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

第四章发酵工程及其在食品工业

中的应用

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。

第一部分 发酵工程概述

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。

典型的发酵过程示意图

二、发酵工程的特点 11 、发酵过程一般都是在常温常压下进行的生物化、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。学反应，反应安全，要求条件比较简单。22 、发酵所用的原料简单粗放。、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。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。

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。

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

1 、以菌体为产品的发酵

依据最终产品的性质和特点，工业发酵过程可归纳为：

2 、以微生物的酶为产品的发酵

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）

提取微生物酶制剂

3 、以微生物的代谢产物为产品的发酵

4 、产品的转化发酵

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。

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。

天然发酵阶段（古代天然发酵阶段（古代 -1900-1900 年）年） 纯培养技术的建立（纯培养技术的建立（ 19051905年年 -- ）） 通气搅拌发酵技术的建立（通气搅拌发酵技术的建立（ 19401940年年 -- ））

开拓发酵原料时期（开拓发酵原料时期（ 19601960年年 -- ）） 基因工程阶段（基因工程阶段（ 1979-1979- ））

四、发酵工业的发展史

（ 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：

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

菌种的选育

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。

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。

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：

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 。

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

发酵罐设计的原则

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

典型发酵罐示意图

电动机电动机pHpH检测及检测及控制装置控制装置

培养液培养液

无菌空气无菌空气

排气口排气口

冷却水出口冷却水出口

冷却水进口冷却水进口

搅拌器搅拌器

加料口加料口

放料口放料口

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。

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；

⑤生产能力保持稳定

④无杂菌污染；

（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；

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。

培养基的灭菌方法：

(1) 间歇式灭菌

将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，也称作“实罐灭菌”。是中小型生产厂家经常采用的一种培养基灭菌方法。

(2) 连续灭菌

配制好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌方式。

连续灭菌的基本设备有

①配料预热罐：

②连消塔： 主要作用使高温蒸汽与液体培养基迅速接触混合，促使培养液的温度快速升高到灭菌温度 (126～ 132℃)； ③维持罐：使培养液在灭菌温度下保持 5-7min， 以达到彻底灭菌的目的

④冷却管：降低培养液温度

培养基连续灭菌的优点：

灭菌的温度较高，灭菌时间较短培养基的营养成分受破坏的程度较低提高了发酵罐的利用率。

培养基连续灭菌的缺点：

灭菌过程所需的设备较多

操作较为麻烦

杂菌污染的机会也相应增多。

（四） 空气灭菌

(1)空气灭菌的要求

一般空气灭菌要求 10-3的染菌几率，即在1 000次培养过程中，只允许一次是由于空气灭菌不彻底而造成染菌，使培养过程失败的情况。

发酵工业应用的“无菌空气”：指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。

空气中微生物的分布

空气中的含菌量随环境不同而有很大差异： 一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；

人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多； 地面又比高空的空气含菌量多。

各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异。

(2)空气灭菌的方法

①加热灭菌法：

利用压缩空气时产生的热量进行灭菌

利用压缩热进行空气灭菌的流程图

空气进口温度为 21℃，出口温度为 187~198 ℃ ，压力为 0.7MPa 。

②辐射杀菌：

α-射线、 X-射线、 β-射线、 γ-射线、紫外线和超声波等破坏微生物体内的蛋白质等生物的活性物质，从而达到杀菌效果。

应用范围 通常用于无菌室和医院手术室。缺点 杀菌效率较低，杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来保证无菌室的无菌程度。

③静电除菌：

悬浮于空气中的微生物大多带有不同的电荷，因此，可以利用静电引力吸附带电粒子达到除尘灭菌的目的。

近几年来，静电除菌方法已被一些工厂用来除去空气中的水雾、油雾、尘埃和微生物。

静电除菌有一定的局限性，因为一些直径较小的颗粒带电荷很少，所以当产生的引力小于或等于气流对微粒的拉动力时，则微粒就不能被吸附而沉降。对很小的微粒来说，静电除尘灭菌的效果是有限的。

④介质过滤除菌法：

是利用过滤介质阻截空气中所含的微生物而获得无菌空气的除菌方法。目前，该方法是广泛应用。

滤材

孔

洁净气体含微生物的气体

(2)空气过滤除菌介质的选择

①空气过滤除菌原理：

当空气经过过滤介质时，层层的滤层纤维会迫使空气在流动过程中无数次地改变流速大小和方向，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电引力等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，达到过滤除菌的目的。

②空气过滤除菌的介质：

纤维状物或颗粒状物 : 主要指脱脂棉 、无碱玻璃纤维和活性炭等材料 。过滤纸：主要指玻璃纤维纸，厚度约为 0.25～0.40mm，孔径约为 1.00-1.50µm

微孔滤膜：孔径小于 0.50µm，甚至小于0.1µm，因而能将空气中的细菌绝对过滤掉。这类过滤介质主要用于滤除空气中的细菌和尘埃，所以滤后空气的质量较易控制。

(3)空气过滤除菌工艺流程

两级冷却和加热除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程工艺 。

该流程的特点是两次冷却，两次分离和适当加热；优点是能提高传热系数，节约冷却用水，油水分离得比较完全。

(4)空气的预处理

空气预处理的目的：一是提高压缩前空气的洁净度；二是去除压缩后空气中所带的油和水。

气体预过滤器外壳图

①空气粗过滤：

通常采用布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘装置等作为粗过滤设备。

②空气压缩和压缩空气的冷却：

③压缩空气的除水除油。

(5)提高过滤除菌效率的主要措施

①减少进口空气的含菌数

②设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率较高的过滤介质

③ 采用合理的空气预处理设备，以达到较好的除油、水和杂质的目的。

④ 空气进入过滤器之前应进行干燥处理，以保证过滤介质正常工作。

（五） 氧的供需与传递

1 、细胞对氧的需求

（ 1）临界溶氧浓度：

如果培养基中不存在其他限制性基质时，影响好氧性微生物生长繁殖的最低溶解氧浓度称为临界溶氧浓度。

虽然氧气在培养液中的溶解度很低，但培养过程中并不需要使溶解氧浓度达到饱和值，而只要超过某一临界溶氧浓度后，细胞的呼吸生长就不会受到抑制。一般来说，微生物的临界溶氧浓度大约为其饱和浓度的 1％一 25％。保持溶解氧浓度高于临界溶氧浓度就可以满足微生物的最大需氧量，从而获得最高的微生物细胞产量。

