发酵工艺学课件ppt

——主讲：孙永康

发酵的英文Fermentation是从拉丁语ferver即“翻腾”、“沸涌”、“发泡”而来；因为发酵有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、欧洲的beer就以起泡现象作为判断发酵进程的标志。

最早的发酵产品据记载起源与5000BC。据记载最早的发酵食品应是酒类，通常认为是wine，因为大自然中具备了野生果类和酵母菌，条件适宜情况下即行发酵。在神话传说中亦有猿猴酿酒之说。由于自然界中资源的多样性，便有了多种多样的发酵食品。

5000-6000BC——wine、黄酒、白酒、Cheese

4000BC——Beer，至古埃及即出现了麦芽糖化。

 (酱油、调味品)

白酒：农业社会粮食节余，生霉、发酵、蒸馏而得

发酵食品与许多民族文化融为一体。

英国的Whisky

荷兰的Cheese

俄国的黑面包（大脸面包）

德国的啤酒

中国的白酒

日本的清酒

法国的香槟

古老的发酵食品自产生以来，长时间内停留在自然酿造阶段。即知其然而不知其所以然，通常以经验掌握。由于节气、环境的变化即决定了产品的成败，因此食品酿造甚至被赋予很多神秘色彩，甚至出现了对曲的顶礼膜拜，与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的机理一直未能充分揭示，因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。

广义——通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。

狭义——厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。

发酵工业：（巴斯德）经纯种培养和提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。

2、酿造(brewing)和酿造工业

酿造(brewing)：我国人们对对一些特定产品发酵生产的特殊称法，是未知的混合微生物区系参与的一种自然发酵。

酿造工业：经自然培养、不需提炼精制、产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆豉、面酱等。

3.发酵与酿造的主要特点 

  1）安全简单

      发酵与酿造过程绝大数是在常温压下进行的，生产过程安全，所需的生产条件比较简单。

2）原料广泛

      发酵与酿造通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品主原料，添加少量营养因子，就可以进行反应了。目前，发酵与酿造的原料范围已大大扩展，矿产资源和石油产品都可以作为发酵与酿造的原料，甚至生产中的废水、废料都可以作为发酵与酿造的原料。

3）反应专一

     食品发酵与酿造过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应专一性强。因而，可以得到较为单一的代谢产物，避免不利或有害副产物混杂其中。 

  4）代谢多样

     由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样化，以及生物体化学反应的高度选择性，即使是极其复杂的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代谢产物。因而，发酵与酿造适应的范围非常广。

5）易受污染

      由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物都很容易生长，发酵与酿造过程要严格控制杂菌污染，有许多产品必须在密闭条件下进行发酵，在接种前设备和培养基必须灭菌，反应过程中所需空气或流加营养物必须保持无菌状态。发酵过程避免杂菌污染是发酵成功的关键。

  6）菌种选育

      发酵与酿造最重要的因素是菌种，通过各种菌种选育手段得到高产的优良菌种，是能否创造显著经济效益的关键。另外，生产过程中菌种会不断地变异，因此，自始至终都要进行菌种的选育和优化工作，以保持菌种的基本特征和优良性状。

1）采用多种原料，且多以淀粉质原料为主。

植物性原料：

麦 ：beer、bread

豆： 酱油、豆豉、腐乳、纳豆

水果：酒、果醋

茶叶：红茶、茶菌（海宝，醋酸菌、酵母、乳酸菌+红茶水+糖）

动物性原料：

乳：酸奶、Cheese

肉：香肠

2）多菌种混合发酵，且多以霉菌为主的微生物群。（国外多以细菌、乳酸菌）  

3）工艺复杂、多用曲：董酒生产制的曲用72味中药。曲（Koji）

4）多为固态发酵：醅、醪

1665年罗伯特·虎克 （Robert Hooke ）

1676年列文虎克（Leewenhoch）

1856-1857年巴斯德(Pasteur)

1870年巴斯德(Pasteur)

1880年科赫（Robert Koch）

1897年，Buchner（布赫纳）

1928年，Fleming(弗莱明)

1940年，Florery(弗洛里)  and Chain (钱恩 ) 

1945年，抗生素工业

列文虎克（Leewenhoch，1632-1723）

荷兰业余科学家，1676年，用自磨镜片创造了一架能放大 266倍的原始显微镜一生制作了419台显微镜；

发表论文400余篇，375篇寄往英国皇家学会发表。

2.微生物生理学发展阶段

生理学发展阶段代表人物和重要事：

细菌学（巴斯德、科赫）

外科消毒术(Lister，1865）和乳酸菌的分离

根瘤菌等土壤微生物的研究（M·W贝，C·H维）

无酵母菌压汁酶功能的发现（E.Buchner，1897)

