有机酸发酵课件.ppt

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1、第七章 有机酸发酵,第一节 乳酸发酵第二节 醋酸发酵第三节 柠檬酸发酵第四节 其它有机酸发酵,第一节 乳酸发酵,在无氧条件下乳酸细菌将己糖转化成乳酸的过程，称为乳酸发酵。,一、乳酸菌及其发酵类型,（一） 乳酸细菌乳酸发酵工业中常用的乳酸菌：乳杆菌属乳球菌属链球菌属双歧杆菌属明串珠菌属片球菌属芽孢乳杆菌属肠球菌属,（二）乳酸发酵类型1.同型发酵2.异型发酵3.双歧途径4.乳糖发酵途径,1.同型发酵,同型乳酸发酵（ homolactic fermentation ）过程是：葡萄糖经 EMP 途径生成丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下，丙酮酸作为受氢体被还原为乳酸，从而再生 NAD + ，因只有 2

2、 分子乳酸为唯一终产物，故称同型乳酸发酵。 乳酸的理论转化率为100。,同型乳酸发酵的主要菌种：德氏乳杆菌（ Lactobacillus delbruckii ）、嗜酸乳杆菌（ L. acidophilus ）、干酪乳杆菌（ L.casei ）、植物乳杆菌（ L.plantarum ）,2.异型乳酸发酵,异型乳酸发酵 （ heterolactic fermentation ）：以葡萄糖为底物发酵后除乳酸外还产生乙醇、乙酸和 CO 2 等多种代谢产物的，称为异型乳酸发酵。乳酸的理论转化率为50。 一些行异型 乳酸 发酵的乳酸杆菌，因缺乏 EMP 途径中的若干重要酶 醛缩酶和异构酶 ， 其葡萄糖的

3、降解完全以 HMP 途径为基础，进而行 异型乳酸发酵。,异型乳酸发酵主要菌种：肠膜明串珠菌 （ Leuconostoc mesenteroides ） 、乳脂乳杆菌 （ Lactobacillus cremoris ） 、短乳杆菌 （ L.brevis ） 、发酵乳杆菌 （ L.fermentum ） 两歧双歧杆菌 （ Bifidobacterium bifidum ） 等 。,3.双歧途径乳酸发酵,双歧途径（bifidum pathway）：2分子葡萄糖产生2分子乳酸和3分子乙酸，乳酸的理论转化率亦为50。,4.乳酸菌的乳糖发酵,乳酸菌先分解乳糖生成葡萄糖和半乳糖，葡萄糖进入同型或异型发酵途

4、径进行分解，半乳糖异构化或转变为葡萄糖后进入各途径发酵，或经D-6-磷酸塔格糖途径形成乳酸。,二、乳酸的工业发酵生产,（一）乳酸工业生产菌种1.工业发酵对产乳酸菌种的要求：同型发酵菌营养要求低产酸迅速，耐高温。2.生产中常用的菌种：德氏乳杆菌和保加利亚乳杆菌。,（二）乳酸发酵生产的原料,糖蜜淀粉质原料亚硫酸盐纸浆废液其它可利用原料,（三）传统乳酸生产工艺,1.乳酸发酵工艺流程2.发酵培养基的制备（1）碳源：葡萄糖、马铃薯淀粉、玉米淀粉、菊芋等。（2）氮源和生长因子：麦根。（3）磷（4）碳酸钙3.种子制备4.分批发酵进程控制,5.提取与精制,提取方法：钙盐法锌盐法离子交换法等。,传统钙盐法的工艺

5、流程,三、发酵乳制品,（一）酸奶1.酸奶发酵工艺流程2.发酵剂的制备（1）定义（2）发酵剂的组成（3）发酵剂的种类（4）发酵剂的生产工艺流程（5）混合发酵,3.生产工艺,牛乳标准化 均质 加热处理（9095，1530min）接种和发酵冷却和后熟,四、酸奶发酵过程中的生物化学变化,（1）乳糖的转化（2）蛋白质的转化（3）风味物质的形成,5.酸奶质量评价,感观指标理化指标微生物指标,（二）发酵干酪,1.干酪的分类（1）按凝块形成时酪蛋白凝结的方法分类 凝乳酶凝固干酪和酸凝固干酪（2）按水分含量分类 硬质、半硬质和软质干酪（3）按用于成熟的主要微生物分类 涂布干酪、白霉干酪等（4）按干酪组织状态分

