微生物与食品发酵

07 04 2020 1 第十章 微生物与发酵食品 07 04 2020 2 应用于发酵工业的微生物种类 主要有 细菌 放线菌 酵母菌 霉菌等 人类对微生物的应用可概括为两大方面 利用微生物的酶及其代谢产物 利用微生的菌体及其内含物 07 04 2020 3 主要内容 一 微生物的酶及微生物代谢产物的应用二 微生物的菌体及其内含物的应用 07 04 2020 4 第一节 微生物的酶及微生物代谢产物的应用 07 04 2020 5 一 微生物酶1 1概况 酶 enzyme 是活细胞产生的一种生物催化剂 酶是一类具有催化功能的蛋白质 能够使生物体内发生各种各样的生物化学变化 无论是动物 植物或微生物本身 它们的生长 发育 繁衍后代等 新陈代谢时所进行的一切生化变化 几乎都是在酶的催化下发生的 可以说没有酶就没有生命 酶的催化作用很早就为人们的生活所利用 07 04 2020 6 1897年Buchner发现酶的细胞外作用现象 从而导致了酶的商品化生产 最初的商品酶制剂主要以动植物为原料提取 如从牛胃中提取凝乳酶 从胰脏中提取胰酶 从血液中提取凝血酶及从植物材料中提取淀粉酶等 之后 Takamine利用霉菌来生产淀粉酶使得酶制剂工业取得突破 其方法甚至在今天仍被采用 20世纪90年代以后 随着基因工程的广泛介入 经过酶基因重组 基因工程 发酵工艺 先进发酵设备 可以算是酶工业的第三次飞跃 微生物作为酶制剂来源的地位得到了进一步的加强 显示出了动植物无法与其比拟的巨大优越性 07 04 2020 7 用微生物来生产酶产品 具有微生物生长繁殖快 生活周期短 生产能力几乎可以不受限制地扩大 能满足迅速扩张的市场需求 此外 微生物种类繁多 微生物酶品种齐全 多样性 近几十年来 微生物酶已经发展成为大规模的工业生产 成了各种酶制剂的主要来源 特别是当基因工程介入时 动植物细胞中存在的酶 几乎都能够利用微生物细胞获得 因此 有计划和仔细地筛选微生物菌株 通常可以获得能够生产几乎任何一种酶的适当菌株 07 04 2020 8 1 2微生物酶的种类 酶的组成与分类单聚体蛋白酶蛋白寡聚体蛋白 谷酰胺合成酶多聚体蛋白 丙酮酸脱氢酶酶辅基 血红素辅因子辅酶 NAD FAD 生物素等激活剂 金属离子胞内酶酶胞外酶 07 04 2020 9 胞内酶的分布 酶种类部位参与物质运输的酶细胞膜参与糖代谢的酶细胞质呼吸酶内膜或线粒体蛋白质合成酶核糖体光合作用酶色素体 07 04 2020 10 目前巳发现的微生物的酶巳有2500多种 使用价值高而大量规模化生产的仅20多种 主要有 淀粉酶 蛋白酶 葡萄糖异构酶 纤维素酶 果胶酶 葡萄糖氧化酶等10余种 广泛应用于 食品 发酵 纺织 制革 医药 造纸 日用化工 水产加工 畜禽饲料 三废处理 化学分析等 其中60 用于食品工业 07 04 2020 11 菌种分离纯化 初筛复筛 摇瓶试验 最佳产酶条件研究 酶的制备 微生物育种 收集发酵液 胞外酶 收集菌体 破碎 胞内酶 酶学研究 产品 扩大 工业生产 物理诱变 化学诱变 分子改造 遗传工程 基因工程 保藏菌种 1 3微生物酶开发的一般程序 07 04 2020 12 二 微生物酶在食品工业中的应用 利用胞外酶将原料中大分子蛋白质 淀粉等分解为可被细菌和酵母菌利用的小分子物质 如氨基酸 葡萄糖等 利用胞内酶 通过代谢调节和人工控制发酵条件 利用糖类等某些营养物质在发酵过程中积累大量的代谢产物 如酒精 氨基酸 柠檬酸 乳酸 乙酸等发酵产品 此外 还可利用某些微生物在人工培养过程中产生大量的酶的特性 从发酵液 物 中提取酶来生产酶制剂 淀粉酶 蛋白酶 纤维素分解酶等 广泛用于食品发酵 制药 制糖 制革和饲料工业中 07 04 2020 13 2 1用于酒精发酵 淀粉质原料十曲 含 糖化酶 糖化 葡萄糖发酵为酒精 制曲方法不同 酒精发酵方法也随之不同 常用的有 液体曲糖化法 根霉糖化法 Amylo法 麸曲糖化法 固体曲 加酶糖化法和麦芽糖化法等 目前国内以液体曲糖化法为主 以黑曲霉培养的液体曲作为淀粉质原料的糖化剂 酵母菌 酒化酶 07 04 2020 14 发酵机理淀粉质原料黑曲霉糖化酶葡萄糖酵母菌 途径 行厌氧发酵 酒精十CO2 目前 常用糖化酶产生菌是 黑曲霉As3 4309 俗称UV 11号 该菌产糖化酶系纯 糖化力较高 耐高温 耐低pH 糖化时最适温度600 最适pH4 0 4 6 07 04 2020 15 酒精酵母酶系较复杂 主要有 蔗糖转化酶 将蔗糖葡萄糖十果糖 麦芽糖酶 将麦芽糖2个葡萄糖 酒化酶系 类 参与催化葡萄糖酒精十CO2的各种酶的总称 酒精发酵不需游离氧参加 否则酵母菌将糖彻底分解为水和CO2 同时获得大量菌体和能量 07 04 2020 16 2 2用于饮料酒的酿造 