微生物与食品

第十一章微生物与食品,第一节微生物与食品生产,1.食用菌2.螺旋藻3.单细胞蛋白,一、微生物菌体的利用,二、微生物代谢产物的利用,1.食醋食醋是中国劳动人民在长期的生产实践中制造出来的一种酸性调味品。它能增进食欲，帮助消化，在人们饮食生活中不可缺少。在中国的中医药学中醋也有一定的用途。全国各地生产的食醋品种较多。著名的山西陈醋、镇江香醋、四川麸醋、东北白醋、江浙玫瑰米醋、福建红曲醋等是食醋的代表品种。,二、微生物代谢产物的利用,1.1醋酸细菌（1）形态特征醋酸细菌两端钝园和杆状，单生或呈链排列，无芽孢，属革兰氏阴性菌。周生鞭毛或极生鞭毛。在高温或高盐浓度或营养不足等培养条件下，菌体会伸长，变成线形、棒形或管状膨大等。（2）生理生化特性醋酸菌为化能异养型，合适的碳源是葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖，不能直接利用淀粉等多糖。,二、微生物代谢产物的利用,1.2酿醋工业常用和常见的醋酸菌（1）许氏醋酸杆菌（2）恶臭醋酸杆菌（3）攀膜醋酸杆菌（4）奥尔兰醋酸杆菌（5）AS1.41醋酸菌（6）胶膜醋酸杆菌（7）沪酿1.01醋酸菌,二、微生物代谢产物的利用,1.3中国传统食醋生产的工艺,碎米浸泡磨浆调浆液化糖化酒精发酵酒醪醋酸发酵醋醪压滤配兑灭菌陈醋成品,麸曲酒母醋酸菌,二、微生物代谢产物的利用,1.4食醋酿造用微生物类群及其作用传统工艺制醋是利用自然界中的野生菌制曲、发酵。新法酿醋，均采用人工选育的菌种，进行制曲、酒精发酵和醋酸发酵。（1）曲霉菌曲霉菌有丰富的淀粉酶、糖化酶等酶系。因此，常用曲霉菌制糖化曲。,（3）醋酸菌醋酸菌可将酵母菌产生的酒精进一步氧化成醋酸，是食醋生产的关键菌种。,（2）酵母菌淀粉质原料经曲的糖化作用产生葡萄糖，酵母菌则通过其酒化酶系将葡萄糖转化为酒精和二氧化碳，完成酿醋过程中的酒精发酵阶段。,二、微生物代谢产物的利用,2.酒类2.1蒸馏酒蒸馏酒是用高梁、小麦、玉米、薯类等淀粉质原料经蒸煮、糖化、发酵和蒸馏而制成。中国蒸馏白酒酿造历史悠久，技术精湛，种类繁多，风格独特。如享有国内外的茅台酒、汾酒、五粮液白酒等。根据发酵剂与工艺的不同，一般按曲种可将蒸馏酒分为大曲酒、小曲酒和麸曲白酒。,二、微生物代谢产物的利用,2.2啤酒啤酒是以麦芽为主要原料的酿造酒，是各种酒类中酒精含量最低的饮料酒，人们在适量的饮用时，对人体的毒害相对较小，加之营养丰富，深受消费者喜爱。啤酒的生产历史悠久，大约起源于9000年前的中东和古埃及地区，后跨越地中海，传入欧州，美州及亚州等地。啤酒是世界性饮料，除伊斯兰国家因宗教原因不生产和饮酒外，几乎遍及世界各国，也是世界上产量最大的饮料酒。,微生物在食品工业中的应用,啤酒工艺啤酒酿造工艺是大麦、水为主要原料，以大米或其他未发芽谷物、啤酒花为辅助原料。大麦经过发芽产生多种水解酶类将淀粉及蛋白质等大分子物质分解为可溶性糖、糊精以及氨基酸等制成麦芽汁，麦芽汁通过酵母菌作用生产酒精和二氧化碳以及多种营养物质，还有未发酵的糖、蛋白质和芳香物质，如酒花、杂醇油等。,二、微生物代谢产物的利用,3.乳制品3.1乳制品中的乳酸细菌类群乳酸细菌是一类能使可发酵性碳水化合物转化成乳酸的细菌的统称。