食品生物技术概论廖威第四章发酵工程及其在食品工业.ppt

第四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工程在食品工业中的应用发酵法生产单细胞蛋白螺旋藻的培养生产及其应用发酵法培养新型食品胶发酵法生产食用色素其它产品的发酵生产 教学内容 第一节发酵工程概述 1 Fermentationengineering 指利用微生物的生长繁殖和代谢活动来大量生产人们所需要的产品的技术 也称微生物工程 它主要包括菌种选育 微生物代谢产物的发酵和分离纯化等环节 同时也包括微生物生理功能的工业化利用等 2 发酵工程的历史发展 天然发酵阶段微生物纯种培养技术微生物液体深层发酵技术微生物工程时期 3 发酵工程的研究内容 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 培养基的配制 种子扩大培养 发酵过程中发酵条件的控制 产品的分离提纯等 4 发酵工程有关设备与技术 生物反应器 提供并可控制微生物在培养及产生代谢产物的过程中温度 水分 溶氧量 pH 适宜的营养物质的浓度 细胞与营养物合适的混合强度等条件的一类装置 微生物发酵技术 各种微生物技术在发酵工程中的应用 其特点有 反应耗能少 条件温和 能有效利用工业废水 生产辅料等作为发酵原料 有利于生产的综合利用 产物专一 副反应少 污染小 对于复杂化合物的发酵生产具有高度选择性 发酵工程控制技术 将计算机 传感器等现代监测手段运用于发酵工程之中 实现对发酵工程中实时数据的监控 下游处理技术 发酵液的预处理 过滤 提取 精制 成品加工等步骤 膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质在膜两侧压力差的作用下 使原料中某种组分选择性地透过 从而使混合物得以分离以达到提纯浓缩的目的 4 发酵工程有关设备与技术 4 发酵工程有关设备与技术 发酵工程在食品工业中应用广泛 主要有以下几个方面 生产传统的发酵产品 啤酒 果酒 食醋等生产各种各样的食品添加剂 改善食品品质及色香味生产可食用的蛋白质 单细胞蛋白 第二节发酵工程在食品中的应用 1 发酵法生产单细胞蛋白 1 SCP生产菌种和原料 2 SCP的发酵生产 3 SCP的分离和纯化 4 高活性干酵母的生产和应用 单细胞蛋白 singlecellprotein 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 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 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 1 SCP生产菌种和原料 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 1 SCP生产菌种和原料 2 SCP的发酵生产工艺 一般SCP生产的概略流程图 3 SCP的分离和纯化 SCP的发酵产品为菌体本身 分离工艺较简单 过滤得到的菌体再用冷水洗涤 再过滤得到酵母浓缩物 以30 的热风干燥 并制成块状或粒状 4 高活性干酵母的生产和应用 高活性干酵母 highactivedryyeast 简称HADY 颗粒状的含水量为4 6 的具有高发酵活力的酵母成品 一般活细胞数 200亿cfu g 基本特征 常温下长期贮存而不失活性 复水后可恢复成自然状态并具有正常酵母活性 HADY的制作技术 发酵培养液预处理 菌种的扩大培养 接种发酵 分离洗涤 干燥 优质的生物膨松剂和发酵剂 作用时间短 使用方便 发酵力强 发酵后不需要用碱中和用于酒精和白酒的生产 提高发酵的安全性和稳定性 节约了能耗 提高出酒率 HADY的应用 2 螺旋藻的培养生产及其应用 藻类含有较高的蛋白质 一般含可消化蛋白45 70 其氨基酸种类含量与单细胞微生物相同 而且藻类的生长速度比高等植物快 螺旋藻被认为是最重要的蛋白质资源之一 螺旋藻在地球上出现已有30亿年之久 是一种利用光合作用的水生低等植物 在分类学上属于蓝藻门 颤藻科 已发现有30多种 因其藻体呈丝状螺旋形而得名 至目前为止 有利用价值的藻种主要有两种 钝顶螺旋藻和极大螺旋藻 螺旋藻研究开发的进展及其药理评价 人类食用螺旋藻的历史已有几百年 最初发现螺旋藻是在非洲中部乍得湖畔及墨西哥迪斯科克湖 当地人用来食用或制成饼食 有益于健康 本世纪50年代以后 乍得把螺旋藻制成食品其商品名为 Dihe 1964年 比利时植物学家JeanLenoard从食用螺旋藻和出售的 Dihe 中 分离出螺旋藻 在实验室进行培养试验 1967年3月首次发表了实验结果 为螺旋藻的人工养殖开创了先例 1968年 法国石油研究所与墨西哥一家公司合作 利用墨西哥迪斯科克湖的螺旋藻资源 建成了700m2的培养池 年产量为300t左右 成为世界上第一间螺旋藻生产工厂 螺旋藻除了营养成分完全 疗效作用大以外 还由于其细胞壁薄 纤维素含量低 很易消化吸收 消化率达95 美国Earthrise公司生产的螺旋藻片剂 粒剂和粉剂 零售价格为129美元 kg 美国 BetterNutrition 杂志列举了螺旋藻所含生理活性物质和医疗特性 认为螺旋藻对糖尿病 贫血症 肝脏疾病 溃疡病 胰腺炎 视力障碍 白血症 过敏症 癌症等均有治疗和预防功效 日本的医药专家出版了 神秘的螺旋藻 一书 介绍螺旋藻的药效功能 美国报道从螺旋藻中提取的一种糖脂甚至具有阻止AIDS 爱滋 病毒的功效 藻蓝蛋白可作荧光探针 此外 螺旋藻还应用于珍稀动物饲料和美容化妆品等的制造 我国对螺旋藻的开发研究始于70年代初 我国农业部和国家科委把螺旋藻列入国家 七五 八五 攻关和推广项目 中国科学院武汉水生所 青岛海洋所 北京大学 南京大学 华南师范大学 华南理工大学 江西农科院等对螺旋藻生物特性 养殖条件及藻粉的生理活性物质进行了大量基础研究 1987年 海南省盐业总公司螺旋藻养殖成功 1992年深圳蓝藻生物公司成立 广东省茂源进口总公司与广州光华药业股份公司合作研制出奇珍螺旋藻片 已大量投入市场 并正式成立广州营养与健康研究会 广东梅雁企业 集团 股份有限公司也建立大规模的养殖生产基地 所生产的梅雁牌螺旋藻片 螺旋藻胶囊已批准为保健食品产品 螺旋藻的化学组成和营养 