化学药剂和抗生素发现和临床应用（1909-1935）

酿造技术日趋完美

1880年，发现可以通过稀释把多种微生物分离开来，建立了单种微生物的分离和纯培养技术。

建立了研究的微生物一系列方法，把早年在马铃薯块上的培养技术改为明胶平板（1881）和 琼脂平板（1882）

显微镜技术：包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、悬滴培养法以及显微摄影技术。

利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源菌（炭疽、结核、链球、）

1884年提出了科赫法则（Koch’s  ostulates）：病原微生物存在于病体而非健康体；可纯培养；纯培养物接种后染病；可重新分离再培养。

霉菌菌落周围出现抑制萄葡球菌生长的抑制现象

1940年， Florery(弗洛里)  and Chain (钱恩 ) ：

碘黄青霉基中得到了纯品青霉素，继而放线菌——链霉素，金、土、卡那、红、新、庆大……..等相继发现。

1984年达9000多种。

1945年，抗生素工业（发酵工业正式兴起）

J.D.Waston，   H.F.C.Crick发现DNA双螺旋模型

第一个转折点——微生物纯种分离培养技术建立

自然发酵时期：知其然而不知其所以然，如厌气性——酒类，好气性——醋。

微生物纯种分离培养技术，开创了人为控制微生物时代，减少了腐败现象，实现了无菌操作；发明了简便的密封式发酵罐；人工控制条件，提高发酵效率，稳定产品质量。

20世纪40年代，借助于抗生素工业的兴起，建立了通风搅拌培养技术。成功建立起深层通气培养法和一整套培养工艺，包括向发酵罐中通入大量无菌空气、通过搅拌使空气均匀分布、培养基的灭菌和无菌接种等，使微生物在培养过程中的温度、pH、通气量、培养物的供给都受到严格的控制。这些技术极大地促进了发酵与酿造工业，各种有机酸、酶制剂、维生素、激素都可以借助于好气性发酵进行大规模生产。

以动态生物化学和遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，选育高产菌株，实现有选择地大量生产目的产物。该技术先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得到应用。

生产厂家既想利用化学合成法降低生产成本，又想使产品拥有较高的质量，于是就采用化学合成结合微生物发酵的方法。如生产某些有机酸，先采用化学合成法合成其前体物质，然后用微生物转化法得到最终产品。这样，将化学合成与微生物发酵有机地结合起来的工程技术就建立起来了，这形成了发酵与酿造技术发展的第四个转折点。

细胞融合技术，得到了许多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通过常规发酵得到了许多新有用物质。基因工程技术，可以在体外重组生物细胞的基因，并克隆到微生物细胞中去构成工程菌，利用工程菌生产原来微生物不能生产的产物，如胰岛素、干扰素等，使微生物的发酵产品大大增加。

               酶工程——很多产品还采用一步酶法转化法，即仅仅利用微生物生产的酶进行单一的化学反应。例如，果葡糖桨的生产，就是利用葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖的。

               发酵设备——生物反应器也不再是传统意义上的钢铁设备，昆虫的躯体、动物细胞的乳腺、植物细胞的根茎果实都可以看作是一种生物反应器。

               可以说，发酵和酿造技术已经不再是单纯的微生物发酵，已扩展到植物和动物细胞领域，包括天然微生物、人工重组工程菌、动植物细胞等生物细胞的培养。随着转基因动植物的问世，因此，随着基因工程、细胞工程、酶工程和生化工程的发展，传统的发酵与酿造工业已经被赋予崭新内容，现代发酵与酿造已开辟了一片崭新领域。

(一)按产业部门来分

(1)酿酒工业(黄酒、啤酒、白酒、葡萄等)；

(2)传统酿造工业(酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、酸乳等)；

(3)有机酸发酵工业(柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等)；

(4)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)；

(5)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)；

(6)功能性食品生产工业(低聚糖、真菌多糖、红曲等)；

(7)食品添加剂生产工业(黄原胶、海藻糖等)；

(8)菌体制造工业(单细胞蛋白、酵母等)；

(9)维生素发酵工业(维生素B2、维生素B12等)；

(10)核苷酸发酵工业(ATP、IMP、GMP等)。

(二)按产品性质来分

   1.生物代谢产物发酵

          生物细胞将外界物质吸收到体内，一面进行分解代谢(异化作用)，一面又利用分解代谢中间代谢产物及能量去合成(同化作用)体内所需成分，这一过程称为新陈代谢。在代谢过程中，生物体进行着复杂的生物合成，获得了许多重要的代谢产物。以生物体代谢产物为产品的发酵与酿造工业是该工业中数量很多、产量最大、也是最重要的部分，产品包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。

2.酶制剂发酵

             利用发酵法制备和生产并提取微生物产生的各种酶，已是当今发酵工业的重要组成部分。工业用酶大多来自于微生物发酵生产的酶，如：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、转化酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶，碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶，果胶酶，脂肪酶，凝乳酶，过氧化氢酶，青霉素酰化酶，胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基酰化酶等。