它并非是微生物分类学上的名词，只是由于这类细菌在自然界分布广泛，在工业、农业和医药等与人类生活密切相关的重要领域应用价值高，且有些种、属的细菌对人的健康带来益处，也有些对人畜致病，而受到人们的极大重视。,微生物在食品工业中的应用,3.2乳酸菌与发酵乳制品发酵乳制品是一综合性的名称，包括酸奶，酸奶酒、酸奶油及干酪等。目前根据发酵乳制品的生产过程、发酵剂的种类、产品的特征及其他特性的不同大致将发酵乳制品分为四大类：发酵乳、干酪、酸乳菌制剂和酸乳粉。其中发酵乳和干酪生产量最大。有些发酵乳制品如干酪、酸奶油等，除乳酸菌细菌外、酵母菌、霉菌也参与发酵。这些微生物不仅会引起产品外观和理化特性的改善，而且可以丰富发酵产品的风味。,微生物在食品工业中的应用,4.酱油酱油是一种常用的咸味调味品，它是以蛋白质原料和淀粉质原料为主的经微生物发酵酿制而成。酱油中含有多种调味成分，有酱油的特殊的香味、食盐的咸味、氮基酸钠盐的鲜味、糖及其醇甜物质的甜味、有机酸的酸味等，还有天然的红褐色色素。,微生物在食品工业中的应用,4.1酱油酿造中的微生物酱油酿造是半开放式的生产过程，环境和原料中的微生物都可以参与到酱油的酿造中来。但在酱油的特定的工艺条件下，只有人工接种或适合酱油生态环境的微生物才能生长繁殖，并发挥其作用。主要有米曲霉、酵母菌、乳酸菌和其他细菌。（1）米曲霉能分泌复杂的酶系，可分泌胞外酶如（蛋白酶、-淀粉酶、糖化酶、谷氨酰酶、果胶酶、纤维素酶等）和胞内酶（如氧化还原酶等）。这些酶类和酱油品质和原料利用率关系最密切的是蛋白酶、淀粉酶和谷氨酰胺酶。,微生物在食品工业中的应用,（2）乳酸菌酱油乳酸菌也是生长在酱醅这一特定环境中的耐盐乳酸菌，其代表菌有嗜盐片球菌、酱油微球菌等。（3）其他微生物在酱油酿造中除上述优势微生物外，从酱油曲和酱醅中还分离出他一些微生物的存在。如毛霉、青霉、产膜酵母、枯草芽孢杆菌、小球菌等。当制曲条件控制不当或种曲质量差时，这些菌会过量生长，不仅消耗曲料的营养成分，原料利用率下降，而且使成曲酶活力降低，产生异臭，造成酱油浑浊，风味不好。,微生物在食品工业中的应用,固态低盐发酵法工艺流程：,原料混合润料蒸料冷却接种曲深层通风培养成曲粉碎成熟酱酱醅保温发酵入发酵容器拌和制醅稀盐水糖糖浆盐水,4.2酱油生产工艺,微生物在食品工业中的应用,5.豆腐乳豆腐乳是中国传统的发酵调味品之一，腐乳在世界发酵食品中独树一帜，西方人称之为“东方的植物奶酪”。腐乳是以大豆为原料，将大豆洗净、浸泡、磨浆、煮沸、加入适量凝固剂，除去水分制成豆腐，将豆腐切成小方块，接种微生物进行发酵，然后经过腌制，配料装坛后发酵即成。,微生物在食品工业中的应用,5.1酿造腐乳微生物目前的豆腐乳生产大多采用纯菌种接在豆腐坯上，然后置于敞口的自然条件下培养。在培养过程中不可避免地有外界微生物的入侵，而且发酵的配料可能带入其他菌类，因而豆腐乳的发酵过程中的微生物种类十分复杂。中国酿造的微生物大多为丝状真菌，如毛霉属、根霉属等，其中以毛霉菌酿造的腐乳占多数。,微生物在食品工业中的应用,5.2毛霉型腐乳工艺流程：,选料浸泡磨浆甩浆煮浆点浆压榨豆腐坯接种培养搓毛腌坯豆渣成品后发酵装坛配料,三、微生物酶的利用酶是一种生物催化剂，具有催化效率高、反应条件温和和专一性强等特点，已经日益受到人们的重视，应用也越来越广泛。