南农发酵食品学第二章发酵的生化历程及工艺调控

第二章发酵食品形成的生化历程及工艺调控主要内容第一节发酵食品生产的基本要素第二节发酵食品生产的一般工艺第三节发酵食品品质形成的生化历程第一节发酵食品生产的基本要素决定了发酵产品的形态和性质农产品:淀粉、糖蜜、豆、奶、肉等，因其原料养分的多样性和复杂性，微生物可有选择地利用。生物资源的改造和更新:利用一些农副产品的残渣作为发酵原料,如作物秸杆。一、原料（发酵基质）常用原料：植物原料（以植物蛋白为主）：产品主要为调味品植物原料（以碳水化合物为主）：产品主要为酒精、有机酸等）。动物原料：以蛋白质为主，风味物质主要为氨基酸、脂肪酸等。常用辅料：谷壳、中草药、食盐等（膨松通气、富集微生物、功能性、风味、防腐）一、原料（发酵基质）是发酵的动力。在发酵过程的各个阶段，由霉菌、酵母菌、细菌等在合适的生长及产酶条件下产生并积累大量的酶，使得即使在发酵过程中微生物菌体死亡，仍可由其积累的酶作用于合适的底物而产生所需的代谢产物。二、发酵微生物（发酵剂）二、发酵微生物（发酵剂）谷类葡萄糖等酒精产香白酒糖化酶酒化酶醋己酸菌醋酸菌霉菌酵母细菌微生物菌种以发酵剂形态用于规模化生产中发酵剂(starter)：用人工筛选、适合发酵食品应用（发酵特性、安全性评价）的微生物经逐级扩培制备的人工培养物(cultures)，活细胞数量高，菌种活力强。常用的食品级菌种：发酵大豆制品（霉菌、细菌）、泡菜（乳酸菌）、肉类（乳酸菌、细菌、酵母）中国的曲是最常见的霉菌型发酵剂，乳酸菌是最常见、也是最常用的细菌发酵剂，在许多发酵食品如酸奶、干酪、酸泡菜、葡萄酒、香肠和火腿的生产中，乳酸菌的作用都是必不可少的。二、发酵微生物（发酵剂）继代式发酵剂（107-108cfu/ml）：不能直接用于生产，菌种经母发酵剂、中间发酵剂、生产发酵剂的扩培后方可用于生产。特点是制作过程比较复杂、无菌要求高，另外还存在菌种使用时间短、保存传代困难、容易污染问题。直投式发酵剂（1010cfu/ml以上）：菌种经大规模高密度培养后收集菌体，选用合适的保护剂，采用真空冷冻干燥或热风干燥技术制成的活细胞浓度高、活力强、可直接用于发酵生产的发酵剂。其特点是简化了生产工艺，省去了菌种车间，避免了各厂家微生物技术力量不足而造成的菌种质量不佳的问题。二、发酵微生物（发酵剂）传统直投式发酵剂：中国的酒药、大曲等二、发酵微生物（发酵剂）现代直投式发酵剂：酸奶、泡菜、发酵肉等系列LAB发酵剂。葡萄酒的降酸用乳酸菌。肉类发酵剂（以侗族酸肉为例）继代式发酵剂（目前凝固型酸奶生产）关于发酵剂的发展二、发酵微生物（发酵剂）发酵各阶段优势菌的分离鉴定风味物质和微生物的关系制备不同阶段使用的直投式发酵剂生产新式产品（周期短，质量稳定，便于调控）决定了微生物作用的方向，也决定了产物的形成。环境条件包括：固态发酵：原料配比及预处理、气体环境、Aw、RH、pH、热传递与控温等。液态发酵：发酵液浓度（基质浓度变化）、溶氧、pH、T、发泡与消泡、无菌检查、发酵终点判断等。三、环境条件（发酵条件）通常通过控制环境来控制发酵的进程和方向条件控制：谷物糖化产生G醋酸酒精发酵通气厌气通气霉菌酵母醋酸菌值得注意的是：对于许多微生物来说，合适的生长条件并非一定是其最佳的产酶和酶作用条件。因此，通常将制种和发酵分开进行，以各取所需。例：种曲和发酵条件控制：三者是互动共存的关系。不同的原料在一定的菌种和适宜的环境条件下才能得到所需的目的产物。四、三要素之间的关系葡萄汁酵母菌生长良好厌氧有氧酒精醋酸品质劣变酒精发酵旺盛不同的微生物需不同的环境条件，不同的条件又决定了不同的优势菌，同样，一种原料在不同的条件下也会由不同的微生物实现转化。喷洒孢子悬浮液豆腐坯菌丝体覆盖、纯白色或酒孢子粉若水分控制不好，高汗身（细菌成为优势菌）四、三要素之间的关系第二节、发酵食品生产的一般工艺按发酵基质的物理性质分：固态发酵（SSF，SolidStateFermentation）是指在没有或几乎没有游离水的不流动基质上培养微生物的过程，此基质称为“醅”。