食品发酵原理

1、教 案课 题： 第二章 食品发酵原理审批签字班级授课日期学时2学时教学目标知识目标：一、 发酵工业的基本概念二、微生物发酵的基本特征三、本课程的重点内容和任务技能目标：使学生能够了解微生物发酵的基本特征教学重点难点重点：微生物发酵的基本特征难点：微生物发酵的基本特征教学方法讲授法参考资料或教具多媒体课件、教材教学内容方法过程：附记组织教学：师生问好，检查出勤情况新课导入：近几十年的来微生物发酵不但在应用领域上更加广泛，更重要的是建立了许多新的微生物发酵理论体系，诸如：代谢控制发酵、基因工程菌发酵等讲授新课： 食品发酵原理二、 发酵工业的基本概念微生物学中的发酵的定义：微生物发酵工业的概念：1.

2、发酵工业生产的基本模式讲述生物工业的基本生产模式，引出生物技术、生物工程的概念，讲述两者之间的区别与联系2.发酵工业的分类二、微生物发酵的基本特征1.微生物发酵过程是一个典型的化工过程 由于微生物生理特性决定了微生物在发酵过程中需要稳定的环境、特殊的条件以及以氧作为底物的供给，这些多涉及到化工生产的一下领域：（1） 质量的传递氧的供给、代谢物的排泄等（2） 热量的传递微生物呼吸产热，微生物生长于代谢需要稳定的而严格的温度条件。（3） 动量的传递涉及到搅拌轴功率的计算，他与溶氧、气液混合的关系（4） 微生物的反应工程涉及到微生物的生长动力学模型的建立，产物生成动力学模型的建立。2.微生物发酵过程

3、是一个典型的代谢控制发酵从微生物发酵的历史角度看，最早的微生物发酵是一个自然发酵过程，现代微生物工业通常是指微生物的代谢控制发酵？定义：是指利用生物的、物里的、化学的方法，人为的改变了微生物的生长代谢途径，使之合成、积累、分泌我们所需要的产品的过程。以GA发酵为例，建树微生物代谢控制发酵的意义。3.微生物发酵工业又是一个有别于化工过程的一个工业 有以下几个特征：（1） 反应条件温和通常由于微生物的生理特性，要求温度为30-40pH值中性偏酸性酵母、霉菌、放线菌等pH值中性偏碱性细菌的发酵（2） 无菌发酵整个反应过程要求无菌：培养基无菌、空气无菌、 补料和取样要求无菌操作、某些工程菌，其尾气也要

4、求进行无菌处理。（3） 非连续性生产微生物的生理特性决定了发酵过程的非连续性大部分的工业发酵是以间歇操作为基础进行的，目前可以实现连续化生产的是：啤酒的连续化生三、本课程的内容和任务本课程是生物工程专业本科生的专业基础必修课程，是一门以微生物、生物化学、化工原理等课程为基础，以微生物发酵过程中各种单元操作为主线条，对微生物发酵过程中的基本原理进行阐述的课程。其基本内容如下：1. 发酵生产用菌种及其有关知识菌种选育包括菌种保藏 生产过程中菌种的扩大培养 2. 培养基的制备及灭菌包括：工业发酵用原料的选择与处理 培养基的灭菌原理和方法 工业灭菌的工程计算3. 发酵机制包括：乙醇、甘油、谷氨酸、柠檬

5、酸、赖氨酸、抗生素等4. 发酵过程及控制包括：温度的变化及控制 pH值的变化及控制 氧传递动力学 泡沫的消长规律及控制三、 小结：本章主要讲授发酵工业的基本概念、微生物发酵的基本特征、本课程的重点内容和任务重点了解微生物发酵特征。板书设计： 食品发酵原理一、发酵工业的基本概念二、微生物发酵的基本特征三、本课程的重点内容和任务后记教 案课 题： 食品发酵原理-微生物发酵用菌种及其扩大培养审批签字班级授课日期学时2学时教学目标知识目标： 1、本课程的主要内容2、学习方法3、拓展阅读技能目标：拓展阅读-多吃发酵食品可抗衰老教学重点难点重点：学习方法难点：学习方法教学方法讲授法参考资料或教具多媒体课件

