食品工艺学 第六章 食品的发酵

食品工艺学

第六章食品的发酵下篇

各类食品加工工艺

学习目标知识目标：1.理解食品发酵的概念。2.理解发酵过程中微生物的作用。3.掌握食品发酵的基本工艺能力目标：1.能够准确描绘微生物在食品发酵中的主要代谢途径及其发酵类型。2.能够根据相关资料，选取合适的发酵工艺进行相应的工艺控制。3.能够掌握食品发酵主要设备的特点。素养目标：1.充分认识传统食品发酵知识的传承与创新的意义。2.培养理论联系实际的能力。3.培养安全意识和环保意识。知识导图问题导读1.试分析食品微生物主要发酵类型。2.简述食品发酵过程的特点。3.试分析各类发酵食品的特点。4.试分析液态发酵和固态发酵工艺过程。关键词食品发酵发酵特点方便种类发酵生化机理发酵类型发酵过程控制章节目录第一节概述第二节食品发酵原理第三节食品发酵生产的过程控制第一节概述一、食品发酵现象二、食品发酵的基本概念三、食品发酵的特点四、食品发酵的主要种类食品发酵现象图6-1典型的发酵过程示意图食品发酵的基本概念图6-2著名微生物学开拓者食品发酵的特点发酵是一个非常复杂的生物过程，需要无懈可击的卫生措施和严格精密的条件控制，以确保发酵所需的微生物能够不受其他有害微生物的影响，并且满足人类的生产要求，随着科技水平的快速提升，发酵工程技术也得到了不断发展。食品发酵的主要种类酒类调味品食品添加剂发酵乳制品发酵豆类制品发酵果蔬制品发酵肉制品发酵茶12第二节食品发酵原理一、食品发酵过程的生化机理二、食物主要大分子物质的微生物利用及转化三、食品微生物的主要代谢途径及发酵类型食品发酵过程的生化机理图6-3微生物新陈代谢类型食物主要大分子物质的微生物利用及转化表6-1常见淀粉酶的种类及分解产物图6-4脂肪酸降解的β氧化途径食品微生物的主要代谢途径及发酵类型表6-2微生物EMP途径发酵16第三节食品发酵生产的过程控制一、发酵的基本工艺过程二、微生物发酵动力学三、液态发酵及其工艺控制四、固态发酵及其工艺控制五、发酵过程的主要设备一、发酵的基本工艺过程调味品酒制品发酵豆制品发酵乳制品发酵果蔬制品发酵茶其他发酵食品发酵肉制品

腐乳是由大豆蛋白经多种微生物协同发酵制成，富含植物蛋白质、脂肪、碳水化合物等多种营养素以及风味二肽、三肽。著名的腐乳：北京王致和腐乳、上海鼎丰精致玫瑰腐乳、桂林花桥腐乳、克东腐乳等。

1. 发酵豆制品发酵的基本工艺过程

大豆克东腐乳1. 发酵豆制品发酵的基本工艺过程

腐乳的生产工艺流程主要包括：原辅材料的选择、豆腐坯的制作、前期培菌和后期发酵四个过程。

红腐乳的生产工艺流程如图6-5所示。发酵乳制品是指将牛乳或羊乳作为原料，经过杀菌、发酵后制作出的乳产品，包括酸乳、发酵酪乳、酸奶油等多种产品。发酵乳可分为嗜热菌发酵乳和嗜温菌发酵乳（图6-6）。凝固型酸乳的生产工艺主要集中在原料乳和配料的选择、菌种的接种和发酵、冷藏后熟几个阶段（图6-7）。2. 发酵乳制品发酵的基本工艺过程优酸乳鲜酪乳酸奶油2. 发酵乳制品发酵的基本工艺过程

