食品发酵与酿造工艺学复习资料

食品发酵工艺学第一章绪论一、食品发酵和酿造的历史1 .雷文虎克Leeuwenhoek Antoni Van (1632-1723 ) :世界首台显微镜制造成功，人类历史上首次在显微镜下发现单细胞生命体-微生物。2 .巴斯德的主要贡献：发明巴斯德灭菌法。 1861年，巴斯德实验结束了长达100多年的争论，将自然发生论赶出科学界。 1865年，巴斯特受农业部长委托，解决了法国南部蚕业遭遇的疾病导致蚕大量死亡的难题。 发明狂犬病疫苗，指出这种病原物是能通过细菌过滤器的“过滤性超微生物”。3 .科赫(Koch，Robert 18431910 )科赫的主要贡献： 1881年后，创立了固体培养基的刻划分离纯种法。 建立了单一微生物的分离和纯培养技术。 1882年3月24日，科赫在德国柏林生理学会上宣布结核菌是结核病的病原菌。 单一微生物的分离和纯培养技术的建立，是食品发酵和酿造技术的首要转折点。4. 20世纪40年代，好氧发酵工程技术成为发酵与酿造技术发展的第二个转折点。5 .人工诱变育种技术和代谢调控发酵工艺技术是发酵和酿造技术发展的第三个转折点。6.20世纪70年代发展起来的DNA重组技术，大大推动了发酵和酿造技术的发展。二、食品发酵和酿造特点与现代生物技术的关系(一)食品发酵和酿造特点；发酵：指利用微生物生产工业原料和工业产品的过程。 一般来说，发酵是指生物或离体酶，代谢有机物不能完全分解，而是释放能量的过程。酿造：是中国工人发酵生产特定产品的称呼，通常成分复杂，风味要求高，酿造黄酒、白酒、啤酒、葡萄酒等酒类和酱油、酱、食醋、腐乳、酱菜等食品调味料的生产称呼。酿造与发酵的区别：生物体或生物体不死酶引起的化学反应。 与化工相比，发酵和酿造工业的特点：选育安全、简单原料广泛反应特异、代谢多样、易受污染的菌种发酵技术的两个核心：生物催化、生物反应系统第二章菌种的选育、贮藏和复活菌种选育方法包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合和基因工程。一、微生物菌种选育的理论基础微生物遗传性和变异特征： a、微生物繁殖速度快、生活周期短的b、微生物个体微小、比表面积大、多以单细胞或极少分化的多细胞存在的c、微生物多以无性生殖为主，营养体多为单体。突变育种：人为将目标生物放入突变因子中，使其生物突变，从这些突变体中筛选出具有优良性状的突变株的过程。(1)突变：存在于微生物遗传物质变动的环境中，染色体上的遗传信息和染色体组受环境作用而变化，这种变化多至少是永久性的，从生物表型来说突然发生遗传变化，这种变化称为突变。 自然突变：在自然情况下发生的突变，也称为自然突变。 诱发突变：人为利用物理或化学因素诱发的突变。(2)诱变的基本原理1诱变剂：这些能处理微生物、提高机体诱变频率的物理或化学因素成为诱变因素，又称诱变剂。 诱变剂包括物理诱变因子(紫外线、x射线)、化学诱变因子(亚硝基胍、亚硝酸、亚硝基甲基胍)生物诱变因子(噬菌体)2 .诱变剂的作用机制物理变异因子的诱变机制：快中子、射线、射线产生电离辐射，紫外线是不形成离子的非电离辐射。 以紫外线为例，照射紫外线会改变DNA的结构，DNA会强烈吸收紫外线，特别是碱对，嘧啶比嘌呤对紫外线更敏感。 紫外线引起的DNA结构变化是胞嘧啶和尿嘧啶的水合作用和二聚体形成。菌种保存的目的是在一定时间内使菌种不死亡，不使其混乱，供研究、生产、交换。 基本原则：尽可能多的不同手段保存比较重要的微生物菌株，尽量选择优良的纯种、典型的菌种，利用分生孢子、芽孢等休眠体创造有利于休眠分子的保存环境。菌种保存方法： (一)低温保存法：冰箱保存法(斜面):低温4，适用于各类，保存46个月，简单易行。 冰箱保存法(半固体):低温4，避氧，适用于细菌酵母菌，保存时间为6-12个月，简便(二)甘油悬浮液保存法：低温-70，需要保护剂(15%-50%甘油)，适用于细菌、酵母菌，比较简便(三)石蜡油低温保存法：低温4，隔氧，适用于各类，保存时间约12年，简便(四) (五)甘油管保存法(六)真空冷冻干燥法：有干燥低温、无氧保护剂，适用于各类，保存期为5年至10年以上，繁忙有效。 (7)液氮超低温保存：超低温196，有保护剂，适用于各种场合，保存时间长于15年，繁殖有效。第三章微生物代谢调控理论及在食品发酵和酿造中的应用代谢调节：是生物在长期演化过程中，为适应外界条件而形成的复杂生理功能。 通过调节作用细胞内的各种物质和能量代谢可以达到协调和统一，生物体可以更好地利用环境条件完成复杂的生命活动。二、代谢调控的方式(1)调节营养物质透过细胞膜进入细胞的能力通道调节(2)代谢流-调节通量调节(3)通过酶的定位，限制其与对应基质的接近，限制其与基质的有形接近。三、与代谢调节有关的酶(1)同工酶：又称同工酶，是指催化同一生化反应但酶蛋白分子结构不同的酶。(2)合金酶：具有合金酶作用(或合金酶作用)的酶。 其分子具有活性中心和结构中心，常为具有四级结构的多亚基低聚物酶。(三)多功能酶：分子组成只有一条多肽链，但具有两种以上催化活性的酶。一个终产物的过剩，部分抑制了共同途径的第一阶段反应，同时也抑制了分支途径的第一阶段反应，代谢沿着其他分支进行。 因此，某些产物的过剩不会妨碍其他产物的生成。第二节微生物代谢的协调作用(1)酶活性激活：指在降解代谢途径中，后反应比前中间产物有所促进。(2)酶活性的抑制：主要是反馈抑制。反馈抑制：当某代谢途径的端基产物(即端基产物)过剩时，该产物反而直接抑制该途径的第一酶的活性，减慢或停止整个反应过程，避免端基产物的过剩积累。反馈抑制：抑制酶的形成是通过途径的终点产物或其衍生物进行的。 也就是说代谢后，其产物大量存在，达到一定浓度后，与细胞中已存在的抑制物质结合起作用。(3)反馈抑制的类型直线代谢途径中的反馈抑制分支代谢途径中的反馈抑制。 书上的p13(1)协同反馈抑制：当分支代谢途径中的一些末端产物同时过剩时，抑制共同途径中的第一酶的反馈调节方式。(2)协同反馈抑制：两个末端产物同时存在时，发挥远大于一个末端产物的反馈抑制作用。(3)累积反馈抑制：由于各分支途径的端基产物以一定比例单独抑制共同途径中的前一酶，因此当一些端基产物共存时，它们的抑制作用是累积的。(4)逐次反馈抑制： e过多时，能够抑制CD，此时，由于c的浓度过大，反应向f、g方向进行，结果另一方的末端产物的g浓度变高。 g过多时抑制CF，结果c的浓度进一步提高。 c过多时，AB之间的酶受到抑制，得到反馈抑制的效果。 以这种逐步有序的方式实现的调节称为顺序反馈抑制。酶合成的调节是通过调节酶的合成量来调节代谢速度的调节机制，它在基因水平(在原核生物中主要在转录水平)上是代谢调节。促进酶生物合成的现象称为诱导。 阻碍酶生物合成的现象称为阻止。分解代谢物抑制的典型例子：葡萄糖效应。 葡萄糖效应(glucose effect ) :又称葡萄糖抑制或分解代谢抑制作用。 葡萄糖和易于使用的碳源有分解代谢产物，阻碍诱导酶类编码的基因转录的现象。(2)酶合成调节的机理；1 .操纵子是在转录水平调控基因表达的协调单元，由调节基因(r )、启动子(p )、操纵子基因(o )功能相关的一些结构基因(s )组成的调节基因：是编码调节蛋白的基因。启动子基因：是由依赖于DNA的RNA聚合酶识别的碱的顺序，既是RNA聚合酶的结合部位，也是转录的起点的操作基因以启动基因和结构基因之间的碱的顺序与抑制物质(调节蛋白质)结合， 能够决定结构基因转录能否进行的结构基因可以在决定某多肽的DNA模板中转录其碱基顺序对应的mRNA，通过核糖体翻译对应的酶。 某操作子的转录合成了mRNA分子。调节蛋白是一种结构蛋白，其中有两个特殊部位，一个与操作基因结合，另一个与效果物结合。 调节蛋白与效果物结合后，产生结构变化作用。 有些调节蛋白通过改变其结构来提高操作基因的能力，有些调节蛋白则降低结合能力。调节蛋白分为2种，其中一种叫做抑制物，它在没有衍生物(效果之一)时可与操作基因结合的另一种叫做抑制物蛋白，它只有在抑制物(效果物的另一种)存在时才能与操作基因结合。三、能量调节(P65 ) :细胞中的腺苷酸均为ATP，能量为1的细胞中的腺苷酸均为ADP，能量为0.5的细胞中的腺苷酸均为AMP，能量为0。 当3种核苷酸同时存在于细胞或线粒体中时，能量的大小随三者的比例而异，三者的比例随细胞的生理状态而变化。