食品發(fā)酵工程介紹

發(fā)酵的定義狹義“發(fā)酵”的定義在生物化學或生理學上發(fā)酵是指微生物在無氧條件下，分解各種有機物質產生能量如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產生酒精并放出二氧化碳。同時獲得能量，丙酮酸被復原為乳酸而獲得能量等等。廣義“發(fā)酵”的定義工業(yè)上所稱的發(fā)酵是泛指利用生物細胞制造某些產品或凈化環(huán)境的過程，它包括厭氧培育的生產過程，如酒精、丙酮丁醇、乳酸等，以及通氣〔有氧〕培育的生產過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等的生產。產品即有細胞代謝產物，也包括菌體細胞、酶等。發(fā)酵工程〔FermentationEngineering〕的定義發(fā)酵工程，是利用“生物細胞”的特定功能，通過現代工程技術手段〔主要是發(fā)酵罐生產各種特定的有用物質，或者把微生物直接用于某些工業(yè)化生產的一種生物技術體系。這里的“生物細胞”包括微生物細胞和動物、植物細胞及其固定化細胞。因此，發(fā)酵工程使?jié)B透有工程學的微生物學，是發(fā)酵技術的工程化。發(fā)酵工程是化學工程與生物工程技術相結合的產物，它將微生物學、生物化學、化學工程學等的根本原理和技術有機地結合在一起，利用微生物進展規(guī)模化生產，是生產加工與生物制造實現產業(yè)化的核心技術。發(fā)酵工程技術主要包括供給高性能生產菌種的菌種技術、實現低本錢大規(guī)模生產產品的發(fā)酵技術和最終獲得合格產品的分別純化技術。進展發(fā)酵工程的關鍵技術〔菌種技術、發(fā)酵技術和分別技術〕及重大產品的爭論開發(fā)，將發(fā)揮中國豐富的生物資源優(yōu)勢，提高發(fā)酵工程的技術水平，促進生物化工、生物醫(yī)藥、食品加工等相關行業(yè)的產品競爭力和可持續(xù)進展。1.4特點〔1〕發(fā)酵工程使用的原料來源廣泛，多為農副產品，其中以碳源為主，只參加少量有機和無機氮源，不含有毒物質?！?〕發(fā)酵工程的反響過程比較溫順，通常在常溫、常壓下進展。而且，反響過程是以生物體的自身調整方式進展，多個反響就像是一個反響一樣，可在單一設備中進展，因此一種設備可有多種用途。〔3〕簡潔進展簡單的高分子化合物的生產，如酶、化學活性體等?！?〕能夠高度選擇性地進展復制化合物在特定部位的反響，如甾體化合物的氧化、復原等。〔5〕生產產品的微生物菌體本身也可作為發(fā)酵產物。例如，富含蛋白質、酶、維生素的單細胞蛋白等?！?〕發(fā)酵過程是純種培育過程。生產中使用的設備、管道、截門和培育基都必需嚴格滅菌，通入的空氣也應當是無菌空氣。在操作中應特別留意嚴格防止污染，尤其要防止噬菌體的侵入，否則，會引起重大的損失?！?〕生產力量，可以到達事半功倍的效果。〔8〕在發(fā)酵生產中，還可以通過改進工藝技術和設備來提高產品的產量和質量。發(fā)酵工程的進展史自然發(fā)酵階段微生物純培育技術的建立微生物液態(tài)深層發(fā)酵技術的建立微生物酶轉化及代謝調控技術的應用微生物發(fā)酵原料的拓寬微生物基因工程育種初級代謝產物和代謝調控中起作用的各種物質，如氨基酸、核苷酸、蛋白質、多糖和核酸等次級代謝產物通常是在生長后期合成。