生活中的微生物醒 概述 发酵类型 .发酵技术的特点 四.典型的发酵生产 五.生活中的发酵产品 作者 杨浩然16级微电子科学与工程 16300720046 课程名称:《改变生活的生物技术》 授课教师:余垚
生活中的微生物发酵 一．概述 二．发酵类型 三．发酵技术的特点 四．典型的发酵生产 五．生活中的发酵产品 六．小结 杨浩然 16 级微电子科学与工程 学号：16300720046 课程名称：《改变生活的生物技术》 授课教师：余垚 作者
概述 发酵工程有着悠久的历史,早在几千年前人们就开始从事酿酒、制酱、酸奶、制作 奶酪 素 而得到迅速发展的。而现在发酵技术又是在传统发 的覺积、污築 薇挂菘油棵丰篙教透馨 日益成为全球经济的重要组成部分。根据现有资料统计,在有些发达国家中 工业的产值占国民生产总值的5%在医药产品中,发酵产 抗生素品种就达到200 别重要的地位 在康、尊切想肴雞糰社套皴益化工、治金,资 发酵类型 目前具有较高生产价值的发酵类型主要有以下几种
1 概述 发酵工程有着悠久的历史，早在几千年前人们就开始从事酿酒、制酱、酸奶、制作 奶酪等生产。作为现代科学概念的微生物发酵工业，是在 20 世纪 40 年的随着抗生 素工业的兴起而得到迅速发展的。而现在发酵技术又是在传统发酵技术的基础上， 结合了现代的基因工厂、分子修饰和改造细胞工程等新技术。由于微生物发酵工业 具有投资少、见效快、污染小、外源目的基因容易在微生物菌体中高效表达等特点， 日益成为全球经济的重要组成部分。根据现有资料统计，在有些发达国家中，发酵 工业的产值占国民生产总值的 5%。在医药产品中，发酵产品占有特别重要的地位， 几乎占医药工业总产值的 20%。通过发酵生产的抗生素品种就达到 200 多个。总之， 发酵工业在与人类生活密切相关的许多领域中，包括医药、食品、化工、冶金、资 源、能源、健康、环境等，都有着难以估量的社会效益和经济效益。 一、发酵类型 目前具有较高生产价值的发酵类型主要有以下几种
微生物菌体发酵 岺和 的微生物菌剂 哥物题首剂双智 芽孢杆菌,只细胞中的伴孢 虫;丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。茵此 某些微生物的剂型产品,可制成新型的微生物杀虫剂,并用于农业生产中。因此菌 体发酵生产还包括微生物杀虫 剂的发酵。 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 业应用的酶大多来自于微 发酵,因为微生物具有种类多、 酶种类多,生产容易和成本 低等特点。微生物酶制剂有 泛的用途,多用于食品工业 如微生物生产 粉酶和 氨基酸等 酶也 疗检测 某额中罡 微生物代谢发酵 微生物代谢产物的秒类很多x吕知的有37个大类2在菌体对数生长期所产生的产 些产物叫做初线代物:初级代产物在经济上相乌重要分别形成各释 不同的发酵 菌体生长静止期 如 物与菌体 次级代谢产 级代谢产物多 坌紊绞異结 物,但其化学结构类 类型相似性 以分为14类 有抗病毒、抗癌和其 他生理活性,因此得 大力发展,成为发酵工业的重要支柱 发酵技术的特点 微 生物种类 繁多、繁 殖速度块、代谢能 通过人工诱变获得 有 益的突变体 傍物的独关可角临技签来生反种多物机物、至 等酿造技 酵技术的发 在髮技中1次天亮、愈繙鹅星动温素袢下进数东件翱过 水化合 物,能高度选择的在复杂化合物的 鳃位关烧下设擦需裹娃杆格声除等天;空气需清要过理中密 2
