發(fā)酵技術(shù) 第一章 緒論

發(fā)酵技術(shù)

TechnologyofFermentation1

授課內(nèi)容：第1章緒論第2章工業(yè)微生物菌種的選育、保藏與培養(yǎng)第3章發(fā)酵工藝條件優(yōu)化第4章發(fā)酵機(jī)制第5章發(fā)酵工程動(dòng)力學(xué)第6章發(fā)酵工程單元操作第7章發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備第8章發(fā)酵工程試比擬放大第9章發(fā)酵工程各論2第1章緒論本章內(nèi)容：1.1發(fā)酵的定義、發(fā)展歷史1.2發(fā)酵產(chǎn)物的類型；1.3發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)與范圍；1.4發(fā)酵工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)：發(fā)酵的定義、發(fā)酵工業(yè)的特點(diǎn)及發(fā)酵的產(chǎn)物類型。

3一.發(fā)酵與發(fā)酵技術(shù)概論1什么是發(fā)酵？“發(fā)酵”-fermentation,由拉丁語ferver（起泡、翻涌）派生而來。

1.1傳統(tǒng)的“發(fā)酵”：1.2狹義的“發(fā)酵”：生物化學(xué)上，……1.3廣義的“發(fā)酵”：微生物學(xué)上，……——工業(yè)發(fā)酵。4

請(qǐng)說出幾種發(fā)酵食品？5發(fā)酵食品

6789101112發(fā)酵技術(shù)與日常生活—食品發(fā)酵食品：酸奶、饅頭、面包、醬油、米酒、米醋等等……13發(fā)酵技術(shù)與日常生活—化工產(chǎn)品14發(fā)酵技術(shù)與日常生活—醫(yī)藥產(chǎn)品15沼氣發(fā)酵沼氣發(fā)酵又叫厭氧消化，是指利用人畜糞便、秸稈、污水等各種有機(jī)物在密閉的沼氣池內(nèi)，在厭氧（沒有氧氣）條件下，被種類繁多的沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生沼氣的過程。沼氣是一種混合氣體，可以燃燒，因?yàn)檫@種氣體最先是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣，它的主要成分是甲烷占55％～70％左右，二氧化碳占25％～40％左右，此外還有少量氫氣、硫化氫、一氧化碳、氮和氨等。16沼氣發(fā)酵技術(shù)無氧條件利用微生物——甲烷細(xì)菌產(chǎn)生甲烷甲烷燃燒可用于照明、發(fā)電。沼渣是沼氣發(fā)酵后殘留在沼氣池底部的半固體物質(zhì),含有豐富的機(jī)質(zhì)、腐殖酸、粗蛋白、氮、磷、鉀和多種微量元素等，是一種緩速兼?zhèn)涞膬?yōu)質(zhì)有機(jī)肥和養(yǎng)殖餌料。

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酒類：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用釀酒酵母，在厭氧條件下進(jìn)行發(fā)酵，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精生產(chǎn)的。白酒經(jīng)過蒸餾，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加熱后易揮發(fā)物質(zhì)，如各種酯類、其他醇類和少量低碳醛酮類化合物。果酒和啤酒是非蒸餾酒，發(fā)酵時(shí)酵母將果汁中或發(fā)酵液中的葡萄糖，轉(zhuǎn)化為酒精，而其他營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)部分被酵母利用，產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如氨基酸、維生素等，也會(huì)進(jìn)入發(fā)酵的酒液中。因此，果酒和啤酒營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高。

20白酒的釀造過程霉菌、酵母菌21醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化學(xué)合成的食品級(jí)醋酸勾兌的外，其他的則是由醋酸菌在好氧條件下發(fā)酵，將固體發(fā)酵產(chǎn)生的酒精轉(zhuǎn)化為醋酸生產(chǎn)的。由于使用的微生物菌種或曲種的差異，在葡萄糖發(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生乳酸或其他有機(jī)酸，因而使醋有不同的風(fēng)味。

22醋酸菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)

