發(fā)酵工程原理及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

關(guān)于發(fā)酵工程原理及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用第一節(jié)概述

發(fā)酵：借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動(dòng)來制備微生物菌體本身，或其初級(jí)代謝產(chǎn)物、次級(jí)代謝產(chǎn)物的過程。

發(fā)酵工程：也稱微生物工程。利用微生物生長速度快、生長條件簡單以及代謝過程特殊等特點(diǎn)，在合適條件下，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，最大限度地發(fā)揮微生物的某種特定功能，以生產(chǎn)出人類所需的產(chǎn)品。

一、發(fā)酵工程的定義

第2頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（一）發(fā)酵工程主要研究對(duì)象

1.大規(guī)模微生物細(xì)胞培養(yǎng)過程；

2.大規(guī)模培養(yǎng)基滅菌和空氣滅菌過程；

3.微生物細(xì)胞生長和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)；

4.發(fā)酵過程的優(yōu)化；

5.生物反應(yīng)器的放大和設(shè)計(jì)；

6.發(fā)酵過程的參數(shù)監(jiān)控和計(jì)算機(jī)應(yīng)用；

7.發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化等工程技術(shù)問題。第3頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）發(fā)酵工程產(chǎn)品類型

1.以菌體為產(chǎn)品。(酵母菌、單細(xì)胞蛋白)2.以微生物的酶為產(chǎn)品。（堿性蛋白酶、淀粉酶）

3.以微生物的代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品。（氨基酸、脂類）

4.利用發(fā)酵作用，對(duì)某種化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，即產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過程。（醋的釀造）第4頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)酵工程的發(fā)展簡史

（一）天然發(fā)酵階段

主要產(chǎn)品有黃酒、白酒、啤酒、酒精和醋等。多數(shù)產(chǎn)品為厭氧發(fā)酵、非純種培養(yǎng)、憑經(jīng)驗(yàn)傳授技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定是這個(gè)階段的特點(diǎn)。（二）純培養(yǎng)技術(shù)的建立

純培養(yǎng)技術(shù)的建立是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)轉(zhuǎn)折時(shí)期。（三）通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立

通氣攪拌發(fā)酵技術(shù)的建立是發(fā)酵工業(yè)上的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

第5頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（四）代謝控制發(fā)酵技術(shù)由氨基酸發(fā)酵而開始的代謝控制發(fā)酵，使發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的階段。隨后，核苷酸、酶制劑以及有機(jī)酸等方面也利用代謝調(diào)控技術(shù)進(jìn)入發(fā)酵生產(chǎn)。（五）開拓發(fā)酵原料時(shí)期

石油化工副產(chǎn)物石蠟、醋酸、甲醇以及甲烷等碳?xì)浠衔锉挥脕碜鳛榘l(fā)酵原料。（六）基因工程階段使發(fā)酵工業(yè)能夠生產(chǎn)出自然界微生物所不能合成的產(chǎn)物，如胰島素、干擾素、白介素和多細(xì)胞生長因子等，大大地拓寬了發(fā)酵工業(yè)的范圍，使發(fā)酵工業(yè)發(fā)生了革命性變化。

第6頁,共98頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)酵工藝及方法

（一）固體發(fā)酵法利用固體基質(zhì)，如麩皮、米糠、秸稈等為主要原料，再根據(jù)需要添加其他谷糠、豆餅、無機(jī)鹽等，加水拌成含水量適度的半固態(tài)物料作為培養(yǎng)基，供微生物的生長繁殖和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。目前利用固體發(fā)酵法生產(chǎn)的產(chǎn)品有酒曲、白酒、醬油、食醋、腐乳、酶制劑、食用菌等。（二）液體發(fā)酵法

利用液態(tài)培養(yǎng)基，進(jìn)行微生物的生長繁殖和形成人們所需要的代謝產(chǎn)物。根據(jù)通氣（供氧）或不通氣及通氣方法的不同，又分為液體表面發(fā)酵法、液體深層通氣發(fā)酵法、液體厭氧發(fā)酵法三種。

第7頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

固體發(fā)酵與液體（深層）發(fā)酵相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)

1.固體發(fā)酵單位體積的酶產(chǎn)量往往高于液體發(fā)酵幾倍，甚至幾十倍，特別適合真菌酶類和一些次級(jí)代謝產(chǎn)物及大型真菌的生產(chǎn)。

2.操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，原料來源廣，價(jià)格低廉，可以利用多種其他發(fā)酵工藝無法利用的糧食加工下腳料或廢料進(jìn)行生產(chǎn)。

3.固體發(fā)酵僅需空氣自然對(duì)流或小量通風(fēng)即可，能耗低。

4.固體發(fā)酵的產(chǎn)物提取一般步驟少，降低生產(chǎn)成本。有些產(chǎn)物，如飼料或飼料添加劑，不需要分離步驟，全部發(fā)酵物質(zhì)可以作為產(chǎn)品。

5.發(fā)酵工藝全過程無廢水或很少，可以減少環(huán)境污染。第8頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

1.液體表面發(fā)酵法又稱液體淺盤發(fā)酵法或靜置培養(yǎng)法，是將已滅菌的液體培養(yǎng)基，接入微生物菌種后，裝入可密閉的發(fā)酵箱內(nèi)盤架上的淺盤中，薄薄一層，液層厚約1～2cm，然后向盤架間通入無菌空氣，通過淺盤內(nèi)培養(yǎng)基的表面供給氧氣，并維持一定的溫度進(jìn)行發(fā)酵。

優(yōu)點(diǎn)：無須攪拌，動(dòng)力消耗省。

缺點(diǎn)：控制雜菌污染較難，所需場地較大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。

第9頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.液體深層通氣發(fā)酵法將微生物接入裝有無菌液體培養(yǎng)基的封閉發(fā)酵罐中進(jìn)行培養(yǎng)或發(fā)酵的技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：①容易按照生產(chǎn)菌種對(duì)代謝營養(yǎng)物以及不同生理時(shí)期的通風(fēng)、攪拌、溫度和培養(yǎng)基pH值等的要求，選擇最佳培養(yǎng)條件。②產(chǎn)品純度高，質(zhì)量也較穩(wěn)定，還具有機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：易染菌、無菌操作要求高、設(shè)備投資大。

第10頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3.液體厭氧發(fā)酵法能作大規(guī)模液體培養(yǎng)的厭氧菌僅丙酮丁醇梭菌，用于丙酮的發(fā)酵生產(chǎn)。酒精、啤酒、葡萄酒、酸乳的發(fā)酵屬于兼性厭氧發(fā)酵，菌種培養(yǎng)時(shí)需要適量通氣，發(fā)酵時(shí)則不通氣。

優(yōu)點(diǎn)：可省略通氣和攪拌設(shè)備，簡化工藝過程，還能大大節(jié)約能源的消耗，提高生產(chǎn)效率。第11頁,共98頁，2024年2月25日，星期天四、我國發(fā)酵工業(yè)與先進(jìn)國家相比，存在的