原料乳中蛋白质会对酸乳的风味、硬度、黏稠度产生影响，在酸乳中加入明胶和果胶能够提高非脂乳的稳定性，避免乳清分离。发酵的终点是凝固型酸乳加工的重点，也是控制产品质量的关键，其判断方法是在发酵2h后进行抽样观察凝乳状态，如果已经凝结立即测量其酸度，当酸度达到70～90°T时，发酵就可以结束。2. 发酵乳制品发酵的基本工艺过程根据制作工艺，食醋可分为酿造醋和人工合成醋；按原料处理方式可分为生料醋和熟料醋。目前关于食醋的酿造工艺主要包括固态法发酵食醋生产工艺和液态法发酵食醋生产工艺（图6-8、图6-9、图6-10）。3. 发酵醋天津独流老醋山东淄博玉兔米醋北京龙门米醋福建永春老醋广东甜醋山西老陈醋江苏镇江香醋3. 发酵醋3. 发酵醋4. 发酵酒制品白酒、黄酒、啤酒等酒精饮品因原料、发酵工艺的不同，其风味和口感大有差异黄酒作为我国古老的传统民间发酵食品，是以稻米等谷物为原料，经蒸馏后加酒药糖化发酵作用酿造而成的低酒精含量的发酵原酒，其酒精含量为8%～16%。发酵的基本工艺过程白酒黄酒啤酒黄酒的酿造工艺主要包括了酒曲的生产、酒母的生产、黄酒的发酵、黄酒醅的压滤、澄清、煎酒和储存。按照生产工艺，黄酒可分为淋饭酒（绍兴黄酒）、摊饭酒（浙江黄酒）、喂饭酒三种（图6-11、图6-12）。4. 酒制品发酵的基本工艺过程白酒是我国传统的蒸馏酒，生产工艺独特，品种丰富。按采用的曲种分类可分为大曲白酒、小曲白酒、麸曲白酒；按照白酒的香型分类可分为清香型白酒、浓香型白酒、酱香型白酒、米香型白酒和其他香型白酒；按照生产工艺分类可分为固态发酵白酒和液态发酵白酒。酱香酒的传统酿造工艺以优质的糯高粱为原料，用小麦制成的高温大曲为糖化发酵剂，前两次投料并高温堆积，采用条石筑的窖池进行发酵，经过一年的9次蒸煮、8次发酵、7次取酒，长时间贮存后勾兑而成。发酵的基本工艺过程5. 发酵果蔬制品发酵果蔬制品通常是指那些在相对密闭的容器中经过一定时间的微生物发酵而制作成的蔬菜制品，主要以泡菜和酸菜为主。蔬菜发酵的主要工艺流程见图6-13。目前发酵蔬菜制品面临着加工技术水低下、产品种类单一、产业化程度低以及加工安全等问题，这仍需要进一步探索和研究。发酵的基本工艺过程5. 发酵果蔬制品对于目前酸菜发酵的形式，应当做到如下：①重视原料品种的选择，严格把好质量关；②酸菜发酵工艺需要进一步改进和完善；③规范酸菜生产过程，提高食品安全意识，加大监督检查力度；④重视酸菜综合利用率，保护环境，提高效益。发酵的基本工艺过程6. 发酵肉制品发酵香肠是指将绞碎的肉和动物脂肪以及糖、盐、发酵剂和香辛料等混合后灌进肠衣，经过微生物发酵而制成的具有稳定的微生物特性和典型的发酵香味的肉制品。在发酵过程中，乳酸菌发酵的碳水化合物形成了乳酸，使香肠的最终pH下降到4.5～5.5之间，这一阶段的pH使得肉中的盐溶性蛋白质变性，形成了具有切片性的凝胶结构，并且较低的pH值能够保证产品的稳定性和安全性。发酵的基本工艺过程6. 发酵肉制品

