002 第二章 食品酿造历程的微生物生化机制

第二章食品酿造历程的微生物生化机制一、食品酿造历程概况•在我们进行一系列发酵食品的生产工艺研究中，发现各种产品在生产工艺上都存在着某些共同点，比如在原料的选择、加工、制曲、发酵、后处理等方面都有相似之处，其过程图如下:酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1、大分子降解阶段•这一阶段在工业上称液化阶段。原料中固有的酶和微生物产生的酶同时水解有机质。•当原料润水开始，它自身激活的酶便水解有机质。另外，物料本身就是一种选择性培养基，通过微生物的生长繁殖及其代谢活动造成原料的逐步降解。•参予的微生物大致可分为淀粉分解菌、蛋白质分解菌、果胶分解菌、纤维素分解菌和脂肪分解菌等。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味2、代谢产物形成阶段在原料降解的同时产生各种各样的代谢产物，为了叙述方便将它称为第二阶段:代谢产物形成阶段。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味3、产物再平衡•产物的横向相互作用。从表面上理解似乎主要是指发酵食品的陈酿阶段或称后发酵阶段，其实不然，从原料的粉碎、浸泡等预处理直至产品端到餐桌上来这一漫长的过程中，产物的再平衡就一直没有停止过。在整个工艺过程中除一部分被彻底氧化为CO2、H2O和矿物质外，还有其他大部分物质彼此之间有着错综复杂的，往复交替的一系列物理化学变化。在这个古老的发酵过程中有着许许多多人们目前还说不清楚的问题。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1、大分子物质的降解1.1淀粉的降解二、食品酿造历程三个阶段详解酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味淀粉由二种葡聚糖组成，即直链淀粉和支链淀粉。大多数淀粉含20-39％的直链淀粉，新玉米品种含直链淀粉可达50-80％；普通淀粉粒含70-80％支链淀粉，而糯玉米或糯粟含支链淀粉近100％。此外，糯米、糯稻米和糯高梁等谷物中支链淀粉的含量也很高。1.1.1淀粉的结构酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味直链淀粉的结构•直链淀粉是由葡萄糖以α－1,4糖苷键缩合而成的，直链淀粉在水溶液中并不是线型分子，而是由分子内的氢键作用使之卷曲成螺旋状，每个环转含有6个葡萄糖残基。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味支链淀粉的结构•支链淀粉也是由葡萄糖组成的，但葡萄糖的连接方式与直链淀粉有所不同，是“树枝”状支叉结构(如图2.4)OHCH2OHHOHHHOHHOHOHOHHHOHCH2OHHOHOHHOHHHOHCH2OHHOHOOnHOHHHOHCH2OHHOHOHOHCH2OHHHOHHOHCH2OHHOHHHOHHOHO酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1.1.2淀粉的水解、糊化、老化淀粉在无机酸或酶的作用下，会发生水解反应，分别称之为酸水解法和酶水解法。（1）淀粉的酸水解法（略）淀粉的水解酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味（2）淀粉的酶水解法•酶水解在工业上称为酶糖化。淀粉颗粒的晶体结构抗酶作用力强，因此，淀粉酶不能直接作用于淀粉，需事先加热淀粉乳，破坏其晶体结构使其糊化。淀粉水解应用的淀粉酶主要为:α-淀粉酶(液化酶)、β-淀粉酶(转化酶)和葡萄糖淀粉酶。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味（1）淀粉的糊化定义：未受损伤的淀粉颗粒不溶于冷水，但能可逆地吸收水和轻微地溶胀，随着温度升高，淀粉分子振动剧烈，造成氢键断裂，断裂的氢键与较多的水分子结合。由于水分子的穿透以及更多的与更长的淀粉链段的分离，增加了结构的无序性和减少了结晶区域的数目和大小，溶液呈糊状。淀粉的糊化酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味（2）糊化温度：淀粉粒溶胀、内部结构破坏的温度范围，称为糊化温度。糊化通常发生在一个狭窄的温度范围，较大的颗粒先糊化，较小的颗粒后糊化。