1、貴州大學釀酒與食品工程學院作業（論文）題目： 發酵工程在食品工業中的應用課程名稱： 食品高新技術 任課教師姓名： 朱秋勁 研究生姓名： 宋小娟 學 號： 2013021205 年 級： 2013級 專 業： 食品科學 任課教師評分： 評閱意見：任課教師簽名： 年 月 日發酵工程及其在食品工業上的應用摘要：隨著生物技術的不斷發展，發酵工程作為食品生物技術中的一個分支，在食品加工過程中起著至關重要的作用，現代發酵工程結合基因工程、細胞工程等生產出許多種天然的食品，如：單細胞蛋白，黃原膠，細胞色素等，這一技術為食品加工業提供了一條健康發展道路。關鍵詞：現代發酵工程；發酵類型；食品加工fermenta

2、tion engineering and its application in food industryabstract: with the continuous development of biotechnology, fermentation engineering as a branch of food biotechnology, food processing, plays an important role in the process of modern fermentation engineering combined with genetic engineering, c

3、ell engineering and so on to produce many kinds of natural food, such as: single cell protein, xanthan gum, cytochrome, etc., the technology for food processing provides a healthy development road.key words: modern fermentation engineering ;the fermentation type; food processing發酵工程也叫微生物工程，是利用微生物的生長

4、和代謝活動，通過現代化工技術來生產各種有用物質的一種技術。發酵工程的內容隨著生物技術的發展不斷擴大和充實。現代的發酵工程結合了基因工程、細胞工程、分子修飾和改造等新技術，不僅包括菌體生產和代謝產物的發酵生產，還包括微生物機能的利用1。發酵工程是一個由實踐科學組成的一種生產手段，早已廣泛的應用于我們的生活中。就現階段發酵工程的發展而言，它已經歷了“農產手加工”、“近代發酵工程”、“現代發酵工程”這 3 個階段。1 微生物發酵工程的原理發酵工程分為菌種、發酵和提煉等三個階段。發酵工程原理均必須建立在發酵工程的生物學原理的基礎上，生物學原理是發現發酵工程最基本的原理。發酵原理的核心內容是微生物復雜系

5、統運行的自然規律 （即微生物生命活動的三個基本假說）2。細胞經濟假說 （生命活動的法則，控制）揭示細胞經濟的運行原理，它們體現了細胞代謝活動的自主性。以面包制作過程中的發酵過程為例談談發酵原理。面包在制作的過程中首先需要面團的發酵，促進面團體積的膨脹。面團發酵的過程是一系列物理、化學變化的過程，發酵所產生的氣體均勻分布在面團中；在各種生物酶的作用下，面團中的雙糖和多糖轉化成糖，在適宜的溫度、水分、ph值以及必要的礦物元素環境下，酵母直接利用單糖進行新陳代謝，酵母發酵的過程伴隨產生的各種復雜化學芳香物質。2 發酵工程特點微生物發酵技術具有以下特點3：（1）發酵過程以生命體的自動調節方式進行，數十

6、個反應過程能夠在發酵設備中一次完成，也可在同一發酵設備生產多種發酵產品；（2）反應通常在常溫常壓下進行，條件溫和，能耗少，設備簡單；（3）原料通常以農副產品（糖蜜、淀粉）、工業廢水或可再生資源（如植物秸稈、木屑等）等為主，利于綜合利用；（4）能高度選擇地在復雜化合物的特定部位進行氧化、還原、官能團引入或去除等反應，容易產生復雜的高分子化合物；（5）產物專一，副反應少，污染小，是較為環保的工業生產方式。3 微生物發酵過程分類 3.1 根據微生物種類不同，微生物發酵過程可以分為好氧性發酵和厭氧性發酵兩大類4。（1）好氧性發酵在發酵過程中需要不斷地通入一定量的無菌空氣，如利用黑曲霉進行的檸檬酸發酵，