细胞对氧的利用情况也可用摄氧率来反映。摄氧率：单位体积培养液在单位时间内消耗氧的含量 (mmolO2/L.s)。

（ 2）摄氧率：

影响摄氧率的因素

培养液中基质浓度

培养时间

细胞浓度

（ 3）溶解氧浓度与细胞代谢产物

溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能是不同的。溶解氧水平越高并不一定有利于产物的生成；同样，细胞生长的最佳氧浓度不一定就是生成产物的最佳氧浓度。

Hirose和 Shibai(1980)研究了黄色短杆菌代谢生产氨基酸时的溶解氧浓度，发现提高溶解氧浓度不利于亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸的生产，但有利于脯氨酸、谷氨酸、谷胱甘肽、赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸的生产。

这是因为苯丙氨酸、缬氨酸和亮氨酸是通过糖酵解中间产物丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸而形成的，而谷氨酸和天门冬氨酸的生物合成来源于三羧酸循环。供氧充分时，三羧酸循环的中间产物丰富，因此谷氨酸和天门冬氨酸的产量就高；供氧不足时，因糖代谢受阻，所以有利于苯丙氨酸和缬氨酸的生产。

2、氧传递系数测定

现代发酵工程研究表明，空气中的氧气进入细胞内分三个步骤 :

•氧转移到发酵液•溶解的氧分子通过发酵液进入微生物细胞•细胞吸收溶解氧。

氧从空气泡 ( 气相 ) 进入液体 ( 液相 ) 的传递速率即氧的传递速率 .

可以表示为方程：

dCL/dt=KLa （ C*-CL ）

 

式中： CL 为发酵液中的溶氧浓度 (mmol/L)；t 为时间（ h）， dCL/dt为单位时间内的氧浓度变化，即氧传递速率 [mmol/(L.h)]； KL 为氧传递系数 (m/h)； a 为单位体积液体的气 /液界面积比，或称比表面积 (m2/m3)； C*为饱和溶氧浓度 (mmol/L)。KL 可以认为是氧从气体进入液体的传递阻力的倒数；

氧传递系数的测定方法主要有

亚硫酸盐氧化法、极谱法、物料衡算法、动态法、排气法和复膜电极法等。

3、增加溶氧的工艺措施

（ 1）改变通气速率 (增大通风量 )

（ 2）改变搅拌速度 （ 3）改变气体组成中的氧分压

（ 4）改变罐压

（ 5）改变发酵液的理化性质 （ 6）加入中间传氧介质

第三部分 发酵过程控制

一、发酵过程控制的基本原则

发酵生产过程的主要目的：

是获得最大产量和最佳质量的发酵产物 .

最优化控制的目标 :

首先是得到最大量的发酵产物，其次是最短的生产周期和由此获得的最佳经济效益。

影响发酵产物生产的因素 :营养物质的浓度、种类、比例

溶解氧浓度

氧化还原电位

CO2

发酵液黏度

温度

pH值

泡沫

酶和代谢产物

此外，还包括菌体浓度、生长速率、死亡速率、细胞状态等生物学因素。

二、温度对发酵过程的影响及其控制

1 、温度对微生物的影响：

高温会使微生物细胞内的蛋白质发生变性或凝固，破坏微生物细胞内的酶活性，从而杀死微生物。温度越高，微生物的死亡越快。 低温能抑制微生物的生长。各种微生物都有一个最适的生长温度范围，在此范围内，微生物的生长最快。

2、温度与酶反应 在一定范围内 , 温度越高，酶反应速度越快，微生物细胞生长代谢速率加快，产物提前生成；但因为酶本身很容易因热的作用而失活，温度越高，酶的失活也越快，表现出微生物细胞容易衰老，使发酵周期缩短，从而影响发酵过程最终产物的产量。

3、温度与培养液的物理性质

改变培养液的物理性质会影响到微生物细胞的生长。例如，温度通过影响氧在培养液中的溶解浓度、氧传递速度等，而影响到整个发酵过程。

4、温度与代谢产物的生物合成方向

在四环素的发酵过程中，金色链霉菌同时代谢产生四环素和金霉素，当温度低于 30℃时，金色链霉菌合成金霉素的能力较强，随着温度的升高，合成四环素的能力也逐渐增强，当温度提高到 35℃时，则只合成四环素，而金霉素的合成几乎处于停止状态。

5、同一菌株，其细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往不同

例如，黑曲酶的最适生长温度为 37℃，产生糖化酶和柠檬酸的最适温度是 32-34℃；谷氨酸生产菌生长的最适温度为 30-32℃, 产生谷氨酸的最适温度是 34-37 ℃ 。

三、 pH 值对发酵过程的影响及其控制

（一） pH 值对发酵过程的影响

大多数细菌的最适 pH值为 6.5～ 7.5，霉菌的最适 pH值为 4.0～ 5.8，酵母菌的最适 pH值为 3.8～ 6.0，放线菌的最适 pH值为 6.5～ 8.0。

例如，黑曲霉在 pH值 2-3的情况下，发酵过程形成的产物是柠檬酸，而在 pH值接近中性时，却生成草酸。又如，啤酒酵母菌的最适生长 pH值为 4.5～5.0，此时，发酵产物是酒精；但当 pH大于 7.5时，发酵产物除酒精外，还有醋酸和甘油。微生物生长的最适 pH值和发酵产物形成的最适pH值往往是不同的。例如，青霉素生产菌生长的最适 pH值为 6.5～7.2，而青霉素合成的最适 pH值却为 6.2～6.3；

（二）发酵过程中 pH 值的变化情况

一般，发酵过程中若消耗碱性物质或生成酸性物质都会引起发酵液的 pH值下降。

发酵液 pH下降的主要原因：①培养基中的碳 / 氮比例不当，碳源过多②消泡油加得过多；③微生物生理酸性物质的存在

发酵过程中若消耗酸性物质或生成碱性物质都会引起发酵液的 pH值上升 .

