1、食品發酵食品發酵 第六章第六章 食品發酵食品發酵 第第1 1節節 發酵的概念及一般工藝過程發酵的概念及一般工藝過程 第第2 2節節 菌種選育菌種選育 第第3 3節節 發酵類型發酵類型 第第4 4節節 發酵工藝過程控制發酵工藝過程控制 第第5 5節節 發酵產物提取與精制發酵產物提取與精制 第第6 6節節 污染防止與挽救污染防止與挽救 食品發酵食品發酵第第1 1節節 發酵的概念及一般工藝過程發酵的概念及一般工藝過程 一、發酵的概念一、發酵的概念 二、發酵的一般工藝過程二、發酵的一般工藝過程 食品發酵食品發酵nQ:你認為什么是發酵？食品發酵食品發酵一、發酵的概念一、發酵的概念n傳統發酵：在我國，人們

2、習慣把通過微生物純種或混種作用后，不經過單一成分的分離提取和精制，獲得的成分復雜、有較高風味要求的食品生產稱為發酵，也即釀造。n如啤酒、葡萄酒、黃酒、白酒等酒類發酵及醬油、食醋、醬品、豆豉、腐乳、鹽漬菜、酸泡菜、酸奶等調味和發酵食品的生產，均稱為釀造食品發酵食品發酵一、發酵的概念一、發酵的概念n廣義發酵：指微生物在無氧或有氧條件下，通過分解代謝或合成代謝或次生代謝等微生物代謝活動，大量積累人類所需的微生物體或微生物酶或微生物代謝產物的所有過程。n如有機溶劑、抗生素、有機酸、酶制劑、氨基酸等的生產，均稱為發酵。食品發酵食品發酵現代化的技術手現代化的技術手段段技術支撐技術支撐發酵工程發酵工程提供微

3、生物適宜生長條件，利用微生物的某種特定功提供微生物適宜生長條件，利用微生物的某種特定功能，通過現代化的技術手段，生產出所需要的產品。能，通過現代化的技術手段，生產出所需要的產品。菌體或菌體代菌體或菌體代謝產物謝產物微生物微生物主體主體現代化的技術手現代化的技術手段段技術支撐技術支撐現代化的技術手現代化的技術手段段技術支撐技術支撐產物的提取產物的提取與精制與精制菌種選育菌種選育發酵條件的發酵條件的工藝控制工藝控制食品發酵食品發酵細胞細胞甾體生物轉化甾體生物轉化葡萄糖異構酶葡萄糖異構酶青霉素青霉素氨基酸氨基酸乙醇乙醇檸檬酸檸檬酸食品發酵食品發酵定義：是指利用生物的生命活動產生的酶，對無定義：是指利

4、用生物的生命活動產生的酶，對無機或有機原料進行加工，獲得產品的工業。機或有機原料進行加工，獲得產品的工業。發酵工業發酵工業傳統發酵（釀造）工業：成分復雜，較高風味要求的發酵傳統發酵（釀造）工業：成分復雜，較高風味要求的發酵食品的工業。食品的工業。近代發酵工業：需要純種接種發酵，精制產品的發酵工業。近代發酵工業：需要純種接種發酵，精制產品的發酵工業。食品發酵食品發酵：微生物在食品工業中應用的一個領域。：微生物在食品工業中應用的一個領域。食品發酵食品發酵二、發酵的一般工藝過程 原料原料預處理預處理配料配料滅菌滅菌冷卻冷卻菌種菌種菌種活化菌種活化種子擴培種子擴培種子罐種子罐發酵罐發酵罐空氣空氣空壓機

5、空壓機貯氣罐貯氣罐油水分離油水分離過濾器過濾器發酵液發酵液提取精制提取精制產品產品副產物副產物原料原料空氣空氣原料原料補料補料酸堿酸堿消泡消泡食品發酵食品發酵菌種篩選菌種篩選搖瓶試驗搖瓶試驗發酵罐試驗發酵罐試驗發酵的一般工藝過程 食品發酵食品發酵發酵工藝要點n發酵原料及其預處理原料特點：糖質或淀粉質等含量較高，價格相對低廉，易得。粉碎、酶解食品發酵食品發酵菌種的活化及擴大培養食品發酵食品發酵種子擴培技術種子擴培技術u概念：是指將保存于沙土管、冷凍干燥管中處于概念：是指將保存于沙土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態的生產菌種接入試管斜面活化后，再經休眠狀態的生產菌種接入試管斜面活化后，再經過扁瓶或搖瓶

6、及種子罐逐級放大培養而獲得一定過扁瓶或搖瓶及種子罐逐級放大培養而獲得一定數量和質量的純種過程。這些純培養物稱為種子。數量和質量的純種過程。這些純培養物稱為種子。 食品發酵食品發酵u種子擴培流程種子擴培流程圖 種子擴大培養流程圖1-沙土孢子；2-凍干菌種；3-斜面種子；4-搖瓶液體種子；5-茄子瓶斜面種子；6-固體培養基種子；7、8-種子罐培養物；9-發酵罐食品發酵食品發酵u 種子質量的控制種子質量的控制 影響種子質量的因素 ： 培養基、培養條件、種齡、接種量等種子質量的控制措施 ： 菌種穩定性的檢查 ；無雜菌檢查 食品發酵食品發酵例：生產啤酒酵母菌種子擴培流程例：生產啤酒酵母菌種子擴培流程保藏

