南農(nóng)發(fā)酵食品學第二章發(fā)酵的生化歷程及工藝調(diào)控

第二章發(fā)酵食品形成的

生化歷程及工藝調(diào)控第一頁，共五十一頁。主要內(nèi)容第一節(jié)發(fā)酵食品生產(chǎn)的基本要素第二節(jié)發(fā)酵食品生產(chǎn)的一般工藝第三節(jié)發(fā)酵食品品質(zhì)形成的生化歷程第二頁，共五十一頁。第一節(jié)發(fā)酵食品生產(chǎn)的基本要素決定了發(fā)酵產(chǎn)品的形態(tài)和性質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品:淀粉、糖蜜、豆、奶、肉等，因其原料養(yǎng)分的多樣性和復雜性，微生物可有選擇地利用。生物資源的改造和更新:利用一些農(nóng)副產(chǎn)品的殘渣作為發(fā)酵原料,如作物秸桿。一、原料（發(fā)酵基質(zhì)）第三頁，共五十一頁。常用原料：植物原料（以植物蛋白為主）：產(chǎn)品主要為調(diào)味品植物原料（以碳水化合物為主）：產(chǎn)品主要為酒精、有機酸等）。動物原料：以蛋白質(zhì)為主，風味物質(zhì)主要為氨基酸、脂肪酸等。常用輔料：谷殼、中草藥、食鹽等（膨松通氣、富集微生物、功能性、風味、防腐）一、原料（發(fā)酵基質(zhì)）第四頁，共五十一頁。是發(fā)酵的動力。在發(fā)酵過程的各個階段，由霉菌、酵母菌、細菌等在合適的生長及產(chǎn)酶條件下產(chǎn)生并積累大量的酶，使得即使在發(fā)酵過程中微生物菌體死亡，仍可由其積累的酶作用于合適的底物而產(chǎn)生所需的代謝產(chǎn)物。二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）第五頁，共五十一頁。二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）谷類葡萄糖等酒精產(chǎn)香白酒糖化酶酒化酶醋己酸菌醋酸菌霉菌酵母細菌第六頁，共五十一頁。微生物菌種以發(fā)酵劑形態(tài)用于規(guī)模化生產(chǎn)中發(fā)酵劑(starter)：用人工篩選、適合發(fā)酵食品應用（發(fā)酵特性、安全性評價）的微生物經(jīng)逐級擴培制備的人工培養(yǎng)物(cultures)，活細胞數(shù)量高，菌種活力強。常用的食品級菌種：發(fā)酵大豆制品（霉菌、細菌）、泡菜（乳酸菌）、肉類（乳酸菌、細菌、酵母）中國的曲是最常見的霉菌型發(fā)酵劑，乳酸菌是最常見、也是最常用的細菌發(fā)酵劑，在許多發(fā)酵食品如酸奶、干酪、酸泡菜、葡萄酒、香腸和火腿的生產(chǎn)中，乳酸菌的作用都是必不可少的。二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）第七頁，共五十一頁。繼代式發(fā)酵劑（107-108cfu/ml）：不能直接用于生產(chǎn)，菌種經(jīng)母發(fā)酵劑、中間發(fā)酵劑、生產(chǎn)發(fā)酵劑的擴培后方可用于生產(chǎn)。特點是制作過程比較復雜、無菌要求高，另外還存在菌種使用時間短、保存?zhèn)鞔щy、容易污染問題。直投式發(fā)酵劑（1010cfu/ml以上）：菌種經(jīng)大規(guī)模高密度培養(yǎng)后收集菌體，選用合適的保護劑，采用真空冷凍干燥或熱風干燥技術(shù)制成的活細胞濃度高、活力強、可直接用于發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)酵劑。其特點是簡化了生產(chǎn)工藝，省去了菌種車間，避免了各廠家微生物技術(shù)力量不足而造成的菌種質(zhì)量不佳的問題。二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）第八頁，共五十一頁。傳統(tǒng)直投式發(fā)酵劑：中國的酒藥、大曲等二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）第九頁，共五十一頁?，F(xiàn)代直投式發(fā)酵劑：酸奶、泡菜、發(fā)酵肉等系列LAB發(fā)酵劑。葡萄酒的降酸用乳酸菌。肉類發(fā)酵劑（以侗族酸肉為例）第十頁，共五十一頁。繼代式發(fā)酵劑（目前凝固型酸奶生產(chǎn)）關(guān)于發(fā)酵劑的發(fā)展第十一頁，共五十一頁。二、發(fā)酵微生物（發(fā)酵劑）發(fā)酵各階段優(yōu)勢菌的分離鑒定風味物質(zhì)和微生物的關(guān)系制備不同階段使用的直投式發(fā)酵劑生產(chǎn)新式產(chǎn)品