发酵液 pH值上升的主要原因：①培养基中的碳 / 氮比例失衡，氮源过多②存在生理碱性物质；③中间补料时，氨水或尿素等碱性物质加入过多

（三）发酵过程中 pH 值的控制

采用的方法： (1)调节培养基的起始 pH值，或加入缓冲溶液 ( 如磷酸盐 ) 或尽量使盐类和碳源的配比平衡 (2)在发酵过程中及时加入弱酸或弱碱来调节 pH值 (3)可及时补料调节 pH值

(4)采用生理酸性盐作为氮源时，向培养液中加入碳酸钙可以调节 pH值(5)可用流加氨水或尿素的方法来调节发酵过程中 pH值的变化

四、泡沫对发酵过程的影响和控制

（一）泡沫的形成及其对发酵过程的影响

发酵过程中产生泡沫的原因：

①外界引进的气流被机械地分散形成泡沫；②发酵过程中产生的气体聚结形成的发酵泡沫。

过多的持久性泡沫会给发酵过程造成不利的影响，主要表现在：

①使发酵罐的装填系数减少； ②造成大量逃液，导致产物的损失； ③泡沫“顶罐”，有可能使培养基从搅拌轴处渗出，增加了染菌的机会；

④由于泡沫的液位变动，以及不同生长周期微生物随泡沫漂浮或黏附在罐盖或罐壁上，使微生物生长的环境发生改变，使微生物群体的非均一性增加；

⑤影响通气搅拌的正常进行，妨碍微生物的呼吸，造成发酵异常，导致最终产物产量下降；⑥使微生物菌体提早自溶，这一过程的发展又会促使更多的泡沫生成；⑦消泡剂的加入，会给最终产物的提取带来困难。

（二） 发酵过程中泡沫的消除与控制 发酵过程中消除和控制泡沫的主要措施：

(1)化学消泡法：

优点：来源广泛，消泡效果好作用迅速可靠，效率高，用量少不仅适用于大规模发酵生产，同时也适用于小规模的发酵实验。

化学消泡剂一般应具备的特点：

①是表面活性剂，具有较低的表面张力，消泡作用迅速有效②具有一定的亲水性③在水中的溶解度较小④对人、畜及微生物细胞无毒性，不影响产物的提取分离和产品的质量；⑤不影响氧在培养液中的溶解和传递；⑥来源方便，价格便宜。

常用的化学消泡剂主要有：天然油脂 ( 玉米油、米糠油、豆油、菜油、棉子油及鱼油、猪油等 )

高级醇类 ( 聚二醇和十八醇 )

脂肪酸和聚醚类 ( 聚氧丙烯甘油和丙烯甘油 )

硅酮类 ( 聚二甲基硅氧烷及其衍生物 )

氟化烷烃

优点：不需要在发酵液中添加任何其他物质，减少了由于加入消泡剂所引起的染菌机会和对产物分离工艺的影响。缺点：效果不如化学消泡迅速、可靠，还需要配备一定的设备和消耗一定的动力，不能从根本上消除引起泡沫的因素。

(2) 机械消泡法：

五、流加补料的控制

流加补料概念：

在发酵过程中补充某些营养成分以维持生产菌株的代谢活动和产物合成。

流加补料的物质：

可分为碳源、氮源、微量元素和无机盐以及诱导底物等。

（一）流加补料的内容和原则

原则：

有效控制微生物的中间代谢过程，使之向着有利于产物积累的方向发展。

第二节 发酵工程在食品工业中的应用

一、 发酵法生产单细胞蛋白

单细胞蛋白 (SCP)概念：

指适用于食品和动物饲料应用的微生物细胞，包括酵母菌、细菌、霉菌和高等真菌。

这些微生物大多数是富含蛋白质的单细胞生物，可以认为是单细胞蛋白质的重要来源。

（ 1 ）细胞蛋白质含量高达 50%以上，含有多种氨基酸、维生素、矿物质、粗脂肪等营养成分，易于消化吸收。（ 2 ）微生物生长繁殖快，短时间可获得大量产品。

应用微生物生产单细胞蛋白的优点：

利用微生物发酵技术生产单细胞蛋白具有较高的生产率。

因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积，其富集蛋白质的能力要比动、植物快得多。

猪和牛的体重倍增时间分别为 4 ～ 6 周、 1—2个月，植物体重倍增时间为 l 一 2 周，而细菌、酵母等微生物仅需 20～ 120min。1 头 500kg的母牛每天能产蛋白质约0.4kg。 500kg酵母每天至少生产 5 000kg蛋白质。在实际的工业发酵罐中，酵母能够生产出数吨蛋白质，生产率高达 2-4kg／ (h.m3 培养液 ) 。

（ 3 ）微生物对营养要求适应性强，可利用多种廉价原料进行生产。（ 4 ）微生物的生长条件可人为控制，可工厂化生产。

生产单细胞蛋白的主要原料

（ 1 ）工农业生产的废弃物和下脚料。（ 2 ）碳水化合物类（ 3 ）碳氢化合物类（ 4 ）石油产品类（ 5 ）无机气体类

各种化学成分的含量因微生物的种类、菌龄、培养基组成、培养条件等不同而有较大差异。例如，啤酒酵母除含丰富的优质蛋白外，还含有较丰富的维生素 D 和 B 族维生素及 Ca、 Fe、Zn、 K 、 P 、 Na等必需微量元素，因此，它可视为一种理想的蛋白质资源。