发酵香肠的加工工艺主要包括肉馅的制备和填充、菌种的接种、发酵、干燥和成熟几个步骤（图6-14）。发酵的基本工艺过程7. 发酵茶

发酵茶是指在茶叶制作中有“发酵”这一工序的茶的统称，茶树芽叶经过萎凋、揉切、发酵、干燥等初制工序制成毛茶后，再经精制制成的茶，就是发酵茶。根据发酵的程度可分为轻发酵茶、半发酵茶、全发酵茶、后发酵茶。轻发酵茶主要是指不经过发酵的茶，这种茶以绿茶为代表；半发酵茶是指在制作过程中将茶叶中的叶绿素破坏掉，发酵程度在20%～70%之间的茶，以铁观音和武夷岩茶为代表。全发酵茶是指百分百发酵的茶叶，在冲泡后会显示出鲜明的红色或深红色，称为红茶。作为后发酵茶的典型代表，黑茶的茶叶经杀青、揉捻后还需进行渥堆。渥堆是黑茶生产的关键工序，茶叶经揉捻后不解块便保温保湿开始堆放。在这一过程中大量微生物参与茶叶内含成分的转化，形成黑茶独有的醇厚顺滑的口感特征以及减肥降三高等功效。发酵的基本工艺过程西湖龙井

铁观音

武夷岩茶正山小种安化黑茶碧螺春祁门红茶8. 其他发酵食品

发酵面食是我国半数人口的主要营养源，备受国人关注。

面包作为发酵面食的代表，在发酵过程中主要包括原辅料的选择、酵母菌的选择、发酵、整形、烘烤等重要步骤。面团调制需要控制加水量、温度、酵母溶解率、原辅料的比例，除此之外面团搅拌过程也非常重要，这些步骤的错误都会造成面包发酵后成品出现问题。面包的发酵过程如图6-15所示。发酵的基本工艺过程二、微生物发酵动力学1. 发酵动力学的概念和研究目的

食品的微生物发酵动力学是对食品发酵微生物生长、发酵产物合成、底物消耗动态过程的定量描述及相互之间的定量关系研究。

食品的发酵动力学研究目的：一是认识微生物发酵过程的动态变化规律，并建立相应的发酵动力学的数学模型；二是优化微生物发酵工艺条件确定其最优发酵过程参数；三是提高发酵产量、发酵生产强度以及底物转化率。

1. 发酵动力学的概念和研究目的

一般来讲，提高发酵食品的产量涉及高产菌株选育，发酵过程优化与控制，以及发酵罐规模化放大等多个方面。其中，发酵过程优化与控制就需要通过发酵动力学研究，了解微生物发酵动力学参数及其主要影响因素，然后对这些因素实施有效控制，从而优化发酵过程，提高发酵食品（发酵产物）的产量。在食品发酵工业中，发酵生产强度（也称发酵生产率）是衡量发酵水平的重要指标，即单位时间内单位发酵体积中发酵产物的产量。发酵生产率的提高需要通过对发酵过程的动力学研究来实现。通过提高发酵食品的产量和底物转化率，就可以显著提高发酵水平，降低发酵成本。2. 发酵动力学参数及其数学模型（1）发酵动力学参数发酵动力学参数包括微生物本征动力学参数和表观动力学特征参数。微生物本征动力学参数是指在特定培养条件下某种微生物所特有的生长、产物合成、基质消耗等代谢过程变化的特征参数，不同的微生物其本征动力学参数大小不一样，即使是同一种微生物在不同的培养条件下其本征动力学参数大小也不一样。微生物表观动力学参数是指该微生物群体在发酵体系中生长、产物合成、底物消耗等所表现出来的宏观动力学特征参数，也称之为宏观动力学参数。2. 发酵动力学参数及其数学模型（2）发酵动力学的数学模型

定量描述是实现工程化的重要方面，通过测定发酵过程中各种参数的变化，尤其是微生物表观动力学参数，依据这些参数，并运用质量守恒定律，建立包含有微生物细胞生长、产物合成及底物消耗的动态定量关系的数学模型，可根据该模型求解微生物的本征动力学特征参数，也可根据该模型优化发酵过程，确定最优发酵条件等。3. 分批发酵动力学微生物分批发酵动力学主要是研究微生物在分批发酵过程中细胞生长动力学、基质消耗动力学及产物合成动力学及其之间的动态定量关系。（1）微生物生长动力学曲线