（周期短，質(zhì)量穩(wěn)定，便于調(diào)控）第十二頁，共五十一頁。第十三頁，共五十一頁。決定了微生物作用的方向，也決定了產(chǎn)物的形成。環(huán)境條件包括：固態(tài)發(fā)酵：原料配比及預處理、氣體環(huán)境、Aw、RH、pH、熱傳遞與控溫等。液態(tài)發(fā)酵：發(fā)酵液濃度（基質(zhì)濃度變化）、溶氧、pH、T、發(fā)泡與消泡、無菌檢查、發(fā)酵終點判斷等。三、環(huán)境條件（發(fā)酵條件）第十四頁，共五十一頁。通常通過控制環(huán)境來控制發(fā)酵的進程和方向條件控制：谷物糖化產(chǎn)生G醋酸酒精發(fā)酵

通氣

厭氣通氣霉菌酵母醋酸菌第十五頁，共五十一頁。值得注意的是：對于許多微生物來說，合適的生長條件并非一定是其最佳的產(chǎn)酶和酶作用條件。因此，通常將制種和發(fā)酵分開進行，以各取所需。例：種曲和發(fā)酵條件控制：第十六頁，共五十一頁。三者是互動共存的關(guān)系。不同的原料在一定的菌種和適宜的環(huán)境條件下才能得到所需的目的產(chǎn)物。四、三要素之間的關(guān)系葡萄汁酵母菌生長良好厭氧有氧酒精醋酸品質(zhì)劣變酒精發(fā)酵旺盛第十七頁，共五十一頁。不同的微生物需不同的環(huán)境條件，不同的條件又決定了不同的優(yōu)勢菌，同樣，一種原料在不同的條件下也會由不同的微生物實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。