液态发酵（LSF，LiquidStateFermentation或LiquidSubmergeFermentation）基质是流动状态，称为发酵“液”。半固态发酵（Semi---SSF）发酵基质是流动状态，原料颗粒悬浮于液体中。基质呈流动状态，称为“醪”一、发酵工艺的类型在现代发酵工业中，往往把固态发酵、半固态发酵称为传统发酵工业（酿造），而把液态发酵称为现代发酵工业（液态深层发酵），适合大规模生产及现代化调控。一、发酵工艺的类型按参与发酵的微生物种类分：单菌发酵（MonocultureFermentation）只有一种微生物对产品的形成是必需的，如：beer,Natto,TemPeh,抗生素，柠檬酸发酵等。西方多为之，对于霉菌较为恐惧，多用细菌。混菌发酵（PolycultureFermentation）指采用两种或两种以上的已知或未知的微生物进行的发酵。已知：酸奶等。未知：酒曲等。一、发酵工艺的类型其它分类法：按原料：糖类发酵、蛋白质发酵、石油发酵。按产品分（工业上常用）：氨基酸发酵、有机酸发酵、核苷酸发酵、酒精发酵、维生素发酵、抗生素发酵等。按对氧气需求：厌氧发酵、需氧发酵。按发酵工艺分：分批式、连续式、流加式。一、发酵工艺的类型按发酵操作的分类分批发酵：在灭菌后的培养基中接入生产菌，而后不再向发酵液加入或移出任何物质（需氧微生物则需加氧）的培养方式。连续发酵：是一个开放系统，通过连续流加新鲜培养基并以同样的流量连续地排放出发酵液，可使微生物细胞群体保持稳定的生长环境和生长状态，并以发酵中的各个变量多能达到恒定值而区别于瞬变状态的分批发酵。分批补料（流加）发酵：介于前两者之间，在分批发酵的前提下，连续地或按一定规律地向系统内补入营养物，补的可以是单一营养物也可是多种营养物，到一定时候，便进行排料但并不排完，留1/3至2/3，然后再补料，重复上述操作。发酵尽管有固、液及其它类型之分，但其原理、机理是相同的。在总体的工艺上也都涉及三个主要要素的处理。俗称“发酵三条路”：1、菌种2、空气3、培养基二、发酵的一般工艺（培养基）菌种原料↓(大众化、廉价、质量稳定)纯化、复壮↓↓预处理斜面↓（同一批多转几支，一罐一支，防止退化）配料、调浆（淀粉）↓↓三角瓶种子蒸料（糊化、消毒）↓↓种曲←空气冷却↓制曲←空气↓发酵←空气↓压榨等后处理↓包装影响培养基灭菌的因素：温度、时间：温度低点，可在培养基中加入甲醛或过氧化氢，因加入可达灭菌目的，在加热时可挥发掉不影响微生物生长。高温时，可大量缩短时间。pH值：中性pH条件下微生物较耐热，但在酸或碱性条件下易灭菌。越酸，时间短。油脂、糖类，蛋白等生物大分子：会增加微生物耐热性（生物大分子对微生物的保护作用），将微生物包起来，含量越多，死亡速率越慢，高盐可加快微生物死亡，削弱微生物耐热性。泡沫：越多越耐热培养基颗粒大小：颗粒越小，微生物越易杀死发酵食品是以微生物代谢产物为产品的发酵，其根本是原料在一特定的微生物和合适的条件下转化为产品的过程。这一过程可分为三个阶段。第三节发酵食品形成的一般生化历程原料降解阶段：淀粉、Pro、Fat、果胶、半纤维素、木质素及其它物质的降解产物转化阶段：醇类、有机酸、AA、脂肪酸、其它物质的形成产物再平衡：原料第一阶段第二阶段第三阶段发酵食品形成的一般生化历程酯类等风味物质的形成生化特征：大分子物质降解成小分子物质以利于微生物细胞膜的选择吸收，原料开始液化、糖化。（如味精厂淀粉入水加酶作用）动力：霉菌、细菌或酶制剂作用：为进一步发酵（如酵母菌）提供基质主要物质变化：第一阶段：原料降解阶段（1）淀粉的水解：淀粉：D—Glu以α—1，4—糖苷键连接而成。易水解、与水共热裂解；与无机酸共热彻底水解为D—Glu。分为直链淀粉（卷曲螺旋结构，每个螺旋间含6个Glu残基）和支链淀粉（α—1，6—糖苷键形成分支）。主要物质变化淀粉酶：α—淀粉酶：液化型，也称淀粉—1，4—糊精酶。