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1、,第三章 发酵工程及其在食品工业中的应用,第一节 发酵工程概述 第二节 发酵法生产单细胞蛋白第三节 发酵法培养新型食品胶第四节 发酵法生产食用色素第五节 其它产品的发酵生产第六节 螺旋藻的培养生产及其应用,教 学 内 容,第一节 发酵工程概述,Fermentation engineering：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程，也称微生物工程。,一、发酵工程的内容及生产流程,现代的发酵工程包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。主要内容：包括生产菌种的选育，发酵
2、条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等。,1、固体发酵法：2、液体发酵法：,二、微生物发酵方法,液体表面发酵法液体深层通气发酵法液体厌氧发酵法,三、发酵操作方式以及过程控制,液体深层发酵操作方式可分为:1、分批发酵法：向发酵罐一次性投入发酵液和菌种，一次性收获产品。2、连续发酵法：以一定的速度连续向发酵罐中输入新鲜的培养液，同时以一定的流速（往往相同）从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液的发酵过程。3、中间补料发酵法：介于分批和连续发酵之间的一种发酵技术。,发酵过程控制：,物理参数及其控制温度、压力、流量、转速、补料和泡沫等。化学参数及其控制pH、溶解氧、二氧化碳溶解量、排气组
3、分和溶液成分等的在线检测和控制。生物学参数及其控制生物量、细胞数、细胞形态和大小、酶活性、ATP和细胞活力等的测定。,四、发酵产物分离过程,发酵产物：1、微生物菌体2、微生物酶3、微生物代谢产物4、微生物转化产物,第二节 发酵法生产单细胞蛋白,一、SCP生产菌种和原料二、SCP的发酵生产三、SCP的分离和纯化四、高活性干酵母的生产和应用,单细胞蛋白（single cell protein，简称SCP）：是指通过大规模培养酵母或细菌等微生物而生产的用作食品或饲料的微生物蛋白。富含蛋白质的微生物：酵母菌、细菌、霉菌、食用菌和藻类等。蛋白含量：霉菌：31%50%酵母菌：47%56%细菌：72%83%
4、螺旋藻：50%70%,微生物的菌体蛋白营养价值：,蛋白质含量高达40%80%，比大豆、肉、鱼等食品中蛋白含量高。氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸。含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质。目前，人们已公认SCP是非常具有应用前景的蛋白质资源。,、直接食用：蛋白粉、“人造肉”等。、作为食品添加剂，如：食品的增鲜剂：已广泛应用于调味料中。营养增强剂：补充蛋白质或维生素、矿物质等。抗氧化剂：常用于婴儿粉及汤料等中。减肥食品的添加剂：干酵母热量低。3、其他应用：如意大利烘饼中加入活性酵母，可提高饼的延薄性能。,单细胞蛋白在食品工业中的应用：,一、SCP生产菌
5、种和原料,生产SCP的菌种：酵母菌、细菌、霉菌和藻类等，用的较多的是酵母菌。如：酿酒酵母、产朊假丝酵母（或称圆酵母）、脆壁克鲁维酵母（或称乳清酵母）。优良的SCP生产菌株应具有的性状：无生理毒性、菌体蛋白含量高、生长速度快、对培养条件要求简单和产品味道好易于吸收等。,生产原料：1、烷烃类和石油化工产品如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。2、各种有机废料和一些糖类物质有机废料：如食品厂、酿造厂、造纸厂等废弃物以及农作物秸杆等。糖类物质：如糖蜜、淀粉类物质等。,二、SCP的发酵生产,一般SCP生产的概略流程图,（一）、以淀粉质为原料生产SCP,主要有三条途径：在化学分解或酶解底物基础上培养SCP生产菌，