醋酸菌最適生長(zhǎng)溫度30－35°C最適PH:5.4～6.323

醬油：醬油生產(chǎn)以大豆為主要原料，其他有麥麩、小麥、玉米等，將上述原料經(jīng)粉碎制成固體培養(yǎng)基，在好氧條件下，利用產(chǎn)生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉進(jìn)行發(fā)酵。微生物在生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的蛋白酶，將培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、調(diào)制成醬油產(chǎn)品。醬油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。

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醬：以大豆和少量面粉為原料，蒸煮后在空氣中自然發(fā)酵。發(fā)酵過程主要是能夠產(chǎn)生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，將大豆中的蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉分解，產(chǎn)生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多種物質(zhì)。這些物質(zhì)使醬具有獨(dú)特的醬香味。25

酸奶：牛奶在厭氧條件下，由乳酸菌發(fā)酵，將乳糖分解，并進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和其他有機(jī)酸，以及一些芳香物質(zhì)和維生素等；同時(shí)蛋白質(zhì)也部分水解。因此，酸奶是營(yíng)養(yǎng)豐富、易消化，少含乳糖，是適合于有乳糖不適應(yīng)癥者的優(yōu)良食品。

26酸泡菜、酸黃瓜、奶酪及飲料乳酸菌2728“蒙牛”酸乳中的乳桿菌2829“蒙?！彼崛橹械那蚓?9

面包：現(xiàn)在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）經(jīng)活化后，與面粉混合發(fā)酵，再加入各種添加劑，經(jīng)烤制生產(chǎn)的。面粉發(fā)酵后淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，變得易于消化、營(yíng)養(yǎng)易于吸收。30

饅頭：以前做饅頭的面粉是經(jīng)自然發(fā)酵后蒸制的，如果連續(xù)使用面粉發(fā)酵，經(jīng)幾代發(fā)酵，微生物會(huì)因生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)而單一化。發(fā)酵的菌種一般多為乳酸菌。因?yàn)榘l(fā)酵產(chǎn)酸，在蒸制前要用堿中和酸，制得的饅頭才松軟適口、帶有特殊香味?，F(xiàn)在，大批量生產(chǎn)是采用干酵母發(fā)酵，所以不產(chǎn)酸，不需要再用堿中和即可蒸制。31饅頭、面包、醬油、醋酵母菌32廣義的“發(fā)酵”——“工業(yè)發(fā)酵”

：

泛指利用微生物制造或生產(chǎn)某些產(chǎn)品的過程。

包括：（1）厭氧培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如酒精，乳酸等。（2）通氣（有氧）培養(yǎng)的生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、酶制劑等。工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)品:

既有細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也包括菌體本身；包括發(fā)酵的食品在內(nèi)。33

傳統(tǒng)的“發(fā)酵”：

“發(fā)酵”Fermentation本意與酒的起泡現(xiàn)象有關(guān)，“發(fā)酵”主要用來描述酵母菌作用于果汁或麥芽汁產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，或者是指酒的生產(chǎn)過程。

主要指?jìng)鹘y(tǒng)的發(fā)酵食品的生產(chǎn)現(xiàn)象。

ferver：發(fā)泡、沸騰fermentation微生物的發(fā)酵現(xiàn)象－－請(qǐng)看下面現(xiàn)象34狹義的“發(fā)酵”：

指厭氧微生物或兼性厭氧微生物在無氧條件下，分解各種有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的一種方式，或者更嚴(yán)格地說，發(fā)酵是以有機(jī)物作為電子受體的氧化還原產(chǎn)能反應(yīng)。如葡萄糖在無氧條件下被微生物利用產(chǎn)生酒精并放出CO2。35

二.發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展歷史36甲古文中的酒文字

37遠(yuǎn)古人類發(fā)現(xiàn)，吃剩的米粥數(shù)日后變成了醇香可口的飲料—人類最早發(fā)明的酒38我國(guó)古代的釀酒作坊（四川新都縣出土的漢代畫像）39

1、傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù):自然發(fā)酵

外國(guó)

●公元前4000~3000年，古埃及人釀造酒、醋

●公元前2000年，古希臘人和古羅馬人釀葡萄酒

●公元前三世紀(jì)，古巴比倫人用谷物釀啤酒中國(guó)

●距今4200~4000年前，龍山文化時(shí)期即有酒器出現(xiàn)

