食品生物技術--發(fā)酵

1、第一章第一章 發(fā)酵工程發(fā)酵工程1發(fā)酵工程發(fā)酵工程發(fā)酵工程：是生物技術的重要組成部分，它將微生物學、生物化學和食品工程的基本原理有機地結合起來，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術、由于是以培養(yǎng)微生物為主，所以又稱為微生物微生物工程。2參考書參考書微生物學教程（第二版）周德慶高等教育出版社3微生物的定義微生物的定義 微生物微生物（microorganism, microbe）:存在于自然界存在于自然界中的一群體型細小、結構簡單、肉眼看不見，必中的一群體型細小、結構簡單、肉眼看不見，必須借助于特殊儀器放大后才能觀察到的微小生物須借助于特殊儀器放大后才能觀察到的微小生物 按其

2、結構、化學組成及生活習性可分為按其結構、化學組成及生活習性可分為: :原核類:僅有原始核質(zhì)，無核仁或核膜，細胞器很不完善。如細菌、僅有原始核質(zhì)，無核仁或核膜，細胞器很不完善。如細菌、放線菌、支原體、立克次氏體、衣原體、螺旋體放線菌、支原體、立克次氏體、衣原體、螺旋體 真核類:細胞核的分化程度較高，有核膜、核仁和染色體，細胞器完細胞核的分化程度較高，有核膜、核仁和染色體，細胞器完整。如真菌（酵母菌和霉菌）、整。如真菌（酵母菌和霉菌）、 原生動物、藻類原生動物、藻類非細胞類:體積微小，能通過除菌過濾器。如病毒和朊病毒等體積微小，能通過除菌過濾器。如病毒和朊病毒等 按其致病性可分為按其致病性可分為:

3、 :病原性微生物非病原性微生物4微生物的特點微生物的特點個體小個體小,面積大：面積大：小于小于0.1mm。肉眼不可見。肉眼不可見。分布廣分布廣, ,種類多（種類多（10萬多種）萬多種） ：自然界中到處都：自然界中到處都有，如水、空氣、土壤等有，如水、空氣、土壤等, , 土壤中的數(shù)量最多。土壤中的數(shù)量最多。代謝強，轉(zhuǎn)化快：代謝強，轉(zhuǎn)化快：發(fā)酵乳糖的細菌在發(fā)酵乳糖的細菌在1小時內(nèi)可分小時內(nèi)可分解其自重解其自重100010000倍的乳糖；產(chǎn)朊假絲酵母合倍的乳糖；產(chǎn)朊假絲酵母合成蛋白質(zhì)的能力比食用公牛強成蛋白質(zhì)的能力比食用公牛強10萬倍萬倍生長旺，繁殖快：生長旺，繁殖快：微生物有驚人的繁殖速度，大微生

4、物有驚人的繁殖速度，大多數(shù)微生物幾十分鐘內(nèi)就可以繁殖一代多數(shù)微生物幾十分鐘內(nèi)就可以繁殖一代適應性強，易變異適應性強，易變異（耐藥性產(chǎn)生的原因）（耐藥性產(chǎn)生的原因）5葡萄球菌葡萄球菌 6微生物的類群和形態(tài)結構微生物的類群和形態(tài)結構 一、細菌一、細菌 細菌是一類細胞細而短、結構簡單、細胞壁堅韌，以二分裂方式無細菌是一類細胞細而短、結構簡單、細胞壁堅韌，以二分裂方式無性繁殖的原核微生物，分布廣泛。性繁殖的原核微生物，分布廣泛。1.細菌的形態(tài)與結構細菌的形態(tài)與結構 （1） 球菌球菌 多數(shù)球菌直徑在多數(shù)球菌直徑在1微米左右，外觀呈球形微米左右，外觀呈球形或近似球形。由于繁殖時分裂平面不同可形成不同的排或

