食品酿造的历程和微生物的生化机制

1、食品酿造的历程和微生物的生化机制 食品酿造历程的三个阶段： （三）产物再平衡第三阶段（一）大分子物质降解阶段第一阶段 （二）代谢产物形成阶段第二阶段第二节 微生物对酿造变化因素的适应性一、 酿造微生物生态系统 定义：生态系统是在一定空间内存在的各种生物体和非生物环境之间的相互依存和相互制约，它们之间进行着能量和物质的交换，成为一个能够自己维持下去的且具有一定独立性的体系。二、酿造微生物生态系统的特征：生境大小表面环境营养物的供给酿造微生物在生产环境中的生物量及生长速度酿造微生物群体的相互作用1.生境的大小定义：生境即生物栖息的场所。料醅的结构性：料醅的结构体的大小、形状、排列和相应的 孔隙状态

2、。它决定配料物理性质的好坏。团粒：指的是直径为0.25-10 mm的较轻松的多孔性小团粒。团粒特点：结构体内有毛管孔隙（），结构之间为大 孔隙，而且总孔隙度及毛管孔隙度与非毛孔隙的 比例要合适。2.表面环境固体发酵物料提供了丰富的表面环境，它为微生物多样性和代谢多样性提供了前提条件微生物在物质表面形成表面膜的过程，分为3个阶段： （1）有机质附着在表面 （2）初步的细菌膜附着在表面 （3）形成微生物表面膜3. 营养物的供给环境中营养物质的浓度和环境条件的变化，影响酿造微生物生长相应的起伏。营养物化学性质的变化，对微生物群体有着选择的影响。研究方法：微缩研究法表现：4. 酿造微生物在生产环境中的

3、生物量及生长速度微生物比较强的催化能力微生物在合适环境中的高繁殖率。酿造过程中的影响因素 生物量的计算方法是以细胞数量为基础的。应强调的是：不能单凭数量来估价不同微生物类群的相对重要性。5. 酿造微生物群体的相互作用酿造微生物生态系统本身具有一定的反馈调节的机能，使微生物在酿造物料中保持平衡。相互作用：中型关系，协同关系，偏利共生，竞争关系，拮抗作用等。三、 酿造物料环境中微生物的变化 微生物在整个生物圈中无处不在，任何一撮自然环境中的有机物质都含有很多种微生物，在不同时期，不同环境提供不同微生物类型发展所需的生态环境。第三节 食品酿造三个阶段的主要生化机制及参与的主要微生物 一、 大分子物质

4、降解阶段（一）淀粉的降解（二）蛋白质的降解 （三）纤维素的降解 （四）半纤维素与麦胶物质的降解 （五）果胶质的降解 （六）木质素及芳香族物质的分解（七）类脂化合物的降解（一）淀粉的降解淀粉是植物体内最重要的贮藏多糖 。用热水处理淀粉时，可溶的一部分为“直链淀粉”，另一部分不能溶解的为“支链淀粉”。1、淀粉的结构（1）直链淀粉：是D-葡萄糖残基以-1，4苷键连接的多苷链。分子量为3.21041.6105 ，甚至更大。（2）支链淀粉：D-葡萄糖以-1，4键成链，卷曲成螺旋，但在分支接点上则为-1，6键连接的多苷链，分支与分支之间间距为11-12个葡萄糖残基。 支链淀粉一般性状凉水60-80热水纯支

5、链淀粉白色粉末吸湿性 强溶（分散）淀粉粒残留、离心可分离直链淀粉不溶天然淀粉粒完全不溶淀粉粒扩散、胶体溶液、冷却不沉淀、溶于热水，提高加热温度可形成稳定的粘稠溶液 （1）淀粉的物理性质2、淀粉的一般性质（2）淀粉的化学性质及与碘呈色机制水解性与碘呈色反应直链淀粉与水共热引起分子裂解、与无机酸共热可彻底水解为D-葡萄糖，水解产生的多苷链片段统称糊精深兰色支链淀粉兰紫色可溶性淀粉兰色糊精依分子量递减程度，与碘呈兰紫色、紫红色、橙色以至不呈色（1）淀粉的糊化： 定义：淀粉粒在适当温度下（各种来源的淀粉所需温 度不同，一般在60-80）在水中溶胀、分裂、形成均 匀糊状溶液的作用称为糊化作用。3、淀粉的

