发酵工程及其在食品工业中应用
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第六章 发酵工程及其在食品工 业中的应用
第一节
发酵工程的概述
一、基本概念
1、发酵-fermentation
词源于拉丁文的“fervere”，指酵母作用于果汁或麦芽汁而表
现出来的沸腾现象，是糖厌氧发酵产生二氧化碳的结果。
1857年法国微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：
“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 工业上的发酵定义：任何通过大规模培养微生物来生产产品
研究对象 —— 微生物、动物细胞、植物细胞
研究内容
1.菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养 2.发酵培养基的选择、制备和灭菌 3.发酵过程的工艺技术控制 4.发酵产物的分离提纯
典型的发酵生产过程包括：
菌种的选育 确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基； 对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；
二、发酵工程的发展历史
天然发酵阶段（古代-1900年） 纯培养技术的建立（1905年-） 通气搅拌发酵技术的建立（1940年-） 开拓发酵原料时期（1960年-） 基因工程阶段（1979-）
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸、 核酸发酵(代谢控制发酵)→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规
2、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点
1928年由 Fleming发现青霉素
1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─ 40u/ml
1943年沉浸培养： 5m3 —— 200u/ml
当今：100-200m3 —— 5-7万u/ml， 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
1、发酵工程的早期阶段
1900年以前，发酵产品只限于含酒精饮料和醋；古埃及已经能酿造啤酒， 17世纪能在容 量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸 菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。
数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要 氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌 促进氧气进入发酵液。
• 厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气，
不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维 素过程不需要氧气。
• 按照使用的细胞类型，发酵分为： • 微生物发酵： • 植物细胞发酵； • 动物细胞发酵。
• 动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要
是指微生物发酵。
4、发酵的意义
• 1.获得用其它方法不易获得的物质 • 酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等
物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不 能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，D、L型的挑选要用酶 的立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。
的过程都是发酵。
2、发酵工程 —— fermentation engineering
概念
采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人
类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一 种新技术。
发酵工程是一门综合性的学科，包括微生物学、化学工程、
基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程
3、分子生物学与发酵工程
氨基酸发酵工业 —— 谷氨酸、赖氨酸 核酸发酵工业 —— 肌苷酸、乌苷酸 微生物变异株通过代谢调节 —— 代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点:
酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏) →解除菌体自身的反馈 调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副产物等
1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油(第一 次世界大战) —— 由食品工业向非食品工业发展
好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替
麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。
1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。
主要的技术进展：
通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。 抗杂菌污染的纯种培养技术：
无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制Байду номын сангаас。
意义：
抗生素工业的发展； 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法； 推动了整个发酵工业的深入发展； 为现代发酵工程奠定了基础
模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
第一个转折点：非食品工业（丙酮丁醇、甘油）
第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业
第三个转折点：切断支路代谢——酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制
和反馈阻遏)，解除菌体自身的反馈调节，突变株的应用，前体、终产物、副产物等
近代转折点：基因、动物、海洋
• 2.获得菌体 • 有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对
象。
• 3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质 • 自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。
牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的 转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸 所产生的大量有污染的废水。
菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子 接种于发酵罐中
控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程 度地获得人们渴望的代谢产物
产物萃取和精制
发酵过程中废弃物的处理与回收
3、发酵的类型
• 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由
所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。
• 好氧发酵 (aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。多
4、20世纪70年代 ——
细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间