5、近似球形。由于繁殖時分裂平面不同可形成不同的排列方式，分為雙球菌、鏈球菌、葡萄球菌等。列方式，分為雙球菌、鏈球菌、葡萄球菌等。 （2） 桿菌桿菌 形態(tài)多數(shù)呈直桿狀，也有的菌體稍彎，形態(tài)多數(shù)呈直桿狀，也有的菌體稍彎，多數(shù)呈分散存在，也有的呈鏈狀排列，分為棒狀桿菌、多數(shù)呈分散存在，也有的呈鏈狀排列，分為棒狀桿菌、鏈狀桿菌、球桿菌等。鏈狀桿菌、球桿菌等。 （3） 螺形菌螺形菌 菌體彎曲，呈弧形或螺旋形。如幽門螺菌體彎曲，呈弧形或螺旋形。如幽門螺桿菌。桿菌。 細菌雖小，仍具有一定的細胞結構和功能。細胞壁、細細菌雖小，仍具有一定的細胞結構和功能。細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)和核質(zhì)等各種細菌都有，是細菌的基本結

6、胞膜、細胞質(zhì)和核質(zhì)等各種細菌都有，是細菌的基本結構。構。 7 細菌的結構細菌的結構一般構造：一般構造：是細胞不變部分，每個細胞都有是細胞不變部分，每個細胞都有 細胞壁細胞壁 細胞膜細胞膜 細胞質(zhì)細胞質(zhì) 核區(qū)核區(qū)特殊構造：特殊構造：是細胞可變部分，不是每個都有是細胞可變部分，不是每個都有 鞭毛、菌毛、性菌毛鞭毛、菌毛、性菌毛 糖被（包括莢膜和粘液層）糖被（包括莢膜和粘液層） 芽孢芽孢8細菌細胞的模式結構細菌細胞的模式結構 細菌的結構細菌的結構9細菌細菌 G G+ +細菌細胞壁厚度大（細菌細胞壁厚度大（202080nm80nm）、化學組分簡單，）、化學組分簡單，細胞壁的化學組成以肽聚糖為主，占壁物

7、質(zhì)總量的細胞壁的化學組成以肽聚糖為主，占壁物質(zhì)總量的40409090；另外結合有其它多糖及一類特殊多聚物；另外結合有其它多糖及一類特殊多聚物磷壁酸磷壁酸（一般（一般10%10%）。）。 G G- -細菌細胞壁厚度較細菌細胞壁厚度較G+G+細菌薄細菌薄, ,層次較多層次較多, ,成分較復雜成分較復雜, , 肽聚糖層很薄（僅肽聚糖層很?。▋H2 23nm3nm）, ,故機械強度較故機械強度較G+G+細菌弱細菌弱. .10 通過革蘭氏染色法，能夠把細菌分為兩大類：是先用龍膽紫（亦稱結晶紫）染，所有細菌都染成了紫色，然后再涂以革蘭氏碘液，來加強染料與菌體的結合，再用95%的酒精來脫色2030秒鐘，有些細

8、菌不被脫色，仍保留紫色，有些細菌被脫色變成無色，最后再用復紅或沙黃復染1分鐘，結果已被脫色的細菌被染成紅色，未脫色的細菌仍然保持紫色，不再著色，這樣，凡被染成紫色的細菌稱為革蘭氏陽性菌(G菌)；染成紅色的稱為革蘭氏陰性菌（G菌）。分類分類11革蘭氏染色原理革蘭氏染色原理革蘭氏染色的結果取決于細菌細胞壁的結構： G菌：細胞壁厚，肽聚糖網(wǎng)狀分子形成一種透性障，當乙醇脫色時，肽聚糖脫水而孔障縮小，故保留結晶紫-碘復合物在細胞膜上。呈紫色。 G菌：肽聚糖層薄，交聯(lián)松散，乙醇脫色不能使其結構收縮，其脂含量高,乙醇將脂溶解，縫隙加大，結晶紫-碘復合物溶出細胞壁，沙黃復染后呈紅色。12細菌細菌13G G+

