞培培养养是是以以20世世纪纪50年年代代开开始始的的病病毒毒疫疫苗苗细细胞胞培培养养为为基基础

86、，础， 20世纪世纪60年代迅速发展起来的技术。年代迅速发展起来的技术。 l1动物细胞的特性动物细胞的特性（1）动动物物细细胞胞与与微微生生物物细细胞胞和和植植物物细细胞胞的的最最大大区区别别在在于于没没有有细细胞胞壁壁，适应环境的能力差。适应环境的能力差。（2）动物细胞的体积比微生物细胞大几十倍，比植物细胞稍小。）动物细胞的体积比微生物细胞大几十倍，比植物细胞稍小。（3）动物细胞的营养要求比微生物细胞和植物细胞都复杂得多。）动物细胞的营养要求比微生物细胞和植物细胞都复杂得多。 （4）大大部部分分动动物物细细胞胞在在肌肌体体内内相相互互粘粘连连以以集集群群形形式式存存在在，在在细细胞胞培培养养

87、中中大大部部分分细细胞胞具具有有群群体体效效应应、锚锚地地依依赖赖性性接接触触抑抑制制性性以以及及功功能能全能性。全能性。（5）动动物物细细胞胞的的生生长长较较慢慢，细细胞胞倍倍增增时时间间为为15100h，而而且且原原代代细细胞继代培养胞继代培养50代后，即会退化死亡，需要重新分离细胞。代后，即会退化死亡，需要重新分离细胞。 87q2、动物细胞培养的方式、动物细胞培养的方式动动物物细细胞胞培培养养方方法法可可分分成成两两大大类类，一一类类是是来来自自血血液液、淋淋巴巴组组织织的的细细胞胞、肿肿瘤瘤细细胞胞和和杂杂交交瘤瘤细细胞胞等等，可可以以采采用用悬悬浮浮培培养养；另另一一类类细细胞胞来来

88、自自于于动动物物复复杂杂的的器器官官，具具有有锚地依赖性，即与其周围的细胞互相依存，有所谓锚地依赖性，即与其周围的细胞互相依存，有所谓“定位依存定位依存”关系。关系。q3、动物细胞培养产酶的工艺条件的控制、动物细胞培养产酶的工艺条件的控制q（1）培养基）培养基动动物物培培养养基基的的组组分分比比较较复复杂杂，包包括括氨氨基基酸酸、维维生生素素、无无机机盐盐、葡葡萄萄糖糖、激激素素、生长因子等。生长因子等。 q（2）温度）温度不同种类的动物细胞对温度要求不同，不同种类的动物细胞对温度要求不同， q（3）pH值值动物细胞培养的动物细胞培养的pH值一般控制在微碱性范围内值一般控制在微碱性范围内 q（

89、4）渗透压）渗透压动物细胞培养液中渗透压应当与细胞内的渗透压处于等渗状态动物细胞培养液中渗透压应当与细胞内的渗透压处于等渗状态 q（5）溶氧量）溶氧量溶溶氧氧量量对对动动物物细细胞胞培培养养至至关关重重要要。供供氧氧不不足足时时，细细胞胞生生长长受受到到抑抑制制；氧氧气气过过量量时，又会对细胞产生毒害。时，又会对细胞产生毒害。 88二、微生物发酵产酶二、微生物发酵产酶n微生物发酵产酶是工业生产酶中最主要的方法。微生物发酵产酶是工业生产酶中最主要的方法。l（一）常用的产酶微生物（一）常用的产酶微生物l产产酶酶微微生生物物包包括括细细菌菌、放放线线菌菌、霉霉菌菌和和酵酵母母菌菌等等。下下面面将将常

90、常用用的的产产酶酶微生物的特点和应用以表微生物的特点和应用以表4-3表示。表示。表表4-3 常用产酶微生物特点及应用常用产酶微生物特点及应用1899091图图4-1枯草杆菌生产中性蛋白酶的工艺流程图枯草杆菌生产中性蛋白酶的工艺流程图1292l（二）微生物产酶的典型生产工艺流程（二）微生物产酶的典型生产工艺流程图图4-2微生物胞内酶生产工艺流程微生物胞内酶生产工艺流程1293n（三）发酵产酶工艺条件以及控制（三）发酵产酶工艺条件以及控制n1、培养基、培养基n（1）碳源）碳源不同微生物对碳源的利用有所不同，因而根据细胞的营养需求而选择碳源。不同微生物对碳源的利用有所不同，因而根据细胞的营养需求而选

91、择碳源。 n（2）氮源）氮源在微生物细胞中，一般异养型细胞要求有机氮源，自养型细胞则要求无机氮源。在微生物细胞中，一般异养型细胞要求有机氮源，自养型细胞则要求无机氮源。 n（3）无机盐）无机盐无无机机盐盐的的主主要要作作用用是是提提供供细细胞胞生生命命活活动动不不可可缺缺少少的的无无机机元元素素，并并对对培培养养基基的的pH值值、氧氧化还原电位和渗透压起调节作用。化还原电位和渗透压起调节作用。 n（4）生长因子）生长因子生长因素是指细胞生长繁殖所必须的微量有机化合物。生长因素是指细胞生长繁殖所必须的微量有机化合物。 n2、pH值值 pH值值调调节节方方法法可可以以采采取取改改变变培培养养基基的

92、的组组分分或或其其比比例例，必必要要时时可可使使用用缓缓冲冲溶溶液液，或或添添加加适宜的酸、碱溶液，以调节控制培养基中适宜的酸、碱溶液，以调节控制培养基中pH值的变化。值的变化。n、温度、温度必须经常及时地对温度进行调节控制，使培养基的温度维持在适宜的范围内。必须经常及时地对温度进行调节控制，使培养基的温度维持在适宜的范围内。 94n4、溶氧量、溶氧量 溶溶氧氧量量对对于于提提高高产产酶酶量量有有重重要要作作用用。一一般般是是无无菌菌空空气气通通入入发发酵酵容容器器。调调节节溶溶氧氧量量的的主主要要方方法法是是调调节节通通气气量量、调调节节氧氧分分压压、搅搅拌拌转转速速、调节气液接触时间、调节

93、气液接触面积和改变培养液的性质等。调节气液接触时间、调节气液接触面积和改变培养液的性质等。 n（四）提高酶产量的措施（四）提高酶产量的措施1、添加诱导物、添加诱导物2、控制阻遏物浓度、控制阻遏物浓度3、添加表面活性剂、添加表面活性剂4、添加产酶促进剂、添加产酶促进剂第三节第三节 酶的分子修饰酶的分子修饰l通通过过各各种种方方法法改改变变酶酶分分子子的的结结构构，从从而而使使酶酶的的某某些些特特性性和和功功能能发发生生改改变的技术称为酶分子修饰（变的技术称为酶分子修饰（molecular modification of enzyme）。）。95一、酶的化学修饰一、酶的化学修饰n（一）大分子结合修

94、饰（一）大分子结合修饰 如如超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶（SOD） ,经经过过大大分分子子结结合合修修饰饰后后，其其稳稳定定性性显著提高，半衰期延长显著提高，半衰期延长70350倍（见表倍（见表4-4）表表4-4 天然及经修饰的天然及经修饰的SOD在人血浆中的半衰期在人血浆中的半衰期l（二）肽链有限水解修饰（二）肽链有限水解修饰 肽肽链链有有限限水水解解既既可可保保持持酶酶活活力力，又又可可降降低低其其抗抗原原性性，对对酶酶蛋白的应用极为有用。蛋白的应用极为有用。l（三）侧链基团修饰（三）侧链基团修饰96n（四）分子内或分子间交联（四）分子内或分子间交联n（五）氨基酸置换修饰（五）氨基酸置换修

95、饰n（六）金属离子置换修饰（六）金属离子置换修饰二、酶的物理修饰二、酶的物理修饰l在在物物理理因因素素作作用用下下，次次级级键键发发生生某某些些改改变变和和重重排排，使使酶酶分分子子的的空空间间构构象发生某些改变。象发生某些改变。第四节第四节 酶的非水相催化酶的非水相催化一、非水相介质中酶催化反应特性一、非水相介质中酶催化反应特性l20世世纪纪80年年代代中中期期美美国国科科学学家家Klibanov等等人人开开创创性性的的研研究究表表明明，许许多多酶酶在在非非水水相相中中不不仅仅不不失失活活，而而且且在在某某些些情情况况下下其其催催化化活活力力与与水水相相中中相相当，从而奠基了非水相酶学的基础

96、。当，从而奠基了非水相酶学的基础。97n（三）非水介质中酶催化的特性（三）非水介质中酶催化的特性n（1）热稳定性）热稳定性 许多酶在有机介质中比在水溶液中具有更高的热稳定性。许多酶在有机介质中比在水溶液中具有更高的热稳定性。 n（2）改变底物的专一性）改变底物的专一性 在在有有机机介介质质中中，由由于于酶酶分分子子活活性性中中心心的的结结合合部部位位与与底底物物之之间间的的结结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性发生改变。合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性发生改变。 n（3）产生新的酶促反应）产生新的酶促反应 在有机介质中酶可催化一些在水溶液中本不可以进行的反应在有机介质中酶可催化一些在

97、水溶液中本不可以进行的反应 n（4）pH记忆记忆 在在有有机机介介质质中中，酶酶所所处处的的pH环环境境与与酶酶在在冻冻干干与与吸吸附附到到载载体体上上之之前前所使用的缓冲液所使用的缓冲液pH值相同，这种现象称为值相同，这种现象称为pH记忆。记忆。 98二、有机介质中酶催化反应条件及其控制二、有机介质中酶催化反应条件及其控制n（一）有机介质反应体系（一）有机介质反应体系 常见有机介质反应体系包括以下几种：常见有机介质反应体系包括以下几种：n（1）微水介质体系）微水介质体系 微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系，微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系， n（2）反胶束体系）

98、反胶束体系 反反胶胶束束是是指指在在大大量量与与水水不不相相混混溶溶的的有有机机溶溶剂剂中中，含含有有少少量量的的水水溶溶液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液滴。液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液滴。n（3）与水溶性有机溶剂组成的均一体系）与水溶性有机溶剂组成的均一体系 n（4）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系n（二）有机介质中酶催化反应条件及控制（二）有机介质中酶催化反应条件及控制n（1）酶的选择）酶的选择n（2）水含量的控制）水含量的控制 n（3）有机溶剂的选择）有机溶剂的选择n（4）底物的选择和浓度控制）底物的选择和浓度控制n（5）

99、pH值的控制值的控制n（6）温度的控制）温度的控制99第五节第五节 酶的固定化酶的固定化一、固定化酶制备方法一、固定化酶制备方法l（一）吸附法（一）吸附法l（1）物理吸附法）物理吸附法l（2）离子吸附法）离子吸附法l（二）包埋法（二）包埋法l1、凝胶包埋法、凝胶包埋法l2、半透膜包埋法、半透膜包埋法l（三）共价键结合法（三）共价键结合法l（四）交联法（四）交联法l上述各种固定化方法各其优缺点（表上述各种固定化方法各其优缺点（表4-5所示）。所示）。100表表4-5各种固定化方法的比较各种固定化方法的比较二、固定化酶的性质与特点二、固定化酶的性质与特点l（一）固定化酶的形状（一）固定化酶的形状

100、固固定定化化酶酶的的形形状状依依不不同同用用途途有有颗颗粒粒、线线条条、薄薄膜膜和和酶酶管管等等。颗颗粒粒状占绝大多数状占绝大多数 101n（二）酶活力（二）酶活力n酶经固定化后，其活力往往会下降。酶经固定化后，其活力往往会下降。 n（三）固定化酶的稳定性（三）固定化酶的稳定性n固固定定化化酶酶的的稳稳定定性性一一般般都都比比游游离离酶酶提提高高得得多多，同同时时，提提高高其其有有效效寿寿命命，这对工业生产是有利的。这对工业生产是有利的。n（1）热稳定性）热稳定性n热稳定性对酶工业应用是很重要的。热稳定性对酶工业应用是很重要的。n（2）对蛋白酶的稳定性）对蛋白酶的稳定性n游离酶经过固定化后，它

101、对蛋白酶的抵抗力提高了。游离酶经过固定化后，它对蛋白酶的抵抗力提高了。n（3）操作稳定性）操作稳定性n固固定定化化酶酶在在操操作作中中可可以以长长时时间间保保留留活活力力，半半衰衰期期在在一一个个月月以以上上即即有有工工业应用价值。不同固定化酶的操作稳定性比较见表业应用价值。不同固定化酶的操作稳定性比较见表4-6。102表表4-6 不同固定化酶的操作稳定性比较不同固定化酶的操作稳定性比较l 固固定定化化酶酶操操作作稳稳定定性性在在应应用用中中是是一一个个关关键键因因素素，其其操操作作稳稳定定性性通通常常以以半半衰衰期期表表示示，其其含含义义是是指指固固定定化化酶酶活活力力下下降降为为初初活活力

102、力一一半半所所经经历历的的连连续工作时间。其半衰期可用下式表示：续工作时间。其半衰期可用下式表示：103 其其中中KD为为衰衰减减常常数数， 是是在在时时间间t后后，酶酶活活力的残留分数力的残留分数l（4）储藏稳定性）储藏稳定性 大部分酶经固定化后，其储藏稳定性增强。大部分酶经固定化后，其储藏稳定性增强。 l（四）固定化酶的催化特性（四）固定化酶的催化特性l（1）底物专一性）底物专一性l（2）最适温度）最适温度 载体性质对最适载体性质对最适pH值的影响值的影响 产物性质对最适产物性质对最适pH值的影响值的影响 l（4）米氏常数）米氏常数Kml（5）最大反应速度）最大反应速度Vmax104第六节

103、第六节 酶工程在食品工业中应用酶工程在食品工业中应用一、淀粉水解酶类的特性及其应用一、淀粉水解酶类的特性及其应用l（一）淀粉酶类（一）淀粉酶类 淀淀粉粉酶酶类类属属水水解解酶酶中中一一大大类类，此此类类酶酶包包括括-淀淀粉粉酶酶、-淀淀粉粉酶酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶等。葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶等。 l1. -淀粉酶（淀粉酶（-amylase） -淀淀粉粉酶酶（1,4-D-glucan glucanohydrolase，EC.3.2.1.11）广广泛泛应应用用于于淀淀粉粉质质原原料料制制造造葡葡萄萄糖糖、高高浓浓度度麦麦芽芽糖糖浆浆及及高高果果糖糖浆浆等等淀淀粉粉糖糖的的工业生产。工业生产。 l

104、（2）淀粉酶的来源及性质）淀粉酶的来源及性质 不同来源的不同来源的-淀粉酶性质差异较大，如表淀粉酶性质差异较大，如表4-7所示。所示。 105表表4-7 各种各种-淀酚酶的性质淀酚酶的性质l各种耐热性的各种耐热性的-淀粉酶特性见表淀粉酶特性见表4-8。 表表4-8 各种耐热性各种耐热性-淀粉酶的特性淀粉酶的特性1106n-淀粉酶淀粉酶(-amylase)n-淀淀粉粉酶酶（1,4- -D-glucan maltohydro1ase，EC 3.2.1.2）作作用用于于淀淀粉粉分子，常见的植物分子，常见的植物-淀粉酶的性质如表淀粉酶的性质如表4-9所示。所示。 表表4-9 植物植物-淀粉酶的性质淀粉

105、酶的性质l不同来源的不同来源的-淀粉酶性质比较如表淀粉酶性质比较如表4-10。107表表4-10 不同来源的不同来源的-淀粉酶性质比较淀粉酶性质比较108l葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶 葡葡萄萄糖糖淀淀粉粉酶酶（-D-glucoside glucohydrolase，EC 3.2.1.3）对对淀淀粉粉的的水水解解作作用用也也是是从从淀淀粉粉分分子子非非还还原原端端开开始始，依依次次水水解解一一个个葡葡萄萄糖糖 分分 子子 ， 能能 将将 淀淀 粉粉 分分 子子 降降 解解 生生 成成 葡葡 萄萄 糖糖 ， 又又 称称 为为 糖糖 化化 酶酶(saccharogenic amylase) 表表4-1

106、1 黑曲霉葡萄糖淀粉酶水解双糖的速度黑曲霉葡萄糖淀粉酶水解双糖的速度109n脱支酶（脱支酶（debranching enzymes，EC3.2.1.9） 脱脱支支酶酶对对支支链链淀淀粉粉、糖糖原原等等分分支支酶酶的的-1,6糖糖苷苷键键有有专专一一性性。各各种种微生物脱支酶的性质见表微生物脱支酶的性质见表4-12。表表4-12 微生物脱支酶的性质微生物脱支酶的性质110二、酶法生产淀粉糖的产业化二、酶法生产淀粉糖的产业化n（一）双酶法生产葡萄糖（一）双酶法生产葡萄糖 双双酶酶法法一一次次结结晶晶生生产产注注射射葡葡萄萄糖糖工工艺艺是是可可行行的的。以以玉玉米米淀淀粉粉乳乳为为原原料料，采采用用

107、-淀淀粉粉酶酶和和糖糖化化酶酶的的双双酶酶法法生生产产淀淀粉粉葡葡萄萄糖糖浆浆的的生生产产工工艺艺流程为图流程为图4-4所示。所示。图图 4-4双酶法制糖工艺流程图双酶法制糖工艺流程图1.调浆配料槽调浆配料槽 2.8过滤器过滤器 3.9、14、17泵泵 4.喷射加热器喷射加热器5.缓冲器缓冲器 6.液化层流罐液化层流罐 7.液化液贮槽液化液贮槽 11灭酶罐灭酶罐12板式换热器板式换热器 13糖化罐糖化罐 15压滤机压滤机 16糖化暂贮槽糖化暂贮槽 18贮糖槽贮糖槽111n（二）酶法生产啤酒专用糖浆的产业化（二）酶法生产啤酒专用糖浆的产业化 根根据据啤啤酒酒专专用用糖糖浆浆研研究究开开发发情情况

108、况，可可包包括括大大麦麦糖糖浆浆、营营养养型型麦麦芽芽糖浆和功能性糖浆三大类；糖浆和功能性糖浆三大类；n（1）大麦糖浆）大麦糖浆 以以大大麦麦和和麦麦芽芽为为原原料料，经经高高温温淀淀粉粉酶酶液液化化和和复复合合糖糖化化酶酶糖糖化化 。其生产工艺流程：。其生产工艺流程： 112n（3）功能性糖浆）功能性糖浆 目目前前用用于于啤啤酒酒生生产产的的功功能能性性糖糖浆浆主主要要为为低低聚聚异异麦麦芽芽糖糖浆浆，其其生生产产工艺流程如下：工艺流程如下： l（三）酶法生产果葡糖浆产业化（三）酶法生产果葡糖浆产业化 果葡糖浆的生产工艺如图果葡糖浆的生产工艺如图4-4，主要有以下几个步骤：，主要有以下几个步

109、骤：113n（四）酶法生产超高麦芽糖浆的产业化（四）酶法生产超高麦芽糖浆的产业化 麦麦芽芽糖糖纯纯度度高高达达75%85%以以上上的的麦麦芽芽糖糖浆浆称称为为超超高高麦麦芽芽糖糖浆浆，各各种麦芽糖浆的主要组成成分如表种麦芽糖浆的主要组成成分如表4-13所示。所示。 表表4-13 各种麦芽糖浆的主要组成成分各种麦芽糖浆的主要组成成分114n麦麦芽芽糖糖是是由由两两分分子子葡葡萄萄糖糖通通过过-l,4-糖糖苷苷键键构构成成的的双双糖糖，其其甜甜度度仅仅为为蔗蔗糖糖的的30%40%，入入口口不不留留后后味味，具具有有良良好好防防腐腐性性和和热热稳稳定定性性，吸吸湿湿性性低低、并并且且由由于于不不参参

110、与与胰胰岛岛素素调调节节的的糖糖代代谢谢，具具有有特特殊殊生生理理功功能能，在在食食品和医药工业中有着广泛的应用。品和医药工业中有着广泛的应用。 图图4-5 全酶法生产超高麦芽糖浆典型工艺全酶法生产超高麦芽糖浆典型工艺l液化液化l糖化糖化l（）利用糖化型淀粉酶糖化（）利用糖化型淀粉酶糖化115表表4-14 几种链霉菌酶的性质几种链霉菌酶的性质l（2）双酶糖化法）双酶糖化法 双酶糖化法是指利用双酶糖化法是指利用-淀粉酶和脱支酶协同作用进行糖化。淀粉酶和脱支酶协同作用进行糖化。 l3利用超高麦芽糖浆生产结晶麦芽糖利用超高麦芽糖浆生产结晶麦芽糖l（1）吸附分离法）吸附分离法l 活性炭柱精制法活性炭柱

111、精制法 l 阴离子交换树脂法阴离子交换树脂法 l（2）有机溶剂沉淀法）有机溶剂沉淀法l（3）膜分离法超滤、反渗透均可以分离麦芽糖，得到）膜分离法超滤、反渗透均可以分离麦芽糖，得到96%以上纯度的麦芽糖。以上纯度的麦芽糖。l（4）结晶法）结晶法116三、酶法生产功能低聚糖的产业化三、酶法生产功能低聚糖的产业化 低低聚聚糖糖(oligosaccharide)是是指指210个个单单糖糖单单位位通通过过糖糖苷苷键键联联结结起起来，形成直链或分支链的一类寡糖的总称。来，形成直链或分支链的一类寡糖的总称。 功功能能性性低低聚聚糖糖生生产产过过程程一一般般包包括括酶酶的的发发酵酵生生产产、低低聚聚糖糖的的酶

112、酶法法合合成、分离精制等三个关键步骤。成、分离精制等三个关键步骤。 n（一）低聚果糖酶法转化（一）低聚果糖酶法转化n1、低聚果糖的构成及酶法合成原理、低聚果糖的构成及酶法合成原理 低低 聚聚 果果 糖糖 （ fructooligosaccharides） 又又 称称 为为 蔗蔗 果果 寡寡 糖糖（fructosylsucrose），分子间果糖的转移反应分两步进行，见图），分子间果糖的转移反应分两步进行，见图4-6。 图图4-6 分子间果糖转移反应的两步机理分子间果糖转移反应的两步机理 注：注：Fru-OR：蔗糖：蔗糖 E-H：酶：酶 Fru-E：果糖基：果糖基-酶复合体酶复合体 RO-H：葡萄

113、糖：葡萄糖 Fru-OH：果糖：果糖 Fru-OR：低聚果糖：低聚果糖117n2、催化果糖基转移的酶及其微生物来源、催化果糖基转移的酶及其微生物来源 低低聚聚果果糖糖生生产产中中一一个个关关键键性性的的问问题题是是催催化化果果糖糖转转移移酶酶的的选选择择。这这些生产菌及其酶的特性和合成低聚果糖的主要成分见表些生产菌及其酶的特性和合成低聚果糖的主要成分见表4-15。 表表4-15 -呋喃果糖苷酶和果糖转移酶生产菌的特性呋喃果糖苷酶和果糖转移酶生产菌的特性l3、低聚果糖的工业化生产、低聚果糖的工业化生产 低聚果糖生产工艺流程见图低聚果糖生产工艺流程见图4-7l（1）果糖转移酶的发酵培养）果糖转移酶

114、的发酵培养l（2）菌体或酶的固定化）菌体或酶的固定化 118图图4-7 低聚果糖生产工艺流程低聚果糖生产工艺流程种子斜面培养种子斜面培养 种子扩大培养种子扩大培养 酶的发酵生产酶的发酵生产 酶或菌体分离器酶或菌体分离器 真空搅拌混合器真空搅拌混合器 造粒机造粒机 分离器分离器 固定化的果糖转移酶或固定化细胞固定化的果糖转移酶或固定化细胞 暂贮罐暂贮罐 加热器加热器119n（3）酶催化合成低聚果糖）酶催化合成低聚果糖 n（4）纯化工序）纯化工序 n（二）低聚异麦芽糖酶法转化（二）低聚异麦芽糖酶法转化 低低聚聚异异麦麦芽芽糖糖（Isomaltooligosaccharide）具具有有适适口口的的甜

115、甜味味，甜甜度度约约为为蔗蔗糖糖的的50%，粘粘度度和和蔗蔗糖糖相相近近，具具有有良良好好的的保保湿湿性性和和抗抗结结晶晶性性，可可防防止止淀淀粉粉老老化化，具具有有低低热热值值、抗抗龋龋齿齿、促促进进肠肠道道内内有有益益菌菌双双歧歧杆杆菌菌增增殖殖、改改善善肠肠功功能能、增增强强机机体体免免疫疫力力等等功功效效，生生产产低低聚聚异异麦麦芽芽糖糖的的工工艺流程如图艺流程如图4-18示。示。 图图4-8 低聚异麦芽糖生产工艺流程低聚异麦芽糖生产工艺流程120n（三）低聚半乳糖酶法转化（三）低聚半乳糖酶法转化 低低聚聚半半乳乳糖糖是是以以高高浓浓度度的的乳乳糖糖为为底底物物，在在具具有有半半乳乳糖

