發(fā)酵與釀造工藝學(xué)課件

發(fā)酵與釀造工藝學(xué)應(yīng)用生物技術(shù)專業(yè)第一章緒論一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史

二、發(fā)酵與釀造技術(shù)特點(diǎn)以及與現(xiàn)代生物技術(shù)的關(guān)系

三、發(fā)酵與釀造技術(shù)的研究對象

四、發(fā)酵與釀造技術(shù)的發(fā)展趨勢

一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史發(fā)酵的英文“fermentation”是從拉丁語“ferver”即“發(fā)泡”、“翻涌”派生而來的，。人類利用微生物進(jìn)行食品發(fā)酵與釀造已有數(shù)千年的歷史，發(fā)酵現(xiàn)象是自古以來就已被人們發(fā)現(xiàn)并掌握的，但由于對發(fā)酵與釀造的主角——微生物缺乏認(rèn)識，發(fā)酵與釀造的本質(zhì)長時(shí)間沒有被揭示，始終充滿神秘色彩。因而在19世紀(jì)中葉以前，發(fā)酵與釀造業(yè)的發(fā)展極其緩慢。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史直到19世紀(jì)中葉，巴斯德(Pasteur)經(jīng)過長期而細(xì)致的研究之后，才有說服力地宣告發(fā)酵是微生物作用的結(jié)果。巴斯德在巴斯德瓶中加入肉汁，發(fā)現(xiàn)在加熱情況下不發(fā)酵，不加熱則產(chǎn)生發(fā)酵現(xiàn)象，并詳細(xì)觀察了發(fā)酵液中許許多微小生命的生長情況等，由此他得出結(jié)論：發(fā)酵是由微生物進(jìn)行的一種化學(xué)變化。巴斯德認(rèn)識到這些不同類型的發(fā)酵，是由形態(tài)上可以區(qū)別的各種特定的微生物所引起的。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史其后不久，科赫(Koch)建立了單種微生物分離和純培養(yǎng)技術(shù)，利用這些技術(shù)研究炭疽病時(shí)，發(fā)現(xiàn)動物的傳染病是由特定的細(xì)菌引起的。從而得知，微生物也和高等植物一樣，可以根據(jù)它們的種屬關(guān)系明確地加以區(qū)分，從此以后，各種微生物純培養(yǎng)技術(shù)獲得成功。單種微生物分離和純培養(yǎng)技術(shù)的建立，是食品發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史布赫納(Buchner)闡明了微生物的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)。為了把酵母提取液用于醫(yī)學(xué)，他用石英砂磨碎酵母菌細(xì)胞制成酵母汁，并加入大量砂糖防腐，結(jié)果意外地發(fā)現(xiàn)酵母汁也有發(fā)酵現(xiàn)象，任何生物都具有引起發(fā)酵的物質(zhì)——酶，從此以后，人們用生物細(xì)胞的磨碎物研究種種反應(yīng)，從而促成了當(dāng)代生物化學(xué)的誕生，也將生物化學(xué)和微生物學(xué)彼此溝通起來，大大擴(kuò)展了發(fā)酵與釀造的范圍，豐富了發(fā)酵與釀造的產(chǎn)品。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史一種新技術(shù)——人工誘變育種和代謝控制發(fā)酵工程技術(shù)的誕生。人們以動態(tài)生物學(xué)和微生物遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，將微生物進(jìn)行人工誘變，得到適合于生產(chǎn)某種產(chǎn)品的突變株，再在人工控制的條件下培養(yǎng)，有選擇地大量生產(chǎn)人們所需要的物質(zhì)。這一新技術(shù)首先在氨基酸生產(chǎn)上獲得成功，而后在核苷酸、有機(jī)酸、抗生素等其他產(chǎn)品得到應(yīng)用。可以說，人工誘變育種和代射控制發(fā)酵工程技術(shù)是發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史生產(chǎn)廠家既想利用化學(xué)合成法降低生產(chǎn)成本，又想使產(chǎn)品擁有較高的質(zhì)量，于是就采用化學(xué)合成結(jié)合微生物發(fā)酵的方法。如生產(chǎn)某些有機(jī)酸，先采用化學(xué)合成法合成其前體物質(zhì)，然后用微生物轉(zhuǎn)化法得到最終產(chǎn)品。這樣，將化學(xué)合成與微生物發(fā)酵有機(jī)地結(jié)合起來的工程技術(shù)就建立起來了，這形成了發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史細(xì)胞融合技術(shù)，得到了許多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通過常規(guī)發(fā)酵得到了許多新有用物質(zhì)?；蚬こ碳夹g(shù)，可以在體外重組生物細(xì)胞的基因，并克隆到微生物細(xì)胞中去構(gòu)成工程菌，利用工程菌生產(chǎn)原來微生物不能生產(chǎn)的產(chǎn)物，如胰島素、干擾素等，使微生物的發(fā)酵產(chǎn)品大大增加。一、發(fā)酵與釀造技術(shù)的歷史可以說，發(fā)酵和釀造技術(shù)已經(jīng)不再是單純的微生物發(fā)酵，已擴(kuò)展到植物和動物細(xì)胞領(lǐng)域，包括天然微生物、人工重組工程菌、動植物細(xì)胞等生物細(xì)胞的培養(yǎng)。隨著轉(zhuǎn)基因動植物的問世，因此，隨著基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和生化工程的發(fā)展，傳統(tǒng)的發(fā)酵與釀造工業(yè)已經(jīng)被賦予嶄新內(nèi)容，現(xiàn)代發(fā)酵與釀造已開辟了一片嶄新領(lǐng)域。

