發(fā)酵與釀造技術(shù)3發(fā)酵培養(yǎng)基的制備課件

項(xiàng)目三發(fā)酵培養(yǎng)基的制備學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.知道發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分及來源。培養(yǎng)基的不同分類和配制原則。2.能陳述淀粉水解糖制備的原理。能陳述淀粉水解糖制備常用方法。知道不同淀粉水解糖制備方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。技能目標(biāo)1.會(huì)按常規(guī)流程來制備培養(yǎng)基。按常見培養(yǎng)基成分表完成培養(yǎng)基的配制。2.能夠按工藝流程，控制條件來液化淀粉，進(jìn)行水解操作。判斷淀粉水解進(jìn)行達(dá)到什么程度。3.會(huì)運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決培養(yǎng)基制備過程中的質(zhì)量問題，并能分析問題。背景資料培養(yǎng)基的定義

人工配制的供微生物或動(dòng)植物細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、代謝和合成所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料。發(fā)酵培養(yǎng)基的作用滿足菌體的生長(zhǎng)促進(jìn)產(chǎn)物的形成發(fā)酵培養(yǎng)基的要求培養(yǎng)基的五大要素

碳源、氮源、無機(jī)元素、水、生長(zhǎng)因子

從微生物的營(yíng)養(yǎng)要求來看，所有的微生物都需要水、碳源、氮源、無機(jī)元素及生長(zhǎng)輔助物質(zhì)，如果是好氧微生物則還需要氧氣。

一、發(fā)酵培養(yǎng)基的成分及來源（一）工業(yè)上常用的碳源凡是用于構(gòu)成微生物細(xì)胞和代謝產(chǎn)物中碳素的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均稱為碳源。1、作用提供微生物菌種的生長(zhǎng)繁殖所需的能源和合成菌體所必需的碳成分提供合成目的產(chǎn)物所必須的碳成分2、來源生產(chǎn)中常用的碳源有糖類、油脂、有機(jī)酸、低碳醇和其它碳?xì)浠衔锏取?、工業(yè)上常用的糖類①葡萄糖②糖蜜③淀粉、糊精（二）工業(yè)上常用的氮源氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源。1、無機(jī)氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對(duì)它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化如：

(NH4)2SO4→2NH3+2H2SO4NaNO3+4H2→NH3+2H2O+NaOH1、無機(jī)氮源經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺，若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無機(jī)氮源稱為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。所以選擇合適的無機(jī)氮源有兩層意義：滿足菌體生長(zhǎng)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中的pH2、有機(jī)氮源來源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價(jià)的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟。成分復(fù)雜：除提供氮源外，有些有機(jī)氮源還提供大量的無機(jī)鹽及生長(zhǎng)因子。例玉米漿：①可溶性蛋白、生長(zhǎng)因子（生物素）、苯乙酸②較多的乳酸③硫、磷、微量元素等2、有機(jī)氮源氮源使用的一些相關(guān)問題：有機(jī)氮源和無機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期：容易利用易同化的氮源—無機(jī)氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質(zhì)有機(jī)氮源選取時(shí)也要考慮微生物的同化能力開發(fā)效果好、有針對(duì)性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣的課題（三）無機(jī)元素作用：微量元素常作為一些酶的輔基或激活劑。如Mg、S、P、Fe、K、Na、Mn、Co、Zn等。1、Fe作用：鐵是細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶和過氧化氫酶的組成部分，是菌體有氧代謝不可缺少的元素。鐵對(duì)谷氨酸菌有促進(jìn)生長(zhǎng)作用，但培養(yǎng)基中的鐵含量過高，會(huì)使發(fā)酵單位降低。2、P作用:磷酸鹽是核酸，核蛋白等重要細(xì)胞物質(zhì)的組成部分，在糖代謝磷酸化中也需要P（為高能磷酸鍵的組成部分），在菌體生長(zhǎng)，繁殖和代謝活動(dòng)中起著及其重要的作用。3、Mg2＋、Ca2+Mg2+作為許多重要酶的激活劑，另外是蛋白質(zhì)合成不可缺少的元素。Ca2＋能控制細(xì)胞透性，另外，更重要的一點(diǎn)是調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值。以CaCO3可與代謝過程中產(chǎn)生的酸起反應(yīng)，形成中性化合物及CO2氣體，有穩(wěn)定pH的作用，許多有機(jī)酸檸檬酸發(fā)酵中（如2－酮基－葡糖酸，乳酸）等酸性產(chǎn)物均加有CaCO3作為緩沖劑。4、S、K+、其它微量元素S是菌體細(xì)胞蛋白質(zhì)的組成部分，參與合成含硫氨基酸的元素，所以加硫酸氨（無機(jī)氮源），MgSO4.7H2O(Mg2+)亦可。K+維持細(xì)胞滲透壓。另外，在谷氨酸生產(chǎn)中。鉀離子控制：鉀離子降低，長(zhǎng)菌體，生長(zhǎng)需鉀離子0.01％;鉀離子升高，產(chǎn)酸，產(chǎn)酸需鉀離子0.02－0.1％（以K2SO4計(jì)）。Cu、Co、Zn在合成培養(yǎng)基中須加（如：CuSO4，ZnSO4,CoCl等）。（四）生長(zhǎng)因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑1、生長(zhǎng)因子從廣義上講，凡是微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長(zhǎng)因子。如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長(zhǎng)因子,生長(zhǎng)因子對(duì)發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用。有機(jī)氮源是這些生長(zhǎng)因子的重要來源.2、前體前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過程中合成到產(chǎn)物物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。發(fā)酵產(chǎn)品中常用的前體產(chǎn)品前體產(chǎn)品前體青霉素G青霉素V金霉素

