发酵加工技术(培训课件)

发酵加工技术

(FermentationTechnology)食品科学系陈淑德发酵的演进人类利用微生物进行自然发酵来酿酒、制醋已数千年的自然发酵。依微生物培养过程需氧与否，决定其为在厌氧环境或为好氧环境下培养。厌氧发酵采用不通气的深层培养。好氧发酵可分为液体表面发酵(浅盆)、通气固态发酵和通气液态发酵(又称深层发酵)。近代的纯种液体深层发酵技术是借助微生物的发酵作用，可大量生成和累积特定代谢产物的过程。

发酵工程在食品工业之应用发酵的相关产业发酵技术和微生物的遗传育种有关，此可利用基因工程选育出性能优良的基因工程转殖菌进行发酵代谢。发酵技术和发酵槽的设计、放大、发酵参数的最适化控制及发酵产品的分离纯化均相关。发酵产品包括抗菌素及其他药物、制造啤酒、蛋白质资源、胺基酸、酵素、食用胶、天然色素、核甘酸及维生素等食品和化工产品。发酵工业应包括微生物学、生物化学和化学工程。

生化制程seedfermentershakeflaskstockculturerawmaterialsmediumformulationsterilizationrecoverypurificationfermenterairproducts生物生产过程的上、中、下游技术

主要目标所运用技术上游选殖优良菌株与基因基因工程、蛋白质工程、代谢工程技术中游前段摇瓶发酵培养基配制与灭菌、菌体接种、液态发酵及最适化条件探讨、控制系统后段生物反应器量化下游产物分离纯化分离技术：真空过滤、离心分离纯化技术：吸附、萃取、离子交换工业用发酵槽机械搅拌式发酵槽气举式发酵槽流动床生物反应器批式搅拌式反应器(batchstirredreactor)气举式发酵槽深层发酵的操作方式批式操作(batchoperation):发酵前即将培养液以一次添加，而在发酵期间内并不再添加任何培养液，为一不连续式的培养法。馈料批式操作(fed-batchoperation):指在发酵期间内于不同的时间分次添加培养液以供微生物生长代谢之所需。它不会出现某种培养液成分的浓度过高而影响菌体生长和代谢产物的生成速率。故其要点为控制基质浓度，注意要加什么及如何加入。连续式操作(continuousoperation):发酵在动态平衡，发酵液持续注入，而产物也不断移除。操作方法有CSTR和PFR两种。连续式发酵槽操作全混流反应器(CSTR)平推流反应器(PFR)全混流反应器(CSTR)平推流反应器(PFR)CSTR恒定状态的连续操作方法Chemostat(恒化器法):指在连续培养过程中，基质加入的速度恒定，以调节微生物细胞的生长速率和恒定流量相适应的方法。Turbidstat(恒浊器法):指预先规定细胞浓度，通过基质流量控制，以适应细胞既定浓度的方法。Nutristat(营养物恒定法):指通过加入一定成分，使培养基中的营养成分恒定的方法。固定化微生物器的连续操作特点微生物固定在载体上，不受操作上的冲出现象所限，加入基质的流量可较大些。可避免微生在连续反应中的污染问题。固定化微生物的反应速率会受基质传递。菌种变种和污染的可能性。酦酵槽控制组件发酵槽之基本设计调节版(Baffles):在容器壁上额外的调节版可藉增加搅拌培养液的紊流程以改善氧气的传输速度。消泡控制(Antifoamcontrol):培养基的搅拌与通气通常会导致过量的气泡(foaming)，可利用简单的探针置于培养液上来侦测发泡之情形，当气泡达至探针时，经由电子回路系统启动唧筒供应消泡剂。酸碱度控制(pHcontrol):多数微生物的代谢会导致培养液的酸碱度之变化。一般实际连续侦测发酵槽中pH值是利用酸碱度探针(pHprobe)浸于培养液中直接测定，再利用加入酸或碱来维持固定之pH值。温度控制(Temperaturecontrol):当微生物代谢会产生热，此热量经由夹层或线圈使冷却水循环来恒定发酵温度。额外出入口(Additional):额外出入口主要用于额外接种源及馈料所添加培养基或取样分析时所需求。影响发酵操作对产物生成之物理控制因子

搅拌速度:搅拌速率会影响搅拌叶片所产生的剪切力大小。接种量:接种时种菌的型态大小及当时的物理状态都会影响菌体在发酵槽内的生长型态。通气量:氧气为菌体生长发酵之必须营养基质，亦是代谢反应之调控者，氧气供给对菌体生长、菌体型态、营养基质传递、代谢产物生合成皆有重要影响。发酵槽种类:较常用之发酵槽为搅拌式与气举式，主要差异在于搅拌原理之不同。操作方式:(批式、馈料批式和连续式)影响发酵操作对产物生成之化学控制因子培养基组成:不同种类之碳源或氮源之添加可造成不同的菌体型态，可利用添加矿物质可使菌丝体形成羽毛状型态，增加质传并利于代谢产物生产。pH值:培养基pH值对于球状菌丝体形成与否扮演重要角色，此外还会影响代谢物之生成。氧气:通常以氧气传递系数和好气性菌体培养最为有关。以氧气传递系数(KLa)为放大依据之变量。二氧化碳浓度:二氧化碳为嗜氧菌丝体行呼吸作用的代谢产物，二氧化碳的浓度会影响菌丝体的生合成。界面性剂的添加:非离子性界面活性剂的亲水团是由氢氧基所构成，因而会导致菌丝呈分离状态。发酵生产单细胞蛋白质

