发酵工程及其在食品中的应用-正式.ppt
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1、 第三章第三章 发酵工程及其在食品工业中的应用发酵工程及其在食品工业中的应用第一节第一节发酵工程概述发酵工程概述第二节第二节发酵法生产单细胞蛋白发酵法生产单细胞蛋白第三节第三节发酵法培养新型食品胶发酵法培养新型食品胶第四节第四节发酵法生产食用色素发酵法生产食用色素第五节第五节其它产品的发酵生产其它产品的发酵生产第六节第六节螺旋藻的培养生产及其应用螺旋藻的培养生产及其应用教教 学学 内内 容容第一节第一节 发酵工程概述发酵工程概述 Fermentation engineeringFermentation engineering:利利用用微微生生物物生生长长速速度度快快、生生长长条条件件简简单单以
2、以及及代代谢谢过过程程特特殊殊等等特特点点,在在合合适适条条件件下下,通通过过现现代代化化工工程程技技术术手手段段,由由微微生生物物的的某某种种特特定定功功能能生生产产出出人人类类所所需需的的产产品品称称为发酵工程,也称为发酵工程,也称微生物工程。微生物工程。一、发酵工程的内容及生产流程一、发酵工程的内容及生产流程现现代代的的发发酵酵工工程程包包括括菌菌体体生生产产和和代代谢谢产产物物的的发发酵酵生生产产,还还包包括括微微生生物物机机能能的的利利用。用。主主要要内内容容:包包括括生生产产菌菌种种的的选选育育,发发酵酵条条件件的的优优化化与与控控制制,反反应应器器的的设设计计及及产产物物的的分离
3、、提取与精制等。分离、提取与精制等。1、固体发酵法:、固体发酵法:2、液体发酵法:、液体发酵法:二、微生物发酵方法二、微生物发酵方法液体表面发酵法液体表面发酵法液体深层通气发酵法液体深层通气发酵法液体厌氧发酵法液体厌氧发酵法三、发酵操作方式以及过程控制三、发酵操作方式以及过程控制液体深层发酵操作方式可分为液体深层发酵操作方式可分为:1、分批发酵法:、分批发酵法:向发酵罐一次性投入发酵液和向发酵罐一次性投入发酵液和菌种,一次性收获产品。菌种,一次性收获产品。2、连续发酵法:、连续发酵法:以一定的速度连续向发酵罐中以一定的速度连续向发酵罐中输入新鲜的培养液,同时以一定的流速(往往相输入新鲜的培养液
4、,同时以一定的流速(往往相同)从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液的发同)从发酵罐中排出含有目的产物的发酵液的发酵过程。酵过程。3、中间补料发酵法:、中间补料发酵法:介于分批和连续发酵之间介于分批和连续发酵之间的一种发酵技术。的一种发酵技术。发酵过程控制:发酵过程控制:物理参数及其控制物理参数及其控制温度、压力、流量、转速、补料和泡沫等。温度、压力、流量、转速、补料和泡沫等。化学参数及其控制化学参数及其控制pH、溶解氧、二氧化碳溶解量、排气组分和、溶解氧、二氧化碳溶解量、排气组分和溶液成分等的在线检测和控制。溶液成分等的在线检测和控制。生物学参数及其控制生物学参数及其控制生物量、细胞数、细胞形态