6、、教材教学内容方法过程：附记组织教学：师生问好，检查出勤情况新课导入：微生物发酵工业用菌种因不同的发酵对其要求各异，就是同一种产品的发酵生产，其菌种的特点和要求因不同的原料和生产设备的不同也有很大差异讲授新课： 2-1微生物发酵工业用菌种一、 微生物发酵工业用菌种的特点及要求1.具有稳定的遗传学特性2.微生物生长和产物的合成对于基质没有严格的要求 3.生长条件易于满足4.对于细菌，希望具有抗Phage的能力。 5.具有较高的各种酶活力，可以在一定的范围内提高生长速率和反应速度，进而可以缩短发酵周期，降低生产成本。 6.对于胞外产品，细胞膜具有良好的渗透性，或者细胞膜的渗透性可以调节，细胞不易发

7、生菌体自溶。 二微生物发酵工业用菌种的种类 野生型 从菌种的遗传学特征上可以把菌种分为： 培养：营养缺陷型从微生物分类学的角度，分为1. 细菌类： 短杆菌：GA,Gln,lys 枯草芽孢杆菌：淀粉酶（BF7658）、碱性蛋白酶等 地衣芽孢杆菌：HASS(耐高温-淀粉酶) -Amylase 苏云金芽孢杆菌：BT生物农药 梭状芽孢杆菌：丙酮、丁酸等的发酵2. 酵母菌 啤酒酵母：酿酒酵母、辅酶类物质的发酵 酒精酵母： 汉逊酵母：食品工业，用于乙酸乙酯的发酵 假丝酵母：scp生产，石油发酵3.霉菌 黑曲霉：柠檬酸工业、酿酒业（UV-11,UV-48）、酶制剂工业（糖化酶） 黄曲霉：酱油生产(3042)

8、，面酱 青霉菌：青霉素的生产 红曲霉：红曲制造，用于南方红曲酒（女儿红）的生产；使用红色色 素的生产；豆腐乳的生产等 赤霉菌：赤霉素的生产，是一种植物生长激素4.放线菌：各种抗生素，链、土、庆大等2-2微生物用菌种的扩大培养 一、 菌种扩大培养的目的1.提供大量而新鲜的、具有较高活力的菌种。 目的就是：a、缩短发酵周期 降低能耗、减少染菌的机会（空气过滤设备有效时间是有限的） b、为了使培养菌在数量上取得绝对的优势，抑制杂菌的生长。从对数残留定律上看，任何灭菌过程都不能够做到绝对无菌，抑制杂菌生长除了严格环境以外，在数量上让培养菌占绝对优势也是一种方法，往往是一种行之有效的方法。例如：啤酒的发

9、酵 2.让菌种从固试管、液体试管，逐步适应，例如：啤酒发酵 3.菌种经过扩大培养，可以提高生产的成功率，减少“倒罐”现象。 许多生产菌种往往都是“溶原性”的？ 通过连续的扩大培养，每一级都要进行严格的检查，对于不合格的严禁使用，无疑增加了生产的可靠性。二、扩大培养的方法通常有两种方法：固体法：用于酿造业（酱油、白酒等），也是源于酿造业， 有霉菌的纯培养，也有混合培养如：大曲液体法：液体深层培养，适合于众多发酵行业三、菌种扩大培养的条件： 菌种扩大培养条件因不同的菌种差异是非常大的，通常是与菌种的性质有关的，也与后续的发酵工艺有关。但是，与发酵工艺却有着很大的差别。1.培养基：种子培养基因不同的

10、微生物种类差别是很大的，同一种微生物因不同的扩大培养过程（一级、二级）其培养基往往也有较大差异。 通常，对于种子用的培养基，摇瓶与种子罐用的培养基也不相同，摇瓶要求培养基用的原材料精细，碳源浓度较低而且是用微生物较易利用的碳源；对于种子罐用培养基，要求使用接近大生产用的原材料，氮源浓度较高，有利于菌体的增殖。2.温度 种子扩大培养的温度，从试管到三角瓶到种子罐，其温度也应逐步调整，最后接近大生产的温度，目的在于使菌种逐渐适应。3.氧的供给 菌种扩大培养的目的就是提供大量的强壮的菌体，因此在扩培过程要求菌体增殖速度越快越好，增殖期消耗的底物葡萄糖越少越好，从这个意义上讲，扩培过程中应提供足够的氧

11、气，无论是厌氧发酵还是好氧发酵。 足够的溶氧取决于：搅拌转速、通气量、搅拌轴功率等，后述。4.pH值 菌种扩大培养的pH值很重要，直接影响到菌体的正常生长，需要注意以下两点：（1）扩培选择的pH值是菌体的最适生长pH值，往往与发酵最适pH值不同。 （2）培养基灭菌后，通常其pH值要下降0.51.0个单位，因此， （三角瓶灭菌后，不能够调整pH值，不宜无菌操作）思考题：1.比较固体培养与液体培养的优缺点。2.说明菌种扩大培养的条件。3.菌种扩大培养的目的和意义是什么？4.工业生产用菌种的基本要求有什么？小结：菌种扩大培养条件因不同的菌种差异是非常大的，通常是与菌种的性质有关的，也与后续的发酵工艺