●公元前1000多年前有酒、醋等的甲骨文文字記載

傳統(tǒng)自然發(fā)酵的主要產(chǎn)品有：酒(白酒、黃酒、清酒、果酒、啤酒等)、醋、醬油、泡菜、奶酒、干酪、腐乳、納豆等40古老的發(fā)酵食品自產(chǎn)生以來，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)停留在自然釀造階段。即知其然而不知其所以然，通常以經(jīng)驗(yàn)掌握。由于節(jié)氣、環(huán)境的變化即決定了產(chǎn)品的成敗，因此食品釀造甚至被賦予很多神秘色彩，甚至出現(xiàn)了對(duì)曲的頂禮膜拜，與一些祭祀活動(dòng)也連起來。由于其發(fā)酵的機(jī)理一直未能充分揭示，因此發(fā)酵技術(shù)也遲遲未能進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大和合理調(diào)控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推動(dòng)了微生物發(fā)酵及工藝調(diào)控的推陳出新。現(xiàn)代：412、純培養(yǎng)技術(shù)的建立---第一個(gè)轉(zhuǎn)折期奠基人：安東尼.列文虎克、巴斯德、柯赫等

本時(shí)期產(chǎn)品：酵母、酒精、丙酮、有機(jī)酸、酶制劑等，主要為厭氧發(fā)酵和表面固體發(fā)酵的初級(jí)代謝產(chǎn)物。3、深層培養(yǎng)技術(shù)的建立---第二個(gè)轉(zhuǎn)折期1928年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)點(diǎn)青霉可產(chǎn)抑制葡萄球菌的青霉素。1945年大規(guī)模生產(chǎn)，采用深層培養(yǎng)技術(shù)。鏈霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四環(huán)素等出現(xiàn)其他發(fā)酵產(chǎn)品也相繼出現(xiàn)本時(shí)期產(chǎn)品：抗生素類、氨基酸類、酶制劑類42列文虎克（Leewenhoch,1632-1723）荷蘭業(yè)余科學(xué)家，1676年，用自磨鏡片創(chuàng)造了一架能放大266倍的原始顯微鏡一生制作了419臺(tái)顯微鏡；發(fā)表論文400余篇，375篇寄往英國(guó)皇家學(xué)會(huì)發(fā)表。43純培養(yǎng)技術(shù)的建立1857年法國(guó)化學(xué)家、微生物家巴斯德（Pasteur）提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)果。”科赫（Koch）建立了單種微生物的分離、純培養(yǎng)技術(shù)，人工培養(yǎng)，控制微生物的發(fā)酵進(jìn)程。1897年，布赫納（Buchner）發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵起作用的化學(xué)本質(zhì)——來自微生物產(chǎn)生的酶。

——這是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。44徹底否定了自然發(fā)生說證實(shí)發(fā)酵由微生物引起巴斯德的功績(jī)免疫學(xué)—預(yù)防接種發(fā)明巴氏消毒法4546科赫的功績(jī)證實(shí)炭疽病因—炭疽桿菌發(fā)現(xiàn)結(jié)核病原菌—結(jié)核桿菌科赫法則發(fā)明培養(yǎng)基并用其純化微生物等一系列研究方法的創(chuàng)立（RobertKoch）

47Fleming1928年，F(xiàn)leming發(fā)現(xiàn)了青霉素，開創(chuàng)了好氣性發(fā)酵工程，建立了通風(fēng)攪拌技術(shù)。弗萊明(1881～1995)英國(guó)細(xì)菌學(xué)家1928年，F(xiàn)leming將其命名為：青霉素48

