发酵工程经典案例.ppt
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1、第四章 发酵工程与食品工业 第一节 发酵工程概述,发酵工程是生物技术的重要组成部分,是生物技术产业化的重要环节。 发酵工程是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术,由于它的主体是微生物,又称为微生物工程,一、发酵工程的内容,生产菌种的选育 发酵条件的优化和控制 反应器的设计 产物的分离提取与精制,发酵工程的应用范围,(1)微生物菌体的利用和生产 利用再生资源生产单细胞蛋白 生产作为生物催化剂的微生物细胞 (2)微生物代谢产物的利用 生产各类初级代谢产生和次级代谢产物 (3)微生物技能的利用 利用微生物分解有毒化合物和高分子化合物;开采石油和探矿、细菌冶金;有机废物的综合治理
2、;海洋和宇宙的开发。,具有商业价值的发酵产品: (1)微生物菌体的生产和利用:面包酵母、药用真菌(香菇、灵芝)、苏云金杆菌。 (2)微生物酶的生产:一系列工业酶制剂。 (3)微生物代谢产物的生产:已知有37大类,其中16类属于药物。可分为: 初级代谢产物:在菌体对数生长期产生,如:AA、核苷酸、蛋白质、糖类、核酸等。 次级代谢产物:某些菌体在生长静止期合成一些具有特定功能的产物。如:抗生素、生物碱、细菌毒素核植物生长因子等。,(4)微生物的转化发酵:利用微生物细胞的一种或多种酶,将一种化合物转化成结构相关的更有经济价值的产物。如:葡萄糖转化成葡萄糖酸。 (5)生物工程细胞的发酵:利用基因工程菌
3、、细胞融合所得的杂交细胞等进行培养的新型发酵,其产品多种多样。如:胰岛素、单克隆抗体等。 现代发酵工程不仅使用微生物细胞,也可使用动物细胞、植物细胞发酵生产有用物质。,二、发酵工程发展简介,1、传统微生物发酵技术天然发酵 人类利用微生物进行自然发酵来酿酒、制醋等可追溯到几千年前。 2、第一代微生物发酵技术纯培养技术的建立 从1680年列克虎文发明显微镜能用肉眼观察到微生物;1857年巴斯德证明酒精发酵是由活酵母细胞引起的,到德国人柯赫发明固体培养基,建立微生物的纯培养技术,开创了人为控制发酵过程的时期。 简单密闭式发酵罐的发明、发酵管理技术的改进,工业发酵逐步进入了现代化学工业的行列。 这时期
4、的主要产品有:酵母、酒精、丁醇、有机酸赫酶制剂等一些厌氧发酵和表面固体发酵产生的次级代谢产物。,发酵工业与化学工业特点比较,发酵工程生产产品的工艺流程:,初级培养(菌体的活化) 次级培养(种子扩大培养) 初级发酵(菌体生长阶段) 产品发酵阶段 发酵产物的回收 离心 胞内产物 胞外产物 细胞 发酵液 破碎细胞 提取产物 纯化产物 纯化产物,发酵工程在食品工业中的应用主要包括两方面: 发酵食品的生产:在生产过程中以发酵过程为 主。 发酵法生产食品添加剂:,第二节 发酵食品概述,所谓发酵食品,是一类通过发酵手段生产出的一类产品,或在该产品生产的某一阶段采用了发酵手段。发酵技术在这类食品的生产过程中有
5、时起主要作用(如酱油的生产),有时只起辅助作用(如红茶的生产)。 通常发酵食品具有特殊的风味、口感。具有较强的嗜好性。,一、发酵食品的分类,1、按产品分类: 发酵调味品:主要以粮食为原料,如:酱油、酱、 食醋、腐乳等。 发酵乳制品:以各类乳为原料,如:奶酪、酸奶豆 酸奶、酸奶油等。 发酵饮料:以粮食、果蔬汁为原料,如:啤酒、果 酒、发酵果蔬汁饮料等。 发酵面团:如面包 发酵蔬菜制品:以蔬菜为原料,产品有酸菜、泡菜 等。 发酵鱼肉制品:鱼酱、火腿、中式香肠等。 发酵真菌制品:各种菇类,如香菇、灵芝等。,2、根据微生物的发酵类型分类: 产酸发酵:酸奶、酸泡菜; 生醇发酵:各类含醇饮料; 混合发酵:
6、酱油、醋、酒; 真菌发酵:灵芝等; 3、根据发酵微生物的种类分: 细菌发酵:主要是乳酸菌; 酵母发酵:啤酒酵母、面包酵母; 霉菌发酵:各类曲的制备; 真菌发酵:竹红菌素,二、发酵食品的特点,1、涉及面广 从粮食到蔬菜,从乳制品到鱼肉制品,从饮料到调味品。 2、历史悠久 与人类文明具有同样悠久的历史。 3、品种繁多 4、采用特殊的生产工具微生物 生产发酵食品所用的微生物除具有优良的发酵特性外,必需无毒、非病原性、不产毒素,同时能抑制产毒菌株的生长。 5、有些产品生产周期较长,第三节 发酵法生产食品添加剂概述,为了改善食品品质和色、香、味、防腐和加工工艺的需要,人们在食品中加入的一些少量化学合成或
7、天然物质,这类物质称为食品添加剂。 食品添加剂包括:酸味剂、甜味剂、色素、 增稠剂、乳化剂、防腐 营养强化剂、功能因子等。 食品添加剂在产品中不影响食品营养价值,具有防止食品腐败变质、增强食品感官性质或提高食品质量的重要作用。,一、食用有机酸,传统的酸味剂第一是醋,其次是乳酸。 近代食品加工中最重要的是柠檬酸(被称为“第一食用酸味剂”),其次是L-苹果酸。 这些有机酸都需通过微生物的发酵制成,其中以柠檬酸的产量和用量最大。 世界的微生物发酵生产的有机酸总产量已达80万吨,美国产量最大。 我国的柠檬酸年总产量也已超过20万吨,居世界首位,1、柠檬酸 19世纪末就已发现青霉菌和毛霉具有发酵糖质合成
8、柠檬酸的能力,随后发现许多微生物如曲霉属、桔霉属及木霉属等霉菌都能产生柠檬酸。 1913年首次用黑曲霉发酵生产柠檬酸,1917年黑曲霉发酵法生产柠檬酸的机理被揭示出来,此后,在很多国家用黑曲霉表面培养法大规模生产柠檬酸。 1952年美国首先用深层发酵法工业化生产柠檬酸,现在几乎都采用这种生产方法。 我国在1968年就获得了薯干原料深层发酵柠檬酸成功。以薯干为原料深层发酵生产柠檬酸,原料丰富,工艺简单,发酵水平较高,与国外以精制蔗糖为原料相比,技术上有明显的特色。柠檬酸在我国已成为一项较大的产业。,柠檬酸发酵生产工艺 (1)菌种: 能产柠檬酸的微生物很多,如黑曲霉(A. niger)、温氏曲霉(
9、A. wentii)、淡黄青霉(P. Luteum)、鲁氏桔霉(Citromyces preffereianus)等,但工业生产中大多采用黑曲霉,因为其柠檬酸产量高,并且可以利用多种碳源。为了提高产率,目前采用的多为经诱变选育的菌株。 酵母菌和细菌发酵柠檬酸的研究始于20世纪60年代,工业上有兴趣的是正烷烃发酵生产柠檬酸,其优良菌株是各种假丝酵母菌(Candida)。,(2)发酵工艺 : 柠檬酸发酵无论采用哪种微生物都是典型的好氧发酵。 工业中可采用表面发酵、固态发酵和液态深层发酵等三种发酵方法生产柠檬酸。另外对连续发酵、半连续发酵、固定化细胞发酵、酵母菌和细菌发酵等都有所研究,但真正有竞争力
10、的是液态深层发酵法,现在生产中大多采用这种方法,而表面培养和固态发酵作为补充依然存在。,表面发酵: 利用生长在液态培养基表面的微生物的代谢作用,将可发酵性原料转化为柠檬酸,主要用于糖蜜原料。该方法设备简单,投资少,投产快,操作技术简单,能耗低,原料粗放,产酸浓度高,但占地面积大,劳动强度高,发酵时间长,菌体生长量影响产酸率。 固态发酵 将发酵原料及菌体被吸附在疏松的固体支持物上,经过微生物的代谢活动,将原料中的可发酵成分转化为柠檬酸。薄层固态发酵与曲盘制曲类似,深层固态发酵等同于通风制曲。该方法资金投入少,投产快,工艺简单可行,产酸率也较高,但劳动强度大,自动化程度低,设备利用率不高。目前国内
