第四章发酵工程与食品产业

第四章 发酵工程与食品产业第四章发酵工程及其在食品工业中的应用

第一部分发酵工程概述 • 发酵一词的来源 “发酵”（Fermentation）一词是拉丁语“沸腾”（fervere）的派生词，它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时产生气泡的现象。产生气泡的现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。

狭义 “发酵”的定义 • 在生物化学上发酵:指微生物在无氧条件下，分解各种有机物质产生能量的一种方式。 • 如葡萄糖在无氧条件下被微生物利用产生酒精并放出二氧化碳。同时获得能量，丙酮酸被还原为乳酸而获得能量等等。

广义 “发酵”的定义 • 工业上所称的发酵:泛指利用微生物细胞制造某些产品或净化环境的过程，它包括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮、丁醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产。 • 产品既有细胞代谢产物，也包括菌体细胞、酶等。

发酵工程的概念：指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于生产过程的一种新技术。发酵工程的概念：指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于生产过程的一种新技术。

典型的发酵过程示意图

二、发酵工程的特点 1、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化学反应，反应安全，要求条件比较简单。 2、发酵所用的原料简单粗放。通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这一特性，可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。

3、发酵过程反应的专一性强，可以得到较为单一的代谢产物。3、发酵过程反应的专一性强，可以得到较为单一的代谢产物。 4、发酵过程中对杂菌污染的防治至关重要。除了必须对设备进行严格消毒处理和空气过滤外，反应必须在无菌条件下进行。如果污染了杂菌，生产上就要遭到巨大的经济损失，要是感染了噬菌体，对发酵就会造成更大的危害。因而维持无菌条件是发酵成败的关键。

5、能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。5、能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应，也可以产生比较复杂的高分子化合物。 6、通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良微生物菌种，使生产设备得到充分利用，也可以获得按常规方法难以生产的产品。 7、工业发酵与其他工业相比，投资少，见效快，并可以取得显著的经济效益。

三、发酵工程的内容 依据最终产品的性质和特点，工业发酵过程可归纳为： 1、以菌体为产品的发酵生产制作面包的酵母菌; 生产作为人类或动物食物的微生物细胞（即单细胞蛋白质） 2、以微生物的酶为产品的发酵提取微生物酶制剂

3、以微生物的代谢产物为产品的发酵 当微生物进入稳定期后，代谢产生如氨基酸、核苷酸、脂类和碳水化物以及抗生素等多种初级和次级代谢产物。 4、产品的转化发酵生物细胞或其产生的酶能将一种化合物转化成化学结构相似，但在经济上更有价值的化合物。转化反应包括催化脱氢、氧化、羟化、缩合、脱羧、氨化、脱氨化等作用。

四、发酵工业的发展史 天然发酵阶段（古代-1900年）纯培养技术的建立（1905年-）通气搅拌发酵技术的建立（1940年-）开拓发酵原料时期（1960年-）基因工程阶段（1979-）

（1）第一个阶段（1900年以前） • 产品只限于含酒精饮料和醋 • 古埃及已经能酿造啤酒 • 17世纪能在容量为1500桶（一桶相当于110升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造

1801年就有了原始的热交换器 18世纪中期，证实了酒精发酵中的酵母活动规律 Paster最终使科学界信服在发酵过程中酵母所遵循的规律 18世纪后期，Hansen在Calsberg酿造厂建立了酵母纯种培养技术

在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治染菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。在18世纪末到19世纪初，基础培养基是用巴氏灭菌法处理，然后接种10%优质醋使呈酸性，可防治染菌污染。这样就成为一个良好的接种材料。在20世纪初，在酿酒和制醋工业中已建立起过程控制的概念。

（2）第二个阶段（1900年~1940年） • 主要的新产品是酵母、甘油、柠檬酸、乳酸、丁醇和丙酮 • 在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术 • 在一次大战时，Weizmann开拓了丁醇、丙酮发酵，并建立了真正的无杂菌发酵