（3）糊化程度的监测：通常用偏振光显微镜测定淀粉粒悬浮液中完全糊化的淀粉粒数量来表示；淀粉糊化程度与温度的关系是用旋转粘度计连续观察。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味（4）影响淀粉的糊化的因素：糊化程度不仅取决于温度，还与共存的其它组分的种类和数量，如糖、蛋白质、脂类、有机酸以及水等物质有关。•温度：温度越高，糊化程度越大。•水分活度：水分活度低，糊化将不能发生或糊化程度非常有限，因为与水能强烈结合的食品成分和淀粉竞争与水的结合而推迟了淀粉的糊化。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•高浓度糖降低了淀粉糊化的程度；脂类如甘油三酯等，能与直链淀粉形成复合物，推迟颗粒的溶胀。•酸、盐对淀粉肿胀或糊化影响很小，但在低pH值时，淀粉水解，产生了非增稠性糊精而变稀，故糊化使用交联淀粉。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•直链淀粉与支链淀粉的含量也影响糊化温度。•直链淀粉在冷水中不易溶解和分散，在淀粉粒完全溶胀时，直链淀粉才从淀粉粒中渗出分散在溶液中，形成粘稠的悬浮液.•直链淀粉含量越高，淀粉越难以糊化，糊化温度越高；相反，一些淀粉仅含有支链淀粉，这些淀粉一般产生清糊，并不会有老化现象，淀粉糊相当稳定。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1)定义：淀粉老化通常是表示淀粉由增溶或分散态向不溶的微晶态的不可逆转变，即大多是直链淀粉分子的重新定位。老化淀粉不易为淀粉酶作用。2）淀粉老化过程：糊化后的淀粉分子在低温下又自动排列成序，相邻分子间的氢键又逐步恢复形成致密、高度晶化的淀粉分子微末。淀粉老化酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味3）影响淀粉老化的因素：低温(特别在0℃附近)、中性pH、高浓度淀粉和无表面活性剂存在的情况下，老化趋势增强。老化程度还取决于淀粉分子的分子量(链长或聚合度)和淀粉的来源，不同淀粉老化趋势按以下顺序增强，即马铃薯玉米小麦。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1.1.3产生淀粉酶的主要微生物细菌淀粉酶:如枯草杆菌(a-淀粉酶)、嗜热脂肪芽抱杆菌(a-淀粉酶)霉菌淀粉酶:如米曲霉（a-淀粉酶)、黑曲霉（a-淀粉酶)有些酵母在一定条件下能形成少量淀粉酶：如淀粉酶酵母。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1.2蛋白质的降解•蛋白质的水解是在酶的催化下，使蛋白质中肽键断裂，最后生成氨基酸的生化过程。•蛋白质对食品的质地、色、香、味等方面起着重要的作用。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味食品功能性质饮料汤沙司不同pH下的溶解度，热稳定性，粘度，乳化性质，水保留性烧烤食品（面包、蛋糕等）的面团形成形成基质和具有粘弹性的薄膜粘合性，热变性，胶凝性，水的吸附，乳化作用，发泡性，褐变。乳制品（干酪、冰淇淋等）乳化作用，脂肪保留性，粘度，发泡性，胶凝作用，凝结作用。肉制品（香肠等）乳化作用，胶凝作用，内聚力，水和脂肪的吸附与保留肉的替代物（组织化蛋白）水和脂肪的吸附与保持，不溶性，硬度，嘴嚼性，内聚力，热变性食品涂膜内聚力，粘附性糖果制品（巧克力等）分散性，乳化性质鸡蛋代用品发泡性，胶凝作用各种食品中蛋白质的功能酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味食品中氨基酸的作用•营养作用：动物生长发育所必须。食物蛋白质的营养价值高低决定于所含必需氨基酸的种类和数量以及各种氨基酸的比例与人体蛋白质的接近程度。•调味作用：谷氨酸钠为鲜味剂，色氨酸和甘氨酸为甜味剂，赖氨酸为营养增强剂等•风味前提物质之一：氨基酸与糖发生的反应是食品加工过程中产生香气和上色的重要反应，在反应过程中，消耗了一部分氨基酸和糖，产生风味物质和类黑精。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味食品中氨基酸的作用•风味前体：有些化合物本身没有风味，但是在一定条件下可转化为风味化合物，这些化合物称为风味前体。