116、糖基基转转移移活活性性的的半半乳乳糖糖苷苷酶酶的的作作用用下下，首首先先将将乳乳糖糖水水解解成成半半乳乳糖糖和和葡葡萄萄糖糖，然然后后再再将半乳糖转移到乳糖的半乳糖基上而得。将半乳糖转移到乳糖的半乳糖基上而得。 n（四）低聚乳果糖酶法转化（四）低聚乳果糖酶法转化 低低聚聚乳乳果果糖糖（Lactosucrose）是是在在乳乳糖糖分分子子的的葡葡萄萄糖糖基基端端以以-1,2键结合一个果糖分子，因此又称为半乳糖基蔗糖。键结合一个果糖分子，因此又称为半乳糖基蔗糖。 四、酶法降解纤维素及其应用四、酶法降解纤维素及其应用l（一）纤维素酶特性（一）纤维素酶特性 纤纤维维素素酶酶（cellulase）是是指指

117、能能水水解解纤纤维维素素-1,4葡葡萄萄糖糖苷苷键键，使使纤纤维维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶总称素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶总称l一般将纤维素酶分为三类水解酶：一般将纤维素酶分为三类水解酶：121n1. 葡萄糖内切酶（葡萄糖内切酶（endo-l,4-g1ucanase，EC3.2.1.4简称简称EG）n2. 葡萄糖外切酶（葡萄糖外切酶（exo-1,4-D-glucanase）n3. -葡萄糖苷酶（葡萄糖苷酶（-glucosidase，EC 3.2.1.21，简称，简称BG酶）酶）n（二）纤维素酶在食品加工中的应用（二）纤维素酶在食品加工中的应用n1.饮料生产饮料生产n2.果蔬生产果蔬生产

118、n3. 种子蛋白利用种子蛋白利用n4. 速溶茶生产速溶茶生产n5. 琼脂生产琼脂生产n（三）纤维素酶在发酵工业中的应用（三）纤维素酶在发酵工业中的应用n1. 酱油酿造酱油酿造n2. 制酒工业制酒工业n3. 纤维素渣的转化应用纤维素渣的转化应用122四、酶法降解甲壳素及其利用四、酶法降解甲壳素及其利用n甲壳素，又称为几丁质（甲壳素，又称为几丁质（chitin） ，甲壳素和壳聚糖的结构式见图，甲壳素和壳聚糖的结构式见图4-19 图图4-9甲壳素和壳聚糖的结构式甲壳素和壳聚糖的结构式123n酶酶在在壳壳聚聚糖糖制制备备中中的的应应用用主主要要包包括括三三个个方方面面：酶酶法法脱脱蛋蛋白白、酶酶法法脱

119、脱乙乙酰酰、酶法降解酶法降解15。 n采用酶法脱蛋白可降低有机试剂的用量，采用酶法脱蛋白可降低有机试剂的用量，n缩短提取时间，效果比常规方法好。缩短提取时间，效果比常规方法好。 n（1）直接用酶水解脱蛋白）直接用酶水解脱蛋白n（2）利用微生物发酵脱蛋白）利用微生物发酵脱蛋白n（二）酶法脱乙酰（二）酶法脱乙酰n甲壳素脱乙酰酶广泛存在于自然界，尤其是一些真菌和昆虫中（表甲壳素脱乙酰酶广泛存在于自然界，尤其是一些真菌和昆虫中（表4-16）。）。 表表4-16不同来源甲壳素脱乙酰酶的特性比较不同来源甲壳素脱乙酰酶的特性比较124n（三）酶法制备低聚壳聚糖（三）酶法制备低聚壳聚糖n与与壳壳聚聚糖糖相相比

120、比，低低聚聚壳壳聚聚糖糖显显示示出出更更好好的的功功能能特特性性。低低聚聚壳壳聚聚糖糖的的吸湿性、保湿性、抑菌防腐作用、生理活性均优于壳聚糖。吸湿性、保湿性、抑菌防腐作用、生理活性均优于壳聚糖。 n（1）非专一性酶水解法）非专一性酶水解法n（2）专一性酶降解法）专一性酶降解法n专一性水解壳聚糖的酶包括溶菌酶、甲壳素酶、壳聚糖酶等。专一性水解壳聚糖的酶包括溶菌酶、甲壳素酶、壳聚糖酶等。七、酶法应用于啤酒的生产七、酶法应用于啤酒的生产l在在啤啤酒酒酿酿造造中中利利用用从从黑黑曲曲霉霉ASP枯枯草草杆杆菌菌具具耐耐热热性性的的-淀淀粉粉酶酶，米米曲曲霉霉中中的的糖糖化化酶酶以以及及Aniger中中提

121、提取取的的葡葡聚聚糖糖化化酶酶，可可用用于于糖糖化化过过程程中中促促进淀粉的水解以及生产酒精含量高、热量低的啤酒。进淀粉的水解以及生产酒精含量高、热量低的啤酒。l传传统统的的啤啤酒酒后后熟熟工工艺艺需需要要三三周周左左右右的的时时间间，采采用用固固定定化化酵酵母母技技术术后后可可大大缩短后熟时间，只需数天即可生产出符合产品质量要求的啤酒。大大缩短后熟时间，只需数天即可生产出符合产品质量要求的啤酒。 125n葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶能能催催化化葡葡萄萄糖糖生生成成葡葡萄萄糖糖酸酸，是是阻阻止止啤啤酒酒氧氧化化变变质质、防防止止老老化化、保保持持啤啤酒酒原原有有风风味味、延延长长保保质质期期的的一

122、一项项有有效效措措施施。在在啤啤酒酒生生产产中中，双双乙乙酰酰的的形形成成与与消消除除对对促促进进啤啤酒酒成成熟熟和和缩缩短短发发酵酵周周期期起起着着重重要要的的作作用用。双双乙乙酰酰的的口口味味界界限限值值很很低低，仅仅为为0.10.15mg/L，超超过过此此阈阈值值会会使使啤啤酒酒带带有有不不愉愉快快的的馊馊饭饭味味。一一般般认认为为双双乙乙酰酰是是由由前前体体物物质质-乙乙酰酰乳乳酸酸经经非非酶酶氧氧化化脱脱羧羧形形成成。加加入入-乙乙酰酰乳乳酸酸脱脱羧羧酶酶（EC4.1.1.5），利利用用支支路路代代谢谢途途径径可可使使-乙乙酰酰乳乳酸酸转转化化为为3-羟羟基基丙丙酮（乙偶姻）（图酮（

123、乙偶姻）（图4-10） 。图图4-10 -乙酰乳酸脱羧酶作用机理乙酰乳酸脱羧酶作用机理126八、酶法应用于肉类加工八、酶法应用于肉类加工n肉肉类类可可以以在在动动物物肉肉解解僵僵成成熟熟过过程程中中以以肌肌肉肉释释放放出出来来的的蛋蛋白白酶酶酶酶解解达达到嫩化的效果到嫩化的效果 九、酶法应用于海洋资源的开发、利用九、酶法应用于海洋资源的开发、利用l海海洋洋低低值值鱼鱼（鲨鲨鱼鱼）、贝贝等等蛋蛋白白质质资资源源十十分分丰丰富富，又又尚尚未未直直接接利利用用，利利用用这这些些海海洋洋蛋蛋白白资资源源采采用用生生物物酶酶解解技技术术，便便可可制制备备出出各各种种具具有有保保健功能的肽。低值鱼生产呈味

124、基料工艺流程如图健功能的肽。低值鱼生产呈味基料工艺流程如图4-11所示。所示。 图图4-11小杂鱼生产呈味基料工艺流程小杂鱼生产呈味基料工艺流程127十、酶法应用于食品保鲜十、酶法应用于食品保鲜n（一）葡萄糖氧化酶应用于食品保鲜（一）葡萄糖氧化酶应用于食品保鲜 在在氧氧存存在在下下，葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶（EC1.1.3.4，glucose oxidase，GOD）能能专专一一性性地地将将-葡葡萄萄糖糖催催化化氧氧化化成成-D-葡葡萄萄糖糖酸酸，并并释释放放过过氧化氢氧化氢 。n1. 氧化作用应用于食品的除氧保鲜氧化作用应用于食品的除氧保鲜n2. 氧化作用应用于高蛋白制品的脱糖保鲜氧化作用应

125、用于高蛋白制品的脱糖保鲜n（二）溶菌酶在食品保鲜的应用（二）溶菌酶在食品保鲜的应用 溶溶菌菌酶酶（Lysozyme，EC3.2.1.17），即即N-乙乙酰酰胞胞壁壁质质酶酶（N-acetylmuramidase）。溶溶菌菌酶酶根根据据其其作作用用的的微微生生物物不不同同可可以以分分为为两两大类：细菌细胞壁溶菌酶和真菌细胞壁溶菌酶。大类：细菌细胞壁溶菌酶和真菌细胞壁溶菌酶。 128十一、酶法应用于食品添加剂的生产十一、酶法应用于食品添加剂的生产n（一）（一）-环糊精的酶法生产环糊精的酶法生产 环环状状糊糊精精（Cyclodextrin，简简称称CD，分分子子式式C42H70O35）也也称称为为环

126、环糊糊精精 ，-环环糊糊精精的的生生产产通通常常采采用用环环状状糊糊精精葡葡萄萄糖糖基基转转移移酶酶（CGTase）催催化化淀淀粉粉水水解解生生产产，各各种种来来源源的的-CGTase性性质质比比较较见见表表4-17。 表表4-17 各种来源的各种来源的-CGTase性质性质129n工业上生产工业上生产-环糊精主要有三个阶段（图环糊精主要有三个阶段（图4-12） 图图4-12 -环糊精生产工艺流程环糊精生产工艺流程130n（二）应用于乳化剂生产（二）应用于乳化剂生产n食食品品乳乳化化剂剂是是食食品品加加工工过过程程中中使使互互不不相相溶溶的的液液体体（如如油油和和水水）形形成成稳稳定定乳乳浊浊

127、液液的的添添加剂。加剂。 n1. 脂肪酸单甘油酯的酶法合成脂肪酸单甘油酯的酶法合成n脂脂肪肪酶酶催催化化合合成成单单甘甘酯酯的的工工艺艺路路线线包包括括天天然然油油脂脂或或合合成成三三甘甘酯酯(TG)的的水水解解、醇醇解解及及甘甘油油解解，脂脂肪肪酸酸（酯酯）与与甘甘油油的的酯酯化化或或转转酯酯化化，天天然然油油脂脂或或合合成成三三甘甘酯酯的的保保护护基基团团反应，反应方程式如下：反应，反应方程式如下：n水解法水解法l甘油解法甘油解法131n酯化或转酯化法酯化或转酯化法l保护基团法保护基团法132n2. 蔗糖脂肪酸酯的酶法合成蔗糖脂肪酸酯的酶法合成 蔗蔗糖糖脂脂肪肪酸酸酯酯简简称称蔗蔗糖糖酯酯

128、（sucrose fatty acid esters，SE），是是蔗糖与正羟酸反应生成的一大类有机化合物的总称蔗糖与正羟酸反应生成的一大类有机化合物的总称n3. 磷脂的酶法改性磷脂的酶法改性 从从大大豆豆油油中中提提取取的的豆豆磷磷脂脂是是多多种种磷磷脂脂的的混混合合物物，其其主主要要成成分分是是卵卵磷磷脂脂、脑脑磷磷脂脂及及磷磷酸酸肌肌醇醇等等。由由于于未未经经改改性性的的大大豆豆磷磷脂脂水水分分散散性性不不好好，人人们们致致力力于于对对大大豆豆磷磷脂脂进进行行精精制制与与改改性性，以以获获得得具具有有特特定定功功能和用途的磷脂。磷脂改性包括物理改性、化学改性和酶改性。能和用途的磷脂。磷脂改

129、性包括物理改性、化学改性和酶改性。n（三）应用于食品鲜味剂生产（三）应用于食品鲜味剂生产 呈呈 味味 核核 苷苷 酸酸 是是 5-核核 苷苷 酸酸 ， 包包 括括 以以 5-肌肌 苷苷 酸酸 （ 5-Inosine Monophosphate，IMP）和和5-鸟鸟苷苷酸酸（5-Guanosine Monophosphate，GMP）等。）等。 核核糖糖核核酸酸酶酶解解法法利利用用核核糖糖核核酸酸RNA水水解解酶酶对对酵酵母母菌菌体体分分离离出出来来的的RNA进行水解，从得到进行水解，从得到5-肌苷酸和肌苷酸和5-鸟苷酸（图鸟苷酸（图4-14）。）。 133图图4-14 酶法水解酶法水解RNA基

130、本原理基本原理 l酶酶法法水水解解RNA所所采采用用的的5-磷磷酸酸二二酯酯酶酶，过过去去来来自自牛牛的的小小肠肠粘粘膜膜和和蛇蛇毒毒等等特特殊殊材材料料。后后来来发发现现，在在橘橘青青霉霉和和金金色色链链霉霉菌菌等等中中也也有有这这种酶。种酶。 134第五章第五章 食品与发酵工程食品与发酵工程n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 固体发酵及其特点固体发酵及其特点n第三节第三节 液体深层发酵及其发酵动力学液体深层发酵及其发酵动力学n第四节第四节 发酵工程的工艺、技术发酵工程的工艺、技术n第五节第五节 发酵工程在食品工业中的应用发酵工程在食品工业中的应用135第一节第一节 概述概述一、发酵工程

131、涵义一、发酵工程涵义l而而现现代代工工业业微微生生物物学学家家，认认为为发发酵酵是是在在有有氧氧或或无无氧氧条条件件下下通通过过微微生生物的生长繁殖和代谢活动产生和积累人们所需产品的生物反应过程。物的生长繁殖和代谢活动产生和积累人们所需产品的生物反应过程。l发发酵酵工工程程也也称称为为微微生生物物工工程程，是是指指利利用用微微生生物物的的生生长长繁繁殖殖和和代代谢谢活活动动，并并通通过过现现代代化化工工技技术术，大大量量生生产产人人们们所所需需产产品品过过程程的的理理论论和和工工程技术。程技术。 二、发酵工程的发展历程二、发酵工程的发展历程l（一）自然发酵阶段（一）自然发酵阶段l（二）深层发酵

132、技术的建立（二）深层发酵技术的建立l（三）代谢控制发酵技术（三）代谢控制发酵技术l（四）发酵原料的拓展与发酵设备的改进（四）发酵原料的拓展与发酵设备的改进136第二节第二节 固体发酵及其特点固体发酵及其特点一、固态发酵涵义一、固态发酵涵义l固固态态发发酵酵又又称称固固体体发发酵酵（solid fermentation），是是指指微微生生物物在在湿湿的的固体培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程。固体培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程。 二、固态发酵特点二、固态发酵特点l1、培养基简单且来源广泛、培养基简单且来源广泛 l2、发酵过程一般不需要严格的无菌操作、发酵过程一般不需要严格的无菌操作 l3、培

133、养过程供氧和温度可以采用直接空气强制通风来控制、培养过程供氧和温度可以采用直接空气强制通风来控制 l4、发酵残渣的处理简单、发酵残渣的处理简单 l5、对于传统制曲等固态发酵、对于传统制曲等固态发酵 l6、固态发酵是一种接近自然状态的发酵、固态发酵是一种接近自然状态的发酵 137第三节第三节 液体深层发酵及其发酵动力学液体深层发酵及其发酵动力学一、间歇式发酵及其发酵动力学一、间歇式发酵及其发酵动力学 间间歇歇性性发发酵酵又又称称分分批批发发酵酵（batch fermentation），操操作作最最为为简简单单，在在培培养养基基中中接接种种后后只只需需维维持持一一定定的的温温度度，对对于于好好氧氧

134、培培养养过过程程则则还需进行通气搅拌。还需进行通气搅拌。 l（一）菌体生长速率（一）菌体生长速率 比生长速率比生长速率是指单位菌体的生长速率。是指单位菌体的生长速率。l菌体生长速率菌体生长速率vX与微生物的菌体浓度与微生物的菌体浓度X成正比。成正比。138n（二）基质消耗速率（二）基质消耗速率n基质的消耗速率基质的消耗速率 n基质的比消耗速率基质的比消耗速率 n基质消耗速率与菌体生长速率的关系为基质消耗速率与菌体生长速率的关系为 l YX/S为菌体得率系数。为菌体得率系数。l （三）产物的生成速率（三）产物的生成速率l 产物生成速率产物生成速率 l 产物的生成比速产物的生成比速 139n（四）

135、分批发酵的生长动力学（四）分批发酵的生长动力学 分分批批发发酵酵是是一一种种准准封封闭闭培培养养，其其发发酵酵过过程程属属于于典典型型的的非非稳稳态态过过程程，在在分分批批发发酵酵过过程程中中，微微生生物物生生长长通通常常经经历历延延滞滞期期、对对数数生生长长期期、减减速速期期、稳稳定定期期（静静止止期期）和和衰衰亡亡期期五五个个时时期期，如图如图5-1所示。所示。 图图5-1 分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线分批发酵时典型的微生物生长动力学曲线l在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化在延迟期微生物细胞浓度（或数量）的变化 l对对数数生生长长期期又又称称指指数数期期 ，细细胞胞质质量量和和

136、数数目目均均随随时时间间呈呈指指数数增增加加。细细胞胞生长速率与细胞浓度是一级动力学关系生长速率与细胞浓度是一级动力学关系 140n在在对对数数生生长长阶阶段段，细细胞胞的的生生长长不不受受基基质质浓浓度度限限制制，比比生生长长速速率率达达到最大值到最大值max并保持不变，并保持不变，max。对式（。对式（59）积分）积分l得得l细胞浓度增加一倍（细胞浓度增加一倍（X2X0）时所需时间为：）时所需时间为：l当当培培养养基基中中不不存存在在抑抑制制细细胞胞生生长长的的物物质质时时，细细胞胞的的比比生生长长速速率率和和限制性基质的浓度限制性基质的浓度S有如下关系（有如下关系（Monod方程）：方程

137、）： 141n式中，式中，max最大比生长速率，最大比生长速率，h-1；Ks为底物饱和常数，为底物饱和常数，g/L。n（五）分批培养的底物消耗动力学（五）分批培养的底物消耗动力学n1、得率系数、得率系数n微微生生物物细细胞胞内内的的生生化化反反应应极极为为复复杂杂，好好氧氧发发酵酵总总的的反反应应可可用用下下式式表表示：示：l基质生长得率，即消耗单位数量的营养基质所得到的菌体量，基质生长得率，即消耗单位数量的营养基质所得到的菌体量，YX/S。l式中为菌体增加的量（式中为菌体增加的量（g）；为基质消耗量（）；为基质消耗量（g）。）。l相对于氧的菌体得率系数：相对于氧的菌体得率系数： 142nYX

138、/O的倒数表示生成单位质量菌体所需氧的质量。的倒数表示生成单位质量菌体所需氧的质量。n基质的产物得率，即消耗单位数量的基质所得到的产物量，基质的产物得率，即消耗单位数量的基质所得到的产物量，YP/S。 l2、基质消耗动力学参数、基质消耗动力学参数l对于基质消耗速率对于基质消耗速率l因因 l得得l则则单单位位质质量量细细胞胞在在单单位位时时间间内内的的底底物物消消耗耗量量，即即基基质质比比消消耗耗速速率率为为143n对对于于氧氧的的消消耗耗，单单位位质质量量细细胞胞在在单单位位时时间间内内的的溶溶解解氧氧消消耗耗量量（称称为为比耗氧速率，也可称为微生物细胞的呼吸强度）比耗氧速率，也可称为微生物细

139、胞的呼吸强度） l（六）基质消耗动力学（六）基质消耗动力学l微微生生物物发发酵酵过过程程中中的的底底物物消消耗耗主主要要用用于于三三个个方方面面，即即合合成成细细胞胞生生长长繁繁殖殖所所需需的的物物质质、维维持持细细胞胞的的结结构构和和生生命命活活动动所所需需的的能能耗耗以以及及合合成成代谢产物。根据物料衡算：代谢产物。根据物料衡算：144n即即l由上式可得由上式可得l（七）分批发酵的产物形成动力学（七）分批发酵的产物形成动力学l1、生长相关型、生长相关型l生生长长相相关关型型是是指指产产物物的的生生成成与与细细胞胞的的生生长长密密切切相相关关的的动动力力学学过过程程，其产物形成速率：其产物形

140、成速率： l式中式中YP/X为以细胞为基准的产物得率系数。为以细胞为基准的产物得率系数。l2、生长部分相关型、生长部分相关型145n生生长长部部分分相相关关型型指指代代谢谢产产物物是是能能量量代代谢谢的的间间接接结结果果，不不是是底底物物直直接接氧氧化化产产物物，而而是是菌菌体体内内生生物物氧氧化化过过程程的的主主流流产产物物。如如氨氨基基酸酸、柠柠檬檬酸的发酵等。其产物形成速率酸的发酵等。其产物形成速率l式中为与菌体生长相关的产物生成系数；式中为与菌体生长相关的产物生成系数；l为与菌体浓度相关的产物生成系数。为与菌体浓度相关的产物生成系数。l若以比生长速率表示，则：若以比生长速率表示，则：l

141、3、非生长关联型、非生长关联型 l其产物形成速率其产物形成速率 146n（八）补料分批发酵（八）补料分批发酵n图图5-2是补料分批培养的示意图。是补料分批培养的示意图。 图图5-2 补料分批培养示意图补料分批培养示意图l细胞：细胞： l底物：底物： l产物：产物： l关于细胞，对式的左边求全微分关于细胞，对式的左边求全微分147n则则 l其中其中 ，称为稀释率。，称为稀释率。 l对于限制性基质和产物，类似地可推出对于限制性基质和产物，类似地可推出二、连续式发酵及其发酵动力学二、连续式发酵及其发酵动力学l连连续续发发酵酵（continuous fermentation）是是指指在在发发酵酵过过程

142、程中中以以一一定定的的速速度度连连续续地地向向发发酵酵罐罐中中补补入入新新鲜鲜的的料料液液，同同时时以以相相近近的的流流速速从从发发酵酵罐罐中中排出含有目的产物的发酵液，维持发酵液在发酵罐中的体积恒定。排出含有目的产物的发酵液，维持发酵液在发酵罐中的体积恒定。 148n（一）单级连续发酵（一）单级连续发酵n图图5-3是单级连续发酵的示意图。是单级连续发酵的示意图。 图图5-3 单级连续培养示意图单级连续培养示意图l细胞（忽略细胞死亡）：细胞（忽略细胞死亡）： l限制性基质：限制性基质： l产物：产物： l式式中中，F为为物物料料的的流流量量，X、S和和P分分别别为为反反应应器器中中细细胞胞、限

143、限制制性性基基质质和和产产物物的的浓浓度度；X0、SF和和P0分分别别为为培培养养基基中中的的细细胞胞、限限制制性性基基质质和和产产物物浓浓度度。对对于单级连续发酵，由于加入的培养基中不含细胞和产物，由式（于单级连续发酵，由于加入的培养基中不含细胞和产物，由式（536）得）得149n当当达达到到稳稳定定状状态态时时，细细胞胞浓浓度度、基基质质浓浓度度和和产产物物浓浓度度恒恒定定，因因此此由由式（式（539）可得）可得l同样，在稳态下，由式（同样，在稳态下，由式（537）和式（）和式（538），分别可以得到），分别可以得到 l（二）多级连续发酵（二）多级连续发酵l将将多多个个发发酵酵罐罐串串联联

144、起起来来，前前一一发发酵酵罐罐的的出出料料作作为为后后一一发发酵酵罐罐的的进进料料，即成为多级连续发酵系统，如图即成为多级连续发酵系统，如图5-4所示。所示。 150图图5-4 多级连续培养示意图多级连续培养示意图l细胞：细胞： l限制性基质：限制性基质： l产物：产物： l其其中中下下标标n和和n-1分分别别表表示示第第n和和n-1级级反反应应器器。在在稳稳态态时时，由由上上述述各各式式可得可得151由上式得由上式得第四节第四节 发酵工程的工艺、技术发酵工程的工艺、技术一、发酵工程的工艺过程一、发酵工程的工艺过程l（一）菌种的选育（一）菌种的选育152图图5-5微生物典型发酵工艺路线图微生物

145、典型发酵工艺路线图(引自文献引自文献14)l1）发酵微生物来源的途径）发酵微生物来源的途径l 从自然界分离筛选。从自然界分离筛选。l 从菌种保藏机构的已知菌种中直接分离筛选。从菌种保藏机构的已知菌种中直接分离筛选。 153n 从生产过程中分离筛选。从生产过程中分离筛选。 n2）诱变育种）诱变育种n3）基因重组改良菌种）基因重组改良菌种n（二）培养基的配制与优化（二）培养基的配制与优化n1）培养基的组成）培养基的组成n2）培养基的配制）培养基的配制n3）培养基的优化）培养基的优化n（三）培养基的灭菌（三）培养基的灭菌n1）微生物的死亡速率与理论灭菌时间）微生物的死亡速率与理论灭菌时间n对对微微生