7、利用棒狀桿菌進行的谷氨酸發酵等。（2）厭氧性發酵在發酵時不需要供給空氣，如乳酸桿菌引起的乳酸發酵，梭狀芽孢桿菌引起的丙酮、丁醇發酵等。此外，酵母菌是兼性厭氧微生物，它在缺氧條件下進行厭氧性發酵積累酒精，而在有氧即通氣條件下則進行好氧性發酵，大量繁殖菌體細胞，因此稱為兼性發酵。3.2 根據培養基狀態的不同，微生物發酵又可分為固體發酵和液體發酵；按照發酵設備來分，可分為敞口發酵、密閉發酵、淺盤發酵和深層發酵5。3.2.1 固體發酵某些微生物生長需水很少，可利用疏松而含有必須營養物的固體培養基進行發酵生產，稱為固體發酵。許多調味品的生產，如我國傳統的釀酒、制醬及大豆發酵食品等的生產均為固體發酵。另外

8、，固體發酵還利用與蘑菇的生產，奶酪和泡菜的制作等。固體發酵一般是開發式的，因而不是純培養，無菌要求不高，它的一般過程為：將原料預加工后再經蒸煮滅菌，然后制成含一定水分的固體物料，接入預先培養好的菌種進行發酵。發酵成熟后要適時出料，并進行適當處理，或進行產物的提取。固體發酵所需設備簡單，操作容易，所用原料多為來源豐富的工農業副產品，如麩皮、薯粉、大豆餅粉、高梁、玉米粉等，因此，至今仍在某些產品的生產上不同程度地沿用，但這種方式有許多缺點，如勞動強度大，不便于機械化操作，微生物品種少，生長慢，產品有限等。3.2.2 液體發酵液體深層發酵法是指在液體培養基內部進行的微生物培養過程。液體深層發酵是在青

9、霉素等抗生素的生產中發展起來的技術。根據操作方式的不同，液體深層發酵主要有分批發酵、連續發酵和補料分批發酵三種類型。（1） 分批發酵 培養基和菌種一次加入進行培養，與外部沒有物料交換。其全過程包括空罐滅菌、加入滅過菌的培養基、接種、發酵過程、放罐和洗罐，所需時間的總和為一個發酵周期。分批發酵是最常用的發酵方法，廣泛用于多種發酵過程，傳統的生物產品發酵多用此過程。它除了控制溫度和ph值及通氣以外，不進行任何其他控制，操作簡單。但從細胞所處的環境來看，則有明顯改變，發酵初期營養過多，可能抑制微生物的生長，而發酵的中后期又可能因為營養物減少而降低培養效率。從細胞的增值來說，初期細胞濃度低，增長慢，后

10、期細胞濃度雖高，但營養物濃度過低也生長不快，總的生產能力不是很高。（2） 連續發酵所謂連續發酵，是指以一定的速度向發酵罐內添加新鮮培養基，同時以相同的速度流出培養液，從而使發酵罐內的液量維持恒定，微生物在穩定狀態下生長。穩定狀態可以有效地延長分批培養中的對數期。在穩定的狀態下，微生物所處的環境條件，如培養基濃度、產物濃度、ph值等都能保持相對恒定，微生物細胞的濃度及其生長速率也可維持不變，甚至還可以根據需要來調節生長速度。與分批發酵相比，連續發酵具有以下優點：a.可以維持穩定的操作條件，有利于微生物的生長代謝，從而使產率和產品質量也相應保持穩定；b.能夠更有效實現機械化和自動化，降低勞動強度，

11、減少操作人員與病原微生物和毒性產物接觸的機會；c.減少設備清洗、準備和滅菌等非生產占用時間，提高設備利用率，節省勞動力和工時；d.由于滅菌次數減少，使測量儀器探頭的壽命延長；e.容易對過程進行優化，有效提高發酵產率。（3） 補料分批發酵補料分批發酵又稱半連續發酵，是介于分批發酵和連續發酵之間的一種發酵技術，是指在微生物分批發酵中，以某種方式向培養系統補加一定物料的培養技術。通過向培養系統中補充物料，可以使培養液中的營養物濃度較長時間地保持在一定范圍內，既保證微生物的生長需要，又不會造成不利影響，從而達到提高產率的目的。補料在發酵過程中的應用，是發酵技術上一個劃時代的進步。補料技術本身也由少次多

