食品生物技术--发酵工程

名词解释：

发酵工程：在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

发酵单位：又称效价。是衡量发酵罐中目的产物的含量高低的指标，属于技术指标一把用u/ml,mg/l。一般情况下用于表示发酵水平的高低

生物转化：指外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化

前体:指在产物合成过程中，被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质。最早是在青霉素生产中发现的 玉米浆（苯乙胺） 虾青素（甲羟戊酸）

消毒：在工业微生物中消毒指的是除去杂菌，除去会引起污染的微生物，在工业上是灭杀引起生产污染的微生物

灭菌：指的是杀死一切微生物(包括繁殖体和芽孢），不分病原和非病原微生物，杂菌和非杂菌。指把物体上的所有微生物（包括细菌芽孢在内）全部杀死的方法

透气比/VVM：单位时间（min）单位体积（m³）培养基中通入标准状况下空气的体积

在线检测：利用传感器检测不离开生产线的对参数实时监测

离线监测：检测样品离开生产线，检测后生成不在一起的检测

溶解氧：指溶解在水中的分子氧，以每升水中所含氧的毫克数来表示

临界溶氧浓度：不影响微生物呼吸时的最低溶氧浓度

Monod方程：随着细胞的大量繁殖，培养基中的营养物质迅速消耗至限制浓度，培养基中有害代谢产物积累增多，细胞的生长速率逐渐下降，进入减速期，当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的比生长速率和限制性基质浓度S的关系

活化：保藏菌种到斜面种子

扩大培养：斜面种子--三角瓶液体培养--种子罐

干热灭菌：利用高温对微生物有氧化、蛋白质变性和电解质浓缩作用而杀灭微生物，适用于玻璃及金属用具、沙土管灭菌 140~180 1~2h

湿热灭菌法：借助蒸汽释放的热能使微生物蛋白质酶核酸分子内部的化学键，特别是氢键受到破坏，引起不可逆变形，使微生物死亡。在有水分存在情况下，pr更易受热凝固变性，是用培养基和发酵设备灭菌。121 30min 饱和蒸汽；100度 水煮

1.发酵是是指利用生物体（包括微生物、植物细胞、酵母菌等）的代谢功能，使有机物分解的生物化学反应过程。

2.发酵工程是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 于工业生产过程的一种新技术

3.发酵工业特点：1、生产条件温和，设备要求低；2、原料来源丰富且价格低廉；3、产物专一，废弃物对环境污染小和容易处理；4、相对其他工业投资较少，见效较快，具有经济和效能的统一性。