6、颗粒干酪、圆眼干酪、组织致密干酪,2.制作干酪的原料乳3.干酪发酵剂的微生物 乳酸菌、丙酸菌、丝状菌。4.凝乳酶及其作用5.添加剂：氯化钙、色素等6.干酪生产工艺7.干酪的质量要求,四、其他乳酸发酵食品（自学）,（一）发酵香肠生产工艺、发酵剂、发酵过程中香肠组分的变化（二）乳酸发酵蔬菜和蔬菜汁泡菜的生产、乳酸发酵蔬菜汁、豆类乳酸发酵食品,一、醋酸理化特性及其用途二、醋酸发酵的生化过程三、食醋酿造的原料及处理四、食醋发酵工艺五、食醋的质量指标,第二节 醋酸发酵与食醋酿造 Acetic Fermentation and Vinegar Brewing,醋酸:又名乙酸(CH3COOH)，是典型的挥发

7、性脂肪酸。无水醋酸在低温下凝固成冰状，俗称冰醋酸。普通醋酸约含纯醋酸36，为无色透明液体。,一、概述,食醋是传统的酸性调味品，我国酿醋有记载的历史已有3000多年。我国名醋：山西陈醋、镇江香醋、北京熏醋、上海米醋、四川鼓醋、江浙玫瑰醋、福建红曲醋、等。按照生产工艺分类：酿造醋、合成醋、再制醋。,二、醋酸发酵的生化过程,醋酸发酵：是指乙醇在醋酸菌的作用下氧化成醋酸的过程。（1）CH3CH2OHCH3CHO（2）CH3CHOCH3COOH（1）、（2）分别在乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的作用下进行的。,答：两者不等同。,因为醋酸发酵过程中，主要产物只有醋酸，即（淀粉糖）乙醇乙醛醋酸。而食醋酿造过程中，除

8、形成醋酸外，还有以下两类主要反应：（1）蛋白质水解：蛋白质在曲霉产生的蛋白酶作用下，形成氨基酸，氨基酸是食醋鲜味成分重要来源，有一些形成色素。（2）酯化反应：酵母菌和醋酸菌在代谢过程中产生的有机酸与醇类结合生成酯类，赋予食醋香味。,食醋酿造的生化过程与醋酸发酵生化过程是否等同？为什么？,答：1.参与食醋发酵过程的微生物主要有三类：霉菌、酵母菌和醋酸菌。,参与食醋发酵过程的微生物有哪些？各自发挥什么作用？(参考教材P248),2.各类微生物的作用：霉菌：作为糖化菌，分解原料中的淀粉为可发酵性糖类，同时分解蛋白质生成肽类和氨基酸。酵母菌：在厌氧条件下发酵糖类生成乙醇。同时产生少量葡萄糖酸等有机酸。

9、醋酸菌：在氧气充足条件下氧化乙醇生成乙酸，乙酸是食醋中酸味的主要成分。,三、食醋酿造的原料及处理,（一）酿造原料1.主料：淀粉原料、含糖原料、含酒精原料。2.辅料：细谷糠、麸皮。3.填充料：谷糠、花生壳、谷壳、玉米芯、高梁壳。4.添加剂：食盐、蔗糖、炒米色等。,酒糟、淀粉渣、糖蜜等,（二）原料处理,固态发酵：淀粉原料粉碎加水蒸煮淀粉颗粒吸水膨胀液态发酵：淀粉原料 加3倍水浸泡蒸煮呈粥状加酶或曲糖化,四、食醋发酵工艺,常用的食醋发酵工艺类型：（一）固态发酵法（二）酶法液化回流通风法（三）液体深层发酵法（四）发酵工艺的新进展,（一）固态发酵法生产食醋,1.固态酿醋生产类型与特点（1）类型：大曲醋