12、量、少量多次，逐步改為流加，近年又實現了流加補料的微機控制。同傳統的分批發酵相比，補料分批發酵可以解除營養物質的抑制、產物反饋抑制和葡萄糖分解阻遏效應（葡萄糖效應葡萄糖被快速分解，代謝所積累的產物在抑制所需產物合成的同時也抑制其他一些碳源、氮源的分解利用）；對于好氧發酵，它可以避免在分批發酵中因一次性投入糖過多造成細胞大量生長，耗氧過多，以致通風攪拌設備不能匹配的狀況；它還可以在某些情況下減少菌體生成量，提高有用產物的轉化率。在真菌培養中，菌絲的減少可以降低發酵液的黏度，便于物料輸送及后處理。與連續發酵相比，它不會產生菌種老化和變異問題，其適用范圍也比連續發酵廣。4 發酵設備生物反應器是利用生

13、物催化劑為微生物發酵或酶反應提供良好的反應環境的設備 ，通常稱為發酵罐6。分別是：機械攪拌式發酵罐、通風攪拌式發酵罐和厭氧發酵設備。5 發酵工程在食品工業中的應用發酵工程除了應用于傳統的釀酒和調味品德生產外，抗生素的發現和大規模深層培養技術的問世，賦予了微生物發酵技術新的生命力。發酵工程產品的品種不斷增加，如單細胞蛋白、食品膠、天然色素、功能性不飽和脂肪酸等多種食品添加劑和保健食品功能性基料。5.1 單細胞蛋白的發酵生產單細胞蛋白（scp）有的可直接供人們食用，有的可作家畜、家禽的飼料。因其富含蛋白質、風味溫和、容易儲存等特點，可代替傳統的蛋白質添加劑，如魚粉、豆粉等。從酵母或細菌等微生物體獲

14、取的單細胞蛋白含有豐富的蛋白質、碳水化合物、脂類、微生素以及礦物質，營養價值高。除了作飼料外，還可以作為營養強化劑添加到食品中。趙彩艷7采用豆腐渣為主要原料，接種酵母菌量為14%，發酵溫度30，發酵周期72h，該條件下發酵終產物粗蛋白含量為40.43%。畢榮宇等8利用畢赤酵母作為出發菌株，利用玉米粉和豆粕作為碳源和氮源生產單細胞蛋白。張琴9利用棉稈，青霉接種量為10%，發酵53h，得到單細胞蛋白含量的評均值為25.38%。朱將偉等10利用枯草芽孢桿菌與產朊假絲酵母作為發酵菌種，以稻草秸稈為原料，采用混合發酵方式生產單細胞蛋白，并對混合發酵的條件進行了優化，最終產物中的蛋白含量可達約24.5%。

15、5.2 食品膠的發酵生產近年來，利用發酵法生產微生物多糖如黃原膠、結冷膠、茁霉多糖等不斷發展，這些新型的食品膠以其安全、無毒、功能獨特等優良特性廣泛應用于食品工業中作為增稠劑、穩定劑、乳化劑和品質改良劑。5.2.1 黃原膠黃原膠是黃單孢桿菌發酵產生的細胞外雜多糖。黃原膠在食品工業中作為：膠凝劑、穩定劑、保鮮劑和持水劑等。王桂蘭11采用廉價易得的培養基，首次在黃原膠發酵中添加表面活性劑和植物油，顯著提高了黃原膠的產量，首次將黃原膠進行精制，并使各項參數達到注射用原料藥的標準。何海燕等12在發酵溫度28，接種量10%,ph7.5,發酵96h，產生的黃原膠產量達35.28g/l。5.2.2 結冷膠結

