1第一章食品发酵工艺学(课件)

教材：何国庆主编《食品发酵与酿造工艺学》中国轻工出版社2000.9使用教材说明：《食品发酵与酿造工艺学》是农业部“九五”规划教材和教育部“面向21世纪课程教材”。它主要包含菌种选育、保藏与复壮、微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用、发酵与酿造工程学基础、酒精发酵与酿酒、氨基酸与核酸发酵、有机酸发酵、发酵豆制品和微生物性功能食品与食品添加剂等内容。食品发酵工艺学第一章绪论一、什么是发酵、酿造？二、发酵技术的微生物技术发展史三、发酵工业的工程技术发展史四、发酵食品的渊源及其文化内涵五、发酵与酿造的研究对象六、食品发酵与酿造的特点七、食品发酵与酿造与现代生物技术的关系八、发酵与酿造工程中常用技术九、食品发酵与酿造发展趋势及研究热点发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即“翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来；因为发酵有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、欧洲的beer就以起泡现象作为判断发酵进程的标志。根据以往的观念，人们通常把食品发酵作为整个发酵工业的分支。一、什么是发酵、酿造广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。1、发酵及发酵工业2、酿造(brewing)和酿造工业酿造(brewing)：我国人们对对一些特定产品发酵生产的特殊称法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。酿造工业：经自然培养、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。1665年罗伯特·虎克（RobertHooke）1676年列文虎克（Leewenhoch）1856-1857年巴斯德(Pasteur)1870年巴斯德(Pasteur)1880年科赫（RobertKoch）1897年，Buchner（布赫纳）1928年，Fleming(弗莱明)1940年，Florery(弗洛里)andChain(钱恩)1945年，抗生素工业二、发酵工业的微生物技术发展史1.微生物形态学发展阶段1665年，英国科学家罗伯特·虎克用他的显微镜观察到的软木片的细胞结构罗伯特·虎克（RobertHooke,1635～1703）列文虎克（Leewenhoch,1632-1723）荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片创造了一架能放大266倍的原始显微镜一生制作了419台显微镜；发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。AnthnoyvanLeeuwenhoek与他的显微镜Leeuwenhoek1684年寄给皇家协会信的部分内容2.微生物生理学发展阶段生理学发展阶段代表人物和重要事：细菌学（巴斯德、科赫）外科消毒术(Lister，1865）和乳酸菌的分离根瘤菌等土壤微生物的研究（M·W贝，C·H维）无酵母菌压汁酶功能的发现（E.Buchner,1897)化学药剂和抗生素发现和临床应用（1909-1935）酿造技术日趋完美巴斯德的功绩：彻底否定了自然发生说证实发酵由微生物引起免疫学—预防接种发明巴氏消毒法巴斯德的曲颈瓶实验曲颈瓶试验装置巴斯德发现免疫现象几星期后42-43oC下培养的老龄炭疽菌获免疫力37oC下培养的新鲜炭疽菌结论1.发酵是由微生物进行的一种化学变化，不同类型的发酵是由形态可以区别的各种特殊的微生物所引起的。2.1870年，Pasteur发现了微生物之间有相互抑制的作用。即拮抗作用。3.其间1804年，法国厨师阿卑特（Appert）发明了瓶装罐头）发明培养基并用其纯化微生物等一系列研究方法的创立证实炭疽病因—炭疽杆菌发现结核病原菌—结核杆菌科赫法则结论1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和琼脂平板（1882）显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术。利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源菌（炭疽、结核、链球、）1884年提出了科赫法则（Koch’sostulates）：病原微生物存在于病体而非健康体；可纯培养；纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。奠基人巴斯德·路易斯(1822-1895)微生物奠基人Koch,robert(1843-1910)细菌学奠基人(JosephLister,1827~1912)首创用石炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以防术后感染，为防腐、消毒，以及无菌操作奠定了基础。1878年，李斯特分离乳酸链球菌时用注射器和酒杯培养装置Buchner（布赫纳）1897年，Buchner（布赫纳）阐明了发酵的化学本质。即发酵是由酶引起的一类化学反应。实验：酵母菌细胞用石英砂磨碎制成酵母汁（应用于医学）+白砂糖（防腐）意外发现发酵这是无生物细胞体系发酵的最初例子。Fleming1928年，Fleming发现了青霉素，开创了好气性发酵工程，建立了通风搅拌技术。弗莱明(1881～1995)英国细菌学家1928年，Fleming将其命名为：青霉素霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象产黄青霉菌落细菌生长抑制区域正常细菌生长区域---抗生素的发现1940年，Florery(弗洛里)andChain(钱恩)：碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大……..等相继发现。1984年达9000多种。