10、小曲醋 麸曲醋（2）特点：低温糖化及酒精发酵，边糖化边发酵。配合使用多量的辅料和填充料。多菌种混合发酵，敞口操作，辅料为生料。浸淋法抽提食醋。,大曲醋,大曲：以大麦、豌豆为主要原料，根霉、毛霉、曲霉和酵母菌为主要发酵菌种。工艺复杂、淀粉利用率低、生成周期长；便于保管和运输、成醋风味好。大曲醋特点：以高粱为主要原料，发酵周期长，产品质量好，但出品率低，成本高(如山西老陈醋)。,小曲醋,小曲：以糯米、大米为主要原料，添加中草药者又称药小曲，根霉和酵母菌为主要微生物。适用于糯米、大米、高粱等原料的发酵，对薯类及野生植物原料适应性差。小曲醋：以糯米或大米为主要原料，产品风味好（如镇江香醋）。,麸曲醋,

11、麸曲：以麸皮为主要制曲原料，曲霉菌为制曲菌种。是国内醋厂普遍采用的糖化剂。成本低、制曲周期短、糖化力强、对原料适应性强，出醋率高。麸曲醋：工艺简便、发酵周期短、成本低、出醋率高，风味稍差。,醋母,麸曲、酒母、水,2.固态发酵酿醋工艺流程（以麸曲醋为例）,固-固发酵工艺流程,3.固态发酵工艺操作要点,（1）酿醋过程中所需曲及菌种制备麸曲制备：麸皮接入纯种曲霉固态发酵而成。酒母制备：酵母菌液体发酵制得培养液。醋母制备：醋酸菌液体发酵制得培养液。,（2）麸曲醋酿造过程工艺操作,原料处理：,主料粉碎,配料（100kg主料+统糠80kg+麸皮120kg）,润料（加水275kg拌匀）,蒸料（常压1h或0.

12、15MPa/40min）,出锅冷却至3040,发酵：冷后原料拌入麸曲50kg和酒母40kg，补水180kg，拌匀入缸发酵品温升至40时翻醅倒缸 发酵57d，酒精含量达78% 拌入砻糠50kg和醋母40kg 数次翻醅倒缸约12d醋酸含量达到77.5% 醅表面加盐 48h后熟结束发酵,淋醋：三套循环法,成熟醋醅 淋醋头渣二渣醋渣,陈醋：有两种方法，醋醅陈酿和醋液陈酿。配兑和灭菌：头醋经澄清池沉淀，得澄清醋液，调整其浓度、成分。除现销产品及高档醋外，一般要加入0.1%苯甲酸钠防腐剂。生醋加热至80以上进行灭菌，包装得成品。,小结,1.食醋酿造原料：主料、辅料、填充料、添加剂。2.固-固法生产麸曲醋的

13、工艺：,（四）酶法液化通风回流生产食醋,1.工艺流程2.设备3.工艺操作4.优点（1）出醋率比一般固态发酵法提高16左右。（2）节省蒸汽燃料。（3）大部分实现管道化和机械化，大大降低了劳动强度，节约劳力。（4）酒精发酵结束，直接拌入生麸皮进行醋酸发酵，简化了工序，提高了产量和质量。,醋酸发酵水泥池,（五）液体深层发酵生产食醋,1.工艺流程2.操作要点,自吸式发酵罐,（六）食醋的质量指标,1.感观指标：色、香、味、体。2.理化指标：总酸、氨基氮、还原糖、相对密度。3.卫生指标：有害重金属（砷、铅）、无机酸、微生物（杂菌、大肠杆菌、致病菌）。,第一节 思考题,1.什么叫乳酸发酵？简述乳酸发酵的类型