5、和大小、酶活性、生物量、细胞数、细胞形态和大小、酶活性、ATP和细胞活力等的测定。和细胞活力等的测定。四、发酵产物分离过程四、发酵产物分离过程发酵产物:发酵产物:1、微生物菌体、微生物菌体2、微生物酶、微生物酶3、微生物代谢产物、微生物代谢产物4、微生物转化产物、微生物转化产物第二节第二节发酵法生产单细胞蛋白发酵法生产单细胞蛋白一、一、SCP生产菌种和原料生产菌种和原料二、二、SCP的发酵生产的发酵生产三、三、SCP的分离和纯化的分离和纯化四、高活性干酵母的生产和应用四、高活性干酵母的生产和应用单细胞蛋白(单细胞蛋白(singlecellprotein,简称,简称SCP):):是指通过大规模培
6、养酵母或细菌等微生物是指通过大规模培养酵母或细菌等微生物而生产的用作食品或饲料的微生物蛋白。而生产的用作食品或饲料的微生物蛋白。富含蛋白质的微生物:富含蛋白质的微生物:酵母菌、细菌、霉菌、食酵母菌、细菌、霉菌、食用菌和藻类等。用菌和藻类等。蛋白含量:蛋白含量:霉菌:霉菌:31%50%酵母菌:酵母菌:47%56%细菌:细菌:72%83%螺旋藻:螺旋藻:50%70%微生物的菌体蛋白营养价值:微生物的菌体蛋白营养价值:蛋白质含量高达蛋白质含量高达40%80%,比大豆、肉、,比大豆、肉、鱼等食品中蛋白含量高。鱼等食品中蛋白含量高。氨基酸的组成较为齐全,含有人体必需的氨基酸的组成较为齐全,含有人体必需的
7、8种种氨基酸。氨基酸。含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质,含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质,以及丰富的酶类和生物活性物质。以及丰富的酶类和生物活性物质。目前,人们已公认目前,人们已公认SCP是非常具有应用前景是非常具有应用前景的蛋白质资源。的蛋白质资源。、直接食用:、直接食用:蛋白粉、蛋白粉、“人造肉人造肉”等。等。、作为食品添加剂,如:、作为食品添加剂,如:食品的增鲜剂:食品的增鲜剂:已广泛应用于调味料中。已广泛应用于调味料中。营养增强剂:营养增强剂:补充蛋白质或维生素、矿物质等。补充蛋白质或维生素、矿物质等。抗氧化剂:抗氧化剂:常用于婴儿粉及汤料等中。常用于婴儿粉及汤料等中。
8、减肥食品的添加剂:减肥食品的添加剂:干酵母热量低。干酵母热量低。3、其其他他应应用用:如如意意大大利利烘烘饼饼中中加加入入活活性性酵酵母母,可提高饼的延薄性能。可提高饼的延薄性能。单细胞蛋白在食品工业中的应用:单细胞蛋白在食品工业中的应用:一、一、SCP生产菌种和原料生产菌种和原料生产生产SCP的菌种:的菌种:酵母菌、细菌、霉菌和藻类等,用的较多的是酵母菌、细菌、霉菌和藻类等,用的较多的是酵母菌。酵母菌。如:酿酒酵母、产朊假丝酵母(或称圆酵母)、如:酿酒酵母、产朊假丝酵母(或称圆酵母)、脆壁克鲁维酵母(或称乳清酵母)。脆壁克鲁维酵母(或称乳清酵母)。优良的优良的SCP生产菌株应具有的性状:生产
9、菌株应具有的性状:无生理毒无生理毒性、菌体蛋白含量高、生长速度快、对培养条性、菌体蛋白含量高、生长速度快、对培养条件要求简单和产品味道好易于吸收等。件要求简单和产品味道好易于吸收等。生产原料:生产原料:1、烷烃类和石油化工产品、烷烃类和石油化工产品如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。如甲烷、甲醇、乙醇、石蜡烃等。2、各种有机废料和一些糖类物质、各种有机废料和一些糖类物质有机废料:有机废料:如食品厂、酿造厂、造纸厂等废如食品厂、酿造厂、造纸厂等废弃物以及农作物秸杆等。弃物以及农作物秸杆等。糖类物质:糖类物质:如糖蜜、淀粉类物质等。如糖蜜、淀粉类物质等。二、二、SCP的发酵生产的发酵生产一般一般SCP生
