食品发酵技术.doc
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1、一 绪 论v 发酵与发酵工程概论v 发酵工程的发展历史v 发酵工程研究的内容v 发酵产物的类型发酵 实质:由于浸出液中糖在缺氧条件下降解而产生CO2所引起的。生物化学家 更注重能量的代谢工业微生物 大规模培养微生物来生产产品的过程发酵与发酵工程发酵:通过微生物的生长繁殖和代谢活动,产生和积累人们所需产品的生物反应过程。发酵工程:利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程体系。根据以往的观念,人们通常把食品发酵作为整个发酵工业的分支。发酵工程菌的特点能在廉价原料制成的培养基上迅速生长培养条件易于控制生长速度快,产能高,发酵周期短菌种纯粹,抗噬菌体,非病原菌发酵过程的优化
2、最佳控制发酵过程的方案或发酵过程中主要控制的项目和方法目的:条件和相互关系进行优化、复杂关系尽可能简化:细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件、反应器发酵过程优化的研究内容(一)研究细胞的生长反应了解微生物从培养基中摄取营养物质的情况及代谢转化不同环境条件下微生物代谢的分布(二)微生物利用底物进行生长,同时合成代谢产物。运用基于化学计算关系的代谢通量分析方法,可提出微生物代谢途径的可能改善方向。(三)发酵过程优化的核心内容 主要研究生物反应速率及其影响因素建立动力学模型,进而确定发酵过程的最佳生产条件 (四)生物反应过程的参数检测与控制,此二项是发酵过程优化最基本的手段。影响生物反应
3、器宏观动力学的主要因素;生物反应器的形式与结构、操作方式、 物料的流动与混合状况、传递过程特征。发酵罐 为特定一种或多种微生物所进行的生长代谢过程提供良好环境的容器。面临的现实问题理论相对滞后对霉菌和放线菌的研究相对较少对细菌和酵母菌的研究跟不上发展发酵产物的类型微生物菌体微生物代谢产物微生物酶微生物转化产物发酵产物的类型 :微生物菌体:经过培养微生物并收获其细胞作为发酵产品。微生物的代谢产物v 在微生物对数生长期中产生的代谢产物对菌体的生长繁殖时必需的,这些产物称为初级代谢产物。v 氨基酸、核酸、蛋白质、脂质、碳水化合物v 诱变的变异菌株和改良培养条件得到更多的产物。微生物的次级代谢产物v
4、在菌体生长的稳定期,有时一些菌体能合成在生长期中不能合成的,与菌体的初级代谢不直接相关的物质,这些物质称为次级代谢产物。初级和次级代谢的关系v 初级代谢产物的合成路径是微生物共有的,但是次级代谢产物具有很强的特异性。v 放线菌、丝状菌、有孢子的细菌能产生次级代谢代谢产物,而肠道菌没有发现。v 次级代谢产物是发酵工业的重要组成部分次级代谢和初级代谢的区别1.存在范围及产物类型不同2.对产生者自身的重要性不同初级代谢产物通常都是机体生存必不可少的物质,只要在这些物质合成过程的某个环节上发生障碍,将导致机体生长停止或死亡次级代谢的某个环节发生障碍不会导致机体的死亡,只会影响机体合成某种次级代谢产物的
5、能力。3.与微生物生长过程的关系明显不同初级代谢贯穿于一切生活的机体中,次级代谢则是在机体生长的一定时期内4.对环境变化的敏感性或遗传稳定性明显不同初级代谢产物对环境条件的变化不太敏感(即遗传稳定性大)次级代谢产物对环境条件变化很敏感,其产物的合成往往因环境条件变化而停止。5.相关酶的专一性不同某些机体内存在二者既有联系又有区别的代谢类型微生物酶通过获取微生物的酶作为作为发酵产品。广泛的用途种类多、 品种多、生产容易、成本低发酵工业的特点门类众多技术发展迅速节约资源生产过程独特课程小结v 发酵工程是利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需产品过程的理论和工程体系。v 发酵工程研究的内容