（3）第三个阶段（1940年以后） • 这一阶段的标志是，在纯种培养技术下，以深层培养生产青霉素 • 解决向培养基中通入大量无菌空气和高粘度培养液的搅拌问题

（4）第四个阶段（1960年以后） • 以烃为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白质的来源 • 出现了不需要机械搅拌的高压喷射和强制循环的发酵罐 • 工业上普遍采用分批培养和分批补料培养法

（5）第五个阶段（1979年以后） • 这个阶段以基因工程产品的生产为标志。 • 目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，如：胰岛素、人生长激素等等。

发酵工程的发展趋势 1) 利用遗传工程等先进技术，人工选育和改良菌种，使微生物细胞按照人类的需要合成某些产品； 2)采用发酵技术进行高等动植物细胞培养； 3)按照微生物生理和代谢特性以及产物的合成途径进行发酵条件调控； 4)在工程方面，开发和采用大型节能高效的发酵装置，自动控制将成为发酵生产控制的主要手段，从而使发酵工业朝着模拟化、自动化、最优化方向发展； 5)固定化技术广泛应用； 6)将生物技术理论广泛地用于发酵工程。

五、发酵过程的组成部分 • 典型的发酵生产过程包括： • 菌种的选育 • 确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基； • 对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌； • 菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中 • 控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得人们渴望的代谢产物

产物分离提纯 • 发酵过程中废弃物的处理与回收

发酵生产过程流程图

第二部分发酵设备与基本工艺过程 一、生物反应器(发酵罐) 利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程。采用活细胞(包括微生物、动植物细胞)作为生物催化剂的生物反应过程称为发酵过程或细胞培养过程。生物反应器：利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。

根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将生物反应器分为：根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将生物反应器分为：酶反应器和细胞生物反应器。生物反应器应具备的条件： • 能维持一定的温度、pH、反应物(如营养物质、溶解氧等)浓度 • 应具备良好的传质、传热和混合性能，以便为生物反应的顺利进行提供适宜的环境条件。 • 细胞生物反应器除具备上述特性外，还要求有一定的除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成的杂菌污染。

评价生物反应器的两个重要指标： • 生产能力 • 产品质量

（一）发酵罐设计的原则 • 发酵罐的主要功能是：为菌体生长，或为某一特定的微生物混合发酵剂提供一个便于控制的环境，以获得人们所期望的产物。

发酵罐设计的原则 1、发酵器应能在无菌条件下工作数天，且应在长时间运转过程中保持稳定； 2、通气和充分搅拌，以满足微生物代谢的需要，但不应损伤菌体； 3、尽可能低的功率消耗； 4、发酵罐上应配备有温度和pH值控制系统以及采样装置

5、发酵罐内的蒸发损失不应太多； 6、在放料、清洗和维修等操作过程中具有最低的劳动力消耗； 7、发酵罐应有较好的适应性，以满足不同生产厂家的需求； 8、发酵罐内表面应光滑。

9、用于中试规模的发酵罐与用于实际生产的发酵罐应具有相同的几何形状，有利于放大生产； 10、使用既能满足工艺要求又比较便宜的制造材料，同时应配备完善的供给设施。

发酵罐设计原则（总结） • 稳定性 • 控制性 • 操作性 • 安全性 • 可视性

（二）微生物细胞反应器 依搅拌方式不同，微生物细胞反应器有： • 内部机械搅拌型 • 外部液体搅拌型 • 气升循环式发酵罐

电动机 pH检测及控制装置加料口排气口搅拌器冷却水出口培养液冷却水进口无菌空气放料口典型发酵罐示意图

1、机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型) 主要由壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等组成。

壳体的作用：为整个发酵过程提供一个密封的环境，防止杂菌污染；同时为了能在一定压力下进行高温灭菌，要求罐体承受的压力至少在0.3MPa以上。 控温部分的作用：是保证发酵过程在恒温条件下进行，并将生物氧化和机械搅拌产生的热量及时移去搅拌部分的作用：使罐内物料混合良好，液体中的固形物料保持悬浮状态，这样有利于菌体与营养物质充分接触，便于营养吸收。另一方面，搅拌器可以打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递效果及消除泡沫。