生物界中已发现有多种微生物酶，目前国际出售的酶制剂商品有100多种，而中国生产中广泛应用的仅有淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等十几种。,3.1主要酶制剂及产酶微生物3.1.1淀粉酶按照水解淀粉方式不同可将淀粉酶分为：-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖异构酶。（1）-淀粉酶（-Amylase）也称液化淀粉酶它作用于淀粉时可从淀粉分子内部切开-1,4糖苷键生成糊精和还原糖。但不能分解-1,6糖苷键，因产物的末端葡萄残基C1碳原子为-构形故称。不同的微生物种类产生的-淀粉酶的性质也不同。,（2）-淀粉酶（-Amylase）早年是从麦芽、大麦、甘薯和大豆等高等植物中提取，近些年来发现不少的微生物能产-淀粉酶，且其对淀粉的作用与高等植物的-淀粉酶是相同的，而在耐热性等方面优于高等植物-淀粉酶，更适合于工业化应用。-淀粉酶由淀粉的非还原端开始作用，逐次分解直链淀粉为麦芽糖，但分枝部分及内侧部分则不被分解而列残留下来，即-极限糊精。生成的麦芽糖在光学上属于-型。,（3）糖化酶(Glucoamylase)也称葡萄糖苷酶其作用方式与-淀粉酶相似，也由淀粉非还原端开始，逐次分解淀粉为葡萄糖，它也能水解-1,6糖苷键，所以水解产物除葡萄糖外，还有异麦芽糖，这点-淀粉酶不同。,（4）葡萄糖异构酶（Isoamylase）催化葡萄糖异构化成果糖。,（5）支链淀粉酶分解支链淀粉-1,6糖苷键，生成直链淀粉。,3.1.2果胶酶(Pectinases)果胶酶是指能分解果胶质的多种酶的总称，不同来源的果胶酶期特点也不同。根据不同的微生物来源将果胶酶分为：聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase,PG）、聚半乳糖醛酸裂解酶(polygaalcturomatelyase,PGL)、聚甲基半乳糖醛酸裂和果胶酯酶（pectinesterasesenzyme,PE）。能够产生果胶酶的微生物很多，但在工业生产中采用真菌，大多数菌种生产的果胶酶都是复合酶，也有微生物却能产生单一果胶酶，如斋藤曲酶，主要产生PG，而镰刀霉主要生产原果胶酶。,3.1.3纤维素酶（cellulases）纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一类酶的总称。纤维素酶可分为酸性纤维素酶和碱性纤维素酶。产生纤维素酶的微生物有很多，如真菌、放线菌和细菌等，但作用机理不同。大多数的细菌纤维素酶在细胞内形成紧密的酶复合物，而真菌纤维素酶均可分泌到细胞外。,3.1.4蛋白酶（proteases）蛋白酶是水解蛋白肽键的一类酶的总称。按其降解多肽的方式分为：内肽酶和端肽酶。内肽酶可将大分子质量的多肽链从中间切断，形成小分子质量的朊或胨，端肽酶可分为羧肽酶和氨肽酶，它们分别从多肽的游离羧基末端或游离氨基末端将肽水解，生成氨基酸。在微生物的生命活动中，内肽酶的作用是降解大的蛋白质分子，使蛋白便于进入细胞内。属于胞外酶。端肽酶常存在于细胞内，胞内酶。