发酵与酿造工艺学

发酵与酿造工艺学杨陵职业技术学院应用生物技术专业第一章绪论•一、发酵与酿造技术的历史•二、发酵与酿造技术特点以及与现代生物技术的关系•三、发酵与酿造技术的研究对象•四、发酵与酿造技术的发展趋势一、发酵与酿造技术的历史•发酵的英文“fermentation”是从拉丁语“ferver”即“发泡”、“翻涌”派生而来的，。人类利用微生物进行食品发酵与酿造已有数千年的历史，发酵现象是自古以来就已被人们发现并掌握的，但由于对发酵与酿造的主角——微生物缺乏认识，发酵与酿造的本质长时间没有被揭示，始终充满神秘色彩。因而在19世纪中叶以前，发酵与酿造业的发展极其缓慢。一、发酵与酿造技术的历史•在微生物的发现上做出重大贡献的是17世纪后叶的列文虎克(Leewehoch)，他用自制的手磨镜，成功地制成了世界上第一台显微镜，在人类历史上第一次通过显微镜用肉眼发现了单细胞生命体——微生物。由于当时“自然发生说”盛极一时，他的发现并没有受到应有的重视。一、发酵与酿造技术的历史•直到19世纪中叶，巴斯德(Pasteur)经过长期而细致的研究之后，才有说服力地宣告发酵是微生物作用的结果。•巴斯德在巴斯德瓶中加入肉汁，发现在加热情况下不发酵，不加热则产生发酵现象，并详细观察了发酵液中许许多微小生命的生长情况等，由此他得出结论：发酵是由微生物进行的一种化学变化。巴斯德认识到这些不同类型的发酵，是由形态上可以区别的各种特定的微生物所引起的。一、发酵与酿造技术的历史•其后不久，科赫(Koch)建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用这些技术研究炭疽病时，发现动物的传染病是由特定的细菌引起的。从而得知，微生物也和高等植物一样，可以根据它们的种属关系明确地加以区分，从此以后，各种微生物纯培养技术获得成功。单种微生物分离和纯培养技术的建立，是食品发酵与酿造技术发展的一个转折点。一、发酵与酿造技术的历史•布赫纳(Buchner)阐明了微生物的化学反应本质。为了把酵母提取液用于医学，他用石英砂磨碎酵母菌细胞制成酵母汁，并加入大量砂糖防腐，结果意外地发现酵母汁也有发酵现象，任何生物都具有引起发酵的物质——酶，从此以后，人们用生物细胞的磨碎物研究种种反应，从而促成了当代生物化学的诞生，也将生物化学和微生物学彼此沟通起来，大大扩展了发酵与酿造的范围，丰富了发酵与酿造的产品。一、发酵与酿造技术的历史•20世纪40年代，借助于抗生素工业的兴起，建立了通风搅拌培养技术。成功建立起深层通气培养法和一整套培养工艺，包括向发酵罐中通入大量无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等，使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、培养物的供给都受到严格的控制。这些技术极大地促进了发酵与酿造工业，各种有机酸、酶制剂、维生素、激素都可以借助于好气性发酵进行大规模生产。因而，好气性发酵工程技术成为发酵与酿造技术发展的第二个转折点。一、发酵与酿造技术的历史•一种新技术——人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的诞生。人们以动态生物学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制的条件下培养，有选择地大量生产人们所需要的物质。这一新技术首先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其他产品得到应用。可以说，人工诱变育种和代射控制发酵工程技术是发酵与酿造技术发展的第三个转折点。一、发酵与酿造技术的历史•生产厂家既想利用化学合成法降低生产成本，又想使产品拥有较高的质量，于是就采用化学合成结合微生物发酵的方法。如生产某些有机酸，先采用化学合成法合成其前体物质，然后用微生物转化法得到最终产品。这样，将化学合成与微生物发酵有机地结合起来的工程技术就建立起来了，这形成了发酵与酿造技术发展的第四个转折点。一、发酵与酿造技术的历史•细胞融合技术，得到了许多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通过常规发酵得到了许多新有用物质。•基因工程技术，可以在体外重组生物细胞的基因，并克隆到微生物细胞中去构成工程菌，利用工程菌生产原来微生物不能生产的产物，如胰岛素、干扰素等，使微生物的发酵产品大大增加。一、发酵与酿造技术的历史•酶工程——很多产品还采用一步酶法转化法，即仅仅利用微生物生产的酶进行单一的化学反应。例如，果葡糖桨的生产，就是利用葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖的。