14、。2.简述酸奶的生产工艺。3.酸奶发酵过程中发生的生物化学变化有哪些？,第二节 思考题：,1.简述食醋发酵的生化过程。2.参与醋酸发酵的微生物主要有哪几种？各自在发酵过程中发挥什么作用？3.按生产用曲种类可把食醋划分为哪些类型？各有何特点？4.试述固态发酵酿醋的工艺流程及操作要点。5.分析食醋色、香、味、体的来源。,第三节 柠檬酸发酵,1784年 Scheele从柠檬中提取到柠檬酸。1893年以前 主要用柑橘、菠萝和柠檬等果实中提取柠檬酸。1893年 Wehmer发现淡黄青霉可以分泌柠檬酸。1917年 Currie以黑曲霉为菌种发酵生产柠檬酸。1952年 美国Mile公司开创了液体深层发酵法生

15、产柠檬酸。1988年 我国成为世界第二大柠檬酸生产国。,一、柠檬酸的理化性质二、柠檬酸发酵生产原料（一）碳源（二）氮源及微量元素,三、柠檬酸生产菌种及生物合成途径,（一）柠檬酸生产菌种葡萄糖及淀粉质原料：黑曲霉石油副产品为原料：假丝酵母属,（二）柠檬酸生物合成途径,1.由葡萄糖经EMP途径合成柠檬酸:,经EMP生物合成柠檬酸有如下特点： (1) 没有碳原子损失，理论转化率为106.7。 (2)柠檬酸分子中的1个氧原子从水分子中引进，其他6个氧原子来自葡萄糖。 (3)在柠檬酸生物合成中，从葡萄糖分子中脱下的氢是以氧作为最终受体，每合成1mol柠檬酸需1.5molO2，是葡萄糖完全氧化所需O2的1

16、/4。因此，由EMP途径合成柠模酸的发酵是需氧发酵但供氧量不能过大。 (4)柠檬酸生物合成过程涉及CO 2暗固定反应，发酵过程需要保持一定的CO2分压，以促进丙酮酸羧化为草酰乙酸。 (5)生物合成1mol柠檬酸产生11个ATP，菌体以此维持生命运动及用作合成其他必需代谢产物所需的能量。,由葡萄糖经HMP途径合成柠檬酸:,由HMP途径合成柠檬酸有如下特点： (1)葡萄糖经HMP途径合成柠檬酸，损失1个碳原子，理论转化率为88.9。 (2)合成过程中同样从水分子中引进1个氧原子。 (3) 每合成1mol柠檬酸需2.7mol O2，是EMP途径合成柠檬酸的近一倍，因此发酵的需氧量大。 (4) HMP

17、途径合成柠檬酸同样涉及CO2暗固定反应。 (5) HMP途径每合成lmol柠檬酸，产生18.2个ATP，是EMP途径所产生的ATP的1.5倍左右。,2.由乙酸合成柠檬酸途径经由三羧酸循环及乙醛酸循环。不涉及CO2固定反应。3.以正烷烃为碳源合成途径正烷烃首先氧化为脂肪酸，脂肪酸经-氧化生成乙酸。只适应于食品工业以外的途径。,（三）柠檬酸的发酵生产,1.原料2.柠檬酸的静置浅盘发酵3.柠檬酸液体通风发酵,（四）柠檬酸的分离提纯,1.钙盐法 基本原理：在中和后的发酵液中加入碳酸钙粉末生成柠檬酸钙沉淀，分离出沉淀后加入浓硫酸得到硫酸钙沉淀和柠檬酸。2.直接提取法3.萃取法4.离子交换和渗析法,第四节