鏈霉素紅霉素苯乙酸及有關(guān)衍生物苯氧乙酸氯化物

肌醇、精氨酸丙酸、丙醇、丙酸鹽維生素B12胡蘿卜素L-異亮氨酸

L-色氨酸L-絲氨酸鈷化物β-紫羅蘭酮α-氨基丁酸D-蘇氨酸鄰氨基苯甲酸甘氨酸3、產(chǎn)物促進(jìn)劑

所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。3、產(chǎn)物促進(jìn)劑促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的。有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物；有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，改善細(xì)胞與氧的接觸從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)；有人認(rèn)為表面活性劑對(duì)酶的表面失活有保護(hù)作用；有些促進(jìn)劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。4、抑制劑添加到發(fā)酵液中可增加所需代謝產(chǎn)物的濃度而抑制副產(chǎn)物的產(chǎn)生。例：谷氨酸發(fā)酵中使用青霉素以廢糖蜜為原料時(shí)，若原料中生物素含量很高，添加青霉素，可解除生物素過剩的影響而生成谷氨酸。原因是青霉素使菌體細(xì)胞壁的生物合成受阻，細(xì)胞壁失去了保護(hù)細(xì)胞膜的性能，使細(xì)胞膜受到機(jī)械損傷，有利于谷氨酸排出。（五）水對(duì)于發(fā)酵工廠來說，恒定的水源是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诓煌粗写嬖诘母鞣N因素對(duì)微生物發(fā)酵代謝影響甚大。水源質(zhì)量的主要考慮參數(shù)包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質(zhì)組成和含量。對(duì)于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻。二、培養(yǎng)基類型

培養(yǎng)基按其組成物質(zhì)的來源、狀態(tài)、用途可分為三大類型

1、按來源合成培養(yǎng)基

:原料其化學(xué)成分明確、穩(wěn)定適合于研究菌種基本代謝和過程的物質(zhì)變化規(guī)律，培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)單一，價(jià)格較高，不適合用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)天然培養(yǎng)基:采用天然原料原料來源豐富(大多為農(nóng)副產(chǎn)品)、價(jià)格低廉、適于工業(yè)化生產(chǎn)原料質(zhì)量等方面不加控制會(huì)影響生產(chǎn)穩(wěn)定性半合成培養(yǎng)基2、按狀態(tài)固體培養(yǎng)基

:適合于菌種和孢子的培養(yǎng)和保存，也廣泛應(yīng)用于有子實(shí)體的真菌類，如香菇、白木耳等的生產(chǎn)半固體培養(yǎng)基:即在配好的液體培養(yǎng)基中加入少量的瓊脂，一般用量為0.5%～0.8%,主要用于微生物的鑒定。液體培養(yǎng)基:80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的營(yíng)養(yǎng)成分，是發(fā)酵工業(yè)大規(guī)模使用的培養(yǎng)基。

