【正文】 食品發(fā)酵工藝學(xué) 第一章 緒論 一、食品發(fā)酵與釀造的歷史 Leeuwenhoek Antoni Van ( 16321723 )： 成功制造了世界上第一臺顯微鏡， 并在人 列文虎克 類歷史上第一次通過顯微鏡發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞生命體 微生物。 2. 巴斯德 巴斯德（ Louis Pasteur,1822~1895）巴斯德的主要貢獻(xiàn) 巴斯德的主要貢獻(xiàn)：發(fā)明了巴斯德滅菌法。 1861 年， 巴斯德的主要貢獻(xiàn) 巴斯德實(shí)驗(yàn)，結(jié)束了綿延 100 多年的爭論，把自然發(fā)生論趕出了科學(xué)界。 1865 年，巴斯 德 受農(nóng)業(yè)部長的重托， 解決了法國南部蠶業(yè)上遇到的疾病使蠶大量死亡的難題。 發(fā)明了狂犬病 疫苗，他還指出這種病原物是某種可以通過細(xì)菌濾器的 “過濾性的超微生物 ” 。 科赫（ Koch, Robert 1843~1910）科赫的主要貢獻(xiàn)： 1881 年后，創(chuàng)用了固體培養(yǎng)基劃線分 科赫 離純種法。建立了單種微生物的分離和純培養(yǎng)技術(shù)。 1882 年 3 月 24 日科赫在德國柏林生理 學(xué)會上宣布了結(jié)核菌是結(jié)核病的病原菌。單種微生物分離和純培養(yǎng)技術(shù)的建立，是食品發(fā) 單種微生物分離和純培養(yǎng)技術(shù)的建立， 單種微生物 分離和純培養(yǎng)技術(shù)的建立 酵與釀造技術(shù)的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn) 第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 酵與釀造技術(shù)的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 4. 20 世紀(jì) 40 年代，好氣性發(fā)酵工程技術(shù)成為發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 年代，好氣性發(fā)酵工程技術(shù)成為發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 5. 人工誘變育種技術(shù)和代謝調(diào)控發(fā)酵工程技術(shù)成為發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 人工誘變育種技術(shù)和代謝調(diào)控發(fā)酵工程技術(shù)成為發(fā)酵與釀造技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 6． 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的 DNA 重組技術(shù)，又大大推動了發(fā)酵與釀造技術(shù)的發(fā)展。 重 組技術(shù)，又大大推動了發(fā)酵與釀造技術(shù)的發(fā)展。 ． 二、食品發(fā)酵與釀造的特點(diǎn)以及與現(xiàn)代生物技術(shù)的關(guān)系 （一）食品發(fā)酵與釀造的特點(diǎn) 發(fā)酵： 泛指利用微生物制造工業(yè)原料和工業(yè)產(chǎn)品的過程。 通常所說的發(fā)酵指生物或離體的酶， 發(fā)酵： 不徹底地分解代謝有機(jī)物，并釋放出能量的過程。 釀造： 釀造：是我國勞動人民對一些特定產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的一種稱謂，通常把成分復(fù)雜、風(fēng)味要 求較高，諸如黃酒、白酒、啤酒、葡萄酒等酒類以及醬油、醬、食醋、腐乳、豆豉、醬腌菜 等食佐餐調(diào)味品的生產(chǎn)稱謂釀造。 釀造與發(fā)酵的區(qū)別： 釀造與發(fā)酵的 區(qū)別：利用生物體或生物體長生的酶進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。與化學(xué)工業(yè)相比，發(fā)酵 與釀造工業(yè)的特點(diǎn)：安全、簡單；原料廣泛；反應(yīng)專一；代謝多樣；易受污染；菌種選育 發(fā)酵技術(shù)的兩個(gè)核心：生物催化劑、生物反應(yīng)系統(tǒng) 發(fā)酵技術(shù)的兩個(gè)核心：生物催化劑 生物反應(yīng)系統(tǒng) 菌種選育、 第二章 菌種選育、保藏與復(fù)壯 菌種選育的方法有 自然選育、誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程。 的方法有： 菌種選育的方法有：自然選育、誘變育種、雜交育種、原生質(zhì)體融合、基因工程。 