12、有关。但是，与发酵工艺却有着很大的差别板书设计： 微生物发酵用菌种及其扩大培养一、 微生物发酵工业用菌种的特点及要求二微生物发酵工业用菌种的种类三菌种扩大培养的目的四、菌种扩大培养的条件五、扩大培养的方法后记：教 案课 题： 食品发酵原理-微生物用培养基及灭菌审批签字班级授课日期学时2学时教学目标知识目标：一、培养基用原材料及要求二、培养基的种类 三、培养基的制备四、培养基处理五、培养基的灭菌技能目标：掌握培养基的材料及处理教学重点难点重点：培养基用原材料及要求难点：培养基处理教学方法讲授法参考资料或教具多媒体课件、教材教学内容方法过程：附记组织教学：师生问好，检查出勤情况新课导入：微生物发酵

13、领域其本质，也可以理解为物质形式的转化过程，就是利用微生物生长所需的底物转化成特定的产物，在这个过程中，有两个问题是工业化需要解决讲授新课： 3-1培养基的制备及要求一、培养基用原材料及要求 （1）产物的社会效益， （2）物质转变过程中产生的经济效益，即：低价值的原材料、低能耗等1、培养基原材料的要求 （1）价格低廉，易得到（价格低，但不一定易得到，例如：地瓜干）（2）对微生物的生长繁殖和代谢无抑制作用的物质（3）微生物的代谢产物无有害物质。 2、培养基用原材料的种类碳源 starch 及其水解糖液 含有starch 及其水解产物的废弃物：味精废水、粉丝生产废水等 化工石油产品：醋酸、甲醇、乙

14、醇、甲烷等 二、培养基的种类 三、培养基的制备 1.培养基配制的原则 培养基制备是发酵成功与否的第一个要点，制备一个完整而科学的培养基是很重要的，也是非常艰巨的任务。通常制备培养基需要考虑以下几个方面的问题：（1）合适的C/N， 不同的微生物、同一种微生物不同的菌株，其对培养基中的C/N要求是不一样的，同一菌株在不同的发酵阶段，其对C/N的要求也不一样。（2）在确定了C/N的前提下，需要研究的是不同的氮源，对发酵的影响。（3）大多数的工业培养基都使用玉米浆。（4）生长因子：2.培养基的优化方法 一种合成培养基的设计，需要考虑的因素是很多的，需要研究的成分也是很复杂的，其中包括碳源、氮源、玉米浆

15、等，即便是碳源还可以是几种碳源的混合体，再加上述几种因素之间的相互影响，要确定一个科学的培养基配方是需要做大量的工作的，采用一个合理的数学方法，就可以在减少工作量的前提下，得到科学的结果。3-2培养基用材料及处理发酵培养基用原料是非常广泛的，许多原材料需要经过处理后方能够使用，特别是以淀粉质为原料的发酵工业，大多数的情况下需要将淀粉进行水解处理。一、淀粉的水解1.淀粉的水解方法（1）淀粉的酸法水解淀粉是由葡萄糖通过-1，4或-1，6葡萄糖苷健连接而成的含有多个葡萄糖的大分子长链物质，根据其葡萄糖连接的糖苷健的不同，可分为枝链淀粉和直练淀粉，可以使用重合度 来表示淀粉分子的大小，所含有的葡萄糖苷

16、健的数量，称之为淀粉的重合度，用DP来表示。淀粉内部的葡萄糖苷健在一定的温度和酸性的条件下可以水解，而使淀粉分子链断裂，高温可加速葡萄糖苷健的水解速度。2.酸酶法3.酶酸法4.双酶法2.淀粉的双酶法水解工艺 淀粉调浆 液化 糖化 过滤 糖液液化：耐高温-淀粉酶，酶的使用量：58单位/g淀粉 温度：105；时间，2030分钟降温：采用喷射冷却方法：糖化：使用淀粉-1，4；1，6葡萄糖苷酶；终点判断： 时间，23小时。二、糖蜜的处理 1.糖蜜的主要成分（1） 糖，4950%，因不同的原料和生产方法不同而异，主要是蔗糖（2） 胶体物质，510%，来自于原料（3） 灰分，1012%（4） 生物素，11

