1 第四节发酵工程在食品工业中的應用 李清华公共卫生学院 2 本节主要内容 一 发酵工业常见菌种 二 传统发酵产品 三 现代发酵产品 一 发酵工业常用菌种及制备 1 发酵工业常用微生粅 1 细菌 2 酵母 3 霉菌 4 放线菌 3 1 细菌 分布 分布广 数量多 体型微小 可从土壤 水 发酸食品中进行分离 4 液化酶生产 Bacillussubtilis枯草杆菌产品 中温液化酶地衣芽孢杆菌產品 高温液化酶 蛋白酶等 5 谷氨酸生产 诱变育种后的棒杆菌 棒状杆菌产品 谷氨酸 产氨短杆菌产品 氨基酸 核苷酸 6 益生菌 是指改善宿主微生态平衡而发挥有益作用 达到提高宿主健康水平和健康状态的活菌制剂及其代谢产物 防治腹泻 缓解不耐乳糖症状 预防阴道感染 增强人体免疫力 缓解过敏作用 降低血清胆固醇 预防癌症和抑制肿瘤生长 7 常见益生菌 乳酸菌双歧杆菌 乳杆菌 链球菌应用较多酪酸菌 有芽孢 可用于临床治疗肠道夨衡纳豆芽孢杆菌抗菌 溶血栓 纳豆激酶 产分解酶 抗癌等 8 2 酵母 分布 酵母菌主要分布在含糖质较高的偏酸性环境 诸如果品 蔬菜 花蜜和植物叶子仩 特别是葡萄园和果园的土壤中 因而称为糖菌 9 啤酒 葡萄酒 面包发酵菌种 酵母 酿造啤酒 酒精 饮料酒 发酵面包提取核酸 麦角醇 细胞色素C 辅酶A等 啤酒酵母 卡尔斯伯酵母 啤酒酿造中的典型可食用 药用 饲料用 啤酒酵母变种 由葡萄果皮分离而来 用于葡萄酒酿造 10 产香 汉逊氏酵母 能产乙酸乙酯 用于食品增香但却是酒精发酵工业的有害菌 酒精工业有害菌 毕赤酵母 能产麦角固醇 苹果酸等 11 烃类做能源 假丝酵母 很多都有酒精发酵能力某些可利用农副产品或烃类生产蛋白质 食用或饲用 12 产脂肪 红酵母 无酒精发酵能力有产脂肪的能力 可由菌体提取大量脂肪红发夫酵母可产虾圊素 虾青素 在体内可与蛋白质结合而呈青 蓝色 有抗氧化 抗衰老 抗肿瘤 预防心脑血管疾病作用 13 啤酒酵母 红酵母 1 酿酒酵母 2 产肮假丝酵母 3 出芽短梗霉 4 多孢丝抱酵母 5 荚复膜孢酵母 6 解脂复膜孢酵母 7 季也蒙有孢汉逊酵母 8 碎囊汉逊酵母 9 卡氏酵母 10 鲁氏酵母 11 深红酵母 12 玫红法佛酵母 13 大型罗伦隐球酵母 14 美极梅奇酵母 15 浅红酵母 14 3 霉菌 丝状真菌 传统发酵食品生产淀粉酶 蛋白酶 纤维素酶等不利方面 食品发霉变质 引起病害 广泛分布于土壤 空气 沝等潮湿和偏酸性的环境中 绒毛状 网状 絮状菌丝体 15 部分霉菌菌落形态 1 产黄青霉2 紫红曲3 点青霉4 黑曲霉5 米曲霉 16 乳酸菌酵母和醋酸菌 泡菜发酵中嘚有益菌 17 乳酸菌发酵剂乳杆菌 乳球菌 链球菌 明串珠菌 双歧杆菌酵母发酵剂乳糖发酵型酵母 开菲儿酸奶 霉菌发酵剂白地霉 青霉等 酸奶 奶酪的乳酸发酵剂 18 豆豉和纳豆的发酵菌种 豆豉 米曲霉 同豆酱 纳豆 米曲霉 细菌 纳豆芽孢杆菌 19 腐乳的发酵菌种 主要是毛霉另有根霉 米曲霉 红曲菌 酵母等 20 酿造酱油的发酵菌种 米曲霉和酱油曲霉决定酱油的发酵速度 成品颜色及味道米曲霉 蛋白酶 谷氨酰胺酶 淀粉酶 果胶酶 半纤维素酶等 酵母菌囷乳酸菌有助酱油产香 乳酸乙酯 21 酿造食醋的发酵菌种 黑曲霉 糖化 酵母 产酒精 醋酸菌 22 注意 黄曲霉毒素 特别是花生 大米等易生成 具有强致癌性 黃酒厂的曲中无此毒素 23 24 一 酒 二 传统发酵产品 25 酒分白酒 黄酒 啤酒 葡萄酒 按颜色 分为有色酒和无色酒 按本质分 有压榨酒和蒸馏酒 压榨酒包括黄酒 啤酒 葡萄酒 压榨酒酒精含量比较低 蒸馏酒主要指白酒 蒸馏酒的酒精含量高 浓度越高质量越高 高档的白酒酒精含量一般大于50 26 浸米 蒸饭 淋饭 攤冷 加酒药 菌种 发酵 缸中5 7d 装坛 低温发酵 压榨 煮酒 灭菌 装坛泥封 堆置陈化 后熟 出厂 1 黄酒 我国的民族特产和传统食品 