一般工业上生产单细胞蛋白的微生物是酵母，主要有酿酒酵母、产朊假丝酵母 ( 或称圆酵母 ) 和脆壁克鲁维酵母 ( 或称乳清酵母 ) 。

（一）利用酵母菌生产单细胞蛋白

SCP 生产的概略流程图

烷烃类原料生产 SCP

Zobell(1946年 ) 提出酵母菌利用碳氢化合物有四个特点：

1 、脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用；2 、长链脂肪族化合物与短链脂肪族化合物相比更易于降解；3 、不饱和烷烃比饱和烷烃易于降解；4 、支链烷烃较直链烷烃更易被酵母菌利用和同化。

微生物同化烷烃的步骤是细胞吸收外源烷烃，然后将其转运到细胞内，烷烃进行初始氧化。

主要有两条代谢烷烃的途径，即末端氧化和亚末端氧化途径。前者，烷烃的末端甲基 (1个或者 2 个 ) 被氧化，最后形成相应的脂肪酸。酵母菌主要以单末端氧化途径。单末端氧化途径可简单示意如下： R-CH3→ R-CH2OH→R-CHO→R-COOH ↓ β- 氧化作用

以淀粉质原料生产 SCP 以淀粉质原料生产 SCP主要有三条途径：①在化学分解或酶解底物基础上培养 SCP生产酵母菌；②将对淀粉分解活力高的霉菌与快速生长的酵母菌混合培养；③单独培养能够同化淀粉的生产菌株。

以木薯为原料采用深层发酵法生产 SCP 的流程图

在 SCP生产中，发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖、生长。可以通过发酵罐内部的冷却表面散发培养液的热量，当然也可以在罐外通过热交换器来降低培养液的温度。 以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产 SCP得率一般可超过 50％，即 2t原料可生产出 1t多蛋白含量超过 50％的产物。每升发酵液中生物量约为 37～ 40g。瑞典糖业有限公司在 1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料 SCP。

糖蜜原料生产 SCP

糖蜜是制糖工业的主要副产品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多种可利用成分，是综合利用发酵生产酵母、酒精、核苷酸等产品的宝贵资源，而且特别适用于 SCP生产。

以糖蜜为原料生产 SCP多采用液体深层发酵法。发酵前，应先采用化学、机械或两者结合的方法对糖蜜进行澄清和灭菌处理。向糖蜜中添加新鲜石灰乳和磷酸，形成磷酸钙，静置后过滤或离心除去这些沉淀即有澄清效果。也可先用 H2SO4调节糖蜜 pH，再依次加入 NH3 、铝盐、果胶和锌盐进行澄清。过滤材料可选择石棉砂和纤维素等。经机械离心获得的澄清糖蜜，可以加热至 130-140℃杀菌。经过预处理的糖蜜用于酵母发酵生产，可以提高产量以及酵母产品的纯度，同时热交换器等设备表面盐类物质沉积量减少，有利于降低生产成本。

纤维素类原料生产 SCP

有三条路线：•一是预处理 - 酶解•二是酸解•三是混合发酵法

生产 SCP 时必须采用适当工艺对原料进行预处理。

纤维素酶分解天然纤维的先决条件是酶与纤维素相互接触，形成复合物，但天然纤维的纤维素和其它主要成分不溶于水，并且在细胞壁中排列成紧密的复合结构，因此，必须设法使纤维素酶分子扩散到细胞壁内，纤维素分子的表面才能使之相互接触并进行反应。结晶度越高，纤维表面积越小，酶解越困难。另外，纤维素原料中的木质素会阻碍酶与纤维素接触，是影响酶反应敏感性的另一重要因素。

采用球磨、高压蒸煮、电子射线照射、 γ-射线照射、膨化处理等方法，使高结晶度纤维素软化，破坏纤维结构，以利于酶解，但这些预处理方法能耗大、成本高，使应用受到限制。

预处理后的纤维性原料经冷却后即可进行酶解。纤维素酶系由三种不同性质的酶组成：纤维素酶外切酶、纤维二糖酶和葡萄糖苷酶。三种酶协同作用，可将纤维素水解为葡萄糖，即可作为 SCP生产的碳源。

二、 高活性干酵母的生产

细胞含量超过200 亿cfu ／g .含水量小于6 ％的活性干酵母被称为高活性干酵母。

高活性干酵母具有含水量低、复水快、贮藏时间长、使用方便等优点。

（一）高活性干酵母（简称 HADY ）

活性干酵母有两个基本特征：

一是常温下长期贮存而不失去活性 .

二是将活性干酵母在一定条件下复水活化后 . 即恢复成自然状态并具有正常酵母活性的细胞。

把含水分 70％～ 73％新鲜活性酵母经过连续流化床干燥装置烘干为含水分 4％～ 6％的 HADY 成品。 活性干酵母生产过程 　　 　　

菌种配制→发酵→分离→过滤→干燥→真空包装→贮存发酵主要原材料为糖蜜。

高活性干酵母的种类

1 、高活性干面包酵母

2 、酒精生产、酿酒用的高活性干酵母

3 、制造酵母抽提物的高活性干酵母

酵母抽提物即酵母精，由于其细胞内含有核糖核酸及其加工后的水解产物 ( 腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸，尿嘧啶核苷酸 ) ，其中腺嘌呤核苷酸的转化产物次黄嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸有着强力鲜味，另外，酵母细胞含有丰富的蛋白质，其水解产物中的谷氨酸等也呈鲜味，还有各种营养成分的配合，使酵母抽提物呈现出强力的鲜味。生产酵母抽提物的酵母菌种：啤酒酵母、面包酵母、产朊假丝酵母