目前工业常用的蛋白酶是胞外酶。按产生菌的最适pH为标准，将蛋白酶分为中性蛋白酶、碱性蛋白酶和酸性蛋白酶。,3.1.5其他微生物酶类由酵母菌、霉菌产生的脂肪酶；霉菌产生的半纤维素酶、葡萄糖氧化酶、蔗糖酶、橙皮苷酶、柚柑酶；由细菌、放线菌产生的葡萄糖异构酶等。一种酶可以有多种微生物产生，而一种微生物也可以产生多种酶。因此可经根据不同条件利用微生物来生产酶制剂。,3.2微生物酶制剂在食品工业中的应用3.2.1酶制剂在食品保鲜中应用酶法保鲜技术是利用生物酶的高效催化作用，防止或消除外界因素对食品的不良影响，从而保持食品原有的优良品质和特性的技术。由于酶具有专一性强、催化效率高、作用条件温和等特点，可广泛地应用于各种食品的保鲜，有效地防止外界因素，特别是氧气、微生物对食品所造成的不良影响。,（1）葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase）是一种氧化还原酶，将蛋类制品中的的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变，提高产品的质量；容易发生氧化作用的花生、奶粉、面制品、冰淇淋、油炸食品等富含油脂的食品；易发生褐变的马铃薯、苹果、梨、果酱类食品中，利用葡萄糖氧化酶这种理想的除氧保鲜剂，可以有效地防止氧化的发生。（2）溶菌酶（lysozyme）是一种催化细菌细胞壁中的肽多糖水解的水解酶，用溶菌酶处理食品，可以有效地防止和消除细菌对食品的污染，起到防腐保鲜作用，如干酪、水产品、低浓度酿造酒、乳制品等其他食品的保鲜。,3.2.2酶制剂在淀粉类食品生产中的应用目前以淀粉为原料生产味精、啤酒、面包酵母、淀粉糖、酒精等企业广泛应用淀粉酶进行淀粉糖化和液化。（1）在酒精生产过程中酶法液化代替高压蒸煮酒精生产过去是多采用高压蒸煮淀粉原料（液化）；经糖化后进行酒精发酵。酶法液化是利用-淀粉酶液化淀粉质原料，从而取代高压蒸煮工艺。,（2）双酶水解淀粉质粗原料发酵谷氨酸谷氨酸发酵过去多采用酸水解淀粉为葡萄糖，这工艺不仅要消耗大量的盐酸，而且浪费粮食大约损失淀粉约30%。用酶法水解淀粉，即淀粉粗质原料先经-淀粉酶液化，再经糖化酶糖化，糖液压滤进行离子交换除杂质后，接入菌种进行谷氨酸发酵。不仅提高原料利用率，而且节约粮食，成本降低，目前此工艺在国内广泛应用。,（3）啤酒酿造生产啤酒的原料，先采用-淀粉酶液化，再以麦芽糖化，不但可提高原料中的淀粉的利用率，缩短糖化时间，而且可以利用增加辅助原料的用量，节约麦芽用量。（4）高麦芽糖浆制备目前的生产高麦芽糖浆是采用-淀粉酶和支链淀粉酶的共同作用，使淀粉更多地转化为麦芽糖。,3.2.3酶制剂在蛋白质食品生产中的应用蛋白质食品是指含大量蛋白质或以蛋白质为主要原料加工而成的食品，如酱油、豆制品，明胶等。（1）在酱油酿造中低盐固态发酵法生产酱油主要工艺之一是用米曲霉制曲，因敞口发酵就不可避免地带入大量的产酸微生物。当酱油开始发酵后，发酵醪pH会逐渐降低，使米曲霉产生的中性蛋白酶的作用受到抑制，而且米曲霉产生的酸性蛋白酶活性又低，造成原料中的蛋白质不能充分分解，如将米曲霉和黑曲霉进行多菌种制曲，能弥补因米曲霉系不足而造成的原料中蛋白质不能充分利用，同时又提高酱醅中酸性蛋白酶的活性。