3发酵工业原料及其处理(2)

12本章内容一、发酵工业原料的种类和成分二、淀粉水解糖的制备三、发酵培养基灭菌3第一节发酵工业原料的种类和成分发酵培养基的作用：满足菌体的生长促进产物的形成4要求营养丰富完全，有利于产物合成；不能大量加入快C、快N源，应和慢C、N源相结合；在产物分泌期间，pH稳定；加入适量合成所需的物质，如前体等，进行定向发酵；采用中间补料，以提高发酵单位；原料的考虑——成本问题5一、工业上常用的碳源（carbonsource）糖类来源葡萄糖乳糖淀粉蔗糖纯葡萄糖、水解淀粉纯乳糖、乳清粉大麦、花生粉、燕麦粉、黑麦粉等甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜、粗红糖、精白糖等工业上常用的糖类及来源6谷物淀粉优点：来源广泛、价格低，可解除葡萄糖效应。谷物淀粉缺点：a.难利用、发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的α-淀粉酶。b.成分较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。7有机氮：来源：一些廉价的原料，如玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、鱼粉、酵母浸出膏等。二、工业上常用的氮源（nitrogensource）8成分黄豆饼粉棉籽饼粉花生饼粉玉米浆鱼粉米糠酵母膏蛋白质/%碳水化合物/%脂肪/%纤维/%灰分/%干物/%核黄素/（mg/kg）硫胺素/（mg/kg）泛酸/（mg/kg）尼克酸/（mg/kg）吡哆醇/（mg/kg）生物素/（mg/kg）胆碱/（mg/kg）精氨酸/%胱氨酸/%甘氨酸/%异亮氨酸/%亮氨酸/%赖氨酸/%甲硫氨酸/%苯丙氨酸/%51.0-135.7923.062.414.521--27503.20.62.41.12.53.42.90.641281.5136.5904.414.344---24403.31.02.40.91.52.21.60.545235125.590.55.37.348.4167--16704.60.73123.11.30.6245.8118.8505.730.8874.683.619.40.886290.40.51.10.30.90.10.20.5725.01.5218.193.610.11.1931.414.7-35604.90.83.52.04.56.86.82.51345131416912.642223.2297--12500.50.10.90.20.40.60.50.450-031095-------3.31.4-1.65.56.26.52.191、无机盐：硫酸盐、磷酸盐、氯化物及一些微量元素。三、发酵培养基中的无机盐和生长因子10提供生长因子的农副产品原料:（1）玉米浆（最具代表性)（2）麸皮水解液（3）糖蜜（4）酵母2、生长因子（growthfactor）111、前体：能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量有较大的提高。在生产中常采用少量多次地加入前体。四、发酵生产的前体物质和促进剂、抑制剂等12产品前体青霉素G青霉素V金霉素灰黄霉素红霉素核黄素类胡萝卜素L-异亮氨酸L-色氨酸L-丝氨酸苯乙酸及其衍生物苯氧乙酸氯化物氯化物正丙醇丙酸盐-紫罗酮-氨基丁酸邻氨基苯甲酸甘氨酸132、促进剂所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。14添加剂酶微生物酶活力增加倍数Tween(0.1%)大豆酒精提取物（2%）植酸质（0.01%-0.3%)洗净剂LS(0.1%)聚乙烯醇苯乙醇(0.05%)醋酸+维生素纤维素酶蔗糖酶-葡聚糖酶木聚糖酶淀粉酶脂酶右旋糖酐酶普鲁兰酶蛋白酶脂肪酶蛋白酶蛋白酶糖化酶纤维素酶纤维素酶许多真菌许多真菌许多真菌许多真菌许多真菌许多真菌绳状青霉产气杆菌米曲霉泡盛曲霉曲霉、桔青霉等栖土曲霉筋状拟内胞霉真菌绿色毛霉201610446201.52.872.502-41.61.24.42153、抑制剂抑制某些代谢途径的进行，同时刺激另一代谢途径，以致可以改变微生物的代谢途径。