146、生物物进进行行湿湿热热灭灭菌菌时时，培培养养基基中中的的微微生生物物受受热热死死亡亡的的速速率率与与残残存的微生物数量成正比，即存的微生物数量成正比，即154n式式中中，N为为培培养养基基中中活活微微生生物物的的个个数数；t为为微微生生物物受受热热时时间间；k为为比比死亡速率。死亡速率。n若若开开始始灭灭菌菌时时（t0），培培养养基基中中活活微微生生物物数数为为N0，将将上上式式积积分分可可得得l即即l在计算时，可以对热抵抗力较大的芽孢杆菌的在计算时，可以对热抵抗力较大的芽孢杆菌的k进行计算，即进行计算，即 l2）培养基的分批灭菌）培养基的分批灭菌l3）培养基的连续灭菌）培养基的连续灭菌155

147、n（四）种子扩大培养（四）种子扩大培养n种子制备的工艺流程如图种子制备的工艺流程如图5-6所示。所示。图图5-6 种子扩大培养流程图（参考文献种子扩大培养流程图（参考文献25）l（五）微生物发酵生产（五）微生物发酵生产l（六）发酵液的后提取（六）发酵液的后提取156二、常用发酵设备二、常用发酵设备n（一一）好好氧氧发发酵酵设设备备（aerobic fermentative reactor） n1、机械搅拌式发酵罐、机械搅拌式发酵罐n机机械械搅搅拌拌式式通通风风发发酵酵罐罐（如如图图5-7），既既具具有有机机械械搅搅拌拌又又有有压压缩缩空空气气分分布布装装置置，为为可可同同时时进进行行搅搅拌拌和

148、和通通入入无无菌菌压压缩缩空空气气的的发发酵酵罐罐。由由于于这这种种发发酵酵罐罐是是目目前前大大多多数数发发酵酵工工厂厂所所常常用用的的，所所以以称称之之为为“通通用用式式”。该该类类发发酵酵罐罐为为密密闭闭式式，灭灭菌菌蒸蒸汽汽压压力力0.10.15MPa，正正常常工工作作气气压压0.030.05MPa。图图5-7机械搅拌通风发酵罐结构示意图（参考文献机械搅拌通风发酵罐结构示意图（参考文献12）157n2、气升式生物反应器（、气升式生物反应器（air-lift bioreactor）n气升式生物反应器也是应用非常广泛的生物反应设备。如图气升式生物反应器也是应用非常广泛的生物反应设备。如图5-

149、8所示所示 图图5-8气升式环流发酵罐示意图（参考文献气升式环流发酵罐示意图（参考文献21）158n气气升升式式生生物物反反应应器器按按其其所所采采取取的的液液体体循循环环方方式式不不同同，可可划划分分为为内内循循环环气气升升式式生生物反应器和外循环气升式生物反应器。物反应器和外循环气升式生物反应器。 n气气升升式式生生物物反反应应器器的的优优点点：结结构构简简单单， 省省去去搅搅拌拌器器， 密密封封好好，使使得得发发酵酵罐罐中中灭灭菌菌可可靠靠； 无无局局部部滞滞流流；无无搅拌装置搅拌装置 ；装料系数有所增加。装料系数有所增加。n（ 二二 ） 嫌嫌 气气 发发 酵酵 设设 备备 （ anae

150、robic fermentative reactor）n1、酒精发酵罐、酒精发酵罐n酒酒精精发发酵酵罐罐一一般般为为圆圆柱柱形形的的立立式式筒筒体体，底底盖盖和和顶顶盖盖均均为为碟碟形形或或锥锥形形，如如图图5-9所示。所示。 图图5-9酒精厌氧发酵罐（参考文献酒精厌氧发酵罐（参考文献12）159n2、新型啤酒发酵设备（圆筒体锥底发酵罐）、新型啤酒发酵设备（圆筒体锥底发酵罐）n圆圆筒筒体体锥锥底底立立式式发发酵酵罐罐（简简称称锥锥形形罐罐），可可单单独独用用于于啤啤酒酒的的前前发发酵酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）。或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）。

151、三、发酵过程的控制、优化三、发酵过程的控制、优化l（一）发酵过程的中间分析（一）发酵过程的中间分析l（二）温度对发酵的影响及其控制（二）温度对发酵的影响及其控制l1、温度对微生物生长的影响、温度对微生物生长的影响 不不同同的的微微生生物物，其其最最适适生生长长温温度度和和耐耐受受温温度度范范围围各各异异。根根据据它它们们对对温温度度的的要要求求大大致致可可分分为为四四类类：嗜嗜冷冷菌菌适适应应于于026生生长长，嗜嗜温温菌菌适适应应于于1543生生长长，嗜嗜热热菌菌适适应应于于3765生生长长，嗜嗜高高温温菌菌适适应应于于65以以上上生生长长。温温度度会会影影响响碳碳能能源源基基质质转转化化为

152、为细细胞胞的的得得率率，温温度也影响细胞的各种代谢过程。度也影响细胞的各种代谢过程。160n2、温度对发酵的影响、温度对发酵的影响n（1）温温度度影影响响反反应应速速率率发发酵酵过过程程的的反反应应速速率率实实际际是是酶酶反反应应速速率率，酶酶反应有一个最适温度。反应有一个最适温度。n从阿累尼乌斯方程式可以看到反应速率常数从阿累尼乌斯方程式可以看到反应速率常数或或l 3、影响发酵温度的因素、影响发酵温度的因素l 发发酵酵热热就就是是发发酵酵过过程程中中释释放放出出来来的的净净热热量量，它它包包括括生生物物热热、搅搅拌拌热热、蒸发热、辐射热和显热等。蒸发热、辐射热和显热等。 161n生物热（生物

153、热（Q生物），是指生产菌在生长代谢过程中产生的热量生物），是指生产菌在生长代谢过程中产生的热量 n搅搅拌拌热热（Q搅搅拌拌），是是指指好好气气培培养养的的发发酵酵设设备备进进行行搅搅拌拌带带动动发发酵酵液液作机械运动产生的热量作机械运动产生的热量 n蒸蒸发发热热（Q蒸蒸发发），这这部部分分热热量量是是在在发发酵酵过过程程中中以以蒸蒸气气形形式式散散发发到到发酵罐的液面，再由排气管带走的热量发酵罐的液面，再由排气管带走的热量 n辐辐射射热热（Q辐辐射射），由由于于发发酵酵罐罐外外壁壁与与大大气气间间的的温温差差而而使使发发酵酵液液通通过罐体向大气辐射热量过罐体向大气辐射热量 n4、最适温度的选择

154、、最适温度的选择n（1）根据菌种及生长阶段选择）根据菌种及生长阶段选择n（2）根据培养条件选择）根据培养条件选择n（3）根据菌生长情况）根据菌生长情况n（三）（三）pH对发酵的影响及其控制对发酵的影响及其控制npH是是微微生生物物代代谢谢的的综综合合反反映映，又又影影响响代代谢谢的的进进行行，所所以以是是十十分分重重要要的的参参数数。发发酵酵过过程程中中pH是是不不断断变变化化的的，通通过过观观察察pH变变化化规规律律可可以以了解发酵的正常与否。了解发酵的正常与否。 162n1、pH对发酵的影响对发酵的影响n微微生生物物生生长长阶阶段段和和产产物物合合成成阶阶段段的的最最适适pH往往往往不不一

155、一样样，这这不不仅仅与与菌菌种种特特性性有有关关，也也取取决决于于产产物物的的化化学学性性质质。生生产产不不同同产产物物所所需需要要的的最最适适pH不不同同，如如链链霉霉素素和和红红霉霉素素为为中中性性偏偏碱碱，6.8-7.3；金金霉霉素素、四四环环素为素为5.9-6.3；青霉素为；青霉素为6.5-6.8；柠檬酸为；柠檬酸为3.5-4.0。n2、发酵过程中、发酵过程中pH的变化的变化n3、最适、最适pH的选择和控制的选择和控制n选选择择最最适适pH的的准准则则是是要要获获得得最最大大的的比比生生产产速速率率和和适适当当的的菌菌体体量量，以以获得最高产量。获得最高产量。 n配制合适的培养基配制合

156、适的培养基 ；n加入非营养基质的酸碱调节剂；加入非营养基质的酸碱调节剂；n加入基质性酸碱调节剂；加入基质性酸碱调节剂；n加生理酸性或碱性基质；加生理酸性或碱性基质；n通过补料来控制通过补料来控制pH。163n（四）溶解氧对发酵的影响及其控制（四）溶解氧对发酵的影响及其控制n溶溶解解氧氧(dissolve oxygenDO)是是好好氧氧微微生生物物生生长长所所必必需需的的 ，好好氧氧微微生生物物深层培养需要适当的通气条件，才能维持一定的生产水平。深层培养需要适当的通气条件，才能维持一定的生产水平。 n了了解解溶溶氧氧状状况况的的最最简简便便有有效效的的方方法法是是在在线线监监测测发发酵酵液液中中

157、DO的的浓浓度度，从从DO浓浓度度变变化化情情况况可可以以了了解解氧氧的的供供需需规规律律及及其其对对菌菌体体生生长长和和产产物物合合成成的的影影响响。目目前前，最最常常用用的的测测定定溶溶氧氧的的方方法法是是基基于于极极谱谱原原理理的的电电流流型型测测氧氧复膜电极法，在发酵罐内安装溶氧电极进行溶氧的测定。复膜电极法，在发酵罐内安装溶氧电极进行溶氧的测定。 n1、溶解氧对发酵的影响、溶解氧对发酵的影响n在在耗耗氧氧发发酵酵中中，微微生生物物对对氧氧有有一一个个最最低低要要求求，满满足足微微生生物物呼呼吸吸的的最最低低氧氧浓浓度度为为临临界界氧氧浓浓度度。一一般般好好氧氧微微生生物物临临界界氧氧

158、浓浓度度很很低低，为为0.003-0.05 mmol/L，大约是饱和度的，大约是饱和度的1-25%。n在在稳稳定定情情况况下下，氧氧分分子子从从气气体体主主体体扩扩散散到到液液体体主主体体的的传传递递速速率率即即氧氧的的传传质方程式为质方程式为164n可以从操作条件、液体的性质以及其他条件等方面来改进可以从操作条件、液体的性质以及其他条件等方面来改进KL值。值。n搅拌。搅拌。 n空空气气流流量量。在在通通气气培培养养中中，空空气气为为微微生生物物提提供供氧氧气气的的同同时时，还还能能带走发酵废气。增加空气流量可增加带走发酵废气。增加空气流量可增加KL值值 n发酵液黏度发酵液黏度 n微微生生物物

159、的的生生长长。随随着着微微生生物物的的生生长长，发发酵酵液液中中细细胞胞浓浓度度的的增增加加，会会使使KL值值逐逐渐渐变变小小。不不同同的的菌菌丝丝体体形形态态使使发发酵酵液液的的流流动动特特性性有有较较大的差别，明显影响大的差别，明显影响KL值。值。 n消消泡泡剂剂的的影影响响。在在发发酵酵过过程程中中加加入入的的消消泡泡剂剂，会会分分布布在在气气液液界界面面，增大传递阻力，使增大传递阻力，使KL下降；下降； n离离子子强强度度的的影影响响。电电解解质质溶溶液液中中生生成成的的气气泡泡比比在在水水中中的的要要小小得得多多，所所以以有有较较大大的的比比表表面面积积。在在同同样样条条件件下下，电

160、电解解质质溶溶液液的的KL值值也也比比水中的大，并且随着电解质浓度的增加，水中的大，并且随着电解质浓度的增加，KL值也有较大的增加。值也有较大的增加。 165n（五）基质浓度对发酵的影响及其控制（五）基质浓度对发酵的影响及其控制n基质的种类和浓度直接影响到菌体的代谢变化和产物的合成。基质的种类和浓度直接影响到菌体的代谢变化和产物的合成。 n1、碳源对发酵的影响及控制、碳源对发酵的影响及控制n选选择择最最适适碳碳源源对对提提高高代代谢谢产产物物产产量量是是很很重重要要的的，在在工工业业上上，发发酵酵培培养养基基中中常采用含有快速和慢速利用的混合碳源，以控制菌体的生长和产物的合成。常采用含有快速和

161、慢速利用的混合碳源，以控制菌体的生长和产物的合成。 n2、氮源对发酵的影响及控制、氮源对发酵的影响及控制n（六）二氧化碳和呼吸商对发酵的影响及其控制（六）二氧化碳和呼吸商对发酵的影响及其控制n1、二氧化碳对发酵的影响、二氧化碳对发酵的影响 n2、二氧化碳浓度的控制、二氧化碳浓度的控制n3、呼吸商与发酵的关系、呼吸商与发酵的关系n发发酵酵过过程程中中的的摄摄氧氧率率（OUR）和和CO2的的释释放放率率（CER）可可通通过过测测量量进进气气和和排气中排气中O2和和CO2的含量分别由以下两个公式求得：的含量分别由以下两个公式求得：166n呼呼吸吸商商（RQ）为为CO2释释放放率率（CER）与与摄摄氧

162、氧率率（OUR）之之比比值值。RQ可可以以反映菌的代谢情况反映菌的代谢情况 。n（七）补料的控制（七）补料的控制n补补料料分分批批培培养养是是在在分分批批培培养养过过程程中中，间间歇歇或或连连续续地地补补加加一一种种或或多多种种成成分分的的新鲜培养基。新鲜培养基。 n补补料料分分批批培培养养是是分分批批培培养养和和连连续续培培养养之之间间的的一一种种过过渡渡培培养养方方式式，现现已已广广泛泛用于微生物发酵工业。用于微生物发酵工业。 n（八）泡沫对发酵的影响及其控制（八）泡沫对发酵的影响及其控制n泡沫的控制可分为机械消泡和消泡剂两大类。泡沫的控制可分为机械消泡和消泡剂两大类。n机械消沫机械消沫是

163、藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用机械消沫机械消沫是藉机械引力起剧烈振动或压力变化起消沫作用 n消消泡泡剂剂消消沫沫是是通通过过添添加加消消泡泡剂剂进进行行消消泡泡，加加入入某某些些消消泡泡剂剂后后，可可降降低泡沫表面张力，使泡沫受力不均匀而破裂。低泡沫表面张力，使泡沫受力不均匀而破裂。 n发发酵酵工工业业常常用用的的消消泡泡剂剂分分天天然然油油脂脂类类（玉玉米米油油、豆豆油油等等）、聚聚醚醚类类（聚聚氧氧丙丙烯烯甘甘油油）、高高级级醇醇类类（十十八八醇醇、聚聚二二醇醇）和和硅硅树树脂脂类类（聚聚二二甲甲基基硅硅氧氧烷烷及其衍生物）。及其衍生物）。 167第五节第五节 发酵工程在食品工业

164、中的应用发酵工程在食品工业中的应用一、酒类发酵一、酒类发酵l（一）白酒（一）白酒l我我国国的的白白酒酒，生生产产工工艺艺独独特特，它它是是以以高高粱粱、大大米米等等为为原原料料，用用曲曲作作为为糖糖化化剂剂和和发发酵酵剂剂酿酿制制而而成成，再再利利用用固固态态蒸蒸馏馏技技术术得得到到的的一一种种蒸蒸馏馏酒，其酒精度较高，具有独特的芳香和风味。酒，其酒精度较高，具有独特的芳香和风味。l1、白酒生产的原辅料、白酒生产的原辅料 l2、酒曲的生产、酒曲的生产l（1）大大曲曲大大曲曲以以小小麦麦、大大麦麦和和豌豌豆豆为为原原料料，经经破破碎碎，加加水水拌拌料料，压压成成砖砖块块样样曲曲坯坯后后，在在人人

165、工工控控制制的的温温度度、湿湿度度下下培培养养而而成成。大大曲曲含含霉菌、酵母菌、细菌等多种微生物及它们产生的各种酶类。霉菌、酵母菌、细菌等多种微生物及它们产生的各种酶类。 168n（2）小小曲曲小小曲曲也也称称酒酒药药、白白药药、酒酒饼饼等等，以以米米粉粉或或米米糠糠和和麸麸皮皮为为原原料料，并并添添加加少少量量中中药药材材或或辣辣蓼蓼草草，接接种种曲曲母母，人人工工控控制制培培养养温温度度，制制成成颗颗粒粒状状或饼状，主要含根霉、毛霉和酵母等微生物。或饼状，主要含根霉、毛霉和酵母等微生物。n（3）麸麸曲曲麸麸曲曲以以麸麸皮皮为为主主要要原原料料，接接种种霉霉菌菌，纯纯种种扩扩大大培培养养而

166、而成成，主主要要用于生产麸曲白酒、糖化剂。用于生产麸曲白酒、糖化剂。n3、白酒的生产、白酒的生产n（1）大曲酒的生产）大曲酒的生产n大大曲曲酒酒包包括括浓浓香香（泸泸州州老老窖窖、五五粮粮液液等等）、清清香香（汾汾酒酒等等）、酱酱香香（茅茅台台酒等）等香型的白酒。工艺流程见图酒等）等香型的白酒。工艺流程见图5-10。工艺流程见图。工艺流程见图5-11。图图5-10清蒸清烧工艺流程图（参考文献清蒸清烧工艺流程图（参考文献19）169图图5-11混蒸混烧工艺流程图（引自文献混蒸混烧工艺流程图（引自文献11）l（2）麸麸曲曲白白酒酒的的生生产产，麸麸曲曲白白酒酒是是以以高高粱粱、薯薯干干、玉玉米米等

167、等含含淀淀粉粉的的物物质质为为原料，采用纯种麸曲和酒母代替大曲作糖化发酵剂所生产的蒸馏酒。原料，采用纯种麸曲和酒母代替大曲作糖化发酵剂所生产的蒸馏酒。l（3）小小曲曲酒酒生生产产，小小曲曲酒酒以以小小曲曲为为糖糖化化发发酵酵剂剂，根根据据所所用用原原料料和和生生产产工工艺艺的的不不同同分分为为两两类类，一一类类是是云云贵贵等等省省盛盛行行的的以以高高粱粱、玉玉米米等等为为原原料料，小小曲曲箱箱式式固固态态培培菌菌，配配醅醅发发酵酵，固固态态蒸蒸馏馏的的小小曲曲白白酒酒；另另一一类类是是两两广广及及福福建建等等省省盛盛行行的的以以大大米米为为原原料料，采采用用小小曲曲固固态态培培菌菌糖糖化化，半

168、半固固态态发发酵酵，液液态态蒸蒸馏馏的的小小曲曲白白酒酒。半半固固态态发发酵酵法法又又可可分分为为先先培培菌菌糖糖化化后后发发酵酵和和边边糖糖化化边边发发酵酵两两种种工艺，见图工艺，见图5-12和图和图5-13。 170大米饭摊冷加曲粉下缸培菌糖化投水发酵蒸馏白酒 图图5-12先培菌后糖化工艺流程图（参考文献先培菌后糖化工艺流程图（参考文献19）大米饭摊冷加水、曲粉入埕发酵蒸馏白酒图图5-13边糖化边发酵工艺流程图（参考文献边糖化边发酵工艺流程图（参考文献19）l（4）液态法白酒生产）液态法白酒生产l液液态态法法是是指指原原料料的的糊糊化化、糖糖化化、发发酵酵和和蒸蒸馏馏等等工工艺艺全全部部在

169、在液液态态下下进行，采用类似酒精生产的方法制造白酒。进行，采用类似酒精生产的方法制造白酒。 l（二）啤酒（二）啤酒l啤啤酒酒是是一一种种以以麦麦芽芽汁汁为为原原料料，经经酵酵母母菌菌发发酵酵酿酿制制而而成成的的含含酒酒精精饮饮料。料。 l1、啤酒发酵的原料、啤酒发酵的原料 l啤啤酒酒发发酵酵的的主主要要原原料料是是麦麦芽芽汁汁，是是由由麦麦芽芽经经粉粉碎碎后后兑兑水水糖糖化化而而成成。为为了了降降低低成成本本，大大多多数数厂厂家家都都会会适适当当添添加加一一些些辅辅助助原原料料。另另外外，为了保证啤酒的品质和口味，麦汁中必须添加一定浓度的酒花。为了保证啤酒的品质和口味，麦汁中必须添加一定浓度的

170、酒花。 171n水水啤啤酒酒中中水水的的含含量量占占90%以以上上，因因此此水水对对啤啤酒酒口口味味影影响响极极大大。酿酿造造用用水水是是指指糖糖化化用用水水、酵酵母母洗洗涤涤用用水水以以及及高高浓浓度度酿酿造造时时的的稀稀释释用用水。必须达到饮用水标准，一般由深井水经改良处理而成。水。必须达到饮用水标准，一般由深井水经改良处理而成。 n麦麦芽芽以以啤啤酒酒大大麦麦为为原原料料，经经浸浸麦麦、发发芽芽、烘烘干干、焙焙焦焦而而成成。麦麦芽芽按按其其色色度度可可分分为为淡淡色色、浓浓色色、黑黑色色三三种种，因因此此应应根根据据啤啤酒酒的的品品种种和特性来选择麦芽种类。和特性来选择麦芽种类。 n辅辅

171、料料采采用用富富含含淀淀粉粉的的谷谷类类、糖糖类类或或糖糖浆浆作作为为辅辅助助原原料料（最最高高用用量可达量可达50）。）。n酒酒花花酒酒花花是是酿酿造造啤啤酒酒的的特特殊殊原原料料，一一般般在在麦麦汁汁煮煮沸沸过过程程中中加加入入。酒酒花花的的用用量量不不大大（约约1.4kg/吨吨啤啤酒酒），但但它它赋赋予予啤啤酒酒特特有有的的酒酒花花香香气和苦味，增加啤酒的防腐作用气和苦味，增加啤酒的防腐作用 。n2、麦汁制造、麦汁制造 n麦汁制造俗称糖化，主要包括以下步骤：麦汁制造俗称糖化，主要包括以下步骤：n(1)麦芽和谷物的粉碎麦芽和谷物的粉碎 n(2)糖化制成麦芽汁糖化制成麦芽汁n糖糖化化是是利利

172、用用麦麦芽芽所所含含的的酶酶使使原原料料中中的的大大分分子子物物质质如如淀淀粉粉、蛋蛋白白质质等等逐步降解，使可溶性物质逐步降解，使可溶性物质 ，由此制备的溶液称为麦芽汁。，由此制备的溶液称为麦芽汁。 172n(3)过滤分离麦糟过滤分离麦糟n(4)麦汁煮沸并添加酒花，过滤后的麦汁需进行煮沸并添加酒花。麦汁煮沸并添加酒花，过滤后的麦汁需进行煮沸并添加酒花。n(5)麦汁冷却并分离固形物麦汁冷却并分离固形物 n3、啤酒酵母的扩大培养、啤酒酵母的扩大培养 n4、啤酒发酵工艺、啤酒发酵工艺n啤啤酒酒发发酵酵是是在在啤啤酒酒酵酵母母的的参参与与下下对对麦麦芽芽汁汁进进行行发发酵酵的的过过程程。麦麦汁汁中中

173、的的可可发发酵酵糖糖等等营营养养物物被被酵酵母母细细胞胞中中的的酶酶分分解解成成酒酒精精和和二二氧氧化化碳碳，并并产产生生诸诸如如双双乙乙酰酰、高高级级醇醇、醛醛、酸酸、酯酯和和硫硫化化物物等等一一系系列列风风味味活活性性物物质质，将将麦麦汁汁的的风风味味转变成啤酒风味。转变成啤酒风味。n传传统统发发酵酵工工艺艺分分成成前前发发酵酵和和后后发发酵酵两两个个阶阶段段。将将冷冷却却麦麦汁汁充充氧氧后后流流入入发发酵酵槽槽中中，加加啤啤酒酒酵酵母母进进行行前前发发酵酵（又又称称主主发发酵酵），一一般般将将发发酵酵液液品品温温控控制制在在9-10左左右右，发发酵酵7-l0天天即即成成嫩嫩啤啤酒酒；嫩嫩

174、啤啤酒酒输输到到贮贮酒酒室室内内的的贮贮酒酒罐罐中中进进行行后后发发酵酵（又又称称贮贮酒酒），一一般般在在0-3下下贮贮酒酒42-90天天，以以达达到到啤啤酒酒成成熟熟、二二氧氧化化碳碳饱饱和和和和啤啤酒酒澄澄清清的的目目的的。目目前前，许许多多啤啤酒酒厂厂采采用用了了一一罐罐法法（前前酵酵和和后后酵在同一发酵罐完成）和高浓酿造工艺。酵在同一发酵罐完成）和高浓酿造工艺。173n（三）葡萄酒（三）葡萄酒n葡萄酒是用新鲜的葡萄汁酿制成的低酒精饮料。葡萄酒是用新鲜的葡萄汁酿制成的低酒精饮料。n葡葡萄萄酒酒的的酿酿造造是是利利用用葡葡萄萄皮皮自自带带的的酵酵母母或或人人工工接接种种的的葡葡萄萄酒酒酵酵

