食品发酵与酿造工艺学复习资料

食品发酵工艺学第一章绪论一、食品发酵与酿造的历史1.列文虎克LeeuwenhoekAntoniVan(1632-1723)：成功制造了世界上第一台显微镜，并在人类历史上第一次通过显微镜发现了单细胞生命体-----微生物。2.巴斯德（LouisPasteur,1822~1895）巴斯德的主要贡献：发明了巴斯德灭菌法。1861年，巴斯德实验，结束了绵延100多年的争论，把自然发生论赶出了科学界。1865年，巴斯德受农业部长的重托，解决了法国南部蚕业上遇到的疾病使蚕大量死亡的难题。发明了狂犬病疫苗，他还指出这种病原物是某种可以通过细菌滤器的“过滤性的超微生物”。3.科赫（Koch,Robert1843~1910）科赫的主要贡献：1881年后，创用了固体培养基划线分离纯种法。建立了单种微生物的分离和纯培养技术。1882年3月24日科赫在德国柏林生理学会上宣布了结核菌是结核病的病原菌。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的第一个转折点。4.20世纪40年代，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。5.人工诱变育种技术和代谢调控发酵工程技术成为发酵与酿造技术发展的第三个转折点。6．20世纪70年代发展起来的DNA重组技术，又大大推动了发酵与酿造技术的发展。二、食品发酵与酿造的特点以及与现代生物技术的关系（一）食品发酵与酿造的特点发酵：泛指利用微生物制造工业原料和工业产品的过程。通常所说的发酵指生物或离体的酶，不彻底地分解代谢有机物，并释放出能量的过程。酿造：是我国劳动人民对一些特定产品进行发酵生产的一种称谓，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、酱腌菜等食佐餐调味品的生产称谓酿造。酿造与发酵的区别：利用生物体或生物体长生的酶进行的化学反应。与化学工业相比，发酵与酿造工业的特点：安全、简单；原料广泛；反应专一；代谢多样；易受污染；菌种选育发酵技术的两个核心：生物催化剂、生物反应系统第二章菌种选育、保藏与复壮菌种选育的方法有：自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合、基因工程。一、微生物菌种选育的理论基础微生物的遗传性和变异性的特点：a、微生物由于繁殖速度快、生活周期短；b、微生物由于个体微小，比表面积大，大多以单细胞或极少分化的多细胞存在；c、微生物大多以无性生殖为主，且营养体多数为单倍体。诱变育种：人为地将对象生物置于诱变因子中，使该生物体发生突变，从这些突变体中筛选具有优良性状的突变株的过程。（一）突变：微生物的遗传物质存在于变动着得的环境中，染色体上的遗传信息以及染色体组受到环境的作用而改变，这种改变或多或少是永久性的，从生物表型上说是突然发生可遗传的变换，这种变化就称为突变。自发突变：在自然状况下发生的突变，也称自然突变。诱发突变：人为地利用物理或化学因素诱发的突变。（二）诱变的基本原理1.诱变剂：用来处理微生物并能提高生物体突变频率的这些物理或化学因素成为诱变因素，又称诱变剂。诱变剂有物理诱变因子（紫外线、Ｘ射线）、化学诱变因子（亚硝基胍、亚硝酸、亚硝基甲基胍）生物诱变因子（噬菌体）2.诱变剂作用机理物理诱变因子诱变机理：快中子、γ射线、β射线产生电离辐射，而紫外线是不形成离子的非电离辐射。以紫外线为例，紫外线照射后引起的ＤＮＡ结构改变，ＤＮＡ强烈吸收紫外线，特别是碱基对，而嘧啶比嘌呤对紫外线更为敏感。紫外线引起ＤＮＡ结构变化，是胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用以及二聚体形成。菌种保藏的目的是在一定时间内使菌种不死、不乱，以供研究、生产、交换使用。基本原则：挑选优良纯种、典型菌种；尽量使用分生孢子，芽孢等休眠体；创造有利于休眠分子的保藏环境；尽可能多的采用不同的手段保藏一些比较重要的微生物菌株。菌种保藏的方法有：（一）低温保藏法：冰箱保藏法（斜面）：低温４℃，适用于各大类，保藏４－６个月，简单。冰箱保藏法（半固体）：低温４℃，避氧，适用于细菌酵母菌，保藏时间为６－１２个月，简便（二）甘油悬液保藏法：低温－７０℃，需要保护剂（１５％－５０％甘油），适用于细菌、酵母菌约１０年，较简便（三）石蜡油低温保藏法：低温４℃，阻氧，适用于各大类，保藏时间约１－２年，简便（四）干燥保藏沙土管法：干燥无营养产孢子的微生物保藏时间约为１０年，简便有效。