2 微生物菌体发酵 这是以获得某种用途的菌体为目的的发酵。比较传统的菌体发酵工艺，有的用于面 包制作的酵母菌可用于人类食品以及动物饲料的微生物菌体蛋白发酵。新的群体发 酵可用来生产一些药用真菌，如香菇类、依赖虫蛹生存的冬虫夏草菌、与天麻共生 的密环菌，以及多孔菌类可获得名贵中药的茯苓和灵芝等。有的微生物菌剂还可以 用作生物防治剂，比如苏云金杆菌、蜡样芽孢杆菌和侧芽孢杆菌，只细胞中的伴孢 可毒杀鳞翅目、双翅目的害虫；丝状真菌的白僵菌、绿僵菌可防治松毛虫等。因此 某些微生物的剂型产品，可制成新型的微生物杀虫剂，并用于农业生产中。因此菌 体发酵生产还包括微生物杀虫 剂的发酵。 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于微生物 发酵，因为微生物具有种类多、 产酶种类多，生产容易和成本 低等特点。微生物酶制剂有广 泛的用途，多用于食品工业和 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。如青霉素酰化酶用于生产 半合成青霉素所用的中间体氨 基青霉烷酸，胆固醇氧化酶用 来检测血液中胆固醇的含量， 葡萄糖氧化酶用于检测血液中 葡萄糖含量。 微生物代谢发酵 微生物代谢产物的种类很多，已知的有 37 个大类。在菌体对数生长期所产生的产 物，比如氨基酸、核苷酸、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相当重要，分别形成了各种 不同的发酵工艺。在菌体生长静止期，某些菌体能够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质量化合物，但其化学结构类 型多种多样。据不完全统计多达几百种。其中抗生素按其结构类型相似性来分，可 以分为 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，因此得到了大力发展，成为发酵工业的重要支柱。 发酵技术的特点 微生物种类繁多、繁殖速度块、代谢能力强，容易通过人工诱变获得有益的突变体。 微生物酶的种类很多，能催化各种生物化学反应。微生物能够利用有机物、无机物 等各种营养源，以及可以用简易的设备来生产多种多样的产品，不受气候、季节等 自然条件的限制。由于以上源于酒、酱、醋等酿造技术的发酵技术的发展非常迅速， 并且具有以下特点：1、发酵过程以生命体的自动调节方式进行， 1 数十个反应过 程能够在发酵设备中一次完成。2、反应通常在常温常压条件下进行，条件温和， 能耗少，设备较为简单 3、原料通常以糖、淀粉等碳水化合物为主，可以是农副产 品、工业废水或者可再生资源（如植物秸秆、木屑等），微生物本身可能有选择的 获取所需物质。4、容易生产复杂的高分子化合物，能高度选择的在复杂化合物的 特定部位进行氧化、还原、官能团引入或去除等反应。5、发酵过程中需要防止杂 菌污染，大多情况下设备需要进行严格的冲洗、灭菌，空气需要过滤等
