发酵工程原理及其在食品工业中的应用

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1、第四章发酵工程及其在食品工业中的应用王继刚wjg8017@126.com15872435159第一节概述1、发酵(fermentation)：来源于拉丁文“fervere”，是果汁或麦芽汁经过酵母发酵作用而出现的“沸腾”现象。生物化学上讲，发酵是无氧条件下一个有机化合物同时作为电子的供体和最终受体并产生能量的过程。微生物上讲，发酵是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其初级代谢产物、次级代谢产物的过程。一、发酵工程的定义2、发酵工程：也称微生物工程。利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过

2、现代化工程技术手段，最大限度地发挥微生物的某种特定功能，以生产出人类所需的产品。▲营养简单--可以在相对经济的培养基上生长▲培养条件相对粗放--如温度pH值易于控制▲倍增时间短--高效率地生产(表达效率高)▲结构简单--易于改良和基因操作,获得新品种▲种类多--代谢产物繁多例如：发酵法生产胰岛素胰岛素是一个蛋白质激素，由51个氨基酸组成，胰岛素能够降低人体内的血糖含量，医学上常用胰岛素作为治疗糖尿病的药物，但传统的胰岛素生产方法是从牛或猪胰脏中提取，每454公斤牛胰脏可得到10克胰岛素，所以很难满足需要。发酵工程法：首先编码胰岛素基因，导入大肠杆菌中

3、，培养这一工程菌，从而得到大量的胰岛素，每200升得到10克胰岛素。3、发酵工程的特点（1）发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件比较简单。（2）发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。（3）发酵过程反应的专一性强，可以得到较为单一的代谢产物。（4）发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在

4、无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。（5）能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。（6）通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良微生物菌种，使生产设备得到充分利，可以获得按常规方法难以生产的产品。（7）工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。二、发酵工程主要研究内容1.大规模微生物细胞培养过程；2.大规模培养基灭菌和空气灭菌过程；3.微生物细胞

5、生长和产物形成动力学；4.发酵过程的优化；5.生物反应器的放大和设计；6.发酵过程的参数监控和计算机应用；7.发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。三、发酵工程产品类型1.以菌体为产品。例如：药用真菌，食用菌，酵母菌、单细胞蛋白2.以微生物的酶为产品。例如：糖化酶、碱性蛋白酶、淀粉酶，与从动植物体内提取相比，可以大规模生产，提高酶的产量。3.以微生物的代谢产物为产品初级代谢产物：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、脂类、碳水化合物。次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、激素、维生素。4.利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改造，即产品的转化过程。转化反应包

6、括催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。（一）天然发酵阶段（古代-1900年）主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数产品为厌氧发酵、非纯种培养、凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。四、发酵工程的发展简史（二）纯培养技术的建立（1905年-）纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。主要的产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵（三）通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）通气搅拌发酵技术的建立

7、是发酵工业上的第二个转折点。这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题（四）代谢控制发酵技术由氨基酸发酵而开始的代谢控制发酵，使发酵工业进入一个新的阶段。随后，核苷酸、酶制剂以及有机酸等方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。氨基酸发酵(谷氨酸、赖氨酸)核酸类物质发酵(肌苷酸、鸟苷酸)柠檬酸发酵有机酸发酵切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节,突变株的应用,前体、终产物、副产物等（五）开拓发酵原料时期（1960年-）石油化工副产物石蜡、醋酸

8、、甲醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料。以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源出现了不需要机械搅