二、發(fā)酵與釀造技術(shù)特點(diǎn)以及與現(xiàn)代生物技術(shù)的關(guān)系

(一)發(fā)酵與釀造的特點(diǎn)

(二)發(fā)酵與釀造和現(xiàn)代生物技術(shù)的關(guān)系

(一)發(fā)酵與釀造的特點(diǎn)

發(fā)酵對微生物學(xué)家來說，微生物進(jìn)行的一切活動都可以稱為發(fā)酵；而對生物化學(xué)家來說，發(fā)酵僅僅是指厭氧條件下有機(jī)化合物進(jìn)行不徹底的分解代謝釋放能量的過程。(一)發(fā)酵與釀造的特點(diǎn)1.安全簡單

2.原料廣泛3.反應(yīng)專一

4.代謝多樣

5.易受污染

6.菌種選育1.安全簡單發(fā)酵與釀造過程絕大數(shù)是在常溫壓下進(jìn)行的，生產(chǎn)過程安全，所需的生產(chǎn)條件比較簡單。2.原料廣泛發(fā)酵與釀造通常以淀粉、糖蜜或其他農(nóng)副產(chǎn)品主原料，添加少量營養(yǎng)因子，就可以進(jìn)行反應(yīng)了。目前，發(fā)酵與釀造的原料范圍已大大擴(kuò)展，礦產(chǎn)資源和石油產(chǎn)品都可以作為發(fā)酵與釀造的原料，甚至生產(chǎn)中的廢水、廢料都可以作為發(fā)酵與釀造的原料。4.代謝多樣由于各種各樣生物體代謝方式、代謝過程的多樣化，以及生物體化學(xué)反應(yīng)的高度選擇性，即使是極其復(fù)雜的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代謝產(chǎn)物。因而，發(fā)酵與釀造適應(yīng)的范圍非常廣。5.易受污染由于發(fā)酵培養(yǎng)基營養(yǎng)豐富，各種來源的微生物都很容易生長，發(fā)酵與釀造過程要嚴(yán)格控制雜菌污染，有許多產(chǎn)品必須在密閉條件下進(jìn)行發(fā)酵，在接種前設(shè)備和培養(yǎng)基必須滅菌，反應(yīng)過程中所需空氣或流加營養(yǎng)物必須保持無菌狀態(tài)。發(fā)酵過程避免雜菌污染是發(fā)酵成功的關(guān)鍵。6.菌種選育發(fā)酵與釀造最重要的因素是菌種，通過各種菌種選育手段得到高產(chǎn)的優(yōu)良菌種，是能否創(chuàng)造顯著經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。另外，生產(chǎn)過程中菌種會不斷地變異，因此，自始至終都要進(jìn)行菌種的選育和優(yōu)化工作，以保持菌種的基本特征和優(yōu)良性狀。(二)發(fā)酵與釀造和現(xiàn)代生物技術(shù)的關(guān)系現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)已超越了微生物工程的范疇。由此可見，發(fā)酵工程(包括酶工程)與細(xì)胞工程、基因工程誰也離不開誰，發(fā)酵工程（包括酶工程）需要基因工程、細(xì)胞工程為他提供最良好的生物細(xì)胞（或酶），而基因工程、細(xì)胞工程得到的最良好的細(xì)胞(或酶)必須要經(jīng)過發(fā)酵工程(包括酶工程)才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。(一)按產(chǎn)業(yè)部門來分(1)釀酒工業(yè)(黃酒、啤酒、白酒、葡萄等)；(2)傳統(tǒng)釀造工業(yè)(醬、醬油、食醋、腐乳、豆豉、酸乳等)；(3)有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè)(檸檬酸、蘋果酸、葡萄糖酸等)；(4)酶制劑發(fā)酵工業(yè)(淀粉酶、蛋白酶等)；(5)氨基酸發(fā)酵工業(yè)(谷氨酸、賴氨酸等)；(一)按產(chǎn)業(yè)部門來分(6)功能性食品生產(chǎn)工業(yè)(低聚糖、真菌多糖、紅曲等)；(7)食品添加劑生產(chǎn)工業(yè)(黃原膠、海藻糖等)；(8)菌體制造工業(yè)(單細(xì)胞蛋白、酵母等)；(9)維生素發(fā)酵工業(yè)(維生素B2、維生素B12等)；(10)核苷酸發(fā)酵工業(yè)(ATP、IMP、GMP等)。(二)按產(chǎn)品性質(zhì)來分1.生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵

2.酶制劑發(fā)酵

3.生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵

4.菌體制造1.生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵生物細(xì)胞將外界物質(zhì)吸收到體內(nèi)，一面進(jìn)行分解代謝(異化作用)，一面又利用分解代謝中間代謝產(chǎn)物及能量去合成(同化作用)體內(nèi)所需成分，這一過程稱為新陳代謝。在代謝過程中，生物體進(jìn)行著復(fù)雜的生物合成，獲得了許多重要的代謝產(chǎn)物。以生物體代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品的發(fā)酵與釀造工業(yè)是該工業(yè)中數(shù)量很多、產(chǎn)量最大、也是最重要的部分，產(chǎn)品包括初級代謝產(chǎn)物、中間代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。2.酶制劑發(fā)酵利用發(fā)酵法制備和生產(chǎn)并提取微生物產(chǎn)生的各種酶，已是當(dāng)今發(fā)酵工業(yè)的重要組成部分。工業(yè)用酶大多來自于微生物發(fā)酵生產(chǎn)的酶，如：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支鏈淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶、葡萄糖異構(gòu)酶、纖維素酶，堿性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶，果膠酶，脂肪酶，凝乳酶，過氧化氫酶，青霉素酰化酶，膽固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基?；傅?。利用微生物生產(chǎn)的胞內(nèi)酶或胞外酶加以分離提取得到的酶制劑?，F(xiàn)在已有很多酶制劑被加工成固定化酶，使酶制劑行業(yè)前進(jìn)一大步。3.生物轉(zhuǎn)化發(fā)酵

生物轉(zhuǎn)化是指利用生物細(xì)胞中的一種或多種酶，作用于一些化合物的特定部位(基團(tuán))，使它轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)相類似但具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值化合物的生化反應(yīng)。可進(jìn)行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)包括脫氫、氧化、脫水、縮合、脫羧、羥化、氨化、脫氨、異構(gòu)化等，4.菌體制造這是以獲得具有特定用途的生物細(xì)胞為目的產(chǎn)品的一種發(fā)酵，包括單細(xì)胞蛋白，藻類，食用菌和人、畜防治疾病用的疫苗，生物殺蟲劑等的生產(chǎn)。細(xì)胞物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)的特點(diǎn)是細(xì)胞的生長與產(chǎn)物積累呈平行關(guān)系，生長速率最大時(shí)期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，剛進(jìn)入生長穩(wěn)定期時(shí)細(xì)胞物質(zhì)濃度最大，同時(shí)也是產(chǎn)量最高的收獲時(shí)期。四、發(fā)酵與釀造技術(shù)的發(fā)展趨勢

(一)利用基因工程技術(shù)，人工選育和改良菌種

(二)結(jié)合細(xì)胞工程技術(shù)，用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行動植物細(xì)胞培養(yǎng)

(三)應(yīng)用酶工程技術(shù)，將固定化酶或細(xì)胞廣泛應(yīng)用于發(fā)酵與釀造工業(yè)