次級代謝產物是通過次級代謝合成的產物，如抗生素、生物堿、色素、激素和毒素等，這些產物是對微生物本身無明顯生理作用或對自身生長是非必需的，但對產生菌的生存可能有肯定價值。次級代謝產物與初級代謝產物的關系次級代謝產物和初級代謝產物對產生菌的生長生殖作用雖然不同，但它們的生物合成途徑是相互關聯的。初級代謝中產生的一些小分子化合物是全部次級代謝途徑中的原料，即通過初級代謝中的糖酵解、三羧酸循環(huán)和磷酸戊糖途徑等所產生的物質進一步轉化和合成一系列有著不同化學構造和性質的次級代謝產物。2-1中簡要說明白初級代謝途徑與次級代謝途徑的聯系與區(qū)分。2.1.1.2工業(yè)發(fā)酵常見微生物及其代謝產物1)細菌及其代謝產物放線菌及其代謝產物霉菌及其代謝產物酵母菌及其代謝產物工業(yè)發(fā)酵對生產菌種的一般要求〔1〕安全性?！?〕有在較短的發(fā)酵周期內產生大量發(fā)酵產物的力量。〔3〕物質的轉化率，削減分別純化的難度，降低本錢，提高產品的質量。〔4〕生長生殖力量強，生長、反響速度快，發(fā)酵周期短，產孢菌應具有較強的產孢子力量?！?〕原料來源廣，價格低廉，菌種能高效地將原料轉化為產品?！?〕對需要添加的前體物質有耐受力量，并不能將前體作為一般碳源利用。〔7〕菌種純，遺傳特性穩(wěn)定，抗噬菌體力量強，以保證發(fā)酵生產和產品的穩(wěn)定性。工業(yè)發(fā)酵生產菌種來源從自然界分別篩選從菌種保藏機構獲得。從生產過程中已有菌種中篩選發(fā)生正突變的優(yōu)良菌種。菌種選育種變異，再經過篩選而到達菌種改進的目的。菌種選育方法主要包括自然選育、誘變育種、雜交育種和基因工程育種。自然選育〔自然分別〕的一般程序，是把菌種制備成單孢子懸浮液，經過適當的稀釋以后，在固體平板上進展分別，挑取局部單菌落進展生產力量的測定，經反復篩選，以確定生產力量更高的菌株代替原來的菌株。自然選育的菌種來源于自然界、菌種保藏機構或生產過程，從自然界中選育菌種的過程較為簡單，而從生產過程或菌種保藏機構得到菌種的自然選育過程較為簡潔。因此，下面以從自然界中選育菌種的過程為例，闡述菌種自然選育的主要步驟。其具體做法一般分為四個步驟：樣品采集、增殖培育、純種分別和篩選等。假設產物與食品制造有關，還要對菌種進展毒性鑒定，見圖2-2。采樣平板分別增殖培育原種斜面或平板分別 原種斜面或復篩 原種斜面增殖培育平板分別平板分別原種斜面原種斜面再復篩初步工藝條件摸索定性或初篩較優(yōu)菌株半定量進一步的生產性能試驗和毒性試驗2-2半定量進一步的生產性能試驗和毒性試驗增加分別的概率，增加該菌種的數量，稱為富集培育。常用的純種分別方法有三種，即劃線分別法、稀釋分別法和組織分別法。誘變育種的一般步驟利用各種誘變劑處理微生物細胞，提高基因的隨機突變頻率，擴大變異幅度，通過肯定的篩選方法，獵取所需要優(yōu)良菌株的過程，稱為誘變育種。誘變育種包括誘變和篩選兩個局部。誘變局部包括由動身菌株開頭，制出穎孢子懸浮液〔或細菌懸液〕作誘變處理，然后以肯定稀釋度涂平皿，至平皿上長出單菌落等各步驟。因誘發(fā)突變是使用誘變劑促使菌種發(fā)生突變，所以誘發(fā)所形成的突變與菌種本身的遺傳背景、誘變劑種類及其劑量的選擇和合理使用方法均有親熱關系，亦可說這三者是誘變局部的關鍵所在。篩選局部包括經單孢子分別長出單菌落后隨機挑至斜面，經初篩和復篩進展生產能力測定和菌種保存〔馬上篩選出來的高產菌種保藏好。