主要差距1.傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品及產(chǎn)量發(fā)展過大過快酒類、谷氨酸、檸檬酸、普通酶制劑和抗生素等。

2.發(fā)酵產(chǎn)品工業(yè)產(chǎn)值在國民生產(chǎn)總值中的比例較低（1%）以下

3.發(fā)酵產(chǎn)品檔次低，品種少，不配套。

4.技術(shù)創(chuàng)新力度不夠，低水平重復(fù)現(xiàn)象嚴(yán)重。第12頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.菌種能在廉價(jià)原料制成的培養(yǎng)基上迅速生長和繁殖，并且生成所需的代謝產(chǎn)物產(chǎn)量要高。

2.菌種可以在要求不高，易于控制的培養(yǎng)條件下（糖濃度、溫度、pH值、溶解氧和滲透壓等）迅速生長和發(fā)酵。

3.菌株生長速度和產(chǎn)物生成速度應(yīng)較快，發(fā)酵周期較短。第二節(jié)食品發(fā)酵菌種篩選一、食品發(fā)酵工業(yè)對(duì)微生物菌種的一般要求

第14頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

4.根據(jù)代謝控制的要求，選擇單產(chǎn)高的營養(yǎng)缺陷型突變菌株、調(diào)節(jié)突變菌株或野生菌株。

5.選擇一些不易被噬菌體感染的菌株。

6.生產(chǎn)菌種純度高，不易變異退化，以保證發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

7.菌體不能是病源菌，不產(chǎn)生任何有害的生物活性物質(zhì)（包括激素和毒素等），以保證安全。第15頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、食品發(fā)酵工業(yè)常用微生物（一）細(xì)菌

發(fā)酵工業(yè)中常用的細(xì)菌：枯草芽孢桿菌（蛋白酶、淀粉酶）、乳酸桿菌（乳酸）、醋酸桿菌（醋酸）、梭狀芽孢桿菌（丙酮、丁醇）、巨大芽孢桿菌（葡萄糖異構(gòu)酶）、大腸桿菌（谷氨酸脫羧酶、天冬酰胺酶等）、產(chǎn)氨短桿菌（氨基酸、核苷酸）等。第16頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）酵母菌發(fā)酵工業(yè)中常用的酵母：釀酒酵母、漢遜酵母和各種假絲酵母等。除了用來釀造飲料酒、酒精和烤制面包外，還可用于生產(chǎn)甘油、酶制劑、有機(jī)酸等。此外，由于酵母菌體本事富含蛋白質(zhì)、核糖核酸、細(xì)胞色素C、酶類及多種維生素，又是醫(yī)藥、食品、飼料行業(yè)中的重要原料。第17頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）霉菌發(fā)酵工業(yè)中常用的霉菌：根霉屬，主要產(chǎn)淀粉酶、脂肪酶、乳酸、甾體激素等；毛霉屬，主要產(chǎn)蛋白酶、凝乳酶、草酸、甾體激素等；木霉屬，主要產(chǎn)纖維素酶等；青霉屬，主要產(chǎn)脂肪酶、葡萄糖氧化酶、維生素等；曲霉屬，主要產(chǎn)維生素C、檸檬酸、各種水解酶類等。第18頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（四）擔(dān)子菌擔(dān)子菌的多糖物質(zhì)具有很強(qiáng)的生理活性，尤其是提高機(jī)體免疫力、抗腫瘤作用等方面越來越引起人們重視。此外，擔(dān)子菌通過液體發(fā)酵得到的菌絲體富含蛋白質(zhì)、多糖、維生素等，可用于食品、醫(yī)藥和保健行業(yè)。（五）藻類自然界分布極廣的一大群自養(yǎng)微生物資源，許多國家已把它用作人類保健食品和飼料。第19頁,共98頁，2024年2月25日，星期天三、生產(chǎn)菌種選育

（一）自然選育

在生產(chǎn)過程中，不經(jīng)過人工誘變處理，利用菌種的自發(fā)突變而進(jìn)行菌種篩選的過程。（二）誘變育種

利用物理或化學(xué)因素處理微生物細(xì)胞群體，促使其中少數(shù)細(xì)胞遺傳物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起菌體發(fā)生遺傳性變異，再用合理的篩選方法從細(xì)胞群體中篩選出少數(shù)具有優(yōu)良性狀的菌株。第20頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）雜交育種（原生質(zhì)體融合）

指兩個(gè)基因型不同的菌株通過結(jié)合或原生質(zhì)體融合使遺傳物質(zhì)重新組合，再從中分離和篩選出具有新性狀的菌株。（四）分子育種應(yīng)用基因工程方法進(jìn)行的育種。第22頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共98頁，2024年2月25日，星期天四、生產(chǎn)中常用菌種的保藏

（一）生產(chǎn)中菌種來源自然界分離篩選；菌種保藏機(jī)構(gòu)獲得；已有菌株中篩選突變株。（二）菌種保藏原理

根據(jù)微生物生理、生化特點(diǎn)人工創(chuàng)造條件，使微生物的代謝處于不活潑，生長繁殖受抑制的休眠狀態(tài)。這些人工造成的環(huán)境主要是低溫、干燥和缺氧三者，在此種條件下，使菌株很少發(fā)生突變，以達(dá)到保持純種的目的。

第24頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）菌種保藏方法

1.冷凍保藏

普通冷凍保藏技術(shù)（－5～－20℃）、超低溫冷凍保藏技術(shù)（－60～－80℃）和液氮（－196℃）冷凍保藏技術(shù)

2.凍干保藏

3.傳代保藏將菌種定期在新鮮瓊脂培養(yǎng)基上傳代，然后在一定溫度下生長和保存的傳代保藏方法。

4.礦物油中浸沒保藏

將瓊脂斜面或液體培養(yǎng)物浸入礦物油中于室溫下保藏。

5.干燥－載體保藏干孢子形成真菌和鏈霉菌時(shí)可通過吸附于干燥惰性固相載體如白土、硅膠或陶瓷表面獲得較長時(shí)間的保藏。第25頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（四）菌種保藏注意事項(xiàng)

1.菌種在保藏前所處的狀態(tài)一般以稍低于生長最適溫度培養(yǎng)至孢子成熟的菌種進(jìn)行保存，效果較好。

2.菌種保藏所用的基質(zhì)斜面低溫保藏所用的培養(yǎng)基，碳源比例應(yīng)少些。

3.操作過程對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損害第26頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（五）國內(nèi)重要保藏菌種機(jī)構(gòu)

1.普通微生物菌種保藏管理中心（CCGMC）中國科學(xué)院微生物研究所，北京（AS）：真菌、細(xì)菌中國科學(xué)院武漢病毒研究所，武漢（AS-IV）：病毒

2.農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心（ACCC）中國科學(xué)院土壤肥料研究所，北京（ISF）

3.工業(yè)微生物菌種保藏管理中心（CICC）中國食品發(fā)酵工業(yè)研究所，北京（IFFI）

4.獸醫(yī)微生物菌種保藏管理中心（CVCC）農(nóng)業(yè)部獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京（CIVBP）

