第四章发酵工程在食品工业中应用

第四章发酵工程在食品工业中应用第一节发酵工程的概述一、发酵工程的概念二、发酵工程的四个阶段三、发酵工程的研究内容四、发酵工程有关设备与技术一、发酵工程的概念•发酵工程也称微生物工程，是指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需要的产品的技术，它主要包括菌种选育、微生物代谢产物的发酵和分离纯化等环节，同时也包括微生物生理功能的工业化利用等。二、发酵工程的发展历史（一）天然发酵时期人类利用微生物的代谢产物作为食品和药品，已有几千年的历史。如先民用蘖制造饴糖，用散曲中的黄曲霉制造酱和酿醋，用盐水制作泡菜等等。在这一时期，人们还没有对微生物有深入的研究，并不知道微生物与发酵的关系，很难人为控制发酵过程。生产也只能凭经验，所以被称为天然发酵时期。（二）纯培养技术的建立时期1680年，荷兰人列文虎克发明显微镜后，人类用显微镜观察到了微生物。生物学家巴斯德用巴氏瓶证明了发酵是由微生物引起的。之后，德国人柯赫发明了固体培养基，建立了微生物的纯培养技术，第一次分离得到了微生物纯种。由此人类开始人为地控制发酵过程。二、发酵工程的发展历史（三）深层培养技术的建立时期随着发酵技术的不断提高，人们发现对于发酵的不同时期，改变发酵条件可以改变代谢工艺和提高发酵效率。20世纪40年代，弗莱明发现了青霉素，由于需求量的不断增大，开始采用深层发酵法大量生产。该法使用用液体深层发酵罐从底部送入无菌空气并由搅拌浆使之分散成微小气泡以促进氧的溶解。这种由罐底部通气搅拌的培养方法称为深层培养法。（四）微生物工程时期1953年，美国的Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，为基因工程的理论和实际应用奠定了基础。70年代，基因重组技术、细胞融合等生物工程技术的飞速发展，为人类定向培育微生物开辟了新途径，微生物工程应运而生。通过DNA的重组或细胞工程手段，能按照人类的设计创造出具有新能够的“工程菌”和超级菌，然后通过发酵生产出目的产品。传统的发酵技术，与现代生物工程中的基因工程、细胞工程、蛋白质工程和酶工程等相结合，使发酵工业进入到微生物工程的阶段。微生物工程，是大规模发酵生产工艺的总称。三、发酵工程的研究内容（一）菌种的选育（二）培养基的配制（三）种子扩大培养（四）发酵条件的控制（五）发酵产物的分离提纯（一）菌种的选育要通过发酵工程获得令人满意的产品，首先要有优良的菌种。最初，人们是从自然界寻找所需要的菌种，工作量极大，且不能完全满足工业上大规模生产的需要。随后，人类开始用人工诱变的方法，从突变菌株中筛选出符合要求的优良菌种。这一方法已在氨基酸、核苷酸、某些抗生素等的菌株筛选中获得成功。随着生物技术的发展，现在生物学家开始用细胞工程、基因工程等方法，构建工程细胞或工程菌，再用它们进行发酵，不但可以提高产品的产量和品质，还能针对性地生产出人们需要生产的产品。（二）培养基的配制确定菌种之后，就要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。由于培养基的组成对菌种、工艺和经济等方面有影响，因此，培养基的配方要经过反复的试验并综合考虑之后才能确定适宜的培养基。（三）种子扩大培养在大规模的发酵生产中，菌种要达到一定数量才能够满足接种的需要。种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种，接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。这些纯种培养物称为种子。发酵产物的产量与成品的质量，与菌种性能以及种子的制备情况密切相关。（四）发酵条件的控制在发酵过程中，菌株的生长和产物代谢与细胞所处的环境息息相关。因此，除了取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，还要及时添加必需的培养基组分，严格控制温度、pH、溶氧、通气量与搅拌速度等发酵条件。随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，才能保持发酵的正常进行。