16、冷膠是美國kelco公司開發的一種新型微生物多糖，其膠凝性能比黃原膠更為優越，如凝膠形成能力強、透明度高、最佳的風味釋放、穩定性強、不需加熱或稍微加熱即可形成凝膠等，而且形成凝膠的溫度和速度可根據需要在一定范圍內變動。5.2.3 熱凝膠 熱凝膠是由tokuya harada教授于1966年發現的一種微生物多糖。隨著對其結構、流變性質、物化性質、功能、應用等方面的研究不斷深入，其獨特的理化性質引起人們的廣泛興趣。熱凝膠可以用作添加劑以提高各種食品的質量，由于不含生理熱量，因此可以作為低能量食品的組份而得到廣泛應用。近年來，用熱凝膠制取得支鏈型-d-（1,3）-葡聚糖具有較高的抗腫瘤特性。而且，近

17、年來研究發現熱凝膠的硫酸酯及其支鏈衍生物具有很強的抗艾滋病毒（hiv）活性。5.3 發酵法生產食用色素食用色素是一類重要的食品添加劑。微生物發酵法生產天然色素既避免了化學合成色素造成的潛在危險，又克服了從植物中提取色素受氣候和土地等影響的弊端，具有產量高、成本低、使用安全等特點。5.3.1 發酵法生產黃曲黃色素thiyam general等13利用日本的一種海帶（saccharina japonica）作為固體發酵的底物，在不加鹽和氮源的條件下用黃絲曲霉屬的真菌gt11進行固體發酵，ph7.0，相對濕度80%，接種量1.8*106ml/g，28下發酵192h，能產生510nm條件下吸光度值41

18、0，這種方法生成的色素可以被用在食品、化妝品和制藥工業中。busaba yongsmith等14采用黃曲霉的誘變菌株tistr 3179作為黃曲色素發酵微生物，發現泰國的五種米中hom-mali米是最好的固體培養基，比玉米粉、大豆粉、甜土豆粉的效果還要好。其中相對濕度和溫度也是主要影響因素。在溫度為2832，相對濕度42%，接種量2%時，黃曲色素的最大產量是2224.63 a370u/gdw。5.3.2發酵法生產紅曲色素紅曲（ang-kak）是以大米為主要原料，經紅曲霉發酵而成的一種色澤紅色的米曲，在亞洲國家被廣泛用于給各種發酵食品增加風味和著色，也可用于紅米酒和高梁酒的釀造。pongrawe

19、e nimnoi等15發現溫度和低物對紅曲霉形成紅色素有影響，研究發現將紅曲霉cmu001放在馬鈴薯葡萄糖，30下培養2周能產生大量紅色素，而放在胰蛋白胨葡萄糖酵母提取物上能大量增加菌體的干重。而用玉米粉作底物，再加入8%的葡萄糖時的產色素能力最好（129.63u/gds）。而色素在高溫和紫外光條件下容易衰退。jun tan 等16研究通過一個簡單的高通量系統測定紅曲霉發酵樣品產色素的量。將這個高通量系統與響應面分析方法相結合，從29種影響因素中選擇出來4種主要的影響因素：葡萄糖（51.42g/l）、蛋白胨（4.91g/l）、nano3(1.00g/l)、kh2po4（1.00g/l）。這個系

20、統可以將色素色價從206.5u/ml提高到265.8u/ml。5.4 gaba（-氨基丁酸）的發酵生產 -氨基丁酸是一種降血壓的藥劑，可以由紅曲霉產生。donghua jiang等17從發酵腐乳中篩選出一株紅曲霉菌m6,其產gaba的能力為3.657g/l。經紫外誘變后的m6-13菌株產gaba量是m6的1.5倍（5.527g/l）。當把m6-13放人3.7l的發酵罐中培養，gaba的產量達到13.470g/l。5.5 功能性多不飽和脂肪酸的發酵生產多不飽和脂肪酸（pufas）是指含有兩個或兩個以上雙鏈，且碳鏈長為1622個碳原子的直鏈脂肪酸，在生物制藥和營養保健品中廣泛關注和應用。常見的有：