通气部分的作用：是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般入口空气压力为0.1～0.2MPa(表压)，罐顶部有空气出口。 进出料口：是指进料和出料用的系统，同时还配有补料口装置等测量系统：作用在于测量发酵过程中的pH值、溶解氧等相关数据，以便对发酵过程进行随时的监测并及时对发酵参数进行调整。此外，测量装置应能承受一定的灭菌温度并在长时间内保持稳定。

通用机械搅拌型生物反应器内通常安装消泡装置，抑制泡沫的形成。通用机械搅拌型生物反应器内通常安装消泡装置，抑制泡沫的形成。附属系统是指用以观察发酵液情况的视镜装置和强化发酵液混合的挡板等设备。

二、基本工艺过程 （一）微生物发酵工艺类型 1、分批培养概念：又称分批发酵，指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物在特定的条件下只完成一个生长繁殖周期的培养方法。（微生物可表现出典型的生长周期）

2、连续培养 概念：又称连续发酵，指按一定的速度向培养系统内添加新鲜的培养基，同时培养液以相同的速度流出，从而使发酵罐内培养物的液量维持恒定，使微生物细胞能在相对恒定的状态下生长。（恒定状态可有效延长分批培养的对数期）

连续培养过程中，微生物细胞所处的环境条件，如营养物质的浓度、产物的生成速度、pH值以及微生物细胞的浓度和比生长速度等参数自始至终基本保持不变，甚至还可以根据需要来调节微生物细胞的生长速度。 • 连续培养的最大特点：微生物细胞的生长速度和产物的代谢生成均处于恒定状态，因而可以达到稳定、高速培养微生物细胞或产生大量代谢产物的目的。

连续培养分类： • 恒浊培养(利用浊度检测细胞的浓度) • 恒化培养（恒定输入养料中的某一基质）

3、补料分批培养 概念：又称半连续发酵，根据菌株生长和初始培养基的特点，在分批培养的某些阶段适当补加培养基，使菌体或其代谢产物的生产时间延长。 • 补料分批培养在发酵工业上主要用于发酵生产单细胞蛋白、氨基酸、抗生素、维生素、酶制剂、有机酸以及有机溶剂等。

补料分批培养类型： • 连续补料 • 非连续补料 • 多周期补料，

补料分批培养具有以下优点： • 消除培养过程中底物的抑制 • 消除产物的反馈抑制 • 可以达到高密度细胞培养 • 延长次级代谢产物的生产时间 • 稀释有毒代谢产物 • 降低染菌和避免遗传不稳定性

(二) 工业微生物菌种的扩大培养 菌种的扩大培养目的：为工业发酵提供数量巨大、代谢旺盛的微生物种子(或发酵剂)。种子的概念：将保存在沙土管或冷冻干燥管中处于休眠状态的母发酵剂接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养，最后获得一定数量和质量的纯种培养物，即发酵工业上通称的“种子”。

发酵工业上使用的种子必须具备的条件： ①生长旺盛，活力较高，延迟期短，接种到发酵罐后能迅速生长； ②细胞浓度适宜，以保证在大型发酵罐中有适当的接种量； ③生理状态稳定； ④无杂菌污染； ⑤生产能力保持稳定

（三）培养基灭菌 • 若发酵培养基中夹杂有其他微生物，将导致下列后果：（或为什么要对培养基灭菌） ①生产菌与杂菌在培养基中同时生长，使生产菌丧失生产能力； ②在连续发酵过程中，杂菌有时会比生产菌生长快，使生物反应器中杂菌占优势； ③杂菌过度生长会污染最终产品，

④杂菌代谢所产生的物质，使目的产物的分离困难；④杂菌代谢所产生的物质，使目的产物的分离困难； ⑤杂菌使目的产物降解。 ⑥发酵过程中，若发生噬菌体污染，生产菌细胞会发生溶菌现象，使发酵产物的最终产量或活力大幅度下降。

为防止和控制杂菌污染，实践生产中采取灭菌措施有： ①培养基灭菌； ②发酵罐灭菌； ③对所有与发酵过程有关的物料进行灭菌； ④发酵时保持纯种状态。

第四章 发酵工程与食品产业