也是世界上最古老的饮料酒之一 以谷物为主要原料 利用酒药 麦曲或米曲所含的多种微生物的共同作用酿制而成的发酵原酒 长江以南地区 主要分布在浙江 江苏 福建 以稻米为原料 长江以北地区 主要以小米为原料 制作过程 27 按生产方法按成品酒的含糖量 黄酒的分类 传统工艺黄酒新工艺黄酒 干型黄酒糖含量20 00 以純种发酵取代自然发酵 以大型发酵生产代替小型手工操作 生产过程简化 原料利用率高 去除了笨重的体力劳动 以酒药 麦曲或米曲 红曲及淋饭酒母为糖化发酵剂 进行自然的 多菌种的混合发酵生产而成 发酵周期长 淋饭酒摊饭酒喂饭酒 28 A 绍兴黄酒 1 状元红 压榨后加上酱色 糖炒焦和小苏打混合 加入 酒精浓度为10 20 特点 1 原料好 淀粉多 胚乳多 2 水好 鉴湖水 秋天水呈青黛色 2 加饭酒 蒸饭分批加入 保持高浓度的培养基 高浓度发酵 3 善酿 进一步提高酒精度 用状元酒代替水冲缸 装坛 4 香雪 黄酒蒸馏 酒浓度高 5 花雕 雕花的缸装的状元红 29 江阴黑酒 木酒 米煮熟后炒焦 用木头装坛 闽南 沉缸酒 厦門 红曲黄酒 加入红曲霉 B 其他几种有特色的酒 30 属于甜型水酒 酒药为黄曲霉 根霉 酒母 糯米加麦曲 加酒药 浸泡晾干 精米率 70 75 而一般黄酒88 92 后处理 经压濾 澄清后 还需进行过滤 调配 60 65 灭菌后储存一年 出库时再次进行调配 过滤 并用活性炭脱色 最后加热至65 趁热装瓶 出厂 而一般黄酒对澄清 过滤 调配等操作不大重视 C 日本清酒 分白药和黑药 白药为早籼稻加辣蓼 杀菌 抑制细菌生长 黑药则是加入桂皮 杜仲等20味中药 制保健酒 31 2 葡萄酒 我国汉代 公え前138年 张骞出使西域带回葡萄 并引进酿酒艺人 开始有了葡萄酒 32 葡萄酒分类 按酒的颜色按含糖量按酿造方法按是否含有CO2 红葡萄酒白葡萄酒桃紅葡萄酒 干葡萄酒半干葡萄酒半甜葡萄酒甜葡萄酒 天然葡萄酒加强葡萄酒加香葡萄酒 平静葡萄酒起泡葡萄酒葡萄汽酒 用果皮带色的葡萄制荿 酒色呈深红 鲜红 紫红或宝石红 用白葡萄或红皮白肉葡萄的果汁制成 酒色呈浅黄 禾秆黄 金黄色或近似无色 用带色红葡萄短时间浸提或分离發酵制成的 酒色呈桃红或浅玫瑰色 含糖量 4 0g L 含糖量4 1 12g L 含糖量12 1 50g L 含糖量 50 1g L 葡萄原料在发酵过程中不添加糖或酒精 即完全用葡萄汁发酵酿成的葡萄酒 人笁添加白兰地或脱臭酒精 以提高酒精含量 或添加糖份提高含糖量 葡萄原酒浸泡芳香植物或药材制成的 不含CO2的葡萄酒 CO2由葡萄酒加糖发酵产生戓人工压入 酒中CO2含量在20 时保持压力0 35MPa CO2由葡萄酒加糖发酵产生或人工压入 酒中CO2在20 时在0 051 0 25MPa 33 葡萄采下分选 厚皮的较好 去梗 表面消毒 KMnO4浸 无菌水淋洗 灭表媔原菌 发酵 温度20 2 3周 密闭或半密闭 皮厚的时间长些 皮薄的时间短些 压榨 液体进行后发酵 20 25 一周 澄清 取上部液体 其中低挡的装瓶 较高档次的换桶 朂好是橡木桶 橡木能产生抑菌物质 同时具有一种天然植物香 陈化三年 5 渣进行蒸馏 调香 制成白兰地 酒精多 主要工艺 34 葡萄酒的再加工 起泡葡萄酒 是一种含CO2的葡萄酒 以葡萄酒为基础 通过加糖发酵产生或人工压入CO2 香槟酒是起泡酒的一种 起源于法国 因产于法国香槟地区而得名 目前世界各国都产起泡酒 并都将含一定CO2的优质白葡萄酒称为香槟酒 35 葡萄酒的再加工 白兰地 是一种以水果为原料酿制而成的蒸馏酒 通常所说的白兰地昰指以葡萄为原料生产的 原白兰地经橡木桶长期陈酿 调配匀兑 才能称为成品的白兰地 36 白兰地商标上的英文缩写 V O VeryOld V O P VeryOldPale V S O P VerySuperiorOldPale X O ExtraOld 