16产物被抑制的产物抑制剂链霉素去甲链霉素四环素去甲金霉素头孢霉素C利福霉素B甘露糖链霉素链霉素金霉素金霉素头孢霉素N其他利福霉素甘露聚糖乙硫氨酸溴化物、硫脲硫磺化合物、乙硫氨酸L-蛋氨酸巴比妥药物某些代谢产物的抑制剂17在工业生产中，将淀粉水解为葡萄糖（glucose）的过程称淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。第二节淀粉水解糖的制备18一、淀粉相关知识1、淀粉通常以颗粒状态存在，颗粒大小随不同淀粉而异谷类淀粉颗粒较小，如大米淀粉颗粒直径3-8um薯类淀粉颗粒较大，如木薯淀粉5-35umPotatostarchWheatstarch19直链淀粉100-60000-1，4糖苷键-1，4糖苷键-1，6糖苷键支链淀粉1000-3000000普通谷物和薯类淀粉含直链淀粉17%-27%，其余为支链淀粉；粘玉米、糯米全部为支链淀粉2、淀粉的分子结构20二、淀粉水解糖的制备方法和原理（一）酸解法（二）酶解法（三）酸酶结合水解法21（一）酸解法以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。221.水解过程：总反应式：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6过程：(C6H10O5)n(C6H10O5)xC12H22O11C6H12O6淀粉糊精麦芽糖葡萄糖H+对作用点无选择性，-1,4-糖苷键和-1,6-糖苷键均被切断。232.副反应——葡萄糖的复合反应和分解反应复合二糖复合低聚糖5`-羟甲基糠醛有机酸、有色物质等淀粉葡萄糖盐酸水解反应复合反应分解反应24葡萄糖葡萄糖异麦芽糖龙胆二糖麦芽糖-1，4糖苷键25影响复合反应的因素：1）葡萄糖浓度3）酸的种类和浓度4）温度DE值：dextroseequivalentvalue（葡萄糖当量值）表示淀粉糖的含糖量。还原糖含量（％）DE值＝100％干物质含量（％）2）淀粉乳浓度26影响分解反应的因素：1）糖化加热时间3）葡萄糖浓度2）酸度27（1）降低了葡萄糖的收率。（2）给产物的提取和糖化液的精制带来困难。复合反应：生成的多数复合糖不能被微生物利用，使发酵结束时残糖高。分解反应：生成的5’－羟甲基糠醛是产生色素的根源，增加了糖化液精制脱色的困难。不利影响：28如何控制分解反应和复合反应的发生？（1）淀粉乳浓度（2）酸浓度不能过高（3）温度293.评价优点：工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。缺点：（1）副产物多，影响糖液纯度，一般DE值只有90％左右。（2）对淀粉原料要求严格，不能用粗淀粉，只能用纯度较高的精制淀粉。30淀粉盐酸蒸汽水调浆糖化冷却中和脱色压滤滤渣糖液活性炭Na2CO34.酸解工艺流程淀粉的酸水解工艺是根据淀粉在水解过程中的水解反应和复合、分解反应规律性来决定的。311淀粉质量2淀粉乳浓度的选择3酸的种类和用量4糖化温度、压力和时间5糖化终点32（二）酶解法用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。33淀粉酶解法分两步：（1）液化：用α-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精和低聚糖转化为葡萄糖。34酶水解位置水解次序水解产物液化淀粉酶1，4糖苷键无先后次序葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖异麦芽糖、低聚糖糖化糖化酶1，4和1，6从非还原性葡萄糖糖苷键末端开始1.酶水解特性352、淀粉的液化及液化终点的控制糊化：在温水中，当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象，称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。老化：分子间已断裂的氢键、糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶的过程。36液化方法37喷射液化该工艺的特点是利用喷射器将蒸汽喷入淀粉乳的薄膜，在短时间内通过喷射器快速升温至145C完成糊化、液化，使形成的“不溶性淀粉颗粒”在高温下分散，从而使所得的液化液既透明又易于过滤，淀粉的出糖率也高，同时采用了真空闪急冷却，提高了液化液的浓度。38液化程度的控制I2试测定DE值DE值高，糊精太小，不利于糖化酶作用，影响催化效率，终点DE值低。