3、按用途（從發(fā)酵生產(chǎn)應(yīng)用考慮）

培養(yǎng)基按其用途可分為孢子（斜面）培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基任務(wù)一培養(yǎng)基的配制一、發(fā)酵培養(yǎng)基選擇的原則1．提供合成微生物細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)物的基本成分。2．有利于減少培養(yǎng)基原料的單耗。3．有利于提高培養(yǎng)基中產(chǎn)物的濃度。4．有利于提高產(chǎn)物的合成速度，縮短發(fā)酵周期。5．減少副產(chǎn)物的形成，便于產(chǎn)物的分離純化。6．原料價(jià)格低廉，質(zhì)量穩(wěn)定，取材容易。7．所用原料盡可能減少對(duì)發(fā)酵過程中通氣攪拌的影響，利于提高氧的利用率降低能耗。二、培養(yǎng)基的配制原則1．根據(jù)微生物的培養(yǎng)需要2．營(yíng)養(yǎng)成分比例恰當(dāng)3．滲透壓4．pH值5．氧化還原電位6．營(yíng)養(yǎng)成分的加入順序三、配制培養(yǎng)基的基本過程

液體培養(yǎng)基配制1.原料稱量、溶解2.pH的調(diào)整3.培養(yǎng)基的過濾和澄清4.培養(yǎng)基的分裝5.塞棉塞和包扎6.培養(yǎng)基滅菌7.培養(yǎng)基的儲(chǔ)存固體曲料的配制

1.曲料的組成原料2.曲料的加水量“目”的定義

3·曲料pH值的調(diào)整任務(wù)二淀粉水解糖的制備

在工業(yè)生產(chǎn)中，將淀粉水解為葡萄糖的過程稱淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。（一）淀粉水解制糖的意義1.大多數(shù)微生物不能直接利用淀粉（所有的氨基酸生產(chǎn)菌不能直接利用）2.有些微生物能夠直接利用淀粉作原料，但必須在微生物產(chǎn)生淀粉酶后才能進(jìn)行，過程緩慢，發(fā)酵周期延長(zhǎng)。3.若直接利用淀粉作原料，滅菌過程的高溫會(huì)導(dǎo)致淀粉結(jié)塊，發(fā)酵液粘度劇增。（二）淀粉水解糖的制備方法及原理1、酸解法以酸為催化劑，在高溫高壓下使淀粉水解生成葡萄糖的方法。（1）水解過程：總反應(yīng)式：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6過程：(C6H10O5)n(C6H10O5)xC12H22O11C6H12O6

淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

H+對(duì)作用點(diǎn)無選擇性，-1,4-糖苷鍵和-1,6-糖苷鍵均被切斷。（2）淀粉水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)據(jù)研究，水解反應(yīng)速率常數(shù)k與下列幾個(gè)因素有關(guān)，并建立關(guān)系式如下。

K=α﹒cN﹒δ﹒γ

式中α--催化劑的活性常數(shù)，因不同種類的酸，其H+解離程度不同；

cN--酸性物質(zhì)的摩爾濃度（當(dāng)量濃度）；

δ--多糖的水解性常數(shù)，可以衡量各種多糖水解的難易程度；

γ--溫度對(duì)水解速率影響的常數(shù)。

（3）葡萄糖的復(fù)合反應(yīng)和分解反應(yīng)

在水解過程中，由于受到酸和熱的作用，一部分葡萄糖會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)和分解反應(yīng)。