四、發(fā)酵與釀造技術(shù)的發(fā)展趨勢(四)重視生化工程在發(fā)酵與釀造業(yè)的應(yīng)用

(五)發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

(六)加強(qiáng)代謝研究，進(jìn)一步搞好代謝控制，開發(fā)更多代謝產(chǎn)品(一)利用基因工程技術(shù)，人工選育和改良菌種

基因工程是一種將目的基因從DNA上切割下來(或人工合成)，在體外將該基因連接到載體上，通過轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等手段將重組的基因組導(dǎo)入受體細(xì)胞，使后者獲得復(fù)制該基因的能力，從而達(dá)到定向改變菌種遺傳特性或創(chuàng)造新菌種的目的。這種帶有目的基因的受體細(xì)胞，具有我們所希望的新的遺傳性能和生產(chǎn)性能，這是常規(guī)育種方法無法做到的。(二)結(jié)合細(xì)胞工程技術(shù)，用發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行動植物細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞原生質(zhì)體融合技術(shù)使動植物細(xì)胞的人工培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。借助于微生物細(xì)胞培養(yǎng)的先進(jìn)技術(shù)，大量培養(yǎng)動植物細(xì)胞的技術(shù)日臻完善，有很多已經(jīng)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。動植物細(xì)胞有產(chǎn)生很多微生物細(xì)胞所不具備的特有的代謝產(chǎn)物，進(jìn)行動植物細(xì)胞的培養(yǎng)，就能生產(chǎn)這些特有物質(zhì)。如動物細(xì)胞可生產(chǎn)生長激素、疫苗、免疫球蛋白等；植物細(xì)胞可生產(chǎn)生物堿類、色素、類黃酮、花色苷、苯酚、固醇類、萜烯類、植物生長激素類、調(diào)味品、香料等。植物細(xì)胞培養(yǎng)還可以用于種苗生產(chǎn)，使名貴的植物、花卉種苗可在實(shí)驗(yàn)室得以培育。(三)應(yīng)用酶工程技術(shù)，將固定化酶或細(xì)胞廣泛應(yīng)用于發(fā)酵與釀造工業(yè)將酶固定在不溶性膜狀或顆粒狀聚合物上，以聚合物作為載體的固定化酶在連續(xù)催化反應(yīng)過程中不再流失，從而可以回收并反復(fù)利用，這樣就改善了反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性；酶也不會混雜在反應(yīng)產(chǎn)物中，可大大簡化提取純化工藝；另外，有些酶在游離狀況下容易失活，固定后穩(wěn)定性得以提高。固定化細(xì)胞則是將具有一定生理功能的生物體(如微生物、植物細(xì)胞、動物組織或細(xì)胞、細(xì)胞器)用一定方法固定，作為生物催化劑使用。(四)重視生化工程在發(fā)酵與釀造業(yè)的應(yīng)用

生化工程指的是生化反應(yīng)器、生物傳感器和生化產(chǎn)品的分離提取純化等下游工程。生化反應(yīng)器是生物化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行的場所，其開發(fā)涉及流體力學(xué)、傳質(zhì)、傳熱和生物化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等學(xué)科。生物傳感器是發(fā)酵與釀造過程控制的關(guān)鍵所在，要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的自動化、連續(xù)化，生物傳感器是必不可少的。生物代謝產(chǎn)品的分離提取純化工作是生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化必不可少的環(huán)節(jié)，下游工程水平的高低將對該項(xiàng)目是否能取得較高的經(jīng)濟(jì)效益起到至關(guān)重要的作用。(五)發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白

當(dāng)今世界面臨著三大問題：食物、能源和環(huán)境。開發(fā)單細(xì)胞蛋白是解決人類食物問題的重要途徑。單細(xì)胞蛋白最主要的用途是作為動物飼料，作為高蛋白供人食用已不多見。由于微生物的代謝方式各種各樣，各種資源都可以利用，而且微生物繁殖速度驚人，比動物要快上百倍，因此，發(fā)展單細(xì)胞蛋白不失為一種解決廢水廢料、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約糧食資源的好方法。(六)加強(qiáng)代謝研究，進(jìn)一步搞好代謝控制，開發(fā)更多代謝產(chǎn)品由于生物代謝的多樣性，至今研究透徹的代謝途徑中的一小部分，搞清更多的代謝途徑，搞清其代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制，將會開發(fā)出更多有價(jià)值的生物代謝產(chǎn)品。結(jié)束語我國是食品發(fā)酵與釀