18、 其它有机酸发酵（自学）,一、反丁烯二酸发酵二、苹果酸发酵三、葡萄糖酸发酵四、丁酸发酵五、衣康酸发酵,第八章 酶制剂生产,第一节 酶制剂的工业化生产第二节 淀粉酶第三节 蛋白酶（自学）第四节 其它酶类生产（自学）第五节 酶应用新技术,第一节 酶制剂的工业化生产,一、工业化酶制剂生产的优点与从动植物组织中提取相比，微生物发酵法生产酶制剂具有以下明显的优点：（一）酶的品种多，新酶种易得。（二）菌种易诱变，代谢易调控。（三）生产周期短，酶的产量大。（四）基因易操纵，优质种易得。,二、酶制剂生产的基本工艺流程,（一）基本工艺流程图（二）工艺要点说明 1.固体发酵法 2.液体发酵法,第二节 淀粉酶,一、

19、 -淀粉酶1.产酶菌种目前国内外生产-淀粉酶所采用的菌种主要有细菌和霉菌两类，最常用的是芽孢杆菌和米曲霉。霉菌-淀粉酶大多采用固体曲法生产，细菌-淀粉酶则以液体深层发酵为主。,2生产方法（1）固体培养法 （2）液体发酵法3. -淀粉酶生产新技术诱变育种和基因工程育种筛选优良菌株,二、-淀粉酶,1.概况-淀粉酶主要用于从淀粉制取麦芽糖、啤酒生产等食品生产及其他方面。目前国内外工业上所用的-淀粉酶仍多从高等植物中提取，微生物- 淀粉酶尚不能投人大规模工业化生产，其原因主要是酶活力低、耐热性差，不能适应啤酒、饴糖生产工艺的要求，因此迫切需要研究高产、热稳定性好的产酶菌株。,2.产酶菌种,多黏芽孢杆菌

20、巨大芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌环状芽孢杆菌链霉菌,三、糖化酶,1产酶菌种主要是霉菌，我国多用红曲霉、黑曲霉以及根霉。根霉以固体发酵为宜，红曲霉和黑曲霉多以深层液体发酵生产。,2.生产方法,(1) 固体发酵法工艺流程：试管菌种三角瓶麸曲扩大培养帘子曲种通风制曲成品。(2)液体深层发酵法工艺流程：试管斜面种子种子扩大培养发酵过滤浓缩干燥粗酶制剂。,四、异淀粉酶,异淀粉酶又称淀粉-1，6-葡萄糖苷酶、分枝酶，此酶作用于枝链淀粉分子分枝点处的-1，6-糖苷键，将枝链淀粉的整个侧链切下变成直链淀粉。此酶产生菌主要是产气杆菌、芽孢杆菌及某些假单孢杆菌等细菌。 我国异淀粉酶的生产多用产气杆菌为产酶菌种，采用液体深

21、层发酵法生产该酶。,第三节 蛋白酶,一、酸性蛋白酶（一）生产菌种：酸性蛋白酶的生产大都采用曲酶。（二）发酵工艺发酵培养基、培养条件对产酶的影响、pH、温度、通风量、氧载体（三）提取工艺 1.沉淀结晶法 2.离子交换柱层析法,二、中性蛋白酶,（一）生产菌种 谷草芽孢杆菌、地曲霉、灰色链霉菌等。（二）发酵工艺（三）提取,三、碱性蛋白酶,（一）生产菌种 地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌等。（二）发酵工艺（三）提取,第四节 其它酶类生产（自学）,一、脂肪酶二、果胶酶三、纤维素酶四、葡萄糖氧化酶五、葡萄糖异构酶等等,第五节 酶应用新技术,一、固定化酶定义 固定化酶（immobilized enzymes）是指被限制或固定在某一局部空间或特定的固体载体上并能发挥作用的一类酶。,1.固定化酶的优缺点2.固定化酶的制备原则3.固定化酶的制备方法吸附法、共价结合法、交联法、包埋法4.固定化酶的应用,二、固定化细胞,（一）固定化细胞的优缺点（二）固定化细胞制备的依据（三）固定化细胞的制备方法,三、共固定化技术,定义：共固定化的几种形式：细胞与细胞细胞与细胞器细胞与酶细胞器与酶细胞、细胞器与酶,四、抗体酶,（一）抗体酶的概念（二）抗体酶的设计与生产（三）抗体酶的应用,