发酵工程及其在食品工业中应用.ppt

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、发酵发酵-fermentationfermentationn词源词源词源词源于拉丁文的“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。n1857年法国微生物家巴斯德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一切发酵过程都是微生物作用的结果一切发酵过程都是微生物作用的结果一切发酵过程都是微生物作用的结果。”n工业工业工业工业上的发酵定义定义定义定义：任何通过大规模培养微生物来生产产品的过程都是发酵。2、发酵工程、发酵工程fermentation engineeringn概念概念概念概念采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人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。种新技术。种新技术。种新技术。发酵工程是一门综合性的学科综合性的学科综合性的学科综合性的学科，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n研究对象研究对象研究对象研究对象微生物、动物细胞、植物细胞n研究内容研究内容研究内容研究内容 1.1.1.1.菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养菌种的选育、保藏、复壮和扩大培养 2.2.2.2.发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌发酵培养基的选择、制备和灭菌 3.3.3.3.发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制发酵过程的工艺技术控制 4.4.4.4.发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯发酵产物的分离提纯u典型的发酵生产过程包括：典型的发酵生产过程包括：确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基；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；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中接种于发酵罐中 菌种的选育菌种的选育产物萃取和精制产物萃取和精制发酵过程中废弃物的处理与回收发酵过程中废弃物的处理与回收控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程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度地获得人们渴望的代谢产物 3、发酵的类型、发酵的类型 按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，按照是否需氧，发酵分为好氧和厌氧两大类，是否需氧是由是否需氧是由是否需氧是由是否需氧是由所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。所使用的细胞或菌株的代谢特性决定的。好氧发酵好氧发酵好氧发酵好氧发酵 (aerobic fermentation)(aerobic fermentation)发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。发酵过程需要氧气。多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需多数有机酸，如醋酸、柠檬酸和各种氨基酸的发酵生产菌需多数有机酸，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。不断搅要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅要氧气。发酵所需的氧气是以无菌空气方式供给的。不断搅要氧气。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。拌促进氧气进入发酵液。拌促进氧气进入发酵液。拌促进氧气进入发酵液。厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵(anaerobic fermentation)(anaerobic fermentation)发酵过程无需氧气，发酵过程无需氧气，发酵过程无需氧气，发酵过程无需氧气，不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。酵母菌酿酒，乳酸菌生产乳酸，瘤胃细菌分解纤维不搅拌。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。素过程不需要氧气。素过程不需要氧气。素过程不需要氧气。按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，按照使用的细胞类型，发酵分为：发酵分为：发酵分为：发酵分为：微生物发酵：微生物发酵：微生物发酵：微生物发酵：植物细胞发酵；植物细胞发酵；植物细胞发酵；植物细胞发酵；动物细胞发酵。动物细胞发酵。动物细胞发酵。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动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要动植物细胞的发酵历史很短。通常所说的发酵主要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。是指微生物发酵。是指微生物发酵。是指微生物发酵。4、发酵的意义、发酵的意义 1.1.获得用其它方法不易获得的物质获得用其它方法不易获得的物质获得用其它方法不易获得的物质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、复杂的多糖等酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等酒精等有机物质，生物碱、激素、酶、蛋白质、核酸、复杂的多糖等酒精等有机物质，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，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，能化学方法合成，例如有旋光活性的氨基酸，DD、L L型的挑选要用酶的型的挑选要用酶的型的挑选要用酶的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。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。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。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。2.2.获得菌体获得菌体获得菌体获得菌体 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。象。象。象。3.3.转化为用其它方法不能或不易转化的物质转化为用其它方法不能或不易转化的物质转化为用其它方法不能或不易转化的物质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。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。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。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。所产生的大量有污染的废水。所产生的大量有污染的废水。所产生的大量有污染的废水。n n天然发酵阶段（古代-1900年）n n纯培养技术的建立（1905年-）n n通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）n n开拓发酵原料时期（1960年-）n n基因工程阶段（1979-）二、发酵工程的发展历史发酵现象发酵现象酿造食品工业酿造食品工业非食品工业非食品工业非食品工业非食品工业青霉素青霉素青霉素青霉素抗菌素发酵工业抗菌素发酵工业氨基酸、氨基酸、核酸发酵核酸发酵(代谢控制发酵代谢控制发酵代谢控制发酵代谢控制发酵)基因工程基因工程基因工程基因工程菌菌动物细胞大规模培养动物细胞大规模培养植物细胞大规植物细胞大规模培养模培养藻类细胞大规模培养藻类细胞大规模培养转基因动物转基因动物n 第一个转折点第一个转折点第一个转折点第一个转折点：非食品工业（丙酮丁醇、甘油）n 第二个转折点第二个转折点第二个转折点第二个转折点：青霉素抗菌素发酵工业n 第三个转折点第三个转折点第三个转折点第三个转折点：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n 近代转折点近代转折点近代转折点近代转折点：基因、动物、海洋1 1、发酵工程的早期阶段、发酵工程的早期阶段、发酵工程的早期阶段、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n人们的对发酵技术的认识起始于1919世纪末世纪末世纪末世纪末，主要来自于厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。