供人饮用的 乙醇含量在0 5 65 体积分数 V V 的饮品 包括各种发酵酒 蒸馏酒 配制酒 发酵酒是以谷物 水果 乳类等为原料 主要经 谷物 糖化酶糖化 酵母酒化 或 无需将原料糖化而直接经酵母发酵 等工艺而制得 酒精含量小于24 V V 的饮料酒 主要是啤酒 果酒 黄酒 乳酒和低度白酒等5类 07 04 2020 17 2 2 1用于啤酒酿造 主发酵阶段 啤酒酵母在充02冷却麦芽汁中行有氧呼吸 可发酵糖类进入TCA循环彻底分解为H2O和CO2并放大量热量 菌体细胞大量增殖 后发酵阶段 当酵母增殖到一定程度 即进行厌氧发酵 可发酵糖类经EMP途径被发酵产生乙醇 CO2和少量热量 啤酒发酵是多种酶参与的复杂生化反应过程 只有95 96 可发酵性糖生成乙醇与CO2 其余的2 0 2 5 用于合成酵母新细胞 另有1 5 2 5 糖类转化成高级醇 有机酸 酯类 双乙酰 醛类 含硫化合物等副产物 给啤酒带来生涩与不成熟的风味 07 04 2020 18 2 2 2用于葡萄酒酿造 葡萄汁中的果糖和蔗糖被葡萄酒酵母酒化酶系经EMP途径发酵生成乙醇和CO2 其中蔗糖先被葡萄酒酵母的蔗糖转化酶分解为葡萄糖和果糖 再进入EMP途径发酵 葡萄酒酵母的氧化酶可促进葡萄酒的氧化作用 老熟陈化和色素沉淀等 07 04 2020 19 2 2 3用于黄酒酿造 以糯米 或籼米 粳米 黍米 玉米 为主要原料 利用麦曲 或米曲 红曲 为糖化剂 酒药为糖化发酵剂 进行多菌种混合自然发酵酿造而成的酒精含量为12 18 V V 的饮料酒 它包括淋饭酒 摊饭酒和喂饭酒 新工艺黄酒 则是在上述传统工艺的础上利用纯种麦曲 黄曲霉或米曲霉 为糖化剂 纯种酒母为发酵剂 以纯种发酵取代自然发酵 麦曲 以破碎的全小麦为原料 主要培殖曲霉 黄曲霉或米曲霉为主 少量黑曲霉 灰绿曲霉 青霉 其次含有根霉和毛霉 还有少量酵母等微生物 作为酿造黄酒的糖化剂 07 04 2020 20 黄曲霉产生液化型淀粉酶 分解淀粉产生糊精 麦芽糖和葡萄糖 和蛋白酶 分解蛋白质产生多肽 低肽和氨基酸 由这些代谢产物相互作用产生的色泽 香味等赋予黄酒独特风味并为酵母提供营养物质 传统麦曲采用自然培养 现代用人工接种黄曲霉 如As3 800和苏16号 黑曲霉主要产生糖化型淀粉酶 可将淀粉水解为葡萄糖 常用的黑曲霉有As3 4390 俗称UV 11 和As3 758 实际生产中 在黄曲霉制作的麦曲中添加少量纯种黑曲霉麸曲或商品黑曲霉糖化酶 以减少麦曲用量 提高糖化效果 07 04 2020 21 酒药 为小曲中的一个种类 又称药曲 是以籼米粉 米糠为原料 加入少量中草药 辣蓼草粉末 主要培殖根霉 毛霉和酵母菌 少量细菌 作为制备淋饭酒母或以淋饭法酿造甜黄酒的糖化发酵剂 根霉产生糖化型淀粉酶 可将淀粉水解为葡萄糖 还产生乳酸 琥珀酸 延胡索酸等有机酸酶系 降低基质pH抑杂菌生长 并使酒体醇厚 口味丰满 传统小曲用自然培菌法 现在用纯种根霉 常用的有 303 As3 851 3 852 3 866 3 867和3 868等 07 04 2020 22 常用的黄酒酵母有 732号 501号 醇2号 As2 1392 82 等 尤以前3种从淋饭酒醅中分离 含有酒化酶系 赋予黄酒酒香和酯香 并具繁殖快 发酵力强 产酸低 耐酸 耐高浓度酒精 对杂菌污染抵抗力强等 酒药中的毛霉产生液化型淀粉酶和蛋白酶 分解淀粉和蛋白质产生葡萄糖和氨基酸 为酵母菌生长提供营养物 07 04 2020 23 乌衣红曲 是以籼米为原料 主要培殖红曲霉 黑曲霉 酵母菌 作为酿造黄酒的糖化发酵剂 红曲霉分泌红色素或黄色素 产生糖化型淀粉酶和蛋白酶 并产生柠檬酸 琥珀酸 乙醇 耐酸 最适pH3 5 5 0 耐受最低pH2 5 耐10 酒精 常用的红曲霉有 As3 555 As3 920 As3 972 As3 976 As3 986等 2008 3 24止 07 04 2020 24 2 2 4用于白酒酿造 是以含淀粉或可发酵糖等的物质为原料 利用大曲 小曲 麸曲和纯种酒母作为糖化发酵剂 经糖化 发酵 蒸馏酿制而成的蒸馏酒 酒体呈无色或微黄 澄清透明 具有独特的芳香和风味 含酒精度41 65 体积分 为高度白酒 40 体积分 以下为低度白酒 07 04 2020 25 大曲 小曲 麸曲的主要微生菌群及其作用 大曲是以全小麦为原料 或以小麦 大麦 豌豆 7 2 1或5 4 1制成混合原料 经自然接种培养而制成的大砖块形的酒曲 大曲中的微生物主要是曲霉 其次是根霉 毛霉和酵母菌 及少量细菌 为大曲酒的糖化发酵剂 曲霉和根霉是主要的糖化菌种 其中黑曲霉的糖化力较高 米曲霉和黄曲霉的糖化力较低 但液化力和蛋白分解力较强 根霉和红曲霉产生糖化酶和有机酸 毛霉产生淀粉酶和蛋白酶 07 04 