典型产品的发酵生产 抗生素的发酵生产 贸舊瘟能命逶豬芰曾裉蠶的产物如这溪角笙紫復姆落废 生素中 王物化学改造,使其具有更优越 毯衣遆拌嗇製笈錶蜜坑眚薷紊踅叢辇爱窥并 床治疗,而且 类繁多,这里仅仅以青霉素的生产为例来做一下介绍。 下面以青霉素为例简单介绍抗生素的发酵生产过程 1】碳源目前普遍采用淀粉经水解的葡萄糖糖 化液进行流加。 【2】氮源可选用玉米浆、花生饼粉、精制棉籽 饼粉或麸皮 补加无机氮源。 苯乙酸或苯乙酰胺,由于它们对青霉 次加入量不能大于0.1% 加入的方式。 【4】无机盐包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。 子对青霉菌有毒害作用,应严格控制发酵液中 铁的含量在30微克每毫升以下 大米 级种子罐 冷至15 发酵罐 一放罐 26·(1:-1:0vm,6-7天 【生产种子】球状菌的生产种子是由冷冻管子孢子经混有O5%1.0%玉米浆的三 角瓶培养原始亲米孢 (又称生 10天左右形成 色孢子即可收获 接人生产米后也要经过激烈振荡才可放置恒温培养,生 产米的孢子量要求每粒米300万只以上 【加糖控制】加糖量的控制是根据残糖量及发酵过程中的pH值确定,最好是根据 量及 般在残糖降至06%左右,pH 值上升时开始加糖 【补氮及加前体】补氮是指加 硫酸铵、氨水或尿素,使发酵液 氨氮控制在O.01%-0.05%补前 体以使发酵液中残存苯乙酰胺 浓度为005%0.08%。 【pH】值控制对pH值的要求 而异,一般为pH64 6.8可以补加葡萄糖釆控制 目前一般采用加酸或加碱控制 【泡沫的控制】在发酵过程中 3
3 典型产品的发酵生产 抗生素的发酵生产 抗生素是生物体在生命活动中产生的一种次级代谢产物。这类有机物质能在低浓度 下抑制或杀灭活细胞，这种作用又有很强的选择性。例如，医用抗生素仅仅对造成 人类疾病的细菌或肿瘤细胞有很强的抑制作用或杀灭作用，而对人体正常细胞损害 较小，这是抗生素能用于医药的原理。目前，人们在生物体的发现了 6000 多种抗 生素中，约 60%来自于放线菌。抗生素主要用微生物发酵法生产，少数抗生素也 可以用化学方法合成。人们还对天然的抗生素进行生物化学改造，使其具有更优越 的性能，这样得到的抗生素叫半合成抗生素。抗生素不仅广泛用于临床治疗，而且 也用在农业、畜牧业及环保等领域中。青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。 它于 1928年为英国人弗莱明发现，并于 20 世纪 40 年投入工业生产，它能有效地 控制伤口的细菌感染，在二战期间挽救了数百万战争中伤者的性命。发酵生产药品 门类繁多，这里仅仅以青霉素的生产为例来做一下介绍。 下面以青霉素为例简单介绍抗生素的发酵生产过程 【1】碳源 目前普遍采用淀粉经水解的葡萄糖糖 化液进行流加。 【2】氮源 可选用玉米浆、花生饼粉、精制棉籽 饼粉或麸皮，并且补加无机氮源。 【3】前体 苯乙酸或苯乙酰胺，由于它们对青霉 素有一定的毒性，故一次加入量不能大于 0.1%， 并采用多次加入的方式。 【4】无机盐 包括硫、磷、钙、镁、钾等盐类。 铁离子对青霉菌有毒害作用，应严格控制发酵液中 铁的含量在 30 微克每毫升以下。 【生产种子】球状菌的生产种子是由冷冻管子孢子经混有 O. 5% -1. 0 %玉米浆的三 角瓶培养原始亲米孢子, 然后再移人罗氏瓶培养生产大米抱子 (又称生产米), 亲米和 生产米均为 25 °C 静置培养, 需经常观察生长发育情况在培养到 3-4 天, 大米表面 长出明显小集落时要振摇均匀, 使菌丝在大米表面能均匀生长, 待 10 天左右形成绿 色孢子即可收获。