产物为糊精β—淀粉酶：也称淀粉—1，4—麦芽糖苷酶。产物为麦芽糖γ—淀粉酶：也称淀粉—1，4—、—1，6—葡萄糖苷酶，或葡萄糖淀粉酶。异淀粉酶：淀粉—1，6—糊精酶，分解支链中的a-1，6-糖苷键磷酸脂酶：极强液化力，产生葡萄糖和磷酸淀粉的水解淀粉的糊化：淀粉在适当温度（60-80℃）下在水中溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的过程，又称淀粉的α化。糊化本质：淀粉中有序及无序（晶质与非晶质）态的淀粉分子之间氢键断开，分散在水中成为胶体溶液。淀粉的老化：淀粉溶液经缓慢冷却或淀粉凝胶经长期放置，变得不透明或沉淀。温度：2℃-4℃易老化，90℃以上或-20℃以下不易水分：含水量30%-90%间淀粉易老化，10%以下不易结构：直链易老化，支链不易老化，聚合度高的易老化老化本质：α化的淀粉分子又自动排列成序，形成致密、高度晶化的不溶性的淀粉分子胶束可视为糊化的逆转，但不是彻底复原，仍为生淀粉（β—）的结构状态，但晶化程度比生淀粉低。淀粉水解历程：注：糊精化程度低的称为可溶性淀粉，碘检时仍呈蓝色淀粉（深蓝）单糖糊精（蓝）无色糊精寡糖（多苷链的片段）（低于6个残基）淀粉的水解（2）蛋白质的降解蛋白质的结构及作用力：一级——肽键（或酰胺键）二级——α-螺旋，β-折叠，氢键、碱基堆积力三级——空间结构、盐键、二硫键、氢键、范德华力四级——亚基组合第一阶段：原料降解阶段蛋白酶：外肽酶：分为羧肽酶、氨肽酶，切下氨基酸内肽酶：从链内部切，生成多个多肽或小肽酸性蛋白酶：适于在低pH（酸性）下作用中性蛋白酶：适于在中性条件下作用碱性蛋白酶：适于在高pH（碱性）下作用蛋白质的降解蛋白质水解历程：蛋白质胨寡肽氨基酸蛋白酶（内肽酶）蛋白酶（内肽酶）蛋白酶（外肽酶）（3）纤维素的降解纤维素酶纤维素葡萄糖半纤维素酶半纤维素葡萄糖第一阶段：原料降解阶段（4）果胶和木质素的降解果胶酯酶、果胶水解酶、果胶裂解酶果胶单体、二聚体、三聚体酚氧化酶、漆酶、过氧化物酶木质素香气成分前体（如：愈创木酚）植物性原料用于发酵，果胶、木质素需先水解成糖，才能将纤维素和其它内部成分暴露出来第一阶段：原料降解阶段（5）类脂化合物第一阶段：原料降解阶段脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡类、油类脂肪酸甘油芳香气味脂肪酶β-氧化生化特征：小分子降解产物转化为目的产物，如有机酸、醇等。主要途径：乳酸发酵、酒精发酵、醋酸发酵第二阶段：目的产物转化阶段生化特征：发酵产物间相互作用，产生风味物质，形成特有风味体系（可理解为酿造食品的“陈酿”）典型反应:酯化反应作用：降低了醇和酸的浓度，增加酯香，风味醇和第三阶段：产物再平衡阶段微生物：细菌如：老窖酒的生产陈酿中形成：丙酸菌→丙酸乙酯→芝麻香酯酸乙酯→香蕉味、弱苹果味、味淡丁酯酸乙酯→甜菠萝香、量大则臭；微麻、微酸已酯酸乙酯→窖府香、凤梨香、微辣食品的发酵历程是原料中的无机物、有机物、以及为生物复合体代谢的动态表现，其中微生物的演替过程为：第一阶段：原料处理后，由于温度、RH适宜，料醅表面的微生物迅速繁殖，经一段时间竞争后各类生理类群的微生物按一定比例定居下来。二、发酵食品形成过程中微生物菌群演替第二阶段：代谢产物开始积累，原料分解，使基质条件发生变化（酸、醇），微生物区系改变，原来定居下来的微生物类群数量下降，代之而起的是一群高度特异性的微生物（对一定产物有特殊耐受性）。如：酿酒的酵母菌，酿醋的醋酸菌等。二、发酵食品形成过程中微生物菌群演替第三阶段：高度特异的微生物经长时间较量（对产物及环境的耐受），最适于环境的微生物的代谢产物又抑制了其他的微生物的生长，最终取得优势。结束阶段：代谢产物抑制了自身的生长，菌体自溶，发酵终止——均是人为划分的理论阶段，实际过程中交错同时进行。二、发酵食品形成过程中微生物菌群演替思考题发酵食品的三大要素发酵的工艺的分类