应用二、 螺旋藻的培养生产及其应用

藻类含有较高的蛋白质，一般含可消化蛋白 45％～70％，其氨基酸种类含量与单细胞微生物相同。而且藻类的生长速度比高等植物快 。

螺旋藻被认为是最重要的蛋白质资源之一。螺旋藻在地球上出现已有 30亿年之久，是一种利用光合作用的水生低等植物，在分类学上属于蓝藻门，颤藻科，已发现有 30 多种，因其藻体呈丝状螺旋形而得名。至目前为止，有利用价值的藻种主要有两种：钝顶螺旋藻和极大螺旋藻。

螺旋藻研究开发的进展及其药理评价

人类食用螺旋藻的历史已有几百年。

最初发现螺旋藻是在非洲中部乍得湖畔及墨西哥迪斯科克湖，当地人用来食用或制成饼食，有益于健康 。

本世纪 50 年代以后，乍得把螺旋藻制成食品其商品名为“ Dihe” ；

1964 年，比利时植物学家 Jean Lenoard从食用螺旋藻和出售的“ Dihe” 中，分离出螺旋藻，在实验室进行培养试验， 1967 年 3月首次发表了实验结果，为螺旋藻的人工养殖开创了先例

1968 年，法国石油研究所与墨西哥一家公司合作，利用墨西哥迪斯科克湖的螺旋藻资源，建成了700m2 的培养池，年产量为 300t左右，成为世界上第一间螺旋藻生产工厂

螺旋藻除了营养成分完全、疗效作用大以外，还由于其细胞壁薄，纤维素含量低，很易消化吸收，消化率达 95％ 。

美国 Earthrise公司生产的螺旋藻片剂、粒剂和粉剂，零售价格为 129美元／ kg

美国“ Better Nutrition‘’杂志列举了螺旋藻所含生理活性物质和医疗特性，认为螺旋藻对糖尿病、贫血症、肝脏疾病、溃疡病、胰腺炎、视力障碍、白血症、过敏症、癌症等均有治疗和预防功效。日本的医药专家出版了《神秘的螺旋藻》一书，介绍螺旋藻的药效功能。美国报道从螺旋藻中提取的一种糖脂甚至具有阻止AIDS(爱滋 )病毒的功效。藻蓝蛋白可作荧光探针，此外，螺旋藻还应用于珍稀动物饲料和美容化妆品等的制造。

我国对螺旋藻的开发研究始于 70年代初，我国农业部和国家科委把螺旋藻列入国家“七五”、“八五”攻关和推广项目；

中国科学院武汉水生所，青岛海洋所、北京大学、南京大学、华南师范大学、华南理工大学、江西农科院等对螺旋藻生物特性、养殖条件及藻粉的生理活性物质进行了大量基础研究；

1987年，海南省盐业总公司螺旋藻养殖成功；

1992年深圳蓝藻生物公司成立；

广东省茂源进口总公司与广州光华药业股份公司合作研制出奇珍螺旋藻片，已大量投入市场，并正式成立广州营养与健康研究会；

广东梅雁企业 ( 集团 ) 股份有限公司也建立大规模的养殖生产基地，所生产的梅雁牌螺旋藻片、螺旋藻胶囊已批准为保健食品产品。

螺旋藻的化学组成和营养

螺旋藻的化学组成

蛋白质 干藻粉蛋白质含量达 50％～ 70％，是大豆的 2 倍，比牛肉、鸡蛋白高3.5倍，更加重要的是其蛋白质中 8种必需氨基酸配比合理且全面。

碳水化合物

螺旋藻干粉中含碳水化合物 15％～ 20％，其中含有 7 ％一 8 ％为螺旋藻活性多糖 (SP-1)，其相对分子质量为 12 590，其组分含 D-甘露糖30.938％、 D-葡萄糖 29.779％、 D-半乳糖22.755％、葡萄糖醛酸 16.526％，经现代医学和药理学评价，具有消除各种炎症、抑癌等功能。

脂肪 螺旋藻具有低脂肪、低胆固醇的特点，其脂类含量仅为 4 ％左右，其中 γ-亚麻酸占 1％，这种高度不饱和脂肪酸对降低胆固醇和作为前列腺素合成的前体，并对降压、止痛、消炎等具有重要的药理作用。

维生素

螺旋藻中含有多种维生素，其中维生素B12含量丰富，维生素 E 的含量也比麦芽的含量高。

植物色素 螺旋藻的植物色素含量丰富，其类胡萝卜素在干粉中的含量为 0.2％～ 0.4％，为其它植物的 10倍以上，主要由叶黄素和 β-胡萝卜素组成。其中 β-胡萝卜素在所有已知的食品中含量最高，是一类很有应用价值的色素源。它可在某些观赏动物或虾、鱼类体内合成虾青素及斑螯黄质，能有效地起到着色效果，从而使对虾、珍贵海产鱼类、观赏鱼、宠物、鸡及鸡蛋等具有美丽的色彩。

矿物质 lOOg螺旋藻干粉中含钾高达 1 500-2000mg，含镁 200～ 300mg，含铁 50-100mg，而钠的含量甚微。钾能促进人体内钠的排泄，可预防高血压；镁具有保护人体循环器官、预防心脏病等功能；铁具有造血功能。另外，螺旋藻还含有微量元素硒、锌、锰等

螺旋藻的营养类型

1 、光合自养型： 在光照下生长， CO2 作为惟一的碳源同化为细胞结构，生长所需能量仅仅来自光能。 2 、营养缺陷型：由于发生代谢障碍，生长时至少需加入一种较低浓度的有机物，但这有机物不是作为碳源和能源。 3 、混合营养型：在光照和 CO2存在下生长，还必须加入至少一种有机底物，这种底物能进行光合代谢。4 、异养型：能利用一种或多种有机物作为能源