第27頁,共98頁，2024年2月25日，星期天5.醫(yī)學(xué)微生物菌種保藏管理中心（CMCC）中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院皮膚病研究所，南京（ID）：真菌衛(wèi)生部藥品生物制品檢定所，北京（NICPBP）：細(xì)菌中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病毒研究所，北京（IV）：病毒

6.抗生素菌種保藏管理中心（CACC）中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院抗菌素研究所，北京（IA）四川抗菌素工業(yè)研究所，成都（SIA）：新抗菌素菌種華北制藥廠抗菌素研究所，石家莊（IANP）：生產(chǎn)用抗菌素菌種

第28頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)培養(yǎng)基的組成及制備

培養(yǎng)基：人工配制的供微生物或動(dòng)、植物細(xì)胞生長、繁殖、代謝和合成人們所需要的產(chǎn)物的營養(yǎng)物質(zhì)和原料。（一）按培養(yǎng)基的成分分類

合成培養(yǎng)基：原料的化學(xué)成分明確、穩(wěn)定，適用于研究菌種基本代謝的物質(zhì)變化。但是生產(chǎn)某些疫苗等生物制品的過程中，為了防止雜蛋白等其他雜質(zhì)混入，也常用合成培養(yǎng)基。合成培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分單一且價(jià)格昂貴，故不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

一、培養(yǎng)基的類型第29頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

天然培養(yǎng)基：原料是一些天然的動(dòng)植物產(chǎn)品，相對(duì)于合成培養(yǎng)基來說，其成分比較復(fù)雜，如玉米粉、花生粉、豆餅粉等。

優(yōu)點(diǎn)：營養(yǎng)豐富，適合于微生物的生長繁殖和目的產(chǎn)物的合成。一般天然培養(yǎng)基中不需要另加微量元素、維生素等物質(zhì)，且培養(yǎng)基組成的原料來源豐富、價(jià)格低廉，適合于工業(yè)生產(chǎn)。

缺點(diǎn)：由于天然培養(yǎng)基的組分復(fù)雜，不同產(chǎn)地、不同季節(jié)、不同品種的相同原料，各種成分含量有所不同，不易重復(fù)，若對(duì)原料質(zhì)量等方面不加控制會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

第30頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）按培養(yǎng)基外觀的物理狀態(tài)分類固體培養(yǎng)基：主要成分為麩皮、大米、小米、稻糠和瓊脂等，有的還含有一些其他營養(yǎng)成分。比較適用于菌種的分離和保存，也廣泛應(yīng)用于曲霉菌和有子實(shí)體的真菌類，如香菇、木耳、靈芝等的生產(chǎn)。半固體培養(yǎng)基：在配好的液體培養(yǎng)基中加入瓊脂，一般用量為0.5%～0.8%，培養(yǎng)基呈半固體狀態(tài)。主要用于鑒定菌種、觀察細(xì)菌運(yùn)動(dòng)特征及噬菌體的效價(jià)測定等。液體培養(yǎng)基：80%～90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的營養(yǎng)成分。流動(dòng)好，輸送方便，有利于氧氣、其他物質(zhì)和熱量的傳遞，便于發(fā)酵參數(shù)的控制，是搖瓶發(fā)酵和大規(guī)模工業(yè)發(fā)酵最常用的培養(yǎng)基。

第31頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）按用途分類

斜面培養(yǎng)基：供菌種繁殖的一種常用的固體培養(yǎng)基。這種培養(yǎng)基的要求是能使菌體迅速生長，并不易引起菌種發(fā)生變異。

種子培養(yǎng)基：供微生物大量生長，為發(fā)酵提供活力強(qiáng)的種子。配制原則：使種子生長旺盛，各種有關(guān)的初級(jí)代謝酶的活力高，有利于接入發(fā)酵培養(yǎng)基后大量、快速合成產(chǎn)物。種子培養(yǎng)基一般要求有機(jī)氮源和維生素的比例較高。

發(fā)酵培養(yǎng)基：供菌種生長、繁殖，得到所需要的目標(biāo)產(chǎn)物。既要使種子接種后能迅速生長達(dá)到一定的菌體濃度，又要使長好的菌體能迅速合成所需的產(chǎn)物。發(fā)酵培養(yǎng)基的組成除有菌體生長所必需的碳源、氮源、磷源等外，還要有產(chǎn)物合成所需的某些特定元素、前體和促進(jìn)劑等。

第32頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

孢子培養(yǎng)基：主要用于制備微生物孢子。要求此種培養(yǎng)基能形成大量的優(yōu)質(zhì)孢子，但不能引起菌種變異。

繁殖和保藏培養(yǎng)基：主要用于菌種保藏，一般根據(jù)微生物的種類和營養(yǎng)要求加以選擇。選擇培養(yǎng)基：根據(jù)某（種）類微生物的特殊營養(yǎng)要求或?qū)δ撤N化學(xué)、物理因素的抗性而設(shè)計(jì)的培養(yǎng)基，其功能是使混合菌樣品中劣勢菌變成優(yōu)勢菌，從而提高該（種）類的篩選效率。第33頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、培養(yǎng)基的配制原則（一）根據(jù)不同微生物的營養(yǎng)需要配制不同的培養(yǎng)基

不同的微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)不同，其培養(yǎng)基配方也不同。必須了解不同生產(chǎn)菌種的培養(yǎng)條件、代謝途徑、代謝產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)，從而確定最優(yōu)的培養(yǎng)基。（二）合適的碳氮比氮源過多，會(huì)使菌體生長過于旺盛，pH值偏高，不利于代謝產(chǎn)物的積累；氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量。碳源過多，則容易形成較低的pH值，不利于菌體的生長；若碳源不足則易引起菌體衰老和自溶。另外，碳氮比不當(dāng)還會(huì)影響菌體按比例地吸收營養(yǎng)物質(zhì)，直接影響菌體的生長和產(chǎn)物的形成。

第34頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

微生物在不同的生長階段，對(duì)碳氮比的最適要求也不一樣。一般工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的碳氮比約為100∶0.2～2.0?？焖倮玫矗ㄈ缌蛩徜@）：容易被菌體利用來生長，對(duì)某些產(chǎn)物的合成，特別是抗生素的合成有調(diào)節(jié)作用。

慢速利用氮源（如黃豆粉、花生粉）：對(duì)延長次級(jí)代謝產(chǎn)物的分泌期和提高產(chǎn)物產(chǎn)量有一定好處。

第35頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）合適的pH值

在配制培養(yǎng)基時(shí)，要注意生理酸堿性物質(zhì)，以及pH值緩沖劑的加入和搭配。要根據(jù)菌種的性能、其生長和合成產(chǎn)物時(shí)pH值的變化情況以及最適pH值控制范圍等，綜合考慮選用何種生理酸堿物質(zhì)及其用量，從而保證在整個(gè)發(fā)酵過程中pH值都能維持在最佳狀態(tài)；也可考慮用中間補(bǔ)料來控制pH值。（四）合適的滲透壓營養(yǎng)物質(zhì)濃度過低，不利于菌體的生長，也不利于提高產(chǎn)物的產(chǎn)量和設(shè)備利用率。但是，營養(yǎng)物質(zhì)濃度過高，則由于培養(yǎng)基溶液的滲透壓太大，會(huì)抑制微生物的生長，也不利于溶氧。同時(shí)培養(yǎng)基中的離子濃度也會(huì)影響微生物的生長及代謝。第36頁,共98頁，2024年2月25日，星期天三、發(fā)酵工業(yè)中常用的原料