6、主要是酵母菌；将对淀粉分解活力高的酵母（或霉菌）与快速生长的酵母菌混合培养；单独培养能够同化淀粉的生产菌株，如 SCP生产工程菌。,以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50。即t原料可生产出t多蛋白含量超过50的产物。每升发酵液中生物量约为3740g。近年来，我国已经开始探讨应用混合培养法生产SCP的工艺。而瑞典糖业有限公司早在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料SCP。,（二）、以糖蜜为原料生产SCP,105页表4-4,糖蜜预处理：包括澄清和灭菌发酵培养液：以糖蜜作为碳源，氨水、硫胺素、尿素等作为氮源，还需添加适量的磷酸、磷酸盐等磷源，可提高酵母产率。发
7、酵方式：液体深层发酵，需要通气。发酵条件：培养液pH：在4.75.0之间 发酵温度：约26。终发酵液：含酵母 58得 率：100kg糖蜜可获得约60kg湿酵母,（三）、以纤维素类为原料生产SCP,三条路线：1、预处理-酶解-发酵一般先经膨化预处理，然后用纤维素酶水解纤维素，以其为碳源进行发酵。2、酸解-发酵常用粗硫酸，使纤维素和半纤维素部分水解，并除去木质素等有机溶解物。3、混合发酵选用能较好地利用纤维素的菌株，使其与纤维素酶配合使用。,三、SCP的分离和纯化,两个关键技术：破除菌体细胞壁 降低SCP产品中的RNA含量以酵母为例：1、破碎细胞壁方法化学法:酸法、碱法、有机溶剂等酶法：自溶作用或
8、外加酶（如蜗牛酶等）机械法：高压匀浆、球磨研磨、超声波破碎 法等。,2、降低RNA含量的方法碱法：将酵母浆液在加热的碱液中处理一定时间，使蛋白沉淀，RNA在上清液中，分离后SCP中仅含 12 RNA。酶法：利用菌体自身RNA酶的作用，在5055下保温处理1060s，激活胞内RNA酶，可获得RNA含量仅为1.5%的SCP。盐析法：用不同种类、浓度的盐抽提。,四、高活性干酵母的生产和应用,高活性干酵母：（high active dry yeast，简称HADY），颗粒状的含水量为46的具有高发酵活力的酵母成品。（）HADY的制作技术设 备：连续流化床干燥装置干燥过程：温度分两级控制 初期：热空气温
9、度150160。后期：温度在3035。,菌种选育：选育耐高温、抗干燥能力强、生产性状好的菌种。酵母的培养和发酵生产工艺过程与其它酵母的生产相似，但其培养基组成、培养条件和营养源流加量等对酵母干燥后的存活力有一定的影响。,HADY制作中的技术关键问题,培养基成分的影响碳源：废糖蜜是较理想的碳源，因其含碳量较高，含氮量较低，培养制备的干酵母存活力比较高。氮源：氮源过多，酵母对干燥抵抗力差。当酵母含氮量达6.4%(干计)，酵母干燥后大部分细胞活力被钝化。,营养源流加量和培养条件的影响 酵母细胞中海藻糖含量与其抗干燥能力有一定的关系，当海藻糖含量高达10%15%，对干燥的抵抗力明显增强。严格控制营养源
10、流加的碳氮比、发酵末期适当升温和减少通风量，使酵母呈23小时的“饥饿”状态，可使海藻糖含量增加到15%16%（干计）或更高。,干燥前的处理加入高渗溶液、膨胀剂（如甲基纤维素）、润湿剂（如甘油）或稳定剂（如阿拉伯胶）都可增强酵母对干燥的抵抗性能。活性干酵母的颗粒结构与形状颗粒大小适中，干燥均匀，复水性能好、发酵活力高。产品的保存条件于绝氧条件下保存，采用真空或充氮气的复合铝箔包装，保存期可达12年。,一、黄原胶（Xanthan gum）的发酵生产 黄原胶是国际上20世纪70年代发展起来的新型食品胶。黄原胶是由黄单孢细菌（Xanthomonas campestris）以碳水化合物为主要原料经过通气