能量随细胞生长时期而变化的另一个测定细胞能量状态的参数是磷酸化位。 磷酸化位=ATP/ADPPi磷酸化位除了决定于腺苷酸，还决定于无机磷浓度。 由于磷酸化位的值变化范围大于能量，因此是更敏感地反映细胞能量状态的指标。4巴斯德效应：氧的存在使酵母菌细胞呼吸作用，显着降低乙醇产量，即单位时间内消耗速度减慢。 这种呼吸(好氧能量过程)抑制发酵(厌氧能量代谢过程)。营养缺陷菌株：野生型菌株因人工突变而丧失合成某种营养(氨基酸、维生素、核酸等)的能力，必须补充基本培养基中缺乏的营养因子才能生长。抗反馈调节突变株：指对反馈抑制不敏感，或者对反馈抑制有抵抗性，或者两者都有的株。 这种菌株可以分泌大量的末端代谢产物，因为其反馈抑制和阻止被解除或反馈抑制和阻止同时被解除。获得抗反馈调节突变株的方法：从选育抗代谢类似物突变株的营养缺陷型恢复突变株中，获得解除了对途径中调节酶的反馈抑制的突变株谷氨酸发酵的过程中，通过控制生物素、油酸、甘油的适量，可以控制细胞膜的合成加入青霉素，抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联吐温80和阳离子表面活性剂(如聚氧乙酰)IMP发酵通过Mn2(限量)控制细胞膨胀的不规则形态，膜异常，极其特异的膜通透性被破坏，核苷酸生物合成补救途径酶系统PRPP激酶，Hx (肌苷)吡咯烷氧化酶及Hx和R5-P被体外分泌，体外大量生物合成IMP。第四章发酵和酿造工程的基础和主要设备菌种的活化和扩大培养是将处于休眠状态的生产菌种放入试管斜面进行活化后，逐步扩大培养小瓶、小瓶和种子罐以获得一定数量和品质的纯粹过程。2 .接种年龄：用瓶子或罐子培养的菌种开始移动到下一个罐子或发酵罐子时的培养时间。3接种量：接种种子液体积与接种后培养基体积比。 多以百分比表示，接种量为1%(v/v )。培养基的制备原则1 .根据微生物的营养制备不同的培养基2 .适当的碳氮比3 .适当的pH 4.适当的渗透压5 .适当的氧化还原电位。生长因子是微生物正常代谢不可缺少的，是简单的碳源和氮源不能自我合成的有机物。 碳氮比：培养基中碳源含有的碳与氮源含有的氮的质量比。 由于一般是指质量比，也以浓度比或摩尔比来表示，因此具体而言记载为C/N (m/m)=40:1。细胞破碎的方法：高压均化法和研磨法。 细胞碎片的分离：常用的离心分离法。发酵热：发酵过程中释放的净热量有发酵热的习惯，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。发酵过程控制参数：气体流速、温度、罐压、搅拌速度(好氧)、泡沫、pH、溶解氧等发酵过程温度的影响与控制1 .温度的影响：影响影响微生物生长速度的酶活力的代谢产物积累。2 .温度监测的意义：判断菌体的生长状况和发酵过程，立即控制温度，有利于菌体的生长和产物的合成。谷氨酸发酵过程的温度控制：谷氨酸产生菌的最佳生长温度为3034，谷氨酸产生温度为3637。 谷氨酸发酵前期菌生长阶段和种子培养阶段应满足菌体生长的最佳温度。 温度过高，菌体容易老化。 发酵中后期菌体的生长停止，为了积蓄大量的谷氨酸，需要适当地提高温度。pH值对发酵的影响及其调控(1)ph对发酵过程的影响：影响酶的活性，使微生物细胞膜带电，影响培养基中某些营养物质和中间代谢产物的解离。(二)影响发酵过程pH变化的因素：引起发酵液pH降低的主要原因： 1、培养基中碳氮比不适宜，碳源过多，消泡油过多，生理酸性物质(铵盐)过多，利用氨。引起发酵液pH值上升的主要原因： 1、培养基中碳氮比不当、氮源过多、氨基酸释放2、生理碱性物质(硝酸盐等)过多； 3中间补给时氨水和尿素等碱性物质的添加量过多。(3)发酵过程中pH值的控制：1.调节培养基原来的pH值，或加入缓冲液作为缓冲能力强的培养基2 .选择不同代谢速度的碳源和氮源的种类和比例3 .发酵过程中加入弱酸和弱碱调节pH值，通过调节换气量也可以调节pH值。四、二氧化碳和呼吸熵(1)二氧化碳对发酵的影响：1.某些微生物(如大肠杆菌、芽孢杆菌)生长代谢所必需的物质2 .氨基酸、抗生素等对发酵有刺