175、母母菌菌，将将新新鲜鲜葡葡萄萄汁汁中中的的葡葡萄萄糖糖、果果糖糖发发酵酵，生生成成酒酒精精、CO2，同同时时生生成成高高级级醇醇、脂脂肪酸、挥发酸、酯类等副产物。肪酸、挥发酸、酯类等副产物。n用用于于酿酿酒酒的的葡葡萄萄品品种种很很多多，酿酿制制白白葡葡萄萄酒酒的的主主要要品品种种有有雷雷司司令令（Gray Riesling）、贵贵人人香香（Italian Rielsing）、李李将将军军（Pinot Gris）等等；酿酿制制红红葡葡 萄萄 酒酒 的的 主主 要要 品品 种种 有有 佳佳 丽丽 酿酿 （ Carignane） 、 赤赤 霞霞 珠珠 （ Cabernet Sauvignon）、蛇

176、蛇龙龙珠珠（Cabernet Gernischet）、黑黑品品乐乐（Piont Noir）等等。另另外外我我国国特特产产山山葡葡萄萄用用于于酿酿制制山山葡葡萄萄酒酒，紫紫北北塞塞（Alicante Bouschet）、烟烟74等品种用于红葡萄酒的调色。等品种用于红葡萄酒的调色。n红红葡葡萄萄酒酒的的酿酿制制工工艺艺是是葡葡萄萄经经破破碎碎后后，果果汁汁和和皮皮渣渣共共同同发发酵酵至至残残糖糖5g/L以以下下，经经压压榨榨分分离离皮皮渣渣进进行行后后酵酵，其其工工艺艺流流程程见见图图5-14；白白葡葡萄萄酒酒与与红红葡葡萄萄糖糖的的前前加加工工工工艺艺不不同同，白白葡葡萄萄经经破破碎碎后后，压压

177、榨榨分分离离果果汁汁，果果汁汁单单独独进进行行发发酵酵，其工艺流程见图其工艺流程见图5-15。 174图图5-14干红葡萄酒酿制工艺流程图（参考文献干红葡萄酒酿制工艺流程图（参考文献7）图图5-15干白葡萄酒酿制工艺流程图（参考文献干白葡萄酒酿制工艺流程图（参考文献7）175二、氨基酸发酵二、氨基酸发酵n氨基酸发酵属于典型的代谢控制发酵氨基酸发酵属于典型的代谢控制发酵 n1、谷氨酸发酵，发酵生产工艺流程如图、谷氨酸发酵，发酵生产工艺流程如图5-16。n2、赖赖氨氨酸酸发发酵酵，L-赖赖氨氨酸酸的的化化学学名名称称为为2,6-二二氨氨基基己己酸酸，分分子子式式C6H14O2N2。作作为为第第一一

178、限限制制性性必必需需氨氨基基酸酸，广广泛泛应应用用于于食食品品、饲饲料料和和医医药药工业工业 。n3、异亮氨酸、亮氨酸生产工艺、异亮氨酸、亮氨酸生产工艺n异异亮亮氨氨酸酸、亮亮氨氨酸酸和和缬缬氨氨酸酸均均是是分分支支氨氨基基酸酸，其分子中都有甲基侧链，都属于必需氨基酸。其分子中都有甲基侧链，都属于必需氨基酸。 n（1）异亮氨酸发酵）异亮氨酸发酵n异异亮亮氨氨酸酸发发酵酵有有两两种种方方法法，即即添添加加前前体体发发酵酵法法和直接发酵法。和直接发酵法。 n（2）亮氨酸发酵）亮氨酸发酵n亮亮氨氨酸酸是是从从缬缬氨氨酸酸生生物物合合成成后后期期的的中中间间产产物物-酮基异戊酸分支出来的。酮基异戊酸分

179、支出来的。 n亮亮氨氨酸酸高高产产菌菌株株的的选选育育可可采采用用各各种种水水同同的的策策略略，如如选选育育-氨氨基基丁丁酸酸抗抗性性突突变变株株，可可以以解解除除对对异异亮氨酸、缬氨酸合成酶系的阻遏作用。亮氨酸、缬氨酸合成酶系的阻遏作用。 图图5-16谷氨酸发酵生产工艺流程图（参考文献谷氨酸发酵生产工艺流程图（参考文献10）176三、有机酸发酵三、有机酸发酵n柠柠檬檬酸酸、乳乳酸酸、醋醋酸酸、葡葡萄萄糖糖酸酸、衣衣康康酸酸、苹苹果果酸酸等等有有机机酸酸是是重重要要的工业原料的工业原料 n（一）柠檬酸，柠檬酸的深层发酵法的生产工艺流程如下：（一）柠檬酸，柠檬酸的深层发酵法的生产工艺流程如下：

180、l（二）苹果酸（二）苹果酸l发发酵酵法法生生产产的的L-苹苹果果酸酸是是国国际际上上公公认认的的安安全全性性食食品品添添加加剂剂，在在各各种种饮料、罐头、糖果、糕点、果冻等加工中用作酸味剂饮料、罐头、糖果、糕点、果冻等加工中用作酸味剂l（三）乳酸（三）乳酸l乳乳酸酸又又称称2-羟羟基基丙丙酸酸，是是种种多多用用途途的的精精细细化化学学品品，可可广广泛泛用用于于食食品品、制药、制革、化工、纺织等行业。制药、制革、化工、纺织等行业。 177n（四）葡萄糖酸（四）葡萄糖酸n葡葡萄萄糖糖酸酸又又称称五五羟羟基基己己酸酸，毒毒性性和和腐腐蚀蚀性性极极小小，酸酸味味爽爽口口，是是制制药药和和食食品品工工业

181、业的的重重要要原原料料。以以发发酵酵葡葡萄萄糖糖产产葡葡萄萄糖糖酸酸的的微微生生物物很很多多，但但有有工工业业应应用用价价值值的的只只有有黑黑曲曲霉霉（A. niger）、葡葡萄萄糖糖酸酸杆杆菌菌（Gluconobacter）和和弱弱氧氧化化葡葡萄萄糖糖酸酸杆杆菌菌（G. oxydans sub sp.），目前工业上最有竞争力的是黑曲霉。目前工业上最有竞争力的是黑曲霉。四、单细胞蛋白的发酵生产四、单细胞蛋白的发酵生产l单单细细胞胞蛋蛋白白（single cell protein，简简称称SCP）是是指指通通过过培培养养酵酵母母、细细菌、真菌、微藻等单细胞微生物而获得的菌体蛋白质。菌、真菌、微藻

182、等单细胞微生物而获得的菌体蛋白质。 l（一一）SCP生生产产的的微微生生物物，目目前前工工业业上上生生产产SCP的的微微生生物物是是酵酵母母，主主要要有有酿酿酒酒酵酵母母、产产朊朊假假丝丝酵酵母母和和脆脆壁壁克克鲁鲁维维酵酵母母。产产碱碱杆杆菌菌、假假单孢菌、节杆菌、短杆菌等细菌能够良好地利用烷烃生产单孢菌、节杆菌、短杆菌等细菌能够良好地利用烷烃生产SCP 。l单细胞蛋白质生产的一般工艺流程如图单细胞蛋白质生产的一般工艺流程如图5-17： 178五、食用菌的发酵生产五、食用菌的发酵生产图图5-17SCP生产工艺流程图（参考文献生产工艺流程图（参考文献9）l食用菌俗称蘑菇或食用蕈菌，是一类可以食

183、用的高等真菌食用菌俗称蘑菇或食用蕈菌，是一类可以食用的高等真菌 l（一）食用菌的固体发酵生产（一）食用菌的固体发酵生产l1、猴头菌（、猴头菌（Hericium erinaceus）的固体发酵生产）的固体发酵生产 l2、云芝菌（、云芝菌（Coriolus versicolor）的固体发酵生产）的固体发酵生产l（二）食用菌的液体发酵生产（二）食用菌的液体发酵生产l液液体体发发酵酵生生产产是是以以液液体体为为培培养养基基，通通过过多多级级发发酵酵培培养养得得到到发发酵酵液液。发发酵酵液液中中含含有有菌菌体体，被被菌菌体体分分解解的的营营养养成成分分及及未未分分解解的的成成分分，以以及及菌菌体体产产生

184、生的的次次生代谢产物。生代谢产物。 179n用用深深层层发发酵酵法法来来生生产产食食用用菌菌的的菌菌丝丝体体要要比比栽栽培培子子实实体体简简便便快快速速，其其主要工艺流程为：主要工艺流程为： l1、虫虫草草的的液液体体发发酵酵生生产产，冬冬虫虫夏夏草草（Cordyceps sinensis）为为名名贵贵中中药药材材，味味甘甘性性平平，具具有有保保肺肺肾肾、补补精精髓髓、化化痰痰止止劳劳咳咳等等功功效效，多多用于肺肾两虚症，可调节人体免疫功能用于肺肾两虚症，可调节人体免疫功能 。l2、灰灰树树花花的的液液体体发发酵酵生生产产，灰灰树树花花（Grifola frondosa）是是一一种种近近年年来

185、来开开发发的的珍珍奇奇食食药药两两用用真真菌菌，其其肉肉质质脆脆嫩嫩，味味如如鸡鸡丝丝，营营养养丰丰富富，且含有生物活性物质灰树花多糖。且含有生物活性物质灰树花多糖。 l3、姬姬松松茸茸的的液液体体发发酵酵生生产产，姬姬松松茸茸（Agaricus blazei Muril1.）又又名名小小松松菇菇、巴巴西西蘑蘑菇菇等等，是是一一种种药药食食两两用用真真菌菌，具具有有浓浓郁郁的的杏杏仁仁香香味味，美味可口，含有丰富的蛋白质和多糖，维生素含量特别丰富。美味可口，含有丰富的蛋白质和多糖，维生素含量特别丰富。l4、灵灵芝芝的的液液体体发发酵酵生生产产，灵灵芝芝（Ganoderma lucidum）是是

186、一一种种药药用用价价值值很很高高的的名名贵贵真真菌菌，自自古古以以来来，一一直直被被人人们们规规为为延延年年益益寿寿的的珍珍品品。目目前前已已实实现现了了灵灵芝芝菌菌的的工工业业化化液液体体发发酵酵生生产产，以以获获得得其其活活性性成成分分或或直接加工成制剂。直接加工成制剂。 180六、食品添加剂的发酵生产六、食品添加剂的发酵生产l（一）食用色素（一）食用色素l（1）红红曲曲色色素素的的发发酵酵生生产产，红红曲曲色色素素的的生生产产是是利利用用红红曲曲菌菌进进行行固固体体发发酵酵或或液液体体深深层层培养，再经分离提取获得。培养，再经分离提取获得。l 固固体体发发酵酵法法采采用用的的多多为为“红

187、红曲曲通通风风制制曲曲”工工艺艺，优优质质大大米米经经浸浸泡泡后后沥沥干干，蒸蒸锅锅中中蒸蒸透透，冷冷却却至至40时时接接入入已已制制备备好好的的优优良良红红曲曲霉霉菌菌，充充分分搅搅拌拌。此此时时品品温温30-35，将将拌拌匀匀的的曲曲料料转转入入曲曲池池，堆堆积积升升温温，用用麻麻袋袋盖盖住住保保温温，待待温温度度上上升升至至50进进行行一一次翻曲次翻曲 l 液液体体深深层层发发酵酵法法液液体体发发酵酵生生产产周周期期短短、品品质质易易于于控控制制，是是红红曲曲色色素素大大规规模模工工业业化化生生产产的的方方向向。工工业业化化发发酵酵生生产产-胡胡萝萝卜卜素素，其工艺流程如图其工艺流程如图

188、5-18。图图5-18-胡萝卜素的生产工艺流程（参考文献胡萝卜素的生产工艺流程（参考文献21）181l（二）维生素（二）维生素l（ 1） 维维 生生 素素 B2的的 发发 酵酵 生生 产产 ， 维维 生生 素素 B2又又 称称 为为 核核 黄黄 素素（riboflavin），是重要的水溶性维生素之一），是重要的水溶性维生素之一l微微生生物物可可直直接接发发酵酵生生产产核核黄黄素素或或采采用用二二步步法法，二二步步法法是是先先以以微微生生物物将将葡萄糖转化为葡萄糖转化为D-核糖再经化学合成为核黄素。核糖再经化学合成为核黄素。l（2）维维生生素素B12的的发发酵酵生生产产，一一些些细细菌菌和和放放

189、线线菌菌能能产产维维生生素素B12。维维生生素素B12可可以以从从生生产产链链霉霉素素、金金霉霉素素、新新霉霉素素、庆庆大大霉霉素素等等的的链链霉霉菌菌发酵废液中提取，也可由专性发酵法生产发酵废液中提取，也可由专性发酵法生产 l（3）维生素）维生素C的生产的生产 l莱莱氏氏法法：为为德德国国Reichstein等等人人于于1935年年建建立立的的方方法法，以以D-山山梨梨醇醇为为原原料料，经经黑黑醋醋菌菌（Acetobacter melanogenum）一一步步发发酵酵得得L-山山梨梨糖糖，再再经经丙丙酮酮酮酮化化等等步步骤骤制制备备维维生生素素C，工工艺艺路路线线如如下下（参参考考文文献献2

190、1）：）： 182n两两步步发发酵酵法法：这这是是我我国国首首创创的的生生产产维维生生素素C的的工工艺艺方方法法，两两步步发发酵酵法法工工艺艺路线如下（参考文献路线如下（参考文献21）：）： l（三三）黄黄原原胶胶，黄黄原原胶胶别别名名（Xamthan Gum）又又称称黄黄单单胞胞多多糖糖，它它是是由由甘甘兰兰黑黑腐腐病病黄黄单单胞胞菌菌（Xauthomonas campestris）以以碳碳水水化化合合物物为为主主要要原原料料，经通风发酵，分离提纯后得到的微生物多糖，在食品行业中用作增稠剂。经通风发酵，分离提纯后得到的微生物多糖，在食品行业中用作增稠剂。七、生物活性物质的发酵生产七、生物活性

191、物质的发酵生产l（一一）不不饱饱和和脂脂肪肪酸酸，多多不不饱饱和和脂脂肪肪酸酸对对人人体体具具有有多多种种生生理理功功能能，尤尤其其是是花花生生四四烯烯酸酸（arachidonic acid，AA）、-亚亚麻麻酸酸（-linolenic acid，GLA）、二二 十十 碳碳 五五 烯烯 酸酸 （ eicosapentaenoic acid， EPA） 和和 二二 十十 二二 碳碳 六六 烯烯 酸酸（decosahexaenoic acid，DHA）等等。都都人人体体必必需需的的脂脂肪肪酸酸，其其中中EPA和和DHA对防治心血管疾病有着非常重要的作用，对防治心血管疾病有着非常重要的作用， 183

192、n（二）功能性多糖（二）功能性多糖n（1）真菌多糖）真菌多糖 n（2）-葡聚糖葡聚糖 八、其他八、其他l（一）肌苷酸（一）肌苷酸（IMP）的发酵生产）的发酵生产l（二）乳酸链球菌肽的发酵生产（二）乳酸链球菌肽的发酵生产184第六章第六章 食品与细胞工程食品与细胞工程n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 细胞培养技术细胞培养技术n第三节第三节 细胞融合技术及其应用细胞融合技术及其应用n第四节第四节 细胞拆合及其应用细胞拆合及其应用n第四节第四节 动、植物细胞大量培养及应用动、植物细胞大量培养及应用185第一节第一节 概述概述n细细胞胞工工程程（cell engineering）是是生生物物技技

193、术术的的重重要要组组成成部部分分，它它是是以以生生物物细细胞胞或或组组织织为为研研究究对对象象，按按照照预预定定目目标标和和设设计计有有计计划划地地改改变变细细胞胞的的遗遗传传物物质质并并使使之之增增殖殖，从从而而生生产产有有用用的的细细胞胞生生物物产产品品或或获获得得新新型生物品种的一门综合性科学技术。型生物品种的一门综合性科学技术。 第二节第二节 细胞培养技术细胞培养技术l细细胞胞培培养养（cell culture）是是指指动动、植植物物细细胞胞在在体体外外条条件件下下生生长长、分分裂和繁殖，并在培养过程中不再形成组织的一项技术。裂和繁殖，并在培养过程中不再形成组织的一项技术。 一、植物细

194、胞培养技术一、植物细胞培养技术l（一一）植植物物细细胞胞培培养养的的发发展展简简史史，早早在在20世世纪纪40年年代代J. Bonner就就报报道道了了银银胶胶菊菊（Parthenium hysterophorus）植植物物组组织织培培养养能能产产生生橡橡胶胶。20世世纪纪70年年代代，利利用用植植物物细细胞胞培培养养生生产产一一些些药药用用有有效效成成分分在在工工业业上上获得了成功。获得了成功。 186n1984年年日日本本的的Mitsui石石化化公公司司利利用用紫紫草草的的细细胞胞培培养养生生产产紫紫草草宁宁，规规模模达达到到750L，产产物物最最终终浓浓度度达达到到1400mg/L。在在

195、我我国国，对对于于人人参参中中人人参皂苷的生物合成研究较为深入。参皂苷的生物合成研究较为深入。n至至今今，利利用用植植物物细细胞胞工工程程进进行行天天然然产产物物的的生生产产进进入入了了一一个个新新的的发发展展阶段。阶段。n（二）植物细胞工程的理论基础（二）植物细胞工程的理论基础n1958年年Steward 和和Shantz 培培养养了了来来自自胡胡萝萝卜卜根根韧韧皮皮部部的的细细胞胞，并并成成功功地地经经液液体体振振荡荡培培养养诱诱导导单单个个的的悬悬浮浮细细胞胞发发育育为为成成熟熟的的胚胚胎胎，并并得得到到了了完完整整的的小小植植株株，最最终终开开花花结结果果。首首次次证证明明了了Habe

196、rlandt提提出出的的细胞全能学说细胞全能学说 n（三）培养基（三）培养基n目目前前，已已经经研研制制了了多多种种适适宜宜各各种种植植物物细细胞胞培培养养的的培培养养基基配配方方。常常用用的的培培养养基基有有MS、B5、White、Heller、ER、Nitsch、NT等等，最最常常用用的的是是MS培培养养基基，目目前前Sigma等等试试剂剂公公司司已已将将基基本本培培养养基基MS商商品品化。化。187n（四）愈伤组织和悬浮细胞培养技术（四）愈伤组织和悬浮细胞培养技术n1、愈愈伤伤组组织织和和悬悬浮浮细细胞胞的的制制备备，愈愈伤伤组组织织是是从从外外植植体体的的离离体体材材料料组组织织增增生

197、生的的细细胞胞产产生生的的一一团团不不定定型型的的疏疏散散排排列列的的薄薄壁壁细细胞胞，诱诱导导愈愈伤伤组组织织的的外外植植体体可可以以采采自自植植物物的的不不同同器器官官，幼幼嫩嫩的的根根、茎茎、叶叶、花花或或果果实实都都是是诱诱导导愈愈伤伤组组织织的的好好材材料料，在在有有些些植植物物上上较较老老的的器器官官和和组组织织也有产生愈伤组织的能力。也有产生愈伤组织的能力。 n2、高表达细胞系的筛选建立、高表达细胞系的筛选建立n为为了了获获得得适适合合大大规规模模工工业业化化生生产产用用的的细细胞胞株株，高高产产细细胞胞系系的的建建立立与与种质保存技术如图种质保存技术如图6-1所示。所示。 n（

198、五）单细胞培养技术（五）单细胞培养技术n1、单细胞分离方法、单细胞分离方法n（1）机械法）机械法n（2）酶酶法法，单单细细胞胞分分离离的的酶酶法法指指利利用用果果胶胶酶酶、纤纤维维素素酶酶处处理理植植物物叶片或其他外植体，使细胞分离的方法。叶片或其他外植体，使细胞分离的方法。 188图图6-1 高产细胞系的建立与种质保存的技术方案高产细胞系的建立与种质保存的技术方案189n（3）化化学学法法，单单细细胞胞分分离离的的化化学学法法指指利利用用一一些些化化学学药药剂游离细胞的方法。剂游离细胞的方法。 n2、单细胞培养方法、单细胞培养方法n（1）看看护护培培养养 看看护护培培养养（nursing c

199、ulture）是是用用一一块块活活跃跃生生长长的的愈愈伤伤组组织织来来促促进进培培养养细细胞胞持持续续分分裂裂和和增增殖殖的的方方法法。 （图图6-2）看看护护培培养养方方法法的的优优点点是是简简便便易易行行，效果好。效果好。 n（2）平平板板培培养养 平平板板培培养养（planting culture）法法的的具具体体操操作作是是将将一一定定细细胞胞密密度度（通通常常为为l03l05个个细细胞胞/mL）制制备备好好单单细细胞胞悬悬浮浮液液，接接种种到到琼琼脂脂培培养养基基上上并并铺成约铺成约1mm左右的薄层固体平板进行培养。左右的薄层固体平板进行培养。 n（3）微微室室培培养养 微微室室培培

200、养养（micro culture）是是在在人人工工制制造造的的无无菌菌小小室室中中，将将一一滴滴悬悬浮浮细细胞胞液液培培养养在在少少量量培培养基上，使其分裂增殖形成细胞团的方法，见图养基上，使其分裂增殖形成细胞团的方法，见图6-3。图图6-3 微室培养示意图微室培养示意图图图6-2 看护培养程序示意图看护培养程序示意图190n3、单细胞培养的程序、单细胞培养的程序 ，见图，见图6-4所示所示 图图6-4 单细胞培养程序示意图（引自周微燕，单细胞培养程序示意图（引自周微燕，2001）191n（六）提高植物细胞次级代谢产物含量的方法（六）提高植物细胞次级代谢产物含量的方法n1、加入前体物或诱导物、

201、加入前体物或诱导物n前前体体物物质质往往往往是是次次生生代代谢谢合合成成途途径径中中的的某某一一中中间间化化合合物物或或是是合合成成的的起起始始物物 ，诱诱导导物物（elicitor）是一类能引起植物细胞代谢强度改变或代谢途径改变的物质。）是一类能引起植物细胞代谢强度改变或代谢途径改变的物质。 n2、毛状根和冠瘿瘤培养技术、毛状根和冠瘿瘤培养技术n毛毛状状根根和和冠冠瘿瘿瘤瘤培培养养是是20世世纪纪80年年代代发发展展起起来来的的基基因因工工程程和和细细胞胞工工程程相相结结合合的的一一项项技术（见图技术（见图6-5）。）。 图图6-5 由植物器官培养生产次级代谢产物工艺流程图由植物器官培养生产

202、次级代谢产物工艺流程图192二、动物细胞培养技术二、动物细胞培养技术n动动物物细细胞胞培培养养是是从从动动物物体体内内取取出出组组织织或或细细胞胞并并离离散散，模模拟拟体体内内的的生生理理环环境境，在在体体外外无无菌菌、适适温温和和丰丰富富的的营营养养条条件件下下，使使离离体体细细胞胞或或组组织生存、生长并维持结构和功能的织生存、生长并维持结构和功能的门技术。门技术。 n动物细胞（组织）培养技术起源于动物细胞（组织）培养技术起源于19世纪所应用的某些胚胎学技术。世纪所应用的某些胚胎学技术。n1997年年英英国国Wilmut领领导导的的小小组组用用体体细细胞胞克克隆隆技技术术克克隆隆出出“多多利

203、利”（Dolly）绵绵羊羊。2001年年英英国国又又宣宣布布成成功功培培育育出出世世界界首首批批转转基基因因克克隆隆猪猪。我我国国在在细细胞胞工工程程一一些些重重要要领领域域的的也也已已经经进进入入世世界界先先进进行行列列，如如转转基基因因鱼鱼、试试管管婴婴儿儿、动动物物体体细细胞胞克克隆隆等等。20世世纪纪80年年代代以以后后，随着细胞生物学、培养系统及培养方法等领域的不断丰富和完善，随着细胞生物学、培养系统及培养方法等领域的不断丰富和完善， n（一）动物细胞培养的特点（一）动物细胞培养的特点n动动物物细细胞胞体体外外培培养养的的一一般般程程序序是是：从从组组织织取取得得材材料料切切碎碎、酶

204、酶处处理理、单个细胞培养（原代培养）和扩大培养（传代培养）。单个细胞培养（原代培养）和扩大培养（传代培养）。 193n体体外外培培养养的的细细胞胞根根据据是是否否贴贴附附于于支支持持物物上上生生长长的的特特性性，主主要要可可分分为为两两大大类类：悬悬浮浮型型细细胞胞（suspension cell）和和贴贴附附型型细细胞胞（adherent cell）。）。 n按按照照培培养养细细胞胞的的形形态态，主主要要有有四四种种类类型型（见见图图6-6）：成成纤纤维维细细胞胞型型细细胞胞 ，上上皮皮细细胞胞型型细细胞胞 ，游游走走细细胞胞型型细细胞胞 ，多多形形性性细细胞胞型细胞型细胞 图图6-6 动物

205、细胞形态动物细胞形态（a）成纤维细胞型；（）成纤维细胞型；（b）上皮细胞型；）上皮细胞型；（c）游走细胞型；（）游走细胞型；（d）多形性细胞型）多形性细胞型（引自鄂征，（引自鄂征，1995） l（二）、动物细胞培养过程生长曲线（二）、动物细胞培养过程生长曲线l生生长长曲曲线线（gowth curve）一一般般分分为为潜潜伏伏期期（lag phase）、指指数数生生长长期期（log phase）、平平台台期期（plateau phase）和和衰衰退退期期（senescence phase）四个时期（图）四个时期（图6-7）。）。194图图6-7 每代细胞生长过程示意图每代细胞生长过程示意图195