11、发酵、分离提纯后得到的细胞外杂多糖，产品为淡黄色粉末。是目前世界上生产规模最大的微生物多糖。,第三节 发酵法生产新型食品胶,（一）、黄原胶的结构与性能,1结构 黄原胶是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、鼠李糖、乙酸和丙酮酸等组成的阴离子杂多糖。基本骨架为葡萄糖连接而成的直链纤维素分子，每隔一个葡萄糖单位都连接一个三糖侧链，侧链由葡萄糖醛酸、甘露糖、鼠李糖等组成。侧链末端含有丙酮酸基团的多少，对黄原胶分子性能有很大影响。,黄原胶在水溶液中形成双螺旋体结构，很多的双螺旋结构间靠微弱的非共价键维系，形成规则的螺旋聚合体，使得黄原胶具有强亲水性、增稠性、稳定性、悬浮性、乳化性等。,2性能,作为增稠稳定剂：
12、用于果汁、饮料、调味料等食品中。作为乳化剂：用于蛋白饮料、乳饮料等食品中。作为高粘度填充剂：用于点心、面包、糖果等食品中。作为乳化稳定剂：用于冷饮食品中。肉制品加工：提高制品的嫩度、持水性、出品率。果蔬保鲜加工：防止果蔬失水、褐变，延长产品保质期。罐头、饮料等加工：作为悬浮剂和稳定剂，利于保持产品外观，改进口感和增强风味等。,（二）、黄原胶在食品工业中的应用,常用的生产菌种：黄单孢杆菌及其变异株。美国：多数为甘蓝黑腐病黄单孢杆菌及其变 异株 我国：多数为野油菜黄单孢杆菌（Xanthomonas Campestris）及其变异株 如南开大学筛选出的NK01菌株等。,（三）、生产菌种,（四）、发酵
13、工艺流程,1、种子培养 斜面 三角瓶 10L罐 100L罐 1M3罐 10M3发酵罐,碳源：葡萄糖、蔗糖或淀粉。氮源：蛋白胨、酵母精粉、玉米浆、水解乳清粉、豆饼粉和无机氮源等。氮源含量高会导致黄原胶产量下降，宜采用高C/N。无机离子和微量元素：P、S、Mg 2+、Ca2+、k+等对菌体和胶的合成起促进作用，可提高黄原胶产量或质量。表面活性剂：乳化发酵可提高黄原胶产量。,2、发酵培养基,培养温度：前期2427（利于菌体生长）后期3033（利于产胶）培养时间：天天 pH:最适为7.0，控制在7.0士0.5发酵方式：连续发酵或间歇发酵，发酵过程中需通气搅拌。供氧充足时，黄原胶合成速度快、黄原胶相对分
14、子量大，其中丙酮酸含量高，粘度高，供氧不足时，则相反。,3、发酵条件及其控制,（五）、黄原胶的提取工艺,1、发酵液预处理：如过滤、絮凝等。2、分离提取：食用级黄原胶常用醇沉淀，醇能降低多糖分子与水的亲和力，使多糖分子脱水而相互聚集形成沉淀。3、脱水:压榨或离心脱水。4、干燥:气流干燥或真空干燥。干燥温度60左右，终产品水分在10左右。5、粉碎、过筛与包装：黄原胶细度一般在0.18mm左右。国外黄原胶细度可达0.074mm。成品：乳白色或浅米黄色粉末。,食用级黄原胶产品,结冷胶（Gellan gum）是一种新型微生物多糖，上世纪80年代初开发成功，1992年美国FDA批准作为食品添加剂，我国19
15、96年批准。美国是主要供应商，目前我国已开始有小规模生产。（）生产菌种：少动鞘脂单胞菌（Spningomonas campestris）,二、结冷胶的发酵生产,（二）结冷胶的发酵生产,结冷胶分子结构的重复单元,分子结构：都是由四个单糖连接成的重复糖单元构成的高分子糖类化合物。天然结冷胶特性：主链上连接有酰基，形成的凝胶柔软，有弹性。低酰基结冷胶特性：分子结构中的酰基全部或部分被去除，凝胶力增强，但易脆裂，在食品工业上普遍使用。,两种产品形式：天然的结冷胶（高酰基结冷胶）低酰基结冷胶（脱酰基结冷胶）。,D葡萄糖D葡萄糖醛酸D葡萄糖L鼠李糖,1、结冷胶的生产工艺流程,发酵培养基一般采用葡萄糖或蔗糖
16、为碳源，氮源为有机氮和无机氮配合，高碳氮比利于产胶。发酵温度：前期2728，产胶期30左右pH：6.57.0发酵方式：一步发酵法或中间补料发酵法，需通气搅拌。,2、发酵培养基及其工艺控制,1、预处理：加热灭酶及絮凝除菌等。2、脱酰基结冷胶的提取经预处理的发酵液在80下，加入NaOH或KOH调pH至10.0以上，搅拌处理10min，然后用稀酸中和至中性，精滤除去不溶性杂质，再用异丙醇或乙醇沉淀分离出结冷胶，然后经压榨或离心除去溶剂，经干燥、粉碎包装等工序后得脱酰基结冷胶。,（三）结冷胶的分离提取,作为胶凝剂，可溶于冷水或稍微加热的溶液中，凝胶稳定性高，耐酸、耐碱性强，使用量低，可与多种食品胶配合