7、菌種菌種活化10mL麥芽汁250mL麥芽汁5-10L麥芽汁100L麥芽汁25 2天天25 2-3天天25 2天天15-20 3-5天天菌種菌種食品發酵食品發酵u直投式發酵劑直投式發酵劑是指一系列高度濃縮和標準化的冷凍干燥發酵劑是指一系列高度濃縮和標準化的冷凍干燥發酵劑菌種，直接加入到滅菌的原料中進行發酵，無需菌種，直接加入到滅菌的原料中進行發酵，無需對其活化、擴培等其它預處理工作。對其活化、擴培等其它預處理工作。活菌數：活菌數：101010-1210-12CFU/gCFU/g；優勢：省去菌種車間，減少人員、簡化工藝優勢：省去菌種車間，減少人員、簡化工藝價格：價格：200-300200-300元

8、元/ /噸產品（酸奶）噸產品（酸奶）食品發酵食品發酵發酵培養基的配制與滅菌Q:一般培養基里面應該含有什么成分呢？u培養基、培養設備、空氣等的滅菌處理食品發酵食品發酵發酵過程控制食品發酵食品發酵發酵產物純化及副產物的處理發酵產物的提取（細胞、代謝產物）副產物的利用和處理（飼料、工業原料）食品發酵食品發酵第第2 2節節 菌種選育及擴培技術菌種選育及擴培技術 一、生產菌種的要求和來源 二、菌種選育的方法 食品發酵食品發酵一、生產菌種的要求和來源一、生產菌種的要求和來源 1、生產菌種的要求：、生產菌種的要求：在較短的發酵過程中高產有價值的發酵產品高產有價值的發酵產品。發酵培養基應價廉，來源充足發酵培養

9、基應價廉，來源充足，被轉化為產品的效率高。如農副產品。菌種對人、動物、植物和環境不應該造成危害，還應不應該造成危害，還應注意潛在的、慢性的、長期的危害注意潛在的、慢性的、長期的危害。發酵后，所產不需要的代謝產物少不需要的代謝產物少，而且產品相對容容易分離易分離，下游技術能用于規模化生產。遺傳特性穩定遺傳特性穩定，抗逆能力強，而且易于進行基因操作。食品發酵食品發酵2.2.生產菌種的來源生產菌種的來源 自然環境自然環境 購置生產菌種購置生產菌種 中國微生物菌種保藏管理委員會（中國微生物菌種保藏管理委員會（CCCCMCCCCM）美國典型菌種保藏中心（美國典型菌種保藏中心（ATCCATCC）英國國家典

10、型菌種保藏所（英國國家典型菌種保藏所（NCTCNCTC）人工育種人工育種太空育種太空育種紫外照射紫外照射雜交雜交原生質體融合原生質體融合食品發酵食品發酵二、菌株選育的方法n自然選育n誘變育種(物理誘變劑、化學誘變劑、生物誘變劑)n雜交育種n原生質體融合n基因工程基因工程育種：基因工程育種：目的基因目的基因載體（噬菌體、質粒）載體（噬菌體、質粒）重組載體重組載體引入細胞引入細胞基因表達基因表達重組體的篩選及鑒定重組體的篩選及鑒定食品發酵食品發酵微生物的自然選育微生物的自然選育例：葡萄中釀酒酵母的分離、篩選與鑒定食品發酵食品發酵微生物的自然選育微生物的自然選育例：葡萄中釀酒酵母的分離、篩選與鑒定食

11、品發酵食品發酵微生物的自然選育微生物的自然選育例：葡萄中釀酒酵母的分離、篩選與鑒定食品發酵食品發酵微生物的自然選育微生物的自然選育例：葡萄中釀酒酵母的分離、篩選與鑒定不同糖類的發酵不同糖類的發酵生長能力生長能力抗逆性能抗逆性能原料中的適應性原料中的適應性生產能力生產能力食品發酵食品發酵微生物的自然選育微生物的自然選育例：葡萄中釀酒酵母的分離、篩選與鑒定食品發酵食品發酵第第3 3節節 發酵類型發酵類型 單一單一混合混合工工業業發發酵酵方方式式需氧否需氧否培養基培養基位置位置間歇或連續間歇或連續菌種固定與否菌種固定與否菌種單一或混合菌種單一或混合好氧好氧厭氧厭氧液態液態固態固態深層深層表面表面分批

12、分批連續連續游離游離固定化固定化半固態半固態補料分批補料分批食品發酵食品發酵一、固態發酵與液態發酵一、固態發酵與液態發酵 固態發酵固態發酵: :是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的是指微生物在沒有或幾乎沒有游離水的固態的濕培養基上的發酵過程。固態的濕培養基上的發酵過程。u厭氧菌：厭氧菌： 窖池堆積，壓緊密封窖池堆積，壓緊密封u好氧菌：好氧菌： 容器表面靜置發酵，通氣和容器表面靜置發酵，通氣和/ /或翻動。淺盤培養或翻動。淺盤培養法、轉桶法、厚層通氣法。法、轉桶法、厚層通氣法。食品發酵食品發酵一、固態發酵與液態發酵一、固態發酵與液態發酵 液態發酵：液態發酵：指培養基呈液態的微生物發酵過程。指培養基

13、呈液態的微生物發酵過程。液態發酵：發酵罐。液態發酵：發酵罐。因素：溫度、因素：溫度、pHpH、通風、攪拌、罐壓力等，必須控制。、通風、攪拌、罐壓力等，必須控制。食品發酵食品發酵固態發酵固態發酵與液態發酵相比的優、缺點與液態發酵相比的優、缺點優優 點點缺缺 點點1. 1.培養基培養基含水量少含水量少，廢水、廢，廢水、廢渣少，環境污染少，容易處理渣少，環境污染少，容易處理1. 1.菌種限于耐低水活性菌種限于耐低水活性(aw)(aw)的的微生物，微生物，菌種選擇性少菌種選擇性少2.2.能源消耗量低能源消耗量低, ,供能設備簡易供能設備簡易2.2.發酵速度慢，周期較長發酵速度慢，周期較長3.3.培養基