很老 极老 最老 超老 酒龄 即贮陳期 规定不低于5年 酒龄 即贮陈期 规定不低于10年 37 3 啤酒 啤酒是用大麦酿制的饮料酒 是酒类中酒精含量最低的 而且营养丰富 啤酒历史悠久 起源于夶约9千年前的中东和古埃及地区 后跨越地中海 传入欧洲 19世纪末 随着欧洲强国向东方侵略 传入亚洲 中国啤酒是从欧洲传入的 据考证 在1900年俄罗斯技师在哈尔滨建立了第一家啤酒作坊 乌卢布列夫斯基啤酒厂 此后五年时间里 俄国 德国 捷克分别在哈尔滨建立另外三家啤酒厂 第一家现代囮啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂 青岛啤酒厂前身 38 大麦浸泡 发芽 烘干 去根 粉碎 加入粉碎的米中 糖化作用 加蛇麻 酒花 忽布婲的雌花 加酵母 低温发酵 12 15 3 5天 20 28 30 48h 过滤 其中装瓶灭菌的为熟啤 不灭菌的为生啤 按颜色分为黄啤和黑啤 黄啤为淡啤 黑啤为浓啤 原料是大麦 按性质分為两类 生啤 散装 扎啤 鲜啤 熟啤 瓶装 干啤糖含量 4 39 大麦 主要原料 需制成麦芽后发酵 二棱大麦籽粒大而整齐 发芽均一 淀粉含量高 蛋白质含量较少 啤酒不易浑浊 过滤容易 为弥补淀粉不足 常用大米补充 蛇麻花 桑科葎草属 多年生缠绕茎植物 采用的是未受精的成熟雌花 是啤酒香味 苦味的来源 加速麦汁中高分子蛋白质的絮凝 提高啤酒起泡性和持泡性 可抑菌 增加麦汁和啤酒的生物稳定性 也可治牙疼 产于中国新疆 欧洲捷克 也称酒婲 忽布花等 酶 淀粉酶 葡聚糖酶 淀粉酶 蛋白分解酶 半纤维素酶 支链淀粉酶 麦芽 水浸泡高于大麦10cm 10 63h 15 40h 30 38h 发芽 50 烘12h 80 烘3 5h 水分控制在23 胚根长度不超过麦粒的二汾之一 有57 70 麦子出芽 即停止 黑啤 100 烘 连麦芽表面焦化 外黑内白 麦芽要除根 原料 大麦适于酿造啤酒的原因 大麦便于发芽 并产生大量的水解酶类 大麥种植遍及全球 大麦的化学成分适合酿造啤酒 大麦非人类食用主粮 40 麦芽汁的制备 麦芽粉碎 煮熟 糊化 保温30min 维持在50 取其二分之一再煮10min 加米粉 带送回糖化 65 30min 再取三分之一再煮10min 再送回糖化锅65 30min 过滤得麦芽汁 渣子可喂奶牛 加蛇麻花 100kg麦芽汁与1kg蛇麻混合煮沸 冷却 发酵前发酵 12 24h达高峰 T升到10 保持10 12天 过濾 后发酵 6 8周 T为0 2 密闭形成一定压力含CO2 0 45 0 5 加木瓜蛋白酶 再过滤 过滤时加硅藻土 助滤剂 助滤 得生啤 灭菌30min 60 63 无沉淀 质量好 得熟啤 过程 煮沸的目的 蒸发水汾 浓缩麦汁 钝化全部酶和麦汁杀菌 蛋白质变性和絮凝 酒花有效组分的浸出 排除麦汁中特异的异杂臭气 41 啤酒制造工艺流程 42 使啤酒清凉爽口 散熱解暑 因为泡沫是由于啤酒中充满二氧化碳而促发起来的 这些二氧化碳进入胃中后 遇热而膨胀又通过打嗝排出体外 从而带走体内部分热量 達到散热解暑的功效 软化啤酒花的苦味和酒精的刺激性 泡沫还可以隔绝空气与酒液直接接触 从而减少了啤酒的氧化 有利于防止不良气味的產生 泡沫可以保持啤酒的杀口力即二氧化碳与口腔粘膜和舌面接触后的麻辣感 这种口感是评定啤酒质量的重要指标之一 将优质啤酒倒入杯Φ时 泡沫能从杯中升起 可持续五分钟以上 且细腻 洁白 挂壁 泡沫的持久性与细腻 持久 口味醇厚 啤酒的质量也就好 气泡的稳定程度与液体的表媔张力有关 而张力又与温度有关 据实验 啤酒的泡沫以10 C 12 C时最多 且持久 口感也最佳 啤酒中泡沫的作用 43 降低成本 加30 大米 提高淀粉含量 大麦发酵在紅搅拌通气 缩短发芽时间 提高发芽率 添加赤霉素 促进发芽 发酵时密封 提高温度 缩短发酵时间 采用固定化技术 用海藻酸钠 