2020 26 大曲中含有产酒精力高的啤酒酵母和产酯生香能力高的产酯酵母菌 大曲中的细菌主要有 乳酸杆菌 醋酸杆菌 嗜热芽孢杆菌 如高温枯草芽孢杆菌 等 前两种存在于清香 汾香 型和浓香 窖香 型白酒大曲中 后一种存在于酱香 茅香 型白酒大曲中 大曲具有的液化力 糖化力 蛋白质分解力 发酵力和产酯力对成品大曲酒的香型 风格具重要作用 07 04 2020 27 小曲 是以大米粉为原料 以曲种接种 主要繁殖根霉 毛霉和酵母菌 少量细菌 作为半固态法生产小曲酒的糖化发酵剂 其糖化菌主要是根霉 其次是毛霉和梨头霉 酵母菌有啤酒酵母和产酯酵母 还有乳酸菌和醋酸菌 07 04 2020 28 麸曲 是以麸皮为主要原料 20 30 鲜酒糟和稻壳为辅料 经接种纯曲霉菌种扩大培养而成 作为固态发酵法生产麸曲白酒的糖化剂 麸曲白酒生产中先后采用了黄曲霉和黑曲霉As3 4309作糖化菌种 或在黑曲基础上配入少量的黄曲 30 近年来 利用黑曲霉 根霉 红曲霉和拟内孢霉为糖化剂 配以啤酒酵母 产酯酵母和己酸菌等酿制白酒 使麸曲白酒和大曲白酒的风味接近 麸曲也可用于酒精和黄酒的生产 07 04 2020 29 2 3用于谷氨酸发酵 味精生产 葡萄糖经EMP途径 为主 和HMP途径 为辅 生成丙酮酸 丙酮酸进一步生成乙酰辅酶 而后进入TCA循环生成 酮戊二酸 后者在谷氨酸脱氢酶作用下 在NH4 存在时 被还原氨基化生成谷氨酸 谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶活力强 有利于 酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸 而 酮戊二酸脱氢酶活力微弱或丧失 使 酮戊二酸不能继续氧化 脲酶活性强 能将发酵时流加的尿素分解为NH3和CO2 产生的NH3或流加的氨水可作为合成菌体蛋白质的氮源与合成谷氨酸的原料 07 04 2020 30 目前我国谷氨酸生产常用菌株有 北京棒杆菌 C pekinenesisn As 299 钝齿捧杆菌 C crenatum As1 542 天津棒杆菌 6 13 黄色短杆菌As1 582 No617 和As1 631等 谷氨酸是菌体异常代谢产物 只有菌体正常代谢失调时才积累谷氨酸 并在生物素限量时 因细胞膜的渗透性改变而使谷氨酸容易漏出 理论上 由葡萄糖生成谷氨酸的转化率为81 7 但实际为40 50 因部分葡萄糖为菌体生长提供碳源和能源 以及产生的微量副产物而被消耗掉 07 04 2020 31 2 4用于乳制品的发酵 2 4 1常用菌种 乳酸细菌 乳酸乳球菌 乳酸乳球菌丁二酮乳酸亚种 乳酸乳球菌乳脂亚种 嗜热链球菌 德氏乳杆菌保加利亚亚种 嗜酸乳杆菌 瑞氏乳杆菌 干酪乳杆菌 德氏乳杆菌乳酸亚种 两歧双歧杆菌 长双歧杆菌 短双歧杆菌 青春双歧杆菌 婴儿双歧杆菌等 酵母菌 乳酒假丝酵母菌 脆壁酵母 脆壁克鲁维酵母 类热带假丝酵母 乳酸酵母 乳酸克鲁维酵母等 霉菌 娄地青霉 沙门柏干酪青霉 酪生青霉等 其他细菌 扩展短杆菌 费氏丙酸菌等 07 04 2020 32 2 4 2发酵乳品种 酸奶 凝固型 搅拌型 开菲尔 Kefir 奶酪 干酪 酸奶油 等等 07 04 2020 33 2 5用于调味品的发酵 2 5 1酱油酱油生产中应用的菌种及其作用 米曲霉 Aspergillusoryzae 与其他曲霉 a 米曲霉 沪酿3 042 产生具较强的蛋白质分解力和淀粉液化力的酶系 米曲霉的酶系主要有 蛋白酶和外肽酶能将蛋白质水解成氨基酸 谷氨酰胺酶使大豆蛋白质游离的谷氨酰胺分解为谷氨酸 增强酱油的鲜味 液化型淀粉酶分解淀粉生成糊精和葡萄糖 决定着原料利用率 酱醪发酵成熟的时间与产品鲜味 色泽 米曲霉还具有生长速度快 抗杂菌能力强 不产生真菌毒素 对原料利用率高 发酵后产品具有酱油固有的香气 酱色浓 等特点 07 04 2020 34 b 黑曲霉 As3 350 具多种酶 如淀粉糖化酶 果胶酶 纤维素酶 高产酸性蛋白酶 c 甘薯曲霉 As3 324 产生较强的淀粉酶和单宁酶系等 对甘薯及野生植物原料糖化效果好 d 酱油曲霉 soyae 产生有较高活性的多聚半乳糖醛酸酶 而米曲霉的 淀粉酶活性高 酵母菌 鲁氏酵母 S rouxii 发酵葡萄糖生成乙醇 甘油 进一步生成酯类和糠醇 高级醇 它们构成酱油香气成分的主体 07 04 2020 35 乳酸菌 与酱油风味密切相关的乳酸菌有 嗜盐四联球菌 旧称嗜盐片球菌 酱油四联球菌 又名盐水四联球菌 植物乳杆菌 乳酸菌利用乳糖生成乳酸 与乙醇作用生成乳酸乙酯 同时降低了酱醪pH在5左右 又促进鲁氏酵母的繁殖 乳酸菌和酵母菌的联合作用 10 1 能赋予酱油特殊香气 07 04 2020 36 2 5 