206、n（三）动物细胞培养的基本技术（三）动物细胞培养的基本技术n1、无菌条件、无菌条件 n2、温度、温度n3、pH与与CO2浓度浓度n4、营营养养物物，培培养养液液的的成成分分要要包包含含满满足足细细胞胞进进行行糖糖代代谢谢、脂脂代代谢谢及及核核酸酸代代谢谢所所需需要要的的各各种种营营养养，如如多多种种必必需需氨氨基基酸酸及及非非必必需需氨氨基基酸酸、碳碳水水化化合合物物、维维生生素素、辅辅酶酶、核核酸酸、嘌嘌呤呤、激激素素、生生长长因因子子及及无无机机盐盐等等。用用于于动动物物细细胞胞培培养养的的培培养养基基一一般般可可分分为为天天然然、合合成成、无无血血清清培培养养基基几几种种。目目前前研研制

207、制的的无无血血清清培培养养基基一一般般是是由由基基础础培培养养基基、生生长长因子以及激素、基质组成。因子以及激素、基质组成。 n5、缓冲体系、缓冲体系 ，目前最常用的，目前最常用的BSS液是液是Hanks液、液、Earle液和液和PBS液等。液等。 196第三节第三节 细胞融合技术及其应用细胞融合技术及其应用n细细胞胞融融合合（cell fusion），或或称称为为细细胞胞杂杂交交（cell hybrization）是是指指在在外外力力（自自然然或或人人工工）作作用用下下，两两个个或或两两个个以以上上的的异异源源（种种、属属间间）细细胞胞或或原原生生质质体体互互相相接接触触，不不经经过过有有性

208、性过过程程而而发发生生膜膜融融合合、胞胞质质融融合和核融合并形成一个杂合细胞的现象。合和核融合并形成一个杂合细胞的现象。一、细胞融合的方法一、细胞融合的方法l（一）病毒诱导细胞融合（一）病毒诱导细胞融合l这这是是最最早早采采用用的的诱诱导导细细胞胞融融合合的的方方法法。最最常常用用的的是是副副黏黏液液病病毒毒类类，如如腮腮腺腺炎炎病病毒毒、新新城城子子鸡鸡瘟瘟病病毒毒、仙仙台台病病毒毒和和SV5病病毒毒，在在这这些些病病毒中的仙台病毒是最为广泛使用的。毒中的仙台病毒是最为广泛使用的。 l（二）化学诱导细胞融合（二）化学诱导细胞融合l化化学学融融合合（chemical fusion）是是指指利利

209、用用化化学学融融合合剂剂，促促使使原原生生质质体体相互靠近、粘连融合的方法。相互靠近、粘连融合的方法。 197nPEG诱导细胞融合的过程大致如下：诱导细胞融合的过程大致如下：n双双亲亲本本细细胞胞分分别别制制成成细细胞胞悬悬液液混混合合离离心心弃弃上上清清双双亲亲细细胞胞沉沉淀淀加加入入PEG，水水浴浴（37，60s振振摇摇）细细胞胞凝凝集集、融融合合加加入入37无无血血清清培培养养液液，终终止止作作用用离离心心，弃弃上上清清，洗洗涤涤细细胞胞选选择择性性培养基培养基n（三）物理诱导细胞融合（三）物理诱导细胞融合n1、电诱导细胞融合（、电诱导细胞融合（cell electrofusion） n

210、如如图图6-8所所示示。若若选选择择的的电电压压强强度度和和持持续续时时间间恰恰当当，则则全全部部细细胞胞或或原原生质体都会融合。生质体都会融合。 图图6-8 电融合诱导法原理示意图电融合诱导法原理示意图（罗立新（罗立新 细胞融合技术与应用，细胞融合技术与应用，2003） 198l其整个过程如图其整个过程如图6-9所示。所示。图图6-9电融合诱导细胞融合示意图电融合诱导细胞融合示意图（http：/ 细细 胞胞 融融 合合 激激 光光 诱诱 导导 法法 （ laser induced cell fusion）3、离子束诱导细胞融合法（、离子束诱导细胞融合法（ions induced cell f

211、usion）二、植物细胞融合二、植物细胞融合l（一一）原原生生质质体体原原生生质质体体指指用用特特殊殊方方法法脱脱去去植植物物细细胞胞壁壁后后而而成成裸裸露露的的、有有生生活活力力的的原生质团。原生质团。 199n（二）原生质体的制备（二）原生质体的制备n1、原生质体的分离、原生质体的分离n（2）植物细胞原生质体的分离方法）植物细胞原生质体的分离方法nA、机械分离法、机械分离法nB、酶解分离法、酶解分离法n常常用用的的细细胞胞壁壁降降解解酶酶种种类类：纤纤维维素素酶酶、半半纤纤维维素素酶酶、果果胶胶酶酶、R-10、蜗蜗牛牛酶酶等等。其其中中纤纤维维素素酶酶类类包包括括纤纤维维素素酶酶、半半纤纤

212、维维素素酶酶、崩崩溃溃酶酶。原生质体制备程序如图原生质体制备程序如图6-10所示。所示。n2、原生质体的纯化、原生质体的纯化n（1）过滤）过滤-离心法离心法n（2）漂浮法）漂浮法 n（3）沉降法和漂浮法结合）沉降法和漂浮法结合n（三）植物细胞融合（三）植物细胞融合n植物细胞的融合采用植物细胞的融合采用PEG法和电融合法比较适用。法和电融合法比较适用。n（四）植物融合子的鉴定（四）植物融合子的鉴定200第四节第四节 细胞拆合及其应用细胞拆合及其应用一、细胞拆合与重组的涵义一、细胞拆合与重组的涵义l细细胞胞重重组组（cell reconstruction）是是细细胞胞工工程程中中将将细细胞胞融融合

213、合技技术术与与细细胞胞核核、质质分分离离技技术术结结合合，即即在在融融合合介介于于诱诱导导下下，使使胞胞质质体体与与完完整整细细胞合并，重新构成胞质杂种细胞的过程。胞合并，重新构成胞质杂种细胞的过程。 l所谓细胞拆合，在细胞工程中主要指核质拆合技术所谓细胞拆合，在细胞工程中主要指核质拆合技术 二、细胞拆合的方法二、细胞拆合的方法l细胞拆合技术常可分为物理拆合法和化学拆合法。细胞拆合技术常可分为物理拆合法和化学拆合法。l（一）物理拆合法（一）物理拆合法l物理拆合法是用机械的方法或短波光将细胞核去掉（见图物理拆合法是用机械的方法或短波光将细胞核去掉（见图6-11）。）。 201A.去核吸管接近透明

214、带去核吸管接近透明带 B.去核吸管插入透明带并探推卵质膜去核吸管插入透明带并探推卵质膜C.将极体、中期染色体及其周围胞质吸入去核吸管将极体、中期染色体及其周围胞质吸入去核吸管 D.退出去核吸管退出去核吸管图图6-11 核移植受体成熟卵去核过程示意图（王蒂，细胞工程学，核移植受体成熟卵去核过程示意图（王蒂，细胞工程学，2003） 202n（二）化学拆合法（二）化学拆合法n细细胞胞松松弛弛素素（cytochalasin）最最早早是是从从霉霉菌菌（Helminthosporium dematioideum）代代谢谢产产物物中中得得到到的的化化合合物物，具具有有多多种种不不同同的的结结构构，目目前前已

215、已分分离离纯纯化化出出A、B、C、D、E、F、G、H等等几几种种，迄迄今今有有关关研研究究大大多多使使用用细细胞胞松松弛弛素素B（CB），即即C29H37NO5。CB对对于于活活细细胞胞具具有有不不寻寻常常的的特特殊殊效效应应，它它能能阻阻断断细细胞胞质质分分裂裂而而不不干干扰扰细细胞胞核核的的分分裂裂，引引起起细细胞胞表表面面形形状状的的改改变变，目目前前常常用用CB结结合合离离心心技技术术，可可将将细胞拆分为核体和胞质体，一次处理可得到许多胞质体。细胞拆分为核体和胞质体，一次处理可得到许多胞质体。三、各种重组细胞的制备三、各种重组细胞的制备l（一）胞质体和核体的制备与融合，图（一）胞质体和

216、核体的制备与融合，图612表示离心脱核法。表示离心脱核法。l在在使使用用核核体体进进行行融融合合前前，可可利利用用核核体体贴贴壁壁粘粘附附性性弱弱的的特特点点，用用离离心心的方法分离纯化核体。（见图的方法分离纯化核体。（见图6-13） 203 图图6-12 离心脱核法离心脱核法 图图6-12胞质体和核体的制备过程示意图胞质体和核体的制备过程示意图（罗立新，细胞工程，（罗立新，细胞工程，2003） l（二）微细胞的制备与融合（二）微细胞的制备与融合 l当当核核膜膜重重新新形形成成分分别别包包封封一一对对或或几几对对染染色色体体时时，细细胞胞内内便便许许多多大大小小不不一一的的被被完完整整核核膜膜

217、包包裹裹的的微微核核体体（micronucleus），用用CB结结合合离离心心术进行脱核，可分离出大小不同的微细胞（术进行脱核，可分离出大小不同的微细胞（microcell）。）。204n（三）细胞核移植（三）细胞核移植n核核移移植植是是指指利利用用物物理理、机机械械或或化化学学方方法法将将一一种种细细胞胞的的核核取取出出细细胞胞，经经分分离离纯纯化化后后，移移植植到到另另一一种种细细胞胞的的已已去去除除核核的的胞胞质质体体中中 ，20世世纪纪30年年代代德德国国胚胚胎胎学学家家、诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者spemnnn首首次次提提出出“核核移移植植”的的设设想想：能能否否将将细细胞胞核核移

218、移植植到到成成熟熟的的去去核核卵卵母母细细胞胞中中进进行行个个体体复复制制，以以获获得得遗遗传传性性状状与与供供体体细细胞胞一一致致的的后后代代，但但由由于于技技术术方方面面的的原原因因他他没没能能找找到到将将细细胞胞核核导导入入卵卵细细胞胞的的方方法法。哺哺乳乳动动物物核移植的过程示意图见图核移植的过程示意图见图6-14。图图6-14 细胞核移植过程示意图细胞核移植过程示意图1切开卵母细胞透明带切开卵母细胞透明带2 挤出卵母细胞细胞核挤出卵母细胞细胞核 3 注入供体细胞核注入供体细胞核4 电融合仪融合电融合仪融合5培养培养205第五节第五节 动、植物细胞大量培养及应用动、植物细胞大量培养及应

219、用一、植物细胞大规模培养及在食品工业中的应用一、植物细胞大规模培养及在食品工业中的应用l植植物物细细胞胞大大规规模模培培养养的的产产物物有有种种苗苗、细细胞胞、初初级级代代谢谢物物、次次级级代代谢谢物和生物大分子等等。物和生物大分子等等。 l植植物物细细胞胞大大规规模模培培养养的的具具有有重重大大经经济济价价值值的的应应用用即即为为次次生生代代谢谢产产物物生生产产。植植物物体体内内的的化化合合物物可可以以分分为为初初生生代代谢谢产产物物和和次次生生代代谢谢产产物物两两大大类类。初初生生代代谢谢产产物物包包括括淀淀粉粉、糖糖类类、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质、氨氨基基酸酸，维维生生素素等等，次次生生代

220、代谢谢产产物物是是一一大大类类无无明明显显生生理理功功能能或或者者非非生生长长发发育育所所必需的小分子有机化合物。必需的小分子有机化合物。 l植物细胞大规模培养与微生物细胞发酵类似植物细胞大规模培养与微生物细胞发酵类似 ，一般流程为：，一般流程为：206二、动物细胞大规模培养方法二、动物细胞大规模培养方法l动动物物细细胞胞大大规规模模培培养养技技术术（large-scale culture technology），是是指指在在人人工工条条件件下下（设设定定的的pH值值、温温度度、溶溶氧氧、操操作作方方式式等等），在在动动物物细细胞胞生生物物反反应应器器中中高高密密度度地地大大量量培培养养有有用

221、用的的动动物物细细胞胞以以生生产产珍珍贵贵生生物制品的技术。物制品的技术。 l（一）动物细胞大规模培养工艺方式（一）动物细胞大规模培养工艺方式l1、分批式培养、分批式培养l2、流加式培养、流加式培养l3、半连续培养、半连续培养207n4、连续培养、连续培养n（二）动物细胞大规模培养技术（二）动物细胞大规模培养技术n1、悬浮培养技术、悬浮培养技术n2、贴壁培养技术，（如图、贴壁培养技术，（如图6-15）n3、微载体培养技术、微载体培养技术n动动物物细细胞胞贴贴附附在在微微载载体体表表面面生生长长于于细细胞胞表表面面及及微微载载体体表表面面的的化化学学-物物理理性性质质有有关关，微微载载体体表表面

222、面一一般般带带有有正正电电荷荷，而而细细胞胞表表面面带带有有负负电电荷荷，这这种种静静电电吸吸引引作作用用使使细细胞胞易易于于在在微微载载体表面吸附。体表面吸附。n4、多孔载体培养、多孔载体培养n5、微囊化培养技术、微囊化培养技术n6、中空纤维细胞培养技术、中空纤维细胞培养技术图图6-15 适用于贴壁细胞培养的各种培养系统适用于贴壁细胞培养的各种培养系统208n（三）动物细胞大规模培养用反应器（三）动物细胞大规模培养用反应器n目目前前，动动物物细细胞胞培培养养用用生生物物反反应应器器随随着着技技术术的的发发展展，种种类类越越来来越越多多，规规模模越越来来越越大大。主主要要包包括括：转转瓶瓶培培

223、养养器器、填填充充床床生生物物反反应应器器、多多层层板板生生物物反反应应器器、螺螺旋旋膜膜生生物物反反应应器器、管管式式螺螺旋旋生生物物反反应应器器、陶陶质质矩矩形形通通道道蜂蜂窝窝状状生生物物反反应应器器、流流化化床床生生物物反反应应器器、中中空空纤纤维维及及其其它它膜膜式式生生物物反反应应器器、搅搅拌拌式式生生物物反反应应器器、气气升升式式生生物物反反应应器器、堆堆积积床床生生物反应器等。物反应器等。209第七章第七章 食品生物工程中的下游食品生物工程中的下游过程过程n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 细胞破碎细胞破碎n第三节第三节 固液分离固液分离n第四节第四节 膜浓缩与分离膜浓缩与

224、分离n第五节第五节 双水相萃取与反向微胶团萃取双水相萃取与反向微胶团萃取n第六节第六节 超临界萃取技术超临界萃取技术n第七节第七节 分子蒸馏分子蒸馏n第八节第八节 色谱分离技术色谱分离技术n第九节第九节 冷冻升华干燥冷冻升华干燥210第一节第一节 概述概述 n食食品品生生物物工工程程是是一一个个系系统统工工程程，因因此此，相相对对于于上上游游过过程程（up stream process），下下游游过过程程（down stream process）主主要要对对生生物物反反应应后后的的物物料料（包包括括发发酵酵、细细胞胞培培养养、酶酶反反应应器器处处理理等等各各种种生生物物工工程程的的培培养养液）

225、进行分离或纯化处理，使目标产物最终成为商品。液）进行分离或纯化处理，使目标产物最终成为商品。 第二节第二节 细胞破碎细胞破碎l细细胞胞的的破破碎碎主主要要是是指指对对细细胞胞壁壁和和细细胞胞膜膜的的破破碎碎。细细胞胞破破碎碎技技术术从从性性质分，有物理破碎、化学破碎和酸法破碎（表质分，有物理破碎、化学破碎和酸法破碎（表7-2）。）。 211表表7-2细胞破碎常见技术及其特点细胞破碎常见技术及其特点212第三节第三节 固液分离固液分离一、过滤一、过滤l为为了了保保持持合合适适的的过过滤滤通通量量，除除了了利利用用助助滤滤剂剂外外，还还可可以以通通过过对对过过滤滤设设备备与与压压力力的的设设计计，

226、优优化化料料液液过过滤滤方方向向而而改改善善过过滤滤效效果果，这这就就是是所所谓错流过滤（如图谓错流过滤（如图7-1）。）。 图图7-1错流过滤错流过滤图图7-2堵塞式深层过滤堵塞式深层过滤213n通通常常，细细胞胞的的堵堵塞塞式式过过滤滤，也也就就是是加加压压方方向向与与主主体体液液过过滤滤方方向向平平行行的的过过滤滤（图图7-2），是是与与滤滤饼饼的的产产生生相相关关联联。利利用用剪剪切切流流（错错流流）过过滤可以减少滤渣的形成滤可以减少滤渣的形成 二、离心分离二、离心分离 l离离心心分分离离是是发发展展比比较较好好的的一一种种单单元元操操作作，主主要要适适用用于于去去除除那那些些密密度度

227、比溶剂大的多颗粒物（比溶剂大的多颗粒物（D 103g/cm3）。）。 三、凝聚和絮凝三、凝聚和絮凝l絮絮凝凝作作用用是是指指胶胶体体和和悬悬浮浮物物颗颗粒粒在在絮絮凝凝剂剂的的作作用用下下，交交联联成成为为粗粗大大絮絮凝凝体体的的过过程程。絮絮凝凝首首先先是是从从凝凝聚聚开开始始，絮絮凝凝作作用用的的过过程程首首先先包包含含着着凝凝聚聚的的作作用用，可可以以认认为为凝凝聚聚作作用用是是颗颗粒粒由由小小到到大大的的量量变变过过程程，而而絮絮凝凝作作用用是是若若干干个个凝凝聚聚作作用用的的结结果果，当当颗颗粒粒聚聚集集到到一一定定程程度度（颗颗粒粒粒径大约为粒径大约为102cm）时，便会从溶液中沉

228、降而分离出来。）时，便会从溶液中沉降而分离出来。 214第四节第四节 膜浓缩与分离膜浓缩与分离n膜膜分分离离的的定定义义是是指指利利用用半半透透性性膜膜对对不不同同物物质质的的透透过过速速度度差差别别而而实实现现对对混混合合物物的的组组分分分分离离过过程程，膜膜分分离离过过程程如如图图7-3所示。所示。图图7-3 膜分离示意图膜分离示意图图图7-4 膜分离适用分子量范围及在奶制品工业中的应用膜分离适用分子量范围及在奶制品工业中的应用l各各种种膜膜分分离离过过程程的的适适用用分分子子量量范范围围如如图图7-4所示。所示。 215n（二）膜技术分类与膜的种类（二）膜技术分类与膜的种类n1、压力推动

229、的过程包括：、压力推动的过程包括：n（1）反渗透（）反渗透（reverse osmosis，简写为，简写为 OR） n（2）超滤（）超滤（ultra-filtration，简写为，简写为UF） n（3）纳滤：（）纳滤：（nano-filtration，简写为，简写为NF） n（4）汽化渗透）汽化渗透 （vaporization permeation，简写为，简写为VP） n（5）微孔过滤（）微孔过滤（micro-filtration，MF） n（6）气气体体交交换换与与分分离离。工工业业上上用用膜膜进进行行的的气气体体交交换换与与分分离离有有两两种种方方法法，一一是是利利用用微微孔孔膜膜进进行

230、行的的分分离离（图图7-5） ，另另一一种种是是利利用用无无孔孔膜膜进进行行的的气气体体交交换换与分离（图与分离（图7-6） 图图7-5 用微孔膜进行气体交换与分离用微孔膜进行气体交换与分离 图图7-6 用无孔膜进行气体交换与分离过程用无孔膜进行气体交换与分离过程216n2、非压力推动的过程包括：、非压力推动的过程包括：n（1）、电渗析分离（）、电渗析分离（electrodialysisED） n（2）、液膜分离）、液膜分离LEM；（；（liquid emulsion separation） n各种膜过程的特点及其区别见表各种膜过程的特点及其区别见表7-3 表表7-3 各种膜分离过程及其不同的

231、特征各种膜分离过程及其不同的特征217218三、膜的种类及其制备三、膜的种类及其制备n（一一）、微微孔孔膜膜：微微孔孔膜膜的的结结构构比比较较简简单单，微微孔孔膜膜含含有有直直径径在在。1nm至至20m之之间间的的小小孔孔。分分离离的的原原理理基基本本是是根根据据孔孔径径大大小小和和待待分分离离成成分分的的分分子子量量，按按照照筛筛分分原理进行，如图原理进行，如图7-7所示。所示。n另另一一种种比比较较典典型型的的微微孔孔膜膜制制备备方方法叫做拉伸均相法。法叫做拉伸均相法。 图图7-7 微孔膜示意图微孔膜示意图 图图7-8 刻蚀法制备微孔膜示意图刻蚀法制备微孔膜示意图219表表7-4 微孔过滤

232、膜的制备及其应用微孔过滤膜的制备及其应用l（二）、均质膜：又称非微孔膜、均一膜。如图（二）、均质膜：又称非微孔膜、均一膜。如图7-9所示所示l（三）、非对称膜：非对称膜是指膜的断面不对称的一类膜，如（三）、非对称膜：非对称膜是指膜的断面不对称的一类膜，如7-10所示。所示。 图图7-10：非对称膜横截面：非对称膜横截面图图7-11：载体液膜示意图：载体液膜示意图220n（四四）、液液膜膜：液液膜膜由由溶溶剂剂、表表面面活活性性剂剂和和添添加加剂剂组组成成。溶溶剂剂分分油油溶溶性性溶溶剂剂和和水水溶溶剂剂两两大大类类，依依待待处处理理溶溶液液的的性性质质而而定定。如如图图7-11所所示。如图示。

233、如图7-12所示。所示。 n（五）、荷电膜：图（五）、荷电膜：图7-13为阳离子交换膜的结构示意图。为阳离子交换膜的结构示意图。 图图7-11：载体液膜示意图：载体液膜示意图图图7-12 液膜制备示意图液膜制备示意图a） 液膜相液膜相; b） 吸收液（内相）；吸收液（内相）；c）进料液（外相）进料液（外相）图图7-13 阳离子交换膜结构阳离子交换膜结构a） 带负电性固定基团的聚合物基质；带负电性固定基团的聚合物基质；b）正电性反离子；）正电性反离子；c）负电性同性离子）负电性同性离子221四、超滤和反渗透过程中的传递及其数学表达式四、超滤和反渗透过程中的传递及其数学表达式n超滤膜大部分是非对称

234、结构，其表皮层的膜孔直径在超滤膜大部分是非对称结构，其表皮层的膜孔直径在110nm范围。范围。 n如如图图7-14所所示示，在在超超滤滤和和反反渗渗透透过过程程中中，存存在在3种种传传递递现现象象1：溶溶剂剂（水水）在在压压力力差差的的作作用用下下通通过过膜膜的的传传导导（Jv）；2：溶溶质质在在压压力力差差及及浓浓度度差差的的作作用用下下通通过过膜膜的的传传导导（Js）；3：膜膜的的高高压压侧侧由由于于浓浓差差极化现象，溶质由边界层向主体溶液的扩散现象（极化现象，溶质由边界层向主体溶液的扩散现象（Jdiff）。）。 图图7-14 薄层模型下膜过程中的几种传质类型以及浓差极化薄层模型下膜过程中

235、的几种传质类型以及浓差极化222n一般情况下，可以用下面的数学表达式表示：一般情况下，可以用下面的数学表达式表示： l其其中中Jv 表表示示溶溶剂剂（水水）的的透透过过通通量量，为为膜膜孔孔隙隙率率；r 为为孔孔半半径径；为为动动力力学学黏黏度度； 为为扭扭曲曲因因子子； p 为为膜膜两两边边的的压压力力差差； z为为膜膜厚厚度。度。 五、膜组件五、膜组件l各种膜组件的比较见表各种膜组件的比较见表7-5。 表表7-5 各种膜组件的性能比较各种膜组件的性能比较223n（一）管式组件（一）管式组件n管管式式组组件件按按管管径径不不同同分分为为粗粗管管、毛毛细细管管和和纤纤维维管管（中中空空纤纤维维

236、）。常常用的管式组件是由管状膜及支撑体构成（图用的管式组件是由管状膜及支撑体构成（图7-15A,D） 图图7-15 工业分离过程所使用的膜组件工业分离过程所使用的膜组件11A）折叠式过滤器；）折叠式过滤器；B）板框型膜组件；）板框型膜组件；C）螺旋卷式膜组件；）螺旋卷式膜组件；D）管式膜组件；）管式膜组件；E）毛细管式膜组件；）毛细管式膜组件；F）中空纤维式膜组件。）中空纤维式膜组件。a）过滤筒；）过滤筒；b）刀）刀缘封口；缘封口；c）滤室；）滤室；d）弹性平垫圈；）弹性平垫圈；e）端板；）端板；f）隔板；）隔板；g）默默支撑板；）默默支撑板；h）膜；）膜；i）滤纸；）滤纸；j）多孔性膜支撑；