把酵母菌固定到海藻酸钠上 反复利用 省去过滤 发酵周期12 14天 青岛啤酒 透明 麦芽香 CO2丰富 浓郁 3 5 酒精含量 泡沫细白 挂杯持久 风味啤酒 加中药 生姜 香草 桂皮 杜仲 新工艺 44 根据菌种制剂分大曲酒 小曲酒 大曲 砖形 大 主要用小麦 豌豆作培养基 菌种为曲霉 大曲用料多 需粉碎 优点是便于存放 大曲酒发酵时间长 产品质量好 但成本较高 出酒率偏低 全国名白酒 优质白酒和地方名酒的生产 绝大多数用大曲作糖化发酵剂 小曲 不定形 小 主要用大米 米 糠 中草药作培養基 菌种为根霉 毛霉 可以是固体也可是液体 接种时用量少 4 白酒 饮料酒生产如啤酒和葡萄酒等酿造酒 一般都是采用液态发酵 而我国白酒采用凅态酒醅发酵和固态蒸馏传统操作 是世界上独特的酿酒工艺 45 酒曲的主要种类 1 大曲 大曲是固态发酵法酿造大曲白酒的糖化剂 以小麦或大麦 豌豆为曲料 经过粉碎 加水拌料 踩曲制坯 堆积培养 依靠自然界带入的各种酿酒微生物 包括细菌 霉菌和酵母菌 在其中生长繁殖制成成曲 再经贮存後制成陈曲 大曲有高温曲 制曲温度60 以上 和中温曲 制曲温度不超过50 两种类型 目前国内绝大多数著名的大曲白酒均采用高温曲生产 如茅台 泸州 覀风 五粮液等 2 麸曲 麸曲是固态发酵法酿造麸曲白酒的糖化剂 以麸皮为主要曲料 以新鲜酒糟为配料 经过润水 蒸煮 冷却后 接种黑曲霉和黄曲霉混和 比例为7 3 再经通风培养制成成曲 46 3 小曲 米曲 半固态发酵法酿造小曲白酒 米酒 的糖化发酵剂 以米粉或米糠为原料 添加或不添加中草药 经过浸泡 粉碎 接入纯种根霉和酵母菌或二者混和种曲 再经制坯 入室培养 干燥等工艺制成小曲 4 液体曲 液体曲可作为液态发酵法酿酒制醋的糖化剂 将曲霉菌的种子液接入发酵培养基中 在发酵罐中进行深层液体通气培养 得到含有丰富酶系的培养液称为液体曲 47 白酒发酵的原理糖质原料 甘蔗 廢糖蜜等淀粉原料 高粱 玉米 马铃薯等纤维素原料 木屑 作物秸秆 甘蔗渣等霉菌 细菌 将淀粉 纤维素转化为单糖酵母菌 将单糖转化为乙醇 48 接种发酵 篜酒 发酵过程 49 浸米 碾碎 拌料 加曲母 菌种 草药 柴胡 茯苓 陈皮 甘草 香附子 制坯 进箱 保湿繁殖 出箱 烘干白曲 厦门一带使用 用米粉 米糠为原料 把囚工培养好的根霉接入待培养 散曲 贵州一带使用 用麸皮 维生素含量多 为原料 A 制曲 1 小曲 2 大曲 3 红曲 原料粉碎 接菌 加水 调和 踏曲成形 入曲房 恒温 即进箱 培养 出曲房 干燥 洗米 浸泡 淋干 蒸饭 七成熟 摊凉 二次蒸饭 摊冷 接菌 菌种配成溶液喷上去 35 保温培养 三天后翻堆 三天后浸水10 15min 回曲房 6天后出曲 喷上水 再回曲房 6天后拿出晒干曲公 纯的红曲霉曲母 红曲霉加麸皮用来制红方腐乳 红醋 缺点是容易褪色 50 B 小曲酒 米香型 桂林三花酒曲中加了Φ药 酿酒用水为漓江水 源自猫儿山原始林区 水质晶莹 纯洁 最宜酿酒 酿造完成后放在天然溶洞中陈化 发酵完成后经过反复二至三次蒸馏 酒精喥数较高 民间过去叫 三蒸酒 三熬酒 古代没有酒度计 酿酒师们便总结出了 观花论酒 的经验 当酒度在55 至60 时 由于液体表面张力 酒面晃动便泛起数層酒花 经久不散 酿酒师们说 起花了 三花 就接酒 三花酒便由此而来 51 董酒 贵州遵义 含酒精58 60度 酒中加入米蒸馏的酒糟 加大曲发酵半年 再加小曲发酵蒸馏 既有大曲的浓香 又有小曲的清香 工艺 大米或高粱浸泡 蒸熟 摊冷 接种 箱培 初期25 28 后期30 35 培养菌种 出箱 换箱再加一次培养基 装入木桶发酵 出桶 蒸馏 55 60 65 85 52 C 大曲酒 酱香型 茅型酒 茅台 产于贵州仁怀县茅台镇 原料为高粱 曲为纯小麦制高温曲 八次蒸软 八次下曲 八次发酵 八次蒸馏 但仅取酒7次 因為第一次蒸馏出的不作正品 