和碳源，能在黑暗中生长。

螺旋藻的形态、分类及生态

螺旋藻的形态

螺旋藻有两种类型：

钝顶螺旋藻：主要特征是藻丝末端细胞钝圆，藻丝宽约 6 ～ 8µm ，螺旋直径为 28 ～ 36µ m ，螺距约为 43-57µm ；

极大螺旋藻：其特征为藻丝末端细胞略粗，藻丝约为 3.4 ～ 15µm ，螺旋直径约为 40-67µm ，螺距为 33 ～ 76µm 。

螺旋藻的生态 螺旋藻可以在土壤、沼泽、淡水、盐水、海水及温泉中生长，甚至可在一些不适宜其它生物生长的环境下生长，如在含碱量很高 的湖泊中它也能良好地生长。目前，工业化生产的螺旋藻大部分利用淡水养殖，但也有利用海水养殖。

螺旋藻的生产

按培养规模可分为实验室培养和工业化的大规模培养；

按培养基类型可分为淡水培养和海水培养；

按营养类型可分为光合自养型生长培养和混合营养型生长培养。

( 一 ) 光合自养型生长培养螺旋藻

1 、培养方法

(1)封闭式池

(2)封闭式光合生物反应器

2 、培养步骤

(1)种子培养：

(2)分批摇瓶培养：

(3)光合自养培养：

3 、培养条件 (1)pH ： 光合自养生长时，螺旋藻的最佳生长 pH范围为 8.3～ 11.0，最适 pH为9.0±0.5。当 pH大于 11时，不利于生长。 (2)温度： 螺旋藻的最适生长温度为35～ 37℃。 (3)氮源： 螺旋藻除能利用无机氮外，还能利用尿素。 (4)光照： 当营养和温度正常的情况下，光照就成为影响螺旋藻生长的一个重要因素。

应用三 发酵法生产新型食品胶

----黄原胶

黄原胶是黄单孢杆菌发酵产生的细胞外杂多糖。它是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸，鼠李糖醋酸纤维素和丙酮酸等组成的阴离子杂多糖，其基本骨架为 β-1， 4 葡萄糖连接而成直链纤维素分子，并且每隔一个葡萄糖单位都在葡萄糖的 3 位上连接一个三糖侧链，侧链由葡萄糖醛酸、甘露糖、鼠李糖等组成，而且甘露糖、鼠李糖分别带有乙酰基和丙酮酸基，其相对分子质量为 2×106～ 50×106

（一）黄原胶的组成结构

(1)强亲水性： 溶于冷水、热水、多种盐溶液及酸、碱水溶液中，其溶解性为热水优于冷水，碱性水优于酸性水溶液，盐浓度增加溶解性降低，溶解时间延长。 (2)增稠性：黄原胶在低浓度时即可获得高粘度，在相同浓度下其水溶液的粘度是海藻胶的 3 ～ 5 倍。 (3)稳定性：黄原胶溶液对热、酸碱、盐、水解酶等稳定。如在 0-100℃ 范围内加热处理其粘度基本无变化， pH5-10 粘度稳定， 15%KCl 溶液稳定。 (4)悬浮性与乳化性： (5) 黄原胶与其他食品胶的协同增效性黄原胶与大多数合成或天然食品胶具有良好的同增效性，例如与刺槐豆胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、变性淀粉、糊精、海藻胶等都能互溶，混溶后其粘度显著提高。

（二）黄原胶的性能

（三）培养基

黄单孢杆菌产生黄原胶常用的培养基是 : 以葡萄糖、蔗糖或淀粉等为碳源 , 以蛋白质、鱼粉、豆粉或硝酸盐为氮源 , 加KH2PO4、 MgSO4、 CaCO3 等无机盐和Fe2+、 Mn2+ 、 Zn2+ 等微量元素 , 以及生成促进剂谷氨酸、柠檬酸等。

（四）发酵工艺

黄原胶的生产包括发酵和提取两部分。

发酵工艺是半连续发酵。

实际过程是 :

种子培养种子扩大发酵。

黄单孢杆菌在生长过程中吸收氧气 , 放出二氧化碳。其生长温度为 2-35℃,40℃ 黄单孢杆菌就停止生长。

（五）提取工艺

(1)发酵液处理。

经离心法、过滤法、酶处理法、次氯酸盐氧化法、过滤及超滤浓缩法预处理除去菌体细胞和各种不溶性杂质 , 使黄原胶中不再含活性的菌体细胞、影响产品质量的不溶性杂质和色素等 ,并对发酵液进行浓缩。(2)沉淀反应 :

用钙盐、铝盐、季铵盐或酸沉淀法制取工业级精制品 ; 用有机溶剂沉淀法制取食品级精制品。

(3)过滤沉淀物并进行洗涤。(4)干燥、粉碎、筛分、成品包装。

（六）在食品工业中的应用

增稠剂悬浮剂乳化剂稳定剂 .

在食品工业中把它应用于奶制品 , 如奶酪、果奶饮料、冰淇淋、酸奶等中 , 可起到改善品质、增加稳定性、易于香味释放、口感细腻清爽的作用 ; 用于果汁饮料时能保持液体均匀、不分层 ; 加入啤酒 , 产泡丰富 ; 在沙拉调汁中加入黄原胶 , 乳化稳定可达一年以上 ; 点心馅中加入黄原胶 , 使产品不发生胶体脱水收缩现象 , 保持松软润口。黄原胶耐高温 . 用黄原胶水溶液预处理后对成品的失水起着特殊的保护作用 , 能达到保湿保鲜效果。

应用四、 发酵法生产食用色素( 一 ) 发酵法生产红曲霉色素

红曲霉是一类腐生真菌 , 红曲科，红曲霉属。红曲霉色素是红曲霉在生长代谢过程中产生的天然色素。红曲霉色素的组成：是一类多种色素成分的混合物，目前已测出结构式有 6 种，其中呈红色的 2 种、紫色的 2 种、黄色的 2 种，包括红曲玉红素、红斑红曲素、红曲玉红胺、红斑红曲胺、安卡红曲黄素、红曲素。