237、）多孔性膜支撑；k）面盖板；）面盖板；l）隔板筛；）隔板筛；m）膜；）膜；n）毛细管膜；）毛细管膜；o）壳管；）壳管；p）中空纤维；）中空纤维；q）环氧树脂。）环氧树脂。224n（二二）平平板板式式膜膜组组件件，组组件件中中，膜膜、多多孔孔膜膜支支撑撑板板以以及及隔隔板板被被夹夹装装在一起，构成一个进料流道，堆叠在两个端板之间（图在一起，构成一个进料流道，堆叠在两个端板之间（图7-15B）。）。 n（三）卷式膜组件，卷式组件的构造如图（三）卷式膜组件，卷式组件的构造如图7-15C所示。所示。 n（四）中空纤维组件，其结构见图（四）中空纤维组件，其结构见图7-15F。 六、膜分离工艺流程六、膜分

238、离工艺流程l（一）膜分离用泵（一）膜分离用泵l（二）前处理工艺（二）前处理工艺l（三）膜分离工艺流程（三）膜分离工艺流程l（1）一级一段循环式，一级一段循环式如图）一级一段循环式，一级一段循环式如图7-16所示。所示。 图图7-16一级一段循环式膜分离过程一级一段循环式膜分离过程3225n（2）一级多段循环式，一级多段循环式工艺如图）一级多段循环式，一级多段循环式工艺如图7-17所示。所示。n（3）多多级级多多段段循循环环式式，组组件件的的多多级级多多段段配配置置工工艺艺有有连连续续式式与与循循环环式之分，图式之分，图7-18为循环式的配置工艺。为循环式的配置工艺。图图7-17一级多段循环式膜

239、分离过程一级多段循环式膜分离过程3图图7-18 多级多段循环式膜分离过程多级多段循环式膜分离过程3226n（4）一级一段连续式，一级一段连续式工艺如图）一级一段连续式，一级一段连续式工艺如图7-19所示。所示。n（5）一级多段连续式，一级多段连续式工艺如图）一级多段连续式，一级多段连续式工艺如图7-20所示，所示， 图图7-19 一级一段连续式膜分离过程一级一段连续式膜分离过程3图图7-20 一级多段连续式膜分离过程一级多段连续式膜分离过程3227n（四）后处理工艺（四）后处理工艺n（1）透过液与浓缩液的后处理）透过液与浓缩液的后处理n（2）膜污染后的处理）膜污染后的处理七、超滤和反渗透在食品

240、工业中的应用七、超滤和反渗透在食品工业中的应用l（一）在啤酒和酒精饮料中的应用（一）在啤酒和酒精饮料中的应用l1. 利利用用反反渗渗透透去去除除酒酒精精，图图7-21是是利利用用膜膜对对乙乙醇醇的的选选择择性性透透过过而而实实现现的降乙醇工艺。的降乙醇工艺。l2. 啤啤酒酒过过滤滤澄澄清清与与除除菌菌，表表7-6为为啤啤酒酒微微孔孔过过滤滤与与巴巴氏氏杀杀菌菌技技术术的的比比较。较。l3.葡葡萄萄酒酒中中酒酒石石的的去去除除，工工艺艺如如图图7-22。 图图7-21 利用选择性透过膜进行降乙醇的工艺流程利用选择性透过膜进行降乙醇的工艺流程228图图7-22 利用反渗透技术去除葡萄酒中酒石的工艺

241、流程利用反渗透技术去除葡萄酒中酒石的工艺流程l（二）膜技术在酶制剂生产中的应用（二）膜技术在酶制剂生产中的应用l美美国国Abcor公公司司用用HFA200醋醋酸酸纤纤维维素素超超滤滤膜膜浓浓缩缩淀淀粉粉酶酶和和蛋蛋白白酶酶混混合合液液，压压 力力 0.1MPa时时 ， 透透 过过 率率 为为444L/（m2.d），酶酶截截留留率率约约为为96%左右。如图左右。如图7-23所示。所示。 图图7-23 超滤法浓缩酶流程图超滤法浓缩酶流程图1：料液储槽；：料液储槽；2：进料槽；：进料槽；3：进料泵；：进料泵；4：循环泵；：循环泵；5：管式膜装置：管式膜装置TC：温度控制；：温度控制；LC：液面控制；

242、：液面控制；EI：流量计；：流量计；PI：压力表：压力表229n（三）膜分离在奶制品中的应用（三）膜分离在奶制品中的应用n1、浓缩牛奶、浓缩牛奶 n2、用超滤生产奶酪基、用超滤生产奶酪基 n3、乳清及废水处理、乳清及废水处理 n（四）果汁工业中的膜分离技术应用（四）果汁工业中的膜分离技术应用n用用反反渗渗透透技技术术浓浓缩缩苹苹果果汁汁时时，其其浓浓缩缩程程度度一一般般只只能能达达到到2025Brix，膜膜技技术术无无需需热热处处理理外外，还还可可以以去去除除微微生生物物，通通过过适适当当的的工工艺艺设设计计酶酶的的使使用用也也由由于于膜膜处处理理过过程程的的截截留留而而可可以以反反复复利利用

243、用，也也可可以以去去除除对对色色泽泽和和气气味味有有不不良良影影响响的的单单宁宁成成分分。膜膜技技术术不不但但过过程程简简化化，并并且且使使得得果果汁汁得得率率比比常常规规的的方方法法提提高高。膜膜技技术术应应用用于于桔桔子子汁汁的的浓浓缩缩可可获获得得具有较佳风味特征的果汁产品。具有较佳风味特征的果汁产品。 八、食品工业中的酶膜反应器八、食品工业中的酶膜反应器l1. 连连续续搅搅拌拌罐罐膜膜反反应应器器（CSTMR）：最最先先开开发发的的催催化化膜膜反反应应器器是是在图在图7-24的基础上进行改进。的基础上进行改进。l2.酶酶的的固固定定化化与与酶酶膜膜反反应应器器 ,工工业业上上已已开开发

244、发出出多多种种反反应应器器应应用用于于中中试试规模规模 （见表（见表7-7）。）。230表表7-7 催化膜反应器的应用催化膜反应器的应用231第五节第五节 双水相萃取与反向微胶团萃取双水相萃取与反向微胶团萃取一、双水相萃取技术一、双水相萃取技术l（一）、双水相体系概念与分离原理（一）、双水相体系概念与分离原理l利利用用双双水水相相的的成成相相现现象象及及待待分分离离组组分分在在两两相相间间分分配配系系数数的的差差异异，进进行行组组分分分分离离和和提提纯纯的的技技术术就就叫叫做做双双水水相相萃萃取取技技术术。表表7-8是是一一些些常常见的双水相体系。见的双水相体系。表表7-8 不同类型的双水相体

245、系不同类型的双水相体系232n不同酶类在不同双水相中的分配系数如表不同酶类在不同双水相中的分配系数如表7-9所示。所示。表表7-9 不同酶类在不同双水相中的分配系数不同酶类在不同双水相中的分配系数注：注：bKenzyme 定义为酶在低密度相的浓度除以高密度相的浓度。定义为酶在低密度相的浓度除以高密度相的浓度。233二、反向微胶团萃取技术二、反向微胶团萃取技术n（一一）反反向向微微胶胶团团萃萃取取技技术术的的概概念念及及分分离离原原理理，在在以以水水为为主主体体的的溶溶液液中中加加入入表表面面活活性性剂剂后后所所形形成成的的胶胶体体或或微微胶胶团团，是是由由于于表表面面活活性性剂剂极极性性基基团

246、团定定向向排排列列，其其极极性性基基团团（即即亲亲水水性性部部分分）朝朝外外，即即靠靠向向水水溶溶液液，而而非非极极性性基基团团（即即分分子子的的疏疏水水性性部部分分）则则靠靠内内而而互互相相聚聚集集成成一一种种微微胶胶团团结结构构。见见图图7-25（A）。表表面面活活性性剂剂的的非非极极性性基基团团部部分分朝朝外外，即即朝朝向向非非极极性性溶溶剂剂部部分分，而而极极性性基基团团部部分分则则朝朝内内，形形成成一一种种与与水水相相微微胶胶团团结结构构反反向向的的聚聚集集体体,这这种种聚聚集集体体就就称称为为反反相相微微胶胶团团（见见图图7-25，B）。）。表面活性剂分子 表面活性剂亲水头 表面活

247、性剂疏水尾 图图7-25 表面活性剂在两种溶液中形成的不同微胶团模式表面活性剂在两种溶液中形成的不同微胶团模式234n水水壳壳模模式式。见见图图7-26（A）；生生物物大大分分子子是是以以被被吸吸附附的的状状态态附附着着于于胶胶团团的的极极性性壁壁上上；图图7-26（B）；生生物物大大分分子子溶溶解解于于多多个个反反相相微微胶胶团之间的一种状态，见图团之间的一种状态，见图7-26（C）。）。 ABC图图7-26 蛋白质被反向微胶团萃取的几种模式蛋白质被反向微胶团萃取的几种模式l（三）、反相微胶团分离方法（三）、反相微胶团分离方法l图图7-27是是利利用用反反相相微微胶胶团团从从发发酵酵液液中中

248、分分离离核核糖糖核核酸酸酶酶，溶溶菌菌酶酶，细细胞色素胞色素C三种蛋白质的例子三种蛋白质的例子 235图图7-27 应用反向微胶团萃取发酵液中的蛋白质和酶应用反向微胶团萃取发酵液中的蛋白质和酶5第六节第六节 超临界萃取技术超临界萃取技术一、超临界萃取及超临界流体的概念一、超临界萃取及超临界流体的概念l超超临临界界萃萃取取是是以以超超临临界界流流体体作作为为萃萃取取媒媒介介，在在临临界界温温度度和和临临界界压压力力条条件件状状态态下下，从从液液体体或或固固体体物物料料中中萃萃取取出出待待分分离离的的组组分分。又又称称为为压压力流体萃取、超临界气体萃取、临界溶剂萃取等。力流体萃取、超临界气体萃取、

249、临界溶剂萃取等。236二、超临界流体萃取的基本原理二、超临界流体萃取的基本原理n超超临临界界萃萃取取的的基基本本原原理理是是当当物物料料与与超超临临界界流流体体接接触触时时，其其中中的的挥挥发发性性成成分分会会分分配配到到超超临临界界相相中中，然然后后此此种种溶溶解解了了目目标标成成分分的的超超临临界界流流体体便便与与物物料料分分开开，在在另另一一个个容容器器中中，通通过过改改变变压压力力或或温温度度的的方方法法，将将萃萃取取出出来来的的成成分分与与流流体体介介质质分分离离。而而流流体体介介质质可可以以重重复复压压缩缩循循环环使使用用。图图7-28所所示示为为二二氧氧化化碳碳在在固固体体气气体

250、体液液体体超超临临界界流流体体间间的的相相变变与与温温度度、压压力力之之间间的的关关系系。图图7-29为为二二氧氧化化碳碳的的P（压压力力-密密度度）等等温温线线。此此图图主主要要说说明明在在等等温温条条件件下，处于超临界状态下的萃取剂的密度与压力之间的关系。下，处于超临界状态下的萃取剂的密度与压力之间的关系。 图图7-28 CO2的相变与温度压力之间的关系的相变与温度压力之间的关系5图图7-29 CO2的的P-等温线等温线6237三、超临界流体的性质三、超临界流体的性质n表表7-10列列出出一一些些超超临临界界流流体体萃萃取取中中常常用用到到的的萃萃取取介介质质的的三三个个临临界界值值。表表

251、7-11为为CO2的超临界流体与气态、液态的特性比较。的超临界流体与气态、液态的特性比较。 表表7-10 常用超临界流体的临界点常用超临界流体的临界点238表表7-11 气态、液态与超临界流态的特性比较气态、液态与超临界流态的特性比较四、超临界流体萃取过程的特点四、超临界流体萃取过程的特点l1、超临界流体的溶解能力随着其密度的增高而提高、超临界流体的溶解能力随着其密度的增高而提高l2、改改变变超超临临界界流流体体密密度度的的方方法法有有二二：一一是是采采用用固固定定温温度度，降降低低压力的方法，二是采用固定压力压力的方法，二是采用固定压力,提高温度的方法。提高温度的方法。 l3、萃萃取取过过程

252、程完完成成后后，超超临临界界流流体体由由于于状状态态的的改改变变，很很容容易易从从分分离离成成分分中中脱脱除除，不不给给产产品品和和食食品品原原料料造造成成污污染染，因因此此，尢尢其其适适用用于食品和医药等行业。于食品和医药等行业。 l4、超临界流体萃取技术中所选用的萃取剂（如、超临界流体萃取技术中所选用的萃取剂（如CO2） l5、超临界流体萃取技术属于高压技术，需要相应的高压设备。、超临界流体萃取技术属于高压技术，需要相应的高压设备。239图图7-30 水在亚临界与超临界状态时的特性变化水在亚临界与超临界状态时的特性变化240五、超临界流体的选择五、超临界流体的选择n化化工工过过程程中中常常

253、用用的的超超临临界界流流体体有有CO2、SO2、C2H6、C2H4、C3H8、C4H10、C5H12、氟氟里里昂昂等等。其其中中以以CO2在在食食品品原原料料的的分分离中尤为重要，并且也是最为常用的介质流体离中尤为重要，并且也是最为常用的介质流体 六、超临界流体萃取的基本工艺流程六、超临界流体萃取的基本工艺流程l超超临临界界流流体体萃萃取取是是利利用用萃萃取取剂剂密密度度的的变变化化而而导导致致其其对对待待分分离离组组分分的的溶解能力的变化，从而实现分离的过程。溶解能力的变化，从而实现分离的过程。 l1. 等等温温变变压压流流程程：此此种种流流程程通通过过压压力力的的变变化化引引起起超超临临界

254、界流流体体密密度度的的变化，使得组分从超临界流体中析出分离。其原理见图变化，使得组分从超临界流体中析出分离。其原理见图7-31（a）l等等压压变变温温法法：此此种种流流程程中中，超超临临界界流流体体的的压压力力保保持持一一定定，利利用用温温度度的的变变化化引引起起超超临临界界流流体体对对溶溶质质溶溶解解度度的的变变化化，从从而而实实现现溶溶质质与与超超临临界流体分离的过程。如图界流体分离的过程。如图7-31（b） l吸吸附附法法：此此种种流流程程是是将将萃萃取取了了溶溶质质的的超超临临界界流流体体，再再通通过过一一种种吸吸附附分离器，如分离器，如7-31（c）所示。）所示。 241七、超临界流

255、体萃取技术在食品工业中的应用七、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用n植物油的提取植物油的提取 ，溶剂萃取法具有得率高和蛋白质变性不大的优点。，溶剂萃取法具有得率高和蛋白质变性不大的优点。 n咖啡豆和茶叶中咖啡碱的提取咖啡豆和茶叶中咖啡碱的提取 。n1、水洗流程，见图、水洗流程，见图7-32（a） n2、吸附流程、吸附流程 n啤酒花有效成分的提取啤酒花有效成分的提取 图图7-32 超临界超临界CO2萃取咖啡碱或茶叶中的咖啡碱工艺萃取咖啡碱或茶叶中的咖啡碱工艺6242第七节第七节 分子蒸馏分子蒸馏一、分子蒸馏的基本概念一、分子蒸馏的基本概念l通通常常的的蒸蒸馏馏过过程程中中，存存在在着着两两股股

256、分分子子流流的的流流向向：一一种种是是被被蒸蒸馏馏液液体体的的汽汽化化，由由液液相相流流向向汽汽相相的的蒸蒸汽汽分分子子流流；另另一一是是由由蒸蒸汽汽回回流流至至液液相相的的分分子子流流。这这两两股股分分子子流流的的量量是是不不同同的的，前前者者大大于于后后者者。如如果果采采取取特特别别的的措措施施，增增大大离离开开液液相相的的分分子子流流而而减减少少返返回回液液相相的的分分子子流流，实实现从液相到汽相的单一分子流的流向，这种技术就是分子蒸馏。现从液相到汽相的单一分子流的流向，这种技术就是分子蒸馏。 二、分子蒸馏的设备和流程二、分子蒸馏的设备和流程l（一）分子蒸馏设备（一）分子蒸馏设备l1.

257、薄薄膜膜式式短短程程蒸蒸发发器器（蒸蒸馏馏器器） ,薄薄膜膜式式短短程程蒸蒸发发器器的的结结构构如如图图7-33所示。所示。 243图图7-33 转子型薄膜短程蒸发器转子型薄膜短程蒸发器1:进料口；进料口；2:转子；转子；3:刮片；刮片；4:加热表面；加热表面；5:加热套；加热套；6:真空接口；真空接口；7:残液排放口；残液排放口；8:冷却水人口；冷却水人口；9:蒸馏液出口；蒸馏液出口；l0:冷凝器冷凝器244n2. 离心式分子蒸馏釜离心式分子蒸馏釜 ，离心式分子蒸馏釜的结构如图，离心式分子蒸馏釜的结构如图7-34所示。所示。 图图7-34 离心式分子蒸馏釜离心式分子蒸馏釜1:进料管；进料管；

258、2:蒸发器；蒸发器；3:铠装加热器；铠装加热器；4:冷凝器；冷凝器；5:蒸馏液收集槽；蒸馏液收集槽；6:残液收集槽；残液收集槽；7:密封轴承；密封轴承；8:驱动马达；驱动马达；9:真空接口；真空接口；l0:蒸馏液出口；蒸馏液出口；ll:残液出口残液出口245n（二）、分子蒸馏流程（二）、分子蒸馏流程n（1）单级转子薄膜式分子蒸馏流程，该流程如图）单级转子薄膜式分子蒸馏流程，该流程如图7-35所示。所示。n（2）三级转子薄膜式分子蒸馏流程）三级转子薄膜式分子蒸馏流程n（3）离心式分子蒸馏流程，该流程如图）离心式分子蒸馏流程，该流程如图7-36所示所示 图图7-35 单级转子薄膜式分子蒸馏流程单级

259、转子薄膜式分子蒸馏流程1：贮料罐；：贮料罐；2：进料泵；：进料泵；3：流量计；：流量计；4：预热器；：预热器；5：内设冷凝器的脱气罐；：内设冷凝器的脱气罐；6：蒸发器；：蒸发器；7：蒸气喷射泵；：蒸气喷射泵；8：冷凝器；：冷凝器；9：真空泵；：真空泵；10：冷却剂循环系统；：冷却剂循环系统；11：低沸点馏分出口；：低沸点馏分出口；12：残液出口；：残液出口；13：蒸馏液出口；：蒸馏液出口；14：冷却水；：冷却水；15、16：加热介质进、出口：加热介质进、出口图图7-36 离心式分子蒸馏流程离心式分子蒸馏流程l：离心式分子蒸馏釜；：离心式分子蒸馏釜；2、3、4：贮罐；：贮罐；5：进料泵；：进料泵

260、；6：预热器；：预热器；7：冷却收集器；：冷却收集器；8：扩散泵；：扩散泵；9：油旋转泵：油旋转泵246三、分子蒸馏在食品分离中应用三、分子蒸馏在食品分离中应用n1. 具有不同沸点产品的分离具有不同沸点产品的分离n2. 从混合物中分离低含量的成分从混合物中分离低含量的成分n3. 从蒸馏残液中分离微量的挥发性成分从蒸馏残液中分离微量的挥发性成分 第八节第八节 色谱分离技术色谱分离技术一、色谱分离技术涵义、分类一、色谱分离技术涵义、分类l（一）色谱分离技术（一）色谱分离技术l利利用用混混合合液液中中各各种种组组分分之之间间的的理理化化性性质质差差别别，在在固固定定相相和和流流动动作作相相对对运运动

261、动时时，由由于于固固定定相相对对组组分分的的作作用用，不不同同的的组组分分在在两两相相中中被被反反复复多次地分配，形成特有的区段，从而得到分离。多次地分配，形成特有的区段，从而得到分离。l（二）色谱分离主要方法（二）色谱分离主要方法l（1）吸附色谱）吸附色谱 247n（2）离子交换色谱）离子交换色谱 n（3）亲和色谱）亲和色谱 n（4）凝胶色谱（凝胶过滤）凝胶色谱（凝胶过滤） n（5）分配色谱）分配色谱 n（6）聚焦色谱）聚焦色谱n（三）色谱分离的基本理论（三）色谱分离的基本理论n1、分配平衡及分配平衡常数、分配平衡及分配平衡常数n溶溶质质在在色色谱谱系系统统中中的的固固定定相相和和流流动动相

262、相间间达达成成平平衡衡时时的的热热力力学学条条件件是是溶溶质质在在固固定定相相的的化化学学位位和和它它在在流流动动相相的的化化学学位位相相等等，此此时时在在分分配配色色谱中，分配系数以谱中，分配系数以K表示表示nK单位体积固定相中溶质的量单位体积固定相中溶质的量/单位体积流动相中溶质的量单位体积流动相中溶质的量n描描述述溶溶质质分分配配特特性性的的另另一一个个重重要要参参数数是是分分配配容容量量K，或或称称容容量量因因子，容量比：子，容量比：nK=溶质在固定相中的量溶质在固定相中的量/溶质在流动相中的量溶质在流动相中的量= ns/nmn或：或：nK =CsVs/CmVm=K Vs/Vm 式式中

263、中ns，nm为为溶溶质质在在固固定定相相和和流流动动相相的量，的量，Cs为为Vs，Cm为为Vm分别为两相的体积。分别为两相的体积。 248n2、分配等温线、分配等温线n在在恒恒定定温温度度下下，以以Cs对对Cm作作图图，得得到到的的关关系系曲曲线线称称分分配配等等温温线线。等温线有二种类型：一类为线性等温线，另一类是非线性等温线等温线有二种类型：一类为线性等温线，另一类是非线性等温线 。n图图7-37 色谱图色谱图n3、色色谱谱图图，多多个个组组分分流流过过色色层层柱柱后后，形形成成连连续续出出现现的的多多处处色色谱谱峰峰，这些色谱峰构成的图形称为色谱图（见图这些色谱峰构成的图形称为色谱图（见

264、图7-37）。）。 二、离子交换色谱分离技术二、离子交换色谱分离技术l（一）离子交换色谱分离技术和离子交换剂的特点，（一）离子交换色谱分离技术和离子交换剂的特点，l1. 离离子子交交换换法法具具有有以以下下优优点点，离离子子交交换换是是在在固固相相和和液液相相间间操操作作，通通过交换树脂后，固、液相已实现分离，故易于操作，便于维护。过交换树脂后，固、液相已实现分离，故易于操作，便于维护。 l2. 离离子子交交换换树树脂脂的的结结构构 ,离离子子交交换换树树脂脂是是具具有有特特殊殊网网状状结结构构的的高高分分子化合物子化合物,高分子链互相缠绕联接。高分子链互相缠绕联接。l3. 离离子子交交换换树

265、树脂脂的的分分类类，按按树树脂脂的的物物理理结结构构分分类类可可分分为为凝凝胶胶型型、大大孔孔型型及及载载体体型型；按按合合成成树树脂脂所所用用原原料料单单体体分分类类可可分分为为苯苯乙乙烯烯系系、丙丙烯酸系、酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系烯酸系、酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系l离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能 249n（二）离子交换的操作（二）离子交换的操作n1. 操作方式：（操作方式：（1）静态交换）静态交换 n2. 树脂的选择树脂的选择n3. 柱柱上上操操作作，（1）树树脂脂的的处处理理 ；（2）装装柱柱 ；（3）通通液液 ；（4）洗脱洗脱 ；（；（5）再生）再生 三、亲和色谱分离技术三、亲

266、和色谱分离技术l（一）亲和色谱的基本原理与过程（一）亲和色谱的基本原理与过程l利利用用固固相相载载体体上上的的配配基基对对目目标标组组分分所所具具有有的的专专一一的的和和可可逆逆的的亲亲和和力力而而使使生生物物分分子子分分离离、纯纯化化的的一一种种分分离离技技术术。称称为为亲亲和和层层析析或或亲亲和和色色谱分离技术。整个过程可用图谱分离技术。整个过程可用图7-38来表示。来表示。l（二）亲和色谱分离的特点（二）亲和色谱分离的特点l（1）分分离离过过程程为为一一步步性性操操作作,过过程程简简单单迅迅速速，分分离离效效率率高高。（2）操作条件温和，（操作条件温和，（3）选择性和效率都较高，）选择性

267、和效率都较高，l（三）配基的选择（三）配基的选择l配配基基选选择择的的要要求求：对对待待分分离离成成分分具具特特殊殊，专专一一和和可可逆逆的的亲亲和和结结合合力力；与与载载体体或或手手臂臂具具有有链链接接的的化化学学基基团团。同同时时，具具有有生生物物特特效效亲亲和和对对如如：酶与底物，酶与竞争性抑制剂酶与底物，酶与竞争性抑制剂 250图图7-38 亲和色谱分离流程图亲和色谱分离流程图251n（四）载体的选择（四）载体的选择n（五）载体的活化和偶连（五）载体的活化和偶连n（六）亲和层析条件的选择（六）亲和层析条件的选择n平衡缓冲液和样品液的选择平衡缓冲液和样品液的选择 n洗脱剂的选择洗脱剂的选