（一）工業(yè)上常用碳源

目前使用最廣的碳源是淀粉，主要來自玉米、谷物、木薯等，還可以用經(jīng)水解得到的各種淀粉糖，如葡萄糖、麥芽糖等。使用最多的是葡萄糖，另外還有蔗糖、乳糖等。用于疫苗、一些基因工程產(chǎn)品生產(chǎn)的培養(yǎng)基，通常采用牛血清蛋白、牛肉汁、酵母粉等作為碳源。（二）工業(yè)上常用氮源氨水、硫酸銨、硝酸銨等為無機(jī)氮源；黃豆粉、花生粉、酵母粉、魚粉等都是有機(jī)氮源。一般來說，有機(jī)氮源更有利于微生物的生長。

第37頁,共98頁，2024年2月25日，星期天表2-1工業(yè)上常用的碳源及其來源碳源來源葡萄糖純葡萄糖、水解淀粉乳糖純?nèi)樘?、乳清粉淀粉玉米、大米、甘薯、大麥等蔗糖甜菜糖蜜、甘蔗糖蜜、粗紅糖、精白糖等第38頁,共98頁，2024年2月25日，星期天表2-2幾種常用有機(jī)氮源的含氮量氮源含氮量/%豆粕8.l花生粉8.0酵母水解物8.0血粉12.3大豆粉8.0菜子餅6.0棉子餅6.3玉米漿4.5第39頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）無機(jī)鹽根據(jù)需求量通常將無機(jī)鹽分為主要元素和微量元素。微量元素需求量極少，混雜在水或其他營養(yǎng)物中的極微數(shù)量就足以滿足微生物的需要。但無特殊原因，一般配制培養(yǎng)基時(shí)沒有另外加入微量元素的必要。

（四）水天然水含有不同類型和不同量的礦物質(zhì)，具有一定的硬度和堿度，水的質(zhì)量對(duì)微生物的生長和發(fā)酵產(chǎn)物的形成有一定影響。如一些著名的釀酒廠附近都有優(yōu)質(zhì)的水源。

第40頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（五）生長因子

一類對(duì)微生物正常代謝必不可少且不能用簡單的碳源或氮源自行合成的有機(jī)物。廣義的生長因子除了維生素外，還包括堿基、卟啉及其衍生物、甾醇、胺類、脂肪酸等。（六）消泡劑常用的消泡劑有植物油脂、動(dòng)物油脂和一些化學(xué)合成的高分子化合物。植物油脂：玉米油、豆油、棉籽油、菜籽油動(dòng)物油脂：鯨魚油、豬油高分子化合物：聚醚類和硅酮類

第41頁,共98頁，2024年2月25日，星期天四、培養(yǎng)基的滅菌

（一）消毒和滅菌

消毒:指殺滅引起感染的微生物。在治療學(xué)與衛(wèi)生學(xué)中消毒指的是殺滅病原微生物；在工業(yè)微生物中消毒指的是除去會(huì)引起污染的微生物。

滅菌:指殺死一切微生物（包括繁殖體和芽孢等），不分病原和非病原微生物。消毒一般多指化學(xué)因素處理，滅菌一般多指物理因素處理。消毒的結(jié)果并不一定是無菌狀態(tài)，滅菌的結(jié)果則是無菌狀態(tài)。

第42頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）滅菌方法

1.干熱滅菌法大多數(shù)的干熱滅菌是利用電熱或紅外線在某設(shè)備內(nèi)加熱到一定溫度將微生物殺死。干熱對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電介質(zhì)濃縮引起中毒等作用，氧化作用導(dǎo)致微生物死亡是干熱滅菌的主要根據(jù)。干熱滅菌用于要求滅菌后保持干燥的物料、器具等。

2.濕熱滅菌法借助蒸汽釋放的熱能使微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學(xué)鍵，特別是氫鍵受到破壞，引起不可逆的變性，從而使微生物死亡。在有水分存在的情況下，蛋白質(zhì)更易受熱凝固變性。

第43頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

（1）巴斯德消毒法

將待消毒的液體食品在63～65℃下保持30min，然后迅速冷卻，以殺死其中可能存在的病原菌，保持食品的營養(yǎng)和風(fēng)味。啤酒、黃酒、醬油、醋、牛奶等均用此法消毒。

（2）高壓蒸汽滅菌法

工業(yè)發(fā)酵菌種培養(yǎng)及生產(chǎn)過程培養(yǎng)基、管道和設(shè)備的滅菌主要利用此方法。一般在0.1MPa蒸汽壓（對(duì)應(yīng)溫度為121.0℃）下處理15～30min，即可達(dá)到滅菌目的。第44頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

（3）間歇滅菌法將待滅菌物品置于蒸鍋（蒸籠）內(nèi)常壓蒸15～30min，以殺死其中微生物營養(yǎng)細(xì)胞。冷后置于一定溫度（28～37℃）下培養(yǎng)過夜，促使第一次蒸煮中未被殺死的芽孢或孢子萌發(fā)成營養(yǎng)細(xì)胞，再用同樣的方法處理。如此反復(fù)三次，可殺滅所有營養(yǎng)細(xì)胞、芽孢和孢子，達(dá)到滅菌的目的。一般只用于有些不宜用高壓蒸汽滅菌的物品和培養(yǎng)基，例如，某些糖、明膠或牛奶培養(yǎng)基等。第45頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

3.過濾除菌法對(duì)于蛋白質(zhì)、酶、血清、維生素等熱敏性物質(zhì)，常采用微孔過濾除菌法。常用的微孔過濾有陶瓷膜、金屬膜、聚砜膜、尼龍膜，還有熔結(jié)玻璃細(xì)菌濾器、火棉膠、硝化纖維素濾膜等。一般孔徑為0.2～0.4μm，最大孔徑不超過1μm的過濾介質(zhì)可以得到無菌濾液。缺點(diǎn)是無法去除噬菌體或病毒。第46頁,共98頁，2024年2月25日，星期天4.放射性滅菌法通常用紫外線、x射線和γ射線等進(jìn)行滅菌，以紫外線最常用。紫外線對(duì)芽孢和營養(yǎng)細(xì)胞都能起作用，缺點(diǎn)：細(xì)菌芽孢和霉菌孢子對(duì)紫外線的抵抗力強(qiáng)，而且紫外線的穿透力低，只能用于表面滅菌，對(duì)固體物料滅菌不徹底，也不能用于液體物料滅菌。一般用于無菌室、培養(yǎng)室等空間滅菌。第47頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