（五）发酵产物的分离提纯应用发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身，如酵母菌和细菌等。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果产品是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。目前分离提纯是整个发酵生产中成本最高的一部分，开发出高效经济的分离提纯技术对降低成本至关重要。四、发酵工程有关设备与技术（一）生物反应器（二）微生物发酵技术（三）发酵工程控制技术（四）下游处理技术（一）生物反应器生物反应器是完成生物催化反应的核心设备。微生物在培养及产生代谢产物的生产过程中，需要对其提供合适的条件，才能保证细胞能更快更好地生长，得到更多的生物量或代谢产物。这些条件包括：温度、pH、溶氧量、水分、适宜的营养物质的浓度、细胞与营养物合适的混合强度等等。生物反应器就是提供并可控制这些条件的一类装置。目前常用的生物反应器主要包括以下几种类型：（1）搅拌釜生物反应器气体经加压喷雾进入培养基，搅拌器的搅拌使气泡分散于培养基中，并可延长气泡在生物反应器中停留的时间。（2）气泡柱式生物反应器气体由反应器底部高压泵入，利用气泡上升的动力带动生物反应器中的液体搅动，使反应液混合均匀。（3）气升式生物反应器适合于培养需要高密度或粘稠度较大培养基的微生物，与气泡柱式生物反应器相比，其混合程度更均匀，气泡更分散。（二）微生物发酵技术微生物发酵技术是指各种微生物技术在发酵工程中的应用。微生物发酵技术在食品、医药、农业等领域被越来越多地运用。微生物发酵技术具有如此的特点：（1）反应耗能少，反应条件温和，通常在常温常压下进行；（2）能有效利用工业废水、生产辅料等作为发酵原料，有利于生产的综合利用；（3）产物专一，副反应少，污染小；（4）对于复杂化合物的发酵生产具有高度选择性。（三）发酵工程控制技术在发酵过程中，为了对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数（如：温度、压力、转速、发酵液粘度、pH等）进行检测和控制。发酵工程控制技术就是将计算机、传感器等现代监测手段运用于发酵工程之中，实现对发酵过程中实时数据的监控。如：发酵温度控制，可通过温度探头或电信转换进行检测。同样，可通过自动控制向发酵罐的夹套或蛇形管中通入冷水、热水或蒸汽；可用复膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧浓度并加以控制；可通过溶氧探头及其控制元件调节搅拌转速或通气速率来控制溶氧量等。（四）下游处理技术发酵液的下游处理工艺一般包括发酵液的预处理、过滤、提取、精制、成品加工等步骤。微生物发酵液是复杂的多相系统，培养液中杂质含量很高，如微生物细胞碎片、残留的培养基等等。在微生物工程产品的生产过程中，获得发酵产物后还有一个重要的生产环节：分离和纯化。为了得到纯度较高的产品就需要采取一些分离纯化技术对发酵液进行处理，如絮凝、离心、过滤、膜分离、萃取、层析等操作。膜分离技术是一种重要的分离手段。该技术是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧压力差的作用下，使原料中的某一组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的。膜分离技术在常温下进行，特别适用于对热敏性物质的处理，能够防止食品品质的恶化和营养成分及香味物质的损失；食品的色泽变化小，能保持食品的自然状态。五、发酵工程在食品工业中的应用（1）生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等，并在不断改进发酵技术的同时，使产品的产量和质量得到明显的提高。（2）生产各种各样的食品添加剂，改善了食品的品质及色、香、味。例如，由红发夫酵母发酵后分离、提取制得的虾青素，它有极强的抗氧化性能，具有抑制肿瘤、增强免疫力等保健功能。（3）生产可食用的蛋白质，粮食短缺已成为严重的社会问题之一，而发酵工程的发展将为根本解决这一问题开辟新的途径。例如，用酵母菌等生产的单细胞蛋白可作为食品添加剂，甚至制成“人造肉”供人们直接食用。