亲米成熟接人生产米后也要经过激烈振荡才可放置恒温培养, 生 产米的孢子量要求每粒米 300 万只以上 【加糖控制】加糖量的控制是根据残糖量及发酵过程中的 pH 值确定 , 最好是根据 排气中 CO2 量及 O2 量来控制, 一般在残糖降至 0.6% 左右, pH 值上升时开始加糖 【补氮及加前体】补氮是指加 硫酸铵、氨水或尿素, 使发酵液 氨氮控制在 O. 01%-0.05%,补前 体以使发酵液中残存苯乙酰胺 浓度为 0.05%-0.08% 。 【pH】值控制 对 pH 值的要求 视不同菌种而异, 一般为 pH 6.4- 6.8, 可以补加葡萄 糖来控制。 目前一般采用加酸或加碱控制 pH 值 【泡沫的控制】 在发酵过程中
大量泡 沫,可以 天然油 用 如豆油 等或用 化学合成 消泡剂 泡敌”来 溜字R其用量并要少量多次加入,其在发酵的期不宜多用,否则会影响菌 【发酵液质量控制】生产上按规定时间从发酵罐中取样,用显微镜观察菌丝形态变 化来控制发酵 惯称"镜 镜检”中菌丝形变化和代谢变化的其他指 燕时废变罐 体等各种措施来 质量控制 显微镜观 和代谢变化的其他指标调节发酵温 加糖或补 等各种措施来延长发酵 个连天别星细否值禽袭 提纯时过滤 和胶状杂质增多并使发酵液变蒙点稠增加 镜检"判断,在自溶期即将来临之际,迅速停 止发酵,立刻放罐,将发酵液迅速送往提炼工段 生活中的发酵产品 【】目前我国各地都有腐乳的生产,它们然由于大小不一,配料 不同,品种名称繁多,但制作原理大都相同。首先将大豆制成豆腐,然后压坯划成 小块,摆在木盒中即可接上蛋白酶活力很 着便进入发酵 最后根据 要求加以红 酶、酵母菌 的独特风味就是在发酵贮藏过程中所形成 L在这期间微生物分泌出各种酶,促 豆腐坯中的蛋白质分解成营养价值高的氨 酸和二些风味物质。有些 酸本身就有 味,腐乳在发 也促使豆腐 粉转化成酒精 和曲乳广使基一坯辅带构 成分,从而 着在菌皮 慢慢地渗入到豆腐坯的内部,逐渐将蛋白质分 解,大约经过三个月至 时间,松酥细腻的腐乳就做好了,滋味也变得质地细 【酱油】酱油用的原料是植物性蛋白质和淀粉质,植物性蛋白质便取自 麥旱饺谀豆勢呈痰毙觜斥艱皮包犇栾和錱杲代: 来翻毒南; 料经蒸熟冷却,接入 中味的形成是利用这些酶的作用。如蛋白酶 及肽酶将蛋白质 胺变成具有鲜 甜味;果胶酶 素酶和半纤维素酶等能将细 水解等更 过 时,在制曲及发酵过程中 人空气中落入的酵母和细菌也进行繁 界…雷智黩蹭閣袭被盛化轰黑蒹及扮鑾牍蔗汆解萄 禁星花委粑薷产生珠生 鲜艳有光泽的红褐色 酵期间的 列极 甜味、酸味、酒香、酯香与盐水的咸味相混 和,最后形成色香味和风味独特的酱油
4 产生大量泡沫, 可以用天然油脂, 如豆油、玉米油等或用化学合成消泡剂 " 泡敌 " 来 消泡, 应当控制其用量并要少量多次加入, 尤其在发酵前期不宜多用, 否则会影响菌 体的呼吸代谢 【发酵液质量控制】生产上按规定时间从发酵罐中取样 , 用显微镜观察菌丝形态变 化来控制发酵。生产上惯称" 镜检 ",根据" 镜检 "中菌丝形变化和代谢变化的其他指 标调节发酵温度, 通过追加糖或补加前体等各种措施来延长发酵时间,质量控制 生产 上按规定时间从发酵罐中取样 , 用显微镜观察菌丝形态变化来控制发酵。