,酱油发酵时加入纤维素酶，可提高成品酱油的氨基酸和糖分含量，且酱油的色泽好，不需另加糖色。（2）在豆浆生产中加入一定的中性蛋白酶，不仅能提高豆浆中的干物质，同时能在一定程度上去除豆腥味。（3）干酪的生产可以采用乳酸菌发酵的方法，也可采用凝乳蛋白酶的方法。（4）可用蛋白酶法水解生产明胶，明胶是一种热可溶性的蛋白质凝胶，在食品加工中有广泛的用途。,3.2.4酶在果蔬食品生产中的应用（1）果胶酶澄清果汁蔬菜汁水果蔬菜中富含果胶质，使果蔬汁的过滤操作困难，同时使果蔬汁混浊，因而在果汁生产过程中，通过用果胶酶的方法分离果胶，有利于压榨、促进凝聚沉淀物的分离、使果汁澄清、提高出汁率。经酶处理的果汁比较稳定，可防止混浊。（2）生产果冻、果酱及奶糖等中的应用果汁经浓缩成为高浓度果汁后，果胶物质和高浓度的糖共存并凝结形成果冻。但糖含量太多不仅影响风味，而且不符合当今人们对健康食品的要求，利用果胶酶处理把果胶物质分解成果胶酸，可以生产低糖果冻，这种低糖果冻或果酱具有天然果实的风味。,（3）在果蔬制品的脱色方面葡萄汁、草莓酱、桃子罐头、芹菜汁等，必须用花青素酶处理，使花青素水解成为无色的葡萄糖，以保证产品质量。（4）纤维素酶在果品、蔬菜和豆制品加工中的应用纤维素霉能使果品、蔬菜的组织软化，提高营养价值，改善风味。在制造白色的豆酱和纳豆时常用纤维素酶去大豆的种皮，提高蒸煮效率和成品的色泽。,3.2.5酶在果酒生产中的应用葡萄酒生产主要应用的酶有果胶酶和蛋白酶。目前在葡萄酒的酿制过程中，引起压汁、过滤困难和混浊的主要原因是果胶的存在。利用果胶酶，可使果胶溶化降解，不仅可以提高葡萄汁和葡萄酒的产率、有利于过滤和澄清，而且可以提高产品质量。使用果胶酶后，葡萄中单宁的抽出率降低，使酿制的白葡萄酒风味更佳。红葡萄酒酿制过程中使用果胶酶，可提高色素的抽提率，还有助于酒的老熟，增加酒香。在葡萄酒酿造中使用蛋白酶，可以使酒中存在的蛋白质水解，防止出现蛋白质浑浊，使酒体清澈透明，以提高产率和产品质量。,第二节微生物与食品变质食品变质食品受内外环境因素的影响造成其化学性质、物理性质、感官性状发生改变，使其营养价值和商品价值降低。,一、食品变质的鉴定一般是从感官、物理、化学和微生物等四个方面来确定其是否适合规定指标而进行鉴定的。1.感官鉴定感官指标包括色泽、气味、口味和组织状态。2.化学鉴定氨基酸、蛋白质含量高的食品，在需氧性败坏时，常用测定挥发性盐基氮的含量多少来作为评定的一项化学指标。而含氮量少而含碳水化合物丰富的食品，在缺氧条件下，食品腐败则经常测定有机酸的含量作为指标。,3.pH值或酸碱度的测定食品中pH值的变化，一方面可由微生物的作用或食品原料本身酶的消化作用产酸而使食品中pH值下降；另一方面也可以由微生物的作用所产生的氨而促使pH值上升。4.微生物检验对食品进行微生物测定，不仅可以反映食品被微生物污染的程度，是否变质以及食品的一般卫生状况，同时也是判定食品卫生质量的一项重要依据。,二、食品变质的原因食品本身的性质微生物食品的外部环境,在食品发生腐败变质的过程中，起重要作用的是微生物。如果某一食品经过彻底灭菌或过滤除菌，则食品长期保藏也不会发生腐败。反之，如果某一食品污染了微生物，一旦条件适宜，就会引起变质。