螺旋藻的化学组成 蛋白质干藻粉蛋白质含量达50 70 是大豆的2倍 比牛肉 鸡蛋白高3 5倍 更加重要的是其蛋白质中8种必需氨基酸配比合理且全面 碳水化合物螺旋藻干粉中含碳水化合物15 20 其中含有7 一8 为螺旋藻活性多糖 SP 1 其相对分子质量为12590 其组分含D 甘露糖30 938 D 葡萄糖29 779 D 半乳糖22 755 葡萄糖醛酸16 526 经现代医学和药理学评价 具有消除各种炎症 抑癌等功能 脂肪螺旋藻具有低脂肪 低胆固醇的特点 其脂类含量仅为4 左右 其中 亚麻酸占1 这种高度不饱和脂肪酸对降低胆固醇和作为前列腺素合成的前体 并对降压 止痛 消炎等具有重要的药理作用 维生素螺旋藻中含有多种维生素 其中维生素B12含量丰富 维生素E的含量也比麦芽的含量高 植物色素螺旋藻的植物色素含量丰富 其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 主要由叶黄素和 胡萝卜素组成 其中 胡萝卜素在所有已知的食品中含量最高 是一类很有应用价值的色素源 它可在某些观赏动物或虾 鱼类体内合成虾青素及斑螯黄质 能有效地起到着色效果 从而使对虾 珍贵海产鱼类 观赏鱼 宠物 鸡及鸡蛋等具有美丽的色彩 矿物质lOOg螺旋藻干粉中含钾高达1500 2000mg 含镁200 300mg 含铁50 100mg 而钠的含量甚微 钾能促进人体内钠的排泄 可预防高血压 镁具有保护人体循环器官 预防心脏病等功能 铁具有造血功能 另外 螺旋藻还含有微量元素硒 锌 锰等 螺旋藻的营养类型 1 光合自养型 在光照下生长 CO2作为惟一的碳源同化为细胞结构 生长所需能量仅仅来自光能 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 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 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 能在黑暗中生长 螺旋藻的形态 分类及生态 螺旋藻的形态 螺旋藻有两种类型 钝顶螺旋藻 主要特征是藻丝末端细胞钝圆 藻丝宽约6 8 m 螺旋直径为28 36 m 螺距约为43 57 m 极大螺旋藻 其特征为藻丝末端细胞略粗 藻丝约为3 4 15 m 螺旋直径约为40 67 m 螺距为33 76 m 螺旋藻的生态螺旋藻可以在土壤 沼泽 淡水 盐水 海水及温泉中生长 甚至可在一些不适宜其它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地生长 目前 工业化生产的螺旋藻大部分利用淡水养殖 但也有利用海水养殖 螺旋藻的生产 培养螺旋藻的影响因素条件 1 pH 光合自养生长时 螺旋藻的最佳生长pH范围为8 3 11 0 最适pH为9 0 0 5 当pH大于11时 不利于生长 2 温度 螺旋藻的最适生长温度为35 37 3 氮源 螺旋藻除能利用无机氮外 还能利用尿素 4 光照 当营养和温度正常的情况下 光照就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素 螺旋藻的采收和干燥工艺 螺旋藻产品 螺旋藻食品 课堂作业 阅读教材自学发酵法生产新型食品胶 生产食用色素 生产有机酸及生产多元糖醇课后作业 叙述或画出发酵工程在食品工业中某一种应用过程 图 一 黄原胶 Xanthangum 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 Xanthomonascampestris 以碳水化合物为主要原料经过通气发酵 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 3 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 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 XanthomonasCampestris 及其变异株如南开大学筛选出的N K 01菌株等 三 生产菌种 四 发酵工艺流程 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 Mg2 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24 27 利于菌体生长 后期30 33 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 Gellangum 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1996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 Spningomonascampestris 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27 28 产胶期30 左右pH 6 5 7 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24 48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65 120 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 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5 7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 phycomyocesblakeskeamis 三孢布拉霉菌 Blakesleatrispora 等 三孢布拉霉属毛霉目 三孢霉属 是目前发酵生产 胡萝卜素最好的菌种 培养5 6d总胡萝卜素产量在1g L以上 其中80 90 是 胡萝卜素 目前 国际上实验室水平生产 胡萝卜素达到3g L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