n19161916年年年年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇丙酮丁醇丙酮丁醇丙酮丁醇，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由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展由食品工业向非食品工业发展n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。n19331933年年年年等人发明了摇瓶培养法摇瓶培养法摇瓶培养法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。2 2、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点、青霉素的发现是发酵工程的重大转折点19281928年年年年由Fleming发现青霉素19411941年年年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/ml19431943年年年年沉浸培养沉浸培养沉浸培养沉浸培养：5m3200u/ml当今：100-200m35-7万u/ml，链霉素、金霉素、新霉索、红霉素主要的技术进展技术进展技术进展技术进展：l通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题供氧问题供氧问题供氧问题。l抗杂菌污染的纯种培养技术纯种培养技术纯种培养技术纯种培养技术：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造。意义意义意义意义：l 抗生素工业的发展；l 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；l 推动了整个发酵工业的深入发展；l 为现代发酵工程奠定了基础3 3、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程、分子生物学与发酵工程 氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸发酵工业谷氨酸、赖氨酸 核酸核酸核酸核酸发酵工业肌苷酸、乌苷酸 微生物变异变异变异变异株通过代谢调节代谢控制发酵技术 切断支路代谢切断支路代谢切断支路代谢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4 4、2020世纪世纪世纪世纪7070年代年代年代年代 细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、基因操作技术细胞融合技术、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为原料进行发酵生产或环境保护这个阶段以基因工程产品的生产为标志。目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素等等。人胰岛素人胰岛素人生长激素人生长激素(GH)(GH)表皮生长因子表皮生长因子(EGF)(EGF)肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子白细胞介素白细胞介素-2(IL-2(IL-2)2)尿激酶原尿激酶原猪生长激素猪生长激素(PGH)(PGH)牛生长激素牛生长激素(BGH)(BGH)纤维素酶,-干扰素乙型肝炎疫苗集落刺激因子(CSF)促红细胞生成素(EPO)抗血友病因子组织溶纤原激活剂(t-PA)部分利用基因工程技术研制的产品部分利用基因工程技术研制的产品部分利用基因工程技术研制的产品部分利用基因工程技术研制的产品阶段阶段主要产品主要产品控制要求控制要求菌种来源菌种来源自然发酵阶段自然发酵阶段（1900以前）以