2用于食醋酿造 食醋生产中应用的菌种及其作用 参与米醋酿造的微生物主要有曲霉 酵母菌和醋酸菌 参与酿醋的微生物产生各种酶使原料中蛋白质分解 淀粉糖化 酒精发酵 醋酸发酵 同时产生氨基酸 糖分 乙醇 有机酸 乙酸乙酯等 与食盐混合赋予食醋鲜味 甜味 酸味 香气 咸味 色泽 酿造糖醋的微生物有酵母菌和醋酸菌 酒醋是以乙醇为原料经醋酸菌发酵而制成 07 04 2020 37 黑曲霉群 用作糖化菌的常有 黑曲霉As3 4309和宇佐美曲霉As3 758 它们含有糖化型淀粉酶 其糖化力高 耐酸 最适pH为3 5 5 0 甘薯曲霉As3 324和泡盛曲霉的糖化力和液化力较强 东酒1号为宇佐美曲霉的诱变菌株 糖化力和液化力较强 07 04 2020 38 酵母菌 利用糖类进行酒精发酵的是啤酒酵母菌 常用的有拉斯12号 字酵母 南阳1300 As2 109 As2 399 As2 1189 As2 1190 字酵母适用于以高梁 大米 甘薯为原料酿造普通食醋 As2 109 As2 399适用于淀粉质原料 As2 1189 As2 1190适用于糖密原料 As2 300 As2 338为产酯酵母 07 04 2020 39 醋酸菌 氧化酒精为醋酸 常用菌种有 沪酿1 01 木醋杆菌 又名胶醋杆菌 性能稳定 产醋量高 As1 41 恶臭醋杆菌 沪酿1 079 醋化醋杆菌 又名纹膜醋酸杆菌 比1 01产酸提高10 风味好 As1 36 07 04 2020 40 2 6用于食品添加剂的生产 2 6 1柠檬酸 生产菌种 曲霉 青霉 毛霉 木霉 解脂假丝酵母和某些细菌都能产生柠檬酸 但以曲霉为主 如黑曲霉 产酸力强 泡盛曲霉 文氏曲霉 产酸力强 宇佐米曲霉等 黑曲霉细胞内存在三羧酸循环和乙醛酸循环 由葡萄糖合成柠檬酸的途径 葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸 丙酮酸羧化 CO2固定反应 生成草酰乙酸 同时丙酮酸氧化脱羧 被丙酮酸氧化酶氧化成乙酸和CO2 经乙酰磷酸生成乙酰辅酶 草酰乙酸与乙酰辅酶 在柠檬酸合成酶作用下 缩合生成柠檬酸 草酰乙酸 乙酰辅酶 柠檬酸合成酶柠檬酸 07 04 2020 41 2 6 2用于微生物多糖生产 依据多糖在微生物细胞上存在的位置不同 分为胞内多糖 胞壁多糖和胞外多糖 依据其分子结构的组成不同而分为 同型多糖 异型多糖 即杂多糖 1 黄原胶 是由黄单胞菌发酵产生的一种高分子酸性胞外杂多糖 是由2分子 葡萄糖 2分子 甘露糖和1分子 葡萄糖醛酸组成的 五糖重复单元 聚合体 可作为增稠剂 悬浮剂 胶黏剂 稳定剂 分散剂 乳化剂等被广泛应用于食品 纺织 化工 石油等工业 黄原胶在食品工业中主要作为乳化剂加入风味面包 调味料中 用作饮料的果肉良好悬浮剂 淀粉食品的填充剂和稳定剂 牛奶 酸奶 冰淇淋 冰牛奶 冰冻食品的稳定剂或增稠剂 高温焙烤食品的保湿剂等 07 04 2020 42 2 右旋糖酐 又称葡聚糖 白色粉末 分子式为 6 10 5 n 2 右旋糖酐溶液黏度为0 15 a s 与盐 酸 碱等物质具有很好的相容性 在高温下具有抗降解能力 在食品工业中用做饮料和糕点的稳定剂 保湿剂 增稠剂 增量剂 在临床上作为血浆代用品用于降低血液黏稠度 改善微循环和抗血栓 并有增加血溶量作用 其硫酸酯具有阻止脂类代谢异常引起的高血脂 动脉硬化的作用 工业上常用菌种 明串珠菌属 Leucomostoc 中的肠膜明串株菌 L mesenteroide 右旋糖酐明串珠菌 L mesenteroides 医药上用肠膜明串珠菌 07 04 2020 43 2 6 3红曲色素 红曲色素是由红曲霉的菌丝产生的胞外色素 分为3种结晶体 橙红色针状结晶 黄色片状结晶 紫红色针状结晶 分别称为红色色素 黄色色素 紫色色素 特性 溶解性和着色性好 中性偏碱性水溶液中易溶解 82 的乙醇液中易溶解 对热稳定 120 10 in仍保持良好稳定性 在一定pH的水溶液和醇溶液中有较好稳定性 pH5 10的水溶液中 pH3 11的醇溶液中可保持稳定的红色 耐光性良好 醇溶性红曲色素对紫外光相对稳定 对Ca2 Mg2 Fe2 Cu2 等金属离子具较好稳定性 安全性高 由于上述特性而广泛应用于腐乳 蛋糕 鱼 肉 饮料 食醋 黄酒 配制酒等制作中 07 04 2020 44 生产红曲色素的菌株 常用的有8种黄色红曲霉 Monascusruber 紫色红曲霉 M purpureus 烟色红曲霉 M fuliginosus 安卡红曲霉 M anka 巴克红曲霉 M barkeri 锈红红曲霉 M rubiginosus 变红红曲霉 M serorubosecens 发白红曲霉 M albidus 07 04 2020 45 三 酶制剂的生产 3 