发酵工业
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发布时间：2022-05-24 10:08
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时间：2023-10-10 11:48
提示：面包，馒头，酸奶，酒，酱油，醋，酱，泡菜，酸菜，腐乳，醪糟，奶酪等，是直接由微生物发酵产生的。
2.哪些食品中添加了经发酵生产的食品添加剂？
提示：喜蛋、糖果、饼干、果冻等添加了红曲色素，以调节色泽；果汁、饼干、面包、点心、方便面等添加了黄原胶，起悬浮、稳定、增稠、改善口感、防止粘牙、延长储存期等作用；各类罐头，包括蔬菜、水果、蘑菇、鱼类、肉类、蛋类罐头，香肠，包装奶等添加了乳链杆菌肽，以保鲜、防腐，降低杀菌强度，保存营养和改善口感等；各种果汁、啤酒和饮料中均需使用柠檬酸或乳酸作为酸味剂调节口味、口感；饭店、食堂和家庭制作的菜肴中常加味精或肌苷，以增加鲜味。可以说市场上出售的各类食品均加有各种食品添加剂，其中约70%～80%的食品添加剂是用发酵法，或发酵产生的酶，加工生产的。
（三）旁栏思考题
抗生素、氨基酸、酶制剂等产品为什么能通过微生物发酵来生产？这与微生物的生长和代谢特点有什么关系？
提示：自然界中的微生物能够从它生存的环境中吸取营养物和能量，进行物质的合成与代谢，进行繁衍，这一切生命活动几乎都是由酶催化的生物反应完成的。因此，在微生物细胞中存在能够催化各种反应的酶。我们可以从中筛选出能够产生某种酶较多的微生物，利用该微生物的代谢活动，获得某种产品。
自然界中存在的某些微生物因适应不同的环境，或因自身生存的需要而具备产生某种物质的能力，如某些微生物因争夺生存环境或营养物，会产生抗生素将其他种类的微生物杀死；微生物为将环境中的蛋白质、纤维素、淀粉等大分子变成可吸收的营养物，会产生蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶，将其水解成可吸收的小分子的多肽或氨基酸、葡萄糖；另外，微生物从环境中能够得到的营养物的种类必定有限，不能够满足需要，因此，微生物细胞会通过合成或分解代谢生产它必需的一些物质，包括氨基酸、核苷酸等等。这一切都是为满足微生物生存和繁殖的需要，人们就可以利用微生物的这种生产能力，生产各种有用的产品，如抗生素、氨基酸、酶等。
（四）到社会中去
1.调查食品店中或超市中有哪些发酵食品，列举出五种并说明其原料、使用的菌种、发酵的类型（需氧或厌氧发酵）及发酵前后的营养成分有哪些变化？
提示：酒类：包括果酒、啤酒、白酒及其他酒均是利用酿酒酵母，在厌氧条件下进行发酵，将葡萄糖转化为酒精生产的。白酒经过蒸馏，因此酒的主要成分是水和酒精，以及一些加热后易挥发物质，如各种酯类、其他醇类和少量低碳醛酮类化合物。果酒和啤酒是非蒸馏酒，发酵时酵母将果汁中或发酵液中的葡萄糖，转化为酒精，而其他营养成分会部分被酵母利用，产生一些代谢产物，如氨基酸、维生素等，也会进入发酵的酒液中。因此，果酒和啤酒营养价值较高。
醋：食品店或超市出售的醋中，除了白醋是由化学合成的食品级醋酸勾兑的外，其他的则是由醋酸菌在好氧条件下发酵，将固体发酵产生的酒精转化为醋酸生产的。由于使用的微生物菌种或曲种的差异，在葡萄糖发酵过程中会产生乳酸或其他有机酸，因而使醋有不同的风味。
酱油：酱油生产以大豆为主要原料，其他有麦麸、小麦、玉米等，将上述原料经粉碎制成固体培养基，在好氧条件下，利用产生蛋白酶的霉菌，如黑曲霉进行发酵。微生物在生长过程中会产生大量的蛋白酶，将培养基中的蛋白质水解成小分子的肽和氨基酸，然后淋洗、调制成酱油产品。酱油富含氨基酸和肽，具有特殊香味。
酱：以大豆和少量面粉为原料，蒸煮后在空气中自然发酵。发酵过程主要是能够产生蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的霉菌，将大豆中的蛋白质、脂肪、淀粉分解，产生出氨基酸、多肽、甘油、脂肪酸等多种物质。这些物质使酱具有独特的酱香味。
酸奶：牛奶在厌氧条件下，由乳酸菌发酵，将乳糖分解，并进一步发酵产生乳酸和其他有机酸，以及一些芳香物质和维生素等；同时蛋白质也部分水解。因此，酸奶是营养丰富、易消化，少含乳糖，是适合于有乳糖不适应症者的优良食品。
醪糟：又称酒酿，是大米经蒸煮后，接种根霉，在好氧条件下，发酵生产的含低浓度酒精和不同糖分的食品。根霉在生长时会产生大量的淀粉酶，将大米中的淀粉水解成葡萄糖，同时利用部分葡萄糖发酵产生酒精。由于使用的根霉菌种不同，可以生产不同酒精度、不同甜度和不同香味的醪糟。
