微生物在食品发酵工业的应用

第十三章微生物在食品发酵工业的应用一、食品制造中的主要细菌及其作用二、食品制造中的酵母及其应用三、食品制造中的霉菌及其应用四、食品制造中的主要微生物酶制剂及其应用第十三章一、食品制造中的主要细菌及其作用微生物用于食品制造是人类利用微生物的最早、最重要的一个方面，在我国已有数千年的历史。在食品工业中，可利用细菌制造出许多食品，如乳酸饮料、味精及种类繁多的调味品等。（一）食醋食醋按加工方法可分为合成醋、酿造醋、再制醋三大类。其中产量最大且与我们关系最为密切的是酿造醋，它是利用粮食等淀粉质为原料，经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。酿造微生物：（1）淀粉液化、糖化微生物使淀粉液化、糖化的微生物很多，而适合酿醋的主要是曲霉菌。（2）酒精发酵微生物生产上一般采用囊菌亚门酵母属中的酵母，但不同的酵母菌株，其发酵能力也不同，产生的滋味和香气也不同。（3）醋酸发酵微生物醋酸菌是醋酸发酵的主要菌种。（二）发酵乳制品发酵乳制品是指良好的原料乳经过杀菌作用接种特定的微生物进行发酵作用，产生具有特殊风味的食品，称为发酵乳制品。常用发酵乳制品有酸奶、奶酪、酸奶油、马奶酒等。发酵乳制品主要包括酸奶和奶酪两大类，生产菌种主要是乳酸菌，分为球菌和杆菌两种。（三）氨基酸发酵氨基酸是组成蛋白质的基本成分，其中有八种氨基酸是人体不能合成但又必需的氨基酸，称为必需氨基酸，人体只有通过食物来获得。在食品工业中，氨基酸可作为调味料；在食品中添加某些氨基酸可提高其营养价值等等。自从20世纪60年代以来，微生物直接用糖类发酵生产谷氨酸获得成功，并投入工业化生产。生成的氨基酸使用的菌株谷氨酸谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌或黄色短杆菌、北京棒杆菌或钝齿棒杆菌缬氨酸北京棒杆菌、乳糖发酵短杆菌DL-丙氨酸凝结芽孢杆菌脯氨酸链形寇氏杆菌、黄色短杆菌赖氨酸黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、谷氨酸棒杆菌部分氨基酸及其生产所用菌株生成的氨基酸使用的菌株亮氨酸黄色短杆菌酪氨酸氨酸棒杆菌苏氨酸大肠杆菌、大肠杆菌W鸟氨酸谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌部分氨基酸及其生产所用菌株生成的氨基酸使用的菌株（1）谷氨酸生产菌主要使用的菌株是谷氨酸棒杆菌，除此之外，还有发酵乳糖短杆菌、黄色短杆菌。（2）生产原料有淀粉质原料：玉米、小麦、甘薯、大米等。其中甘薯和淀粉最为常用；糖蜜原料：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜；氮原料：尿素或氨水；谷氨酸的发酵（四）黄原胶黄原胶别名汗生胶，又称黄单胞多糖，是国际上20世纪70年代发展起来的新型发酵产品。它是由甘蓝黑腐病黄单胞细菌以碳水化合物为主要原料，经通风发酵、分离提纯后得到的一种微生物高分子酸性胞外杂多糖。其作为新型优良的天然食品添加剂用途越来越广泛，可代替多种胶体。二、食品制造中的酵母及其应用（一）面包面包是以面粉为主要原料，以酵母菌、糖、油脂和鸡蛋为辅料生产的发酵食品。酵母菌种：面包酵母是一种单细胞生物，属真菌类。面包酵母有圆形、椭圆形等多种形态。以椭圆形的用于生产较好。酵母为兼性厌氧微生物，在有氧及无氧条件下都可以进行发酵。酵母是生产面包必不可少的生物松软剂（二）酿酒我国是一个酒类生产大国，也是一个酒文化文明古国，在应用酵母菌酿酒的领域里，有着举足轻重的地位。1、啤酒啤酒是以优质大麦芽为主要原料，大米、酒花等为辅料，经过制麦、糖化、啤酒酵母发酵等工序酿制而成的一种含有CO2、低酒精浓度和多种营养成分的饮料酒。啤酒的发酵温度：30ºC左右7ºC左右0ºC2、葡萄酒葡萄酒是有新鲜葡萄或葡萄汁通过酵母的发酵作用而制成的一种低酒精含量的饮料。葡萄酒质量的好坏和葡萄品种及酒母有着密切的关系。葡萄酒发酵的温度：37.8ºC葡萄酒酵母在分类上为子囊菌纲的酵母属，啤酒酵母种。葡萄酒酵母繁殖主要是无性繁殖，以单端（顶端）出芽繁殖。（三）酵母细胞的综合利用酵母细胞中含有蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机盐等，其中蛋白质的含量非常丰富，因此它具有较高的营养价值，是良好的蛋白质资源，可作为食用和饲用。