6、糊化及老化糊化的过程：可逆吸水阶段 不可逆吸水阶段 淀粉粒最后解体 定义：糊化后的淀粉凝胶或初步液化后的淀粉酶，如降温至50以下，产生凝胶脱水作用，即链淀粉重新整齐规则排列、重叠，链之间形成新的氢键结合结构复趋向紧密，此称“淀粉的老化”或称“回生”。液化好的糊精液不会再老化。 （2）淀粉的老化：特点：老化的淀粉不易被淀粉酶水解； 不同来源的淀粉老化难易程度不同。4. 淀粉酶的分类 （1）淀粉-1, 4-糊精酶（EC3. 2. l. 1）, 也称-淀粉酶（2）淀粉-1, 4-麦芽糖苷酶（ EC3. 2. l. 2）也称-淀粉酶（3）淀粉-1, 4 (1, 6)-葡萄糖苷酶（ EC3. 2. l.

7、 3）也称葡萄糖 淀粉酶（-淀粉酶或糖化酶）（4）淀粉-1, 6-糊精酶（ EC3. 2. l. 9）也称异淀粉酶，能分解 支链淀粉中-1, 6-键。（5）转移葡萄糖苷酶：在黑曲霉系中，它的作用是由麦芽糖 上水解下来一个分子葡萄糖，又转移给另一个分子作为 “受体”的葡萄糖或麦芽糖。如龙胆二糖键结合。 这些低聚糖为发酵性糖，微生物不能利用。（6）磷酸脂酶 -淀粉酶-淀粉酶产淀粉酶细菌的一些种种名最适pH酶及其特点枯草杆菌6.5-8.2工业用淀粉酶（主要是-淀粉酶），对相对较高的温度具有良好的稳定性枯草杆菌（Bacillus subtilis）5.8-6.0-淀粉酶（结晶）枯草杆菌（Bacillu

8、s subtilis） 5.7-6.0-淀粉酶马铃薯芽孢杆菌（Bac.mesentericus）6.8工业淀粉酶、葡萄糖淀粉酶多粘芽孢杆菌（Bac.polymyxa）6.7-淀粉酶嗜热脂肪芽孢杆菌（Bac. stearothermopHilus ）4.2-淀粉酶、尚有可能水解-1, 6葡萄糖苷键乙酸梭状芽孢杆菌（Clostridium acetobutylium）6.0-6.75工业淀粉酶纤维素链霉菌（Streptomyces cellulosae）5. 产淀粉酶的主要微生物 重要的形成淀粉酶的霉菌种 类最适pH酶 及 其 特 性德根霉（Rhizopus delemar）日本根霉(R. jap

9、onicns)4.8-5.0-淀粉酶米根霉(R. oryzae)黑曲霉(Aspergillus niger)3.8-5.8工业用-淀粉酶鲁氏毛霉(Mucor rouxianus)6.9工业用淀粉酶，肋状拟内孢霉（Endomycopsis fibuliger）-淀粉酶，少量麦芽糖酶及界限糊精酶米曲霉（Asp. oryzae）5.0麦芽糖酶，少数-淀粉酶洋葱曲霉（Asp. alliaceus）界限糊精酶，麦芽糖酶， -淀粉酶臭曲霉（Asp. foetidus）温氏曲霉（Asp. wentii）葡萄糖淀粉酶黑曲霉（Asp. niger)NRRL3303.8黑曲霉（Asp. niger) NRRL33