5.化學(xué)藥品滅菌法高錳酸鉀溶液：滅菌作用是使蛋白質(zhì)、氨基酸氧化，使微生物死亡,常用濃度為0.1%-0.25%。漂白粉：殺菌作用是次氯酸鈉分解為次氯酸，后者不穩(wěn)定，在水溶液中分解為新生態(tài)氧和氯，使細(xì)菌受強(qiáng)烈氧化作用而導(dǎo)致死亡，對(duì)殺死細(xì)菌和噬菌體均有效。殺菌用的漂白粉：低標(biāo)準(zhǔn)漂白粉（含30%有效氯）、高標(biāo)準(zhǔn)漂白粉（含70%有效氯）和商品次氯酸鈉溶液（含15%有效氯）。

75%酒精溶液：殺菌作用在于使細(xì)胞脫水，引起蛋白質(zhì)凝固變性,對(duì)營養(yǎng)細(xì)胞、病毒、霉菌孢子均有殺滅作用，但對(duì)細(xì)菌芽孢的殺滅能力較差。常用于皮膚和器具表面殺菌。第48頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（一）液體培養(yǎng)基分批滅菌（實(shí)罐滅菌）、連續(xù)滅菌。（二）固體培養(yǎng)基蒸料，在固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)醬油和食醋中用得最廣。五、生產(chǎn)上培養(yǎng)基的滅菌方法第49頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)菌種活化與擴(kuò)大培養(yǎng)

菌種活化與擴(kuò)大培養(yǎng):指將保存的處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面培養(yǎng)活化后，再經(jīng)過茄子瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量純種的過程。這些純種培養(yǎng)物又稱為種子。種子擴(kuò)大培養(yǎng)的一般工藝流程：包括實(shí)驗(yàn)室制備階段和生產(chǎn)車間種子制備階段。

第52頁,共98頁，2024年2月25日，星期天一、實(shí)驗(yàn)室種子制備

（一）菌體制備

1.細(xì)菌和放線菌類細(xì)菌培養(yǎng)多采用肉湯瓊脂培養(yǎng)基，而放線菌類的孢子培養(yǎng)多數(shù)采用人工合成瓊脂培養(yǎng)基。細(xì)菌培養(yǎng)溫度大多為37℃，1～3d；放線菌類孢子的培養(yǎng)溫度大多數(shù)為28℃，部分菌種為30℃或37℃，培養(yǎng)時(shí)間一般為4～7d，也有的為14d。孢子成熟后，于5℃冰箱（庫）內(nèi)保存?zhèn)溆?，存放時(shí)間一般在一周內(nèi)，少數(shù)菌種可存放1～3個(gè)月。第53頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.霉菌類霉菌類孢子的培養(yǎng)多數(shù)采用大米、小米、麥麩等天然固體培養(yǎng)基。制好的孢子可放在5℃冰箱中保存?zhèn)溆?，也可通過真空干燥進(jìn)行保存?zhèn)溆?。?jīng)過真空干燥的孢子菌種可在生產(chǎn)上連續(xù)使用半年左右。第54頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）搖瓶種子制備

某些菌種的孢子發(fā)芽和菌體繁殖速度較緩慢，為了縮短種子罐培養(yǎng)周期和穩(wěn)定種子質(zhì)量，將孢子經(jīng)搖瓶培養(yǎng)成菌體后再進(jìn)罐，制成的種子稱為搖瓶種子。

制備搖瓶種子的目的：使孢子發(fā)芽長成健壯的菌體，同時(shí)對(duì)斜面孢子的質(zhì)量和無菌情況進(jìn)行考察，然后擇優(yōu)選用。

優(yōu)點(diǎn)：大大縮小了的種子罐。

缺點(diǎn)：工藝過程長，操作過程中染菌幾率較高。

第55頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、生產(chǎn)車間種子制備

（一）種子罐級(jí)數(shù)的確定

種子罐的作用：使實(shí)驗(yàn)室中有限數(shù)量的菌體發(fā)芽、生長并繁殖成大量菌體，接入發(fā)酵罐培養(yǎng)基后能迅速生長，達(dá)到一定菌體量，以利于產(chǎn)物的合成。

種子罐級(jí)數(shù)：制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)，一般根據(jù)菌種生長特性、孢子發(fā)芽和菌體繁殖速度，以及所采用發(fā)酵罐的容積而定。

一級(jí)發(fā)酵：在小型發(fā)酵罐（5～30L）中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用直接孢子或菌體接入罐中發(fā)酵。第56頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）種齡與接種量

1.接種種齡：種子罐中培養(yǎng)的菌體開始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí)間。過于年輕的種子接入發(fā)酵罐后，往往會(huì)出現(xiàn)前期生長緩慢，整個(gè)發(fā)酵周期延長，產(chǎn)物開始形成的時(shí)間推遲，甚至?xí)蚓w量過少而在發(fā)酵罐內(nèi)結(jié)球，造成異常發(fā)酵的情況。過老種子會(huì)引起生產(chǎn)能力下降而菌體過早自溶。種齡以菌體處于生命力極為旺盛的對(duì)數(shù)生長期，且培養(yǎng)液中菌體量還未達(dá)到最高峰時(shí)較為合適。第57頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.接種量接種量：移入的種子液體積和接種后培養(yǎng)液體積的比例。采用較大的接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌體繁殖到達(dá)高峰的時(shí)間，使產(chǎn)物的形成提前到來。如果接種量過多，往往使菌體生長過快，培養(yǎng)液黏度增加，造成溶解氧不足，從而影響產(chǎn)物的合成。近年來，生產(chǎn)上多以加大種子量及采用豐富培養(yǎng)基作為獲得高產(chǎn)的措施。第58頁,共98頁，2024年2月25日，星期天三、菌種質(zhì)量的要求

優(yōu)質(zhì)種子必須具備下列條件：

1.菌種細(xì)胞的生長活力強(qiáng)，移種到發(fā)酵罐后能迅速生長以縮短延滯期。

2.生理性狀穩(wěn)定，以便得到穩(wěn)定的菌體生長過程。

3.具有適宜的菌體總量及濃度，以滿足大容量發(fā)酵的要求。

4.無雜菌污染，以確保整個(gè)發(fā)酵過程正常進(jìn)行。

5.保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，使最終產(chǎn)物的生物合成量持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)。第59頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)空氣除菌（一）空氣中微生物的分布一般寒冷的北方比暖和、潮濕的南方含菌量少；離地面越高含菌量越少，高度增加10米，微生物數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)；工業(yè)城市比農(nóng)村空氣中含菌量高。設(shè)計(jì)時(shí)以含量為103～104個(gè)進(jìn)行計(jì)算。（二）發(fā)酵對(duì)空氣無菌程度的要求根據(jù)所用菌種的生長能力強(qiáng)弱、生長速度快慢、菌種分泌物的性質(zhì)、發(fā)酵周期的長短、培養(yǎng)物的營養(yǎng)成分和pH值的差異而確定。一、通氣發(fā)酵對(duì)無菌空氣的要求第60頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、空氣除菌的方法