前）制曲酿酒、制醋、酿制酱油、制曲酿酒、制醋、酿制酱油、泡菜、沤肥等泡菜、沤肥等温度计、比重计、温度计、比重计、热交换器热交换器纯培养物纯培养物重培养发酵阶段重培养发酵阶段（1900-1940）面包酵母、甘油、柠檬酸、丙面包酵母、甘油、柠檬酸、丙酮酮-丁醇等丁醇等pH离线控制、离线控制、温度温度纯培养技术纯培养技术深层通气发酵阶段深层通气发酵阶段（1940-1957）抗生素、有机酸、酶制剂、维抗生素、有机酸、酶制剂、维生素、激素等生素、激素等温度、温度、pH突变、筛选突变、筛选代谢调控发酵阶段代谢调控发酵阶段（1957-1960）氨基酸、核苷酸氨基酸、核苷酸温度、温度、pH、诱变诱变全面发展阶段全面发展阶段（1960-1979）单细胞蛋白单细胞蛋白计算机控制计算机控制菌株遗传工程菌株遗传工程技术技术基因工程阶段基因工程阶段（1979-today）为生物自身不能产生的物质，为生物自身不能产生的物质，如干扰素、胰岛素如干扰素、胰岛素计算机控制计算机控制基因重组技术基因重组技术发酵工业的发展阶段5 5、发酵工程产业化发展、发酵工程产业化发展、发酵工程产业化发展、发酵工程产业化发展p目前，全球发酵产品的年销售额在400亿美元左右，并以每年约7-8%7-8%的速率的速率的速率的速率增长增长增长增长。p我国发酵行业生产企业有5000多家，主要发酵产品的年产值达1300亿元。p随着人类社会经济发展，当前的能源结构能源结构能源结构能源结构、资源结构资源结构资源结构资源结构、环境状态环境状态环境状态环境状态已不能支撑现有的发展模式。p煤、石油等能源的耗竭以及环境保护的急需。p发酵工程给人类社会的生产力发展带来了巨大潜力，涉及到解决人类所面临的食食食食品与营养品与营养品与营养品与营养、健康与环境健康与环境健康与环境健康与环境、资源与能源资源与能源资源与能源资源与能源等重大问题p基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济，基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济，基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济，基于碳氢化合物的经济转变为基于碳水化合物的经济，将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪将工业革命世纪转变到生物技术世纪只有工业微生物才能将来源于太阳能的可再生资源碳水化合物转变为现代社会所需要的化工原料和能源。这种能源结构和资源结构的转变直接关系到我国经济的可持续发展，社会的稳定、和国家安全。p2121世纪是生物技术世纪世纪是生物技术世纪世纪是生物技术世纪世纪是生物技术世纪未来科学家说：21世纪是生物技术世纪；科学家科学家科学家科学家预言：21世纪世界即将在生物技术上取得重大突破，新世纪之初，科学方面的主要将在生物学、遗传学和医学、新型生物材料、能源、环境保护上有所突破；经济学家经济学家经济学家经济学家则认为：21世纪20年代，生物经济将由目前的形成阶段进入成长阶段，即工业生产与商业开发阶段。pp 我国的情况我国的情况我国的情况我国的情况转录组学转录组学 蛋白质组学蛋白质组学 代谢组学代谢组学 通量组学通量组学 计量生物学计量生物学三三、发酵工程的工艺流程、发酵工程的工艺流程发酵生产的设备发酵生产的设备发酵生产的设备发酵生产的设备 发酵罐又叫反应器，有通风和嫌气两类。前者用于好氧发发酵罐又叫反应器，有通风和嫌气两类。前者用于好氧发发酵罐又叫反应器，有通风和嫌气两类。前者用于好氧发发酵罐又叫反应器，有通风和嫌气两类。前者用于好氧发酵，后者用于厌氧发酵。也有同时适合于两种类型的发酵酵，后者用于厌氧发酵。也有同时适合于两种类型的发酵酵，后者用于厌氧发酵。也有同时适合于两种类型的发酵酵，后者用于厌氧发酵。也有同时适合于两种类型的发酵罐。罐。罐。罐。物料处理和运输设备物料处理和运输设备物料处理和运输设备物料处理和运输设备 如磨碎机、筛选机、输送机等，如磨碎机、筛选机、输送机等，如磨碎机、筛选机、输送机等，如磨碎机、筛选机、输送机等，用于将原料粉碎和传输至发酵罐。用于将原料粉碎和传输至发酵罐。用于将原料粉碎和传输至发酵罐。用于将原料粉碎和传输至发酵罐。空气调节和除菌设备空气调节和除菌设备空气调节和除菌设备空气调节和除菌设备 调节空气的湿度、温度和除去空调节空气的湿度、温度和除去空调节空气的湿度、温度和除去空调节空气的湿度、温度和除去空气中的微生物。气中的微生物。气中的微生物。气中的微生物。