一、微生物菌種選育的理論基礎(chǔ) 微生物的遺傳性和變異性的特點(diǎn)： a、微 生物由于繁殖速度快、生活周期短； b、微生物由于 個(gè)體微小，比表面積大，大多以單細(xì)胞或極少分化的多細(xì)胞存在； c、微生物大多以無性生 殖為主，且營養(yǎng)體多數(shù)為單倍體。 誘變育種： 誘變育種：人為地將對象生物置于誘變因子中，使該生物體發(fā)生突變，從這些突變體中篩選 具有優(yōu)良性狀的突變株的過程。 （一）突變：微生物的遺傳物質(zhì)存在于變動著得的環(huán)境中，染色體上的遺傳信息以及染色體 組受到環(huán)境的作用而改變， 這種改變或多或少是永久性的， 從生物表型上說是突然發(fā)生可遺 傳的變換，這種變化就稱為突變。自發(fā)突變：在自然狀況下發(fā)生 的突變，也稱自然突變。誘 發(fā)突變：人為地利用物理或化學(xué)因素誘發(fā)的突變。 （二）誘變的基本原理 誘變劑：用來處理微生物并能提高生物體突變頻率的這些物理或化學(xué)因素成為誘變因素， 誘變劑 又稱誘變劑。誘變劑有物理誘變因子（紫外線、Ｘ射線） 、化學(xué)誘變因子（亞硝基胍、亞硝 酸、亞硝基甲基胍）生物誘變因子（噬菌體） 2. 誘變劑作用機(jī)理 物理誘變因子誘變機(jī)理：快中子、 γ射線、 β射線產(chǎn)生電離輻射，而紫外線是不形成離子的 非電離輻射。 以紫外線為例， 紫外線照射后引起的ＤＮＡ結(jié)構(gòu)改變， ＤＮＡ強(qiáng)烈吸收紫 外線， 特別是堿基對，而嘧啶比嘌呤對紫外線更為敏感。紫外線引起ＤＮＡ結(jié)構(gòu)變化，是胞嘧啶和 尿嘧啶的水合作用以及二聚體形成。 菌種保藏的目的是在一定時(shí)間內(nèi)使菌種不死、不亂，以供研究、生產(chǎn)、交換使用?；? 原則：挑選優(yōu)良純種、典型菌種；盡量使用分生孢子，芽孢等休眠體；創(chuàng)造有利于休眠 分子的保藏環(huán)境；盡可能多的采用不同的手段保藏一些比較重要的微生物菌株。 菌種保藏的方法有： （一） 低溫保藏法： 冰箱保藏法 （斜面） 低溫４ ℃ ， ： 適用于各大類， 菌種保藏的方法有： 保藏４－６個(gè)月，簡單。冰箱保藏法（半固體 ） ：低溫４ ℃ ，避氧，適用于細(xì)菌酵母菌， 保藏時(shí)間為６－１２個(gè)月， 簡便 （二） 甘油懸液保藏法： 低溫－７０ ℃ ， 需要保護(hù)劑 （１ ５％－５０％甘油） ，適用于細(xì)菌、酵母菌約１０年，較簡便 （三）石蠟油低溫保藏法： 低溫４ ℃ ，阻氧，適用于各大類，保藏時(shí)間約１－２年，簡便 （四）干燥保藏 沙土管 法：干燥無營養(yǎng)產(chǎn)孢子的微生物保藏時(shí)間約為１０年，簡便有效。 （五）甘油管保藏法 （六）真空冷凍干燥法：干燥低溫，無氧有保護(hù)劑，適用于各大類，保藏時(shí)間大于５－ １０年，但繁而高效。 （七）液氮超低溫保存：超低 溫 —１９６ ℃ ，有保護(hù)劑，適用于 各大類，保藏時(shí)間大于１５年，繁而有效。 第三章 微生物的代謝調(diào)控理論及其在食品發(fā)酵與釀造中的應(yīng)用 代謝調(diào)節(jié) :是生物在長期進(jìn)化過程中，為適應(yīng)外界條件而形成的一種復(fù)雜的生理機(jī)能。通過 代謝調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)作用細(xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)及能量代謝得到協(xié)調(diào)和統(tǒng)一， 使生物體能更好地利用環(huán)境條件來 完成復(fù)雜的生命活動。 二、代謝調(diào)控的方式 通道調(diào)節(jié)； （ 1）調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力 通道調(diào)節(jié)； ）調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力 通道調(diào)節(jié) 通量調(diào)節(jié)； （ 2）調(diào)節(jié)代謝流 通 量調(diào)節(jié)； ）調(diào)節(jié)代謝流 通量調(diào)節(jié) 限制其基質(zhì)有形接近。 （ 3）通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近 限制其基質(zhì)有形接近。 ）通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近 限制其基質(zhì)有形接近 三、與代謝調(diào)節(jié)有關(guān)的酶 （一）同工酶 同工酶：又稱同功酶，是指催化相同生化反應(yīng)，但酶蛋白分子結(jié)構(gòu)有差異的一類酶。 同工酶 別構(gòu)酶： （二）別構(gòu)酶：具有別構(gòu)作用（或變構(gòu)作用）的酶。