（一）加熱滅菌

加熱滅菌是將空氣加熱至一定溫度，并維持一定時(shí)間，殺滅空氣中的微生物的方法。（二）靜電除菌能耗低（處理1000m3耗電0.4～0.8kW.h）；空氣壓力損失少（0.1MPa左右）；對(duì)1μm塵粒的捕集效率達(dá)99%以上；設(shè)備龐大，屬高壓電技術(shù)。（三）輻射殺菌

參考相關(guān)書籍（四）過濾除菌參考相關(guān)書籍第61頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第62頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)微生物發(fā)酵動(dòng)力學(xué)

初級(jí)代謝產(chǎn)物：微生物代謝產(chǎn)生的，并是微生物自身生長繁殖所必需的代謝產(chǎn)物。例如，氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)、多糖和核酸等。次級(jí)代謝產(chǎn)物：微生物代謝產(chǎn)生的，這些代謝產(chǎn)物不是生長所必需，但可能對(duì)產(chǎn)生菌的生存有一定的價(jià)值，或者說與菌體的生長繁殖無明確關(guān)系。例如，抗生素、生物堿和色素等。一、微生物代謝產(chǎn)物類型

第63頁,共98頁，2024年2月25日，星期天二、發(fā)酵操作方式

（一）分批發(fā)酵

將營養(yǎng)物和菌種一次加入發(fā)酵罐進(jìn)行培養(yǎng)，直到發(fā)酵結(jié)束放出，中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外部沒有物料交換。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，被廣泛用于多種發(fā)酵過程。

缺點(diǎn)：總的生產(chǎn)能力不是很高；發(fā)酵周期中非生產(chǎn)時(shí)間較長，使得發(fā)酵產(chǎn)品成本提高。

第64頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.與生長相關(guān)聯(lián)型指微生物的比生長速度與目的產(chǎn)物的比生產(chǎn)速度正比，產(chǎn)物量與生成量同時(shí)達(dá)到最大。一般為初級(jí)代謝產(chǎn)物。例如，單細(xì)胞蛋白和葡萄糖酸、酒精發(fā)酵等，但也有微生物合成的某些酶類。

第65頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.與生長部分相關(guān)聯(lián)型這類代謝產(chǎn)物也是來自能量代謝所用的基質(zhì)，但產(chǎn)物在菌體生長達(dá)到一定水平后開始形成，其分批發(fā)酵出現(xiàn)兩個(gè)高峰，先是出現(xiàn)基質(zhì)消耗和菌體生長的高峰，沒有或很少形成產(chǎn)物，然后是菌體生長進(jìn)入靜止期，出現(xiàn)產(chǎn)物形成的高峰，即產(chǎn)物形成和菌體生長基本分開，例如，檸檬酸和某些氨基酸的發(fā)酵。第66頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3.與生長不相關(guān)聯(lián)型有些發(fā)酵過程，產(chǎn)物的形成速度與細(xì)胞的積累量有關(guān)，產(chǎn)物合成速度與菌體量成正比。這類產(chǎn)物來自兩步代謝途徑，而不是來自分解代謝途徑，在基質(zhì)消耗和菌體生長之后，菌體利用中間代謝反應(yīng)來形成產(chǎn)物，初級(jí)代謝和產(chǎn)物形成完全分開，如許多抗生素的發(fā)酵。第67頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）連續(xù)發(fā)酵指以一定的速度向發(fā)酵罐內(nèi)添加新鮮培養(yǎng)基，同時(shí)以相同的速度流出培養(yǎng)液，從而使發(fā)酵罐內(nèi)的液量維持恒定，微生物在穩(wěn)定狀態(tài)下生長。優(yōu)點(diǎn)：①可以維持穩(wěn)定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量也相應(yīng)保持穩(wěn)定。②能夠更有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作人員與病原微生物和毒性產(chǎn)物接觸的機(jī)會(huì)。③減少設(shè)備清洗、準(zhǔn)備和滅菌等非生產(chǎn)占用時(shí)間，提高設(shè)備利用率，節(jié)省勞動(dòng)力和工時(shí)。④由于滅菌次數(shù)減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長。⑤容易對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化，有效地提高發(fā)酵產(chǎn)率。

第68頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

缺點(diǎn)：①由于是開放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長，容易造成雜菌污染。②在長周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異。③對(duì)設(shè)備、儀器及控制元件的技術(shù)要求較高。④黏性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長和在發(fā)酵液內(nèi)結(jié)團(tuán)，給連續(xù)發(fā)酵操作帶來困難。主要應(yīng)用于研究工作中，如發(fā)酵動(dòng)態(tài)參數(shù)的測定、過程條件的優(yōu)化試驗(yàn)等，而在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還不多。目前連續(xù)培養(yǎng)方法在食品工業(yè)中的應(yīng)用還局限于面包酵母、啤酒等的生產(chǎn)等。

第69頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。通過向培養(yǎng)系統(tǒng)中補(bǔ)充物料，可以使培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物濃度較長時(shí)間地保持在一定范圍內(nèi)，既保證微生物的生長需要，又不會(huì)造成不利影響，從而達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。

第70頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

優(yōu)點(diǎn)：①它可以解除營養(yǎng)物基質(zhì)的抑制、產(chǎn)物反饋抑制效應(yīng)。②對(duì)于好氧發(fā)酵，它可以避免在分批發(fā)酵中因一次性投入糖過多造成細(xì)胞大量生長、耗氧過多，以至通風(fēng)攪拌設(shè)備不能匹配的狀況，還可以在某些情況下減少菌體生成量，提高有用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。③在真菌培養(yǎng)中，菌絲的減少可以降低發(fā)酵液的黏度，便于物料輸送及后處理。④與連續(xù)發(fā)酵相比，它不會(huì)產(chǎn)生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續(xù)發(fā)酵廣。第71頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.單一補(bǔ)料分批發(fā)酵在開始時(shí)投入一定量的基礎(chǔ)培養(yǎng)基，到發(fā)酵過程的適當(dāng)時(shí)期，開始連續(xù)補(bǔ)加碳源或（和）氮源或（和）其他必需基質(zhì)，直到發(fā)酵液體積達(dá)到發(fā)酵罐最大操作容積后，停止補(bǔ)料，最后將發(fā)酵液一次全部放出。

2.反復(fù)補(bǔ)料分批發(fā)酵在單一補(bǔ)料分批發(fā)酵的基礎(chǔ)上，每隔一定時(shí)間按一定比例放出一部分發(fā)酵液，使發(fā)酵液體積始終不超過發(fā)酵罐最大操作容積，從而在理論上可以延長發(fā)酵周期，直至發(fā)酵產(chǎn)率明顯下降，才最終將發(fā)酵液全部放出。

