发酵工程及其在食品中的应用-正式

第三章发酵工程及其在食品工业中的应用第一节发酵工程概述第二节发酵法生产单细胞蛋白第三节发酵法培养新型食品胶第四节发酵法生产食用色素第五节其它产品的发酵生产第六节螺旋藻的培养生产及其应用教学内容第一节发酵工程概述Fermentationengineering：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。一、发酵工程的内容及生产流程现代的发酵工程包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。主要内容：包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。1、固体发酵法：2、液体发酵法：二、微生物发酵方法液体表面发酵法液体深层通气发酵法液体厌氧发酵法三、发酵操作方式以及过程控制液体深层发酵操作方式可分为:1、分批发酵法：向发酵罐一次性投入发酵液和菌种，一次性收获产品。2、连续发酵法：以一定的速度连续向发酵罐中输入新鲜的培养液，同时以一定的流速（往往相同）从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液的发酵过程。3、中间补料发酵法：介于分批和连续发酵之间的一种发酵技术。发酵过程控制：物理参数及其控制温度、压力、流量、转速、补料和泡沫等。化学参数及其控制pH、溶解氧、二氧化碳溶解量、排气组分和溶液成分等的在线检测和控制。生物学参数及其控制生物量、细胞数、细胞形态和大小、酶活性、ATP和细胞活力等的测定。四、发酵产物分离过程发酵产物：1、微生物菌体2、微生物酶3、微生物代谢产物4、微生物转化产物第二节发酵法生产单细胞蛋白一、SCP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和应用单细胞蛋白（singlecellprotein，简称SCP）：是指通过大规模培养酵母或细菌等微生物而生产的用作食品或饲料的微生物蛋白。富含蛋白质的微生物：酵母菌、细菌、霉菌、食用菌和藻类等。蛋白含量：霉菌：31%~50%酵母菌：47%~56%细菌：72%~83%螺旋藻：50%~70%微生物的菌体蛋白营养价值：蛋白质含量高达40%～80%，比大豆、肉、鱼等食品中蛋白含量高。氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸。含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质。目前，人们已公认SCP是非常具有应用前景的蛋白质资源。１、直接食用：蛋白粉、“人造肉”等。２、作为食品添加剂，如：食品的增鲜剂：已广泛应用于调味料中。营养增强剂：补充蛋白质或维生素、矿物质等。抗氧化剂：常用于婴儿粉及汤料等中。减肥食品的添加剂：干酵母热量低。3、其他应用：如意大利烘饼中加入活性酵母，可提高饼的延薄性能。单细胞蛋白在食品工业中的应用：一、SCP生产菌种和原料生产SCP的菌种：酵母菌、细菌、霉菌和藻类等，用的较多的是酵母菌。如：酿酒酵母、产朊假丝酵母（或称圆酵母）、脆壁克鲁维酵母（或称乳清酵母）。优良的SCP生产菌株应具有的性状：无生理毒性、菌体蛋白含量高、生长速度快、对培养条件要求简单和产品味道好易于吸收等。生产原料：1、烷烃类和石油化工产品如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。2、各种有机废料和一些糖类物质有机废料：如食品厂、酿造厂、造纸厂等废弃物以及农作物秸杆等。糖类物质：如糖蜜、淀粉类物质等。二、SCP的发酵生产一般SCP生产的概略流程图（一）、以淀粉质为原料生产SCP主要有三条途径：①在化学分解或酶解底物基础上培养SCP生产菌，主要是酵母菌；②将对淀粉分解活力高的酵母（或霉菌）与快速生长的酵母菌混合培养；③单独培养能够同化淀粉的生产菌株，如SCP生产工程菌。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50％。