10、产的概略流程图生产的概略流程图(一)、以淀粉质为原料生产(一)、以淀粉质为原料生产SCP主要有三条途径:主要有三条途径:在在化化学学分分解解或或酶酶解解底底物物基基础础上上培培养养SCP生生产菌,主要是酵母菌产菌,主要是酵母菌;将将对对淀淀粉粉分分解解活活力力高高的的酵酵母母(或或霉霉菌菌)与与快速生长的酵母菌混合培养;快速生长的酵母菌混合培养;单单独独培培养养能能够够同同化化淀淀粉粉的的生生产产菌菌株株,如如SCP生产工程菌。生产工程菌。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过得率一般可超过50。即。即t原料可生产出原料可生产出t多蛋白
11、含量超过多蛋白含量超过50的产物。每升发酵液中的产物。每升发酵液中生物量约为生物量约为3740g。近年来,我国已经开始探讨应用混合培养近年来,我国已经开始探讨应用混合培养法生产法生产SCP的工艺。而瑞典糖业有限公司早在的工艺。而瑞典糖业有限公司早在1973年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法年便利用土豆加工的废渣以混合培养方法生产饲料生产饲料SCP。(二)、以糖蜜为原料生产(二)、以糖蜜为原料生产SCP105页表页表4-4糖蜜预处理:糖蜜预处理:包括澄清和灭菌包括澄清和灭菌发酵培养液:发酵培养液:以糖蜜作为碳源,氨水、硫胺素、以糖蜜作为碳源,氨水、硫胺素、尿素等作为氮源,还需添加适量的磷酸、磷
12、酸尿素等作为氮源,还需添加适量的磷酸、磷酸盐等磷源,可提高酵母产率。盐等磷源,可提高酵母产率。发酵方式:发酵方式:液体深层发酵,需要通气。液体深层发酵,需要通气。发酵条件:发酵条件:培养液培养液pH:在在4.75.0之间之间发酵温度:发酵温度:约约26。终发酵液:终发酵液:含酵母含酵母58得得率:率:100kg糖蜜可获得约糖蜜可获得约60kg湿酵母湿酵母(三)、以纤维素类为原料生产三)、以纤维素类为原料生产SCP三条路线:三条路线:1、预处理、预处理-酶解酶解-发酵发酵一一般般先先经经膨膨化化预预处处理理,然然后后用用纤纤维维素素酶酶水水解解纤维素,以其为碳源进行发酵。纤维素,以其为碳源进行发
13、酵。2、酸解、酸解-发酵发酵常常用用粗粗硫硫酸酸,使使纤纤维维素素和和半半纤纤维维素素部部分分水水解解,并除去木质素等有机溶解物。并除去木质素等有机溶解物。3、混合发酵、混合发酵选用能较好地利用纤维素的菌株,使其与纤选用能较好地利用纤维素的菌株,使其与纤维素酶配合使用。维素酶配合使用。三、三、SCP的分离和纯化的分离和纯化两个关键技术:两个关键技术:破除菌体细胞壁破除菌体细胞壁降低降低SCP产品中的产品中的RNA含量含量以酵母为例:以酵母为例:1、破碎细胞壁方法、破碎细胞壁方法化学法化学法:酸法、碱法、有机溶剂等酸法、碱法、有机溶剂等酶法:酶法:自溶作用或外加酶(如蜗牛酶等)自溶作用或外加酶(
14、如蜗牛酶等)机械法:机械法:高压匀浆、球磨研磨、超声波破碎高压匀浆、球磨研磨、超声波破碎法等。法等。2、降低、降低RNA含量的方法含量的方法碱碱法法:将将酵酵母母浆浆液液在在加加热热的的碱碱液液中中处处理理一一定定时时间间,使使蛋蛋白白沉沉淀淀,RNA在在上上清清液液中中,分分离离后后SCP中仅含中仅含12RNA。酶酶法法:利利用用菌菌体体自自身身RNA酶酶的的作作用用,在在5055下下保保温温处处理理1060s,激激活活胞胞内内RNA酶酶,可获得可获得RNA含量仅为含量仅为1.5%的的SCP。盐析法:盐析法:用不同种类、浓度的盐抽提。用不同种类、浓度的盐抽提。四、高活性干酵母的生产和应用四、