第72頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

補(bǔ)料技術(shù)已由少次多量、少量多次逐步改為流加，近年又實(shí)現(xiàn)了流加補(bǔ)料的微機(jī)控制。但是，發(fā)酵過程中的補(bǔ)料量或補(bǔ)料率目前在生產(chǎn)中還只是憑經(jīng)驗(yàn)確定，或者根據(jù)一、兩個(gè)一次檢測的靜態(tài)參數(shù)（例如，基質(zhì)殘留量、pH值、溶解氧濃度等）設(shè)定控制點(diǎn)，帶有一定的盲目性，很難同步地滿足微生物生長和產(chǎn)物合成的需要，也不可能完全避免基質(zhì)的調(diào)控反應(yīng)，因而現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料的優(yōu)化控制。目前，食品工業(yè)中運(yùn)用補(bǔ)料分發(fā)批發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)和研究的范圍十分廣泛，包括氨基酸、維生素、酶制劑、有機(jī)酸和核苷酸等。隨著研究工作的深入及微機(jī)在發(fā)酵過程自動(dòng)控制中的應(yīng)用，補(bǔ)料分批發(fā)酵技術(shù)將日益發(fā)揮出其巨大的優(yōu)勢。第73頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

（一）真菌多糖真菌多糖不但能治療機(jī)體因免疫系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p傷而出現(xiàn)的癌癥和多種免疫缺損疾病，還能誘導(dǎo)干擾素的產(chǎn)生，而且真菌多糖作為藥物，對(duì)體細(xì)胞的毒性極小。真菌多糖除了臨床上可用于癌癥的免疫治療，其獨(dú)特的保健作用也為真菌多糖特別是食用菌多糖在食品工業(yè)上的開發(fā)利用開辟了廣闊的市場前景。例如，靈芝多糖、香菇多糖、金針菇多糖、冬蟲夏草多糖。第八節(jié)發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用一、發(fā)酵工程與功能性食品第74頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）生物活性肽生物活性肽是指那些具有特殊生理功能的肽類。人們研究發(fā)現(xiàn)，小肽（2～7個(gè)氨基酸）在人體內(nèi)的消化吸收優(yōu)于游離氨基酸，且兩者有不同的輸送體系。這些小肽不僅能提供人體生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)物質(zhì)與能量，還能調(diào)節(jié)人體生理功能，起到防病治病的作用。由于食品蛋白質(zhì)母體或其組成氨基酸不具備這些作用，因此引起了食品學(xué)術(shù)界的廣泛重視。

研究人員已從以下三種途徑獲得了多種生物活性肽

1.從組織器官中提取的生物活性肽。但是這些生物活性肽大部分含量甚微或提取繁瑣，不足以大量生產(chǎn)供給所需，只局限于生產(chǎn)某些有特殊療效的肽類藥物。

第75頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.通過化學(xué)法（液相或固相）或重組DNA技術(shù)合成的生物活性肽。由于化學(xué)合成法生產(chǎn)成本高、副產(chǎn)物多以及各種化合物殘留的問題，因此限制了它的應(yīng)用；重組DNA技術(shù)合成法被廣泛應(yīng)用，但是這種方法多用來生產(chǎn)長肽和蛋白質(zhì)，而許多生物活性肽都是短肽，所以也限制了這種方法的使用。

3.體外酶解蛋白質(zhì)和發(fā)酵法產(chǎn)生的生物活性肽。由于體外酶解法具有安全衛(wèi)生、原料來源廣和價(jià)格低廉、控制反應(yīng)時(shí)間可以得到特定的生物活性肽等優(yōu)點(diǎn)，已引起食品科學(xué)家的濃厚興趣

。第76頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

實(shí)例一谷胱甘肽（簡稱GSH）一種具有多種重要生理功能的活性肽，它是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸經(jīng)肽鍵縮合而成，存在于動(dòng)物、大多數(shù)植物細(xì)胞及微生物中。谷胱甘肽（GSH）的分子結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)活潑的巰基－SH，易被氧化脫氫，因而GSH具有抗氧化性，能清除自由基，使生物大分子、生物膜免受損害。谷胱甘肽能夠作為多種酶反應(yīng)的輔酶，對(duì)生物分子蛋白質(zhì)的巰基有保護(hù)作用，可維持某些酶的活性。臨床上谷胱甘肽被用作治療肝病、重金屬中毒、放射線損傷等的藥物。谷胱甘肽作為一種多功能的生物活性物質(zhì)，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，市場需求量日漸增大。

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實(shí)例二乳酸鏈球菌肽（nisin）

又稱乳酸鏈球菌素，是由乳酸乳球菌的某些菌株產(chǎn)生的一種肽，它是由34個(gè)氨基酸組成，相對(duì)分子質(zhì)量約為3354。純的乳酸鏈球菌肽的等電點(diǎn)為pH9。能有效抑制許多引起食品腐敗的革蘭氏陽性菌及病原菌的繁殖。毒理和生物學(xué)研究表明乳酸鏈球菌肽對(duì)人體安全無毒。1969年，F(xiàn)AO／WHO聯(lián)合食品添加劑專家委員會(huì)確認(rèn)乳酸鏈球菌肽可作為食品防腐劑。乳酸鏈球菌肽廣泛用于乳制品、罐頭食品、植物蛋白食品、肉制品及乙醇飲料生產(chǎn)中，它能抑制孢子萌發(fā)，特別適用于熱加工食品防腐保鮮。

第78頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（三）功能性不飽和脂肪酸

1.γ-亞麻酸（GLA）（1）γ-亞麻酸及其生理功能

γ-亞麻酸是一種有18個(gè)碳原子、含3個(gè)不飽和雙鍵的直鏈脂肪酸，為全順6,9,12-十八碳三烯酸，[CH3(CH2)4CH＝CHCH2CH＝CHCH2CH＝CH(CH2)4COOH]，是人體必需的三種不飽和脂肪酸（亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸）之一。作為合成人體前列腺素的前體物質(zhì)，在人體內(nèi)擴(kuò)張血管、抑制血液凝固、調(diào)節(jié)體內(nèi)膽固醇代謝及增強(qiáng)免疫功能等方面起著十分重要的作用，被認(rèn)為是具特殊醫(yī)療保健作用的營養(yǎng)素。臨床已將γ-亞麻酸用于預(yù)防和治療動(dòng)脈粥樣硬化、血栓、高血脂及高血壓、糖尿病等疾病。

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（2）γ-亞麻酸的發(fā)酵生產(chǎn)

GLA的來源過去以從月見草子中提取為主，但是月見草種子的產(chǎn)量和含油量不很穩(wěn)定，受氣候、產(chǎn)地等條件的影響較大，且精煉成本高，不能滿足市場的需求。20世紀(jì)80年代初，世界各國學(xué)者開始尋求利用微生物資源來生產(chǎn)γ-亞麻酸。許多微生物包括被孢霉屬、根霉屬、魯氏毛霉之類真菌，曲霉屬和螺旋藻屬的某些菌株能產(chǎn)生含γ-亞麻酸的油脂。螺旋藻屬含有10%類脂物，其中γ-亞麻酸占類脂物總量的20%～25%。被孢霉屬的真菌產(chǎn)油脂能力較高，其中有的形成γ-亞麻酸占總油脂的含量可達(dá)8.3%。海洋綠藻中的小球藻菌株產(chǎn)γ-亞麻酸的含量占總脂肪酸的37.9%。