10、7葡萄糖淀粉酶黑曲霉（Asp. niger)S3.4309G5.2黑曲霉（Aspergillus niger)-淀粉酶结晶泡盛曲霉（Asp. awamori）4.0-4.5（二）蛋白质的降解 1、蛋白质的结构与分类 2、氨基酸3、蛋白质水解酶类1. 蛋白质的结构与分类 蛋白质是由20种氨基酸为单体构成的高分子化合物，在蛋白质分子中氨基酸以肽键结合。（1）蛋白质的结构根据蛋白质的化学组成分类 ： 简单蛋白质：水解产物全属氨基酸没有其它成分，如血清、清蛋白、肌球蛋白等。 结合蛋白质：水解产物中除氨基酸以外还有非氨基酸成分，如色素蛋白、糖蛋白、脂蛋白、及磷蛋白等。 （2）蛋白质的分类 根据溶解性质与

11、结构内容混合考虑的分类简单蛋白质： 白蛋白 球蛋白 醇溶谷蛋白（Prolamines） 谷蛋白（ Glute1ins） 鱼精蛋白（Protaminess） 组蛋白（Histoness）硬蛋白（Soleroproteins）角蛋白（Keratins）、 胶原（Collagens）网硬蛋白（Reticulins） 弹性蛋白（Elastin）；结合蛋白（Conjugated rroteius） 磷蛋白（PhospHoproteins） 、粘蛋白（Mucoproteins） 、糖蛋白（Glycoprotein） 、 核蛋白（Nucleoprotein） 、脂蛋白（Lipoproteins）和蛋白脂（P

12、toteolipids）、血红蛋白（Hemoproteins） 、 金属蛋白（MetalloProtcins） 、黄素蛋白（Flavoproteins）及氮苯蛋白（PyridinoProteins）根据蛋白质的分子形状分类 ： 球形蛋白质：分子接近球状或椭圆状，溶解度较好、能结晶，包括大多数蛋白质。 纤维状蛋白质：分子形状很不对称，类似细杆或纤维，可分成：可溶性纤维状蛋白质：如肌肉的结构蛋白，血丝蛋白质等等。不溶性纤维状蛋白质：包括胶原，弹性蛋白、用蛋白及丝心蛋白等。 根据蛋白质按功能的分类 ： 活性蛋白质（Active Proteins）： 酶； 激素蛋白； 运输和贮存蛋白质； 运动蛋白；

13、防御蛋白和病毒外壳蛋白； 受体蛋白； 控制生长与分留的蛋白质； 毒蛋白； 膜蛋白。 非活性蛋白质（Passive proteins）： 胶原； 角蛋白； 弹性蛋白； 丝心蛋白。 （3）蛋白质的变性 蛋白质是有生物活性的一类生物高分子，在保存 或处理过程中它的生物活性会丧失，此过程叫失活。 蛋白质分子在受到一些物理因素，如加热、高压、表面张力， 或许多化学试剂，如胍、脲、酸、有机溶解导致失活。2、氨基酸（1）氨基酸的结构与分类 蛋白质是由20种氨基酸组成的，这20种氨基酸在蛋白质生物合成中有基因编码，故又称为编码氨基酸。 每种氨基酸分子 都有一个氨基（NH2）一个氢原子（H）和一 个羧基（COO

14、H）连接在同一个碳原子上。H2NHCCOOH氨基酸分子的结构通式侧链基团R氨基酸通式的特点 R基不同，氨基酸的种类不同。（2）氨基酸在酿造食品中的作用 氨基酸的营养作用 氨基酸的调味作用 风味的前体物质之一3、蛋白质水解酶类 定义：蛋白质酶是水解蛋白质肽键的一类酶的总称。 分类：按照水解肽的方式可分为内肽酶和端肽酶两类。 内肽酶：能切开大分子多肽的内部肽键，生成分子量较小的肽、胨等产物。 端肽酶（又称外肽酶）：是从肽链两端开始水解肽键。又可分为两类：一类是以肽链氨基末端开始水解肽键的氨基肽酶；一类是以肽链羧基末端开始水解肽键的羧基肽酶，在外肽酶作用下得到的是单个的氨基酸。目前蛋白酶的分类以最适