6、包括5大部分的内容v 发酵过程的优化包括4部分的内容v 发酵产物大致分为4类课后思考题v 微生物菌种是发酵工程中最重要的条件之一,优良的菌种是发酵工业的基础和关键。v 问题:作为发酵工业的源头,如何进行发酵工业的菌种制备工艺?二 微生物菌种的选育及保藏醋酸杆菌 重要的工业用菌之一,氧化酒精为醋酸,发酵调味品食醋、葡萄糖及维生素C乳酸杆菌 乳酸菌是一种靠发酵碳水化合物能量,并能生成大量乳酸的一类细菌的总称。大肠杆菌 利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和颉氨酸枯草芽胞杆菌 好气性芽胞杆菌。可用于生产淀粉酶、蛋白酶、某些氨基酸假单胞菌 细菌中的假单胞菌可以产-甘露聚糖酶。酵母菌 酿酒酵母是与人类关系最
7、密切的一种酵母。应用最广泛制作面包、馒头、酿酒。毕赤氏酵母属、汉逊氏酵母是酒类饮料的污染菌。霉 菌 放线菌担子菌:通常所说的菇类(mushroom)微生物。多糖、橡胶物质和抗癌物质的开发日益受到重视藻 类工业微生物菌种的获得中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)中国科学院典型培养物保藏委员会国际菌种保藏联合会(WFCC)美国典型微生物菌种保藏中心(ATCC)从自然界或现有菌种中分离筛选采样 采样地点 土壤、极端环境采样时间 采样过程增殖培养控制培养基的营养成分添加某些抑制因子或促进因子控制培养条件纯种分离及纯培养1稀释分离法2划线分离法生产性能测定从自然界中分离得到的为纯种称为野生型菌株。
8、需要通过三角瓶进行小型发酵试验。不符合条件可以作为菌种选育的出发菌种。v 涂布法v 影印法毒性试验自然界的一些微生物是在一定条件下产毒的,将其作为生产菌种应当十分当心,尤其与食品工业有关的菌种,更应慎重。据有的国家规定,微生物中除啤酒酵母、脆壁酵母、黑曲霉、米曲霉和枯草杆菌作为食用无须作毒性试验外,其他微生物作为食用,均需通过两年以上的毒性试验。微生物菌种的选育自然选育 诱变选育 杂交选育 原生质体融合育种 基因工程育种微生物菌种的自然选育在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变,从而选育出优良菌种的过程叫作自然选育。菌种衰落:生产性能下降菌种代谢旺盛:生产性能提高微生物菌种的诱变育种
9、诱变育种是指用物理和化学诱变剂的方法处理均匀分散的细胞群,使它们发生突变,再从中筛选出符合要求的高产菌株,供生产和科学试验用。微生物菌种的诱变育种出发菌种的选择自然界直接分离到的野生型菌株经历过生产条件考验的菌株已经历多次育种处理的菌株出发菌种的选择及前处理同步培养处于同一生长周期的、生理状态一致的单细胞或单孢子制备单细胞或单孢子菌悬液每个细胞能够均匀接触诱变剂诱变处理诱变剂的种类诱变剂的剂量 作用强度与作用时间的乘积筛选诱变菌株纸片培养显色法透明圈法琼脂块培养法营养缺陷型突变菌株的筛选需要掌握的几个基本术语营养缺陷型 野生型 原养型 基本培养基 补充培养基 完全培养基 淘汰野生型抗生素法过滤
10、法检出营养缺陷型营养缺陷型的鉴定逐个检出法夹层检出法 适用于检出细菌影印检出法杂交选育选用了已知性状的供体菌和受体菌作为亲本,方向性和自觉性方面,均比诱变育种前进了一大步。利用杂交育种往往还可以消除某一菌株在经过长期诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象,原生质体融合育种原生质体育种技术主要有原生质体融合、原生质体转化,原生质体诱变育种等。 面包酵母:对麦芽糖及葡萄糖的发酵力强,产生 CO2 多,生长快;酒精酵母:产酒率高而对麦芽糖、葡萄糖的发酵力弱杂交:就得到了既能生产酒精,又能将其残余菌体用作面包厂和家用发面酵母的优良菌种。基因工程育种分子生物学水平下的一种自觉的、可控制性的菌种改良技术。克
11、服传统菌种改良的随机性和盲目性,能有目的地改良菌种,又被称为定位育种技术。工业微生物菌种的保藏1.斜面低温保藏法方法简单、便于操作菌种易变异、退化及污染保藏时间一般为1-6个月2.液体石蜡覆盖保藏法适用于酵母、霉菌和好氧性细菌的保藏保藏期限一般为1-10年方法简单、对设备要求不高3.液氮超低温保藏法保藏时间达4-15年适用于各种微生物菌种的保藏4.砂土管保藏法适用于保藏干燥的菌种保藏时间因菌种而异,几年至几十年不等对干燥敏感的细菌不宜选择此法保藏5.真空冷冻干燥保藏法低温下快速将细胞冻结,然后在真空条件下干燥、封装,隔绝空气,微生物的生长和酶活动停止。达到长期保藏的目的。适用于各类微生物时间长