11、外都在研究适合于大规模工业化生产的固态通风发酵设备。 液体深层发酵法 目前柠檬酸发酵生产的主导工艺。该方法发酵速度快,时间短,产酸高,原料消耗低,设备占地小,规模大。可采用的原料有各种淀粉质原料和糖质原料,国内主要采用薯类和谷类淀粉质原料。具体工艺随菌种和原料的不同而有所差异。,2、乳酸 (1)菌种: 自然界中可以产生乳酸的微生物很多,因为对于生物来说,发酵糖类产生乳酸是一种获得能量的最原始手段之一。但产酸能力强,能应用到工业上的只有细菌中的的乳酸菌和霉菌中的根霉。 乳酸生产对菌种的要求是产酸迅速、副产物少、营养要求简单、耐高温。这样可以避免杂菌污染,加速发酵进程,提高产率,便于提取。,发酵法
12、生产乳酸常用的菌种: 乳酸菌:发酵速度快,耐发酵温度高, 产酸率高,但产品味DL乳酸 根霉:产L乳酸纯度高,菌体易分离,工业上常用的乳酸菌多为同型乳酸发酵菌,杆状或球状,革兰氏阳性,不运动,无芽孢,厌氧或微好氧。主要是乳杆菌属(Lactobacillus)的微生物,其中最重要的是德氏乳杆菌(L. delbruckii),它可发酵葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、半乳糖等,而保加利亚乳杆菌(L. bulganicus)可以发酵乳糖和菊粉等。细菌发酵大多产生D-乳酸或DL-乳酸。,用于乳酸发酵生产的根霉菌有米根霉(Rhizopus oryzae)、行走根霉(R. stoloni)、小麦曲根霉(R. ritic
13、i)和美丽根霉(R. elegans),以米根霉最重要。 根霉以淀粉质为原料可发酵产生纯的L-乳酸,是生产生物可降解塑料聚乳酸的原料,因此用米根霉发酵生产乳酸越来越受重视。,(2)原料: 用于乳酸发酵生产的原料很多: 淀粉质原料(薯类原料和谷类原料) 糖质原料(葡萄糖、蔗糖、糖蜜、乳糖等) 乳清、菊粉、芦粟汁等主原料和麦根、麸皮、玉米浆等辅料。,(3)发酵工艺: 乳酸的发酵方式: 传统的分批发酵:德氏乳杆菌 现代细胞循环发酵:采用超滤和电渗析与发酵罐 组合的循环发酵 固定化细胞连续发酵:生产能力大,产酸浓度高 乳酸发酵工艺因使用的生产菌种和原料的不同而有所差异。 细菌发酵生产乳酸时,发酵是典型
14、的厌氧发酵。发酵温度控制在50左右,并添加CaCO3产酸,将pH控制在5.56.5之间。当用淀粉质为原料时,既可以先糖化后发酵,也可以采用并行发酵工艺,即糖化与发酵同时进行的一种工艺。,当用根霉作为生产菌种时,发酵可以采用表面发酵,也可以采用深层发酵法,发酵温度为30。 与细菌发酵法相比,具有发酵快、菌体生长营养要求简单、发酵液杂质含量少、产品易于纯化等优点。缺点是需要增加培菌操作、培养基灭菌和通风发酵等操作,且发酵转化率较低。但在菌种改造和工艺的改进等方面仍有较大潜力。,3、苹果酸 L-苹果酸最早是从水果压榨汁中提取而获得的。 微生物发酵生产苹果酸最早是在1928年由Yuill报道的,在培养
15、黄曲霉时,有少量苹果酸伴随琥珀酸和富马酸生成。 发展至今,苹果酸的生产已有直接提取法、化学合成法、一步发酵法、两步发酵或混合发酵法和生物酶转化法。 微生物发酵法具有工艺经济,生产成本低,潜力大,产品安全性高等特点。,我国自20世纪70年代开始,中科院微生物研究所、福建三明真菌研究所等先后对苹果酸生产技术进行了研究。 发酵法生产苹果酸目前存在的问题和今后努力的方向仍是选育产酸高、副产物少的生产菌株,同时加强提取工艺的研究,搞好上下游工程配套。,目前可用于L苹果酸的微生物达十余种,产率和转化率都已接近理论值。 生产方法主要有五种: 提取法:从苹果汁中 化学合成法:产品多为DL型,食用和药用受限 制