14、原料培養基原料多為天然基質或多為天然基質或廢渣，廢渣，廣泛易得，價格低廉廣泛易得，價格低廉3.3.天然天然原料成分復雜原料成分復雜，有時變，有時變化，影響發酵產物的質和量化，影響發酵產物的質和量4.4.設備和技術較簡易，設備和技術較簡易，較低的較低的投資投資4.4.工藝參數難以測準和控制工藝參數難以測準和控制5.5.產物濃度較高產物濃度較高, ,后處理較方便后處理較方便5.5.產品少產品少, ,工藝操作消耗工藝操作消耗勞力多，勞力多，強度大強度大食品發酵食品發酵二、分批發酵、連續發酵、補料分批發酵二、分批發酵、連續發酵、補料分批發酵分批發酵的概念分批發酵的概念封閉系統培養，指一次性投料、接種直

15、到發酵結束，產封閉系統培養，指一次性投料、接種直到發酵結束，產品一次性收獲。在發酵過程中，除了不斷通氣（如好氧品一次性收獲。在發酵過程中，除了不斷通氣（如好氧發酵），調節發酵），調節pH外，與外界沒有其它物料交換的一種外，與外界沒有其它物料交換的一種發酵方式。發酵方式。 特點：特點：u典型的非穩態過程。典型的非穩態過程。u微生物生長微生物生長延滯期、對數生長期、穩定期和衰亡期。延滯期、對數生長期、穩定期和衰亡期。u操作簡單、周期短，染菌機會少，原料利用率高，但生操作簡單、周期短，染菌機會少，原料利用率高，但生產效率低。產效率低。食品發酵食品發酵連續發酵的概念連續發酵的概念在開放系統中進行的。連

16、續不斷的向發酵罐中流加新鮮發酵在開放系統中進行的。連續不斷的向發酵罐中流加新鮮發酵液，同時又連續不斷的排出等量的發酵液，從而使液，同時又連續不斷的排出等量的發酵液，從而使pH、養分、養分、溶解氧保持恒定，使微生物生長和代謝活動保持旺盛穩定狀溶解氧保持恒定，使微生物生長和代謝活動保持旺盛穩定狀態的一種發酵方式。態的一種發酵方式。特點：恒態。特點：恒態。優點：提高生產效率；質量穩定；自動控制。優點：提高生產效率；質量穩定；自動控制。缺點：營養物質利用率較低；菌種易變異；易染菌；缺點：營養物質利用率較低；菌種易變異；易染菌；食品發酵食品發酵罐式連續發酵實現方法罐式連續發酵實現方法n恒濁法：通過調節營

17、養物的流加速度，利用濁度計檢恒濁法：通過調節營養物的流加速度，利用濁度計檢測細胞濃度，使之恒定。測細胞濃度，使之恒定。n恒化法：保持某一限制性基質在一恒定濃度水平，使恒化法：保持某一限制性基質在一恒定濃度水平，使菌的比生長速率保持一定。菌的比生長速率保持一定。食品發酵食品發酵連續發酵的優缺點（與分批發酵比較）連續發酵的優缺點（與分批發酵比較）優優 點點缺缺 點點維持穩定的操作條件，有利于維持穩定的操作條件，有利于微生物的生長，產率和產品質微生物的生長，產率和產品質量穩定量穩定由于是開放系統，加上發酵周由于是開放系統，加上發酵周期長，容易造成雜菌污染期長，容易造成雜菌污染機械化和自動化強度高，減

18、少機械化和自動化強度高，減少操作人員與有毒有害物質接觸操作人員與有毒有害物質接觸在長周期連續發酵中，微生物在長周期連續發酵中，微生物容易發生變異容易發生變異設備利用率高，節省勞動力設備利用率高，節省勞動力對設備、儀器及控制元器件的對設備、儀器及控制元器件的技術要求較高技術要求較高由于滅菌次數減少，使測量儀由于滅菌次數減少，使測量儀器探頭的壽命得以延長器探頭的壽命得以延長黏性絲狀菌菌體容易附著在器黏性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長和在發酵液內結團，壁上生長和在發酵液內結團，給連續發酵操作帶來困難給連續發酵操作帶來困難容易對過程進行優化，有效地容易對過程進行優化，有效地提高發酵產率提高發酵產率食品

19、發酵食品發酵補料分批發酵的概念補料分批發酵的概念半不連續發酵，是指在開始時投入一定量的基礎半不連續發酵，是指在開始時投入一定量的基礎培養基，到發酵過程中的適當時期，開始連續補培養基，到發酵過程中的適當時期，開始連續補加碳加碳- -能源或（和）氮源或（和）其它必需基質，能源或（和）氮源或（和）其它必需基質，直至發酵液體積達到發酵罐最大操作容積后，將直至發酵液體積達到發酵罐最大操作容積后，將發酵液一次全部放出。發酵液一次全部放出。單細胞蛋白、氨基酸、抗生素、維生素、酶制劑、有機酸單細胞蛋白、氨基酸、抗生素、維生素、酶制劑、有機酸 發酵工業應用食品發酵食品發酵n與分批培養方式比較與分批培養方式比較1