在生长过程中，微生物通过代谢活动将部分营养物质转变成微生物细胞构成的物质，表现出微生物细胞体积的增大。当生长到一定阶段，微生物细胞开始分裂、增殖，表现出细胞数量的增多。所以，微生物生长是指细胞体积的增加和细胞数目的增多。

分批发酵是指一次性投料、接种直到发酵结束，发酵液始终留在发酵罐内。在食品发酵工业中，比如酸奶等的发酵。因此，分批发酵过程属于典型的非稳态过程。

在发酵初期，接入微生物细胞，随着该细胞对培养环境的适应和生长，基质将逐渐被消耗，代谢产物不断积累。分批发酵过程中，微生物生长通常要经历延滞期、对数生长期、衰减期、稳定期（静止期）和衰亡期五个时期，如图6-16所示。延滞期指微生物在接种后一段时间内并未增殖，细胞数量几乎保持不变的一段时期。延滞期长短主要取决于菌种质量、接种量以及培养基营养成分的特性和浓度。

对数生长期（又称指数生长期）指微生物在分批发酵过程中的第二个阶段，微生物生长速率快速增加，逐渐达到最大值的时期。微生物经过一段时间发酵培养后，微生物生长速率会出现衰减，即微生物生长进入了衰减期，当微生物净生长速率降至零时，表明微生物进入了稳定期。衰亡期是指微生物在分批发酵中，由于发酵液中营养物质大量耗尽，对生长有害的代谢物在发酵液中大量积累的时期，出现微生物死亡、自溶，总细胞数呈负增长。单细胞微生物的典型生长曲线

（2）果酒和果醋发酵动力学模型果酒发酵动力学模型，用于研究果酒发酵过程中菌体生长、基质消耗及产物生成的变化规律，应用Logistic模型方程建立酵母菌数量变化、酒精度变化的动力学模型，用Boltzmann模型建立总糖含量变化的发酵动力学模型，并进行模拟。通过动力学模型的建立，计算试验值与预测值之间的拟合度相关性系数（R2）。R2越接近于1，模型的试验值和预测值的拟合度越好，越能反映果酒和果醋在发酵过程中的动力学特征。① 酵母菌生长动力学模型典型的酵母菌果酒发酵生长曲线呈“S”形，可以用Logistic模型应用于果酒发酵过程进行模拟，Logistic方程是用来表现菌体生长与营养底物之间的非线性关系的经验方程。Logistic方程如下。④

果醋发酵动力学模型

在酒精发酵完成后，醋酸菌将酒精氧化成为醋酸，该过程称为醋酸发酵。以果酒为发酵底物，加入果醋菌进行醋酸发酵，可以获得果醋。对其发酵过程中的醋酸菌生长量、醋酸含量及酒精含量进行测定，并建立果醋发酵动力学模型。同样可以采用上述Boltzmann模型建立果醋菌生长量、醋酸生成量的动力学模型，采用上述Logistic方程建立酒精消耗动力学模型。② 底物总糖消耗动力学模型在果酒的发酵过程中，总糖的消耗模型包括底物消耗以维持细胞呼吸新陈代谢作用、供给菌体生长、形成产物3个部分。通过物料平衡，利用Boltzmann模型建立方程如下。③ 产物酒精生成动力学模型不同时间的酒精度含量数据，用Origin软件进行非线性拟合，得到果酒生产中产物生成动力学模型。三、液态发酵及其工艺控制1、酒类在采用摊饭法发酵时应注意不要将发酵缸中的温度升到太高，以免发生“烫酿”现象。同时温度太高会导致酵母菌的早衰，使酵母菌的发酵能力大大降低。在采用喂饭法发酵工艺时，要注意控制发酵缸中糖的浓度，并保证发酵缸中有充足的空气，促使酵母菌能够迅速繁殖。且研究发现喂饭次数控制在三次时可以达到理想的发酵效果，大米原料投料比例约为1∶3，第一次投料比例为18%，第二次投料比为28%，第三次投料比为54%，随着喂饭用量的增加，发酵效果和酒质都能得到很好的改善。三、液态发酵及其工艺控制2、乳制品类