17、0mg/Kg(甘蔗)，0.040.06 mg/Kg(甜菜)（5） pH值6.2(甘蔗)，7.4（甜菜）对于发酵工业可以利用得的主要成分是：糖和生物素 2.用途（1） 发酵工业用原料，国内发酵生产的有：味精、酵母 使用糖蜜生产酒精（2） 使用糖蜜生产蒸馏酒姥姆酒，世界名酒，牙买加的国酒，在西方国家主要用于鸡尾酒的勾兑上。（3） 作为添加剂使用，柠檬酸发酵，作为添加剂使用。（4） 使用糖蜜发酵生产黄源胶，已有研究报道。 3.处理方法 处理目的：a.除去胶体性物质，降低糖蜜的粘度，提高发酵液的流动性， 有利于改善发酵过程中氧的传递。 b.脱色，除去有色物质（有色物质的来源？），对产品的质量有影响，对

18、微生物的生长和代谢有影响。 c.中和过量的酸碱性物质，除去部分对pH值有影响的缓冲性物质。 2-3培养基的灭菌一、灭菌原理 所谓灭菌就是杀死一切微生物，包括微生物的营养体和芽孢，这一概念不同于消毒。后者是指消灭一切致病微生物（病原体） 灭菌的方法很多，在实验室可以使用干热灭菌、对于环境可以使用化学试剂灭菌，但化学试剂的灭菌方法有很大的限制。 在工业生产中，对于培养基、管道、设备的灭菌，通常采用蒸汽加热到一定的温度，并保温一段时间的灭菌方法，称之为湿热灭菌2.理论灭菌时间微生物的湿热灭菌过程，其本质上就是微生物细胞内蛋白质的变性的过程。因此，可以把灭菌过程看成是蛋白质的变性的过程3.灭菌温度的选

19、择 灭菌温度的选择应考虑的因素主要有： a.微生物的热致死温度，应高于该温度。通常以芽孢为准。何为热致死温度？（10分钟，全部死亡的温度） b.营养成分的破坏，灭菌的过程实质上也是营养成分破环的过程 因此，灭菌温度的选择，应是在保证灭菌效果的前提下，尽可能减少培养基中营养成分的破坏。二、分批灭菌操作要点 将配置好培养基打入生物反应器内进行实消，操作要点如下：1. 定期检查设备、管道有无渗漏，主要是：冷却管道，夹套。2. 培养基升温时，打开所有的排气阀门，排掉空气？当培养基的温度升到灭菌温度时，进入保温操作阶段，此时要求与反应器相连的所有管道出于两个状态：进汽或出汽，目的是对管道进行灭菌。讲一下

20、，阀门的特殊性？3. 培养基升温时开动搅拌系统，以使培养基内部传热均匀，当温度升温到100时，停止搅拌，一方面是为了保护轴承，另一方面，当培养基的温度升温到100时，培养基的沸腾，可以起到搅拌作用。4. 注意辅助设备的灭菌：空气过滤器、计量罐、流加管道与流加液贮罐，空气流量计等。5. 保温期间，要求罐压：0.090.10MPa，温度：118121，时间：30分钟。6. 灭菌结束后，需要立即引入无菌空气，保证罐内压力后方可冷却，目的是防止培养基的冷却使罐内形成负压，易染菌。7. 配制培养基时，应充分考虑培养基在灭菌时的稀释（体积的增加），通常体积可增加20%左右，灭菌时间越长，体积增加的越多。思

21、考题：1.微生物发酵培养基的碳源主要有哪几种？2.微生物发酵培养基的氮源主要有哪几种？3.淀粉的水解方法主要有什么？试进行有缺点比较？小结：菌种扩大培养条件因不同的菌种差异是非常大的，通常是与菌种的性质有关的，也与后续的发酵工艺有关。但是，与发酵工艺却有着很大的差别板书设计： 微生物发酵用菌种及其扩大培养一、 微生物发酵工业用菌种的特点及要求二微生物发酵工业用菌种的种类三菌种扩大培养的目的四、菌种扩大培养的条件五、扩大培养的方法后记：教 案课 题： 食品发酵原理-发酵过程及控制审批签字班级授课日期学时2学时教学目标知识目标：1、微生物发酵的类型2、发酵过程中温度的变化及控制3、泡沫的消长规律及