淀粉

葡萄糖復(fù)合二糖（龍膽二糖）5‘－羥甲基糠醛復(fù)合低聚糖有機(jī)酸、有色物質(zhì)損失葡萄糖量

7％<1％復(fù)合反應(yīng)分解反應(yīng)鹽酸影響及控制（1）降低了葡萄糖的收率。（2）給產(chǎn)物的提取和糖化液的精制帶來困難。復(fù)合反應(yīng)：生成的多數(shù)復(fù)合糖不能被微生物利用，使發(fā)酵結(jié)束時(shí)殘?zhí)歉?。分解反?yīng)：生成的5‘－羥甲基糠醛是產(chǎn)生色素的根源，增加了糖化液精制脫色的困難。如何控制分解反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生？（1）淀粉乳濃度（2）酸濃度不能過高（3）溫度（3）評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，水解時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，設(shè)備周轉(zhuǎn)快。缺點(diǎn)：1）副產(chǎn)物多，影響糖液純度，一般DE值只有90％左右。2）對(duì)淀粉原料要求嚴(yán)格，不能用粗淀粉，只能用純度較高的精制淀粉。淀粉糖的含糖量表示法DE值：dextroseequivalentvalue（葡萄糖當(dāng)量值）表示淀粉糖的含糖量。還原糖含量（％）DE值＝

100％干物質(zhì)含量（％）淀粉乳濃度（%）DE值復(fù)合糖13.594622.589.610.418-20(10-12Beo)90-927（4）淀粉酸水解工藝1）淀粉酸水解的工藝流程原料（淀粉、水、鹽酸）→調(diào)漿→糖化→冷卻→中和、脫色→過濾除雜→糖液2）淀粉酸水解條件的控制及對(duì)糖液質(zhì)量的影響①淀粉乳濃度的選擇②酸的種類和用量③糖化的壓力和時(shí)間3）糖化設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)糖液質(zhì)量的影響糖化鍋的結(jié)構(gòu)對(duì)糖液質(zhì)量有影響容量一般不宜過大徑高比1：1.5左右糖化鍋的附屬管道應(yīng)保證進(jìn)出料迅速，物料受熱均勻，有利于升壓，有利于消滅死角，盡量縮短加料、放料、升溫、升壓等輔助時(shí)間。4）水解糖液中和脫色除雜①中和：中和是降低糖液的酸度，調(diào)節(jié)pH值使糖液中膠體物質(zhì)析出，便于過濾除去。中和溫度以80℃為好，避免溫度過高，產(chǎn)生焦糖，使色澤加深。且溫度高不利于脫色。②脫色、除雜：水解糖液中存在雜質(zhì)，對(duì)菌體發(fā)酵不利，也影響產(chǎn)品的提煉。其方法有活性炭吸附法、離子交換法、新型磺化煤脫色。③壓濾：一般采用60～70℃溫度壓濾適宜。2、酶解法用專一性很強(qiáng)的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。分兩步：（1）液化：用α-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又稱葡萄糖淀粉酶）將糊精和低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。所以，淀粉的液化和糖化又稱雙酶法。（1）液化1）淀粉酶的水解作用

α-淀粉酶能水解淀粉內(nèi)部的α-1，4糖苷鍵，不能水解α-1，6糖苷鍵，但能越過α-1，6糖苷鍵繼續(xù)水解α-1，4糖苷鍵，而將α-1，6糖苷鍵留在水解產(chǎn)物中。

2）淀粉液化的條件及液化程度的控制①淀粉的糊化與老化②液化的方法與選擇3）蒸汽噴射液化工藝及條件①調(diào)漿→配料→一次噴射液化→液化保溫→二次噴射→高溫維持→二次液化→冷卻→（糖化）②淀粉液化條件③液化程度控制（2）糖化1）糖化酶的水解作用糖化酶從非還原性末端水解-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵。終點(diǎn)確定：DE值達(dá)最高時(shí)，停止酶反應(yīng)。2）糖化工藝條件及控制液化→糖化→滅酶→過濾→貯糖計(jì)量→發(fā)酵（3）評(píng)價(jià)

優(yōu)點(diǎn)：（1）反應(yīng)條件溫和，不需高溫、高壓設(shè)備。（2）副反應(yīng)少，水解糖液純度高。（3）對(duì)原料要求粗放，可用粗原料并在較高淀粉乳濃度下水解。（4）糖液顏色淺，質(zhì)量高。缺點(diǎn)：（1）生產(chǎn)周期長(zhǎng)，一般需要48小時(shí)。（2）需要更多的設(shè)備，且操作嚴(yán)格。3、酸酶結(jié)合法（1