重要的近代微生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化年代18世紀(jì)前酒、醋、醬、啤酒、面包、奶酪、人痘接種、蒸餾酒精1880~1920乳酸面包酵母甘油丙酮丁醇淀粉酶轉(zhuǎn)化酶1920~1940檸檬酸葡萄糖酸蛋白酶核黃素山梨糖1940~1950青霉素短桿菌肽鏈霉素金霉素新霉素兩性霉素衣康酸纖維素酶果膠酶淀粉酶1950~1960谷氨酸賴氨酸土霉素四環(huán)素新生霉素紅霉素制霉菌素卡那霉素絲環(huán)氨酸慶黃霉素曲酸檸檬酸葡萄糖酸過氧化氫酶甾體氧化產(chǎn)物赤霉素葡聚糖等1960~1970糖化酶氨基?；钢久溉樘敲割^孢霉素林可霉素利副霉素萬古霉素核糖霉素殺稻瘟菌素甾體氧化產(chǎn)物核苷酸生物殺蟲劑黃原膠石油發(fā)酵污水處理單細(xì)胞蛋白1970~1980博來霉素阿霉素殺念珠菌素交沙霉素有效霉素蘇氨酸門冬氨酸凝乳酶Vc木糖醇蘋果酸長(zhǎng)鏈二元酸1980~阿維霉素苯丙氨酸環(huán)氧乙烷丙烯酰氨酶抑制劑聚羥基丁酸酯

494、人工誘變育種、基因工程菌---第三個(gè)轉(zhuǎn)折期

●核苷酸、有機(jī)酸及部分抗生素用誘變育種的方法使產(chǎn)量大幅度提高。

●構(gòu)建的基因工程菌可產(chǎn)生菌體本身不能產(chǎn)生的產(chǎn)物(如胰島素、生長(zhǎng)激素、細(xì)胞因子及多種單克隆抗體等)或使產(chǎn)量大幅度提高。5、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、發(fā)酵的連續(xù)化自動(dòng)化工程技術(shù)的建立

20世紀(jì)60年代——，發(fā)酵罐的大型化、多樣化、連續(xù)化和自動(dòng)化方面有了極大發(fā)展。發(fā)酵過程的基本參數(shù)包括T、PH、罐壓、溶O2、空氣流量、泡沫、CO2含量等均可自動(dòng)記錄和控制。——這是發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。50三.發(fā)酵產(chǎn)物的類型1、微生物菌體2、微生物代謝產(chǎn)物3、微生物酶4、微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物51微生物菌體發(fā)酵

目的：獲得微生物菌體細(xì)胞

酵母和藻類、擔(dān)子菌，蘇云金芽桿菌、疫苗等

52微生物菌體傳統(tǒng)菌體發(fā)酵工業(yè)現(xiàn)代菌體發(fā)酵工業(yè)酵母發(fā)酵菌體蛋白（單細(xì)胞蛋白）發(fā)酵殺蟲劑：蘇云金桿菌，蠟樣芽孢桿菌，側(cè)孢芽孢桿菌；白僵菌、綠僵菌

疫苗/jpkc53新的菌體發(fā)酵產(chǎn)品:藥用功能菌體茯苓菌→茯苓擔(dān)子真菌→靈芝、香菇類蟲草頭孢菌密環(huán)菌微生物菌體/jpkc54

面包酵母

藻類55

白僵菌的分布范圍很廣，從海拔幾米至2000多米的高山均發(fā)現(xiàn)過白僵菌的存在，白僵菌可以侵入6個(gè)目15科200多種昆蟲、螨類的蟲體內(nèi)大量繁殖，同時(shí)不斷產(chǎn)生白僵素（大環(huán)脂類毒素）和草酸鈣結(jié)晶，這些物質(zhì)可引起昆蟲中毒，使體液發(fā)現(xiàn)機(jī)能發(fā)生變化，打亂新陳代謝以致死亡。5657

蘇云金桿菌是目前產(chǎn)量最大、使用最廣的生物殺蟲劑。它的主要活性成分是一種或數(shù)種殺蟲晶體蛋白，又稱δ-內(nèi)毒素，對(duì)鱗翅目、鞘翅目、雙翅目、膜翅目、同翅目等昆蟲，以及動(dòng)植物線蟲、蜱螨等節(jié)肢動(dòng)物都有特異性的毒殺活性，而對(duì)非目標(biāo)生物安全因此，Bt殺蟲劑具有專一、高效和對(duì)人畜安全等優(yōu)點(diǎn)目前蘇云金桿菌商品制劑已達(dá)100多種，是世界上應(yīng)用最為廣泛、用量最大、效果最好的微生物殺蟲劑，因而倍受人們