故微生物的污染是导致食品发生变质的主要根源。能引起食品变质的微生物种类很多，主要有细菌、酵母菌和霉菌。一般情况下细菌比酵母菌占优势。,1.微生物,引起食品腐败的细菌种类,酵母,酵母一般喜欢生活在含糖量较高或含一定盐分的食品上，可使糖浆、蜂蜜和蜜饯等食品腐败变质，但不能利用淀粉。大多数酵母有利用有机酸的能力，但是分解利用蛋白质、脂肪的能力很弱，只有少数较强。如解脂假丝酵母。,霉菌,在水分活性较低的食品中霉菌比细菌更易引起食品的腐败。根霉属、毛霉属、曲霉.属、青霉属等霉菌既能分解蛋白质，又能分解脂肪或糖类。,引起各种食品腐败的优势微生物食品中占优势的微生物能产生选择性分解食品中特定成分，从而使食品发生带有一定特点的腐败变质。细菌蛋白质、脂肪、碳水化合物酵母高浓度糖、食盐、酒精霉菌粮食、蔬菜、水果,2.食品本身的性质（1）食品的营养组成食品除了含有一定的水分外，主要是含有丰富的蛋白质、脂肪、碳化合物、维生素和无机盐等营养成分，而这些成分又都是微生物生长的良好培养基，所以食品一旦被微生物污染，微生物就很容易在其上生长，从而导致食品变质。不同的微生物分解各种营养成分的能力是不同的。当食品中营养成分和微生物所具有酶的底物一致时，微生物就能分解这类食品，但这一过程还要受到食品中其它基质条件的影响。,（2）食品的pH值,根据食品pH值不同，一般将食品分为酸性食品和非酸性食品。非酸性食品pH值在4.5以上者称为非酸性食品。酸性食品pH值在4.5以下者称为酸性食品。,各种微生物生长的最适pH值及pH范围微生物种类最低pH值最适pH值最高pH值细菌、放线菌5.07.08.010.0酵母菌2.53.86.08.0霉菌1.53.06.010.0,（3）食品的水分食品中的水分总是以结合水和游离水两种状态存在，微生物能利用的水分是游离水。一般来说，含水分多的食品，微生物容易生长，含水分少的食品，微生物则不易生长，各种不同类型微生物都有生长适宜的水分活性（Aw)范围。细菌酵母菌霉菌,食品中重要微生物类群生长的最低Aw值范围类群最低Aw值范围类群最低Aw大多数细菌0.990.94嗜盐性细菌0.75大多数酵母0.940.88耐渗透压酵母菌0.60大多数霉菌0.940.73干性霉菌0.65,（4）食品的渗透压低渗溶液：菌体吸收水分膨胀，甚至破裂高渗溶液：菌体脱水，甚至死亡。多数微生物在低渗透压食品中能够生长，在高渗透压食品中，各种微生物的适应情况是不一样的。在食品中形成不同渗透压的物质，主要是食盐和糖，不同微生物耐受食盐和糖的程度不一样。,3、食品所处的外部环境（1）温度,每一群微生物都有最适生长温度范围，但这三群又都可以在25-30之间生长繁殖，当食品处于这样一种温度的环境中，各种微生物都可生长繁殖而引起食品的变质。,微生物的适宜生长温度,（2）气体不同种类的微生物具有各自的呼吸酶，因此他们在氧化过程中对氧的要求也不同。食品在加工、运输、贮藏中，由于环境不同，接触气体情况也不同，因而引起食品变质的微生物类群和食品变质的过程也不一样。食品贮藏于含有高浓度CO2的环境中，可以防止需氧性细菌和霉菌所引起的变质。当环境中含有1%CO2时，可以防止水果、蔬菜霉变。,（3）湿度空气中相对湿度超过70%，富含蛋白质的鱼、肉、蛋、豆类制品等食品在这种环境中存放，则很