9、+ 細菌與細菌與G G - -細菌細胞壁的比較細菌細胞壁的比較細細菌菌壁厚壁厚nmnm肽聚糖肽聚糖磷壁酸磷壁酸脂多糖脂多糖蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪脂肪G+G+ 20208080 40409090+ +- -約約20201 14 4G-G-2 2 3 31010- -+ +約約606011 112222總結：總結：1.G+1.G+菌具有大量的肽聚糖，獨含磷壁酸，不含脂菌具有大量的肽聚糖，獨含磷壁酸，不含脂多糖；多糖；2. G-2. G-菌含有少量的肽聚糖，獨含脂多糖，蛋白質(zhì)菌含有少量的肽聚糖，獨含脂多糖，蛋白質(zhì)含量較多，不含磷壁酸。含量較多，不含磷壁酸。14 細菌的繁殖細菌的繁殖 細菌生長速度很快，一般

10、約細菌生長速度很快，一般約20min分裂一分裂一次。若按此速度計算，細菌群體將龐大到次。若按此速度計算，細菌群體將龐大到難以想象的程度。但事實上由于細菌繁殖難以想象的程度。但事實上由于細菌繁殖中營養(yǎng)物質(zhì)的逐漸消耗，有害代謝產(chǎn)物的中營養(yǎng)物質(zhì)的逐漸消耗，有害代謝產(chǎn)物的逐漸積累，細菌不可能始終保持高速度的逐漸積累，細菌不可能始終保持高速度的無限繁殖。經(jīng)過一段時間后，細菌繁殖速無限繁殖。經(jīng)過一段時間后，細菌繁殖速度逐漸減慢，死亡菌數(shù)增多，活菌增長率度逐漸減慢，死亡菌數(shù)增多，活菌增長率隨之下降并趨于停滯。隨之下降并趨于停滯。15 二、真菌二、真菌真菌是一類有細胞壁，無葉綠素，以寄生或腐生真菌是一類有細胞

11、壁，無葉綠素，以寄生或腐生方式生存，少數(shù)為單細胞，多數(shù)為多細胞，能進方式生存，少數(shù)為單細胞，多數(shù)為多細胞，能進行無性或有性繁殖的一類真核細胞型微生物。行無性或有性繁殖的一類真核細胞型微生物。真菌包括單細胞與多細胞兩類。單細胞真菌呈圓真菌包括單細胞與多細胞兩類。單細胞真菌呈圓形或卵圓形，稱為形或卵圓形，稱為酵母菌酵母菌；多細胞真菌由菌絲和；多細胞真菌由菌絲和孢子組成，并交織成團，稱孢子組成，并交織成團，稱絲狀菌絲狀菌或或霉菌霉菌。真菌生長的最適的溫度為真菌生長的最適的溫度為2228，最適的，最適的pH值值為為46。其繁殖能力強，但生長速度比細菌慢，。其繁殖能力強，但生長速度比細菌慢，常需常需1-

12、4周才形成菌落。真菌對熱的抵抗力不強，周才形成菌落。真菌對熱的抵抗力不強，一般加熱一般加熱6070 1小時即被殺死，但對干燥、日小時即被殺死，但對干燥、日光、紫外線和一些化學消毒劑有抵抗力，但對光、紫外線和一些化學消毒劑有抵抗力，但對2.5碘酒、碘酒、10甲醛則較敏感。甲醛則較敏感。16 三、病毒三、病毒病毒屬非細胞型微生物，在自然界分布非常廣泛，病毒屬非細胞型微生物，在自然界分布非常廣泛，可在人、動物、植物、真菌和細菌中寄居并引起可在人、動物、植物、真菌和細菌中寄居并引起感染。感染。病毒是體積最小、結構最簡單的微生物，病毒是體積最小、結構最簡單的微生物，它僅有一種核酸（它僅有一種核酸（DNA