20、、可以解除底物抑制、產物的反饋抑制、可以解除底物抑制、產物的反饋抑制2、對于好氧發酵，可以、對于好氧發酵，可以避免避免在分批培養過程在分批培養過程中因一次性中因一次性投糖過多造成的細胞大量生長投糖過多造成的細胞大量生長、耗氧過多以至通風攪拌設備不能匹配的、耗氧過多以至通風攪拌設備不能匹配的狀況狀況；在某種程度上可減少微生物細胞的；在某種程度上可減少微生物細胞的生成量、提高目的產物的轉化率；生成量、提高目的產物的轉化率；3、微生物細胞可以被控制在一系列連續的過、微生物細胞可以被控制在一系列連續的過渡態階段，可用于控制細胞的質量。渡態階段，可用于控制細胞的質量。補料分批發酵優點補料分批發酵優點u與

21、連續培養方式比較與連續培養方式比較1、無菌要求低、無菌要求低2、菌種變異和退化少、菌種變異和退化少3、使用范圍更廣。、使用范圍更廣。食品發酵食品發酵圖圖10-3 好氧菌大型發酵罐示意圖好氧菌大型發酵罐示意圖好氧菌大型發酵罐示意圖好氧菌大型發酵罐示意圖 食品發酵食品發酵單罐連續發酵示意圖單罐連續發酵示意圖 多罐連續發酵示意圖多罐連續發酵示意圖食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化酶或細胞：固定化酶或細胞：固定于水不溶載體固定于水不溶載體可可重復和連續使用；重復和連續使用；游離酶或細胞：游離酶或細胞：未固定未固定固定化發酵：固定化發酵：固定化酶(細胞)用于

22、發酵可稱為固定化酶(細胞)發酵，或簡稱固定化發酵。食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化類型：固定化類型： 定義：定義：主要是按照正、負電荷相吸的原理，酶或細胞吸附在載體的表面而被固定。物理吸附法物理吸附法：主要利用瓷碎片、玻璃球、尼龍網、棉花、木屑、毛發等作載體。離子吸附法：離子吸附法：則主要利用DEAE-纖維素、DEAE-葡萄糖凝膠等作為載體。食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化類型：固定化類型： l包埋法：包埋法：是將酶（細胞）包在凝膠微小格子內，或是將酶（細胞）包裹在半透性聚合物膜內的固定化方法。凝膠

23、包埋法：凝膠包埋法：所用的聚合物主要為合成高分子物質和天然大分子物質，如瓊脂、明膠。微膠囊法：微膠囊法：則是一種用半透性的高聚物薄膜包裹酶（細胞）的技術，常為球狀體，直徑由幾微米到幾百微米。食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化類型：固定化類型： 定義：酶或細胞與載體通過共價鍵作用而被固定。酶或細胞溶液與含羧酸載體(R-COOH)或氨基載體(R-NH2)，在縮合劑碳化二亞胺作用下，經攪拌等處理，而制成固定化酶或細胞。食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化類型：固定化類型： 交聯法的基本原則是酶分子與多功能試劑之

24、間形成共價鍵得到三向的交聯網架結構。常用的交聯試劑有戊二醛、聯苯胺-2,2-雙磺酸。食品發酵食品發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵三、固定化酶和固定化細胞發酵 固定化酶和固定化細胞發酵的優點：固定化酶和固定化細胞發酵的優點：重復使用重復使用利于產品的分離和提純利于產品的分離和提純易于機械化操作易于機械化操作縮短生產周期縮短生產周期使用時間較長等。使用時間較長等。食品發酵食品發酵活性炭海藻酸鈉聚乙烯醇混合混合溶解溶解菌體滅菌滅菌氯化鈣-硼酸溶液注射器緩慢滴入固定化小球-4低溫固定12 h食品發酵食品發酵四、混合培養物發酵四、混合培養物發酵 n混合培養物發酵產品: 食品發酵食品發酵混合培養物發酵的優

25、點混合培養物發酵的優點n可以充分利用培養基、設備、人員和時間，可以在共同的發酵容器中經過同一工藝過程，提高或獲得二種或多種產品；n可以獲得一些獨特的產品。n混合的多種菌種，增加了發酵中許多基因的功能。通過不同代謝能力的組合，完成單個菌種難以完成的復雜代謝作用，可以代替某些基因重組工程菌株，進行復雜的多種代謝反應，或促進生長代謝，提高生產效率。食品發酵食品發酵u主要的控制參數1、pH值（酸堿度）2、溫度3、溶解氧濃度4、泡沫5、補料第第4 4節節 發酵工藝過程控制發酵工藝過程控制( (液態發酵液態發酵) ) 食品發酵食品發酵一、溫度的影響及其控制一、溫度的影響及其控制 （一）溫度對微生物生長的影

26、響（一）溫度對微生物生長的影響（二）溫度對發酵的影響（二）溫度對發酵的影響 （三）影響發酵溫度變化的因素（三）影響發酵溫度變化的因素（四）最適溫度的控制（四）最適溫度的控制 食品發酵食品發酵( (一一) )溫度對微生物生長的影響溫度對微生物生長的影響食品發酵食品發酵影響酶的活性、影響細胞內各種反應速度影響酶的活性、影響細胞內各種反應速度最低、最高、最適生長溫度最低、最高、最適生長溫度在最適范圍內生長速度隨溫度升高而增加，在最適范圍內生長速度隨溫度升高而增加，生長周期縮短生長周期縮短不同生長階段的微生物對溫度的反應不同不同生長階段的微生物對溫度的反應不同l延滯期延滯期：細菌對溫度的影響十分敏感，