22、其控制4、发酵过程中PH值的变化及控制技能目标：掌握发酵过程的控制教学重点难点重点：发酵过程中温度的变化及控制难点：发酵过程中PH值的变化及控制教学方法讲授法参考资料或教具多媒体课件、教材教学内容方法过程：附记组织教学：师生问好，检查出勤情况新课导入：对于普通微生物的培养，选择接种量的大少通常考虑的是设备的能力，但对于基因工程菌，考虑更多的是对基因工程菌培养以及外源基因的表达的影响讲授新课： 5-1 微生物发酵的类型一、微生物发酵的类型 1.根据微生物对氧的需求不同，可分为： （1）厌氧发酵：乳酸杆菌的乳酸发酵、酵母的酒精发酵等 （2）好氧发酵：GA、其他AA、大部分的细菌和霉菌发酵2.根据所

23、用的培养基的状态 （1）固体发酵（solid fermentation） 就是微生物生长在固体培养基上 （2）液体发酵二、生物反应器的操作方式 1分批式是目前微生物培养的最基本的方式，即是以微生物的一个生长周期为一个生产周期，包括设备的灭菌、种子培养、发酵操作。 优点：（1）每一次进行重复的配料、灭菌、等操作，微生物培养可靠、安全。 （2）微生物发酵过程中，微生物的各个阶段的生理、代谢特征不同，易于控制。缺点：（1）效率较低，每次发酵重复进行既是一种时间的浪费，又是原材料和能量和浪费。 （2）底物利用率低，分次分批发酵都存在一个微生物自身的增殖过程，增殖本身就是底物消耗的过程，这必然导致转化率

24、的降低，例如，在GA的发酵过程中，微生物增殖所需要的C源占总c源的20%左右。2.连续操作 基本概念：当微生物菌体达到某一特定状态时，（这一状态可以是：菌体浓度、比生长速率、产物的比生成速率等），连续向反应器内流加混合底物（C、N、P），同时反应器排放等量的发酵液。 优点：微生物处于一个稳定的底物浓度和产物浓度的环境中，从理论上讲，这种方式是最高效率的微生物培养方式？节省消耗（底物、能量） 缺点：(1)由于微生物菌种易发生变异，特别是代谢控制发酵所采用的菌种，大部分是经过诱变的突变菌株，其遗传性质非常不稳定，后期，当菌种发生变异或者说恢复突变的菌体占有优势时，发酵就意味着失败。 (2)长时间的

25、连续培养，防止杂菌、phage的感染也是难以克服的问题。 5-2发酵过程中温度的变化及控制一、发酵过程中的热源 热源：发酵过程中引起发酵液温度变化的原因。二、温度对发酵的影响 1.从酶促反应动力学方面 微生物的发酵过程实际上就是一个酶促反应的过程，根据酶促反应动力学，温度越高，酶促反应速度越快，菌体增殖、产物合成的时间均可提前；但是温度越高，酶越易失活，表现在外观上，则是菌体易衰老，整个发酵周期缩短，影响发酵的最终产量，对于发酵是不利的。 2.从温度对发酵液的性质的影响方面温度影响了发酵液的许多性质，包括：营养物质的电离状态、发酵液的粘度等。发酵液粘度的改变，影响了发酵过程中各种物质的传递，特

26、别是氧和热量 的传递，进而影响了微生物的发酵。3.温度对菌体代谢调节机制的影响 近几年来的研究表明，温度对于菌体的调节机制有着密切的影响。5-3 氧传递与控制 供氧对于微生物的液体深层培养是必需的，也是目前各种生物反应器设计的主要的参数之一。由于氧难溶于水的特性，决定了氧的供给成为提高微生物培养密度、提高单位体积发酵液产量的限制性因子。一、氧对发酵的影响氧对微生物发酵的影响是多方面的，不同的菌系、不同的发酵阶段对于氧的要求也不相同，氧对其的影响也不相同，具体的讲： 1.影响了菌系的酶活性 在微生物的代谢过程中，有许多的催化脱氢氧化反应的酶都是以NAD(P)为辅酶的，NAD(P)的浓度是保证酶活力的基础。NAD(P)作为H的受体，脱氢后成为还原兴的NAD(P)H，NAD(P)H只有在有氧的的条件下可以及时地通过呼吸链被氧化（个别情况，NAD(P)H可以参入还原反应，比如：KGA的还原氨基化），生成氧化性的NAD(P)，NAD(P)作为辅酶重新参入脱氢反应，一旦，发酵液中的氧的浓度不够，则与NAD(P)相关的酶促反应停止，那么，NAD(P)的浓度。2.氧的存在影响了代谢途径 氧存在是TCA循环能够进行的基础，缺氧必然导致丙酮酸的积累（丙酮酸的氧化脱羧强烈徐扬），丙酮酸的积累，