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1.3木质素的降解•木质素的代谢产物和某些重要的芳香物质的成分形成有关。但是否与大多数名特发酵食品发酵周期之间有某种关系尚不得而知。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•木质素的分解一般是非常慢的，木质素分解的生化途径还不很清楚。但用纯木质素作材料进行分解时培养液出现大量简单的芳香化合物，常出现的有香草酸、对-羟基苯甲酸、对-羟基肉桂酸、阿魏酸、4-羟基-3-甲氧基苯丙酮酸、香草醛、松柏酸、愈创木酚、甘油等。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•上述物质大都在名特食品中曾经检出过或是某些香气成分的前体物质(如酒类及酱油等)。产品中这些芳香物质尽管很少，但它能起到很大的效果。有关木质素的分解酶常认为是酚氧化酶、漆酶和过氧化物酶参与作用。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味1.4芳香族物质的降解•原料中存在各种芳香族化合物，如植物组织中的拟维生素、生物碱、萜类、丹宁等；某些氨基酸也带有苯环如羟基苯酸、香草酸、阿魏酸、丁香酸等。•这些物质在成品中甚至千万分之一的情况下就能显示出强烈的气味，如许多名优酒中及酱油中含有4－乙基愈创木酚，该物质具有酱油特有的香味，其含量0.1mg/L就使人感到它的香味。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味微生物对芳香烃的分解是在有氧条件下进行的，首先以形成二元酚如邻苯二酚、原儿茶酸等作为环裂解底物，再进一步氧化分解。苯的氧化首先是生成二羟基已二烯，再转化为邻苯二酚。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味原儿茶酸的降解•邻位裂解，终产物是琥珀酸•间位裂解，终产物是两分子丙酮酸。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味2、代谢产物形成阶段•酿造过程中的代谢产物属于微生物的初级代谢产物还是次级代谢产物？产物形成阶段是否伴随能量代谢？•人们通常采用哪几种方式获得高产量的代谢产物？酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•微生物在生长过程中，机体内的复杂代谢过程互相协调和高度有序，能够对外界环境改变迅速做出反应，其原则是经济合理地利用和合成各种物质和能量，使细胞处于平衡生长状态。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味在实际生产中，往往需要高浓度地积累某一代谢产物，而这个浓度又往往超过细胞正常生长和代谢所需的范围，因此，要达到超量积累这种产物，提高生产效率，必须打破微生物原有的代谢调控系统，在适当条件下，让微生物建立新的代谢方式，高浓度地积累人们所期望的产物。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味•为达到上述目的，人们一般采用两种方式：一是通过育种方法选育基因突变株，从根本上改变微生物的代谢；二是控制微生物的各种培养条件，影响其代谢过程。酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味微生物细胞内所发生的全部化学反应，包括物质代谢和能量代谢，其中物质代谢又包括分解代谢和合成代谢。2.1食品酿造过程中的微生物代谢酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味初级代谢产物指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。特点：不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同；它的合成是始终不停的，任何一种产物合成发生障碍都会影响微生物正常的生命活动。微生物的代谢产物酿造历程概况详解产物再平衡大分子降解产物的形成小结食品风味微生物初级代谢产物合成的产物，不仅用于菌体的自身生长繁殖，其中的若干种产物如氨基酸、核苷酸、脂肪酸、维生素、蛋白质、酶类、多糖、低级有机酸和醇等是重要的工业产品。积累上述产物的微生物都是代谢失调的突变菌株，如营养缺陷型、抗性突变株、生化调节突变株等。酿造历程概况详解产