其分子有活性中心和別構(gòu)中心，往往是 具有四級結(jié)構(gòu)的多亞基的寡聚酶。 多功能酶： （三）多功能酶：分子組成只有一條多肽鏈，但具有兩種或兩 種以上催化活力的酶。 一個(gè)終產(chǎn)物的過量， 在使共同途徑第一步反應(yīng)受到部分抑制的同時(shí)， 分支途徑第一步反應(yīng)也 受到抑制，使代謝沿著其他分支進(jìn)行。因此，一個(gè)產(chǎn)物的過量不致干擾其他產(chǎn)物的生成。 第二節(jié) 微生物代謝的協(xié)調(diào)作用 （ 1）酶活性的激活：指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促 ）酶活性的激活： 進(jìn)。 （ 2）酶活性的抑制：主要是反饋抑制。 酶活性的抑制：主要是反饋抑制。 反饋抑制： 反饋抑制：某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過來直接抑 制該途徑中第一個(gè)酶的活性，促使整 個(gè)反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免了末端產(chǎn)物 的過多累積。 反饋?zhàn)瓒簦? 反饋?zhàn)瓒簦菏侵敢种泼傅男纬墒怯赏緩浇K點(diǎn)產(chǎn)物或其衍生物執(zhí)行的。即當(dāng)代謝的， 它就會終產(chǎn)物大量存在并達(dá)到一定濃度時(shí)，它就會同細(xì)胞中早已存在的阻遏物結(jié)合 起來共同發(fā)揮作用 （ 3）反饋抑制的類型 ① 直線式代謝途徑中的反饋抑制 ② 分支代謝途徑中的反饋抑制。書上 P63 協(xié)同反饋抑制： （ 1） ） 協(xié)同反饋抑制： 指分支代謝途徑中的幾個(gè)末端產(chǎn)物同時(shí)過量時(shí)才能抑制共同途徑中的 第一個(gè)酶的一種反饋調(diào)節(jié)方式。 （ 2）合作反饋抑制： 指兩種末端產(chǎn)物 同時(shí)存在時(shí)，可以起著比一種末端產(chǎn)物大得多的反饋 ）合作反饋抑制： 抑制作用。 累積反饋抑制： （ 3） ） 累積反饋抑制：每一分支途徑的末端產(chǎn)物按一定百分率單獨(dú)抑制共同途徑中前面的酶， 所以當(dāng)幾種末端產(chǎn)物共同存在時(shí)，它們的抑制作用是累積的。 （ 4）順序反饋抑制：當(dāng) E 過多時(shí)，可抑制 C→D ，這時(shí)由于 C 的濃度過大而促使反應(yīng)向 F 順序反饋抑制： G 方向進(jìn)行，結(jié)果又造成了另一末端產(chǎn)物 G 濃度的增高。由于 G 過多就抑制了 C→F ，結(jié)果 造成 C 的濃度進(jìn)一步增高。 過多又對 A→B 間的酶發(fā)生抑制， C 從而達(dá)到了反饋抑制的效果。 這種通過逐步有順序的方式達(dá)到的調(diào)節(jié)，稱為順序反饋抑制。 酶合成的調(diào)節(jié)是一種通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制， 這是一種在基因水 平上（在原核生物中主要在轉(zhuǎn)錄水平上）的代謝調(diào)節(jié)。 凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。 凡能促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱為誘導(dǎo)。能阻礙酶生物合成的現(xiàn)象，則稱為阻遏。 分解代謝物阻遏的典型實(shí)例：葡萄糖效應(yīng)。葡萄糖效應(yīng) 葡萄糖效應(yīng)（ ：又稱葡萄糖阻遏 分解代謝物阻遏的典型實(shí)例：葡萄糖效應(yīng) 葡萄糖效應(yīng)（ glucose effect） ） ： 或分解代謝產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源 ,其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶 體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。 （二）酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制 操縱子是在轉(zhuǎn)錄水平上控制基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由調(diào)節(jié)基因（ R） 啟動子（ P） 操縱 、啟動子 、操縱 操縱子是 ，由調(diào)節(jié)基因（ ） 啟動子（ ） 、 、 基因（ ）和在功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因 (S)組成 調(diào)節(jié)基因 :用于編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因。 