15、pH为标准进行分类： （1） 酸性蛋白酶 （2） 中性蛋白酶 （3） 碱性蛋白酶 （1） 酸性蛋白酶作用的最适pH值2-5，都是由真菌产生。一般在pH7，40 下处理30min 立即失去活性。 （2） 中性蛋白酶大多数微生物中性蛋白酶是金属酶。代表性的中性蛋白酶是枯草杆菌中性蛋白酶。一般中性蛋白酶的热稳定性差，枯草杆菌中性蛋白酶在pH7，60 下处理10min 立即失活90%。 （3） 碱性蛋白酶作用的最适pH值9-11。碱性蛋白酶是商品蛋白酶中产量最大的一类蛋白酶，占蛋白酶总量的70% 碱性蛋白酶的作用要求位置在水解的羧基侧具有芳香或疏水性氨基酸酶水解专一性相邻残基的影响，A-B-C-D胰蛋

16、白酶专一水解B=LysArg的肽键。B=氨乙基半胱氨酸时水解甚慢。C=Pro时水解受阻。A或C或两者都是酸性氨基酸时，降低水解速度。胰凝乳蛋白酶B是疏水氨基酸时，水解很好，特别是B=Trp，Tyr或PHe。B=Met，Leu或His时水解较差。C=Pro时水解受阻。C或/和A是酸性氨基酸时，水解速度降低。胰脏弹性蛋白酶B是小的脂肪侧链的残基时水解很好，特别是Ala、Val、Gly或Ser时，A残基对水解有影响，但规律性不强。嗜热性蛋白酶C是疏水侧链时，特别是Phe、Leu、Val、Ile、Met、Trp时水解好，C是Ala、Asn、Thr或His时也水解。C是Gly或Pro时不水解、但D是Pr

17、o时无影响。胃蛋白酶B、C或二者都是侧链残基，特别是PHe、Tyr、Trp或Leu时，水解相当好，除了B是Pro时外，其它的氨基酸都能断裂。专一性受A、D残基甚至更远的残基影响枯草杆菌蛋白酶B、C二者都是疏水基时水解有利，但在其它许多连接时也能水解，例如Ser、His、Ala、Ser等。各种蛋白水解酶（内肽酶）及它们的专一性 种 类酶的专一性.A-B（氨肽酶）A=Leu最快，A=非极性残基时也快。亮氨酸氨基肽酶（LAP）B=Pro时A不能释放。人肝亮氨酸氨基肽（HLA）同上氨肽酶-M除一般氨基酸外，也能水解Pro及碱性氨基酸A=LeuPHeAlaVal，A是极性时反映低嗜热菌氨基肽酶很不专一，

18、脂肪链及芳香族侧链反应好，酸性，碱性氨基酸及Pro也能作用Aeromonas氨肽酶广泛的专一性A=Pro时也能作用，肽与大肽都能反应（羧肽酶）酶的专一性 A-B 羧肽酶-A（CPA）B是芳香族或长链脂肪族残基反应快，B是Gly、Asn及酸性氨基酸反应慢，最适PH是5.5，B是Pro、OH-Pro、Lys及Arg时不作用羧肽酶-B（CPB）B是Lys及Arg时反应快，其余慢羧肽酶-C（CPC）B是各种氨基酸包括Pro都能作用，但OH-Pro不作用，二肽不作用羧肽酶-Y（CPY）专一性广，包括Pro，A是Gly时，水解大为变慢青霉素羧肽酶S-1和S-2专一性很广，包括Pro重要的形成蛋白酶的细菌种

19、类种 名最适PH产粘极毛杆菌（P.myxogcnes）7.5-8.5产气极毛杆菌（P.aeruginosa）尿节杆菌（Arthrobacter ureafaciens）8.0某些赛氏杆菌（Serratia）8.5-12.0枯草杆菌（Bac.Subtilis）10-11枯草-马铃薯杆菌群（B.subtilis-mesentericus-Grupps）9.8钠状芽孢杆菌（B.cereus）6.8钠豆芽孢杆菌（B.natto）8.2普通芽孢杆菌（B.vulgaris）8.0草状芽孢杆菌（B.mycoides）7.8-9.8溶组织梭状芽孢杆菌（Clost.histolyticum）6.0-7.8溶血链