面包：现在的面包均是利用活性干酵母（面包酵母）经活化后，与面粉混合发酵，再加入各种添加剂，经烤制生产的。面粉发酵后淀粉结构发生改变，变得易于消化、营养易于吸收。
馒头：以前做馒头的面粉是经自然发酵后蒸制的，如果连续使用面肥发酵，经几代发酵，微生物会因生长优势而单一化。发酵的菌种一般多为乳酸菌。因为发酵产酸，在蒸制前要用碱中和酸，制得的馒头才松软适口、带有特殊香味。现在，大批量生产是采用干酵母发酵，所以不产酸，不需要再用碱中和即可蒸制。
泡菜和腐乳：请参看《生物技术实践》的专题2的课题1和2。
酸菜：与泡菜类似。
2.当地是否有从事发酵生产的企业？如果有，请进行以下调查活动。
（1）找当地的*管理部门咨询，了解这些企业的年产值是多少？占当地（市/县）国民生产总值的比例是多少？这些企业提供了多少就业岗位？
（2）你的亲戚、朋友之中，是否有正在从事食品发酵工业生产的？如果有，找他们咨询以下问题：本行业目前的产品主要供应哪些市场？经济效益如何？本行业目前遇到的主要困难是什么？这是否对发酵技术提出更高的要求？
提示：与发酵有关的企业包括：
制药业：抗生素、氨基酸、维生素的生产厂家；
食品业：醋、酱油、酱、酒等的生产厂家；
轻工业：柠檬酸、乳酸、味精、肌苷酸、干酵母、色素、黄原胶、甘油等的生产厂家；
化工业：酒精、丙酮、丁醇、衣康酸、丙烯酰胺和聚丙烯酰胺等的生产厂家；
饲料业：饲料添加剂的生产厂家；
农药业：农用抗生素、微生物肥料、微生物农药等的生产厂家。
五、参考资料
1.利用微生物发酵可以生产哪些产品？
利用微生物发酵生产的产品包括：
酒类，如果酒（葡萄酒等）、米酒、白酒等；
有机溶剂，如乙醇、丙酮、丁醇、甘油；
有机酸，如醋酸、乳酸、葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、衣康酸、长链二元酸（以十三到十八碳的直链烷烃为原料的发酵产品）；
氨基酸，如谷氨酸（单谷氨酸钠又称味精）、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、丝氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苏氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸等；
核苷酸及其类似物，如鸟嘌呤核苷酸（5’-GMP）、肌苷酸（5’-IMP）、腺嘌呤核苷酸（5’-AMP）、黄嘌呤核苷酸（5’-XMP）等；
抗生素，包括疾病治疗的药用抗生素，农业和畜牧业用于防病抗病的抗生素，如青霉素、头孢霉素、链霉素、四环素、土霉素、红霉素、稻瘟素、井岗霉素、春日霉素等等；
多糖，如黄原胶、普鲁兰等；
酶，如碱性蛋白酶（洗涤剂）、中性蛋白酶（洗涤剂等）、脂肪酶（洗涤剂）、α-淀粉酶（淀粉水解）、葡萄糖淀粉酶（葡萄糖生产）、葡萄糖异构酶（高果糖糖浆生产）、纤维素酶（纤维素水解、纺织品加工）、果胶酶（食品、水果加工等）、凝乳酶（奶酪制造）、青霉素酰化酶（青霉素母核生产）、天冬氨酸酶（L�天冬氨酸制造）、延胡索酸酶（L�苹果酸制造）、葡萄糖氧化酶（检验葡萄糖）、乳酸脱氢酶（临床检验）、链激酶（治疗血栓）等等，目前世界上有100多种酶用微生物发酵生产，应用于不同领域。
2.如何选育菌种？
为了获得适合大规模工业生产所需的优良生产菌种，一般首先是从自然界分离筛选具有产生目标产物能力的菌种，但这样获得的菌种的生产能力往往较低，生理生化特性不一定能满足生产要求，还需要进行大量的诱变选育，进一步提高其生产能力，改善性能；也可以对现有的生产菌种进行改造，即经诱变育种，选育出符合实际生产需要的菌株。
自然界中微生物资源异常丰富，土壤、水、空气、*的动植物残骸，都是微生物的主要集居和生长繁衍的场所。其种类之多，至今仍然是一个难于估测的未知数。以其集居环境（包括特殊和极端环境）、营养类型、生存方式、生理类型、代谢途径、合成能力等比较，均居生物界之冠。因此，微生物资源的开发和应用是当今世界瞩目的重大课题。
菌种的分离，不仅是把混杂的各类微生物有效地分开，得到纯种，更重要的是依着生产实际的要求，有的放矢、快速、准确地将能产生所需产物，或具有某种生化反应性能的菌种，从大量的微生物中挑选出来。有时是设计一种在分离阶段便能识别所需菌种的方法，更多的是利用特定的方法分离，获得所需菌种后，再进行识别。为了使获得的菌种能满足工业生产的需要，须考虑各种性能指标。因此，菌种分离和筛选的方法和策略就十分重要。
一般的菌种分离纯化和筛选步骤可分为采样、增殖与分离、发酵与性能测定等几个步骤。步骤和方法如下图所示：