12、达10年以上本章小结工业常用的微生物菌种有6大类工业微生物菌种一般通过3种方式获得菌种的分离一般需要经过5个步骤微生物菌种的选育一般有5种方式常见的菌种保藏方式有5种方法思考题作为发酵当中非常重要的成本考虑,培养基占据了成本中至关重要的位置。那么在发酵过程中要如何对各种发酵工艺进行优化?请同学们对此问题进行思考。三 发酵工艺条件的优化培养基培养基是指利用人工方法配制的供微生物、植物和动物细胞生长繁殖和积累代谢产物的各种营养物质的混合物氮源、碳源、无机盐、其他物质工业常用的碳源葡萄糖几乎所有的微生物都能够利用葡萄糖过多的初始葡萄糖容易抑制微生物的生长过多的葡萄糖容易引起培养基中溶氧不足糖蜜 提纯
13、的甘蔗汁或甜菜汁经过多次结晶分离后无法再结晶的制糖废液。若用糖蜜代替甘薯粉,可以省去许多工序,如原料蒸煮、制曲、糖化等,大大简化了生产工艺质量影响因素多麦芽糖 工业常用的碳源主要应用在啤酒工业上工业常用的碳源(四)长链脂肪酸不溶于水、发酵液要设法成为乳状液、发酵罐的结构要做一定的设计改造必须保证溶氧糖类的利用原则葡萄糖、果糖等单糖最好双糖和多糖其次有机酸、醇类、烃类等利用效果不是最好、但是价格很便宜工业常用的氮源氨水在发酵中后期用来调节pH值,兼作氮源使用前也要进行除菌处理不能完全作为氮源,需要提供适当的有机氮源玉米浆 玉米制淀粉和糖进入到浸泡水制得的黄豆饼粉 黄豆压榨法获得尿素 含氮量高、微
14、生物必须能分泌脲酶才能分解尿素相对玉米浆,尿素营养成分简单得多对发酵过程便于控制,但另外一方面使培养基的营养不够丰富主要用于氨基酸的生产,尤其是谷氨酸的生产无机盐作用广泛、对微生物极为重要需求量因菌种和产品不同而各不一样水一般配制培养基无特殊要求用蒸馏水或自来水即可,但是要注意氯的含量饮料、保健品和酿造对水的含量很高有些酒只有使用当地水源才能保证独特的口味特殊生长因子维生素、碱基、卟啉及其衍生物以及某些氨基酸生长因子一般不需要单独添加,培养基中很多营养丰富的天然原料中已含有足够的生长因子。生物素的浓度的控制谷氨酸的发酵要严格控制生物素的浓度过多:谷氨酸不积累过少:菌体生长受抑制前体物质前体是指
15、一些添加到培养基中的物质,它们并不促进微生物的生长,但能直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子上,自身结构基本不变,而产物产量去因此有较大提高。促进剂与抑制剂产物促进剂:既不是营养物也不是前体物质,但是却能提高产量的物质产物抑制剂:对生产菌代谢途径有某种调节能力的物质工业发酵中用途不同的培养基实验室常用培养基发酵生产常用培养基孢子培养基 提供菌种繁殖孢子的一种常用固体培养基营养不能太丰富无机盐浓度适当注意培养基的pH值和湿度种子培养基 供孢子发芽生长出大量菌丝体,或不产孢子的菌种繁殖出大量细胞,并且有较高活力和纯度的培养基。配比上尽量接近发酵培养基设法让菌种繁殖、长菌体。同时避免老化或者发
16、酵发酵培养基 供菌种生长繁殖和合成发酵产物的培养基保证接种的种子能长到一定浓度保证菌体能迅速合成发酵产物发酵培养基成分用量的优化(一)参照微生物细胞内元素的比例确定不同类型的微生物细胞的成分比例其实是有一定规律的除水外,碳的含量最高其次是N、P、S、K、Mg以及各种微量元素、含量递减发酵培养基成分用量的优化(二)参照碳氮比确定培养基碳源中的碳原子与氮源中氮原子的摩尔数之比C/N太大,培养基偏酸C/N太小,培养基偏碱一般确定在100:(1-20)发酵培养基成分用量的优化(三)合理的方法单因子实验法响应面法正交试验法单因子实验法无碳培养基中分别加入30g/L的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乙醇在无氮
17、培养基中分别加入5g/L的蛋白胨、酵母粉、牛肉膏、2g/L 的硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、硝酸钾在确定氮源和碳源的基础上,(另添加0.5g/L的硫酸镁)分别添加2g/L的氯化钙、硫酸锌、硫酸亚铁、磷酸二氢钾最终确定得到初步优化的培养基组成为 蔗糖:30g/L、酵母粉:5g/L、氯化铵:2g/L、磷酸二氢钾:2g/L、硫酸镁:0.5g/L、氯化钙:0.3g/L发酵培养基成分用量的优化(四)其他因素严格控制各种用量极少的物质各种理化条件要适宜。包括:pH、水活度、渗透压和氧化还原电位发酵工业中营养基质的配制方法淀粉质原料制糖工艺及培养基的配制方法糖蜜培养基的制备淀粉的组成白色、无定形结晶粉末微生物分解