20、球菌（Str.haemolyicus）重要的产蛋白酶真菌 种名最适pH解脂假丝酵母（Candjda ljpolytica）9.0爪哇根霉（R.javanicus）等3.0及6.0-7.0米曲霉(Asp.oryyae)3.0斋腾曲霉、宇佐美曲霉、黑曲霉等曲霉2.5-3.0等兰棕青霉（P.cgacofulvum）9.5-11.0固拟青霉（Paecilomyces persicinus）拟青霉（P.varioti）酸性型（三）纤维素的降解 定义：纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一类酶的总称。 纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种多糖。纯的纤维素是-D-葡萄糖以-1，4-糖苷键连接而成的直链分子。

21、纤维素酶的分类纤维素水解酶系包括许多不同的酶，统称纤维素酶。分为三群：C1酶：水解未经降解的纤维素，对部分降解的多糖或寡糖很少作用或没有作用。a-1，4萄萄糖酶又称Cx酶：它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖，也作用于寡糖分子如纤维四糖。-葡萄糖苷酶：水解纤维二糖、纤维三糖及低分子寡糖成葡萄糖。一些纤维素降解菌（细菌及真菌）细 菌真 菌芽孢杆菌（Bacillus）交链孢霉（Alternaria）纤维极毛杆菌（Cellulomomnas）曲霉（Aspergillus）梭状芽孢杆菌（Clostridium）镰刀霉（Fuzarium）棒状杆菌（Corynebacterium）漆斑霉（Myro

22、thecium）食纤维粘菌（CytopHaga）青霉（Penicillium）多囊纤维菌（po yangium）根霉（Rhizopus）假单孢菌（Psudomomnas）根生壶菌属（Rhizoctonia）生孢食纤维粘菌（SporocytopHaga vibrio）木霉属（Trichoderma）轮枝霉属（Verticllium）接霉属（Zygorhynchus）（四）半纤维素与麦胶物质的降解 半纤维素与麦胶物质是胚乳细胞壁的构成物。半纤维素还以-葡聚糖及少量的糖醛酸的形式存在干谷皮中；而胚乳半纤维素主要含有-葡聚糖及少量戊聚糖，不含糖醛酸。 半纤维素分解酶包括一系列-葡聚糖和戊聚糖的酶。某些

23、半纤维素分解酶的分类酶的名称最适作用条件内-葡聚糖酶pH4.5-4.8，温度：40-45，55以上很快失活外-葡聚糖酶pH4.5，温度40，40以上很快失活纤维二糖酶pH4.6-5.0昆布二糖酶pH5.0，温度37，55以上很快失活内-木聚糖酶pH5.5，温度：45外-木聚糖酶pH5.5，温度：45木二糖酶阿拉伯糖苷酶pH4.6-4.7，温度40 pH5.5，温度：45-50，60以上很快失活分解半纤维素的主要微生物细菌基质芽孢杆菌（Bacillus）甘露聚糖、半乳甘露聚糖、木聚糖食纤维粘菌（CytopHaga）半乳聚糖欧氏杆菌属（Frwinia）木聚糖假单孢菌（Psudomomnas）木聚糖

24、链霉菌（Streptomyces）甘露聚糖、木聚糖真菌变链孢菌属（Alternaria）阿拉伯木聚糖、木聚糖曲霉菌（Aspergillus）阿拉伯树胶、阿拉伯木聚糖毛壳酶属（Chaetomium）阿拉伯木聚糖镰刀菌属（Fuzarium）阿拉伯树胶、阿拉伯木聚糖(Glomerrella)木聚糖青霉菌属（Penicillium）阿拉伯树胶、甘露聚糖木酶属（Trichoderma）阿拉伯树胶、阿拉伯木聚糖（五）果胶质的降解 果胶酶为三类： 1、果胶酯酶： 2、果胶水解酶：有两种类型 A 如果分解果胶质比果胶酸快，称为聚甲基半乳糖醛酸酶。 B 如果水解果胶酸比果胶质快。称为聚半乳糖醛酸酶。 3、果胶裂