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（3）γ-亞麻酸在食品工業(yè)中的應(yīng)用

γ-亞麻酸除在醫(yī)藥上治療人體心血管系統(tǒng)疾病外，還具有一定的減肥療效，可作為保健食品的有效成分或作為食品添加劑加到飲料、果汁、果子凍、餅干、巧克力、口香糖等食品中，特別可應(yīng)用于制造嬰兒食品強(qiáng)化劑，制造γ-亞麻酸的嬰兒營養(yǎng)奶粉及適宜于孕婦與哺乳期婦女的營養(yǎng)奶粉。第81頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

2.EPA和DHA

構(gòu)成中性脂肪的脂肪酸部分，含有飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸兩類：二十碳五烯酸（簡稱EPA）和二十二碳六烯酸（簡稱DHA），均屬于多烯不飽和脂肪酸。自從1972年報(bào)道了多烯不飽和脂肪酸（PUFAs）的海洋食物對(duì)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化有治療作用以來，人們對(duì)ω-3PUFAs，主要是EPA和DHA的研究越來越多，發(fā)現(xiàn)它們廣泛存在于海洋魚油之中（三文魚、金槍魚等），有益于人類健康，對(duì)人類的許多疾病和生理失調(diào)有預(yù)防和治療作用，特別是能預(yù)防和治療動(dòng)脈粥樣硬化、血栓形成和高血壓等心血管疾病、炎癥和某些癌癥。

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（1）二十碳五烯酸（EPA）二十碳五烯酸（EPA）對(duì)防止和治療血栓、關(guān)節(jié)硬化及其他血液循環(huán)系統(tǒng)疾病等具有明顯效果，其主要來源是一些海洋魚類的魚油，但魚油中二十碳五烯酸的含量偏低，因此人們發(fā)現(xiàn)了其他來源，例如，藻類、苔蘚以及一些微生物等。第83頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

（2）二十二碳六烯酸（DHA）

DHA是神經(jīng)組織的基本組分，是一種人體必需脂肪酸。人體中進(jìn)行的DHA生物合成能力極其有限，因此從食物中攝取足夠的DHA十分重要。特別是嬰幼兒，缺乏DHA會(huì)影響智力、視力和生理發(fā)育。盡管海洋魚油是目前DHA的最普遍來源，但魚油的產(chǎn)量和脂肪組成是隨季節(jié)、產(chǎn)地、魚種及魚食物鏈（即海洋微生物類型）而變化的，且魚油的脂肪酸組成十分復(fù)雜。因此魚油無論是數(shù)量還是質(zhì)量都難以滿足人們對(duì)DHA的需求，需要探索DHA的新來源。目前研究得最多的是用海洋真菌和藻類生產(chǎn)DHA，其中用海洋藻類生產(chǎn)富含DHA的單細(xì)胞油脂已達(dá)工業(yè)化規(guī)模，而且產(chǎn)品的穩(wěn)定性、純度、安全性和生物利用率都優(yōu)于魚油，目前已應(yīng)用于嬰兒奶粉和作為輔助食品。第84頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

在最近的10年中，商業(yè)濃縮型發(fā)酵劑已獲得廣泛應(yīng)用，特別是液體冷凍濃縮型發(fā)酵劑在乳品和奶酪行業(yè)中已占優(yōu)勢。70～500mL直投式發(fā)酵劑能直接發(fā)酵1136～5678L的牛奶成酸乳制品。許多發(fā)酵乳制品，如契達(dá)奶酪、鄉(xiāng)村奶酪、奶油、黃油等都采用直投式發(fā)酵劑。其他食品行業(yè)也采用濃縮型乳酸菌發(fā)酵劑進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，如半干發(fā)酵香腸、法式面包、酸泡菜等。

乳酸菌發(fā)酵劑由幾個(gè)重要的乳酸菌屬：乳酸球菌中的乳酸乳球菌、乳脂乳球菌，鏈球菌中的嗜熱鏈球菌、丁二酮乳酸乳球菌，乳桿菌屬中的保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、瑞士乳桿菌以及片球菌屬中的啤酒片球菌。二、發(fā)酵工程與乳酸菌發(fā)酵劑第85頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第86頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（一）培養(yǎng)基

1.培養(yǎng)基成分生產(chǎn)濃縮型乳酸菌發(fā)酵劑的基礎(chǔ)培養(yǎng)基成分或是可溶性的，或是懸浮的，原因是發(fā)酵結(jié)束后常采用物理法分離菌體（特別是用濾膜分離或離心分離）。在分批發(fā)酵中為獲得最大生長速率無論是采用單一的或混合的菌種，都需對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行改良。

2.培養(yǎng)基滅菌最有效的滅菌方式是超高溫殺菌（140～148℃，4～8s）。這樣滅菌的培養(yǎng)基能夠支持大多數(shù)乳酸菌，如保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌的生長繁殖。在培養(yǎng)基滅菌之后，應(yīng)采用合適的方式將之泵到預(yù)先滅菌的發(fā)酵罐中。需要注意的是，所有閥門、管路、泵都要經(jīng)CIP清洗和蒸汽消毒。第87頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（二）發(fā)酵過程

1.發(fā)酵設(shè)備常規(guī)的發(fā)酵設(shè)備，如醫(yī)藥行業(yè)和乳品行業(yè)中的設(shè)備都無法滿足乳酸菌發(fā)酵劑的工業(yè)化生產(chǎn)的需要，而現(xiàn)行的設(shè)備綜合了上述兩種行業(yè)發(fā)酵設(shè)備的特點(diǎn)：即包括蒸汽滅菌、無菌罐裝和就地清洗(CIP)等內(nèi)容。大規(guī)模生產(chǎn)濃縮型乳酸菌發(fā)酵劑需要機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器。第88頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.發(fā)酵過程將經(jīng)超高溫滅菌后的培養(yǎng)基打入預(yù)先滅過菌的發(fā)酵罐中，緩慢攪拌。借助控溫系統(tǒng)調(diào)整發(fā)酵罐溫度，直到達(dá)到微生物所要求的培養(yǎng)溫度為止。接下來用離心泵向新鮮培養(yǎng)基接種母發(fā)酵劑，接種量通常為1％～2％，然后開始發(fā)酵，并依據(jù)發(fā)酵菌種的特性對(duì)發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行控制，以便獲得最大的菌體生物量。第89頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3.發(fā)酵控制參數(shù)發(fā)酵控制參數(shù)包括攪拌速度、溫度、pH值等，在某些情況下還包括氧化還原電位和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。通常在對(duì)數(shù)末期或穩(wěn)定期初期終止發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后應(yīng)迅速將發(fā)酵培養(yǎng)液