即２t原料可生产出１t多蛋白含量超过50％的产物。每升发酵液中生物量约为37～40g。近年来，我国已经开始探讨应用混合培养法生产SCP的工艺。而瑞典糖业有限公司早在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料SCP。（二）、以糖蜜为原料生产SCP105页表4-4糖蜜预处理：包括澄清和灭菌发酵培养液：以糖蜜作为碳源，氨水、硫胺素、尿素等作为氮源，还需添加适量的磷酸、磷酸盐等磷源，可提高酵母产率。发酵方式：液体深层发酵，需要通气。发酵条件：培养液pH：在4.7～5.0之间发酵温度：约26℃。终发酵液：含酵母5％～8％得率：100kg糖蜜可获得约60kg湿酵母（三）、以纤维素类为原料生产SCP三条路线：1、预处理-酶解-发酵一般先经膨化预处理，然后用纤维素酶水解纤维素，以其为碳源进行发酵。2、酸解-发酵常用粗硫酸，使纤维素和半纤维素部分水解，并除去木质素等有机溶解物。3、混合发酵选用能较好地利用纤维素的菌株，使其与纤维素酶配合使用。三、SCP的分离和纯化两个关键技术：破除菌体细胞壁降低SCP产品中的RNA含量以酵母为例：1、破碎细胞壁方法化学法:酸法、碱法、有机溶剂等酶法：自溶作用或外加酶（如蜗牛酶等）机械法：高压匀浆、球磨研磨、超声波破碎法等。2、降低RNA含量的方法碱法：将酵母浆液在加热的碱液中处理一定时间，使蛋白沉淀，RNA在上清液中，分离后SCP中仅含1％～2％RNA。酶法：利用菌体自身RNA酶的作用，在50～55℃下保温处理10～60s，激活胞内RNA酶，可获得RNA含量仅为1.5%的SCP。盐析法：用不同种类、浓度的盐抽提。四、高活性干酵母的生产和应用高活性干酵母：（highactivedryyeast，简称HADY），颗粒状的含水量为4％～6％的具有高发酵活力的酵母成品。（－）HADY的制作技术设备：连续流化床干燥装置干燥过程：温度分两级控制初期：热空气温度150～160℃。后期：温度在30～35℃。①菌种选育：选育耐高温、抗干燥能力强、生产性状好的菌种。②酵母的培养和发酵生产工艺过程与其它酵母的生产相似，但其培养基组成、培养条件和营养源流加量等对酵母干燥后的存活力有一定的影响。HADY制作中的技术关键问题•培养基成分的影响碳源：废糖蜜是较理想的碳源，因其含碳量较高，含氮量较低，培养制备的干酵母存活力比较高。氮源：氮源过多，酵母对干燥抵抗力差。当酵母含氮量达6.4%(干计)，酵母干燥后大部分细胞活力被钝化。•营养源流加量和培养条件的影响酵母细胞中海藻糖含量与其抗干燥能力有一定的关系，当海藻糖含量高达10%~15%，对干燥的抵抗力明显增强。严格控制营养源流加的碳氮比、发酵末期适当升温和减少通风量，使酵母呈2~3小时的“饥饿”状态，可使海藻糖含量增加到15%~16%（干计）或更高。③干燥前的处理加入高渗溶液、膨胀剂（如甲基纤维素）、润湿剂（如甘油）或稳定剂（如阿拉伯胶）都可增强酵母对干燥的抵抗性能。④活性干酵母的颗粒结构与形状颗粒大小适中，干燥均匀，复水性能好、发酵活力高。⑤产品的保存条件于绝氧条件下保存，采用真空或充氮气的复合铝箔包装，保存期可达1～2年。一、黄原胶（Xanthangum）的发酵生产黄原胶是国际上20世纪70年代发展起来的新型食品胶。黄原胶是由黄单孢细菌（Xanthomonascampestris）以碳水化合物为主要原料经过通气发酵、分离提纯后得到的细胞外杂多糖，产品为淡黄色粉末。是目前世界上生产规模最大的微生物多糖。第三节发酵法生产新型食品胶（一）、黄原胶的结构与性能1．结构黄原胶是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、鼠李糖、乙酸和丙酮酸等组成的阴离子杂多糖。基本骨架为葡萄糖连接而成的直链纤维素分子，每隔一个葡萄糖单位都连接一个三糖侧链，侧链由葡萄糖醛酸、甘露糖、鼠李糖等组成。侧链末端含有丙酮酸基团的多少，对黄原胶分子性能有很大影响。黄原胶在水溶液中形成双螺旋体结构，很多的双螺旋结构间靠微弱的非共价键维系，形成规则的螺旋聚合体，使得黄原胶具有强亲水性、增稠性、稳定性、悬浮性、乳化性等。