3.发酵培养基如何配制？
首先需了解微生物需要的营养物质。
（1）微生物需要的营养物质
营养物质应满足微生物的生长、繁殖和完成各种生理活动的需要。它们的作用可概括为形成结构（参与细胞组成）、提供能量和调节作用（构成酶的活性和物质运输系统）。
微生物的营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮源、无机盐、生长因子和能源。
① 水
水是微生物的重要组成部分，在代谢中占有重要地位。水在细胞中有两种存在形式：结合水和游离水。结合水与溶质或其他分子结合在一起，很难加以利用。游离水（或称为非结合水）则可以被微生物利用。
② 碳源
碳在细胞的干物质中约占50%，所以微生物对碳的需求最大。凡是作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，称为碳源。
作为微生物营养的碳源物质种类很多，从简单的无机物（CO2、碳酸盐）到复杂的有机含碳化合物（糖、糖的衍生物、脂类、醇类、有机酸、芳香化合物及各种含碳化合物等）。但不同微生物利用碳源的能力不同，假单孢菌属可利用90种以上的碳源，甲烷氧化菌仅利用两种有机物：甲烷和甲醇，某些纤维素分解菌只能利用纤维素。
大多数微生物是异养型，以有机化合物为碳源。能够利用的碳源种类很多，其中糖类是最好的碳源。
异养微生物将碳源在体内经一系列复杂的化学反应，最终用于构成细胞物质，或为机体提供生理活动所需的能量。所以，碳源往往也是能源物质。
自养菌以CO2、碳酸盐为唯一或主要的碳源。CO2是被彻底氧化的物质，其转化成细胞成分是一个还原过程。因此，这类微生物同时需要从光或其他无机物氧化获得能量。这类微生物的碳源和能源分别属于不同物质。
③ 氮源
凡是构成微生物细胞的物质或代谢产物中氮元素来源的营养物质，称为氮源。细胞干物质中氮的含量仅次于碳和氧。氮是组成核酸和蛋白质的重要元素，氮对微生物的生长发育有着重要作用。从分子态的N2到复杂的含氮化合物都能够被不同微生物所利用，而不同类型的微生物能够利用的氮源差异较大。
固氮微生物能利用分子态N2合成自己需要的氨基酸和蛋白质，也能利用无机氮和有机氮化物，但在这种情况下，它们便失去了固氮能力。此外，有些光合细菌、蓝藻和真菌也有固氮作用。
许多腐生细菌和动植物的病原菌不能固氮，一般利用铵盐或其他含氮盐作氮源。*盐必须先还原为NH+4后，才能用于生物合成。以无机氮化物为唯一氮源的微生物都能利用铵盐，但它们并不都能利用*盐。
有机氮源有蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、玉米浆等，工业上能够用黄豆饼粉、花生饼粉和鱼粉等作为氮源。有机氮源中的氮往往是蛋白质或其降解产物。
氮源一般只提供合成细胞质和细胞中其他结构的原料，不作为能源。只有少数细菌，如硝化细菌利用铵盐、*盐作氮源和能源。
④ 无机盐
无机盐也是微生物生长所不可缺少的营养物质。其主要功能是：① 构成细胞的组成成分；② 作为酶的组成成分；③ 维持酶的活性；④ 调节细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位；⑤ 作为某些自氧菌的能源。
磷、硫、钾、钠、钙、镁等盐参与细胞结构组成，并与能量转移、细胞透性调节功能有关。微生物对它们的需求量较大（10-4～10-3 mol/L），称为“宏量元素”。没有它们，微生物就无法生长。铁、锰、铜、钴、锌、钼等盐一般是酶的辅因子，需求量不大（10-8～10-6 mol/L），所以，称为“微量元素”。不同微生物对以上各种元素的需求量各不相同。铁元素介于宏量和微量元素之间。
在配制培养基时，可通过添加有关化学试剂来补充宏量元素，其中首选是K2HPO4和MgSO4，它们可提供需要量很大的元素：K、P、S和Mg。微量元素在一些化学试剂、天然水和天然培养基组分中都以杂质等状态存在，在玻璃器皿等实验用品上也有少量存在，所以，不必另行加入。
⑤ 生长因子
一些异养型微生物在一般碳源、氮源和无机盐的培养基中培养不能生长或生长较差。当在培养基中加入某些组织（或细胞）提取液时，这些微生物就生长良好，说明这些组织或细胞中含有这些微生物生长所必须的营养因子，这些因子称为生长因子。
生长因子可定义为：某些微生物本身不能从普通的碳源、氮源合成，需要额外少量加入才能满足需要的有机物质，包括氨基酸、维生素、嘌呤、嘧啶及其衍生物，有时也包括一些脂肪酸及其他膜成分%A
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时间：2023-10-10 11:49