过滤与分离设备过滤与分离设备过滤与分离设备过滤与分离设备 如过滤机，离心机等用于发酵成熟液如过滤机，离心机等用于发酵成熟液如过滤机，离心机等用于发酵成熟液如过滤机，离心机等用于发酵成熟液的过滤、澄清；产物的分离。的过滤、澄清；产物的分离。的过滤、澄清；产物的分离。的过滤、澄清；产物的分离。浓缩干燥结晶设备浓缩干燥结晶设备浓缩干燥结晶设备浓缩干燥结晶设备 用于分离后获得的初品的再处理。用于分离后获得的初品的再处理。用于分离后获得的初品的再处理。用于分离后获得的初品的再处理。发酵的工艺控制 发酵过程需在以下方面监控，这些指标已经实现在线自动化。发酵过程需在以下方面监控，这些指标已经实现在线自动化。发酵过程需在以下方面监控，这些指标已经实现在线自动化。发酵过程需在以下方面监控，这些指标已经实现在线自动化。1.1.温度温度温度温度 升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管（排管）中的蒸升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管（排管）中的蒸升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管（排管）中的蒸升、降温度是通过发酵罐的夹套或换热蛇管（排管）中的蒸汽或制冷剂，与发酵液进行热交换实现的。汽或制冷剂，与发酵液进行热交换实现的。汽或制冷剂，与发酵液进行热交换实现的。汽或制冷剂，与发酵液进行热交换实现的。2.2.溶氧溶氧溶氧溶氧 通风搅拌增加溶解氧通风搅拌增加溶解氧通风搅拌增加溶解氧通风搅拌增加溶解氧 3.pH3.pH 调节方法为加酸、碱或稀释。调节方法为加酸、碱或稀释。调节方法为加酸、碱或稀释。调节方法为加酸、碱或稀释。以上三项使用以上三项使用以上三项使用以上三项使用传感器传感器传感器传感器监控。监控。监控。监控。4.4.泡沫泡沫泡沫泡沫 发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行，加入消泡剂可发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行，加入消泡剂可发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行，加入消泡剂可发酵过程产生过多泡沫会影响发酵正常进行，加入消泡剂可以减少泡沫生成。以减少泡沫生成。以减少泡沫生成。以减少泡沫生成。5.5.中间产物中间产物中间产物中间产物 要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行，要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行，要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行，要使微生物和动植物细胞的代谢朝着所需的方向进行，应用细胞代谢调控知识引导，否则会出现过多的副产物。应用细胞代谢调控知识引导，否则会出现过多的副产物。应用细胞代谢调控知识引导，否则会出现过多的副产物。应用细胞代谢调控知识引导，否则会出现过多的副产物。6.6.杂菌污染杂菌污染杂菌污染杂菌污染 非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。确保菌种扩大非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。确保菌种扩大非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。确保菌种扩大非发酵使用的微生物会随时进入发酵罐。确保菌种扩大期期期期间间间间无杂菌培养是最关键的一步。发酵期间杂菌污染要及时发现和消无杂菌培养是最关键的一步。发酵期间杂菌污染要及时发现和消无杂菌培养是最关键的一步。发酵期间杂菌污染要及时发现和消无杂菌培养是最关键的一步。发酵期间杂菌污染要及时发现和消除。除。除。除。应用发酵工程的生产实例应用发酵工程的生产实例 谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物谷氨酸是鲜味剂味精的主要成分，以前用植物(如大豆如大豆如大豆如大豆)蛋蛋蛋蛋白质水解法生产。白质水解法生产。白质水解法生产。白质水解法生产。19571957年，日本率先用微生物发酵法生年，日本率先用微生物发酵法生年，日本率先用微生物发酵法生年，日本率先用微生物发酵法生产成功。产成功。产成功。产成功。常用的谷氨酸产生菌有常用的谷氨酸产生菌有常用的谷氨酸产生菌有常用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌黄色短杆菌黄色短杆菌黄色短杆菌等。