单细胞蛋白质(singlecellprotein,SCP)指酵母、细菌、真菌等微生物蛋白质资源，也可以微生物质量(biomass)来得知蛋白质产量。(微生物菌体的蛋白质含量约占42%-75%(干基计)。此亦可应用各种物理、化学和生物学诱变方法或采用基因重组技术对SCP生产菌进行遗传性的改良以获得优质、高产突变株。其所用的SCP生产原料包括矿物资源、纤维素类(蔗渣、农副产品加工废渣、造纸工厂废水及木质素水解产物)资源、糖类(淀粉、糖蜜或石油二次制品，投资少可连续生产。SCP发酵技术SCP发酵技术:在实验室中确定最佳的发酵技术条件并考虑经济因素对设计的技术进行了放大之后，便可设置实际技术参数。发酵技术参数的决定主要是靠发酵槽单位体积的生产率和SCP产品的质量。要监控发酵培养基、pH值、空气通气量、液体流动速率、热分散速率，并要联接的个自动分析系统，像游离核甘酸、脂质、有机酸的含量、生物量、温度、氧气消耗、二氧化碳的产生量、粘度和表面张力等以控制发酵制程。

SCP的分离、萃取技术破除SCP生产菌体细胞壁和降低SCP产品的RNA量。利用化学法(碱)、酵素法(胞内的β-葡聚糖酵素或外加的纤维素酵素)和机械法(采高压均质法、球研磨法、超音波碎法、冷冻-解冻交替处理)以破除SCP生产菌体细胞壁。再用碱萃取其中的蛋白质，再经脱除核酸处理进行滚筒干燥。

SCP的功能特性提供蛋白质的营养需求。应用其胶凝性、水合性和乳化性。高活性干酵母可供应面包或酿酒的发酵剂。

螺旋藻的培养生产及其应用

为光合作用微生物可作为一种潜在的食品资源和废水处理剂。藻类在有阳光和二氧化碳下可进行光合作并生长，易富含蛋白质。螺旋藻的成分具有蛋白质垥量高、碳水化合物含量多、脂肪和胆固醇含量低的优点并含有多种维生素、植物色素和微量元素称为二十一世纪的食品。在废水处理中的应用因有些废水含氮量很高且碳、氮、磷比例不适合细菌生长较难净化，但郄适合螺旋藻的生长，并可得蛋白质。螺旋藻的发酵培养条件pH在9左右。温度在35-37oC。氮源可利无机氮源或铵盐和尿素。光照(太阳光、荧光灯)，且螺旋藻的生长会受光强度和光质影响。搅拌可增加溶氧量但太快剪切力会影响菌体的生长，约控制在300rpm。通风控制在100-150L/h以使光合作用和呼吸作用良好。

螺旋藻的分离方法有三步骤即为初级分离、次级分离(脱水)第三级分离(干燥)。初级分离有过滤法、离心法和絮凝法利用明矾、石灰等使藻类悬浮凝聚。次级分离使用离心法、重力过滤和沙床过滤。干燥则可使用滚筒干燥或日晒干燥。

发酵法生产的食用胶(以黄原胶为例)及应用黄原胶是黄单孢杆菌发酵产生细胞外杂多醣(1969FDA批准作为食品添加剂)。因其有强亲水性、增稠性、对热、酸、碱和酵素的稳定性、良好的悬浮性和乳化性可作为食品工业的稳定剂、乳化剂和增稠剂。像作为耐酸、耐盐的增稠稳定剂，或用于饮料的乳化剂，用典糕点、糖果的高粘度填充剂、用于肉品以提高保水性或可用水果的保鲜等。

黄原胶发酵温度控制在24-27oC，而最适产的黄原胶为30-33oC。pH则控制在6.5-7.5。搅拌速度和搅拌强度会影响溶氧量和发酵基质的传递为解决高粘度发酵过程的供氧设备可用气举式发酵槽或提高通风量或充入高浓度氧的空气或加入活性氧释放剂等。黄原胶发酵液的胶浓度不高在2.5%，但粘度却在5-8Pas。黄原胶的加工包括发酵液预处理，胶的分离纯化、脱水干燥、粉碎和包装。预处理有三种方法:(1)物理方法，采用热处理(98.9oC,三分钟)将菌体细胞及蛋白质等有机残留物变性凝集以过滤除去杂质。

(2)化学方法可利用加盐絮凝颗粒或用硅藻士吸附杂质颗粒或用次氯酸盐漂白处理或用甲醛处理增加产品的分散性和提高粘度。

(3)生物方法则采酵素(碱性蛋白酵素)以解细胞成为可溶性物质或碎片，容易过滤或澄清。胶的分离纯化可利用直接干燥法—工业上常用滚筒干燥法或喷雾干燥，此法为技术简单、操作方便、成本低但不能除去色素和部分培养基中的有机物和无机物等杂质。另一方面可利用沉淀分离萃取法，利用醇沉淀法和盐析沉淀法将多醣沉淀析出。而沉淀分离得的黄原胶产物因含大量水和溶剂可先进行压榨或离心脱水处理，最后采真空干燥(60oC)至最终产品的水分在10%，然后再粉碎包装。

发酵法生产食用色素(以红曲色素为例)红曲霉菌不仅可生产红曲色素。可作为防腐发色剂具有抑菌作用可替代亚硝酸盐作发色剂。生产麦角固醇预防佝偻病。

红曲的固体发酵红曲固体发酵法的技术为大米

浸洗

沥干

蒸料

冷却

接种

堆积升温

上花培养(红曲霉充分生长使菌丝布满整个米粒表面，集结成较厚的菌俗称上花)

浸水

透心培养

出曲(至此全程约127小时)

晒干

成品。红曲的液体发酵和色素生产大规模工业化生产为液体深层发酵法，其技术为将菌置种槽培养(33oC,29-30h)

发酵槽培养(33oC,70-80h)可采气举式发酵槽以提供氧气并使剪切力