18、淀粉需胞外淀粉酶发酵工业中长先水解淀粉,制成水解糖后使用淀粉水解制糖工艺酸解法 以酸( 无机酸或有机酸) 为催化剂, 在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。 优点: 生产简易, 对设备要求简单; 水解时间短; 设备生产能力大等优点。 缺点:设备要求高,有副反应的发生,对淀粉原料要求严格, 酶解法 是用淀粉酶将淀粉水解为葡萄糖优点:设备要求低。专一性强、糖液颜色浅、较纯净缺点:时间长,过滤困难酸酶结合法(1)、酸酶法 有些淀粉(如玉米、小麦等) 颗粒坚实,如果用淀粉酶液化,在短时间内作用,液化反应往往不彻底。采用酸(盐酸)将淀粉水解至葡萄糖值(DE值1015 ) ,然后将水解液降温、中和,再
19、加入糖化酶进行糖化。优点: 用酸酶水解淀粉制糖,具有酸液化速度快,用酸量较少,产品颜色浅,糖液质量高。 (2)酶酸法 有些淀粉原料,颗粒大小不一(如碎米淀粉等),如果用酸法水解,则常致使水解不均匀,出糖率低,故采用先经淀粉酶液化,过滤除杂质后,再用酸法水解制成葡萄糖。优点: 此法能采用粗原料淀粉,淀粉浓度较酸法高,生产较易控制,时间短,而且酸水解pH稍高,可减少淀粉水解副反应的发生,糖液色泽较浅。糖蜜制备的预处理澄清处理:除去灰分和胶体物质脱钙处理:除去钙盐除去生物素总结工业常用的培养基成分包括5大类发酵生产常用的培养基包括3种发酵培养基成分用量的优化要注意4个问题淀粉质原料制糖工艺常用3种方
20、法思考题作为发酵当中非常重要的一个步骤 ,种子的制备占据了一个很重要的地位,如何进行种子的工艺制备?请同学思考 四 发酵单元操作(一)种子培养(seed culture) 是指将冷冻干燥管、砂土管中处于休眠状态的工业菌种接入试管斜面活化后,再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种的过程。这种纯培养物称为种子。优良种子的条件(一)菌种细胞的生长活力强,接种至发酵罐后能迅速生长,延迟期短菌种生理状态稳定。菌丝体、菌丝生长速率和种子培养液的特性等符合条件优良种子的条件(二)菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求无杂菌污染保持稳定的生产能力种子的制备过程放线菌孢子的制备采用琼脂斜面培养
21、含有适合产孢子的营养成分碳源和氮源不能太丰富培养条件要适宜碳源限量而氮源丰富的培养基培养温度一般为30-37培养时间1-2天,产芽孢的5-10天霉菌孢子的制备一般以天然农产品为培养基培养温度为25-28 培养时间为4-14d酵母种子的制备一般采用麦芽汁琼脂培养基或ZYCM培养基或MYPG培养基培养温度28-30,培养时间1-2d摇瓶种子制备将孢子经摇瓶培养成菌丝后再进入种子罐孢子发芽和菌丝繁殖速度缓慢的菌种 培养基要求比较丰富和完全,并易被菌体分解利用,氮源丰富有利于菌丝生长。种子罐种子制备 一(二、三级种子的制备)级数的确定取决于菌种的性质和菌体生长速率及发酵设备的合理应用。发酵罐级数减少,
22、有利于生产过程的简化及发酵过程的控制,可以减少因种子生长异常而造成发酵的波动。生产车间种子的培养种子罐级数是指制备种子需逐级扩大培养的次数。菌种生产特性、孢子发芽及菌体繁殖速度所采用发酵罐的容积种子发酵罐级数的确定细菌摇瓶 种子罐 发酵罐青霉素孢子悬浮液 一级种子罐 二级种子罐 发酵罐放线菌:四级发酵罐酵母菌:通常用一级种子接种龄接种龄是指种子罐中培养基的菌丝体开始移入下一级发酵罐或发酵罐时的培养时间。通常菌龄是以处于生命力极旺盛的对数生长期,菌体量还未达到最大值时的培养时间较为合适接种量接种量是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度细菌1
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