单细胞蛋白用作饲料，还能使家畜、家禽增重快，产奶或产蛋量显著提高。第二节发酵工程在食品工业中运用一、发酵法生产单细胞蛋白二、发酵工程法生产微藻三、发酵法生产新型食品胶四、发酵法生产食用色素五、发酵法生产有机酸一、发酵法生产单细胞蛋白（一）SCP的生产菌种和原料（二）SCP的发酵生产（三）SCP的分离和纯化（四）高活性干酵母的生产实例（一）SCP的生产菌种和原料1.生产SCP的菌种2.SCP生产的原料1.生产SCP的菌种用于生产单细胞蛋白的微生物种类很多，包括细菌、藻类、酵母菌、丝状真菌等。在单细胞蛋白中，酵母SCP与丝状类菌、细菌、藻类等微生物蛋白相比，产品质量更具竞争力。酵母蛋白质含量丰富、氨基酸种类齐全、且含丰富的B族维生素、微量元素、酶、碳水化合物，是一种营养价值高且能替代鱼粉的优质蛋白。因此，多以酵母为生产菌株，它们中的一些菌株除能利用己糖外，还可以利用甲基、戊糖、有机酸等。酿酒酵母、假丝酵母、红酵母等许多种属的酵母菌都是良好的单细胞蛋白的生产菌种。2.SCP生产的原料用于单细胞蛋白生产的原料来源有：有机工业废水，城市废弃物，农畜牧业废弃物等等，这些废弃物中含有大量残余的淀粉、糖、纤维素水解物等营养物质。利用这些废物进行SCP蛋白生产，不仅可获得优质的蛋白质，还可以减轻环境污染的压力。目前工业中常用于生产酵母SCP的原料主要有：糖蜜、纤维素水解物、淀粉、工业生产的发酵废液。（二）SCP的发酵生产大多数SCP生产过程是在无菌条件下进行的，生产过程中不能有杂菌污染，尤其是人体病原菌的污染。在工业生产中由于设备投资大，操作费用高，为获得最优的经济效益，尽量采用连续培养技术进行生产。SCP的生产可综合利用淀粉厂、豆制品厂、味精生产厂等工业生产废水。但是对于不同来源的工业废水，原料处理的方式有所不同。用酵母作为菌种生产SCP，则所用的工业废水需先经过淀粉水解，然后加入一定比例的营养盐，灭菌后配制成培养基。酵母的培养有种子的扩大培养和发酵两个阶段，前者的培养基一般采用麦芽汁，而后者则需采用上述的原料，培养基接种前要进行空消和实消。在发酵过程中需液体深层通气，一般的发酵条件为：pH为4.0～4.5，温度为26℃～30℃，发酵时间为13～15h。发酵结束后及早将酵母从培养基中分离出来。（三）SCP的分离和纯化如发酵后不及时分离，则可使酵母菌发生自溶，不仅影响产量，也影响产品质量，一般最好在１h内就要进行分离。SCP的发酵产品为菌体本身，分离工艺比较简单，只需过滤就可以得到菌体。经第一次过滤，酵母菌体上还会带有培养基中的物质，需用冷水洗涤，再过滤。得到的酵母浓缩物，以30℃的热风干燥，并制成块状或粒状。（四）高活性干酵母的生产实例1.高活性干酵母的生产2.高活性干酵母的应用1.高活性干酵母的生产（1）发酵液预处理发酵培养液可以使用淀粉厂、豆制品厂、味精厂等的工业生产废水。这些富含养分的生产废液先经过水稀释、澄清除渣、高压蒸汽灭菌等预处理后备用。（2）菌种的扩大培养这一步直接关系到发酵产品的质量，并且这个阶段接种量少，培养时间长，因此对杂菌的控制要求较高。用于扩大培养的种子罐要采用全封闭的发酵罐，培养基和空罐都要严格灭菌，通入发酵罐的空气是无菌空气。待培养至一定量的酵母后，可作为种子接入发酵罐的培养基中。（3）接种发酵接种后，严格监控温度、酸碱度及培养基的流加量等影响因素。（4）分离洗涤将发酵醪进行固液分离，然后反复洗涤酵母中的夹带废液直至为白色液体，可放低温下贮存，也直接干燥成产品。（5）干燥采用真空转鼓吸滤机除水，干燥器热风干燥成含水量约为4%～4.5%的干酵母。由于干燥温度低，速度快，因此成品酵母活性高，损失少。2.高活性干酵母的应用在食品行业中，高活性干酵母作为优质的生物膨松剂和发酵剂被广泛用于糕点，面包，苏打饼干等食品的加工。高活性干酵母的作用时间短、方便、发酵力强，发酵后不需要用碱中和。在酿酒行业中，高活性干酵母被用于酒精和白酒的生产，用高活性干酵母制酒，提高了发酵的安全性和稳定性，并且节约能耗，提高了出酒率。二、发酵工程法生产微藻（一）螺旋藻的生产（二）小球藻的生产（一）螺旋藻的生产1.螺旋藻的形态、分类及生态2.螺旋藻的化学组成、营养和性质3.螺旋藻的培养工艺4.培养螺旋藻的影响因素5.螺旋藻的采收和干燥工艺1.螺旋藻的形态、分类及生态