21、-亞麻酸（gla）、-亞麻酸（ala）、二十碳五烯酸（epa）和二十二碳六烯酸（dha）等。（1）-亞麻酸和-亞麻酸是兩種重要的不飽和脂肪酸，是細胞膜的基本成分和人體多種活性物質如前列腺素、epa、dha等的前體，對人心腦血管疾病有特殊療效。目前主要-亞麻酸的主要來源是陸地植物。發酵法生產-亞麻酸主要有微藻和真菌。姜翠紅18研究了以粗甘油為碳源培養深黃被孢霉生產-亞麻酸，發酵時間12d，發酵溫度27.5、尿素1.0g/l，深黃被孢霉dla含量可達1.94g/l。高溫高氮（1.25g/l，26.5）深黃被孢霉生物量提高，低溫迪氮（1.0g/l,25）有利于-亞麻酸積累，所以深黃被孢霉可采用兩步發

22、酵生產-亞麻酸。milan ertík等19研究發現，微藻類產-亞油酸的效果最好，進行深層發酵，碳源為可溶性淀粉，氮源為尿素，gla的產量為1638.7mg/l。孫繼民等20以拉曼被孢霉為出發菌體m5，通過亞硝基和激光誘變，最后篩得一株mf10，-亞麻酸的產率達12.5g/l。微生物發酵生產-亞麻酸的缺點是對高產菌株的選育困難，利用基因工程技術可以定向選育出優良性狀的基因工程菌，并通過發酵大量生產。(2) epa和dha均屬于高烯不飽和脂肪酸，廣泛存在于深海魚油之中（三文魚、金槍魚等），有益于人類健康。其生理功能主要有：預防和治療動脈粥樣硬化、血栓和高血壓。然而油脂不很穩定，容易氧化

23、變質。微生物發酵法生產epa和dha具有生產周期短、培養簡單、不受氣候和季節限制，可大規模生產。eduardo l等21研究發現，被孢霉是生產epa的潛在來源，生長在12低溫下可積累epa 15%以上。doornbos b等22發現海藻chlorella minutissia產dha。lopez huertas e等23報道淡水藻monodus suberraneus產dha。jin liu 等24人采用營綠等金鞭藻在恒化器中進行大規模培養生產epa和dha，培養條件是20、ph8.0、，當稀釋率為0.00240.0377h，生長速率接近最大時，產epa為15.26mg/l。5.6 l蘋果酸的

24、發酵生產l-蘋果酸廣泛應用于食品行業，在葡萄酒釀制過程中加入少量l-蘋果酸可以使酒陳化，在醫學上，有抗疲勞、護肝、改善心脹機能的作用。l-蘋果酸可以采用一步發酵法或二步發酵法生產25。郝夕祥26研究了黃曲霉sfw-7在mn2+為14mg/l，fe2+為20mg/l,mg2+為10mg/l，l-蘋果酸的產量為38.73g/l。并證實co2固定途徑是積累l-蘋果酸的主要途徑。吳亞斌27研究基于產琥珀酸重組大腸桿菌 escherichia coli b0013-1050 的琥珀酸合成途徑，利用red同源重組系統和xer/dif重組酶系統對其進行改造，構建l-蘋果酸的合成途徑。對重組菌 e. coli

25、 2040進行 15 升罐發酵試驗，厭氧發酵 30 h，產 l-蘋果酸 14 g/l，轉化率 60.3%，生產強度0.47 g/(l·h)。o.pines等28研究釀酒酵母產l-蘋果酸的過程中延胡索酸酶可以將產l-蘋果酸的產量提高17倍。6 結語 隨著現代發酵工程技術在食品領域的廣泛應用，食品工業將不再是傳統農業食品的概念，工業食品將在人們日常生活中占據重要的地位。現代食品工業的蓬勃發展，已顯示出發酵工程技術的巨大生命力，要充分利用世界生物技術迅猛發展的契機，中式發酵工程技術的研究，促進我國食品工業的改革，實現我國食品工業健康有序的發展。參考文獻1 張葉葉.發酵工程在食品工業中的應用

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