1用于酶制剂生产的主要微生物 细菌 霉菌 酵母菌等 如枯草杆菌 黑曲霉 米曲霉 酵母菌等20余种 常用产酶菌种 枯草杆菌BF7658 As1 398 黑曲霉As3 350 As3 4309 米曲霉沪酿3 042 UE328 UE336 此外还有 青霉 毛霉 根霉 木霉 链霉菌及酵母菌等 07 04 2020 46 3 2酶制剂的生产 菌种扩大培养产酶培养酶的分离和纯化制剂化稳定化 07 04 2020 47 主要控制点 1 菌种选育 从自然界分离获得的菌株大多产酶能力较低 需经过诱变育种 筛选出高产酶能力的菌株 过去是通过紫外线或化学试剂进行诱变 现采用基因工程获得高产酶能力的基因工程菌 酶制剂工业对产酶菌的要求是 遗传性较稳定 生长速度快 目标酶制剂的产量高 有利于酶的分离与纯化 07 04 2020 48 常用诱变剂 化学诱变剂 氮介子气 亚硝酸 硫酸二乙酯 环氧乙烷 乙烯亚胺等 物理因子 紫外线 X射线 射线 Co60等 菌种的物理和化学诱变 诱变 菌种 物理因子或化学因子诱变处理 大部分被杀死少部分存活 与亲本菌株比较 高产酶菌株 07 04 2020 49 2 产酶培养 分固 液两种方法 固体培养法 主要用于霉菌培养 又称麸曲培养 以麸皮或米糠为主料 谷糠 豆饼等为辅料 优点是 利用霉菌耐干燥和耐高渗的特点 产酶量高 胜过液体法 原料简单易取 操作简便 节能 酶提取容易 缺点是 不便自动化 连续化生产 占地面积大 劳动强度大 生产周期长 1 7 07 04 2020 50 液体培养法 用于细菌 酵母菌 霉菌培养 又称液体深层培养法 是在密闭发酵罐中大规模培养产酶 有分批培养 流加培养和连续培养等3种方法 前两种较常用 后者易污染及菌种易变异 液体培养法克服了固体培养法的短处 生产周期1 5 产酶条件的控制 主要是控制培养基营养素的组成和培养条件 如细菌淀粉酶生产采用 低浓度发酵 高浓度补料 蛋白酶生产采用 提高前期培养温度 碳 氮 无机盐 生长素等都是产酶的主要营养物 pH 发酵温度 产酶温度低于菌体最适生长温度 通气量的控制 通气量少有利于菌体生长而不利于产酶 反之则反 种龄 30 45 的酶活性最高 07 04 2020 51 3 酶的分离和纯化 提取目的胞内酶时 先将发酵液中的菌体分离出来 采取菌体自溶法 机械破碎法 冻融法或超产波破碎法等进行破碎 使细胞内的酶释放出来 而后将其转入液相中 加入絮凝剂或凝固剂 搅拌后 用离心沉降分离机或板框过滤机除去絮凝物或凝固物 得到沉清酶液 提取目的胞外酶时 可直接在发酵液中添加适当絮凝剂或凝固剂 然后用同样方法处理得到沉清酶液 实际生产中 由于某些微生物细胞的破碎技术难度大 故常选用胞外酶产生菌来生产酶制剂而使工艺简化 操作简便 07 04 2020 52 经过滤后的酶液仍含有较多杂质 且酶液浓度较低 故应进一步纯化 浓缩或干燥才能达到食品酶制剂的质量标准 常用纯化方法 超滤法 盐析法 有机溶剂沉淀法 单宁沉淀法 白垭土或活性氧化铝吸附法等 如果酶色泽较深 还需用0 5 1 5 活性炭脱色 为提高酶液浓度 减少酶提取过程中试剂的用量和能耗 纯化后的酶液用真空薄膜蒸发器于40 下浓缩 一般酶液浓缩至2 3 3 4即为液体酶制剂商品 粉状酶制剂还需进行离子交换 干燥 真空干燥 喷雾干燥 气流干燥 冷冻干燥 磨粉等工序处理后才能制得 07 04 2020 53 微生物酶的提取 1 酶的粗提工业生产上用到的微生物酶一般用量都很大 纯度要求也不很高 如果待开发的酶是工业用途的话 则提取方法可以比较粗放 具体的提取流程如下 胞内酶的提取 收集菌体 破碎细胞 酶的沉淀分离 盐析 有机溶剂沉淀等 粗酶液胞外酶的提取 培养菌体 收集发酵液 07 04 2020 54 2 酶的精制一般流程 一种新型的微生物酶纯化手段 制备型聚丙烯酰胺凝胶电泳 未被广泛应用于酶的制备 07 04 2020 55 4 制剂化和稳定化 商品酶制剂是以一定体积 ML 或重量 g 的酶活力计价 故出售前要稀释至一定的标准酶活力 同时为提高酶制剂的贮藏稳定性 在酶制剂中加入一种以上的物质作为酶活稳定剂 抗菌剂与助滤剂 并作为粉状酶制剂的填料 稀释剂和抗结块剂 作为酶活稳定剂的物质有辅基 辅酶 金属离子 底物 螯合剂 蛋白质等 最常用的有多元醇 甘油 乙二醇 山梨醇 聚乙二醇等 糖类 食盐 乙醇 有机钙 有时用复合稳定剂效果明显 如明胶对细菌 淀粉酶与蛋白酶有稳定作用 但效果不佳 若再加入乙醇和甘油 即可提高酶活稳定性 07 04 2020 56 第二节 微生物的菌体及其内含物的应用 07 04 2020 57 一 生产面包1 1菌种及其在面包生产中的作用 1 菌种 啤酒酵母 其商品有两种主要形式 压榨酵母 用酵母液经压榨而制成 其工艺是 利用糖密或其他碳源 