27、溫度的較大變化會使延滯期變長。l對數生長期：對數生長期：最適生長溫度的范圍內，對溫度變化不敏感，因此在最適溫度范圍內提高對數生長期的培養溫度，既有利于菌體的生長，又避免熱作用的破壞。l生長后期：生長后期：生長速度主要取決于氧的含量，溫度影響較小，因此在培養的后期最好提高一些通氣量。食品發酵食品發酵（二）溫度對發酵的影響（二）溫度對發酵的影響u反應速度反應速度u酶系的組成及酶的特性酶系的組成及酶的特性u發酵的方向發酵的方向 如金色鏈霉菌如金色鏈霉菌35，合成四環素；，合成四環素；30 ，合成金霉素；，合成金霉素；u基質溶解度基質溶解度 在發酵液中的物質溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。在發酵液

28、中的物質溶解度也影響菌對某些基質的分解吸收。 因此對發酵過程中的溫度要嚴格控制。因此對發酵過程中的溫度要嚴格控制。u凝結芽孢桿菌的凝結芽孢桿菌的-淀粉酶熱穩定性淀粉酶熱穩定性受培養溫度的影響是極為明顯的：受培養溫度的影響是極為明顯的：l55培養所產生的酶在90保持60min，其剩留活性為8899；l在35培養所產生的酶，經相同條件處理，剩余活性僅有610。食品發酵食品發酵（三）（三）影響發酵溫度變化的因素影響發酵溫度變化的因素u發酵過程中，隨著微生物細胞對培養基中的營養發酵過程中，隨著微生物細胞對培養基中的營養物質的利用、機械攪拌的作用，將會產生一定的熱物質的利用、機械攪拌的作用，將會產生一定

29、的熱量；同時由于發酵罐壁的散熱、水分的蒸發等將會量；同時由于發酵罐壁的散熱、水分的蒸發等將會帶走部分熱量。帶走部分熱量。u發酵過程中釋放出來的引起溫度變化的凈熱量稱發酵過程中釋放出來的引起溫度變化的凈熱量稱為發酵熱。為發酵熱。Q發酵發酵 = Q生物生物 + Q攪拌攪拌 - Q蒸發蒸發 Q輻射輻射食品發酵食品發酵生物熱（生物熱（Q生物生物） 微生物細胞在生長繁殖過程中本微生物細胞在生長繁殖過程中本 身產生的大量熱成為生物熱。身產生的大量熱成為生物熱。 生物熱來源于培養基中的什么物質？生物熱來源于培養基中的什么物質？微生物產生的生物熱有何作用？微生物產生的生物熱有何作用？在發酵的哪一階段，微生物產

30、生的生物熱最大？在發酵的哪一階段，微生物產生的生物熱最大？食品發酵食品發酵生物熱n生物熱主要是培養基中的碳水化合物、脂肪和蛋白質被微生物分解成、水以及其他物質時釋放出來的。n釋放出來的能量部分用來合成高能化合物，供微生物合成和代謝活動的需要，部分用來合成產物，其余部分則以熱的形式散發出來。n生物熱大量產生于菌體的對數生長期，這一階段所產生的大量熱成為發酵過程熱平衡的主要因素。食品發酵食品發酵l在好氧發酵中，攪拌帶動發酵液作機械運動，在好氧發酵中，攪拌帶動發酵液作機械運動，造成液體之間、液體和設備之間的摩擦，產造成液體之間、液體和設備之間的摩擦，產生數量可觀的熱。生數量可觀的熱。攪拌熱（攪拌熱（

31、Q攪拌攪拌） Q攪拌 = P3601（kJ/h） 式中：Q攪拌攪拌熱（kJ/h） P攪拌功率（kW）； 3601機械能轉變為熱能的熱功當量kJ(kW.h)。食品發酵食品發酵l空氣進入發酵罐后，就和發酵液廣泛接空氣進入發酵罐后，就和發酵液廣泛接觸進行熱交換，必然會引起水分的蒸發，觸進行熱交換，必然會引起水分的蒸發，被空氣和蒸發水分帶走的熱量。被空氣和蒸發水分帶走的熱量。蒸發熱（蒸發熱（Q蒸發蒸發） 食品發酵食品發酵輻射熱（輻射熱（Q輻射輻射） 輻射熱是指因發酵罐溫度與環境溫度輻射熱是指因發酵罐溫度與環境溫度不同，而使發酵液通過罐體向外輻射的熱不同，而使發酵液通過罐體向外輻射的熱量量 。 輻射熱的

32、大小取決于發酵罐內外的溫輻射熱的大小取決于發酵罐內外的溫度差的大小，受環境溫度變化的影響。度差的大小，受環境溫度變化的影響。 食品發酵食品發酵1 1）菌種特性）菌種特性2 2）培養基）培養基 （成分及配比）（成分及配比）3 3）發酵階段）發酵階段4 4）攪拌類型及攪拌速度）攪拌類型及攪拌速度5 5）通氣速度）通氣速度 （影響（影響Q Q蒸發蒸發）6 6）罐內外的溫差）罐內外的溫差 影響發酵溫度的因素影響發酵溫度的因素 由于Q生物、Q蒸發在發酵過程中隨時間而變化，因此發酵熱在整個發酵過程中也隨時間變化。為了使發酵在一定溫度下進行，必須采取措施加以控制。食品發酵食品發酵( (四四) )最適溫度的控