             利用微生物生产的胞内酶或胞外酶加以分离提取得到的酶制剂。现在已有很多酶制剂被加工成固定化酶，使酶制剂行业前进一大步。

3.生物转化发酵  

           生物转化是指利用生物细胞中的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位(基团)，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值化合物的生化反应。

           可进行的转化反应包括脱氢、氧化、脱水、缩合、脱羧、羟化、氨化、脱氨、异构化等，

    4.菌体制造

           这是以获得具有特定用途的生物细胞为目的产品的一种发酵，包括单细胞蛋白，藻类，食用菌和人、畜防治疾病用的疫苗，生物杀虫剂等的生产。细胞物质发酵生产的特点是细胞的生长与产物积累呈平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，刚进入生长稳定期时细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。

现代生物技术即应用生物体(微生物、动物细胞、植物细胞)或其组成部分(细胞器、酶)，在最适合条件下，生产有价值的产物，或进行有益过程的技术。它是一门涉及分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、化学、物理学、工程学的多学科、综合性的科学技术。生物技术是靠基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大技术体系支撑起来的。

现代发酵技术已超越了微生物工程的范畴。由此可见，发酵工程(包括酶工程)与细胞工程、基因工程谁也离不开谁，发酵工程（包括酶工程）需要基因工程、细胞工程为他提供最良好的生物细胞（或酶），而基因工程、细胞工程得到的最良好的细胞(或酶)必须要经过发酵工程(包括酶工程)才能实现其价值。

若采用的生物催化剂是酶、休止细胞、死细胞或固定化细胞，则反应系统比较简单，只需考虑温度、 pH等容易控制的条件。若采用的是生物活细胞，则要为该细胞提供最优生长、最优形成产物的可控系统和环境，使温度、pH、通气、搅拌、罐压、溶解氧、二氧化碳含量等物理、化学条件得到有效的维持和控制，从而使该生物细胞呈现出最佳的性能，生成和积累大量产物。这就充分反映出生化工程是发酵工程转化为生产力必不可少的重要环节。

(一)利用基因工程技术，人工选育和改良菌种  

          基因工程是一种将目的基因从DNA上切割下来(或人工合成)，在体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导等手段将重组的基因组导入受体细胞，使后者获得复制该基因的能力，从而达到定向改变菌种遗传特性或创造新菌种的目的。这种带有目的基因的受体细胞，具有我们所希望的新的遗传性能和生产性能，这是常规育种方法无法做到的。

(二)结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养

           细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入了一个新的阶段。借助于微生物细胞培养的先进技术，大量培养动植物细胞的技术日臻完善，有很多已经进行大规模生产。

           动植物细胞有产生很多微生物细胞所不具备的特有的代谢产物，进行动植物细胞的培养，就能生产这些特有物质。如动物细胞可生产生长激素、疫苗、免疫球蛋白等；植物细胞可生产生物碱类、色素、类黄酮、花色苷、苯酚、固醇类、萜烯类、植物生长激素类、调味品、香料等。植物细胞培养还可以用于种苗生产，使名贵的植物、花卉种苗可在实验室得以培育。

(三)应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业

          将酶固定在不溶性膜状或颗粒状聚合物上，以聚合物作为载体的固定化酶在连续催化反应过程中不再流失，从而可以回收并反复利用，这样就改善了反应的经济性；酶也不会混杂在反应产物中，可大大简化提取纯化工艺；另外，有些酶在游离状况下容易失活，固定后稳定性得以提高。固定化细胞则是将具有一定生理功能的生物体(如微生物、植物细胞、动物组织或细胞、细胞器)用一定方法固定，作为生物催化剂使用。

(四)重视生化工程在发酵与酿造业的应用  

           生化工程指的是生化反应器、生物传感器和生化产品的分离提取纯化等下游工程。生化反应器是生物化学反应得以进行的场所，其开发涉及流体力学、传质、传热和生物化学反应动力学等学科。生物传感器是发酵与酿造过程控制的关键所在，要实现反应器的自动化、连续化，生物传感器是必不可少的。生物代谢产品的分离提取纯化工作是生物技术产品产业化必不可少的环节，下游工程水平的高低将对该项目是否能取得较高的经济效益起到至关重要的作用。

(五)发酵法生产单细胞蛋白  

           当今世界面临着三大问题：食物、能源和环境。开发单细胞蛋白是解决人类食物问题的重要途径。单细胞蛋白最主要的用途是作为动物饲料，作为高蛋白供人食用已不多见。由于微生物的代谢方式各种各样，各种资源都可以利用，而且微生物繁殖速度惊人，比动物要快上百倍，因此，发展单细胞蛋白不失为一种解决废水废料、保护环境、节约粮食资源的好方法。

    (六)加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品

           由于生物代谢的多样性，至今研究透彻的代谢途径中的一小部分，搞清更多的代谢途径，搞清其代谢调节的机制，将会开发出更多有价值的生物代谢产品。