适当添加氮源物质和磷等无机盐 280C深层通气培养9 12 离心分离出酵母细胞 经水洗涤迅速冷却 压滤机压榨 使之含水量在70 73 而后在模子中压成块 包装后泠藏 发酵力强 使用方便 但不易久存 高活性干酵母 是用压榨酵母经连续流化床低温真空干燥而制成 其水分含量4 6 固形物含量94 96 活性应保持在60 80 最大优点 常温下稳定性能良好 缺点 成本偏高 使用前须活化处理以恢复活性 07 04 2020 58 2 作用 使面包体积蓬松 改善面包风味 提高面包营养价值 由酵母菌的残留物带来 如氨基酸 维生素 菌体蛋白质等 1 2发酵机理 面粉中含有70 80 的淀粉 少量的单糖和蔗糖 酵母菌在面粉中生长时首先利用少量的单糖和蔗糖 同时面粉中的 淀粉酶将面粉中的淀粉转化成麦芽糖供酵母菌利用 07 04 2020 59 酵母菌分泌蔗糖酶和麦芽糖酶 将蔗糖 麦芽糖分解成单糖 继而利用单糖及其他营养物质先后进行有氧呼吸繁殖菌体细胞和厌氧发酵产生乙醇 CO2 醛类和有机酸 产生的CO2被面团中的面筋包围 留于面团中 使面团膨大 焙烤面包团时CO2受热膨胀 逸出 从而使面包形成质地松软的海绵状结构 1 3工艺流程 二次发酵法为例 配料第一次调制面团总面粉的30 40 第一次发酵加0 5 0 7 酵母 25 30 2 4 第二次调制面团第二次发酵25 31 2 3h整形醒发 后发酵 30 40 45 90min焙烤200 220 泠却包装成品 07 04 2020 60 二 单细胞蛋白 SCP 的生产 2 1单细胞蛋白质的优点 生长繁殖迅速 生产能力可达2 6kg m3 h 不受外界条件的影响 可以人工控制工业化生产 营养价值高 微生物细胞内蛋白质含量 占细胞干物质 细菌60 80 小球藻和螺旋蓝细菌50 65 酵母菌40 55 霉菌20 50 大豆35 40 小麦10 12 牛肉18 22 此外这些微生物细胞中还含有丰富的碳水化合物和维生素 麦角甾醇 矿物质 各种酶和未知生长因子 07 04 2020 61 2 2生产单细胞蛋白的原料 1 碳氢化合物 石油原料 柴油 正烷烃 天然气等 石油化工产物 甲烷 甲醇 乙醇 醋酸等 2 碳水化合物 淀粉质原料 马铃薯 木薯 红薯 玉米淀粉等 糖质原料 甘蔗或甜菜糖蜜 亚硫酸盐纸浆废液等 工农 林业的废液 废渣和废料 酿酒厂 味精厂 淀粉厂 制糖厂 食品厂等的废液和废渣 农作物秸秆 向日癸壳 棉籽壳 稻壳 玉米芯 木屑 刨花 阔叶树等 07 04 2020 62 2 3生产单细胞蛋白质的微生物 1 酵母菌 其细胞内蛋白质含量占细胞干物质的40 55 还含有海藻糖等各种糖原 各种氨基酸 14种以上的维生素等 常用酵母菌有 热带假丝酵母 产朊假丝酵母 解脂假丝酵母解脂变种 啤酒酵母 扣囊拟内孢霉 脆壁酵母 脆壁克鲁维酵母 保加利亚克鲁维酵母 等 2 细菌 常用 嗜甲烷单胞菌 甲烷假单胞菌 荚膜甲基球菌等专性甲烷菌 均可以甲烷为唯一碳源生产SCP 此外有 甲醇菌 纤维素单胞菌能分别利用甲醇和纤维素生产SCP 胶质红色假单胞菌用于淀粉废水和豆制品废水生产SCP 07 04 2020 63 3 螺旋蓝细菌 Spirulina 属于蓝细菌 旧名蓝藻或蓝绿藻 中的螺旋蓝细菌属 Spirulina 旧称螺旋藻 繁殖力强 能利用阳光 CO2和其他矿物质合成有机物 放出O 最适25 36oC pH9 11 该菌的蛋白质含量占细胞干重50 65 由18种氨基酸组成 该菌含有功能性的多肽 GFL 它是一种强烈刺激人体细胞增长的拟生长因子 藻胆蛋白 蓝藻蛋白 含量达干重的18 不仅是良好的天然蓝色素 且有提高机体免疫力和抗癌功效 螺旋蓝细菌含有VB B B VB VB12 V VPP及 胡萝卜素 可降低肺癌 口腔癌的发病几率 叶酸 泛酸等多种维生素 07 04 2020 64 螺旋蓝细菌含 亚麻酸 GLA 是人体前列腺素 PCEI 的前体 有降血脂 软化血管的功能 不饱和脂肪酸 参与体内调节血压 胆固醇合成及细胞增生等重要生理过程 两者含量为1 7 螺旋蓝细菌还含有多种人体必需的微量元素 铁 锌 铜 硒等 且易被人体吸收 有效调节机体平衡和酶的活性 螺旋蓝细菌广泛应用于食品 饲料 精细化工医药等领域 目前使用菌种有 盘状螺旋蓝细菌 Spirulinaplatensis 最大螺旋蓝细菌 S maxima 等 07 04 2020 65 4 小球藻 Chloellare 椭圆小球藻和粉粒小球藻在CO2和阳光适宜条件下 以数倍于高等植物的速度生长 小球藻含有约50 的蛋白质 脂类 碳水化合物 VA VB1 VB2 VC等 还含有一些未知因子 即将用于宇宙航行中的食品 07 04 2020 66 5 霉菌生产饲用SCP常用 白地霉 拟青霉 