25、解酶： A 分解果胶比果胶酸快的称为果胶裂解酶 B 分解果胶酸比果胶快的称为果胶酸裂解酶。 （六）木质素及芳香族物质的分解 （七）类脂化合物的降解 二、代谢产物形成阶段定义：有微生物在好氧及厌氧、高温或低温条件下，在前期或后期将原料降解成产物的同时记忆不转化，形成各种代谢产物的过程。形成的代谢产物（一）有机酸类（二）醇类（三）酯类（四）醛类（五）芳香族化合物（六）脂肪酸（七）氨基酸（八）核苷酸（一）有机酸类1、甲酸（HCOOH） 2、醋酸（CH3COOH） 3、丙酸 4、乳酸 5、葡萄糖酸CH2OH（CHOH）4COOH 6、丁酸（CH3CH2CH2COOH） 7、7.戊酸 CH3（CH2）3

26、COOH 8、其它有机酸类 C6H12O6（葡萄糖） EMP通路 2H 2CH3COCOOH(丙酮酸) 2H CO2 CH3CHOHCOCH3 CH3CHOHCHOHCH3 CO2 HCOOH （2，3丁二醇） （甲酸） 甲酸及2-3-丁二醇形成概貌 1、甲酸（HCOOH）6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮21，3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸22-磷酸甘油酸2磷酸烯醇丙酮酸2丙酮酸第一阶段第二阶段第三阶段葡萄糖葡萄糖的磷酸化磷酸己糖的裂解丙酮酸和ATP的生成2ATP2ATPEMP途径化学计量和生物学意义总反应式: C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi

27、 2C3H4O3 +2NADH +2H+2ATP+2H2O生物学意义是葡萄糖通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的能量；形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架；为糖异生提供基本途径。能量计算：氧化一分子葡萄糖净生成 2ATP 2NADH 6ATP 或 4ATP 2、醋酸（CH3COOH） （1）在醋酸杆菌的代谢中按照下列通式由乙醇氧化产生醋酸 CH3CH2OH+O2 CH3COOH+H2O+4.67 KJ热量 （2）短乳酸菌的异型乳酸发酵产生醋酸 （3）双岐乳杆菌的乳酸发酵中产生醋酸 2C6H12O6+5ADP 2CH3CHOH-COOH+CH3COOH+5ATP 葡萄糖 乳酸

28、醋酸 乙酸3醋酸 3、丙酸（CH3COOH） 丙酸是一种重要的产生口味的成分，形成过程：3葡萄糖丙酮酸丙酮酸丙酸醋酸4、乳酸 乳酸发酵从它的生化机制上可以分为两类：（1）正型乳酸发酵 C6H12O6+2ADP 2CH3CHOCOOH+2ATP （2）异型乳酸发酵 C6H12O6+2ADP CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2+ATP 有一些微生物也可以分解其它有机酸为乳酸如许多种细菌，其中也包括乳酸菌也能将苹果酸分解为乳酸和CO2等。葡萄糖 2ATP 2ADP1,6二磷酸果糖 3磷酸甘油醛 磷二羟丙酮 2NAD 2NADH2 二磷酸甘油酸 4ADP 4ATP 2丙酮酸 2ATP 2乳酸 图2-9 HDP（EMP）途径 葡萄糖 ATP ADP 6磷酸葡萄糖 2NAD+ CO2 2NADH25磷酸木酮糖 3-磷酸甘油醛 已酰磷酸 COA Pi 丙酮酸 已酰C0A NADH2 COA NAD+ 乳酸 乙醛 NADH2 NAD+ 乙醇明串珠菌的异型乳酸发酵降解葡萄糖过程 （二）醇类1、甲醇（CH3OH）2、乙醇（CH3CH2OH）3、甘油（CH3OHCHOHCH2OH ）4、2，3丁二醇（CH3OHCHOHCHOHCH3