17、使用。糖果加工：在淀粉软糖中添加0.075%结冷胶，可使凝胶时间由2448小时缩短到12小时。果冻和果酱加工：可用结冷胶代替果胶或海藻胶，使用量仅为0.2%,且可形成更佳的结构和口感。人造食品：人造水果块，使用量0.7%,在杀菌过程中不溶化并保持其外形特征。（融化温度在65120）,（四）结冷胶在食品工业中的应用,三、茁霉多糖的发酵生产,又称普鲁兰糖，日本于1978年开始工业化生产。该多糖是一种粘性多糖，主要是以麦芽三糖和少量的麦芽四糖构成的线状多糖，是一种无色、无臭、无味、无毒的无定形白色粉末。,1、生产菌种 主要是出芽短梗霉菌。生产菌株在普通条件下培养能大量分泌多种色素，有些色素难以除去，
18、工业生产应选用产色素少，发酵周期短，产量高的菌种作为生产菌株。2、生产流程培养基灭菌接种发酵一加热灭酶絮凝除菌过滤精制超滤浓缩干燥粉碎包装产品,（一）茁霉多糖的发酵生产,发酵培养基：高C/N比，利于产胶发酵温度：30左右pH：6.0左右通气培养培养时间：一般57天，在茁霉多糖产量达到最高峰前几小时终止发酵。因为产量达到高峰值后，茁霉多糖会被其分解酶迅速分解，得率下降，粘度也会降低。,3发酵培养基及发酵控制,粘结性强：对木材、纸张、纤维、玻璃、金属等材料都有很强的粘结性。可塑性强：可制膜、纺丝、任意造型。加工成的包装材料能被微生物分解，不造成环境污染。用作食品包装材料：茁霉多糖膜具有很强的隔气性
19、能，能阻止氧气对食品作用，防止食品变质。用作食品品质改良剂：如在肉制品中添加0.1的茁霉多糖，可使肉制品的弹性、口感和持水性明显提高。,（二）茁霉多糖的理化性质,第四节 发酵法生产食用色素,微生物发酵法生产的食用色素，目前仅有红曲红色素和-胡萝卜素两种。一、发酵法生产-胡萝卜素,-胡萝卜素是一种具有营养强化作用的重要着色剂。在食品中添加-胡萝卜素能使食品色泽金灿诱人，同时具有刺激免疫、降血脂、预防心血管疾病等功能。,生产菌种：布拉克须霉菌（phycomyoces blakeskeamis）、三孢布拉霉菌（Blakeslea trispora）等。三孢布拉霉属毛霉目，三孢霉属，是目前发酵生产-胡
20、萝卜素最好的菌种。培养56d总胡萝卜素产量在1gL以上，其中8090是-胡萝卜素。目前，国际上实验室水平生产-胡萝卜素达到3gL以上。由于三孢布拉霉生长不需光照，非常具有工业化发展前途。俄罗斯等东欧国家已实现了工业化生产。,第五节 其它产品的发酵生产,一、有机酸的发酵生产柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸、一些氨基酸（谷氨酸、赖氨酸等）、一些脂肪酸（-亚麻酸、二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸）等。上述有机酸都可利用微生物进行发酵生产，经发酵培养后提取这些成分。,二、真菌多糖的发酵生产,真菌多糖是从真菌中分离出的由十个以上的单糖以糖甙键连接而成的高分子多聚物。如灵芝多糖、香菇多糖、冬虫夏草多糖、银耳多糖、黑木
21、耳多糖等等。真菌多糖具有调节机体的免疫功能，抑制和消灭肿瘤细胞等功效。因此，真菌多糖可作为功能性食品基料，用于保健食品或医药领域。,灵芝多糖可从子实体或菌丝体中提取。液体深层发酵生产灵芝多糖工艺流程：一、种子培养斜面菌种培养 摇瓶种子培养 种子罐培养二、发酵罐培养（菌丝体生产）三、灵芝多糖（胞内和胞外多糖）的分离提取,例：灵芝多糖的生产,灵芝多糖在食品中的应用实例：,1、灵芝乳酸浓缩汁的生产 将灵芝菌种深层发酵培养获得菌丝和滤液，从菌丝中提取多糖，并将提取液与滤液混合后添加适量的碳源和调味剂等，然后接入乳酸菌进行乳酸发酵，发酵后经分离、配料、冷贮去杂、包装和巴氏杀菌后即得成品。2、灵芝发酵饮料
