食品生物工程下游技术 1

第7章食品生物工程下游技术,生物加工过程模式：,生物原材料植物动物或微生物细胞,基因工程（克隆或DNA重组技术）等,新的原材料或新的细胞,产品成型（附加值高）,分离提纯,加工或发酵表达,下游加工过程（downstreamprocessing）,发酵工程,细胞工程,酶工程,生物下游工程的起始：,生物反应体系包括：细胞游离的细胞外代谢产物细胞内代谢产物未消耗完毕的原料、残存底物其他成分等,食品生物技术下游工程的目标产物：,蛋白质、多肽、氨基酸类酶、辅酶、酶抑制剂类多糖类免疫调节因子类其他：脂类、色素、芳香物质等,下游工程的基本框架：,（一）发酵液与预处理,下游工程的原料包括发酵工程、酶工程、细胞工程的发酵液和培养液，以及基因工程获得的动物、植物、微生物的有机体和器官。目前，发酵液和培养液是主要原料。初级代谢产物：对数生长期的微生物菌体次级代谢产物：对数生长期后的菌体,发酵液预处理的常用方法：,1、加热：提高温度，显著降低悬浮液黏度。方法：6070，0.5h加热法的前提是目的产物必须具有热稳定性。2、调节pH值：沉淀蛋白质等两性物质。方法：浓度1mol/L的HCl和NaOH,pH4.55.5边调边搅拌，避免局部浓度过大，蛋白质变性。,3、凝聚和絮凝,在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，从而胶体体系不稳定。常用地凝聚剂有硫酸铝、硫酸亚铁、明矾、氯化铁等。在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。常用的絮聚剂有聚丙烯酰胺（PAM）、聚铁（PE）等。,（二）固液分离（细胞分离）,固液分离操作包括离心和过滤。细菌和酵母菌的发酵液一般采用离心分离，霉菌和放线菌的发酵液一般采用过滤分离。,离心技术：,离心分离细胞组分和生物分子是最常用的分离方法，因为不同的细胞器和分子有不同的体积和密度可在不同离心力的作用下沉降分离。常用的两类离心分离方法是差速离心和密度梯度离心。,差速离心：在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心。,实验室用离心机：间歇式操作,工业用离心机：可连续操作管式离心机，蝶片式离心机,管式离心机,管式离心机能澄清及分离流体物质，被应用于化学、生物化学、制药、血浆等研究领域。设备简单，分离效率高；但生产能力较小。,碟式离心机,碟式离心机是沉降式离心机中的一种，用于分离难分离的物料（例如粘性液体与细小固体颗粒组成的悬浮液或密度相近的液体组成的乳浊液等）。碟式分离机是应用最广的沉降离心机。碟式离心机可以完成两种操作：(1)液-固分离，称澄清操作；(2)液-液（或液-液-固）分离（即乳浊液的分离），称分离操作。,过滤：在下游工程中应用较广的过滤设备有压力过滤、真空过滤和错流过滤。,板框过滤机：,用于各种悬浮液的固液分离，适用范围广。应用于食品、环保、轻工、医药、化工、冶金、石油等工业。特别适用于大批量啤酒、白酒、葡萄酒、食用油等液体饮料的精滤或除菌过滤。,板框过滤机：,真空转鼓过滤机：,切向流过滤：,流动的剪切力将过滤介质表面形成的滤饼移走,(三)细胞破碎,许多生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外，而保留在细胞内。破碎细胞的目的就是使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏或破碎，释放其中的目标产物。,应考虑破碎细胞的结构微生物细胞,动物细胞,植物细胞不同种类的细胞结构差别很大，破碎的难易程度也不同，由难到易的大致排列顺序为：植物细胞真菌（如酵母菌）革兰氏阳性细菌革兰氏阴性细菌动物细胞。,革兰氏阴性细菌的细胞壁,革兰氏阳性细菌的细胞壁结构,革兰氏阳性（G+）细菌的细胞壁具有较厚（30-40nm）而致密的肽聚糖层，多达20层磷壁酸：是革兰氏阳性菌的特有的成分，可加强肽聚糖的结构。,植物细胞壁成分为胞间层、初生壁、次生壁。主要成分果胶质、纤维素和木质素。,细胞破碎的方法,一、机械破碎：机械破碎的原理是细胞在机械作用力下受到压缩和剪切而破碎。细胞越小，所需压缩或剪切力越大，越难破碎。处理量大、效率高、速度快，是工业规模的主要手段。,1.高压匀浆：破碎原理：主要利用细胞悬液在高压作用下液相剪切力以及细胞与固定表面的撞击力而使之破碎。压力通常为20-70MPa。适用于酵母和大多数细菌细胞的破碎。需冷却处理，以保护产物的生物活性。,2.珠磨破碎原理：利用在高速搅拌作用下，细胞和微球相互磨擦碰撞而破碎。细胞受研磨剪切和撞击而破碎。,破碎原理：超声波作用下液体发生空化作用，产生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。特点：适用范围广,适用于多数微生物细胞的破碎。但有效能量利用率极低，操作中产生热，需在冰水或有外部冷却的容器中进行,故不易放大，多在实验室使用。,4.超声波破碎,1.酸碱处理2.化学试剂处理：增大细胞壁通透性表面活性剂、螯合剂、有机溶剂、变性剂3.酶溶：利用溶解细胞壁的酶处理细胞不同的细胞用不同的酶：如溶菌酶适用于细菌；而酵母细胞的酶溶需用酵母裂解酶Zymolyase、-1,6-葡聚糖酶或甘露糖酶；破坏植物细胞则用纤维素酶。,二、化学和生物化学法,机械破碎法与化学破碎法的比较,机械破碎法优点：处理量大、破碎效率高、速度快，适用于工业规模的细胞破碎。缺点：由于操作条件比较剧烈，往往容易造成细胞的过度破碎，不利于后续处理。,化学破碎法优点：选择性高，胞内产物的总释放率低，料液粘度小，有利