268、择 四、凝胶色谱分离技术四、凝胶色谱分离技术l（一）凝胶色谱法的基本原理（一）凝胶色谱法的基本原理l凝凝胶胶色色谱谱又又叫叫凝凝胶胶过过滤滤、凝凝胶胶渗渗透透色色谱谱、分分子子筛筛色色谱谱等等等等 ，以以VR 表示溶质的保留体积，则有表示溶质的保留体积，则有 lVR V0十十KVs ，即：，即：K=（VR-V0）/Vsl式式中中V0是是柱柱内内颗颗粒粒间间的的体体积积，Vs是是凝凝胶胶微微孔孔内内的的孔孔体体积积。K为为分分配配系数。系数。lKVs有效有效VslVs有效为溶质分子能够进入的有效孔体积。有效为溶质分子能够进入的有效孔体积。252n（二）凝胶（二）凝胶n按按材材料料来来源源可可把把

269、凝凝胶胶分分成成有有机机凝凝胶胶与与无无机机凝凝胶胶两两类类。按按机机械械性性能能分分可分成软胶、半硬胶和硬胶三类。可分成软胶、半硬胶和硬胶三类。 n（三）凝胶色谱分离过程（三）凝胶色谱分离过程n凝凝胶胶色色谱谱分分离离过过程程包包括括4个个步步骤骤：（1）凝凝胶胶的的选选择择；（2）柱柱的的选选择及填装；（择及填装；（3）加样及洗脱；（）加样及洗脱；（4）凝胶再生和干燥。）凝胶再生和干燥。n（四）凝胶色谱分离的应用（四）凝胶色谱分离的应用n（1）脱脱盐盐；（2）分分子子量量的的测测定定 ；（3）用用于于糖糖、蛋蛋白白质质、核核酸酸等等物质的分离提纯。物质的分离提纯。 第九节第九节 冷冻升华干

270、燥冷冻升华干燥l工业用的冷冻干燥装置如图工业用的冷冻干燥装置如图7-39所示。所示。253图图7-39 冷冻干燥装置冷冻干燥装置254第八章第八章 食品生物技术与食品安食品生物技术与食品安全检测全检测n第一节第一节 概概 述述n第二节第二节 食源性微生物的毒害与检测食源性微生物的毒害与检测n第三节第三节 食品中的农药残留及其检测食品中的农药残留及其检测n第四节第四节 转基因食品安全评价方法转基因食品安全评价方法n第五节第五节 转基因食品的检测方法转基因食品的检测方法n第六节第六节 转基因食品安全管理及相关法规转基因食品安全管理及相关法规255第一节第一节 概概 述述n食食品品安安全全是是保保护

271、护人人类类健健康康，提提高高人人类类生生活活质质量量的的基基础础。目目前前，食食品品安安全全已已成成为为全全球球性性的的重重大大战战略略性性问问题题，并并越越来来越越受受到到世世界界各各国国政政府府和和消消费费者者的的高高度度重重视视。生生物物技技术术对对食食品品安安全全的的影影响响主主要要体体现现在在食食品品的安全上，尤其是的安全上，尤其是“抗性抗性”转基因食品的安全性。转基因食品的安全性。 第二节第二节 食源性微生物的毒害与检测食源性微生物的毒害与检测l食源性微生物主要有如下几种：食源性微生物主要有如下几种： 一、肠出血性大肠埃希菌一、肠出血性大肠埃希菌l出出血血性性肠肠炎炎系系由由此此种

272、种新新发发现现的的致致病病性性大大肠肠杆杆菌菌O157：H7引引起起，并并将该菌命名为肠道出血性大肠杆菌。将该菌命名为肠道出血性大肠杆菌。 256二、金黄色葡萄球菌及其肠毒素二、金黄色葡萄球菌及其肠毒素n金金黄黄色色葡葡萄萄球球菌菌(Staphylococcus aureus，以以下下简简称称金金葡葡菌菌)是是重重要的食源性致病菌，广泛存在于自然界要的食源性致病菌，广泛存在于自然界 。三、肉毒梭菌和肉毒毒素三、肉毒梭菌和肉毒毒素l肉肉毒毒梭梭菌菌（Clostridium botulinum）是是一一种种革革兰兰氏氏染染色色阳阳性性的的厌厌氧氧芽芽胞胞梭梭菌菌，其其产产生生的的肉肉毒毒毒毒素素(

273、Botulinum toxin)能能引引起起人人和和动动物物的的严严重重中中毒毒症症状状，甚甚至至导导致致死死亡亡。肉肉毒毒梭梭菌菌具具有有厌厌氧氧、低低温温生生长长并并产毒的特点。产毒的特点。 四、幽门螺杆菌四、幽门螺杆菌l幽幽门门螺螺杆杆菌菌(Helicchacter pylori，Hp)的的发发现现被被视视为为现现代代消消化化疾疾病病研究领域划时代的大事件。研究领域划时代的大事件。 257五、食源性微生物的检测方法五、食源性微生物的检测方法n（一）自动微生物检测系统（一）自动微生物检测系统（AMS）n自自动动微微生生物物检检测测系系统统（AMS）是是在在传传统统微微生生物物及及检检测测技

274、技术术基基础础上上结结合合现现代代计计算算机机技技术术，运运用用概概率率最最大大近近似似值值模模型型法法进进行行微微生生物物检检测测的的技术。技术。n（二）微生物快速检测试剂盒（二）微生物快速检测试剂盒n一般试剂盒包括鉴定这些微生物生化反应所必需的全部试剂。一般试剂盒包括鉴定这些微生物生化反应所必需的全部试剂。n（三）免疫学方法检测（三）免疫学方法检测n微微生生物物检检测测试试剂剂盒盒中中应应用用的的免免疫疫反反应应类类型型包包括括免免疫疫扩扩散散反反应应、凝凝聚聚反反应应、免免疫疫荧荧光光反反应应、酶酶免免疫疫试试验验（ELA）和和酶酶联联免免疫疫吸吸附附试试验验（ELISA）。）。 n（四

275、）分子生物学方法（四）分子生物学方法nPCR（polymerase chain reaction）即即聚聚合合酶酶链链式式反反应应的的简简称称。以以单单链链DNA为为模模块块，以以人人工工设设计计与与合合成成的的寡寡核核苷苷酸酸为为引引物物，利利用用热热稳稳定定的的DNA聚聚合合酶酶53方方向向掺掺入入单单核核苷苷酸酸来来特特异异性性地地扩扩增增DNA片片断的就技术。断的就技术。 258第三节第三节 食品中的农药残留及其检测食品中的农药残留及其检测一、食品中农药残留状况一、食品中农药残留状况l果果蔬蔬或或农农作作物物喷喷施施农农药药后后，经经过过一一段段时时间间，绝绝大大部部分分农农药药因因日

276、日晒晒(特特别别是是紫紫外外线线)、高高温温、雨雨淋淋而而挥挥发发和和流流失失，植植物物代代谢谢作作用用也也会会使使之之分分解解，但但由由于于使使用用不不当当或或过过量量施施用用，在在收收获获的的产产品品中中仍仍可可能能残残留留着着微微量农药及其衍生物，被称为量农药及其衍生物，被称为“农药的残留性农药的残留性”。 二、食品中农药残留检测方法二、食品中农药残留检测方法l近近年年来来得得到到迅迅速速发发展展。近近年年来来，免免疫疫生生物物传传感感器器技技术术、流流注注免免疫疫分分析析技技术术（flow immunoassay）的的迅迅速速发发展展，免免疫疫亲亲和和萃萃取取技技术术与与色色谱谱分分析

277、析手手段段联联合合使使用用，使使免免疫疫分分析析结结果果定定量量更更加加准准确确、更更加加可可靠靠；而而免免疫疫芯芯片片技技术术的的发发展展使使得得快快速速、高高通通量量的的农农药药残残留留免免疫疫检检测测模模式式逐渐成为现实。逐渐成为现实。l(一一)样品的前处理样品的前处理259n1.固相萃取（固相萃取（SPE）技术）技术n2.固相微萃取技术固相微萃取技术n3.免疫亲和色谱技术免疫亲和色谱技术n免免疫疫亲亲和和色色谱谱（immuno affinity chromatographIAC）利利用用抗抗原原/抗抗体体特特异异性性可可逆逆结结合合特特性性的的SPE 技技术术，根根据据抗抗原原抗抗体体

278、的的高高选选择择性性，从复杂的待测样品中提取目标化合物。从复杂的待测样品中提取目标化合物。 n（二）几种主要的仪器分析方法（二）几种主要的仪器分析方法n1.毛细管气相色谱（毛细管气相色谱（capillary gas chromatographyCGC）n2.液液相相色色谱谱质质谱谱联联用用技技术术（liquid Chromatograph-MatterLC-MS）n3.超临界流体色谱（超临界流体色谱（superitical Fluid ChromatographySFC）n4.毛细管电泳（毛细管电泳（capillary elecrophoresisCE）n(三三)免疫学方法免疫学方法n1.酶联

279、免疫分析（酶联免疫分析（enzyme linked immunoassayELISA）n现已有几十余种农药建立了酶联免疫分析方法如表现已有几十余种农药建立了酶联免疫分析方法如表8-1所示。所示。 260表表8-1 主要农药残留的酶联免疫分析方法研究进展（统计截止主要农药残留的酶联免疫分析方法研究进展（统计截止2006）261n2.农药多残留分析农药多残留分析n（四）免疫学方法与现代理化检测手段结合的几项新技术（四）免疫学方法与现代理化检测手段结合的几项新技术n1.免疫传感器免疫传感器(immunosensor)n生生物物传传感感器器利利用用生生物物大大分分子子作作用用后后在在传传感感器器上上产

280、产生生光光、电电、等等离离子子共共振振等等物物理理信信号号的的变变化化获获得得检检测测结结果果，具具有有灵灵敏敏、快快速速、定定量量准准确确的特点（见图的特点（见图8-1）。）。 262图图8-1 生物传感器结构示意图生物传感器结构示意图l2.免免疫疫流流注注分分析析技技术术（flow immunoassay）免免疫疫分分析析方方法法以以其其灵灵敏敏、快快速速、价价廉廉的的优优点点在在农农药药样样品品初初步步筛筛选选中中被被广广泛泛认认可可，为为了了适适应应对对连连续续、高高通通量量样样品品进进行行在在线线检检测测，免免疫疫流流注注分分析析技技术术（flow immunoassay）免免疫疫流

281、流注注分分析析技技术术工工作作原原理理如如图图8-2所示所示 。 263图图8-2 免疫流注分析工作原理图免疫流注分析工作原理图l3.蛋白质芯片（蛋白质芯片（protein chips）技术）技术l蛋蛋白白质质芯芯片片（protein chips）也也称称为为抗抗体体微微阵阵列列（antibody microarrays）如图）如图8-3所示。所示。 264图图8-3 蛋白质芯片自动检测设备示意图蛋白质芯片自动检测设备示意图265第四节第四节 转基因食品安全评价方法转基因食品安全评价方法一、转基因食品的安全性问题一、转基因食品的安全性问题l转转基基因因过过程程每每个个环环节节都都可可能能对对食

282、食品品的的安安全全性性产产生生影影响响，第第一一，转转移移基基因因的的结结构构稳稳定定性性，第第二二，基基因因插插入入受受体体基基因因组组的的位位置置。第第三三，载载体体的的选选择择及及使使用用具具有有抗抗生生素素耐耐药药性性的的选选择择性性标标识识基基因因可可能能会会对对人人产产生影响。生影响。 l转基因食品可能产生的具体危害包括：转基因食品可能产生的具体危害包括：l（一）直接危害（一）直接危害l1、转基因寄宿、受体或带菌生物感染人类、动物及植物。、转基因寄宿、受体或带菌生物感染人类、动物及植物。l2、转基因生物、组份或代谢物产生毒性或引起过敏反应。、转基因生物、组份或代谢物产生毒性或引起过

283、敏反应。l3、因意外释放转基因生物而对环境产生影响。、因意外释放转基因生物而对环境产生影响。l（二）间接危害（二）间接危害l1、产生具有传染性或抗药性的微生物、产生具有传染性或抗药性的微生物 266n2、将有害的基因（例如致癌物质）传给人类、将有害的基因（例如致癌物质）传给人类 n3、转转基基因因植植物物中中有有关关基基因因物物质质转转移移到到杂杂草草类类的的相相关关植植物物中中，使使之之增加抵抗力而变得具生长的竞争性增加抵抗力而变得具生长的竞争性 二、转基因食品的安全性评价二、转基因食品的安全性评价l（一）安全性评价必要性（一）安全性评价必要性l（二）安全性评价原则（二）安全性评价原则l19

284、93年年 经经 济济 合合 作作 与与 发发 展展 组组 织织 (Organization for Economic Cooperation and DevelopmentOECD)提提出出了了“现现代代生生物物技技术术食食品品安安全全性性评评价价：概概念念和和原原则则”的的报报告告，提提出出了了“实实质质等等同同性性”(Substantial equivalence)的概念。的概念。l（三）实质性等同概念（三）实质性等同概念l根根据据比比较较的的三三种种结结果果确确定定其其后后的的评评价价程程序序。根根据据基基因因修修饰饰食食品品的的表表型型性性状状、分分子子特特征征、主主要要营营养养成成分

285、分、毒毒性性物物质质及及过过敏敏原原等等特特性性，实实质等同性可分为以下三类：质等同性可分为以下三类：267n（1）与与传传统统食食品品及及食食品品成成分分具具有有实实质质等等同同性性基基因因修修饰饰生生物物如如在在表表型性状和成分比较上与市售食品具有等同性，型性状和成分比较上与市售食品具有等同性， n（2）除某些特定差异外，与传统食品及食品成分有实质等同性）除某些特定差异外，与传统食品及食品成分有实质等同性 ，n（3）与与传传统统食食品品及及其其成成分分无无实实质质等等同同性性，应应全全面面分分析析新新食食品品的的营营养性和安全性。养性和安全性。 n（四）安全性评价的框架（四）安全性评价的框

286、架n安安全全性性评评价价包包括括：所所表表达达的的物物质质（非非核核酸酸物物质质）、重重要要组组分分的的组组成成分析、代谢评价、食品加工、营养的改变和其它。分析、代谢评价、食品加工、营养的改变和其它。n（五）安全性评价的主要内容（五）安全性评价的主要内容n转基因食品的安全评估，一般按以下内容进行：转基因食品的安全评估，一般按以下内容进行：n1、过敏性、过敏性n2、毒性反应、毒性反应n3、水平基因转移、水平基因转移n4、与生物技术改良的有关食品变化产生的任何非预期影响、与生物技术改良的有关食品变化产生的任何非预期影响268n（六）目前对转基因食品安全性的初步评价（六）目前对转基因食品安全性的初步

287、评价n1、因因为为所所有有生生物物的的DNA都都是是由由相相同同的的4种种碱碱基基组组成成，标标记记基基因因在在胃胃肠肠中中与与生生物物食食品品中中含含有有的的DNA一一样样被被降降解解，所所以以WHO认认为为食食品品中中的转基因的转基因DNA本身并没有安全性问题。本身并没有安全性问题。n2、关关于于“基基因因多多效效性性”。目目前前既既无无基基因因随随机机插插入入而而激激活活毒毒性性代代谢谢的的报报道道，也也无无标标记记基基因因插插入入的的不不同同而而引引起起特特殊殊次次生生效效应应或或多多效效应应的的证证据。据。n3、关关于于标标记记基基因因编编码码蛋蛋白白的的安安全全性性。目目前前尚尚无

288、无转转基基因因作作物物中中标标记记基基因因编编码码的的蛋蛋白白有有直直接接毒毒性性的的证证据据，经经过过序序列列分分析析也也未未得得出出标标记记基基因编码蛋白的氨基酸与毒性蛋白氨基酸有同源性。因编码蛋白的氨基酸与毒性蛋白氨基酸有同源性。 n4、标记基因及其产物对人、畜等动物的安全性。、标记基因及其产物对人、畜等动物的安全性。n5、转基因作物中通常含有标记基因和目标基因、转基因作物中通常含有标记基因和目标基因 。 269第五节第五节 转基因食品的检测方法转基因食品的检测方法一、除草剂活性的生物分析法一、除草剂活性的生物分析法二、免疫学分析技术二、免疫学分析技术l（一）蛋白质印迹法（一）蛋白质印迹

289、法l蛋蛋白白质质印印迹迹法法将将电电泳泳的的较较高高的的分分离离能能力力、抗抗体体的的特特异异性性和和显显色色酶酶反反应应的的灵灵敏敏性性结结合合起起来来，是是检检测测复复杂杂混混合合物物中中特特异异蛋蛋白白质质的的最最有有力力的的工具之一工具之一 。l（二）酶联免疫吸附法（二）酶联免疫吸附法lELISA检检测测是是将将抗抗原原和和抗抗体体反反应应的的特特异异性性与与酶酶对对底底物物的的高高效效催催化化作作用用结结合合起起来来，根根据据酶酶作作用用于于底底物物后后的的显显色色反反应应，当当抗抗原原与与抗抗体体结结合合时，借助于比色或荧光反应鉴定转基因食品。时，借助于比色或荧光反应鉴定转基因食品

290、。 270n（三）试纸条法（三）试纸条法 n试试纸纸条条法法（lateral flowstrip）主主要要将将特特异异性性抗抗体体交交联联到到试试纸纸条条上上，当当纸纸上上抗抗体体与与特特异异抗抗原原（待待测测抗抗原原）结结合合后后，再再与与带带有有标标记记物物的的特特异抗体进行反应异抗体进行反应 三、三、DNA检测法检测法l（一）（一） PCR技术（技术（polymerase chain reactionPCR）lPCR技技术术即即“聚聚合合酶酶链链反反应应技技术术”，是是指指模模拟拟体体内内DNA复复制制方方式式在在体体外选择性扩增外选择性扩增DNA某个特殊区域的技术某个特殊区域的技术l1

291、、定性、定性PCR技术技术l2、定量、定量PCR技术技术l目目前前转转基基因因成成分分的的定定量量检检测测方方法法有有半半定定量量PCR (semiquantitative PCR)、定定量量竞竞争争PCR (quantitative competitive PCR)、实实时时荧荧光光定量定量PCR (realtime fluorescence quantitative PCR)。 271n（二）（二）PCR-ELISAn这这是是一一种种将将PCR的的高高效效性性、高高灵灵敏敏度度与与ELISA的的高高准准确确度度相相结结合合的的方法方法 。n（三）巢式定性（三）巢式定性PCR (nested

292、-PCR)n（四）复合扩增（四）复合扩增PCR(multiplex PCR)n复合扩增复合扩增PCR是一种高效的针对多个靶位点进行同时检测的技术。是一种高效的针对多个靶位点进行同时检测的技术。n（五五）电电化化学学发发光光PCR(electrochemi luminescence-PCRECL-PCR) 四、基因芯片四、基因芯片l基基因因芯芯片片(gene chip)，又又称称DNA微微阵阵列列，是是指指将将许许多多特特定定的的寡寡核核苷苷酸酸片片段段或或基基因因片片段段作作为为探探针针，有有规规律律的的排排列列固固定定于于支支持持物物上上形形成成的的DNA分子阵列。分子阵列。 272五、其它

293、技术五、其它技术第六节第六节 转基因食品安全管理及相关法规转基因食品安全管理及相关法规一、国外对转基因食品安全的管理现状一、国外对转基因食品安全的管理现状l（一一）国国际际组组织织，2003年年7月月1日日，国国际际食食品品法法典典委委员员会会通通过过了了三三项项有有关关转转基基因因食食品品安安全全问问题题的的标标准准。要要求求转转基基因因生生物物产产品品应应该该“与与其其相相应应的的常常规规产产品品一一样样安安全全”；同同时时还还规规定定了了玉玉米米、大大豆豆等等转转基基因因食食用用植植物物及及用用于于生生产产啤啤酒酒和和奶奶酪酪的的转转基基因因微微生生物物的的安安全全评评估估准准则则；规规

294、定定了了转转基基因因食食品品营营养养学学变变化化的的检检测测程程序序；指指出出在在转转基基因因产产品品投投放放市市场前应首先进行安全评估。场前应首先进行安全评估。 273n（二）美国（二）美国 n美美国国是是对对转转基基因因食食品品政政策策最最宽宽松松的的国国家家，采采用用以以产产品品为为基基础础的的管管理理模模式式， 2000年年1月月7日日美美国国政政府府对对转转基基因因玉玉米米的的种种植植颁颁布布了了限限令令，以以防防止止害害虫虫对对转转基基因因玉玉米米中中毒毒素素形形成成抗抗药药性性。2001年年1月月美美国国出出台台了了“转基因食品管理草案转基因食品管理草案”。 n（三）欧盟（三）欧

295、盟 n欧欧盟盟于于1990年年4月月规规定定了了转转基基因因生生物物的的批批准准程程序序。欧欧盟盟议议会会于于2003年年7月月2日通过了有关转基因食品和动物饲料的新法规。日通过了有关转基因食品和动物饲料的新法规。n（四）英国（四）英国n英英国国在在1999年年3月月进进一一步步规规定定，餐餐馆馆和和咖咖啡啡厅厅等等出出售售的的食食品品中中如如果果含有转基因成分，必须在菜单上注明。含有转基因成分，必须在菜单上注明。n（五）日本（五）日本 n日日本本对对转转基基因因食食品品也也采采用用限限制制进进口口的的措措施施。所所有有转转基基因因食食品品必必须须通通过农林水产省的安全评价后才准许进口。过农林

296、水产省的安全评价后才准许进口。 274n2000年年4月月实实施施的的转转基基因因食食品品的的标标准准值值内内容容及及实实施施办办法法，对对28种种含含有有可检测量转基因配料的食品可检测量转基因配料的食品(包括大豆、玉米和马铃薯包括大豆、玉米和马铃薯)进行强制性标记。进行强制性标记。n（六）澳大利亚、新西兰（六）澳大利亚、新西兰 n新新西西兰兰虽虽然然目目前前暂暂时时禁禁止止转转基基因因技技术术的的商商业业化化运运作作，但但不不禁禁止止从从别别国国进进口口含含转转基基因因成成分分的的食食品品出出售售或或原原料料进进行行再再加加工工。澳澳大大利利亚亚1999年年5月月起起实实施施转转基基因因工工

297、程程生生产产的的食食品品标标准准，澳澳大大利利亚亚还还于于2000年年制制定定了了基基因因法法 。n（七）俄罗斯（七）俄罗斯n俄罗斯从俄罗斯从1999年年7月起，对转基因食品及其原料建立州政府登记制度月起，对转基因食品及其原料建立州政府登记制度 。n（八）瑞士（八）瑞士n瑞士政府规定，如果食品中转基因成分不超过瑞士政府规定，如果食品中转基因成分不超过1的，不需在标签上标明的，不需在标签上标明n（九）加拿大（九）加拿大 n在加拿大转基因农产品和食品被归为在加拿大转基因农产品和食品被归为“新型食品新型食品”类。类。 n（十）韩国（十）韩国 n2001年年7月月开开始始实实行行转转基基因因食食品品标

298、标识识制制。对对所所有有进进口口的的大大豆豆、玉玉米米以以及及含含有这些成分的食品要求加贴有这些成分的食品要求加贴“转基因转基因”标识标识 275二、我国对转基因食品的管理及相关法规二、我国对转基因食品的管理及相关法规n2001年年6月月6日，国务院公布的农业转基因生物安全管理条例规定日，国务院公布的农业转基因生物安全管理条例规定 。n2001年年9月月5日日，国国家家质质量量监监督督检检验验检检疫疫总总局局颁颁布布并并实实施施了了进进出出境境转转基基因因产品检验检疫管理办法。产品检验检疫管理办法。n2002年年1月月5日日，农农业业部部签签发发了了三三个个农农业业法法令令农农业业转转基基因因

299、生生物物安安全全评评价价管管理理方方法法、农农业业转转基基因因生生物物进进口口安安全全管管理理办办法法和和农农业业转转基基因因生生物物标标识管理办法三个配套细则。识管理办法三个配套细则。n2002年年4月月8日，国家卫生部颁布了转基因食品卫生管理办法日，国家卫生部颁布了转基因食品卫生管理办法 。三、转基因食品安全管理的对策三、转基因食品安全管理的对策l（一）合理应用生物技术（一）合理应用生物技术l（二）加强检测和风险评估（二）加强检测和风险评估l（三）完善转基因食品的标识制度（三）完善转基因食品的标识制度l（四）加大生物技术的研究力度（四）加大生物技术的研究力度l（五）对公众进行广泛的宣传教育

300、（五）对公众进行广泛的宣传教育276第九章第九章 生物技术与食品工业生物技术与食品工业“三三废废”治理治理n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 食品工业废水生物处理技术食品工业废水生物处理技术n第三节第三节 食品工业废渣生物治理技术食品工业废渣生物治理技术n第四节第四节 食品工业废气生物处理技术食品工业废气生物处理技术n第五节第五节 现代生物技术与食品工业现代生物技术与食品工业“三废三废”的资的资/能源化能源化277第一节第一节 概述概述一、环境生物技术涵义一、环境生物技术涵义l环环境境生生物物技技术术（environmental biotechnology，或或称称为为environmen