1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）FloreryandChainJ.D.Waston,H.F.C.Crick发现DNA双螺旋模型3.分子生物学发展阶段（成熟期）Watson和Crick1956年，Watson和Crick发现DNA双螺旋结构，为微生物遗传学及育种技术的研究带来极大发展。分子生物学发展阶段（成熟期）特点微生物学成为十分热门的前沿基础学科微生物成为生物学研究中的最主要对象生物工程中，发酵工程是最成熟的应用技术氨基酸生产菌种1956年，日本的士下祝郎利用发酵法制造出了Glu。至今22种氨基酸用发酵法生产，其中18种直接发酵，4种用酶转化法生产。第一个转折点——微生物纯种分离培养技术建立自然发酵时期：知其然而不知其所以然，如厌气性——酒类，好气性——醋。微生物纯种分离培养技术，开创了人为控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。三、发酵工业的工程技术发展史20世纪40年代，由于二战暴发，刺激了抗生素发酵工业的兴起，成功建立起深层通气培养法及整套工艺，包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接种、通氧量、pH、培养物供给等均已解决，刺激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模生产。第二个转折点——通气搅拌的好氧发酵工程技术建立（深层液态发酵）以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。第三个转折点——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、Ph、罐压、溶O2、Eh、空气流量、泡沫、CO2含量等均可自动记录和控制。（在线测试探头等）——发酵与酿造技术的第四个转折点第四个转折点——发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立针对单纯发酵法的缺陷，利用发酵法生产前体，用化学合成法得到终产品或反之。如Amyno法生产酱油。——发酵与酿造技术的第五个转折点第五个转折点——微生物生物合成和化学反应合成相结合工程技术的建立DNA重组技术大大推动了发酵与酿造技术的发展细胞融合技术：基因体外重组与克隆的工程菌株构建生物反应器：反应罐等设备、昆虫躯体、动物细胞乳腺、植物细胞的根茎果实。DNA重组技术发酵是一门古老而又现代的技术，结合了神秘的传统、古老的文化和变化无穷的生物技术。文化底蕴深厚、产品形态多种多样、技术手段推陈出新、理论研究和技术创新永无止境。四、发酵食品的渊源及其文化内涵最早的发酵产品据记载起源与5000BC。据记载最早的发酵食品应是酒类，通常认为是wine,因为大自然中具备了野生果类和酵母菌，条件适宜情况下即行发酵。在神话传说中亦有猿猴酿酒之说。由于自然界中资源的多样性（F、M），便有了多种多样的发酵食品。4000BC——Beer，至古埃及即出现了麦芽糖化。5000~6000BC——wine、黄酒、白酒、Cheese4000BC——Beer，至古埃及即出现了麦芽糖化。(酱油、调味品)白酒：农业社会粮食节余，生霉、发酵、蒸馏而得古老：古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿造阶段。即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。现代：尽管如此，食品发酵与酿造仍然有许多难以解决的实际问题，例如许多工程方面的研究经验还不足，还没有归纳为系统的理论，许多产品的发酵过程中的问题尚难以解决，很多问题有待研究探讨。丝状真菌的发酵（霉菌、放线菌）：由于没有完善的理论指导，因而还没有满意的设计和放大方法，而霉菌、放线菌又是发酵工业中占重要地位的菌类。连续发酵的理论虽然研究很多，但许多生产实际问题仍然未能解决，由于菌种的突变、微生物的复杂性和多样性以及试验工艺条件的不稳定性和局限性等问题，除了酵母、啤酒、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖酸的发酵和活性淀粉的处理采用连续发酵外，大规模生产上极少采用。难以解决的实际问题关于酒曲，“千年酒窖万年糟”之说，引起了国内外研究者的浓厚兴趣。与许多民族文化融为一体。英国的Whisky荷兰的Cheese俄国的黑面包（大脸面包）德国的啤酒中国的白酒日本的清酒法国的香槟文化内涵：中国的酒文化，出现了各时代以酒为载体的诗词歌赋“借酒吟诗”、“以诗言志”。陶渊明的诗几乎诗诗有酒——《桃花源记》李白1050首诗中170首——借酒诗狂杜甫1400余首诗中300余首——借酒消愁欧阳修的《醉翁亭记》——“醉翁”（琅琊山）工艺方面：踩曲边踏边唱、《红高粱》、日本的酒曲听音乐即“陈化”等文化内涵：1、按产业部门来分：酿酒工业传统酿造工业有机酸发酵工业酶制剂发酵工业：淀粉酶中95%以上为霉菌、细菌淀粉酶氨基酸发酵工业功能性食品生产工业：低聚糖、真菌多糖、红曲等食品添加剂生产工业：黄原胶、海藻糖菌体制造工业：单细胞蛋白、酵母等维生素发酵工业：Vc、VB2、VB12核苷酸发酵工业：ATP、IMP、GMP五、发酵与酿造的研究对象2、按产品性质来分：代谢产物发酵：产品包括初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物。1、初级代谢产物：微生物生长不同阶段产生不同的代谢产物，对数生长期形成的产物往往是细胞自身生长所必需的，如氨基酸、核苷酸、蛋白质、脂类、糖类等。2、次级代谢产物：微生物细胞生长进入稳定期，有些微生物合成的在对数生长期不能合成的、对细胞代谢没有明显意义但具有明显优势的化合物。酶制剂发酵：1894年，日本高峰(Takanin)利用霉菌→高峰淀粉E（胞内或胞外）→E分离提取→E制剂→固定化酶（中国的曲酒可以看成是复合酶制剂的生产）。生物转化发酵：生物转化是指利用生物细胞中的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似