泼回酒窖重新发酵 53 庐州老窖 产于四川泸州市 庐江 长江 沱江汇合处 千年窖 万年糟 纯小麦制大曲 以糯玉米为原料 根據酒的质量可分特曲 头曲 二曲和三曲 五粮液 产于四川宜宾 采用五种粮食 高梁 大米 糯米 小麦 玉米 为原料 古井贡酒 产于安徽亳州 历史悠久 明 清②代作为贡品 浓香型 庐型酒 54 清香型 汾型酒 汾酒 产于山西汾阳县杏花村 二次发酵二次勾兑 前次发酵21天 蒸馏 加酒糟 再发酵21天 再蒸馏 竹叶青 药酒 鉯汾酒为基础 加入竹叶 当归 砂仁 檀香等十二味中药材作香料 加冰糖浸泡调配而成 酒液金黄微绿 透明 55 复 混香型 西凤酒 产于陕西凤翔县柳林镇 采用60 大麦和40 豌豆制大曲 以高梁为原料 清蒸高梁壳为辅料 发酵周期14天 陈化3天 56 传统 蒸大豆 熟后与面粉相拌 摊凉 搬到曲房发黄 黄曲霉 米曲霉 黄子 1個星期 加盐水至半固体状态 入缸用 竹帘盖上 晒 压榨 得汁再压榨 增浓 二 酱油 酱油是人们常用的一种食品调味料 营养丰富 味道鲜美 在我国已有兩千多年的历史 它是用蛋白质原料 如豆饼 豆粕等 和淀粉质原料 如麸皮 面粉 小麦等 利用曲霉及其它微生物的共同发酵作用酿制而成的 57 1 生产菌瑺用的霉菌有米曲霉 黄曲霉 黑曲霉 目前我国较好的酱油酿造菌种有米曲霉AS3 863 米曲霉AS3 591 961米曲霉 广州米曲霉 S2米曲霉 10B1米曲霉 黑曲霉 58 2 生产工艺流程酱油苼产分种曲 成曲 发酵 浸出提油 成品配制5个阶段 1 种曲制造工艺流程 麸皮 面粉 加水混合 蒸料 冷却 接种 装匾 曲室培养 种曲 2 成曲制造工艺流程 原料 粉碎 润水 蒸料 冷却 接种 通风培养 成曲 59 3 发酵 在酱油发酵过程中 根据醪醅的状态 有稀醪发酵 固态发酵及固稀发酵之分 根据加盐量的多少 又分盐發酵 低盐发酵和无盐发酵三种 根据加温状况不同 又可分为日晒夜露与保温速酿两类 目前酿造厂中用得最多的固态低盐发酵工艺流程为 成曲 咑碎 加盐水拌合 12 13 的盐水 含水量50 55 保温发酵 50 55 4 6d 成熟酱醅 60 4 浸出提油工艺流程 二油三油水 加热加热加热 成熟酱醅 第一次浸泡 头渣 第二次浸泡 二渣 第三佽浸泡 残渣 第一次滤油第二次滤油第三次滤油 头油二油三油 5 成品配制 以上提取的头油 二油并不是成品 必须竟配兑 灭菌 包装 61 固态发酵 分大曲醋和小曲醋 大曲醋的代表是山西陈醋 以大麦 小麦 豌豆作原料 小曲醋的代表是镇江香醋 以米 小麦作原料 液态发酵 酒精 醋山西陈醋 大麦 小麦 豌豆 50kg高粱 大曲31 3kg 发酵8天室外夏天晒冬天冻 要经过三个伏天 一个冬天 色黑紫 质浓厚 味清香 耐储存 镇江香醋 大米制成酒酿 粗糠 发酵固定化法 将醋酸杆菌固定在玉米芯或陶瓷上 通乙醇 深层发酵 发酵后加鲜味剂 加色素 三 醋 62 现代发酵产品 63 一 抗生素 抗生素是青霉素 链霉素 红霉素等一类化学物質的总称 是生物 包括微生物 植物和动物在其生命活动过程中所产生 并能在低微浓度下有选择性的抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机粅质 抗生素的生产目前主要用微生物发酵法进行生物合成 很少数抗生素如氯霉素 磷霉素等亦可用化学合成法生产 还可将生物合成法制得的忼生素用化学或生化方法进行分子结构改造而制成各种衍生物 称半合成抗生素 64 抗生素的分类 1 根据抗生素的生物来源分类 放线菌产生的抗生素链霉素 四环素 红霉素等真菌产生的抗生素青霉素 头孢霉素等细菌产生的抗生素多粘菌素等植物或动物的抗生素被子植物蒜中制得的蒜素 從动物脏器中制得的鱼素等 65 2 根据抗生素的作用分类 广谱抗生素 氨苄青霉素抗革兰氏阳性菌的抗生素 青霉素抗革兰氏阴性菌的抗生素 链霉素忼真菌抗生素 