噴灑孢子懸浮液豆腐坯 菌絲體覆蓋、純白色

或酒孢子粉若水分控制不好，高汗身（細菌成為優(yōu)勢菌）四、三要素之間的關(guān)系第十八頁，共五十一頁。第二節(jié)、發(fā)酵食品生產(chǎn)的一般工藝按發(fā)酵基質(zhì)的物理性質(zhì)分：固態(tài)發(fā)酵（SSF，SolidStateFermentation）是指在沒有或幾乎沒有游離水的不流動基質(zhì)上培養(yǎng)微生物的過程，此基質(zhì)稱為“醅”。液態(tài)發(fā)酵（LSF，LiquidStateFermentation或LiquidSubmergeFermentation）基質(zhì)是流動狀態(tài)，稱為發(fā)酵“液”。半固態(tài)發(fā)酵（Semi---SSF）發(fā)酵基質(zhì)是流動狀態(tài)，原料顆粒懸浮于液體中。基質(zhì)呈流動狀態(tài)，稱為“醪”一、發(fā)酵工藝的類型第十九頁，共五十一頁。在現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中，往往把固態(tài)發(fā)酵、半固態(tài)發(fā)酵稱為傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)（釀造），而把液態(tài)發(fā)酵稱為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)（液態(tài)深層發(fā)酵），適合大規(guī)模生產(chǎn)及現(xiàn)代化調(diào)控。一、發(fā)酵工藝的類型第二十頁，共五十一頁。按參與發(fā)酵的微生物種類分：單菌發(fā)酵（MonocultureFermentation）只有一種微生物對產(chǎn)品的形成是必需的，如：beer,Natto,TemPeh,抗生素，檸檬酸發(fā)酵等。西方多為之，對于霉菌較為恐懼，多用細菌?；炀l(fā)酵（PolycultureFermentation）指采用兩種或兩種以上的已知或未知的微生物進行的發(fā)酵。已知：酸奶等。未知：酒曲等。一、發(fā)酵工藝的類型第二十一頁，共五十一頁。其它分類法：按原料：糖類發(fā)酵、蛋白質(zhì)發(fā)酵、石油發(fā)酵。按產(chǎn)品分（工業(yè)上常用）：氨基酸發(fā)酵、有機酸發(fā)酵、核苷酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵、維生素發(fā)酵、抗生素發(fā)酵等。按對氧氣需求：厭氧發(fā)酵、需氧發(fā)酵。按發(fā)酵工藝分：分批式、連續(xù)式、流加式。一、發(fā)酵工藝的類型第二十二頁，共五十一頁。按發(fā)酵操作的分類分批發(fā)酵：在滅菌后的培養(yǎng)基中接入生產(chǎn)菌，而后不再向發(fā)酵液加入或移出任何物質(zhì)（需氧微生物則需加氧）的培養(yǎng)方式。連續(xù)發(fā)酵：是一個開放系統(tǒng)，通過連續(xù)流加新鮮培養(yǎng)基并以同樣的流量連續(xù)地排放出發(fā)酵液，可使微生物細胞群體保持穩(wěn)定的生長環(huán)境和生長狀態(tài)，并以發(fā)酵中的各個變量多能達到恒定值而區(qū)別于瞬變狀態(tài)的分批發(fā)酵。分批補料（流加）發(fā)酵：介于前兩者之間，在分批發(fā)酵的前提下，連續(xù)地或按一定規(guī)律地向系統(tǒng)內(nèi)補入營養(yǎng)物，補的可以是單一營養(yǎng)物也可是多種營養(yǎng)物，到一定時候，便進行排料但并不排完，留1/3至2/3，然后再補料，重復上述操作。第二十三頁，共五十一頁。發(fā)酵盡管有固、液及其它類型之分，但其原理、機理是相同的。在總體的工藝上也都涉及三個主要要素的處理。

俗稱“發(fā)酵三條路”：1、菌種2、空氣3、培養(yǎng)基二、發(fā)酵的一般工藝第二十四頁，共五十一頁。（培養(yǎng)基）菌種

原料↓

(大眾化、廉價、質(zhì)量穩(wěn)定)純化、復壯

↓↓

預處理斜面

↓（同一批多轉(zhuǎn)幾支，一罐一支，防止退化）

配料、調(diào)漿（淀粉）↓

↓三角瓶種子

蒸料（糊化、消毒）

↓

↓種曲←

空氣

冷卻↓

制曲←空氣

↓

發(fā)酵←空氣

↓

壓榨等后處理

↓

包裝

第二十五頁，共五十一頁。

影響培養(yǎng)基滅菌的因素：

溫度、時間：溫度低點，可在培養(yǎng)基中加入甲醛或過氧化氫，因加入可達滅菌目的，在加熱時可揮發(fā)掉不影響微生物生長。高溫時，可大量縮短時間。

pH值：中性pH條件下微生物較耐熱，但在酸或堿性條件下易滅菌。越酸，時間短。

油脂、糖類，蛋白等生物大分子：會增加微生物耐熱性（生物大分子對微生物的保護作用），將微生物包起來，含量越多，死亡速率越慢，高鹽可加快微生物死亡，削弱微生物耐熱性。