1 、红曲霉色素的组成与性质

红曲霉色素的性质： 醇溶性色素；当其与水溶性蛋白、多肽或氨基酸作用时，形成水溶性复合物；在中性条件下比较稳定；在 100℃时其色调不随 pH变化而变化；当温度超过 120℃，在酸性条件下则其色调略有变化；不受钙、镁、铁、铜等金属离子的影响。

红曲霉色素是由红曲霉经固体发酵或液体发酵法产生。

固体发酵法

工艺流程 大米 - 浸洗 - 沥干 - 蒸料 - 冷却 - 接种 - 堆积升温 - 上花培养 - 浸水 - 透心培养 - 出曲 - 晒干 - 成品经过 72h的通风培养，红曲霉充分生长繁殖，菌丝布满整个米粒表面，集结成较厚的菌落俗称“上花”

2 、红曲霉色素的发酵生产

液体深层发酵法

(1) 工艺流程 优良菌种 P1248斜面菌种 - 种子罐培养 (29-30h， 33 )-℃ 发酵罐培养 (70-80h， 33 )-℃板框压滤 - 浸泡滤饼 (93％酒精 )-离心去渣 -浓缩色素液 - 成品

应用于食品加工作为防腐发色剂。

如应用于火腿、香肠等禽肉加工品、肉糜制品、酱类、米糕等糕点的着色。用 1.6mg/g红曲色素制作的发酵香肠颜色接近于用 0.15mg/gNaN02 制作的颜色，并具有抑菌作用，可以替代亚硝酸盐作为发色剂。应用于酱油则起到补充色素的作用，使酱油色泽更加诱人。

3 、红曲霉色素在食品工业上的应用

（二）发酵法生产 β-胡萝卜素

β-胡萝卜素是维生素 A 元，是一种具有营养强化作用的重要着色剂。 β-胡萝卜素在动物、人体中不能合成，只能靠高等植物或微生物提供。它广泛存在于植物、藻类和真菌中。从胡萝卜、番茄等含丰富 β-胡萝卜素的天然果蔬中提取，成本高、工艺复杂，着色力差的问题。

1990年，巴西 Nattell等人用甘蔗汁发酵培养红酵母， 20h振荡培养，生成 β-胡萝卜素2.5mg/g(干细胞 ) 。我国张素琴 (1989年 ) 等研究采用分枝杆菌菌种 Cr-1在最适条件下发酵 6d，生成 β-胡萝卜素 280mg/L。由真菌发酵生产 β-胡萝卜素主要有两种菌株，一是布拉克须霉菌，生成 β-胡萝卜素 2.6mg/L，二是三泡布拉霉菌，产 β-胡萝卜素 0.8g/L。第二种菌种是实现工业化生产的菌种。目前，国际上实验室水平生产 β-胡萝卜素已达到 3 ～3.5g/L。

β-胡萝卜素作为食品添加剂主要用于着色，在食品中添加 β-胡萝卜素能使食品色泽金灿诱人。 β-胡萝卜素具有提高免疫力、降血脂、预防心血管疾病等功能，在医疗保健方面有广阔应用前景。

六、 发酵法生产其他有机酸

（一） γ-亚麻酸

γ-亚麻酸 ( 简称 GLA)即 18碳三烯酸，是人体必需脂肪酸之一，是合成人体前列腺素的前体物质 。80年代随着对 γ-亚麻酸生理活性的研究，利用微生物研究开发 γ-亚麻酸才引起重视。

1988年，日本出光石油化学株式会社和英国John&Sturge有限公司已实现了微生物发酵生产γ-亚麻酸的工业化生产。 我国 1988年上海工业微生物研究所利用一种毛霉发酵生产 γ-亚麻酸，其生物量为 3 ％～ 5 ％，总脂肪率为 40％～ 50％， γ-亚麻酸含量为 7％～ 9 ％。1991年肖振英等人利用一种毛霉以葡萄糖为原料生产 γ-亚麻酸为 12％一 14％。1995年张峻等人用紫外线诱变处理深黄被孢霉As3.3410，获得一变异株 M6，其菌体得率为 25％，油脂含量 32． 8 ％， γ-亚麻酸含量为 8.84％。

1996年邢来君等人用紫外线和微波处理获得一变异株，发酵生产 γ-亚麻酸 1.35g/L。

γ-亚麻酸的应用：

除在医药上治疗人体心血管系统疾病外，还具有一定的减肥疗效，可作为保健食品的有效成分或作为食品添加剂加到饮料、果汁、果子冻、饼干、巧克力、口香糖等食品中，特别可应用于制造婴儿食品强化剂，制造 γ- 亚麻酸的婴儿营养奶粉及适宜于孕妇与哺乳期妇女的营养奶粉。

（二）苹果酸 苹果酸有 L-型、 D-型，其中 D-型生理活性低，而 L-苹果酸是食品添加剂中的重要酸味剂，广泛存在于水果和蔬菜中，在未成熟水果中含量特丰富，一般占水果重量的 0.4％～ 0.7％。

L-苹果酸是微生物将糖类原料进行降解，经过EMP途径生成丙酮酸后进入三羟酸循环 (TCA环 ) 及其支路乙醛酸循环中，也是 CO2固定反应的产物。

以糖质为原料时，必需有 CaCO3才能使苹果酸有效地积累。有研究证明，生物素、丙酮酸及磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)对苹果酸的合成具有促进作用。

1985年， Takiyuki等人利用裂褶菌固定 CO2 发酵生产 L-苹果酸，加入生物素、丙酮酸和 PEP可明显提高 L-苹果酸产量，此外，添加表面活性剂脂肪酸酯对生产 L-苹果酸的积累和分泌起着重要作用。

应用：酸味剂

在各种饮料、罐头、糖果；果冻、果酱、糕点等加工中用作酸味剂，其酸味特别柔和，风味稳定，溶解度又较高，如与柠檬酸配合使用，果香更加诱人。在欧美和日本等国生产果汁、果味饮料、速溶冰茶、果酒、乳酸菌饮料、蛋黄酱、人造奶油等产品，它成为不可缺少的酸味剂。在葡萄酒酿制过程中加入少量 L—苹果酸可以使酒陈化