16、 一步发酵法:最有发展前途,常采用布伦假丝 酵母。 两步发酵或混合发酵:采用根霉和毕赤氏酵母 酶转化:利用高活性的富马酸酶 EMP、TCA 葡萄糖 富马酸 L苹果酸,苹果酸发酵生产工艺 利用微生物生产苹果酸目前有三种方法: 1、一步发酵法(或称直接发酵法): 以糖类为发酵原料,用霉菌(黄曲霉、米曲霉等)直接发酵生产L一苹果酸的方法称为一步发酵法。 (1)菌种一步发酵法采用黄曲霉A114生产苹果酸。 (2)种子培养基组成()葡萄糖3,豆饼粉1,硫酸亚铁005,磷酸氢二钾002,氯化钠0001,硫酸镁001,碳酸钙6(单独灭菌),(3)种子培养将保存在麦芽汁琼脂斜面上的黄曲霉孢子用无菌水洗下并移接
17、到装有100ml种子培养基的500ml三角瓶中,在33下静置培养24天,待长出大量孢子后,将其转入到种子罐扩大培养,接种量为5%。 种子罐的培养基与三角瓶培养基的组成相同,只是另外添加04%(体积分数)泡敌。种子罐的装液量为70%,罐压100kPa,培养温度3334,通风量015030m3(m3.min),培养时间1820h。,发酵培养基组成葡萄糖7%8%,其余成分的组成及用量与种子罐培养基相同。 发酵发酵罐的装液量为70%,接种量10%,罐压100kPa,培养温度3334,通风量07 m3(m3.min),搅拌转速180rmin,发酵时间40h左右。发酵过程中由自动系统控制滴加泡敌,防止泡沫
18、产生过多。当残糖在1%以下时,终止发酵,产苹果酸7%。 黄曲霉苹果酸发酵的特点之一是需要的Fe2+浓度极高,Fe2+还能抑制杂酸的生成。当铁盐浓度升高到1.7-2.1 g/L时,杂酸消失,苹果酸产率也有所提高。其他金属离子,如Mn2+、Al3+、Cr4+有明显的促进作用,Cu2+有抑制作用。,苹果酸两步发酵法或称混合发酵工艺: 两步发酵法是以糖类为原料,先由根霉菌发酵生成富马酸(延胡索酸)和苹果酸的混合物,然后接入酵母或细菌,将混合物中的富马酸转化为苹果酸。 (1)菌种两步发酵法以华根霉6508为菌种生产苹果酸。 (2)斜面培养华根霉6508于葡萄糖马铃薯汁琼脂斜面上,30培养7天,易于长出大
19、量抱子。 (3)摇瓶发酵 培养基组成():葡萄糖10,硫酸铰05)磷酸氢二钾01,聚乙二醇10,硫酸镁005,三氯化铁0002,碳酸钙5(单独灭菌)。,富马酸发酵: 在500ml三角瓶中装入50ml培养基,灭菌,冷却。接种华根霉孢子,置往复式摇床上,于30下培养45天。发酵得到含富马酸和苹果酸的混合液。 转换发酵: 上述发酵混合液中接入膜蹼毕赤氏酵母3130,继续发酵5天,苹果酸对糖的产率可达60以上。,二、氨基酸,谷氨酸是第一个用发酵法生产的氨基酸,它在食品加工中作为鲜味剂。氨基酸在食品工业中除作为鲜味剂外,还可作为营养强化剂。 作为营养强化剂的氨基酸有蛋氨酸、赖氨酸、色氨酸、半胱氨酸、苏氨
