【学习课件】第三章发酵工程原理及其在食品工业中的应用

缺点：易染菌、无菌操作要求高、设备投资大。
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3.液体厌氧发酵法
能作大规模液体培养的厌氧菌仅丙酮丁醇梭菌，用于 丙酮的发酵生产。酒精、啤酒、葡萄酒、酸乳的发酵属 于兼性厌氧发酵，菌种培养时需要适量通气，发酵时则 不通气。
优点：可省略通气和搅拌设备，简化工艺过程，还能 大大节约能源的消耗，提高生产效率。
第三章 发酵工程原理及其在食 品工业中的应用
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第一节 概述
一、发酵工程的定义
发酵：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制 备微生物菌体本身，或其初级代谢产物、次级代谢产物的 过程。
发酵工程：也称微生物工程。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，最大限度地发挥微生物的某种 特定功能，以生产出人类所需的产品。
即产品的转化过程。（醋的酿造）
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二、发酵工程的发展简史
（一）天然发酵阶段 主要产品有黄酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多数产
品为厌氧发酵、非纯种培养、凭经验传授技术和产品质 量不稳定是这个阶段的特点。 （二）纯培养技术的建立
纯培养技术的建立是发酵技术发展的第一个转折时期。 （三）通气搅拌发酵技术的建立
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（一）发酵工程主要研究对象 1.大规模微生物细胞培养过程； 2.大规模培养基灭菌和空气灭菌过程； 3.微生物细胞生长和产物形成动力学； 4.发酵过程的优化； 5.生物反应器的放大和设计； 6.发酵过程的参数监控和计算机应用； 7.发酵产品的分离和纯化等工程技术问题。
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（二）发酵工程产品类型 1.以菌体为产品。(酵母菌、单细胞蛋白) 2.以微生物的酶为产品。（碱性蛋白酶、淀粉酶） 3.以微生物的代谢产物为产品。（氨基酸、脂类） 4.利用发酵作用，对某种化合物的化学结构进行改造，
5.选择一些不易被噬菌体感染的菌株。
6.生产菌种纯度高，不易变异退化，以保证发酵生产和 产品质量的稳定性。
7.菌体不能是病源菌，不产生任何有害的生物活性物质 （包括激素和毒素等），以保证安全。
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二、食品发酵工业常用微生物
（一）细菌
发酵工业中常用的细菌：枯草芽孢杆菌（蛋白酶、淀粉 酶）、乳酸杆菌（乳酸）、醋酸杆菌（醋酸）、梭状芽孢 杆菌（丙酮、丁醇）、巨大芽孢杆菌（葡萄糖异构酶）、 大肠杆菌（谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶等）、产氨短杆菌 （氨基酸、核苷酸）等。
大，生产效率低。
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2.液体深层通气发酵法 将微生物接入装有无菌液体培养基的封闭发酵罐中进行 培养或发酵的技术。 优点：①容易按照生产菌种对代谢营养物以及不同生理 时期的通风、搅拌、温度和培养基pH值等的要求，选择最 佳培养条件。 ②产品纯度高，质量也较稳定，还具有机械化程度高、 劳动强度小、设备利用率高等优点。
2.操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以利 用多种其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料或废料进行 生产。
3.固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即可，能耗低。
4.固体发酵的产物提取一般步骤少，降低生产成本。有些 产物，如饲料或饲料添加剂，不需要分离步骤，全部发酵物 质可以作为产品。
5.发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。
（六）基因工程阶段
使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产 物，如胰岛素、干扰素、白介素和多细胞生长因子等， 大大地拓宽了发酵工业的范围，使发酵工业发生了革命 性变化。
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三、发酵工艺及方法
（一）固体发酵法
利用固体基质，如麸皮、米糠、秸秆等为主要原料， 再根据需要添加其他谷糠、豆饼、无机盐等，加水拌成含 水量适度的半固态物料作为培养基，供微生物的生长繁殖 和产生代谢产物。目前利用固体发酵法生产的产品有酒曲、 白酒、酱油、食醋、腐乳、酶制剂、食用菌等。
通气搅拌发酵技术的建立是发酵工业上的第二个转折
点。
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（四）代谢控制发酵技术
由氨基酸发酵而开始的代谢控制发酵，使发酵工业进 入一个新的阶段。随后，核苷酸、酶制剂以及有机酸等 方面也利用代谢调控技术进入发酵生产。
（五）开拓发酵原料时期
石油化工副产物石蜡、醋酸、甲醇以及甲烷等碳氢化 合物被用来作为发酵原料。
一、食品发酵工业对微生物菌种的一般要求
1.菌种能在廉价原料制成的培养基上迅速生长和繁殖， 并且生成所需的代谢产物产量要高。
2.菌种可以在要求不高，易于控制的培养条件下（糖浓 度、温度、pH值、溶解氧和渗透压等）迅速生长和发酵。
3.菌株生长速度和产物生成速度应较快，发酵周期较短。
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4.根据代谢控制的要求，选择单产高的营养缺陷型突变 菌株、调节突变菌株或野生菌株。
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（二）酵母菌
发酵工业中常用的酵母：酿酒酵母、汉逊酵母和各种 假丝酵母等。除了用来酿造饮料酒、酒精和烤制面包外， 还可用于生产甘油、酶制剂、有机酸等。此外，由于酵 母菌体本事富含蛋白质、核糖核酸、细胞色素C、酶类 及多种维生素，又是医药、食品、饲料行业中的重要原 料。
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1.液体表面发酵法
又称液体浅盘发酵法或静置培养法，是将已灭菌的液 体培养基，接入微生物菌种后，装入可密闭的发酵箱内 盘架上的浅盘中，薄薄一层，液层厚约1～2cm，然后 向盘架间通入无菌空气，通过浅盘内培养基的表面供给 氧气，并维持一定的温度进行发酵。
优点：无须搅拌，动力消耗省。
缺点：控制杂菌污染较难，所需场地较大，劳动强度
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四、我国发酵工业与先进国家相比，存在的 主要差距
1.传统发酵产品及产量发展过大过快 酒类、谷氨酸、柠檬酸、普通酶制剂和抗生素等。 2.发酵产品工业产值在国民生产总值中的比例较低 （1%）以下 3.发酵产品档次低，品种少，不配套。 4.技术创新力度不够，低水平重复现象严重。
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第二节 食品发酵菌种筛选
（二）液体发酵法
利用液态培养基，进行微生物的生长繁殖和形成人们所 需要的代谢产物。根据通气（供氧）或不通气及通气方法 的不同，又分为液体表面发酵法、液体深层通气发酵法、 液体厌氧发酵体（深层）发酵相比，具有以下优点
1.固体发酵单位体积的酶产量往往高于液体发酵几倍，甚 至几十倍，特别适合真菌酶类和一些次级代谢产物及大型真 菌的生产。