乳制品，尤其酸乳加工过程中的工艺控制主要集中在解决凝固性差、乳清析出、风味不良三个方面。乳品中，通常会有一定的抗生素和防腐剂，这些物质的存在会影响乳酸菌的正常生长，同时发酵温度和时间不合适，噬菌体的污染以及发酵剂活力和加糖量均会导致酸乳凝固性的变化。乳清析出主要是由于原料乳热处理不当、发酵时间过短或过长以及总干物质含量低、钙盐含量不足、含有大量添加剂等其他因素造成。因此，为解决凝固性差的问题，首先要选取质量较好的原料，其次优化出酸乳最优的发酵工艺，接着经常对发酵剂进行更换或选择两种以上的菌种减少噬菌体的危害。三、液态发酵及其工艺控制3、液态发酵食醋

液态发酵食醋生产工艺可分为液体回流法发酵和液态深层法发酵。

液态回流法发酵生产食醋一般选用白酒为原料，操作要点是将酸度为9%～9.5%的醋液分流出一部分作为循环醋液，加入白酒、酵母液和热水混合均匀，使混合液酸度为7.0%～7.2%，酒精浓度为2.2～2.5为宜，之后进入速酿塔进行发酵。每天用玻璃喷淋管每隔一小时喷淋一次，夜间停止，加速醋酸菌繁殖。从塔底流出的液体为半成品醋液，兑水稀释后形成食醋。而液态深层法发酵的生产工作要点主要集中在大米原料的液化和糖化、酒精发酵过程以及醋酸发酵过程中。酒精发酵部分要尽量采用多菌种共同发酵，目的是使酒醪中不挥发性酸、香味成分增加，同时延长酒精发酵时间，使液体澄清，改善风味。为改善液体发酵醋的风味，在醋酸发酵过程中可采用熏醅方式进行增香、增色。四、固态发酵工艺及其控制1、

发酵豆制品

红腐乳发酵过程中红曲卤汤的配置起到了至关重要的作用，其中酒酿卤、黄酒和高粱酒作为腐乳发酵的主要配料，对腐乳形成特色风味起到了重要作用。在腐乳后期发酵中加入酒精主要作用为：①抑制微生物的繁殖和杂菌的感染；②使蛋白酶作用速度变缓，形成腐乳特有的香气和滋味；③防止蛋白质水解过快发生腐烂；④酒精作为合成脂类等芳香物质的基础，对形成腐乳的独特风味起到了至关重要的作用。因此，研究发现在装瓶时，酒精含量应控制在12%左右，如果用黄酒或高度高粱酒勾兑，酒精含量应控制在11%～12%最佳。同时腐乳发酵生产过程中，制坯工段原料蛋白质利用率不高，豆腐坯质量较差，前期培菌操作不当会引起“红色斑点”“黄衣”，毛坯黏稠等现象；后期发酵中常出现腐乳褐变、产生结晶状物质等问题，仍需研究探讨。

四、固态发酵工艺及其控制2固态发酵食醋

固态法发酵生产食醋的工作要点：①原料的选择和配比应根据不同地域及饮食习惯进行优化；②原料处理完成后，在糖化以及酒精发酵过程中要注意在倒醅过程中醅温不能超过40℃，大约到了第五天，醅温下降到33～35℃，此时糖化和发酵完成；③在醋酸发酵过程中，醅温始终保持在39～41℃，不能高于42℃，每天进行一次倒醅并对醋酸含量进行测定，一旦醅温低于38℃，醋酸发酵步骤完成；④醋酸发酵完成后需要迅速加盐，静置2天进入后熟阶段。四、固态发酵工艺及其控制3发酵果蔬制品