生产上惯 称" 镜检 ",根据" 镜检 "中菌丝形变化和代谢变化的其他指标调节发酵温度, 通过追 加糖或补加前体等各种措施来延长发酵时间, 以获得最多青霉素。当菌丝中空泡扩 大、增多及延伸, 并出现个别自溶细胞, 这表示菌丝趋向衰老, 青霉素分泌逐渐停止, 菌丝形态上即将进入自溶期, 在此时期由于茵丝自溶, 游离氨释放, pH 值上升, 导致 青霉素产量下降, 使色素、溶解和胶状杂质增多, 并使发酵液变蒙古稠, 增加下一步 提纯时过滤的困难。因此, 生产上根据" 镜检 "判断, 在自溶期即将来临之际, 迅速停 止发酵, 立刻放罐, 将发酵液迅速送往提炼工段。 生活中的发酵产品 【腐乳】目前我国各地都有腐乳的生产，它们虽然由于大小不一，配料 不同，品种名称繁多，但制作原理大都相同。首先将大豆制成豆腐，然后压坯划成 小块，摆在木盒中即可接上蛋白酶活力很 强 的根霉或毛霉菌的菌种，接着便进入发酵 和 腌坯期。最后根据不同品种的要求加以红 曲 酶、酵母菌、米曲霉等进行密封贮藏。腐 乳 的独特风味就是在发酵贮藏过程中所形成。 广 式腐乳在这期间微生物分泌出各种酶，促 使 豆腐坯中的蛋白质分解成营养价值高的氨 基 酸和一些风味物质。有些氨基酸本身就有 一 定的鲜味，腐乳在发酵过程中也促使豆腐 坯 中的淀粉转化成酒精和有机酸，同时还有 辅 料中的酒及香料也参与作用，共同生成了 带 有香味的酯类及其他一些风味成分，从而 构 成了腐乳所特有的风味。腐乳在制作过程 中 发酵，蛋白酶和附着在菌皮上的细菌慢慢地渗入到豆腐坯的内部，逐渐将蛋白质分 解，大约经过三个月至半年的时间，松酥细腻的腐乳就做好了，滋味也变得质地细 腻、鲜美适口。 【酱油】酱油用的原料是植物性蛋白质和淀粉质。植物性蛋白质便取自 大豆榨油后的豆饼，或溶剂浸出油脂后的豆粕，也有以花生饼、蚕豆代用，传统生 产中以大豆为主;淀粉质原料普遍采用小麦及麸皮，也有以碎米和玉米代用，传统 生产中以面粉为主。原料经蒸熟冷却，接入纯 粹培养的米曲霉菌种制成酱曲，酱曲移入发酵 池，加盐酱油制作水发酵，待酱醅成熟后，以 浸出法提取酱油。制曲的目的是使米曲霉在曲 料上充分生长发育，并大量产生和积蓄所需要 的酶，如蛋白酶、肽酶、淀粉酶、谷氨酰胺酶、 果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等。在发酵过 程中味的形成是利用这些酶的作用。如蛋白酶 及肽酶将蛋白质水解为氨基酸，产生鲜味;谷 氨酰胺酶把万分中无味的谷氨酰胺变成具有鲜 味的俗谷氨酸;淀粉酶将淀份水解成糖，产生 甜味;果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶等能将细胞壁完全破裂，使蛋白酶和淀粉酶 水解等更彻底。同时，在制曲及发酵过程中，从空气中落入的酵母和细菌也进行繁 殖并分泌多种酶。也可添加纯粹培养的乳酸菌和酵母菌。由乳酸菌产生适量乳酸， 由酵母菌发酵生产乙醇，以及由原料成分、曲霉的代谢产物等所生产的醇、酸、醛、 酯、酚、缩醛和呋喃酮等多种成分，虽多属微量，但却能构成酱油复杂的香气。此 外，由原料蛋白质中的酪氨酸经氧化生成黑色素及淀份经典霉淀粉酶水解为葡萄糖 与氨基酸反应生成类黑素，使酱油产生鲜艳有光泽的红褐色。发酵期间的一系列极 其复杂的生物化学变化所产生的鲜味、甜味、酸味、酒香、酯香与盐水的咸味相混 和，最后形成色香味和风味独特的酱油