13、或或RNA）作其遺傳物質(zhì)。）作其遺傳物質(zhì)。病毒必須在宿主活細胞內(nèi)寄生，依靠細胞提供的病毒必須在宿主活細胞內(nèi)寄生，依靠細胞提供的能量、營養(yǎng)物質(zhì)及生物大分子合成機制，完成病能量、營養(yǎng)物質(zhì)及生物大分子合成機制，完成病毒的復制過程。毒的復制過程。病毒與人類的關系極為密切，人類的傳染病約病毒與人類的關系極為密切，人類的傳染病約75是由病毒引起的。有些病毒傳染性強，可引起是由病毒引起的。有些病毒傳染性強，可引起世界大流行（如流感、艾滋病等）。世界大流行（如流感、艾滋病等）。17術語術語下列術語常用于表示物理或化學方法對微生物的殺滅程度下列術語常用于表示物理或化學方法對微生物的殺滅程度 消毒：消毒：殺死物體

14、上病源微生物的方法殺死物體上病源微生物的方法,并不一定能殺死細并不一定能殺死細菌的芽胞。消毒所用的試劑稱為消毒劑。菌的芽胞。消毒所用的試劑稱為消毒劑。 滅菌：滅菌：殺滅物體上所有微生物的方法。滅菌比消毒要求高，殺滅物體上所有微生物的方法。滅菌比消毒要求高，包括殺滅細菌芽孢在內(nèi)的全部病原微生物和非病原微生物。包括殺滅細菌芽孢在內(nèi)的全部病原微生物和非病原微生物。 抑菌：抑菌：抑制體內(nèi)或體外細菌的生長繁殖。常用的抑菌劑為抑制體內(nèi)或體外細菌的生長繁殖。常用的抑菌劑為各種抗生素，可抑制細菌的繁殖。各種抗生素，可抑制細菌的繁殖。 防腐：防腐：防止或抑制體外細菌生長繁殖的方法，細菌一般不防止或抑制體外細菌生

15、長繁殖的方法，細菌一般不死亡。同一種化學藥品在高濃度時為消毒劑，低濃度時常死亡。同一種化學藥品在高濃度時為消毒劑，低濃度時常為防腐劑。為防腐劑。 無菌：無菌：不存在活的細菌。防止細菌進入人體或其他物品的不存在活的細菌。防止細菌進入人體或其他物品的操作技術，為無菌操作。操作技術，為無菌操作。18 芽孢芽孢芽孢是細菌的休眠體，在適宜的條件下可芽孢是細菌的休眠體，在適宜的條件下可以重新轉(zhuǎn)變成為營養(yǎng)態(tài)細胞；以重新轉(zhuǎn)變成為營養(yǎng)態(tài)細胞； 一般的芽孢在普通的條件下可保存幾年至一般的芽孢在普通的條件下可保存幾年至幾十年的生活力；世界上最古老的芽孢：幾十年的生活力；世界上最古老的芽孢：2.5億年；億年；其對熱力

16、、干燥、輻射、化學消毒等理化其對熱力、干燥、輻射、化學消毒等理化因素有強大的抵抗力；因素有強大的抵抗力；殺滅芽胞最可靠的方法是高壓蒸汽滅菌。殺滅芽胞最可靠的方法是高壓蒸汽滅菌。19消毒與滅菌消毒與滅菌一、物理滅菌方法一、物理滅菌方法熱力滅菌法熱力滅菌法輻射殺菌法輻射殺菌法濾過除菌法濾過除菌法超聲波殺菌法超聲波殺菌法干燥與低溫抑菌法干燥與低溫抑菌法20消毒與滅菌消毒與滅菌l熱力滅菌法：使蛋白質(zhì)、酶及核酸永久性破環(huán)，細胞使蛋白質(zhì)、酶及核酸永久性破環(huán)，細胞膜溶解，導致細胞發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的死亡。膜溶解，導致細胞發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的死亡。1、干熱滅菌法干熱滅菌法采用灼燒或干熱空氣滅菌采用灼燒或干熱空氣滅菌 ，使