2．性能作为增稠稳定剂：用于果汁、饮料、调味料等食品中。作为乳化剂：用于蛋白饮料、乳饮料等食品中。作为高粘度填充剂：用于点心、面包、糖果等食品中。作为乳化稳定剂：用于冷饮食品中。肉制品加工：提高制品的嫩度、持水性、出品率。果蔬保鲜加工：防止果蔬失水、褐变，延长产品保质期。罐头、饮料等加工：作为悬浮剂和稳定剂，利于保持产品外观，改进口感和增强风味等。（二）、黄原胶在食品工业中的应用常用的生产菌种：黄单孢杆菌及其变异株。美国：多数为甘蓝黑腐病黄单孢杆菌及其变异株我国：多数为野油菜黄单孢杆菌（XanthomonasCampestris）及其变异株如南开大学筛选出的N．K－01菌株等。（三）、生产菌种（四）、发酵工艺流程1、种子培养斜面三角瓶10L罐100L罐1M3罐10M3发酵罐碳源：葡萄糖、蔗糖或淀粉。氮源：蛋白胨、酵母精粉、玉米浆、水解乳清粉、豆饼粉和无机氮源等。氮源含量高会导致黄原胶产量下降，宜采用高C/N。无机离子和微量元素：P、S、Mg2+、Ca2+、k+等对菌体和胶的合成起促进作用，可提高黄原胶产量或质量。表面活性剂：乳化发酵可提高黄原胶产量。2、发酵培养基培养温度：前期24～27℃（利于菌体生长）后期30～33℃（利于产胶）培养时间：２天～４天pH:最适为7.0，控制在7.0士0.5发酵方式：连续发酵或间歇发酵，发酵过程中需通气搅拌。供氧充足时，黄原胶合成速度快、黄原胶相对分子量大，其中丙酮酸含量高，粘度高，供氧不足时，则相反。3、发酵条件及其控制（五）、黄原胶的提取工艺1、发酵液预处理：如过滤、絮凝等。2、分离提取：食用级黄原胶常用醇沉淀，醇能降低多糖分子与水的亲和力，使多糖分子脱水而相互聚集形成沉淀。3、脱水:压榨或离心脱水。4、干燥:气流干燥或真空干燥。干燥温度60℃左右，终产品水分在10％左右。5、粉碎、过筛与包装：黄原胶细度一般在0.18mm左右。国外黄原胶细度可达0.074mm。成品：乳白色或浅米黄色粉末。食用级黄原胶产品结冷胶（Gellangum）是一种新型微生物多糖，上世纪80年代初开发成功，1992年美国FDA批准作为食品添加剂，我国1996年批准。美国是主要供应商，目前我国已开始有小规模生产。（－）生产菌种：少动鞘脂单胞菌（Spningomonascampestris）二、结冷胶的发酵生产（二）结冷胶的发酵生产结冷胶分子结构的重复单元分子结构：都是由四个单糖连接成的重复糖单元构成的高分子糖类化合物。天然结冷胶特性：主链上连接有酰基，形成的凝胶柔软，有弹性。低酰基结冷胶特性：分子结构中的酰基全部或部分被去除，凝胶力增强，但易脆裂，在食品工业上普遍使用。两种产品形式：天然的结冷胶（高酰基结冷胶）低酰基结冷胶（脱酰基结冷胶）。D－葡萄糖D－葡萄糖醛酸D－葡萄糖L－鼠李糖1、结冷胶的生产工艺流程发酵培养基一般采用葡萄糖或蔗糖为碳源，氮源为有机氮和无机氮配合，高碳氮比利于产胶。发酵温度：前期27～28℃，产胶期30℃左右pH：6.5～7.0发酵方式：一步发酵法或中间补料发酵法，需通气搅拌。2、发酵培养基及其工艺控制1、预处理：加热灭酶及絮凝除菌等。2、脱酰基结冷胶的提取经预处理的发酵液在80℃下，加入NaOH或KOH调pH至10.0以上，搅拌处理10min，然后用稀酸中和至中性，精滤除去不溶性杂质，再用异丙醇或乙醇沉淀分离出结冷胶，然后经压榨或离心除去溶剂，经干燥、粉碎包装等工序后得脱酰基结冷胶。（三）结冷胶的分离提取作为胶凝剂，可溶于冷水或稍微加热的溶液中，凝胶稳定性高，耐酸、耐碱性强，使用量低，可与多种食品胶配合使用。糖果加工：在淀粉软糖中添加0.075%结冷胶，可使凝胶时间由24~48小时缩短到12小时。果冻和果酱加工：可用结冷胶代替果胶或海藻胶，使用量仅为0.2%,且可形成更佳的结构和口感。人造食品：人造水果块，使用量0.7%,在杀菌过程中不溶化并保持其外形特征。（融化温度在65℃~120℃）（四）结冷胶在食品工业中的应用三、茁霉多糖的发酵生产又称普鲁兰糖，日本于1978年开始工业化生产。该多糖是一种粘性多糖，主要是以麦芽三糖和少量的麦芽四糖构成的线状多糖