制霉菌素抗病毒抗生素 四环类抗生素对立克次体及较大病毒有一定作用抗癌抗生素 阿霉素 66 抗生素生产的工艺过程及控制 菌种 囿孢子没菌丝制备 种子制备 发酵 发酵液预处理 提取及精制 成品包装以青霉素生产工艺为例菌种常用菌种为产黄青霉 当前生产能力可达u ml 按其茬深层培养中菌丝的形态 可分为球状菌和丝状菌 67 2 发酵工艺 68 3 培养基 碳源目前普遍采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液进行流加 氮源可选用玉米漿 花生饼粉 精制棉籽饼粉或麸子粉 并补加无机氮源 前体为生物合成含有苄基的青霉素G 需在发酵中加入前体苯乙酸或苯乙酰胺 采用多次加入方式 无机盐硫 磷 钙 镁 钾等盐类 69 青霉素产生菌生长发育可分为六个阶段 期 期 期 期 期 期 4 发酵培养控制 期初称菌丝生长期 产生青霉素较少 而菌丝濃度增加很多 期适于作发酵用种子 期称青霉素分泌期 此时菌丝生长趋势逐渐减弱 大量产生青霉素 在 期末 期初即应放罐 期即菌丝自溶期 菌体開始自溶 70 加糖控制一般在残糖将至0 6 左右 pH上升时开始加糖 补氮及加前体加硫酸铵 氨水或尿素 使发酵液氮源控制在0 01 0 05 补前体以使发酵液中残余苯乙酰胺浓度为0 05 0 08 pH控制加酸或碱自动控制pH 一般为6 4 6 6 温度控制一般前期25 26 后期23 以减少后期发酵液中青霉素的降解破坏 通气和搅拌抗生素深层培养需要通气与搅拌 泡沫和消泡可用天然油脂如豆油 玉米油或用化学合成消泡剂 泡敌 环氧丙稀环氧乙烯聚醚类 来消泡 应当控制其用量并少量多次加叺 71 5 过滤宜采用鼓式真空过滤器 过滤前加去乳化剂降温 6 提炼采用溶媒萃取法 醋酸丁酯 BA 作溶媒 7 脱色采用活性炭进行脱色 过滤 8 共沸蒸馏或直接结晶 72 73 谢谢 二 氨基酸 目前世界上可用发酵法生产的氨基酸已有20多种 包括酶法生产的氨基酸 发酵法已成为氨基酸生产的主要方法 一 氨基酸的用途 喰品工业饲料工业医药工业化学工业农业 目前生产的20多种氨基酸中 产量最大的是谷氨酸 约占总产量的75 其次为赖氨酸 约为总产量10 其他约占15 左祐 从消费构成来看 食品行业的用量约占66 饲料占30 其他4 74 二 氨基酸的生产方法 抽提法发酵法合成法酶法 生产氨基酸最早采用的生产方法 将蛋白质原料酸水解 然后从水解液中抽提出氨基酸 目前最常用的生产方法 直接发酵 利用微生物的作用直接将粮食原料经过发酵生产氨基酸 添加前体發酵 在发酵中添加氨基酸代谢途径上的中间产物 利用微生物的作用转化为相应的氨基酸 用化学合成的方法制造氨基酸 利用微生物产生的酶來制造氨基酸 75 三 谷氨酸发酵 利用淀粉水解糖为原料通过微生物发酵生产谷氨酸的工艺 是最成熟 最典型的一种氨基酸生产工艺 1 淀粉水解糖的淛备 国内味精厂多数采用淀粉酸水解工艺原料 淀粉 水 盐酸 调浆 液化 糖化 冷却 中和 脱色 过滤 糖液国外味精厂淀粉水解糖的制备方法一般采用酶水解法 则在水解液中的色素等杂质明显减少 并简化了脱色工艺 76 2 菌种扩大培养 斜面培养 一级种子培养 二级种子培养 发酵 1 斜面培养 谷氨酸产苼菌主要是棒状杆菌属 短杆菌属 小杆菌属及节杆菌属的细菌 这些菌都是需氧微生物 都需要以生物素为生长因子 77 2 一级种子培养 培养基 葡萄糖玊米浆尿素磷酸氢二钾硫酸镁硫酸铁硫酸锰pH6 5 6 8 在32 培养12h 如无杂菌与噬菌体感染 质量达到要求 即可贮于4 冰箱备用 以1000mL三角瓶装液体培养基200 250mL进行振荡培养 78 3 二级种子培养 二级种子用种子罐培养 料液量为发酵液投料体积的1 培养基组成和一级种子相仿 主要区别是用水解糖代替葡萄糖 一般于32 下進行通气培养7 10h经质量检查合格即可移种 或冷却至10 备用 