22、的生产 将灵芝粉、白砂糖、蜜糖等作为发酵原料，接入酵母菌进行发酵，将发酵离心液加入糖、柠檬酸和香料等配制而成。3、灵芝菌丝体发酵酒的生产 将灵芝菌丝体粉碎，再经发酵而成的营养保健酒。,三、生物活性肽的发酵生产,例：乳酸链球菌肽（nisin）的发酵生产 乳酸链球菌肽又称乳酸链球菌素，是从乳酸链球菌（S.lactis）发酵产物中提取的一类多肽化合物，仅有34个氨基酸残基构成，分子量约为3500Da。nisin能有效抑制许多引起食品腐败的革兰氏阳性菌及病原菌的繁殖,而对人体安全无毒，作为食品防腐剂有着广泛的用途。,1969年，FAO/WHO专家委员会确认乳酸链球菌肽可作为食品防腐剂。国外只有少数几家
23、公司生产，如英国Aplin&Barrett公司生产，商品名为Nisaplin。我国中科院微生物研究所于1989年开始对乳酸链球菌肽进行基础研究，探索出乳链菌肽生产工艺路线，并于2000年通过了专家鉴定，目前已实现工业化生产，其产品已批量生产并投放市场。,第六节 螺旋藻的培养生产及其应用,一、螺旋藻研究开发的进展及其药理评价20世纪50年代，作为食品出售1967人工养殖螺旋藻获得成功1968年，在墨西哥建成第一个螺旋藻生产工厂，其产品证明没有毒性，允许作为食品和饲料。1977年，联合国工业发展组织委托毒理学家进行毒性试验，认为螺旋藻的蛋白质质量达到理想蛋白质标准。目前世界上很多国家进行螺旋藻的生
24、产，销售额在20亿元以上。,1、蛋白质：约50%70%，其蛋白质中8种必需氨基酸配比合理且全面。2、碳水化合物：约15%20%，其中7%8%为螺旋藻活性多糖。3、脂类：约4%，其中亚麻酸占1%。4、维生素：含有多种维生素，约3%，维生素B12、维生素E含量高。5、色素：约6%，其中类胡萝卜素在干粉中的含量为0.2%0.4%，为其它植物的10倍以上。,二、螺旋藻的化学组成和营养,三、螺旋藻的形态、分类及生态,1、螺旋藻（Spirulina）的形态 是一种多细胞丝状体。藻丝：长50500m，直径约112m。,螺旋藻（Spirulina）属蓝藻门、颤藻科、螺旋藻属，因其藻体呈丝状螺旋形而得名。目前在
25、国内发现该属有38个种，研究较深入并工厂化生产的螺旋藻主要有两个种。,2、螺旋藻分类,钝顶螺旋藻：藻丝末端细胞钝圆，藻丝宽约68m，螺旋直径为2836m，螺距约为4357m；极大螺旋藻：藻丝末端细胞略粗，藻丝约为3.415m，螺旋直径约为4067 m，螺距为3376 m。,钝顶螺旋藻,极大螺旋藻,3、螺旋藻的营养类型,1、光合自养型：在光照下生长，CO2作为唯一的碳源同化为细胞结构，生长所需能量仅仅来自光。2、营养缺陷型：由于发生代谢障碍，生长时至少需加入一种较低浓度的有机物，但这有机物不是作为碳源和能源，而是作为生长因子。3、混合营养型：在光照和CO2存在下生长，还必须加入至少一种有机底物，
26、这种底物能进行光合代谢。4、异养型：能利用一种或多种有机物作为能源和碳源，CO2可有可无，能在黑暗中生长。,螺旋藻分布很广，可在土壤、沼泽、淡水、盐水、海水及温泉中生长，甚至可以在不适宜生物生长的环境下生长，如在含碱量很高的湖泊中它也能良好的生长。目前，工业化生产的螺旋藻大部分利用淡水养殖，也有利用海水养殖，后者需注意降低重金属含量。,4、螺旋藻生态,四、螺旋藻的生产和分离方法,1、螺旋藻的生产按培养基类型分为：淡水培养 海水培养按营养类型分为：光合自养型生长培养 混合营养型生长培养,（1）、光合自养型螺旋藻的培养,封闭池培养法：封闭池为长方形，深度约10cm左右，使用搅拌器和塑料挡板来加强水
27、的流动，它既可以暴露于空气中，又可以用塑料薄膜覆盖其上，面积在5005000m2范围内。,云南丽江程海湖天然螺旋藻生产基地,（2）、混合营养型螺旋藻的培养,例：钝顶螺旋藻的分批培养 在生物反应器中加入灭过菌的培养基，可采用 Zarrouk培养基作为基本培养基，根据需要在其中添加葡萄糖（1.02.0gL）和硝酸钠（2.0gL）。控制pH范围在910，温度在3035，一定的光强度（影响不大），培养时间视情况而定。,2、螺旋藻的分离方法,可分为三个主要步骤：初级分离：过滤法、离心法和絮凝法脱水方法：离心法、重力过滤法和沙床过滤，其中以沙床过滤法较为理想，它将干燥和脱水两个步骤结合在一起。干燥方法：通过机械（滚筒）干燥法或日晒干燥法将分离到的螺旋藻进行干燥。,螺旋藻产品,螺旋藻食品,