33、制最適溫度的控制根據菌種及生長階段來選擇根據菌種及生長階段來選擇 微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不微生物種類不同，所具有的酶系及其性質不同，所要求的溫度范圍也不同。同，所要求的溫度范圍也不同。 如：黑曲霉生長溫度為如：黑曲霉生長溫度為3737；青霉菌生長溫度為；青霉菌生長溫度為3030。 谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為谷氨酸產生菌棒狀桿菌的生長溫度為30303232， 合成溫度為合成溫度為34-37 ； 食品發酵食品發酵根據培養條件選擇根據培養條件選擇 溫度選擇還根據培養條件綜合考慮，靈活選擇。溫度選擇還根據培養條件綜合考慮，靈活選擇。 通氣條件差通氣條件差時可適當時可適當降低溫度降低

34、溫度，使菌呼吸速率，使菌呼吸速率降低些，溶氧濃度也可髙些。降低些，溶氧濃度也可髙些。 培養基稀薄時，溫度也該低些培養基稀薄時，溫度也該低些。因為溫度高營。因為溫度高營養利用快，會使菌過早自溶。養利用快，會使菌過早自溶。食品發酵食品發酵根據菌生長情況根據菌生長情況 菌生長快菌生長快，維持在較高溫度時間要短些；，維持在較高溫度時間要短些； 菌生長慢菌生長慢，維持較高溫度時間可長些。，維持較高溫度時間可長些。 培養條件適宜培養條件適宜，如營養豐富，通氣能滿足，如營養豐富，通氣能滿足，那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。那么前期溫度可髙些，以利于菌的生長。 總的來說，溫度的選擇根據菌種生長階段及總的來

35、說，溫度的選擇根據菌種生長階段及培養條件綜合考慮。要通過反復實踐來確定最適培養條件綜合考慮。要通過反復實踐來確定最適溫度。溫度。食品發酵食品發酵控制方法n最適生長溫度往往與最適生產溫度不一致。一般把滿足生物合成的最適溫度放在首位。n溫度傳感器+控制器 升溫：發酵熱升溫：發酵熱 夾層夾層熱水熱水/蒸汽蒸汽 降溫：夾層降溫：夾層冷卻水冷卻水/冷鹽水冷鹽水 食品發酵食品發酵二、二、pHpH值的影響及其控制值的影響及其控制 （一）（一）pHpH值對菌生長和代謝產物形成的影響值對菌生長和代謝產物形成的影響 菌種不同，對菌種不同，對pH要求不同要求不同微生物微生物最適最適PH細菌細菌6.5-7.5放線菌放

36、線菌6.5-8.0酵母菌酵母菌3.8-6.0霉菌霉菌4.0-5.8食品發酵食品發酵lpHpH值對菌生長和代謝產物形成的影響值對菌生長和代謝產物形成的影響 菌種相同，菌種相同，pHpH不同，形成的產物不同不同，形成的產物不同微生物微生物pH發酵產物發酵產物黑曲霉2-3檸檬酸近中性草酸酵母菌4.5-5.0乙醇8.0乙醇、乙酸、甘油食品發酵食品發酵pHpH對微生物生長和代謝產物形成影響的對微生物生長和代謝產物形成影響的主要原因主要原因：n影響了微生物細胞原生質膜所帶電荷，改變細胞膜的通透性。n影響微生物體內酶的活性。n影響培養基中營養物質和中間代謝產物的離解，從而影響微生物對這些物質的利用。n造成微

37、生物代謝過程的改變，從而使代謝產物的質量和比例發生改變。食品發酵食品發酵n微生物代謝產物的影響；n培養基組成對pH值的影響： C/N高，特別是葡萄糖過量，往往導致有機酸大量積累，使pH值下降。如果C/N低，則過多的氮源容易導致氨基氮的形成，使pH值上升。n菌體自溶對pH值的影響。(二二)、影響、影響pH值變化的因素值變化的因素食品發酵食品發酵1 1、調整培養基的組分、調整培養基的組分2 2、在發酵過程中進行控制、在發酵過程中進行控制 添加CaCO3 氨水流加法 尿素流加法 3 3、加、加酸酸/ /堿堿調調pH pH 4 4、通過補料調、通過補料調pHpH(三三)、發酵過程、發酵過程pH值的調節

38、及控制值的調節及控制u補料調節的優點補料調節的優點:1.調節培養液的調節培養液的pH值值2.補充基質養分，增加培補充基質養分，增加培養基的濃度養基的濃度3.減少產物的反饋抑制減少產物的反饋抑制食品發酵食品發酵谷氨酸發酵谷氨酸發酵食品發酵食品發酵谷氨酸發酵中酸度的調節谷氨酸發酵中酸度的調節尿素尿素產氨產氨糖糖pH氨被菌利用氨被菌利用酸酸pH谷氨酸形成谷氨酸形成不斷流加尿素和調節不斷流加尿素和調節pH首先首先食品發酵食品發酵n發酵過程中pH會不會發生變化，為什么？npH對發酵的影響表現在哪些方面？n發酵過程中的pH控制可以采取哪些措施？問題問題食品發酵食品發酵三、溶氧的影響及其控制三、溶氧的影響及