复习三

1 、含水量小于（）活性干酵母被称为高活性干酵母。

A6% B5% C4% D3% 2 、若发酵产物是菌体本身，可以用（）方法

分离提纯 A 蒸馏 B 萃取 C 过滤 D 离子交换 3 、工业上生产 SCP 采用的菌种大都是（） A 细菌 B 藻类 C 丝状真菌 D 酵母菌

4 、微生物的发酵工艺类型有哪些？ 5 、 pH对发酵过程有何影响？控制发酵过程中pH的方法有哪些？

6 、简述固态发酵法生产红曲色素的基本工艺流程

其它重要知识点

1 、简述螺旋藻的化学组成及保健作用 2 、简述黄原胶的性能及其在食品工业上的应

用

复习二

1 、酶的固定化方法有（）（）（）（），经过固定化以后，酶的活力通常（）；寿命和稳定性通常（）

2 、作为连接原料和产物的桥梁，催化酶反应过程的中心环节是（）

3 、按照与酶蛋白结合的紧密程度，可以把辅助因子分为（）和（）

4 、酶的活性中心以内的必需基团包括（）和（）

5 、固定化酶有哪些特点？ 6 、酶的分离纯化的一般原则是？ 7 、为什么葡萄糖氧化酶和溶菌酶能应用于食

品保鲜？

复习三

1 、含水量小于（）活性干酵母被称为高活性干酵母。

A6% B5% C4% D3% 2 、若发酵产物是菌体本身，可以用（）方法

分离提纯 A 蒸馏 B萃取 C 过滤 D离子交换 3 、工业上生产 SCP 采用的菌种大都是（） A 细菌 B藻类 C丝状真菌 D 酵母菌

4 、微生物的发酵工艺类型有哪些？ 5 、 pH对发酵过程有何影响？控制发酵过程中pH的方法有哪些？

6 、简述固态发酵法生产红曲色素的基本工艺流程

其它重要知识点

1 、简述螺旋藻的化学组成及保健作用 2 、简述黄原胶的性能及其在食品工业上的应

用

思考题1 、发酵工程的概念、内容，典型的发酵工程包括哪几部分？2 、生物反应器的概念，类型。动植物、微生物反应器的类型3 、空气过滤除菌的方法有哪些？培养基的灭菌方法有哪些？为什么

要对培养基进行灭菌？4 、影响发酵产物生产的因素有哪些？5 、试述温度对发酵过程的影响？6 、 pH对发酵过程有何影响？控制发酵过程中 pH的方法有哪些？7 、简述发酵过程中产生泡沫的原因以及泡沫对发酵过程的影响几及

消除泡沫的方法。8 、单细胞蛋白的概念，简述利用微生物生产单细胞蛋白的优点及主

要的原料。9 、高活性干酵母的概念及种类。

10、简述螺旋藻的化学组成及保健作用

11、简述黄原胶的性能及其在食品工业上的应用。

12、我国用于生产酸牛乳的菌种有哪些？按生产方式不同分为哪些类型？画出它们的工艺流程图。

13、我国生产食醋的菌种有哪些？试述食醋生产的原理及色、香、味的来源。

14、味精的主要成分是什么？主要生产菌种有哪些？主要原料是什么？简述其生产原理

15、果酒是如何分类的？画出果酒的生产工艺流程图。

16、简述酱油的生产原理及生产工艺。

17、什么叫中间补料发酵，有何优点？

做一棵永远成长的苹果树

成长的寓言

一棵苹果树，终于结果了。 第一年，它结了 10个苹果， 9个被拿走，自己得到 1 个。对此，苹果树愤愤不平，于是自断经脉，拒绝成长。第二年，它结了 5 个苹果， 4个被拿走，自己得到 1 个。“哈哈，去年我得到了 10％，今年得到 20％！翻了一番。”这棵苹果树心理平衡了。 但是，它还可以这样：继续成长。譬如，第二年，它结了 100个果子，被拿走 90个，自己得到 10个。

很可能，它被拿走 99个，自己得到 1 个。但没关系，它还可以继续成长，第三年结 1000个果子……

其实，得到多少果子不是最重要的。最重要的是，苹果树在成长！等苹果树长成参天大树的时候，那些曾阻碍它成长的力量都会微弱到可以忽略。真的，不要太在乎果子，成长是最重要的。

心理点评 你是不是一个已自断经脉的打工族？ 刚开始工作的时候，你才华横溢，意气风发，相信“天生我才必有用”。但现实很快敲了你几个闷棍，或许，你为单位做了大贡献没人重视；或许，只得到口头重视但却得不到实惠；或许……总之，你觉得就像那棵苹果树，结出的果子自己只享受到了很小一部分，与你的期望相差甚远。 于是，你愤怒、你懊恼、你牢骚满腹……最终，你决定不再那么努力，让自己的所做去匹配自己的所得。几年过去后，你一反省，发现现在的你，已经没有刚工作时的激情和才华了。 “老了，成熟了。”我们习惯这样自嘲。但实质是，你已停止成长了。 这样的故事，在我们身边比比皆是。

之所以犯这种错误，是因为我们忘记生命是一个历程，是一个整体，我们觉得自己已经成长过了，现在是到该结果子的时候了。我们太过于在乎一时的得失，而忘记了成长才是最重要的。 好在，这不是金庸小说里的自断经脉。我们随时可以放弃这样做，继续走向成长之路。 切记：如果你是一个打工族，遇到了不懂管理、野蛮管理或错误管理的上司或企业文化，那么，提醒自己一下，千万不要因为激愤和满腹牢骚而自断经脉。不论遇到什么事情，都要做一棵永远成长的苹果树，因为你的成长永远比每个月拿多少钱重要。