泡沫：越多越耐熱

培養(yǎng)基顆粒大小：顆粒越小，微生物越易殺死第二十六頁，共五十一頁。

發(fā)酵食品是以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵，其根本是原料在一特定的微生物和合適的條件下轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程。這一過程可分為三個階段。第三節(jié)發(fā)酵食品形成的一般生化歷程第二十七頁，共五十一頁。原料降解階段：淀粉、Pro、Fat、果膠、半纖維素、木質(zhì)素及其它物質(zhì)的降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化階段：醇類、有機酸、AA、脂肪酸、其它物質(zhì)的形成產(chǎn)物再平衡：原料第一階段第二階段第三階段發(fā)酵食品形成的一般生化歷程酯類等風味物質(zhì)的形成第二十八頁，共五十一頁。生化特征：大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)以利于微生物細胞膜的選擇吸收，原料開始液化、糖化。（如味精廠淀粉入水加酶作用）動力：霉菌、細菌或酶制劑作用：為進一步發(fā)酵（如酵母菌）提供基質(zhì)主要物質(zhì)變化：第一階段：原料降解階段第二十九頁，共五十一頁。（1）淀粉的水解：淀粉：D—Glu以α—1，4—糖苷鍵連接而成。易水解、與水共熱裂解；與無機酸共熱徹底水解為D—Glu。分為直鏈淀粉（卷曲螺旋結(jié)構(gòu)，每個螺旋間含6個Glu殘基）和支鏈淀粉（α—1，6—糖苷鍵形成分支）。主要物質(zhì)變化第三十頁，共五十一頁。淀粉酶：α—淀粉酶：液化型，也稱淀粉—1，4—糊精酶。產(chǎn)物為糊精β—淀粉酶：也稱淀粉—1，4—麥芽糖苷酶。產(chǎn)物為麥芽糖γ—淀粉酶：也稱淀粉—1，4—、—1，6—葡萄糖苷酶，或葡萄糖淀粉酶。異淀粉酶：淀粉—1，6—糊精酶，分解支鏈中的a-1，6-糖苷鍵磷酸脂酶：極強液化力，產(chǎn)生葡萄糖和磷酸淀粉的水解第三十一頁，共五十一頁。淀粉的糊化：淀粉在適當溫度（60-80℃）下在水中溶脹、分裂形成均勻糊狀溶液的過程，又稱淀粉的α化。糊化本質(zhì)：淀粉中有序及無序（晶質(zhì)與非晶質(zhì)）態(tài)的淀粉分子之間氫鍵斷開，分散在水中成為膠體溶液。第三十二頁，共五十一頁。淀粉的老化：淀粉溶液經(jīng)緩慢冷卻或淀粉凝膠經(jīng)長期放置，變得不透明或沉淀。溫度：2℃-4℃易老化，90℃以上或-20℃以下不易

水分：含水量30%-90%間淀粉易老化，10%以下不易

結(jié)構(gòu)：直鏈易老化，支鏈不易老化，聚合度高的易老化老化本質(zhì)：α化的淀粉分子又自動排列成序，形成致密、高度晶化的不溶性的淀粉分子膠束

可視為糊化的逆轉(zhuǎn)，但不是徹底復原，仍為生淀粉（β—）的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但晶化程度比生淀粉低。第三十三頁，共五十一頁。淀粉水解歷程：注：糊精化程度低的稱為可溶性淀粉，碘檢時仍呈藍色淀粉（深藍）單糖糊精（藍）無色糊精寡糖（多苷鏈的片段）（低于6個殘基）淀粉的水解第三十四頁，共五十一頁。（2）蛋白質(zhì)的降解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及作用力：一級——肽鍵（或酰胺鍵）二級——α-螺旋，β-折疊，氫鍵、堿基堆積力三級——空間結(jié)構(gòu)、鹽鍵、二硫鍵、氫鍵、范德華力四級——亞基組合第一階段：原料降解階段第三十五頁，共五十一頁。蛋白酶：