39、其控制 （一）（一）溶解氧對發酵過程的影響溶解氧對發酵過程的影響1、不同微生物對氧需求不同、不同微生物對氧需求不同 好氧微生物厭氧微生物兼性厭氧微生物耐氧微生物工業發酵菌種多數為好氧菌工業發酵菌種多數為好氧菌食品發酵食品發酵2.2.溶氧對發酵過程的影響溶氧對發酵過程的影響氧氣在水中的溶解度：約氧氣在水中的溶解度：約0.25mmol/L0.25mmol/L；在發酵液中的溶解度：在發酵液中的溶解度：0.22mmol/L0.22mmol/L；發酵液中大量的微生物生長其耗氧量發酵液中大量的微生物生長其耗氧量25-25-100mmol/(L.h)100mmol/(L.h)。 當溶氧不足時，代謝作用會受到

40、阻礙，但是當溶氧不足時，代謝作用會受到阻礙，但是如果溶氧量過大，又會影響菌體次級代謝產物的如果溶氧量過大，又會影響菌體次級代謝產物的合成。在供氧不足的情況下通常需要強制供氧。合成。在供氧不足的情況下通常需要強制供氧。l臨界氧濃度：臨界氧濃度：溶氧濃度不影響微生物的呼吸時的溶氧濃度不影響微生物的呼吸時的濃度。濃度。食品發酵食品發酵（二）發酵過程的溶氧變化（二）發酵過程的溶氧變化谷氨酸發酵時正常和異常的溶氧曲線谷氨酸發酵時正常和異常的溶氧曲線正常發酵正常發酵溶氧曲線溶氧曲線異常發酵異常發酵溶氧曲線溶氧曲線l前期：菌體生長，溶氧出前期：菌體生長，溶氧出現低峰；現低峰；l產物合成期：溶氧水平相產物合成

41、期：溶氧水平相對較低；對較低；l后期：菌體衰老，溶氧逐后期：菌體衰老，溶氧逐步上升。步上升。食品發酵食品發酵溶氧異常下降的原因溶氧異常下降的原因： 污染好氣性雜菌；污染好氣性雜菌； 代謝異常；代謝異常； 設備或工藝變化設備或工藝變化溶氧異常升高的原因：溶氧異常升高的原因： 呼吸受到抑制呼吸受到抑制溶氧明顯上升；溶氧明顯上升； 污染烈性噬菌體；污染烈性噬菌體； 菌體破裂會完全失去呼吸能力菌體破裂會完全失去呼吸能力溶氧直線上升。溶氧直線上升。食品發酵食品發酵1 1、供氧方面、供氧方面1 1）增加空氣中氧的含量，使氧分壓增加，進行富氧通氣）增加空氣中氧的含量，使氧分壓增加，進行富氧通氣 富氧空氣制備

42、： 深冷分離法深冷分離法 （可得（可得99.9%)99.9%) 吸附分離法吸附分離法 （吸去（吸去N N2 2和和COCO2 2) ) 膜分離法膜分離法 （有機物高分子膜；（有機物高分子膜；30%30%）成本高，易爆炸成本高，易爆炸 ；但關鍵時期使用也是明智的；但關鍵時期使用也是明智的2 2）提高罐壓）提高罐壓 但同時會增加但同時會增加COCO2 2的溶解度（比氧氣高的溶解度（比氧氣高3030倍），倍），影響影響pHpH、可能會影響菌的代謝。、可能會影響菌的代謝。 一般一般0.30.31kg /cm1kg /cm2 23 3）改變通氣速率）改變通氣速率4 4）增加攪拌速度）增加攪拌速度（三）溶

43、氧濃度的控制（三）溶氧濃度的控制 食品發酵食品發酵2 2、需氧方面、需氧方面1 1）調整基質濃度）調整基質濃度 菌體量越大，攝氧率菌體量越大，攝氧率越大，但是越大，但是 氧的傳遞速率隨菌濃度的對數氧的傳遞速率隨菌濃度的對數增加而減少。增加而減少。 2 2）調節溫度）調節溫度 溫度越高，溶氧濃度越低。溫度越高，溶氧濃度越低。食品發酵食品發酵（一）、泡沫的形成及其對發酵的影響（一）、泡沫的形成及其對發酵的影響1 1、泡沫產生、泡沫產生u外界引進的氣流被機械地分散形成（攪拌）；u發酵過程微生物代謝產生的氣體凝結生成。四、四、 泡沫的影響及其控制泡沫的影響及其控制 發酵液面的泡沫發酵液中的泡沫食品發酵

44、食品發酵起泡機理起泡機理 當氣體通入純水的氣當氣體通入純水的氣- -液界面時，氣泡只能維持幾分之一液界面時，氣泡只能維持幾分之一秒，其穩定性等于零，這是由于能學上的不穩定性和圍繞秒，其穩定性等于零，這是由于能學上的不穩定性和圍繞氣泡的液膜強度很低所致。氣泡的液膜強度很低所致。 當氣體通入起泡劑液體，因這些物質具有某些親水基團當氣體通入起泡劑液體，因這些物質具有某些親水基團和疏水基團和疏水基團, ,分子帶極性的一端向著水溶液分子帶極性的一端向著水溶液, ,而非極性一端而非極性一端向著空氣向著空氣, ,并力圖在表面作定向排列并力圖在表面作定向排列, ,增加了泡沫的機械強增加了泡沫的機械強度。度。表

45、面活性劑示意圖表面活性劑示意圖 培養基中蛋白質以及微生物菌體等為起泡物質，具有穩培養基中蛋白質以及微生物菌體等為起泡物質，具有穩定泡沫的作用定泡沫的作用 培養基的成分、溫度、酸堿度、濃度及泡沫的表面積對培養基的成分、溫度、酸堿度、濃度及泡沫的表面積對泡沫的穩定性都有一定影響泡沫的穩定性都有一定影響食品發酵食品發酵2.2.泡沫帶來的危害泡沫帶來的危害n在裝填量較大的情況下，泡沫過多會引起發酵液外溢，從而容易造成污染和浪費。n泡沫過多，必須減少發酵罐的裝填量，從而降低了設備利用率。n當泡沫不易消除時，影響菌體代謝產生的氣體的排出，從而影響菌體的生長和代謝，甚至引發死亡。食品發酵食品發酵（二）發酵過