因此，可以認為，誘變育種的整個過程主要是誘變和篩選的不斷重復，直到獲得比較抱負的高產菌株。最終經考察其穩(wěn)定性、菌種特性、最適培育條件等后，再進一步進展中試、放大。誘變育種應留意的問題誘變成功的關鍵包括動身菌株的選擇、誘變劑種類和劑量的選擇，以及合理的使用方法等。紫外線誘變的步驟與方法：①制備菌懸液以處于對數期的細菌斜面、孢子剛成熟的霉菌或放線菌為動身菌，16~24h，霉菌、放線菌培育到絕大局部孢子剛剛萌發(fā)。然后，離心除去液體培育基，用生理鹽水制備菌懸液，參加玻璃珠振蕩分散，以無菌濾紙或脫脂棉花過濾，使形成單細胞，分散程度達90108個/m107~108個/m，106~107個/mL②紫外線照耀處理前，先開紫外燈預熱20min，使光波穩(wěn)定。然后，取3mL菌懸液置于7cm培育皿中，并置于誘變箱內的磁力攪拌器上，離燈管肯定距離，翻開皿蓋，暴露于紫外線下照耀肯定時間，邊照耀邊攪拌，力求使細胞均勻吸取紫外線光波。照耀過程必需在備有黃光或紅光的暗室內進展，以免光復活。經過紫外線誘變后的菌體轉入無菌試管內，置于冰水中浸1~2h，由于細胞參與對突變修復的各種酶類活性在低溫條件下受到抑制，使修復難以進展，有利于提高突變率。③后培育與稀釋涂布照耀完畢的菌懸液參加到適合的培育基中，在適宜溫度下暗培育1.5~2.0h，培育完畢后，從中吸取肯定量培育物按肯定稀釋度進展稀釋，然后以待篩選。亞硝基胍〔NTG〕誘變亞硝基胍為黃色結晶狀物質，性質不穩(wěn)定，遇光易分解，放出NO，顏色由黃色變?yōu)榫G色，誘變效應會降低。因此，亞硝基胍須保存在棕色瓶中，并在避光、枯燥、低溫條件下貯存。亞硝基胍不溶于水，須加助溶劑，使用時現配現用。亞硝基胍有“超誘變劑”之稱，能使細胞發(fā)生一次或屢次突變，誘變效果好，尤其適合于誘發(fā)養(yǎng)分缺陷型突變株。另外，亞硝基胍還能使多基因并發(fā)突變，在復制叉四周一個基因突變能誘發(fā)鄰近位置的基因間續(xù)連鎖突變亞硝基胍在水溶液中隨著不同的pH將產生不同的分解產物，從而影響誘變效應。pH5.5時，NTGHNO2，HNO2本身就具有誘變作用；當溶液pH8.0以上時，NTG會分解產生CH2N2，對核酸起烷化作用，引起微生物突變；當溶液pH6.0時，NTG本身和DNApH6.0的條件下進展誘變處理。由于酸堿條件影響NTG的誘變效果，配制NTG溶液常用適宜的緩沖液，如磷酸緩沖液和Tris緩沖液。NTG是一種猛烈的致癌物質，操作時肯定要穿工作服，戴橡皮手套、口罩，用稱量瓶稱量，最好在通風櫥中進展。但凡接觸過NTG的器皿必需準時、單獨處理，例如1~2mol/LNaOH2%的Na2S2O3浸泡過夜，洗凈。NTG的誘變處理方法：①取穎的斜面，用肯定pH的磷酸緩沖液或Tris緩沖液洗下菌苔制備菌懸液。②配制NTG母液：由于NTG不溶于水，配制時需加甲酰胺或丙酮等助溶劑少許，然后加緩溶液，其比例為9:〔緩沖溶液9mNTG丙酮溶液1m，一般NTG母1mg/mL100~1000μg/mL，放線菌、1000~3000μg/mL。③將以上菌懸液和NTG〔30~35℃，真菌25~28℃，放線菌30~32℃〕20~60min，孢子為90~120min。終止反響時，用冷的生理鹽水稀釋到50倍以上或在低溫下進展離心洗滌，去除藥液，加無菌水使沉淀懸液并制成肯定稀釋度，涂布于平板。菌種保藏的根本原理