4.发酵工艺过程

(1)．用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制

(2)．培养基，发酵罐及其附属设备的灭菌

(3)．扩大培养有活性的适量纯种，以一定的比例将菌种接入发酵罐中

(4)．控制最适的发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物

(5) 将产物提取并精制，以得到合格的产品

(6)．回收或处理发酵过程中所产生的三废物质

5.工业微生物的特点

(一)个体小，种类繁多,分布广泛

(二)生长繁殖快,代谢能力强

(三)遗传稳定性差,容易发生变异

6.发酵工业对微生物菌种的基本要求：

① 能在廉价原料制成的培养基上生长，且生成目的产物产量高、易于回收；

② 生长较快，发酵周期短；

③ 培养条件易于控制；

④ 抗噬菌体及杂菌污染的能力强；

⑤ 菌种不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定；

⑥ 对放大设备的适应性强；

⑦ 菌种不是病原菌，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。

7.例举常用微生物菌种：

1. 细菌-枯草杆菌，产物--淀粉酶、蛋白酶

大肠杆菌，产物--酰胺酶

2 .酵母菌-酵母，产物--甘油

啤酒酵母，产物--凝血质

3. 霉菌-黑曲霉 ，产物--柠檬酸 、酸性蛋白酶

4. 放线菌 -灰色放线菌 ，产物--蛋白酶影响种子质量的因素及其控制

8.影响种子质量的因素

发酵工程

第一章

发酵工程：是现代生物学的重要组成部分、由早期的酿造工艺演化至今，已经进入高科技领域，是生物科学的重要领域。

发酵：指厌氧发酵产生co2气体的现象。

生理意义：微生物在无氧环境下的一种呼吸，是微生物获取能量的一种方式。

发酵工程的发展阶段：

第一阶段：天然发酵阶段19世纪中叶之前

列文虎克—显微镜、巴斯德—巴氏消毒

第二阶段：纯培养技术（19世纪末至20世纪30年代）

乳酸的发酵 科赫—细菌培养技术

第三阶段：通气搅拌发酵技术的建立

亚历山大·弗莱明—青霉素

第四阶段：代谢控制发酵和现代发酵工程技术发展

发酵工业特点：

优点：1、产物结构的特异性和复杂性 2、产物过程的安全性

3、主要原料的可再生性

4、原料的可替换性

5、反应的自控性

6、副产物的可综合利用性

7、生产能力的可提高性

8、设备的可通用性

9、产物类型的可塑性

缺点：1、副产物多、分离精制困难

2、反应速度慢

3、原料转化率低

4、反映浓度低

5、生产稳定性差

6、设备庞大、辅助设备多

7、废水废渣多

8、生产过程中容易污染

9、通气搅拌冷却，耗能大

生产流程

1.繁殖种子和发酵生产所用的培养基组分确定

2.培养基加发酵罐及其他设备的灭菌

3.接种 4.在最适环境下经行发酵培养

5.产物萃取和精制

由实验室研制到产业化的过程

菌种筛选—摇瓶实验—发酵罐中试—发酵生产

思考题

发酵的定义：微生物在无氧环境下的呼吸，是微生物获取能量的一种方式

发酵工程的定义：使用现代技术手段，利用微生物某些特定功能为人类生产产品，或是直接把微生物利用于工业生产中的一项技术。

发酵的流程：

1.繁殖种子和发酵生产所用的培养基组分确定

2.培养基加发酵罐及其他设备的灭菌

3.接种

4.在最适环境下经行发酵培养

5.产物萃取和精制

发酵是指利用微生物制造工业原料或工业产品的过程。根据各种微生物的特性，在有氧或无氧条件下利用生物催化 ( 酶 ) 的作用，将多种低值原料转化成不同的产品的过程。如酿酒、制酱和醋等发酵技术古已有之。 20 世纪 40 年代中期美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素以及日本谷氨酸盐 ( 味精 ) 发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。 70

年代以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物

( 淀粉 ) 向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。 80 年代初基因工程发展，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。

发酵工程的内容 发酵工程主要包括菌种的培养和选育，发酵条件的优化，发酵反应器的设计和自动控制，产品的分离纯化和精制等。除食品工业外，化工、医药、冶金、能源开发、污水处理、防腐、防霉等开发，给发酵工程带来新的发展前景。

（菌种的培养） （食品工业） （医药工业） （污水处理）

目前已知具有生产价值的发酵类型有以下五种：微生物菌体发酵 这是以获得具有某种用途的菌体为目的的发酵。

传统的菌体发酵工业： 有用于面包制作的酵母发酵及用于人类或动物食品的微生物菌体蛋白发酵两种类型。 新的菌体发酵可用来生产一些药用真菌： 如香菇类、天麻共生的密环菌、以及从多孔菌科的获苔菌获得的名贵中药获答和担子菌的灵芝等药用菌。这些药用真菌可以通过发酵培养的手段来生产出与天然产品具有同等疗效的产物。 面包酵母生产工程（气升环流式反应器，50 M3） （药用菌）

微生物酶发酵

酶普遍存在于动物、植物和微生物中。最初，人们都是从动、植物组织中提取酶，但目前工业应用的酶大多来自微生物发酵，因为微生物具有种类多、产酶的品种多、生产容易和成本低等特点； 微生物酶制剂有广泛的用途，多用于食品和轻工业中，如微生物生产的淀粉酶和糖化酶用于生产葡萄糖，氨基酰化酶用于拆分DL一氨基酸等。酶也用于医药生产和医疗检测中，如青霉素酰化酶用来生产半合成青霉素所用的中间体６一氨基青霉烷酸，胆固醇氧化酶用于检查血清中胆固醇的含量，葡萄糖氧化酶用于检查血中葡萄糖的含量等等。 微生物代谢产物发酵 微生物代谢产物的种类很多，已知的有３７个大类，其中１６类属于药物。在菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核并酸、蛋白质、核酸、糖类等，是菌体生长繁殖所必需的。这些产物叫做初级代谢产物，许多初级代谢产物在经济上具有相当的重要性，分别形成了各种不同的发酵工业。 在菌体生长静止期，某些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素。生物碱、细菌毒素、植物生长因子等。这些产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子量化合物，但其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达４７类，其中抗生素的结构类型，按相似性来分，也有１４类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，而且还有抗病毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要支柱。微生物的转化发酵 微生物转化是利用微生物细胞的一种或多种酶，把一种化合物转变成结构相关的更有经济价值的产物。可进行的转化反应包括：脱氢反应、氧化反应、脱水反应、缩合反应、脱梭反应、氨化反应、脱氨反应和异构化反应等。 最古老的生物转化，就是利菌体将乙醇转化成乙酸的醋酸发酵。生物转化还可用于把异丙醇转化成丙醇甘油转化成二羟基内酮、葡萄糖转化成葡萄糖酸，进而转化成２一酮基葡萄糖酸或５一酮基葡萄糖酸，以及将山梨醇转变成L一山梨糖等。此外，微生物转化发酵还包括甾类转化和抗生素的生物转化等等。 生物工程细胞的发酵