等。等。等。培养基通常用豆饼培养基通常用豆饼培养基通常用豆饼培养基通常用豆饼(或马铃薯等或马铃薯等或马铃薯等或马铃薯等)的水解液、玉米浆、尿素、的水解液、玉米浆、尿素、的水解液、玉米浆、尿素、的水解液、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液磷酸氢二钾、氧化钾、硫酸镁、生物素等配制而成，呈液体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培体状态，因此也称培养液。其中的生物素是生长因子。培养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入养液配制完成以后，投放到发酵罐中，通入98kPa98kPa的蒸汽的蒸汽的蒸汽的蒸汽进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。进行灭菌，冷却后，在无菌条件下加入菌种，即为接种。发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却等装置；此外，还有对温度、还有对温度、还有对温度、还有对温度、pHpHpHpH、通气量与转速等发酵条件进行检测和控、通气量与转速等发酵条件进行检测和控、通气量与转速等发酵条件进行检测和控、通气量与转速等发酵条件进行检测和控制的装置制的装置制的装置制的装置(如图如图如图如图)。谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，谷氨酸棒状杆菌是好氧菌，因此，发酵过程要不断地通入无菌空气，发酵过程要不断地通入无菌空气，发酵过程要不断地通入无菌空气，发酵过程要不断地通入无菌空气，并通过搅拌，使空气形成细小的气并通过搅拌，使空气形成细小的气并通过搅拌，使空气形成细小的气并通过搅拌，使空气形成细小的气泡，迅速溶解在培养液中泡，迅速溶解在培养液中泡，迅速溶解在培养液中泡，迅速溶解在培养液中(称溶氧称溶氧称溶氧称溶氧)；同时，也能使菌种与培养液充分；同时，也能使菌种与培养液充分；同时，也能使菌种与培养液充分；同时，也能使菌种与培养液充分接触，提高它们对原料的利用率。接触，提高它们对原料的利用率。接触，提高它们对原料的利用率。接触，提高它们对原料的利用率。在温度为在温度为在温度为在温度为30303737、pHpH为为为为7 78.08.0的条件下，经的条件下，经的条件下，经的条件下，经282832h32h，培养，培养，培养，培养液中就会生成大量的谷氨酸。液中就会生成大量的谷氨酸。液中就会生成大量的谷氨酸。液中就会生成大量的谷氨酸。最后，将谷氨酸从培养液中分离提最后，将谷氨酸从培养液中分离提最后，将谷氨酸从培养液中分离提最后，将谷氨酸从培养液中分离提取出来，通常每升培养液中能得到取出来，通常每升培养液中能得到取出来，通常每升培养液中能得到取出来，通常每升培养液中能得到谷氨酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸5050100g100g。提取出来的谷。提取出来的谷。提取出来的谷。提取出来的谷氨酸用适量的氨酸用适量的氨酸用适量的氨酸用适量的NaNa2 2COCO3 3溶液中和后，溶液中和后，溶液中和后，溶液中和后，再经过过滤、浓缩、离心分离等步再经过过滤、浓缩、离心分离等步再经过过滤、浓缩、离心分离等步再经过过滤、浓缩、离心分离等步骤，便制成了味精。骤，便制成了味精。骤，便制成了味精。骤，便制成了味精。四、发酵工程的微生物学基础1 1、微生物、微生物、微生物、微生物(Micro-organism)的特征的特征的特征的特征pp 定义定义定义定义一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称通常要用光学显微镜和电子显微镜才能看清楚(有些肉眼可见，如蘑菇、灵芝)pp 分类分类分类分类 原核类原核类原核类原核类：细菌、蓝细菌、放线菌；支原体、衣原体、立克次氏体 真核类真核类真核类真核类：真菌、原生动物、显微藻类 非细胞类非细胞类非细胞类非细胞类：病毒、亚病毒(类病毒，拟病毒，朊病毒)pp 特点特点特点特点：形体小(0.1mm)；构造简单：单细胞、简单多细胞、非细胞；体积小，面积大；吸收多，转化快；生长旺，繁殖快；适应强，易变异；分布广，种类多。