Paecilomycesvarioti 米曲霉 黑曲霉 康氏木霉 绿色木霉等 白地霉的蛋白质含量高 增殖速度快 以玉米浸泡液为原料生产饲用SCP很好 也可利用淀粉废水和豆制品废水来生产SCP 利用霉菌生产SCP 具有生长快 耐酸 不易染杂菌 菌丝体大 易于筛滤收集 淀粉酶和纤维素酶活力高 可直接利用淀粉和纤维素为碳源 霉菌可利用的原料有酒糟 豆制品和淀粉的废料 蔗渣 玉米粉渣等 07 04 2020 67 2 4单细胞蛋白质生产工艺糖蜜水解 加硫酸 水 中和 石灰乳 澄清流加糖液 配入硫酸铵 尿素 磷酸 碱水 发酵 酒母 通入空气 分离 去废液 洗涤 加水 压榨压条干燥活性干酵母 此为糖蜜作原料接种啤酒酵母进行液体深层通气法发酵生产SCP 培养基配方 生产1 成品计 糖蜜 含糖40 1600kg 磷酸 含量45 36kg 硫酸铵 含 量20 40kg 硫酸 含量93 7kg 纯碱 含量95 50kg 尿素 含 量46 25kg 07 04 2020 68 发酵条件 30 32OC 12 糖蜜浓度1 5 5 5oB e pH4 2 4 4 残糖0 1 0 2 100 通风量120 163 3 3培养基 将压榨酵母加入水 植物油拌和后 切块 包装即为鲜酵母 将压榨酵母保温自溶 经离心喷雾干燥 可制成药用酵母粉 将压榨酵母压条后 经泠冻干燥 可制成活性干酵母粉 07 04 2020 69 三 食用菌 很高的营养价值与医疗价值分类地位 子囊菌亚门 担子菌亚门形态 结构 菌盖 菌柄 菌根营养生理 腐生 共生 兼性和弱寄生生产流程 原种 斜面扩大 种子瓶 固体培养 子实体 液体发酵 不形成子实体 但有菌丝 代谢产物 保鲜加工 07 04 2020 70 食用菌的营养价值新鲜食用菌水分为90 左右干物质中90 97 为有机物干物质中蛋白质25 氨基酸种类齐全 有17 18种之多 脂肪8 不饱和脂肪酸含量高 碳水化合物60 糖类52 纤维素8 另有海藻糖 糖醇等 灰分7 含有多种矿物元素 K58 P20 Na2 Fe Ca 丰富的维生 VB1 VB2 Vc VK 泛酸 烟酸 叶酸 食用菌美食 07 04 2020 71 食用菌的种类 属于子囊菌亚门和担子菌亚门 属于担子菌的有木耳科 银耳科 口磨科 侧耳科等26个科 属于子囊菌的有地菇科 马鞍菌科和盘菌科等 我国常见的食用菌种类有 木耳属 Auricularia 如黑木耳 A auricula 银耳属 Tremella 如银耳 T fuciformis 猴头菌属 Hericium 如猴头 H erinaceum 蘑菇属 Agaricus 如双孢蘑菇 A bisporus 小苞脚菇属 Volvariella 如草菇 V volvacea 香菇属 Lentinus 如香菇 L edodes 侧耳属 Pleurotus 如平菇 P ostreatus 金钱属 Collybia 如鸡丛菌 C albuminosa 07 04 2020 72 伞菌子实体结构 担子菌示意图 07 04 2020 73 1菌盖 2菌柄 3菌丝体 4菌托 5菌环 6菌褶 7子实体 伞菌模式图 07 04 2020 74 担子菌 07 04 2020 75 蘑菇生活史 07 04 2020 76 食用菌子实体形状1伞状2笔状3头状4耳状5舌状6花朵状7树枝状8球状9近圆锥状 07 04 2020 77 各类食用菌 07 04 2020 78 07 04 2020 79 各类食用菌 07 04 2020 80 西藏大型经济真菌亚侧耳 07 04 2020 81 木耳 07 04 2020 82 各类食用菌 07 04 2020 83 各类食用菌 07 04 2020 84 各种担子菌 07 04 2020 85 07 04 2020 86 食用蘑菇 有毒蘑菇 07 04 2020 87 食用蘑菇 07 04 2020 88 食用菌液体发酵工艺流程 斜面菌种摇瓶种子种子罐繁殖发酵罐发酵过滤菌丝体和滤清液提取 抽提 浓缩 透析 离心 沉淀 干燥 深加工成为成品 07 04 2020 89 四 微生物多糖 微生物多糖是崛起于60年代后期的一个新型的发酵工业领域 微生物多糖的种类细胞内多糖按其存在的位置分为细胞壁多糖细胞外多糖胞内多糖主要是指糖原 glycogen 它起着贮藏能源的作用 胞壁多糖是保持细胞形态的物质 主要包含在荚膜或被膜中 它和细胞外多糖很难区别 只要通过加热 搅拌 就能从细胞上游离出来 细胞外多糖 产生的量大 产生细胞外多糖的微生物多半是真菌和细菌 07 04 2020 90 2 多糖产生的机理 都是根据中间产物的分析进行推测 一般认为 它是一种次生代谢产物 微生物在培养过程中吸收周围环境中的碳水化合物 经细胞内合成的复杂的酶系作用 将碳水化合物转化成新的多糖 