17、，使用方便，適用于玻璃器皿和瓷器等耐高溫的固體用方便，適用于玻璃器皿和瓷器等耐高溫的固體物的滅菌物的滅菌 。2、濕熱滅菌法濕熱滅菌法利用熱蒸汽殺死微生物。利用熱蒸汽殺死微生物。 高壓蒸汽滅菌：利用高溫高壓蒸汽進行滅菌的方高壓蒸汽滅菌：利用高溫高壓蒸汽進行滅菌的方法法 ，蒸汽的穿透力較熱空氣強可以殺死一切微生，蒸汽的穿透力較熱空氣強可以殺死一切微生物，包括細菌的芽孢，真菌的孢子或休眠體等耐物，包括細菌的芽孢，真菌的孢子或休眠體等耐高溫的個體高溫的個體 。最可靠最適用最廣泛的滅菌方法。最可靠最適用最廣泛的滅菌方法。21消毒與滅菌消毒與滅菌l輻射滅菌法輻射滅菌法 1、紫外線紫外線：波長波長200-3

18、00nm的紫外線具有殺的紫外線具有殺 菌作用。穿透物質(zhì)的能力很差，一般要求紫外燈菌作用。穿透物質(zhì)的能力很差，一般要求紫外燈距離照射物不超過距離照射物不超過1.0米為宜米為宜 2、電離輻射、電離輻射 高速電子、高速電子、X射線、射線、射線射線 3、微波、微波 波長波長1mm1m22消毒與滅菌消毒與滅菌l濾過除菌法濾過除菌法用物理阻留的方法將液體或空氣中的細菌除去用物理阻留的方法將液體或空氣中的細菌除去, ,以以達到除菌目的。達到除菌目的。濾菌器含有微細小孔濾菌器含有微細小孔0.220.22微米微米, ,只允許液體或氣只允許液體或氣體通過體通過, ,而大于孔徑的細菌等顆粒不能通過而大于孔徑的細菌等

19、顆粒不能通過 。適用范圍：血清、毒素、抗生素以及空氣等的除適用范圍：血清、毒素、抗生素以及空氣等的除菌。菌。23消毒與滅菌消毒與滅菌二、化學滅菌方法二、化學滅菌方法許多化學藥物能影響微生物的化學組成、許多化學藥物能影響微生物的化學組成、物理結構和生理活性，從而發(fā)揮防腐、消物理結構和生理活性，從而發(fā)揮防腐、消毒及滅菌的作用。毒及滅菌的作用。潔凈室潔凈室(區(qū)區(qū))應定期消毒，使用的消毒劑不得應定期消毒，使用的消毒劑不得對設備、物料和成品產(chǎn)生污染。消毒劑品對設備、物料和成品產(chǎn)生污染。消毒劑品種應定期更換，防止產(chǎn)生耐藥菌株。種應定期更換，防止產(chǎn)生耐藥菌株。24消毒與滅菌消毒與滅菌類別類別作用機制作用機制

20、常用種類常用種類用途用途酚類酚類蛋白變性，細胞膜蛋白變性，細胞膜損傷損傷石炭酸石炭酸地面、器具表面、皮膚消地面、器具表面、皮膚消毒毒醇類醇類蛋白變性蛋白變性75酒精酒精皮膚、體溫計消毒皮膚、體溫計消毒氧化劑氧化劑氧化、蛋白沉淀氧化、蛋白沉淀二氧化氯二氧化氯地面、器具表面、皮膚消地面、器具表面、皮膚消毒毒重金屬鹽重金屬鹽氧化、蛋白酶變性氧化、蛋白酶變性紅汞、硫柳汞紅汞、硫柳汞皮膚、粘膜、小創(chuàng)傷消毒皮膚、粘膜、小創(chuàng)傷消毒氧化劑氧化劑氧化、蛋白沉淀氧化、蛋白沉淀過氧乙酸、碘過氧乙酸、碘酒酒塑料、玻璃器材、皮膚消塑料、玻璃器材、皮膚消毒毒表面活性劑表面活性劑蛋白變性，細胞膜蛋白變性，細胞膜損傷損傷0.