（五）甘油管保藏法（六）真空冷冻干燥法：干燥低温，无氧有保护剂，适用于各大类，保藏时间大于５－１０年，但繁而高效。（七）液氮超低温保存：超低温—１９６℃，有保护剂，适用于各大类，保藏时间大于１５年，繁而有效。第三章微生物的代谢调控理论及其在食品发酵与酿造中的应用代谢调节:是生物在长期进化过程中，为适应外界条件而形成的一种复杂的生理机能。通过调节作用细胞内的各种物质及能量代谢得到协调和统一，使生物体能更好地利用环境条件来完成复杂的生命活动。二、代谢调控的方式（1）调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力---通道调节；（2）调节代谢流---通量调节；（3）通过酶的定位以限制它与相应底物的接近---限制其基质有形接近。三、与代谢调节有关的酶（一）同工酶：又称同功酶，是指催化相同生化反应，但酶蛋白分子结构有差异的一类酶。（二）别构酶：具有别构作用（或变构作用）的酶。其分子有活性中心和别构中心，往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶。（三）多功能酶：分子组成只有一条多肽链，但具有两种或两种以上催化活力的酶。一个终产物的过量，在使共同途径第一步反应受到部分抑制的同时，分支途径第一步反应也受到抑制，使代谢沿着其他分支进行。因此，一个产物的过量不致干扰其他产物的生成。第二节微生物代谢的协调作用（1）酶活性的激活：指在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。（2）酶活性的抑制：主要是反馈抑制。反馈抑制：某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，这个产物可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应过程减慢或停止，从而避免了末端产物的过多累积。反馈阻遏：是指抑制酶的形成是由途径终点产物或其衍生物执行的。即当代谢的，它就会终产物大量存在并达到一定浓度时，它就会同细胞中早已存在的阻遏物结合起来共同发挥作用。（3）反馈抑制的类型①直线式代谢途径中的反馈抑制②分支代谢途径中的反馈抑制。书上P63（1）协同反馈抑制：指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。（2）合作反馈抑制：指两种末端产物同时存在时，可以起着比一种末端产物大得多的反馈抑制作用。（3）累积反馈抑制：每一分支途径的末端产物按一定百分率单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的。（4）顺序反馈抑制：当E过多时，可抑制C→D，这时由于C的浓度过大而促使反应向F、G方向进行，结果又造成了另一末端产物G浓度的增高。由于G过多就抑制了C→F，结果造成C的浓度进一步增高。C过多又对A→B间的酶发生抑制，从而达到了反馈抑制的效果。这种通过逐步有顺序的方式达到的调节，称为顺序反馈抑制。酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。分解代谢物阻遏的典型实例：葡萄糖效应。葡萄糖效应（glucoseeffect）：又称葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源,其分解代谢产物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。（二）酶合成调节的机制1.操纵子是在转录水平上控制基因表达的协调单位，由调节基因（R）、启动子（P）、操纵基因（O）和在功能上相关的几个结构基因(S)组成；调节基因:用于编码调节蛋白的基因。启动基因:是一种能被依赖于DNA的RNA聚合酶所识别的碱基顺序，它既是RNA多聚酶的结合部位，也是转录的起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物（一种调节蛋白）相结合，以此来决定结构基因的转录是否能进行；结构基因则是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基顺序转录出对应的mRNA，然后再可通过核糖体而转译出相应的酶。一个操纵子的转录，就合成了一个mRNA分子。调节蛋白是一类变构蛋白，它有两个特殊位点，其一可与操纵基因结合，另一位点则可与效应物相结合。当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用。