•发酵设备——生物反应器也不再是传统意义上的钢铁设备，昆虫的躯体、动物细胞的乳腺、植物细胞的根茎果实都可以看作是一种生物反应器。一、发酵与酿造技术的历史•可以说，发酵和酿造技术已经不再是单纯的微生物发酵，已扩展到植物和动物细胞领域，包括天然微生物、人工重组工程菌、动植物细胞等生物细胞的培养。随着转基因动植物的问世，因此，随着基因工程、细胞工程、酶工程和生化工程的发展，传统的发酵与酿造工业已经被赋予崭新内容，现代发酵与酿造已开辟了一片崭新领域。二、发酵与酿造技术特点以及与现代生物技术的关系•(一)发酵与酿造的特点•(二)发酵与酿造和现代生物技术的关系(一)发酵与酿造的特点•发酵对微生物学家来说，微生物进行的一切活动都可以称为发酵；而对生物化学家来说，发酵仅仅是指厌氧条件下有机化合物进行不彻底的分解代谢释放能量的过程。(一)发酵与酿造的特点•成分单一、风味要求不高的产品，如酒精、柠檬酸、谷氨酸、单细胞蛋白等的生产称为发酵。•酿造则是我国人们对一些特定产品进行发酵生产的一种叫法，通常把成分复杂、风味要求较高诸如黄酒、白酒、啤酒、葡萄酒等酒类以及酱油、酱、食醋、腐乳、豆豉、酱腌菜等副食佐餐调味品的生产称为酿造。(一)发酵与酿造的特点•1.安全简单•2.原料广泛•3.反应专一•4.代谢多样•5.易受污染•6.菌种选育1.安全简单•发酵与酿造过程绝大数是在常温压下进行的，生产过程安全，所需的生产条件比较简单。2.原料广泛•发酵与酿造通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品主原料，添加少量营养因子，就可以进行反应了。目前，发酵与酿造的原料范围已大大扩展，矿产资源和石油产品都可以作为发酵与酿造的原料，甚至生产中的废水、废料都可以作为发酵与酿造的原料。3.反应专一•食品发酵与酿造过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应专一性强。因而，可以得到较为单一的代谢产物，避免不利或有害副产物混杂其中。4.代谢多样•由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样化，以及生物体化学反应的高度选择性，即使是极其复杂的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代谢产物。因而，发酵与酿造适应的范围非常广。5.易受污染•由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物都很容易生长，发酵与酿造过程要严格控制杂菌污染，有许多产品必须在密闭条件下进行发酵，在接种前设备和培养基必须灭菌，反应过程中所需空气或流加营养物必须保持无菌状态。发酵过程避免杂菌污染是发酵成功的关键。6.菌种选育•发酵与酿造最重要的因素是菌种，通过各种菌种选育手段得到高产的优良菌种，是能否创造显著经济效益的关键。另外，生产过程中菌种会不断地变异，因此，自始至终都要进行菌种的选育和优化工作，以保持菌种的基本特征和优良性状。(二)发酵与酿造和现代生物技术的关系•现代生物技术即应用生物体(微生物、动物细胞、植物细胞)或其组成部分(细胞器、酶)，在最适合条件下，生产有价值的产物，或进行有益过程的技术。它是一门涉及分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、化学、物理学、工程学的多学科、综合性的科学技术。生物技术是靠基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大技术体系支撑起来的。这五大技术体系的关系见图1-1。(二)发酵与酿造和现代生物技术的关系•现代发酵技术已超越了微生物工程的范畴。由此可见，发酵工程(包括酶工程)与细胞工程、基因工程谁也离不开谁，发酵工程（包括酶工程）需要基因工程、细胞工程为他提供最良好的生物细胞（或酶），而基因工程、细胞工程得到的最良好的细胞(或酶)必须要经过发酵工程(包括酶工程)才能实现其价值。(二)发酵与酿造和现代生物技术的关系•若采用的生物催化剂是酶、休止细胞、死细胞或固定化细胞，则反应系统比较简单，只需考虑温度、PH等容易控制的条件。若采用的是生物活细胞，则要为该细胞提供最优生长、最优形成产物的可控系统和环境，使温度、pH、通气、搅拌、罐压、溶解氧、二氧化碳含量等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使该生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。这就充分反映出生化工程是发酵工程转化为生产力必不可少的重要环节。