大肠杆菌大肠杆菌 0157:H7 放线菌放线菌酵母菌酵母菌霉菌分生孢子霉菌分生孢子弧形霍乱菌弧形霍乱菌肉毒梭菌肉毒梭菌淋病球菌淋病球菌肺炎支原体肺炎支原体HIV病毒病毒l l 微生物大小的直观感觉微生物大小的直观感觉微生物大小的直观感觉微生物大小的直观感觉l l 不同微生物的增殖速率不同微生物的增殖速率不同微生物的增殖速率不同微生物的增殖速率微生物名称微生物名称代时代时每日分裂次数每日分裂次数温度温度每日增殖率每日增殖率乳酸菌38分38252.71011大肠杆菌18分80371.21024根瘤菌110分13258.2103枯草杆菌31分46307.01013光合细菌144分10301.0103酿酒酵母120分12304.1103小球藻7小时3.42510.6念珠藻23小时1.04252.1硅藻17小时1.4202.64草履虫10.4小时2.3264.92l l 突变频率突变频率突变频率突变频率一般为1010-5-51010-10-10变异原因：变异原因：变异原因：变异原因：个体多为单细胞或结构简单结构简单结构简单结构简单的多细胞，甚至非细胞结构，易受到外界物理或易受到外界物理或易受到外界物理或易受到外界物理或化学因素影响化学因素影响化学因素影响化学因素影响细胞增殖速度快增殖速度快增殖速度快增殖速度快，细胞数量多，因而尽管其自发突变率很低，也会造成在短时间内产生较多的变异后代案例：案例：1 1、青霉素生产菌的诱变选育、青霉素生产菌的诱变选育生产青霉素的产黄青霉菌，开始筛选获得时，每毫升发酵液仅含约20单位单位的青霉素，但经过多次诱变选育后，每毫升已超过5万单位万单位了。2 2、病原微生物对抗生素的耐药性变异、病原微生物对抗生素的耐药性变异40年代初至今，成人患者的青霉素注射剂量注射剂量,已由每天每天10万单位万单位提高到100万单位万单位甚至上千万单位甚至上千万单位。2 2、发酵工程中的重要微生物、发酵工程中的重要微生物、发酵工程中的重要微生物、发酵工程中的重要微生物n n 假单胞菌假单胞菌假单胞菌假单胞菌(Pseudomonas)(Pseudomonas)维C、抗生素、酶及酶抑制剂、有机酸从石油产品制造产品(水杨酸等)消除环境污染(处理石油废水，含酚、氰和化学农药的污水等)n n 大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌大肠杆菌(Escherichia coliEscherichia coli)基因工程宿主菌，工业上生产谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶和制备天冬氨酸、苏氨酸及缬氨酸等n n 双歧杆菌双歧杆菌双歧杆菌双歧杆菌 (Bifidobacterium)(Bifidobacterium)活性双歧杆菌的乳制品或微生态制剂n n 枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis)(Bacillus subtilis)淀粉酶、蛋白酶、5-核苷酸酶、某些氨基酸及核苷n n 乳酸杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌乳酸杆菌 (Lactobacillus)(Lactobacillus)n n 链霉菌链霉菌链霉菌链霉菌 (Streptomyces)(Streptomyces)90%90%抗生素由链霉菌属生产抗生素由链霉菌属生产抗生素由链霉菌属生产抗生素由链霉菌属生产，常见有：链霉素、土霉素、博莱霉素、丝裂霉素、制霉菌素、卡那霉素、井冈霉素n n 酵母菌酵母菌酵母菌酵母菌 (yeast)(yeast)常用酵母菌有：啤酒酵母、假丝酵母、类酵母等主要用于酿酒、制造面包、制造低凝固点石油、生产脂肪酶、酵母菌体蛋白、基因工程宿主菌等。n n 霉菌霉菌霉菌霉菌 (molds)(molds)工业上常用霉菌有：根霉、毛霉、犁头霉，红曲霉，曲霉、青霉等，主要用于生产多种酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素等。乳酸菌乳酸菌酵母和醋酸菌酵母和醋酸菌泡菜发酵中的有益菌泡菜发酵中的有益菌豆豉和纳豆的发酵菌种豆豉和纳豆的发酵菌种豆豉：米曲霉（同豆酱）豆豉：米曲霉（同豆酱）纳豆：米曲霉、细菌（纳豆芽纳豆：米曲霉、细菌（纳豆芽孢杆菌）孢杆菌）腐乳的发酵菌种腐乳的发酵菌种主要是毛霉主要是毛霉另有根霉、米曲霉、红曲菌、另有根霉、米曲霉、红曲菌、酵母等酵母等酿造酱油的发酵菌种酿造酱油的发酵菌种米曲霉米曲霉和和酱油曲霉酱油曲霉决定酱油的发酵速度、成决定酱油的发酵速度、成品颜色及味道品颜色及味道 米曲霉（蛋白酶、谷氨酰胺酶、淀粉酶、果米曲霉（蛋白酶、谷氨酰胺酶、淀粉酶、果胶酶、半纤维素酶等）胶酶、半纤维素酶等）酵母菌和乳酸菌酵母菌和乳酸菌有助酱油产有助酱油产香香（乳酸乙酯）（乳酸乙酯）酿造食醋的发酵菌种酿造食醋的发酵菌种黑曲霉（糖化）黑曲霉（糖化）酵母（产酒精）酵母（产酒精）醋酸菌醋酸菌注意：黄曲霉毒素，特别是花生、大米等易生成，具有强致注意：黄曲霉毒素，特别是花生、大米等易生成，具有强致注意：黄曲霉毒素，特别是花生、大米等易生成，具有强致注意：黄曲霉毒素，特别是花生、大米等易生成，具有强致癌性。