【泡菜】 泡菜主要是靠乳酸菌的发酵生成大量乳酸而不是靠盐的渗透压 微生物的。泡菜使用低浓度的盐水,或用少量食盐麥腌渍各种鲜嫩的蔬 橐抑薇嫠醇 浚味的腌制品 要乳酸 气,就可以达到久贮的目的。泡菜中的食盐含量为2%到 泡菜古称蕤,是指为了利于长时间存放而经过发酵的蔬菜。一般来说,只要是 纤维丰富的蔬菜或水果,都可以被制成泡菜 像是卷心菜、大白菜、红萝卜、白萝卜、大蒜 青葱、小黄瓜、洋葱、高丽菜等。蔬菜在经过 腌渍及调味之后,有种特殊的风味, 见的配菜食用。所以现代人在食 而有异。已制妥的泡菜有丰富的乳酸菌 【酒】 白酒特指中国白酒,是世界蒸馏酒中独具一格的一个品类。白酒是 液邊明,設祢洒米闋爨桌烧他空摩,锼咸愍洒种籍所 凝翻文奇劈鸟夜器发含奔曲覆摆雷罘词曹酒雰夯关:曲 主要包含毛霉菌、根霉菌和 为酒精。小曲发热 金中化 量低,适于南 多名 酒产 北方或夏 爽的川贵,多是大曲酒。根据配方口味主要分为四大香型,细致分来则有十二种之 小结 研究应角领域必将进一步扩大。发酵个程将茬大文萌进程麦挥不可替代的重 罘褽生務段芑在郛蓊蓊生錄畫额鷟箬李呈茬薯檳榮:繼 更高效的技术,在发酵工业生产方面仍有广阔的天地等着我们去探索
5 【泡菜】泡菜主要是靠乳酸菌的发酵生成大量乳酸而不是靠盐的渗透压 来抑制腐败微生物的。泡菜使用低浓度的盐水，或用少量食盐来腌渍各种鲜嫩的蔬 菜，再经乳酸菌发酵，制成一种带酸味的腌制品，只要乳酸含量达到一定的浓度， 并使产品隔绝空气，就可以达到久贮的目的。泡菜中的食盐含量为 2%到 4%，是 一种低盐食品。 泡菜古称葅，是指为了利于长时间存放而经[1]过发酵的蔬菜。一般来说，只要是 纤维丰富的蔬菜或水果，都可以被制成泡菜; 像是卷心菜、大白菜、红萝卜、白萝卜、大蒜、 青葱、小黄瓜、洋葱、高丽菜等。蔬菜在经过 腌渍及调味之后，有种特殊的风味，许多人会 当作是一种常见的配菜食用。所以现代人在食 材取得无虞的生活环境中，还是会制做泡菜。 世界各地都有泡菜的影子，风味也因各地做法 不同而有异。已制妥的泡菜有丰富的乳酸菌， 可帮助消化。 【酒】白酒特指中国白酒，是世界蒸馏酒中独具一格的一个品类。白酒是 由麦子、高粱、玉米、红薯、米糠等粮食或其他果品发酵、蒸馏而成的一种饮料， 其酒液无色透明，故称为白酒。因主要采用烧（蒸）工序，所以也叫烧酒。根据所 用糖化、发酵剂和酿造工艺的不同，可分为大曲酒、小曲酒、麸曲酒三大类，其中 麸曲酒又可分为固态发酵酒与液态发酵酒两种。根据曲种不同，白酒分为“大曲酒”、 “小曲酒”、“麸曲酒”、“混曲酒”等。大曲块大，主要包含曲霉菌和酵母；小曲块小， 主要包含毛霉菌、根霉菌和酵母。霉菌将粮食中的淀粉分解成糖，酵母再将糖转化 为酒精。小曲发热量低，适于南方湿热气候。中国大多名酒产于北方或夏季气候凉 爽的川贵，多是大曲酒。根据配方口味主要分为四大香型，细致分来则有十二种之 多。小结 随着人类社会的不断进步和科技的不断发展，发酵工程也将迎来全新的发展机遇。 其研究及应用领域必将进一步扩大。发酵工程将在人类文明进程发挥不可替代的重 要作用。我们的生活不可离开发酵技术。目前的生物发酵技术已非常成熟，但这并 不代表生物技术已经止步于时代。新的生产要求更激励着科学工作者们不断地探索 更高效的技术，在发酵工业生产方面仍有广阔的天地等着我们去探索……