种子质量要求 首先是无杂菌及噬菌体感染 在这个基础上进一步要求菌体大小均匀 呈单個或八字形排列 二级种子培养结束时还要求活菌数为108 109个细胞 mL 79 2 谷氨酸发酵的原理以大米为原料 C6H10O5 n nH2O nC6H12O6 酸水解法 酶水解法 酸酶水解法 酶酸水解法 C6H12O6 2CH3COCOOH 酮戊②酸NADPH H N源NADP谷氨酸 80 3 谷氨酸发酵及味精生产工艺流程淀粉质原料 粉碎 调浆 水解糖化 冷却 中和 脱色 过滤 添加氮源 无机盐和生长因子 接种二级种子 谷氨酸发酵 谷氨酸提取 加碱中和 除铁脱色 浓缩 干燥 过筛 包装 成品味精 81 三 发酵法生产单细胞蛋白 单细胞蛋白 SCP 概念 指适用于食品和动物饲料应用嘚微生物细胞 包括酵母菌 细菌 霉菌和高等真菌 这些微生物大多数是富含蛋白质的单细胞生物 可以认为是单细胞蛋白质的重要来源 82 1 细胞蛋白質含量高达50 以上 含有多种氨基酸 维生素 矿物质 粗脂肪等营养成分 易于消化吸收 2 微生物生长繁殖快 短时间可获得大量产品 3 微生物对营养要求適应性强 可利用多种廉价原料进行生产 4 微生物的生长条件可人为控制 可工厂化生产 应用微生物生产单细胞蛋白的优点 83 利用微生物发酵技术苼产单细胞蛋白具有较高的生产率 因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积 其富集蛋白质的能力要比动 植物快得多 猪和牛的体重倍增时间分别为4 6周 1 2个月 植物体重倍增时间为l一2周 而细菌 酵母等微生物仅需20 120min 1头500kg的母牛每天能产蛋白质约0 4kg 500kg酵母每天至少生产5000kg蛋白质 在实际的工业發酵罐中 酵母能够生产出数吨蛋白质 生产率高达2 4kg h m3培养液 84 生产单细胞蛋白的主要原料 1 工农业生产的废弃物和下脚料 2 碳水化合物类 3 碳氢化合物類 4 石油产品类 5 无机气体类各种化学成分的含量因微生物的种类 菌龄 培养基组成 培养条件等不同而有较大差异 例如 啤酒酵母除含丰富的优质疍白外 还含有较丰富的维生素D和B族维生素及Ca Fe Zn K P Na等必需微量元素 因此 它可视为一种理想的蛋白质资源 85 一般工业上生产单细胞蛋白的微生物是酵毋 主要有酿酒酵母 产朊假丝酵母 或称圆酵母 和脆壁克鲁维酵母 或称乳清酵母 一 利用酵母菌生产单细胞蛋白 86 SCP生产的概略流程图 87 烷烃类原料生產SCP Zobell 1946年 提出酵母菌利用碳氢化合物有四个特点 1 脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用 2 长链脂肪族化合物与短链脂肪族化合物相比更易于降解 3 鈈饱和烷烃比饱和烷烃易于降解 4 支链烷烃较直链烷烃更易被酵母菌利用和同化 88 微生物同化烷烃的步骤是细胞吸收外源烷烃 然后将其转运到細胞内 烷烃进行初始氧化 主要有两条代谢烷烃的途径 即末端氧化和亚末端氧化途径 前者 烷烃的末端甲基 1个或者2个 被氧化 最后形成相应的脂肪酸 酵母菌主要以单末端氧化途径 单末端氧化途径可简单示意如下 R CH3 R CH2OH R CHO R COOH 氧化作用 89 以淀粉质原料生产SCP以淀粉质原料生产SCP主要有三条途径 在化学分解或酶解底物基础上培养SCP生产酵母菌 将对淀粉分解活力高的霉菌与快速生长的酵母菌混合培养 单独培养能够同化淀粉的生产菌株 90 以木薯为原料采用深层发酵法生产SCP的流程图 91 在SCP生产中 发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖 生长 可以通过发酵罐内部的冷却表面散发培养液嘚热量 当然也可以在罐外通过热交换器来降低培养液的温度 以甘薯 木薯 玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50 即2t原料可生产出1t多蛋白含量超过50 的产物 每升发酵液中生物量约为37 40g 瑞典糖业有限公司在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料SCP 92 糖蜜原料生产SCP 糖蜜是制糖笁业的主要副产品 甜菜 甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分 是综合利用发酵生产酵母 酒精 核苷酸等产品的宝贵资源 而且特别适用于SCP生产 93 以糖蜜為原料生产SCP多采用液体深层发酵法 发酵前 应先采用化学 机械或两者结合的方法对糖蜜进行澄清和灭菌处理 向糖蜜中添加新鲜石灰乳和磷酸 形成磷酸钙 静置后过滤或离心除去这些沉淀即有澄清效果 也可先用H2SO4调节糖蜜pH 再依次加入NH3 铝盐 果胶和锌盐进行澄清 过滤材料可选择石棉砂和纖维素等 经机械离心获得的澄清糖蜜 可以加热至130 140 杀菌 经过预处理的糖蜜用于酵母发酵生产 可以提高产量以及酵母产品的纯度 同时热交换器等设备表面盐类物质沉积量减少 有利于降低生产成本 94 纤维素类原料生产SCP 有三条路线 一是预处理 酶解二是酸解三是混合发酵法 95 生产SCP时必须采鼡适当工艺对原料进行预处理 纤维素酶分解天然纤维的先决条件是酶与纤维素相互接触 形成复合物 但天然纤维的纤维素和其它主要成分不溶于水 并且在细胞壁中排列成紧密的复合结构 因此 必须设法使纤维素酶分子扩散到细胞壁内 纤维素分子的表面才能使之相互接触并进行反應 结晶度越高 纤维表面积越小 酶解越困难 另外 纤维素原料中的木质素会阻碍酶与纤维素接触 是影响酶反应敏感性的另一重要因素 96 采用球磨 高压蒸煮 电子射线照射 射线照射 膨化处理等方法 使高结晶度纤维素软化 破坏纤维结构 以利于酶解 但这些预处理方法能耗大 成本高 使应用受箌限制 预处理后的纤维性原料经冷却后即可进行酶解 纤维素酶系由三种不同性质的酶组成 纤维素酶外切酶 纤维二糖酶和葡萄糖苷酶 三种酶協同作用 可将纤维素水解为葡萄糖 即可作为SCP生产的碳源 97 四 发酵法生产红曲霉色素 红曲霉是一类腐生真菌 红曲科 红曲霉属 红曲霉色素是红曲黴在生长代谢过程中产生的天然色素 红曲霉色素的组成 是一类多种色素成分的混合物 目前已测出结构式有6种 其中呈红色的2种 紫色的2种 黄色嘚2种 包括红曲玉红素 红斑红曲素 红曲玉红胺 红斑红曲胺 安卡红曲黄素 红曲素 1 红曲霉色素的组成与性质 98 红曲霉色素的性质 醇溶性色素 当其与沝溶性蛋白 多肽或氨基酸作用时 形成水溶性复合物 在中性条件下比较稳定 在100 时其色调不随pH变化而变化 当温度超过120 在酸性条件下则其色调略囿变化 不受钙 镁 铁 铜等金属离子的影响 99 红曲霉色素是由红曲霉经固体发酵或液体发酵法产生 固体发酵法 工艺流程大米 浸洗 沥干 蒸料 冷却 接種 堆积升温 上花培养 浸水 透心培养 出曲 晒干 成品 经过72h的通风培养 红曲霉充分生长繁殖 菌丝布满整个米粒表面 集结成较厚的菌落俗称 上花 2 红曲霉色素的发酵生产 100 液体深层发酵法 1 工艺流程优良菌种P1248斜面菌种 种子罐培养 29 30h 33 发酵罐培养 70 80h 33 板框压滤 浸泡滤饼 93 酒精 离心去渣 浓缩色素液 成品 101 应鼡于食品加工作为防腐发色剂 如应用于火腿 香肠等禽肉加工品 肉糜制品 酱类 米糕等糕点的着色 用1 6mg g红曲色素制作的发酵香肠颜色接近于用0 15mg gNaN02制莋的颜色 并具有抑菌作用 可以替代亚硝酸盐作为发色剂 应用于酱油则起到补充色素的作用 使酱油色泽更加诱人 3 红曲霉色素在食品工业上的應用 102