癌性。癌性。癌性。黄酒厂的曲中无此毒素黄酒厂的曲中无此毒素黄酒厂的曲中无此毒素黄酒厂的曲中无此毒素 五、发酵过程中的染菌问题染菌不会无缘无故，是人无意识所为；染菌不会无缘无故，是人无意识所为；染菌不会无缘无故，是人无意识所为；染菌不会无缘无故，是人无意识所为；防范得当是可以把杂菌拒之门外的防范得当是可以把杂菌拒之门外的防范得当是可以把杂菌拒之门外的防范得当是可以把杂菌拒之门外的1 1、常见的染菌原因、常见的染菌原因、常见的染菌原因、常见的染菌原因 空气带菌空气带菌空气带菌空气带菌：过滤介质不干燥；灭菌和发酵时操作不当使罐压高于过滤器中空气压力，将冷凝水或发酵液倒灌至过滤器内；突然停电，空压机停转，也会发生倒灌。培养基灭菌不彻底培养基灭菌不彻底培养基灭菌不彻底培养基灭菌不彻底：蒸汽压力或灭菌时间不够；配料未混合均匀，存在结块现象 设备死角设备死角设备死角设备死角：设备方面特别是老设备常会遇到各种问题，如夹层或盘管、轴封和管道的渗漏；空气除菌效果差；管道安装不合理，存在死角等 排水排气排水排气排水排气排水排气：多个罐的排气管、下水管汇集在一条总管路上，相互干扰人员操作失误人员操作失误人员操作失误人员操作失误2 2、可能污染的杂菌种类、可能污染的杂菌种类、可能污染的杂菌种类、可能污染的杂菌种类芽孢杆菌、短杆菌、长杆菌、球菌、噬菌体、酵母菌等3 3、染菌的判断、染菌的判断、染菌的判断、染菌的判断 常用方法常用方法常用方法常用方法：镜检或无菌试验方法。局限性：初期很难镜检发现，发现后染菌已很严重；无菌试验要十来个小时，发现后再处理为时已晚。发酵参数异常变化判断发酵参数异常变化判断发酵参数异常变化判断发酵参数异常变化判断：溶氧变化规律可作为染菌预报的根据。污染好气性杂菌，溶氧会一反往常在较短时间内下降到接近零，且长时间不回升杂菌本身非十分好气：溶氧反而升高 污染噬菌体污染噬菌体污染噬菌体污染噬菌体：发酵液变稀，溶氧迅速回升 从染菌的规模来分析从染菌的规模来分析从染菌的规模来分析从染菌的规模来分析l l 大批大批大批大批发酵罐染菌，而且染的是同一种菌，一般是由空气过滤器失效造成的。对空气系统必须定期检查。l l 部分部分部分部分发酵罐(或罐组)染菌，发酵前期可能是种子带菌，中后期可能是中间补料系统或油管路发生问题l l 个别个别个别个别发酵罐连续染菌和偶然染菌，大多由设备问题造成(如阀门渗漏、罐体腐蚀、冷却管穿孔等)。个别发酵罐的偶然染菌原因比较复杂。从染菌的时间来分析从染菌的时间来分析从染菌的时间来分析从染菌的时间来分析l 发酵早期早期早期早期染菌：种子带菌，培养液灭菌或设备灭菌不彻底l 中、后期中、后期中、后期中、后期染菌：中间补料、设备渗漏以及操作不合理 从染菌的类型来分析从染菌的类型来分析从染菌的类型来分析从染菌的类型来分析l 染耐热芽孢杆菌：多因设备存在死角或培养基灭菌不彻底l 染球菌、酵母：从蒸汽的冷凝水或空气中带来l 污染霉菌：大多是灭菌不彻底或无菌操作不严格所致。4 4、灭菌与消毒、灭菌与消毒、灭菌与消毒、灭菌与消毒 灭菌灭菌灭菌灭菌：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 消毒消毒消毒消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为N/NN/N0 0=10=10-16-16时时时时灭菌温度对维生素灭菌温度对维生素灭菌温度对维生素灭菌温度对维生素B1B1的影响的影响的影响的影响灭菌温度灭菌温度灭菌温度灭菌温度()达到灭菌程度的时间达到灭菌程度的时间达到灭菌程度的时间达到灭菌程度的时间(min)(min)维生素维生素维生素维生素B1B1的损失的损失的损失的损失(%)(%)100 843 99.99 110 75 89 120 7.6 27 130 0.851 10 140 0.107 3 150 0.015 1发酵工程实验中常用的消毒剂、浓度及使用范围发酵工程实验中常用的消毒剂、浓度及使用范围第二节第二节 发酵工程在食品工业上的应用发酵工程在食品工业上的应用1 1、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用、在食品工业上的应用 （1 1）通过发酵工程使一些传统的发酵产品，如啤酒、）通过发酵工程使一些传统的发酵产品，如啤酒、）通过发酵工程使一些传统的发酵产品，如啤酒