21、1新潔而滅新潔而滅地面、器具表面、皮膚消地面、器具表面、皮膚消毒毒常用消毒劑種類和用途常用消毒劑種類和用途25發(fā)酵工程簡史發(fā)酵工程簡史26發(fā)酵工程的內(nèi)容包括菌種的選育、培養(yǎng)基的配制、滅菌、擴大培養(yǎng)和接種、發(fā)酵過程和產(chǎn)品的分離提純等 27谷氨酸是鮮味劑味精的主要成分，以前用植物(如大豆)蛋白質(zhì)水解法生產(chǎn)。1957年，日本率先用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)成功。常用的谷氨酸產(chǎn)生菌有谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌等。培養(yǎng)基通常用豆餅(或馬鈴薯等)的水解液、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、氧化鉀、硫酸鎂、生物素等配制而成，呈液體狀態(tài)，因此也稱培養(yǎng)液。其中的生物素是生長因子。培養(yǎng)液配制完成以后，投放到發(fā)酵罐中，通入98kPa

22、的蒸汽進行滅菌，冷卻后，在無菌條件下加入菌種，即為接種。 發(fā)酵罐是一種圓柱形的容器，容量從幾升到幾百萬升不等，上面連接有通氣、攪拌、接種、加料、冷卻等裝置；此外，還有對溫度、pH、通氣量與轉(zhuǎn)速等發(fā)酵條件進行檢測和控制的裝置。 28是好氧菌，因此，發(fā)酵過程要不斷地通入無菌空氣，并通過攪拌，使空氣形成細小的氣泡，迅速溶解在培養(yǎng)液中(稱溶氧)；同時，也能使菌種與培養(yǎng)液充分接觸，提高它們對原料的利用率。在溫度為3037、pH為78.0的條件下，經(jīng)2832h，培養(yǎng)液中就會生成大量的谷氨酸。最后，將谷氨酸從培養(yǎng)液中分離提取出來，通常每升培養(yǎng)液中能得到谷氨酸50100g。提取出來的谷氨酸用適量的Na2CO3

23、溶液中和后，再經(jīng)過過濾、濃縮、離心分離等步驟，便制成了味精。 29常用的微生物常用的微生物工業(yè)生產(chǎn)上常用的微生物細菌放線菌酵母菌霉菌30谷氨酸棒狀桿菌是，因此，發(fā)酵過程要不斷地通入無菌空氣，并通過攪拌，使空氣形成細小的氣泡，迅速溶解在培養(yǎng)液中(稱溶氧)；同時，也能使菌種與培養(yǎng)液充分接觸，提高它們對原料的利用率。在溫度為3037、pH為78.0的條件下，經(jīng)2832h，培養(yǎng)液中就會生成大量的谷氨酸。最后，將谷氨酸從培養(yǎng)液中分離提取出來，通常每升培養(yǎng)液中能得到谷氨酸50100g。提取出來的谷氨酸用適量的Na2CO3溶液中和后，再經(jīng)過過濾、濃縮、離心分離等步驟，便制成了味精。 31按照是否需氧，發(fā)酵分

24、為好氧、厭氧和兼性厭氧三大類好氧發(fā)酵：發(fā)酵過程需要氧氣。多數(shù)有機酸，如醋酸、檸檬酸和各種氨基酸的發(fā)酵生產(chǎn)菌需要氧氣。發(fā)酵所需的氧氣是以無菌空氣方式供給的。不斷攪拌促進氧氣進入發(fā)酵液。 厭氧發(fā)酵：發(fā)酵過程無需氧氣，不攪拌。酵母菌釀酒，乳酸菌生產(chǎn)乳酸，瘤胃細菌分解纖維素過程不需要氧氣。 兼性發(fā)酵：酵母菌是兼性厭氧微生物 無氧：積累酒精 有氧：大量繁殖菌體32谷氨酸棒狀桿菌是好氧菌，因此，發(fā)酵過程要不斷地通入無菌空氣，并通過攪拌，使空氣形成細小的氣泡，迅速溶解在中(稱溶氧)；同時，也能使菌種與培養(yǎng)液充分接觸，提高它們對原料的利用率。在溫度為3037、pH為78.0的條件下，經(jīng)2832h，培養(yǎng)液中就會生成大量的谷氨酸。最后，將谷氨酸從培養(yǎng)液中分離提取出來，通常每升培養(yǎng)液中能