在细胞内积累并逐步分泌到细胞外 当然 多糖的合成 或转化 和分泌是一个复杂的过程 即使同一个菌 在不同培养环境下 或同一环境下不同的培养时期 它所产生的多糖的分子量都不相同 07 04 2020 91 3 微生物的细胞外多糖的种类 很多 按照构成多糖化学结构的糖基的种类 可以分为同型多糖 homopolysaccharide 异型多糖 heteropolysaccharide 同型多糖是指多糖化学结构中糖苷基单体只有一种 只是以不同的糖苷键连接而成不同的多糖 在这一类多糖中 绝大部分是由D 葡萄糖构成的葡聚糖 而且其种类繁多 几乎包括所有具有理论推测结构的葡聚糖在内 异型多糖也称杂多糖 这类多糖中又有中性多糖和酸性多糖之分 07 04 2020 92 中性多糖是由二种以上的不同糖基单体构成的聚合物 结构中不含有机酸 例如 由多粘芽抱杆菌变种利用乳糖培养基产生的收量为25 的鼠李糖半乳聚糖 鼠李糖和半乳糖以2 1的比例通过 l 3 键连成主链 一部分按 l 2 键构成支链 酸性多糖在组成成分和构成上要比中性多糖复杂些 它除有两种以上的糖基单体外 还另有一种或二种以上的糖醛酸单体 有的只有糖醛酸而无糖基 此外 还有不等量的酰基 由于单体的聚合方式多种多样 因此 酸性多糖的结构就显得繁杂多样 现将各种异型多糖列于表中 07 04 2020 93 多糖名称产生多糖的微生物构成糖键形成糖以外成分主键其它键右旋糖苷肠膜明串珠菌 D 葡萄糖1 61 3短梗霉多糖出芽短梗霉 D 葡萄糖1 41 6黑曲霉多糖黑曲霉 D 葡萄糖1 41 3纤维素木醋杆菌 D 葡萄糖1 4热凝多糖粪产碱杆菌变种 土杆菌属 D 葡萄糖1 3核盘菌多糖大豆核盘菌 D 葡萄糖1 31 6小核菌多糖小核菌 D 葡萄糖1 31 6裂褶菌多糖裂褶菌 D 葡萄糖1 31 6异核盘菌多糖核盘菌 D 葡萄糖1 31 41 6果聚糖果聚糖气杆菌 枯草芽孢杆菌 D 果糖2 62 1黄体素酸青霉属菌 D 葡萄糖1 6丙二酸磷酸苷露聚糖豪斯特汉逊酵母 Hansenulahopstii D 苷露糖1 31 2磷酸 1 3 葡聚糖出芽短梗霉 D 葡萄糖1 31 6 1 2 葡聚糖根癌土壤杆菌 D 葡萄糖1 2 1 6 苷露聚糖鲁氏酵母 D 苷露聚糖1 61 2痂囊腔菌多糖痂囊腔菌属 D 葡萄糖1 41 3 细胞外同型多糖的种类 07 04 2020 94 多糖名称产生多糖的微生物构成糖糖以外成分成分比例黄单胞菌多糖野油菜黄单胞菌葡萄糖2丙酮酸8 苷露糖2乙酰基4 7 葡糖酸1凝胶多糖假单孢菌属Pseudomons葡萄糖2乙酰基6 鼠李糖1葡糖醛酸1S 130产碱杆菌属葡萄糖250 的单位含乙酰基葡萄糖醛酸1鼠李糖1 7苷露糖0 3S 194产碱杆菌属葡萄糖4乙酰基4 葡糖醛糖1鼠李糖1海藻酸棕色固氮菌D 苷露糖醛酸铜绿假单孢菌L 古洛糖醛酸肠杆菌多糖肠杆菌属葡萄糖1乙酰化度为0 1 0苷露糖0 7 1 0葡糖醛酸0 5 0 7苷露糖醛酸0 1 0 3鼠李糖半乳聚糖多粘芽孢杆菌变种鼠李糖2半乳糖1琥珀酸葡聚糖粪产碱杆菌葡萄糖10琥珀酸约占10 半乳糖1 细胞外异型多糖的种类 07 04 2020 95 4 按照微生物多糖的特性和功能将上述多糖划分为三个方面 即增稠多糖 形成凝胶的多糖和有特殊用途的多糖 增稠多糖有 黄单胞菌多糖 Xanthangum 核盘菌多糖 Scleroglucan 小核菌多糖 Sclerotan 裂褶菌多糖 Schizophyllan PS 10 PS 21 PS 53胶 S 130 S 194 S 198多糖 PS一7 形成凝胶的多糖有 凝胶多糖 GelIangum 热凝多糖 Curdlan 海藻酸 Alginicacid 特殊用途的多糖有 右旋糖苷 Dextran 短梗霉多糖 Pullulan 含6 脱氧己糖的多糖类 6 deoxy hexose containingpolysaccharides 细菌纤维素 Bacterialcellulose 07 04 2020 96 5 重要的微生物多糖 1 黄单胞菌多糖黄单胞菌多糖最早开展研究的是美国农业部北部研究所 NRRL NorthernregionalResearchlaboratory 黄单胞菌多糖是由野油菜黄单胞菌利用糖质原料发酵产生的一种酸性胞外杂多糖 属于生物高分子聚合物 由D 葡萄糖 D 甘露糖 D 葡糖醛酸组成 三者之间的比例是3 3 2分子量约2 106 50 106 黄单胞菌多糖的一般特性 流变性 增粘性 稳定性和互溶性 是水溶性的 不溶于溶剂中 而当温度在65 以上时可溶于甘油 乙二醇中 是一种非胶凝的多糖 它在食品工业上不仅是一种辅助原料 而且可以改善口感 主要用于饮料 冷冻制品 调味品 糕点 面包 烘烤 罐头等方面 使用的浓度一般为0 05