酸菜在生产过程中首先要注意原料的选择，一般在东北为大白菜为主，也有少数选取甘蓝为发酵原料。在发酵方式方面，我国东北地区多采用自然发酵法制作酸菜，这种发酵方式的主要作用微生物为乳酸菌。目前工业上为降低成本，并不选取热烫方式处理，但在民间会泡菜生产涉及泡菜容器的选择、泡菜盐水种类的选择、原料预处理、入坛泡制、泡制期的管理等步骤。首先泡菜坛子的好坏对泡菜质量的影响巨大，优质的泡菜坛需具有外表釉质好、无裂纹、无砂眼、内壁光滑和手敲音质清脆的特点。经过热烫后进行腌制。其中也在加工酸菜过程中控制盐分含量低于3%，而且他们在制作过程中往往是一层白菜上铺一层盐，使酸菜更加新鲜和健康。四、固态发酵工艺及其控制3发酵果蔬制品

接着泡菜盐水的配置，盐水分为新盐水和老盐水，新盐水是指每次泡制前新配置的盐水，老盐水是指使用两年后的泡菜盐水，两种盐水按1∶1混合后形成混合盐水。原料预处理后进行装坛泡制，泡制期间最常见的问题是盐水长霉，这种霉主要是酒花酵母菌，具有极强的抗盐和抗酸性，能够分解乳酸、降低制品的酸度，造成泡菜组织的软化。如果不及时处理，会促进有害微生物的繁殖，造成泡菜的裂变。并且泡菜的发酵必须满足乳酸菌最大限度地厌氧生长，发酵好的泡菜乳酸含量大致为0.4%～0.8%，食盐含量为2%～4%，同时还具有80%以上的水分。四、固态发酵工艺及其控制4发酵肉制品

香肠在发酵过程中主要包括肉馅的制备和填充、接种霉菌或酵母菌，以及发酵过程中的工作要点。在肉馅的制备和填充过程中，一方面要保证香肠在干燥过程中易于失去水分，另一方面要保证肉馅具有较高的脂肪含量。

在接种霉菌和酵母菌的过程中，一般选择的霉菌发酵剂为其冻干孢子的悬浮液，而酵母菌发酵剂选择冻干细胞。

对于香肠而言，干燥是一个时间比较长的阶段。这一过程时间的长短，主要取决于香肠直径的大小，最适干燥温度为12～15℃。在实际生产过程中，通常采取在初始阶段使用较高温度，随着干燥的进行，温度逐渐降低的办法。五、发酵过程的主要设备1发酵豆制品

腐乳的生产设备按发酵步骤分类可分为制作腐乳坯设备、腐乳前期培菌设备和后期发酵设备。在乳坯制作阶段，需要用到大豆筛选设备、大豆输送设备、大豆浸泡设备、磨浆设备、浆渣分离设备、煮浆设备、点浆工具和设备以及压榨设备八部分；在腐乳前期培菌过程中需要用到划块工具和设备、微生物接种设备、前期培菌设备三部分；在后期发酵阶段主要用到了推车、腌制设备、磨红米设备、染色盘、出酒桶、卤汤桶、清理设备以及其他配套设备。大豆浸泡设备磨浆设备点浆工具腌制设备五、发酵过程的主要设备2发酵乳制品

发酵乳在加工过程中主要用到了制冷罐、双重过滤设备、预热罐、均质机、灭菌器、预冷罐、发酵罐、冷藏箱以及灌装机等设备。制冷罐主要为了防止生奶发生变质，双重过滤设备能够过滤杂质，均质机通过将牛奶中的蛋白质和脂肪球磨粉，使牛奶细腻，灭菌器能够对牛奶进行高温杀菌，杀灭有害菌。制冷罐双重