外肽酶：分為羧肽酶、氨肽酶，切下氨基酸

內(nèi)肽酶：從鏈內(nèi)部切，生成多個多肽或小肽

酸性蛋白酶：適于在低pH（酸性）下作用中性蛋白酶：適于在中性條件下作用堿性蛋白酶：適于在高pH（堿性）下作用蛋白質(zhì)的降解第三十六頁，共五十一頁。蛋白質(zhì)水解歷程：蛋白質(zhì)胨寡肽氨基酸蛋白酶（內(nèi)肽酶）蛋白酶（內(nèi)肽酶）蛋白酶（外肽酶）第三十七頁，共五十一頁。（3）纖維素的降解

纖維素酶

纖維素葡萄糖

半纖維素酶半纖維素葡萄糖

第一階段：原料降解階段第三十八頁，共五十一頁。（4）果膠和木質(zhì)素的降解

果膠酯酶、果膠水解酶、果膠裂解酶果膠

單體、二聚體、三聚體

酚氧化酶、漆酶、過氧化物酶木質(zhì)素香氣成分前體（如：愈創(chuàng)木酚）

植物性原料用于發(fā)酵，果膠、木質(zhì)素需先水解成糖，才能將纖維素和其它內(nèi)部成分暴露出來第一階段：原料降解階段第三十九頁，共五十一頁。（5）類脂化合物第一階段：原料降解階段脂肪、磷脂、游離脂肪酸、蠟類、油類脂肪酸甘油芳香氣味脂肪酶β-氧化第四十頁，共五十一頁。生化特征：小分子降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物，如有機酸、醇等。主要途徑：乳酸發(fā)酵、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵第二階段：目的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化階段第四十一頁，共五十一頁。乳酸發(fā)酵：

正（同）型乳酸發(fā)酵：能利用80%-90%的糖轉(zhuǎn)化為乳酸（HPP，EMP途徑），特征的關(guān)鍵酶：醛縮酶，所以乳酸產(chǎn)量高。如：干酪乳桿菌、Lb.St.等異型乳酸發(fā)酵：能利用50%以上的糖轉(zhuǎn)化為乳酸（HMP途徑），同時產(chǎn)生其它產(chǎn)物如乙醇、醋酸、二氧化碳等。如：戊糖片球菌、短乳桿菌、雙歧桿菌等引申：益生菌產(chǎn)品（微生態(tài)制劑、雙歧酸奶、含抗奶、巨克）幾種降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化第四十二頁，共五十一頁。酒精發(fā)酵：幾種降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化酒精葡萄糖或其他可酵糖（單糖、二糖、部分三糖）酒化酶第四十三頁，共五十一頁。醋酸發(fā)酵：或異型乳酸發(fā)酵→醋酸（如短乳桿菌、雙歧桿菌）甘油發(fā)酵：耐高滲的魯氏酵母、蜂蜜酵母將葡萄糖轉(zhuǎn)化為甘油。幾種降解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化乙酸乙醇氧化酶第四十四頁，共五十一頁。生化特征：發(fā)酵產(chǎn)物間相互作用，產(chǎn)生風味物質(zhì)，形成特有風味體系（可理解為釀造食品的“陳釀”）典型反應:酯化反應作用：降低了醇和酸的濃度，增加酯香，風味醇和第三階段：產(chǎn)物再平衡階段第四十五頁，共五十一頁。微生物：細菌如：老窖酒的生產(chǎn)陳釀中形成：丙酸菌→丙酸乙酯→芝麻香酯酸乙酯→香蕉味、弱蘋果味、味淡丁酯酸乙酯→甜菠蘿香、量大則臭；微麻、微酸已酯酸乙酯→窖府香、鳳梨香、微辣第四十六頁，共五十一頁。食品的發(fā)酵歷程是原料中的無機物、有機物、以及為生物復合體代謝的動態(tài)表現(xiàn)，其中微生物的演替過程為：第一階段：原料處理后，由于溫度、RH適宜，料醅表面的微生物迅速繁殖，經(jīng)一段時間競爭后各類生理類群的微生物按一定比例定居下來。二、發(fā)酵食品形成過程中微生物菌群演替第四十七頁，共五十一頁。第