三、发酵与酿造技术的研究对象•(一)按产业部门来分•(二)按产品性质来分(一)按产业部门来分•(1)酿酒工业(黄酒、啤酒、白酒、葡萄等)；•(2)传统酿造工业(酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、酸乳等)；•(3)有机酸发酵工业(柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等)；•(4)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)；•(5)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)；(一)按产业部门来分•(6)功能性食品生产工业(低聚糖、真菌多糖、红曲等)；•(7)食品添加剂生产工业(黄原胶、海藻糖等)；•(8)菌体制造工业(单细胞蛋白、酵母等)；•(9)维生素发酵工业(维生素B2、维生素B12等)；•(10)核苷酸发酵工业(ATP、IMP、GMP等)。(二)按产品性质来分•1.生物代谢产物发酵•2.酶制剂发酵•3.生物转化发酵•4.菌体制造1.生物代谢产物发酵•生物细胞将外界物质吸收到体内，一面进行分解代谢(异化作用)，一面又利用分解代谢中间代谢产物及能量去合成(同化作用)体内所需成分，这一过程称为新陈代谢。在代谢过程中，生物体进行着复杂的生物合成，获得了许多重要的代谢产物。以生物体代谢产物为产品的发酵与酿造工业是该工业中数量很多、产量最大、也是最重要的部分，产品包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。2.酶制剂发酵•利用发酵法制备和生产并提取微生物产生的各种酶，已是当今发酵工业的重要组成部分。工业用酶大多来自于微生物发酵生产的酶，如：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、转化酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶，碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶，果胶酶，脂肪酶，凝乳酶，过氧化氢酶，青霉素酰化酶，胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基酰化酶等。•利用微生物生产的胞内酶或胞外酶加以分离提取得到的酶制剂。现在已有很多酶制剂被加工成固定化酶，使酶制剂行业前进一大步。3.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但具有更大经济价值化合物的生化反应。•可进行的转化反应包括脱氢、氧化、脱水、缩合、脱羧、羟化、氨化、脱氨、异构化等，4.菌体制造•这是以获得具有特定用途的生物细胞为目的产品的一种发酵，包括单细胞蛋白，藻类，食用菌和人、畜防治疾病用的疫苗，生物杀虫剂等的生产。细胞物质发酵生产的特点是细胞的生长与产物积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，刚进入生长稳定期时细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。四、发酵与酿造技术的发展趋势•(一)利用基因工程技术，人工选育和改良菌种•(二)结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养•(三)应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业四、发酵与酿造技术的发展趋势•(四)重视生化工程在发酵与酿造业的应用•(五)发酵法生产单细胞蛋白•(六)加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品(一)利用基因工程技术，人工选育和改良菌种•基因工程是一种将目的基因从DNA上切割下来(或人工合成)，在体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导等手段将重组的基因组导入受体细胞，使后者获得复制该基因的能力，从而达到定向改变菌种遗传特性或创造新菌种的目的。这种带有目的基因的受体细胞，具有我们所希望的新的遗传性能和生产性能，这是常规育种方法无法做到的。(二)结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养•细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的阶段。借助于微生物细胞培养的先进技术，大量培养动植物细胞的技术日臻完善，有很多已经进行大规模生产。•动植物细胞有产生很多微生物