DE值低，液化不彻底，糖化速度慢，酶用量大，时间长，过滤性能差。393.淀粉糖化及糖化终点的控制（1）糖化的温度及pＨ值：决定于所用的糖化剂的性质。（2）加酶量：（3）液化液DE值的影响：在碘试本色的前提下，液化液DE值越低，则糖化液DE值越高。（4）异淀粉酶的影响：40糖化终点：终点确定：DE值达最高时，加热灭酶方法：无水乙醇滴入糖化液，无白色沉淀则达到糖化终点41糖化工艺液化糖化灭酶过滤成品糖液424.评价优点：（1）反应条件温和，不需高温、高压设备。（2）副反应少，水解糖液纯度高。（3）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓度下水解。（4）糖液颜色浅，质量高。缺点：（1）生产周期长，一般需要48小时。（2）需要更多的设备，且操作严格。43酸酶法酶酸法（三）酸酶结合水解法441）酸酶法：葡萄糖糖化酶酸解酶解淀粉糊精或低聚糖酸酸酶法特点：液化速度快；糖化是由酶来进行的，对液化液要求不高，可采用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率；用酸较少，产品颜色浅，糖液质量较高。452）酶酸法：葡萄糖酸酸解糖化酶解液化淀粉糊精或低聚糖-淀粉酶酶酸法特点：可采用粗原料淀粉，淀粉浓度也较酸法高，糖液色浅46从水解糖的质量及降低糖耗，提高原料利用率方面来考虑，则以双酶法最好，酸酶法次之，酸法最差；从时间来说，则酸法最短，双酶法最长47淀粉水解糖液质量要求1、色泽：淡黄色透明2、糖液不含糊精3、还原糖含量：18%（酸解法）；25-38%（酶解法）4、DE值：﹥90%（酸解法）；﹥95%（酶解法）5、透光率：﹥40%（酸解法）；﹥60%（酶解法）6、pH:4.6-4.87、淀粉转化率：﹥92%（酸解法，玉米淀粉糖）；﹥95%(酶解法，玉米淀粉糖）；87%（酸解法，大米糖）48第三节发酵培养基灭菌一、消毒与灭菌的原理和方法1、在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果：1、生产菌和杂菌同时生长，竞争培养基中的营养物质，导致生产能力下降；2、杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难；3、杂菌大量繁殖，改变代谢途径，使生物反应产生异常变化；4、杂菌会降解目的产物，使生产过程失败；5、发生污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。492、灭菌与消毒的区别灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。503、灭菌的原理和方法干热灭菌法湿热灭菌法射线灭菌法化学药品灭菌法过滤除菌法火焰灭菌法51（1）干热灭菌原理：利用高温对微生物有氧化、蛋白质变性和电解质浓缩作用而杀灭微生物。常用方法：灼烧和电热箱加热，140-180℃1-2小时使用范围：玻璃及金属用具及沙土管灭菌全自动干热灭菌器52（2）湿热灭菌原理：蒸汽冷凝放出大量潜热，具有穿透力，且在高温有水分条件下，蛋白质易变性。常用方法：水煮常压灭菌：100℃饱和蒸汽灭菌：一般121℃，30分钟使用范围：培养基和发酵设备灭菌。高压蒸汽灭菌锅53（3）辐射灭菌原理：利用高能量的电磁辐射与菌体核酸的光化学反应造成菌体死亡。常用：紫外线、X射线和γ射线。使用范围：用于室内空气及器皿表面灭菌微波灭菌机54（4）化学物质灭菌原理：药物与微生物细胞中的成分反应，使蛋白质变性、酶失活。使用范围：器皿、双手和实验室、无菌室的环境灭菌，不能用于培养基灭菌55常用的灭菌剂化学物质名称有效浓度化学物质名称有效浓度新洁尔灭(苯扎溴铵)0.25%甲醛37%杜灭芬0.25%戊二醛2%高锰酸钾0.1%-0.25%苯酚0.1%-0.15%漂白粉5%过氧乙酸0.02%-0.2%酒精75%焦碳酸二乙酯0.01%-0.1%煤酚皂（来苏尔）1%—5%56（5）过滤除菌原理：利用微生物不能透过滤膜除菌。方法:0.01~0.45m孔径滤膜，使用范围：用于压缩空气、酶溶液及其他不耐热化合物溶液除菌。57（一）湿热灭菌的原理1、微生物的热阻二、培养基与设备的灭菌致死温度：杀死微生物的极限温度。致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间58