15、高活性干酵母的生产和应用高高活活性性干干酵酵母母:(highactivedryyeast,简简称称HADY),颗颗粒粒状状的的含含水水量量为为46的的具具有高发酵活力的酵母成品。有高发酵活力的酵母成品。()()HADY的制作技术的制作技术设设备:备:连续流化床干燥装置连续流化床干燥装置干燥过程:干燥过程:温度分两级控制温度分两级控制初期:初期:热空气温度热空气温度150160。后期:后期:温度在温度在3035。菌种选育:菌种选育:选育耐高温、抗干燥能力强、生产选育耐高温、抗干燥能力强、生产性状好的菌种。性状好的菌种。酵母的培养和发酵生产酵母的培养和发酵生产工艺过程与其它酵母的生产相似,但其培养
16、工艺过程与其它酵母的生产相似,但其培养基组成、培养条件和营养源流加量等对酵母干燥基组成、培养条件和营养源流加量等对酵母干燥后的存活力有一定的影响。后的存活力有一定的影响。HADY制作中的技术关键问题制作中的技术关键问题培养基成分的影响培养基成分的影响碳碳源源:废废糖糖蜜蜜是是较较理理想想的的碳碳源源,因因其其含含碳碳量量较较高高,含含氮氮量量较较低低,培培养养制制备备的的干干酵酵母母存存活活力力比比较高。较高。氮源:氮源:氮源过多,酵母对干燥抵抗力差。氮源过多,酵母对干燥抵抗力差。当酵母含氮量达当酵母含氮量达6.4%(干计干计),酵母干燥后大部酵母干燥后大部分细胞活力被钝化。分细胞活力被钝化。
17、营养源流加量和培养条件的影响营养源流加量和培养条件的影响酵母细胞中海藻糖含量与其抗干燥能力有酵母细胞中海藻糖含量与其抗干燥能力有一定的关系,当海藻糖含量高达一定的关系,当海藻糖含量高达10%15%,对干燥的抵抗力明显增强。对干燥的抵抗力明显增强。严格控制营养源流加的碳氮比、发酵末期严格控制营养源流加的碳氮比、发酵末期适当升温和减少通风量,使酵母呈适当升温和减少通风量,使酵母呈23小时的小时的“饥饿饥饿”状态,可使海藻糖含量增加到状态,可使海藻糖含量增加到15%16%(干计)或更高。(干计)或更高。干燥前的处理干燥前的处理加加入入高高渗渗溶溶液液、膨膨胀胀剂剂(如如甲甲基基纤纤维维素素)、润润湿
18、湿剂剂(如如甘甘油油)或或稳稳定定剂剂(如如阿阿拉拉伯伯胶胶)都都可可增强酵母对干燥的抵抗性能。增强酵母对干燥的抵抗性能。活性干酵母的颗粒结构与形状活性干酵母的颗粒结构与形状颗粒大小适中,干燥均匀,复水性能好、发颗粒大小适中,干燥均匀,复水性能好、发酵活力高。酵活力高。产品的保存条件产品的保存条件于绝氧条件下保存,采用真空或充氮气的复于绝氧条件下保存,采用真空或充氮气的复合铝箔包装,保存期可达合铝箔包装,保存期可达12年。年。一、黄原胶(一、黄原胶(Xanthangum)的发酵生产)的发酵生产黄黄原原胶胶是是国国际际上上20世世纪纪70年年代代发发展展起起来来的的新型食品胶。新型食品胶。黄黄原