微生物生长繁殖迅速,其生长条件完全受人工控制,而且由于微生物对营养物质适应性强,可以利用农副产废弃物、糖蜜、谷氨酸发酵废液，稻草、稻壳、玉米秸、酿造、食品厂的废渣、废液、木屑、纸浆废液等进行生产都可以作为培养酵母的材料，以达到综合利用的目的。当然作为食用还需要解决一些适口性问题。霉菌在食品加工工业中用途十分广泛，许多酿造发酵食品、食品原料的制造，都是在霉菌的参与下生产加工出来的。绝大多数霉菌能把加工所用原料中的淀粉、糖类等碳水化合物、蛋白质等含氮化合物及其他种类的化合物进行转化，制造出多种多样的食品、调味品及食品添加剂。不过，在许多食品制造中，除了利用霉菌以外，还要由细菌、酵母的共同作用下来完成。在食品酿造业中，常常以淀粉质为主要原料，只有将淀粉转化为糖才能被酵母菌及细菌利用。三、食品制造中的霉菌及其应用（一）生产用霉菌菌种淀粉的糖化、蛋白质的水解均是通过霉菌产生的淀粉酶和蛋白质水解酶进行的。通常情况是先进行霉菌培养制曲。淀粉、蛋白质原料经过蒸煮糊化加入种曲，在一定温度下培养，曲中由霉菌产生的各种酶起作用，将淀粉、蛋白质分解成糖、氨基酸等水解产物。在生产中利用霉菌作为糖化菌种很多：根霉属中常用的有日本根霉、米根霉、华根霉等；曲霉菌属中常用的有黑曲霉、宇佐美曲霉、米曲霉、泡盛曲霉等；毛霉属中常用的有鲁氏毛霉；还有红曲属中的一些种也是较好的糖化剂，如紫红曲霉、安氏红曲霉等；（二）酱类酱类包括大豆酱、蚕豆酱、面酱、豆瓣酱、豆豉及其加工制品，都是由一些粮食和油料作物为主要原料，利用以米曲霉为主微生物经发酵酿造制成的。用于酱类生产的霉菌主要是米曲霉，生产上常用的有沪酿3.042、黄曲霉Cr-1菌株、黑曲霉等。所用的曲霉具有较强的蛋白酶、淀粉酶及纤维素酶的活力，它们把原料中的蛋白质分解为氨基酸，淀粉变为糖类，在其他微生物的共同作用下生成醇、酸、酯等，形成酱类特有的风味。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2000多年的历史了。它是用蛋白质原料和淀粉质原料，利用曲霉及其他微生物的共同发酵作用酿造而成的。酱油生产中常用的霉菌有米曲霉、黄曲霉和黑曲霉等，应用于酱油生产的曲霉菌株应符合如下条件：不产黄曲霉毒素；蛋白酶、淀粉酶活力高，有谷氨酰胺酶活力；生长速度快、培养条件粗放、抗杂菌能力强；不产生异味，制曲酿造的酱制品风味好；酱油生产霉菌：酱油生产上常用的米曲霉菌株有：AS3.951；UE328、UE336；AS3.863；渝3.811等。生产中常常是由两菌种以上复合使用，以提高原料蛋白质及碳水化合物的利用率，提高成品中还原糖、氨基酸、色素以及香味物质的水平。除曲霉外，还有酵母菌、乳酸菌参与发酵，它们对酱油香味的形成也起着十分重要的作用。（三）柠檬酸o柠檬酸分子式为C6H8O7，外观为白色颗粒状或白色结晶粉末，无臭，具有令人愉快的强烈的酸味，相对密度为1.6550。o柠檬酸易溶于水、酒精，不溶于醚、酯、氯仿等有机溶剂。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸和一水柠檬酸。它天然存在于果实中，其中以柑橘、菠萝、柠檬、无花果等含量较高。o柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。早期的柠檬酸生产是以柠檬、柑橘等天然果实为原料加工而成的。柠檬酸1、柠檬酸在食品中的应用（1）饮料与冰激凌柠檬酸广泛用于配制各种水果型的饮料以及软饮料。（2）果酱与酿造酒柠檬酸在果酱与果冻中同样可以增进风味，并使产品抗氧化作用。当葡萄或其他酿酒原料成熟过度而酸度不足时，可以用柠檬素调节，防止所酿造的酒口味单薄。（3）腌制品各种肉类和蔬菜在腌制加工时，加入或涂上柠檬酸可以改善风味，除腥去臭，抗氧化。（4）罐头制品加入柠檬酸除了调酸作用之外，还有螯合金属离子的作用，保护其中的抗坏血酸，使之不被金属离子破坏。（5）豆制品及调味品用含有柠檬酸的水浸渍大豆，可以脱腥并便于后续加工。（6）其他柠檬酸在医药、化学等其他工业中也有一定的作用。2、柠檬酸发酵微生物（1）黑曲霉的形态特征在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分支。