有的调节蛋白在其变构后可提高与操纵基因的结合能力，有的则会降低其结合能力。调节蛋白可分两种，其一称阻遏物，它能在没有诱导物（效应物的一种）时与操纵基因相结合；另一则称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物（效应物的另一种）存在时才能与操纵基因相结合。三、能荷的调节（P65）：当细胞中腺苷酸全部是ATP，能荷为1；当细胞中腺苷酸全部是ADP，能荷为0.5；当细胞中腺苷酸全部是AMP，能荷为0。当细胞或线粒体中三种核苷酸同时并存时，能荷大小随三者比例而异，三者的比例随细胞生理状态而变化。能荷在细胞不同生长时期的变化另外一个度量细胞能量状态的参数是磷酸化位。磷酸化位=[ATP]/[ADP][Pi]磷酸化位除了腺苷酸外，还决定于无机磷浓度。磷酸化位与能荷相比，其值变化范围更宽，因此是反映细胞能量状态更加灵敏的指标。4.巴斯德效应：氧的存在可以使酵母菌细胞进行呼吸作用而乙醇的产量显著下降，即单位时间内消耗速度减慢。这种呼吸（需氧能量过程）抑制发酵（厌氧能量代谢过程）的现象。营养缺陷性菌株：野生型菌株经过人工诱变或者自然突变失去合成某种营养（氨基酸，维生素，核酸等）的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长的菌株。抗反馈调节突变菌株：就是指一种对反馈抑制不敏感或对反馈阻遏有抗性，或二者兼而有之的菌株。在这类菌株中，因其反馈抑制或阻遏已解除，或是反馈抑制和阻遏已同时解除，所以能分泌大量的末端代谢产物。获得抗反馈调节突变株方法：选育抗代谢类似物的突变株；从营养缺陷型回复突变株中获得对途径中调节酶解除反馈抑制的突变株谷氨酸发酵过程中，可通过①控制生物素、油酸、甘油的亚适量，控制细胞膜的合成；②加入青霉素,抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；③加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂(如聚氧化乙酰硬脂酰胺),将脂类从细胞壁中溶解出来,使细胞壁疏松,通透性增加。在IMP发酵中，控制Mn2+（限量）造成细胞膨胀的不规则形态，膜产生异常，非常专一性的膜透性被破坏，核苷酸生物合成补救途径酶系[PRPP激酶、Hx（次黄嘌呤）焦磷酸化酶]及Hx和R5-P都分泌于体外，在体外大量生物合成IMP。第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备菌种活化与扩大培养是指将处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，在经过扁瓶或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过程。2.接种龄：指摇瓶或种子罐中培养的菌种开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。3.接种量：指接入的种子液的体积和接种后培养基的体积比。多以百分数表示，如：接种量为1%(v/v)。培养基的配制原则1.根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基；2.合适的碳氮比；3.合适的pH；4.合适的渗透压；5.合适的氧化还原电位。生长因子是一类对微生物正常代谢必不可缺少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。碳氮比：指培养基中碳源所含的碳元素与氮源所含的氮元素的质量比。一般指质量比，也有用浓度比或摩尔比表示的，所以，具体使用时应注明：如C/N(m/m)=40：1。细胞破碎的方法：高压匀浆法和研磨法。细胞碎片的分离：常用离心分离法。发酵热：习惯上将发酵过程中释放出的净热量成为发酵热，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。发酵工艺控制的参数：气体流速，温度，罐压、搅拌速度（好氧）、泡沫、pH、溶解氧等发酵过程温度的影响和控制1.温度的影响：影响微生物的生长速度；影响酶的活力；影响代谢产物的积累。2.温度监测的意义：判断菌体生长情况及发酵进程；及时控温以利于菌体生长及产物合成。谷氨酸发酵过程对温度的控制：谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～34℃，产生谷氨酸的温度为36～37℃。在谷氨酸发酵的前期