20、酸和苯丙氨酸等。,发酵法生产氨基酸是借助于微生物具有合成自身所需氨基酸的能力,通过对菌株的诱变等处理,选育出各种营养缺陷型及氨基酸结构类似物抗性变异株,以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏,达到过量合成某些氨基酸的目的。 应用发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸,其次是赖氨酸,其余可用发酵法生产的氨基酸有苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸等。 近年来,随着基因重组和酶工程等生物技术的进步,新的氨基酸生产方法和高产菌株不断涌现。采用DNA重组技术,可将微生物的氨基酸合成酶基因插入质粒后导入氨基酸生产菌,使目的基因扩增,增加相应酶的合成,从而提高氨基酸的产率。,在氨基酸产生
21、菌的选育中,过去多采用诱变育种该方法盲目性大,现采用基因工程、细胞融合技术,产量成倍甚至几十倍增加,生产成本大大下降。 如:用基因工程构建的苏氨酸、色氨酸产生菌比原始菌株产量提高几十倍,产酸达5060g/L,使色氨酸的成本从50美元/Kg下降到23美元/Kg。 用细胞融合技术构建的精氨酸融合株,精氨酸产量达108g/L,比其他生产菌株高两倍多。,三、功能性多糖,食品工业中使用的大多数多糖来自于植物和海藻,它们有许多重要的功能性质,如增稠、悬浮、胶凝和包埋。 常用的多糖是琼脂、卡拉胶、海藻酸盐、果胶、淀粉、半乳糖甘露聚糖和纤维素衍生物。由于多糖的功能性质取决于其独特的化学结构,因此,提取方法、原
22、料的状态、来源、植物组织的类型都对其性质产生很大影响,其成本与供给情况也随季节而变。 细菌发酵可提供新型多糖,并具有物理化学性质重现性好、供给和成本稳定的优势。 最早问世的微生物多糖是右旋糖苷,与食品有关的微生物多糖,多糖 来源 组成成分及连接方式 分子量 纤维素 Acetbacter D-葡萄糖,(1-4), 2106 Agrobacterium 线性 Alcaligenes 右旋葡聚糖 Lactobacillus D-葡萄糖,(1-6)、(1-3), 104108 Leuconostoc 分支 Streptococcus 海藻酸盐 Azotobacter D-甘露糖醛酸、L-葡萄糖醛酸,
23、1.5105 Pseudomonas (1-4),线性 胶凝多糖 Alcaligenes D-葡萄糖,(1-3),线性 Agrobacterium 普鲁兰 Aureobasidium D-葡萄糖,(1-6),(1-4),2.5105107 线性 黄原胶 Xanthomonas D-葡萄糖,(1-4), 21061.5107 D-葡萄糖-D-甘露糖-D-葡萄糖醛酸, (1-4)、(1-2)、(1-3)分支 壳聚糖 Mucorale D-葡糖胺 1.71041.3105,对于一个好的增稠剂和悬浮剂,它应该是: (1)在低浓度的条件下能产生高粘度,从而使颗粒物悬浮在溶液中或阻止乳化的液滴聚集。 (2
24、)在振荡、搅拌或剪切过程中,溶液粘度显著下降,但解除这些因素后粘度能完全恢复。 (3)常常还要求在极端pH、离子强度和温度条件下能保持粘度。,黄原胶就是具有上述优点的,成功地用于食品工业中的第一个微生物多糖。 胶凝多糖是第二个应用于食品中的微生物多糖它是Pseudomoas elodea菌通过间歇式好氧发酵生产的,该多糖第一次被报道是在七十年代后期,1988年在日本进行了毒性试验,并被食品界接受。 胶凝多糖是一个广谱的胶凝剂,它广泛地应用于各种食品中。,四、食用色素,天然色素由于品种少、稳定性差,常常不能满足生产的需要,因此,人工合成色素的使用在食品加工中占有较大的份额。然而合成色素使用的安全
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