301、tal bioengineering），是近），是近20年来发展起来的一门新兴交叉学科。年来发展起来的一门新兴交叉学科。l环环境境生生物物工工程程可可以以认认为为是是生生物物工工程程定定义义的的延延伸伸和和扩扩展展，即即直直接接或或间间接接利利用用完完整整的的生生物物体体或或生生物物体体的的某某些些组组成成部部分分或或某某些些机机能能，建建立立降降低低或或消消除除污污染染物物产产生生的的生生产产工工艺艺，或或者者能能够够高高效效净净化化环环境境污污染染以以及及同同时时生生产产有有用用物物质质的的工程技术系统，称为环境生物工程。工程技术系统，称为环境生物工程。 二、环境生物技术基本特征二、环境生

302、物技术基本特征l环境生物技术的基本特征包括：环境生物技术的基本特征包括：l（1）生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质）生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质 l（2）由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应的底物）由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应的底物 278n（2）由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应的底物）由于大部分有机污染物适于作为生物过程反应的底物 n（3）生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白）生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白 n（4）用用生生物物过过程程代代替替化化学学过过程程可可以

303、以降降低低生生产产活活动动的的污污染染水水平平，有有利利于于实实现现工艺过程生态化或无废物生产，真正实现清洁生产的目标工艺过程生态化或无废物生产，真正实现清洁生产的目标 n（5）生生物物处处理理技技术术除除易易于于大大规规模模应应用用外外，还还可可利利用用天天然然水水体体或或土土壤壤作作为为污污染物的处理场所，从而大大节约处理过程的费用。染物的处理场所，从而大大节约处理过程的费用。三、环境生物技术的研究进展三、环境生物技术的研究进展四、环境生物技术与食品工业四、环境生物技术与食品工业“三废三废”治理治理279第二节第二节 食品工业废水生物处理技术食品工业废水生物处理技术一、食品工业废水的来源和

304、基本特征一、食品工业废水的来源和基本特征l（一）废水的水质指标（一）废水的水质指标3l（1）废水的物理指标）废水的物理指标l（2）废水的化学指标）废水的化学指标l生生化化需需氧氧量量（BOD） BOD（biochemical oxygen demand）是是指指1L废废水水中中的的有有机机污污染染物物在在好好氧氧微微生生物物作作用用下下进进行行氧氧化化分分解解时时消消耗耗的的溶溶解解氧氧。实际测定时，常采用实际测定时，常采用BOD5，即水样在，即水样在20 条件下培养条件下培养5d的生化需氧量。的生化需氧量。l化化学学需需氧氧量量（COD） COD（chemical oxygen demand

305、）是是指指用用强强氧氧化剂使被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量。化剂使被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量。l总有机碳（总有机碳（TOC） TOC是指废水中所含有机物的含碳量。是指废水中所含有机物的含碳量。 l总氮和氨氮总氮和氨氮 总氮是废水中一切含氮化合物的总称总氮是废水中一切含氮化合物的总称 。l含磷化合物含磷化合物 在废水中，含磷化合物分为有机与无机两大类。在废水中，含磷化合物分为有机与无机两大类。 280n（2）废废水水的的生生物物指指标标，一一般般通通过过细细菌菌总总数数和和大大肠肠菌菌群群数数两两个个指指标标来来度度量量废废水水中中所所含含生生物物污污染染物物质质，用

306、用特特定定暴暴露露时时间间内内使使实实验验生生物物死死亡亡50 %的的毒毒物物或或废水的浓度，即称为半致死浓度废水的浓度，即称为半致死浓度LD50来具体评价。来具体评价。 n（二）食品工业废水的来源和基本特征（二）食品工业废水的来源和基本特征4n食食品品工工业业废废水水来来源源。按按所所用用的的原原料料可可分分为为：肉肉与与肉肉制制品品工工业业；禽禽蛋蛋加加工工工工业业；制制糖糖工工业业；水水果果、蔬蔬菜菜加加工工工工业业；鱼鱼与与鱼鱼制制品品工工业业；粮粮食食加加工工工工业业；食食用用油油脂脂加加工工工工业业；乳乳与与乳乳制制品品加加工工工工业业；含含酒酒精精饮饮料料工工业业；无无酒酒精精饮

307、饮料料工工业业；茶茶与与咖咖啡啡工工业业；调调味味料料与与添添加加剂剂工工业业；特特殊殊食食品品工工业业（指指婴婴幼幼儿儿童童食食品品、疗疗效效食食品品、保保健健食食品品等等）；下下脚脚料料的综合利用工业；的综合利用工业；其他。其他。 二、废水好氧生物处理技术二、废水好氧生物处理技术l（一）废水好氧生物处理技术的基本原理（一）废水好氧生物处理技术的基本原理l（1）絮凝、吸附作用）絮凝、吸附作用l（2）活活性性污污泥泥中中微微生生物物的的代代谢谢及及其其增增殖殖规规律律，在在好好氧氧条条件件下下，代代谢谢按按两两个个途径进行（图途径进行（图9-1） 281图图9-1 好氧处理过程中的微生物学机制

308、好氧处理过程中的微生物学机制l（3）活活性性污污泥泥的的凝凝聚聚、沉沉淀淀与与浓浓缩缩，活活性性污污泥泥系系统统净净化化废废水水的的最最后后程程序序是是泥水分离，这一过程在二次沉淀池或沉淀区内进行。泥水分离，这一过程在二次沉淀池或沉淀区内进行。l（二）活性污泥中的微生物（二）活性污泥中的微生物l（1）细菌）细菌 废水中，直接摄取可溶性有机物者以细菌为主。废水中，直接摄取可溶性有机物者以细菌为主。 l（2）原生动物）原生动物 原生动物与细菌都是在废水中起净化作用的主要成员原生动物与细菌都是在废水中起净化作用的主要成员 。l（3）真菌类）真菌类 有关活性污泥中真菌类的报道很少。有关活性污泥中真菌类

309、的报道很少。 l（4）微小后生动物）微小后生动物 。282n（三）活性污泥法（三）活性污泥法n活活性性污污泥泥法法是是一一种种应应用用最最广广的的废废水水好好氧氧生生物物处处理理技技术术，其其基基本本流流程程如如图图9-2所示所示 图图9-2 活性污泥法的基本流程活性污泥法的基本流程l（四）生物接触氧化法（四）生物接触氧化法l（1）生生物物接接触触氧氧化化法法的的基基本本原原理理和和特特点点，生生物物接接触触氧氧化化法法是是一一种种介介于于活活性性污污泥泥法法与与生生物物滤滤池池之之间间的的生生物物膜膜法法工工艺艺。生生物物接接触触氧氧化化法法的的基基本本流流程程见见图图9-3。l生物接触氧化

310、法与生物滤池、活性污泥法主要运行参数的比较列举于表生物接触氧化法与生物滤池、活性污泥法主要运行参数的比较列举于表9-1。 283图图9-3 生物接触氧化法的基本流程生物接触氧化法的基本流程表表9-1 三种处理工艺主要运行参数的比较三种处理工艺主要运行参数的比较284n（2）生生物物接接触触氧氧化化池池的的构构造造，生生物物接接触触氧氧化化池池由由池池体体、填填料料、布布水水装装置置和和曝气系统四部分组成。曝气系统四部分组成。n（3）填填料料，生生物物接接触触氧氧化化池池中中的的填填料料是是微微生生物物的的载载体体，其其特特性性对对接接触触氧氧化化池池中中生生物物固固体体量量、氧氧的的利利用用率

311、率、水水流流条条件件和和废废水水与与生生物物膜膜的的接接触触情情况况等等起起着重要的作用，是影响生物接触氧化池处理效果的重要因素。着重要的作用，是影响生物接触氧化池处理效果的重要因素。三、废水厌氧生物处理技术三、废水厌氧生物处理技术l（一一）废废水水厌厌氧氧生生物物处处理理技技术术的的基基本本原原理理，1979年年布布利利安安特特（Bryant）等等人提出了厌氧消化的三阶段理论，如图人提出了厌氧消化的三阶段理论，如图9-4所示。所示。 l（二）废水厌氧生物治理中的微生物（二）废水厌氧生物治理中的微生物l（1）发酵细菌（产酸细菌）发酵细菌（产酸细菌）l（2）产氢产乙酸菌）产氢产乙酸菌l（3）产甲

312、烷细菌）产甲烷细菌l（4）厌氧微生物群体间的关系）厌氧微生物群体间的关系285n（三）废水厌氧生物处理的影响因素（三）废水厌氧生物处理的影响因素n（1）温度，图）温度，图9-6所示为温度对厌氧消化期的影响所示为温度对厌氧消化期的影响 n（2）pH值值，产产甲甲烷烷菌菌对对pH值值变变化化的的适适应应性性很很差差，其其最最适适pH值值范范围围为为6.87.2。在在pH6.5以以下下或或8.2以以上上的的环环境境中中，厌厌氧氧消消化化会会受受到到严严重重的的抑抑制制 。n（4）营营养养，厌厌氧氧微微生生物物对对碳碳、氮氮等等营营养养物物质质的的要要求求略略低低于于好好氧氧微微生生物物，但大多数厌氧

313、菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能。但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能。n（5）食食料料微微生生物物比比，厌厌氧氧生生物物处处理理过过程程中中的的食食料料微微生生物物比比对对其其进进程程影影响响很大，在实用中常以有机负荷表示，即很大，在实用中常以有机负荷表示，即kgCOD/（kgVSSd）。）。n（6）有毒物质，有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制）有毒物质，有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制n（四）升流式厌氧污泥床反应器（四）升流式厌氧污泥床反应器n升升流流式式厌厌氧氧污污泥泥床床（upfow anaerobic sludge blanketUASB）

314、。图图9-7为为UASB反应器工作原理示意，图反应器工作原理示意，图9-8为为UASB反应器的工作状态模型。反应器的工作状态模型。n（五五）厌厌氧氧颗颗粒粒污污泥泥膨膨胀胀床床反反应应器器，国国外外部部分分UASB反反应应器器的的应应用用情情况况见表见表9-3。世界范围各种厌氧反应器的应用情况如图。世界范围各种厌氧反应器的应用情况如图9-9所示。所示。286图图9-7 UASB反应器工作原理示意反应器工作原理示意图图9-8 UASB反应器的工作状态模型反应器的工作状态模型L：液体；：液体；G：气体；：气体；S：固体：固体287表表9-2 不同温度下的设计容积负荷不同温度下的设计容积负荷表表9-

315、4 国外部分国外部分UASB反应器的应用情况反应器的应用情况288图图9-9 世界范围各种厌氧反应器的应用情况世界范围各种厌氧反应器的应用情况l（2）EGSB反反应应器器，图图9-10为为EGSB反反应应器结构示意图。器结构示意图。 l（3）EGSB反应器的研究和应用反应器的研究和应用 图图9-10 EGSB反应器结构示意图反应器结构示意图289表表9-5 EGSB反应器的应用反应器的应用四、食品工业废水生物治理中的应用四、食品工业废水生物治理中的应用l（一一）罐罐头头加加工工厂厂的的废废水水生生物物治治理理11（二二）啤啤酒酒厂厂的的废废水水生生物物治治理理（三三）乳乳品品厂厂废废水水的的生

316、生物物治治理理（四）大豆油废水的生物治理（四）大豆油废水的生物治理290第三节第三节 食品工业废渣生物治理技术食品工业废渣生物治理技术一、食品工业废渣的来源和基本特征一、食品工业废渣的来源和基本特征l（一）水果残渣的来源及特征（一）水果残渣的来源及特征l（二）酒粕的来源及特征（二）酒粕的来源及特征l（三）鱼类及肉类加工废弃物的来源及特征（三）鱼类及肉类加工废弃物的来源及特征l（四）淀粉质废弃物的来源及特征（四）淀粉质废弃物的来源及特征l（五）纤维素质废弃物的来源及特征（五）纤维素质废弃物的来源及特征二、废渣生物治理技术及综合利用二、废渣生物治理技术及综合利用l（一）纤维素废弃物发酵产乙醇技术（

317、一）纤维素废弃物发酵产乙醇技术l表表9-7列出了可用于微生物发酵生产乙醇的原料。列出了可用于微生物发酵生产乙醇的原料。 291表表9-7 微生物发酵生产乙醇的原料微生物发酵生产乙醇的原料l（二二）淀淀粉粉工工业业废废弃弃物物发发酵酵产产乳乳酸酸技技术术（ 三三 ） 食食 品品 废废 弃弃 物物 生生 产产 单单 细细 胞胞 蛋蛋 白白 及及 饲饲 料料 技技 术术（1）可可生生产产SCP的的食食品品废废弃弃物物（2）SCP的的一一般般生生产产工工艺艺（3）利利用用有有机机废废物物生生产产饲饲料料292三、食品工业废渣生物治理中的应用实例三、食品工业废渣生物治理中的应用实例l（一一）酒酒糟糟的的

318、治治理理与与综综合合利利用用，酒酒糟糟是是酿酿酒酒企企业业以以粮粮食食为为原原料料发发酵酵生生产产食食用酒后产生的副产品用酒后产生的副产品 。l（1）酒酒糟糟生生产产饲饲料料，采采用用生生物物发发酵酵转转化化法法也也可可使使酒酒糟糟资资源源化化。通通过过接接种种好好氧氧微微生生物物将将其其中中可可以以利利用用和和转转化化的的物物质质转转化化合合成成为为菌菌体体蛋蛋白白，其其工工艺艺流流程程如图如图9-11所示。所示。 图图9-11利用白酒糟生产高蛋白饲料的工艺流程利用白酒糟生产高蛋白饲料的工艺流程293n（2）酒糟制取调味品，酒糟酿制酱油）酒糟制取调味品，酒糟酿制酱油 ，主要成分的比较见表，主

319、要成分的比较见表9-9。 表表9-9 酒糟与大豆的营养成分比较酒糟与大豆的营养成分比较l利利用用酒酒糟糟生生产产酱酱油油的的原原料料有有：酒酒糟糟、豆豆饼饼、麦麦麸麸、水水、食食盐盐、米米曲曲霉霉（As3.951）黑曲霉（）黑曲霉（As3.350），工艺流程如图），工艺流程如图9-12所示。所示。图图9-12 酒糟生产酱油工艺流程酒糟生产酱油工艺流程l（3）酒糟的其他用途）酒糟的其他用途l（二）水果加工厂的废渣治理（二）水果加工厂的废渣治理l（1）苹苹果果渣渣的的治治理理，苹苹果果渣渣中中不不仅仅含含有有纤纤维维素素和和果果胶胶等等多多糖糖类类成成分分，而而且且还还富富含含低低聚聚糖糖、单单糖

320、糖、氨氨基基酸酸、有有机机酸酸、维维生生素素和和香香气气成成分分等等多多种种有有用用物物质。质。 294n（2）蜜蜜柑柑渣渣的的治治理理，日日本本的的技技术术人人员员利利用用柑柑桔桔渣渣为为原原料料研研究究开开发发出出高高品品质质和可以稳定供应的壳聚糖的生产方法。和可以稳定供应的壳聚糖的生产方法。 第四节第四节 食品工业废气生物处理技术食品工业废气生物处理技术一、废气生物处理技术的基本原理一、废气生物处理技术的基本原理l工工业业废废气气的的生生物物处处理理是是利利用用微微生生物物以以废废气气中中的的有有机机组组分分作作为为其其生生命命活活动动的的能能源源或或其其他他养养分分，经经代代谢谢降降解

321、解转转化化为为简简单单的的无无机机物物（二二氧氧化化碳碳、水水等等）及及细胞组成物质。具体如表细胞组成物质。具体如表9-11所示。所示。 表表9-11 生物技术与传统方法的经济性比较生物技术与传统方法的经济性比较295n按生物膜理论（如图按生物膜理论（如图9-14所示）所示） 图图9-14 生物化学法净化处理工业废气的过程生物化学法净化处理工业废气的过程二、生物洗涤法二、生物洗涤法l生物洗涤法的反应装置有一个吸收室和一个再生池构成，如图生物洗涤法的反应装置有一个吸收室和一个再生池构成，如图9-15所示所示16。296图图9-15 生物洗涤法处理工业废气装置生物洗涤法处理工业废气装置l昆昆明明理

322、理工工大大学学对对生生物物膜膜填填料料塔塔净净化化低低浓浓度度有有机机废废气气进进行行了了大大量量研研究究。据据报报道采用的实验装置如图道采用的实验装置如图9-16所示所示17。 图图9-16生物膜填料塔净化低浓度有机废气实验装置生物膜填料塔净化低浓度有机废气实验装置1-小气泵；小气泵；2-纯甲苯瓶；纯甲苯瓶；3-风机；风机；4-气体混合瓶；气体混合瓶；5-生物膜填料塔；生物膜填料塔；6-循环水槽；循环水槽；7-循环水泵；循环水泵；8-高位槽；高位槽；G-气体取样点；气体取样点；L-液体取样点液体取样点297三、生物过滤法三、生物过滤法n图图9-17为废气生物过滤反应装置示意图为废气生物过滤反

323、应装置示意图19。 图图9-17 废气生物过滤反应装置示意图废气生物过滤反应装置示意图298n（一）土壤滤池（一）土壤滤池n（二）堆肥滤池，图（二）堆肥滤池，图9-18为敞开的土壤或堆肥滤池示意图为敞开的土壤或堆肥滤池示意图18。 图图9-18 敞开的土壤或堆肥滤池敞开的土壤或堆肥滤池l（三三）微微生生物物过过滤滤箱箱，微微生生物物过过滤滤箱箱为为封封闭闭式式装装置置，主主要要由由箱箱体体、生物活性床层、喷水器等组成。生物活性床层、喷水器等组成。l（四四）生生物物滴滴滤滤池池，生生物物滴滴滤滤池池处处理理有有机机废废气气的的工工艺艺流流程程如如图图9-19所示所示16。图图9-19 生物滴滤池

324、系统示意图生物滴滤池系统示意图299第五节第五节 现代生物技术与食品工业现代生物技术与食品工业“三废三废”的资的资/ /能源化能源化n一、膜生物反应器技术与食品工业废水的资源化一、膜生物反应器技术与食品工业废水的资源化n（一）膜生物反应器技术概况（一）膜生物反应器技术概况n随随着着水水资资源源需需求求量量的的急急剧剧增增加加、环环境境污污染染的的日日益益严严重重，许许多多国国家家都都面面临临着着水水资资源源短短缺缺的的危危机机，因因此此，将将外外排排污污水水加加以以开开发发利利用用作作为为第第二二水水资资源源显显得得尤为重要。尤为重要。 n中中水水是是指指各各种种排排水水经经过过处处理理，达达

325、到到规规定定的的水水质质标标准准后后，可可以以在在一一定定范范围围内内重重复复利利用用的的非非饮饮用用的的杂杂用用水水，应应用用于于市市政政杂杂用用、农农业业灌灌溉溉、工工业业用用水水和和地地下回灌等领域，将污水处理为中水后，加以回收利用的过程就是中水回用。下回灌等领域，将污水处理为中水后，加以回收利用的过程就是中水回用。 n膜膜生生物物反反应应器器（Membrane Bio-Reactor，MBR）是是20世世纪纪60年年代代发发展展起起来的一种高效污水生化处理工艺。来的一种高效污水生化处理工艺。 n根据膜组件与生物反应器的组合方式可分为分置式根据膜组件与生物反应器的组合方式可分为分置式MB

326、R和一体式和一体式MBR两类。两类。 300l为为了了解解决决MBR能能耗耗较较高高的的问问题题，人人们们开开始始研研究究第第二二代代MBR：一一体体式式或或称称浸浸没没式式MBR（Submerged Membrane Bioreactor, SMBR），如图），如图9-21所示。所示。图图9-20 分置式分置式MBR 图图9-21 一体式一体式MBRl近近年年来来，MBR在在国国内内已已进进入入了了实实用用化化阶阶段段。其其处处理理对对象象从从生生活活污污水水扩扩展展到到食食品品工工业业高高浓浓度度有有机机废废水水，如如酿酿造造废废水水、屠屠宰宰废废水水、豆豆制制品品废废水水、黄黄泔泔污污水

327、水等等。表表9-15列列出出了了采采用用复复合合的的中中空空纤纤维维大大孔孔（MF/UF）膜膜装装置置（最最大大膜膜面面积积为为由由55支支元元件件 组组 装装 成成 的的 385m2） 处处 理理 酿酿 酒酒 工工 业业 废废 水水 的的 效效 果果20。 301表表9-15 PVA/PS复合中空纤维膜处理食品工业废水结果复合中空纤维膜处理食品工业废水结果l二二 、 发发 酵酵 制制 氢氢 技技 术术 与与 食食 品品 工工 业业 废废 水水 的的 能能 源源 化化（一一）发发酵酵制制氢氢技技术术，能能源源短短缺缺和和环环境境污污染染已已是是当当今今世世界界面面临临的的挑挑战战性性课课题题，

328、而而氢氢气气以以其其燃燃烧烧热热值值高高（氢氢的的热热值值达达118.4kJ/g，比比甲甲烷烷高高2.3倍倍）、清清洁洁无无污污染染源源的的清清洁洁能能源源而而成成为为新新世世纪纪最最理理想想的的能能源源。除除此此之之外外，制制氢氢尚尚有有诸诸多多优优点点（见见表表9-16）21。（ 二二 ） 发发 酵酵 生生 物物 制制 氢氢 技技 术术 实实 现现 食食 品品 工工 业业 废废 物物 的的 能能 源源 化化Zhu等等人人利利用用兼兼气气光光合合细细菌菌及及其其突突变变株株从从豆豆腐腐废废水水发发酵酵生生物物制制氢氢，结结果果表表明明，发发酵酵生生物物制制氢氢是是处处理理豆豆腐腐废废水水的的

329、有有效效方方法法。产产氢氢85h后后，TOC去去除除率率达达40%，当废水稀释，当废水稀释50%时，时，TOC去除率增加到去除率增加到66%。 302表表9-16 产氢和产甲烷比较产氢和产甲烷比较303三、微生物燃料电池技术与食品工业废水的能源化三、微生物燃料电池技术与食品工业废水的能源化n2006年年，美美国国宾宾夕夕法法尼尼亚亚州州立立大大学学Logan B.E.教教授授27的的研研究究小小组组以以生生活活污污水水为为阳阳极极介介质质，将将电电流流密密度度提提高高到到2 W/m2，这这是是研研究究至至今今已已有有报报道道从从废废水中回收的最高电能。水中回收的最高电能。 n为了提高为了提高M

330、FC的输出功率，需要采取以下几种措施：的输出功率，需要采取以下几种措施：n（一）添加介体的微生物燃料电池（一）添加介体的微生物燃料电池 n（二）无介体微生物燃料电池（二）无介体微生物燃料电池n（三）无质子交换膜的微生物燃料电池（三）无质子交换膜的微生物燃料电池四、厌氧四、厌氧-发酵耦合技术与食品工业废渣的资源化发酵耦合技术与食品工业废渣的资源化l（一）有机废弃物定向酸化及有机酸的生物合成（一）有机废弃物定向酸化及有机酸的生物合成l由由于于废废弃弃物物厌厌氧氧发发酵酵产产酸酸过过程程是是一一个个涉涉及及多多种种微微生生物物，分分阶阶段段进进行行的的过过程程，因因此此了了解解各各厌厌氧氧微微生生物

331、物的的种种群群构构成成及及其其变变化化规规律律有有助助于于阐阐明明污污泥泥厌厌氧氧产产酸酸、定向酸累积的机理。定向酸累积的机理。 304n但但目目前前为为止止，利利用用分分子子生生物物学学手手段段揭揭示示污污泥泥厌厌氧氧发发酵酵产产酸酸过过程程中中厌厌氧氧微微生生物物种种群群构构成成的的报报道还很少。道还很少。 n（二）废弃物厌氧酸化生产有机酸再利用这些有机酸为底物生产高附加值产品（二）废弃物厌氧酸化生产有机酸再利用这些有机酸为底物生产高附加值产品n已经有研究报道利用厨房垃圾厌氧生发酵生产乳酸的报道。已经有研究报道利用厨房垃圾厌氧生发酵生产乳酸的报道。(见表见表9-15） n（三）利用耦合技术

332、将厌氧酸化产生的有机酸合成或转化为高附加值的生物活性产品（三）利用耦合技术将厌氧酸化产生的有机酸合成或转化为高附加值的生物活性产品n目目前前，一一些些研研究究主主要要集集中中于于生生物物反反应应与与产产物物分分离离耦耦合合技技术术，主主要要是是采采用用层层析析技技术术、膜膜技技术术、双双液液相相技技术术和和电电渗渗析析等等技技术术成成功功的的实实现现了了有有机机酸酸、氨氨基基酸酸、有有机机溶溶剂剂、手手性性化化学学品品、医医药药蛋白等发酵产品的大量生产。蛋白等发酵产品的大量生产。 表表9-15 有机废弃物酸化后生产的生物化学品有机废弃物酸化后生产的生物化学品305 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！306