46、程泡沫變化（二）發酵過程泡沫變化 1 1、通氣和攪拌的影響、通氣和攪拌的影響 通氣量越大，攪拌越劇烈，產生的泡沫越多。2 2、培養基組成的影響、培養基組成的影響 培養基中蛋白胨、玉米漿、黃豆粉等蛋白質具有較高的表面張力，容易形成泡沫，隨著含量增加，泡沫越多。雖然糖類起泡能力很差，但高濃度糖液增加了培養基的粘度，增加了泡沫的穩定性。3 3、滅菌的影響、滅菌的影響 培養基滅菌時間越長，培養基的泡沫壽命越長。食品發酵食品發酵（二）發酵過程泡沫變化（二）發酵過程泡沫變化 4.發酵過程的不同階段對泡沫變化的影響：u一般發酵初期，培養基濃度大，粘度高，營養豐富，在高的表面粘度和低的表面張力作用下，泡沫較穩

47、定；u發酵旺盛時期，泡沫形成最多；u隨著發酵進行，蛋白質等物質被不斷降解，培養基表面粘度逐漸下降，表面張力不斷上升，泡沫壽命逐漸縮短；u在發酵后期菌體自溶導致發酵液中可溶性蛋白質增加，又利于泡沫的產生。食品發酵食品發酵問題問題 以霉菌發酵為例，說說發酵過程中泡沫的消長規律？以霉菌發酵為例，說說發酵過程中泡沫的消長規律？ 0表面張力表觀黏度表面張力泡沫壽命表觀黏度霉菌發酵過程中培養液的性質與泡沫的關系u發酵初期泡沫的高穩定性與發酵液的高表現黏度和低界面張力有關，而隨著霉菌產生酶增多和對碳/氮源利用，造成穩定泡沫的蛋白質被分解，培養液表面黏度降低促使表面張力上升，泡沫減少；當到達發酵后期，由于微生

48、物細胞的自溶，又使蛋白質濃度增加，促使發酵過程泡沫上升。u當發酵過程中染菌會使發酵液黏度變大，也會產生大量泡沫。u微生物的呼吸和發酵產生大量的CO2等氣體排放到發酵液中，必然也會引起大量泡沫的產生。食品發酵食品發酵（三）泡沫的控制及消除（三）泡沫的控制及消除n控制措施：控制措施： 減小通氣量減小通氣量 降低攪拌速度降低攪拌速度 降低蛋白質含量降低蛋白質含量 較高的物料的比例等較高的物料的比例等n泡沫的消除方法泡沫的消除方法 物理物理/ /化學化學食品發酵食品發酵u物理消泡概念： 改變溫度和壓力，以及通過機械外力打碎泡沫等方法使泡沫減少。機械消泡的特點： 優點：在于不需要加入其他物質，從而減少了

49、染菌機會和對下游工藝的影響。 缺點：是消泡效果不理想，不能從根本上消除引起泡沫穩定的原因，因此僅作為輔助方法使用。食品發酵食品發酵l裝在發酵罐的攪拌軸上，安裝時槳上的齒面裝在發酵罐的攪拌軸上，安裝時槳上的齒面略高于液面，靠軸的旋轉帶動來打碎泡沫，起略高于液面，靠軸的旋轉帶動來打碎泡沫，起到消泡的作用到消泡的作用耙式消泡槳食品發酵食品發酵化學消泡n優點：n作用機理n消泡劑具備的條件n常用的消泡劑l消泡效果好消泡效果好l作用迅速可靠作用迅速可靠l用量少用量少l不需要改造現有設備不需要改造現有設備l不僅適用于大規模發酵生產，也適用于小規模發酵試驗。不僅適用于大規模發酵生產，也適用于小規模發酵試驗。破

50、壞膜彈性降低泡沫局部表面張力。促使液膜排液使表面活性劑增溶，降低有效濃度電解質瓦解表面活性劑雙電層而導致氣泡破滅一定的親水性；高效性，用量少；持久性；無毒；無副作用。l天然油脂:如豆油、玉米油l聚醚類消泡劑：GP型消泡劑親水性差，抑泡能力比消泡能力優越，適宜在基礎培養基中加入，以抑制整個發酵過程的泡沫產生。GPE型消泡劑即泡敵，親水性較好，消泡活性維持時間短，因此用在粘稠發酵液中效果較好。GPES型消泡劑表面活性強，消泡效率高。 l高碳醇：在水體系里是有效的消泡劑。C7-C9的醇是最有效的消泡劑。 食品發酵食品發酵五、補料的控制五、補料的控制 l概念：補料發酵就是指在分批發酵過程中,間歇或連續地補加含有限制性營養成分的新鮮培養基。l補料的內容： 補充碳源和能源 補充氮源 加入某些微生物生長或合成需要的微量元素或無機鹽 對于產酶的微生物，在補料中適當加入該酶的作用底物，是提高酶產量的重要措施。 食品發酵食品發酵補料對發酵的影響補料對發酵的影響n有利于菌體的高密度培養。 過高濃度的營養物勢必造成菌體代謝的紊亂，表現為遲滯期延長，比生長速率降低，得率下降 。 n解除高濃