19、原胶胶是是由由黄黄单单孢孢细细菌菌(Xanthomonascampestris)以以碳碳水水化化合合物物为为主主要要原原料料经经过过通通气气发发酵酵、分分离离提提纯纯后后得得到到的的细细胞胞外外杂杂多多糖糖,产产品品为为淡淡黄黄色色粉粉末末。是是目目前前世世界界上上生生产产规规模模最最大大的的微生物多糖。微生物多糖。第三节第三节发酵法生产新型食品胶发酵法生产新型食品胶(一)、黄原胶的结构与性能(一)、黄原胶的结构与性能1结构结构黄黄原原胶胶是是由由葡葡萄萄糖糖、甘甘露露糖糖、葡葡萄萄糖糖醛醛酸酸、鼠鼠李李糖糖、乙乙酸酸和和丙丙酮酮酸酸等等组组成成的的阴阴离离子子杂多糖。杂多糖。基基本本骨骨架架
20、为为葡葡萄萄糖糖连连接接而而成成的的直直链链纤纤维维素素分分子子,每每隔隔一一个个葡葡萄萄糖糖单单位位都都连连接接一一个个三三糖糖侧侧链链,侧侧链链由由葡葡萄萄糖糖醛醛酸酸、甘甘露露糖糖、鼠鼠李李糖糖等等组组成成。侧侧链链末末端端含含有有丙丙酮酮酸酸基基团团的的多多少少,对对黄黄原胶分子性能有很大影响。原胶分子性能有很大影响。黄原胶在水溶液中形成双螺旋体结构,很多的双螺旋结构间靠微弱的黄原胶在水溶液中形成双螺旋体结构,很多的双螺旋结构间靠微弱的非共价键维系,形成规则的螺旋聚合体,使得黄原胶具有强亲水性、增稠非共价键维系,形成规则的螺旋聚合体,使得黄原胶具有强亲水性、增稠性、稳定性、悬浮性、乳化
21、性等。性、稳定性、悬浮性、乳化性等。2性能性能作为增稠稳定剂:作为增稠稳定剂:用于果汁、饮料、调味料等食品中。用于果汁、饮料、调味料等食品中。作为乳化剂:作为乳化剂:用于蛋白饮料、乳饮料等食品中。用于蛋白饮料、乳饮料等食品中。作为高粘度填充剂:作为高粘度填充剂:用于点心、面包、糖果等食品中。用于点心、面包、糖果等食品中。作为乳化稳定剂:作为乳化稳定剂:用于冷饮食品中。用于冷饮食品中。肉制品加工:肉制品加工:提高制品的嫩度、持水性、出品率。提高制品的嫩度、持水性、出品率。果蔬保鲜加工:果蔬保鲜加工:防止果蔬失水、褐变,延长产品保质期。防止果蔬失水、褐变,延长产品保质期。罐头、饮料等加工:罐头、饮
22、料等加工:作为悬浮剂和稳定剂,利于保持产作为悬浮剂和稳定剂,利于保持产品外观,改进口感和增强风味等。品外观,改进口感和增强风味等。(二(二)、)、黄原胶在食品工业中的应用黄原胶在食品工业中的应用常用的生产菌种:常用的生产菌种:黄单孢杆菌及其变异株。黄单孢杆菌及其变异株。美国:多数为甘蓝黑腐病黄单孢杆菌及其变美国:多数为甘蓝黑腐病黄单孢杆菌及其变异株异株我国:多数为野油菜黄单孢杆菌我国:多数为野油菜黄单孢杆菌(XanthomonasCampestris)及及其其变异株变异株如如南南开开大大学学筛筛选选出出的的NK01菌菌株株等。等。(三)、生产菌种(三)、生产菌种(四)、发酵工艺流程(四)、发酵
23、工艺流程1、种子培养、种子培养斜面斜面三角瓶三角瓶10L罐罐100L罐罐1M3罐罐10M3发酵罐发酵罐n碳源:碳源:葡萄糖、蔗糖或葡萄糖、蔗糖或淀粉淀粉。n氮源:氮源:蛋白胨、酵母精粉、玉米浆、水解乳清粉、豆饼粉和无机氮源等。蛋白胨、酵母精粉、玉米浆、水解乳清粉、豆饼粉和无机氮源等。氮源含量高会导致黄原胶产量下降,宜采用高氮源含量高会导致黄原胶产量下降,宜采用高C/N。n无机离子和微量元素:无机离子和微量元素:P、S、Mg2+、Ca2+、k+等对菌体和胶的合成起等对菌体和胶的合成起促进作用,可提高黄原胶产量或质量。促进作用,可提高黄原胶产量或质量。表面活性剂:表面活性剂:乳化发酵可提高黄原胶产
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