障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：
增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目
标产物的产量
将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地
大量生产这些产物
将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质
第一节
发酵工程的概述
一、基本概念
1、发酵-fermentation
词源于拉丁文的“fervere”，指酵母作用于果汁或麦芽汁而表
现出来的沸腾现象，是糖厌氧发酵产生二氧化碳的结果。
1857年法国微生物家巴斯德提出了著名的发酵理论：
“一切发酵过程都是微生物作用的结果。” 工业上的发酵定义：任何通过大规模培养微生物来生产产品
研究对象 —— 微生物、动物细胞、植物细胞
研究内容
1.菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养 2.发酵培养基的选择、制备和灭菌 3.发酵过程的工艺技术控制 4.发酵产物的分离提纯
典型的发酵生产过程包括：
菌种的选育 确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基； 对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；
二、发酵工程的发展历史
天然发酵阶段（古代-1900年） 纯培养技术的建立（1905年-） 通气搅拌发酵技术的建立（1940年-） 开拓发酵原料时期（1960年-） 基因工程阶段（1979-）
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸、 核酸发酵(代谢控制发酵)→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规
2、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点
1928年由 Fleming发现青霉素
1941年美国和英国合作对青霉素进行生产研究
表面培养：1升扁瓶或锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 ─ 40u/ml
1943年沉浸培养： 5m3 —— 200u/ml
当今：100-200m3 —— 5-7万u/ml， 链霉素、金霉素、新霉索、红霉素
1、发酵工程的早期阶段
1900年以前，发酵产品只限于含酒精饮料和醋；古埃及已经能酿造啤酒， 17世纪能在容 量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸 菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。
数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需要 氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅拌 促进氧气进入发酵液。
• 厌氧发酵(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气，
不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维 素过程不需要氧气。
• 按照使用的细胞类型，发酵分为： • 微生物发酵： • 植物细胞发酵； • 动物细胞发酵。
• 动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要
是指微生物发酵。
4、发酵的意义
• 1.获得用其它方法不易获得的物质 • 酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等
物质至今要靠发酵来获得。化学合成的成本太高，有些物质目前还不 能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，D、L型的挑选要用酶 的立体专一性解决。用化学方法生产酶至少现在几乎不可思议。
的过程都是发酵。
2、发酵工程 —— fermentation engineering
概念
采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人
类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一 种新技术。
发酵工程是一门综合性的学科，包括微生物学、化学工程、
基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程
3、分子生物学与发酵工程
氨基酸发酵工业 —— 谷氨酸、赖氨酸 核酸发酵工业 —— 肌苷酸、乌苷酸 微生物变异株通过代谢调节 —— 代谢控制发酵技术 切断支路代谢转折点:
酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏) →解除菌体自身的反馈 调节，特殊调节控制的利用，突变株的应用，前体、终产物、副产物等
1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油(第一 次世界大战) —— 由食品工业向非食品工业发展
好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸曲代替
麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。
1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀，增殖时间短。
主要的技术进展：
通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。 抗杂菌污染的纯种培养技术：
无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制Байду номын сангаас。
意义：
抗生素工业的发展； 建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法； 推动了整个发酵工业的深入发展； 为现代发酵工程奠定了基础
模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
第一个转折点：非食品工业（丙酮丁醇、甘油）
第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业
第三个转折点：切断支路代谢——酶的活力调控，酶的合成调控(反馈控制
和反馈阻遏)，解除菌体自身的反馈调节，突变株的应用，前体、终产物、副产物等
近代转折点：基因、动物、海洋
• 2.获得菌体 • 有些微生物菌体，如人体所需的双歧乳酸菌，是以活的菌体为需要对
象。
• 3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质 • 自然界第一位的材料是纤维素。目前纤维素的分解主要靠生物分解。
牛、羊瘤胃中细菌分解纤维素的能力是化学方法无法相比的，这样的 转化产物是乳汁且无污染，而化学方法最多的转化产物是纸以及造纸 所产生的大量有污染的废水。
菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子 接种于发酵罐中
控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程 度地获得人们渴望的代谢产物
产物萃取和精制
发酵过程中废弃物的处理与回收
3、发酵的类型
• 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由
所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。
• 好氧发酵 (aerobic fermentation) 发酵过程需要氧气。多
4、20世纪70年代 ——
细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间
障碍，能定向地制造出新的有用的微生物：
增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目
标产物的产量
将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地
大量生产这些产物
将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质