是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成1层或2层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。（2）柠檬酸发酵机制关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。糖经糖酵解途径（EMP途径），形成丙酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸。（3）柠檬酸发酵用原料柠檬酸发酵的原料有糖质原料、淀粉质原料和正烷烃类原料3大类。（四）苹果酸L-苹果酸广泛存在于生物中，是生物体三羧酸循环的成员。苹果酸广泛应用于食品领域。因为苹果酸具有比柠檬酸柔和的酸味，滞留时间长和口味更好的优点，所以作为食品酸味剂更为理想。许多微生物都能产生苹果酸，但能在培养液中积累苹果酸并适合于工业生产的，目前仅限于少数几种，大致有：用于一步发酵法的黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；用于两步发酵法的华根霉、无根根霉、短乳杆菌、膜睽比赤酵母；用于酶转化法的短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。以糖类为发酵原料，用霉菌直接发酵生产L-苹果酸的方法称为一步发酵法。一步发酵法采用黄曲霉A-114生产苹果酸。两步发酵法是以糖类为原料，先由根菌霉发酵生成延胡索酸和苹果酸的混合物，然后接入酵母或细菌，将混合物中的延胡索酸转化为苹果酸。四、食品制造中的主要微生物酶制剂及其应用酶是一种生物催化剂,催化效率高、反应条件温和和专一性强等特点已经日益受到人们的重视，应用也越来越广泛。生物界中已发现有多种生物酶，在生产中广泛应用的仅有淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等十几种。利用微生物生产生物酶制剂要比从植物瓜果、种子、动物组织中获得更容易。因为：A、动植物来源有限，且受节气、气候和地域的限制；B、而微生物不仅不受这些因素的影响，而且种类繁多、生长速度快、加工提纯容易、加工成本相对比较低，充分显示了微生物生产酶制剂的优越性。现在除少数几种酶仍从动、植物中提取外，绝大部分是用微生物来生产的。（一）主要酶制剂、用途及产酶微生物酶制剂可以由细菌、酵母菌、霉菌、放线菌等微生物生产。酶用途来源耐高温-淀粉酶水解淀粉制造葡萄糖、麦芽糖、糊精细菌、霉菌糖化酶水解淀粉成葡萄糖细菌、霉菌普鲁兰酶水解淀粉成直链低聚糖细菌、霉菌蛋白酶软化肌肉纤维、啤酒果酒澄清、动植物蛋白质水解营养液细菌、霉菌脂肪酶用于制造干酪和奶油，增进食品香味，大豆脱腥等酵母、霉菌纤维素酶用于大米、大豆、玉米脱皮，淀粉制造霉菌半纤维素酶用于大米、大豆、玉米脱皮，提高果汁澄清度霉菌果胶酶用于柑橘脱囊衣，饮料、果酒澄清等霉菌、细菌酶用途来源葡萄糖异构酶菌可使葡萄糖转化为果糖细菌、放线菌蔗糖酶制造转化糖，防止高浓度糖浆中蔗糖析出，防止果糖发沙酵母橙皮苷酶防止柑橘罐头的白色沉淀霉菌乳糖酶乳糖缺乏的乳品制造，防止乳制品中乳糖析出酵母、霉菌单宁酶食品脱涩霉菌花色素酶防止水果制品变色，白葡萄酒脱去红色霉菌凝乳酶乳液凝固剂霉菌胺氧化酶胺类脱臭酵母、细菌葡萄糖化酶用于蛋白质脱葡萄糖以防止食品褐变，食品除氧防腐霉菌（二）微生物酶制剂生产1、菌种的选择能用于酶发酵生产的细胞必须具备如下条件：（1）产酶细胞具有高产的特性（2）产酶细胞容易培养和管理（3）产酶稳定性好（4）产酶细胞本身及其他杂质易于和酶分离（5）使用的细胞及其代谢物安全无毒2、产酶培养酶的发酵生产是以获得大量所需的酶为目的。为此，除了选择性能优良的产酶细胞以外，还必须满足细胞生长、繁殖和发酵产酶的各种工艺条件，并根据发酵过程的变化进行优化控制。（1）固体培养法（2）液体培养法（3）产酶条件的控制控制营养和培养条件是最基本也是最重要的途径。培养基：碳源、氮源、无机盐、生长因素培养条件：pH值、温度、通气和搅拌、种龄3、分离提纯微生物酶的提取方法，因酶的结合状态与稳定性的不同，应用部门对产品的纯度要求不同，而有一定的区别。（1）盐析法（2）有机溶剂沉淀法（3）吸附法4、酶制剂化和稳定化处理浓缩的酶液可制成液体或固体