基因（ O）和在功能上相關(guān)的幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因 組成 ； 調(diào)節(jié)基因 啟動基因 :是一種能被依賴于 DNA 的 RNA 聚合酶所識別的堿基順序，它既是 RNA 多聚酶的 啟動基因 結(jié)合部位，也是轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)； 操縱基因 ；操縱基因是位于啟動基因和結(jié)構(gòu)基因之間的一段堿基順序， 能與阻遏物（一種調(diào)節(jié)蛋白）相結(jié)合，以此來決定結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄是否能進(jìn)行； 結(jié)構(gòu)基因則 結(jié)構(gòu)基因則 是決定某一多肽的 DNA 模板，可根據(jù)其上的堿基順序轉(zhuǎn)錄出對應(yīng)的 mRNA，然后再可通過 核糖體而轉(zhuǎn)譯出相應(yīng)的酶。一個(gè)操縱子的轉(zhuǎn)錄，就合成了一個(gè) mRNA 分子。 調(diào)節(jié)蛋白 蛋白是一類變構(gòu)蛋白，它有兩個(gè)特殊位點(diǎn)，其一可與操縱基因結(jié)合，另一位 點(diǎn)則可與效 調(diào)節(jié)蛋白 應(yīng)物相結(jié)合。當(dāng)調(diào)節(jié)蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后，就發(fā)生變構(gòu)作用。有的調(diào)節(jié)蛋白在其變構(gòu)后可提 高與操縱基因的結(jié)合能力，有的則會降低其結(jié)合能力。 調(diào)節(jié)蛋白可分兩種，其一稱阻遏物 阻遏物，它能在沒有誘導(dǎo)物（效應(yīng)物的一種）時(shí)與操縱基因相結(jié) 阻遏物 合； 另一則稱阻遏物蛋白 阻遏物蛋白，它只能在輔阻遏物（效應(yīng)物的另一種）存在時(shí)才能與操縱基因相 阻遏物蛋白 結(jié)合。 三、能荷的調(diào)節(jié) 能荷的調(diào)節(jié)（ P65） 當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是 ATP，能荷為 1； 當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是 ：當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是 能荷的調(diào)節(jié) ， ； ADP，能荷為 ； 當(dāng)細(xì)胞中腺苷酸全部是 AMP，能荷為 0。當(dāng)細(xì)胞或線粒體中三種核苷酸 ， ； ， 當(dāng)細(xì)胞或線粒體中三種核苷酸 同時(shí)并存時(shí)，能荷大小隨三者比例而異，三者的比例隨細(xì)胞生理狀態(tài)而變化。 同時(shí)并存時(shí)，能荷大小隨三者比例而異，三者的比例隨細(xì)胞生理狀態(tài)而變化。 能荷在細(xì)胞不同生長時(shí)期的變化另外一個(gè)度量細(xì)胞能量狀態(tài)的參數(shù)是磷酸化位。磷酸化位 磷酸化位。 磷酸化位 =[ATP]/[ADP][Pi]磷酸化位除了腺苷酸外，還決定于無機(jī)磷濃度。磷酸化位與能荷相比，其 磷酸化位除了腺苷酸外， 磷酸 化位除了腺苷酸外 還決定于無機(jī)磷濃度。磷酸化位與能荷相比， 值變化范圍更寬，因此是反映細(xì)胞能量狀態(tài)更加靈敏的指標(biāo)。 值變化范圍更寬，因此是反映細(xì)胞能量狀態(tài)更加靈敏的指標(biāo)。 ：氧的存在可以使酵母菌細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用而乙醇的產(chǎn)量顯著下降，即單位時(shí) 巴斯德效應(yīng)： 巴斯德效應(yīng) 氧的存在可以使酵母菌細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用而乙醇的產(chǎn)量顯著下降， 間內(nèi)消耗速度減慢。這種呼吸（需氧能量過程）抑制發(fā)酵（厭氧能量代謝過程）的現(xiàn)象。 間內(nèi)消耗速度減慢。這種呼吸（需氧能量過程）抑制發(fā)酵（厭氧能量代謝過程）的現(xiàn)象。 營養(yǎng)缺陷 性菌株 菌株： 營養(yǎng)缺陷性菌株：野生型菌株經(jīng)過人工誘變或者自然突變失去合成某種營養(yǎng)（氨基酸，維生 素，核酸等）的能力，只有在基本培養(yǎng)基中補(bǔ)充所缺乏的營養(yǎng)因子才能生長的菌株。 抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株： 就是指一種對反饋抑制不敏感或?qū)Ψ答佔(zhàn)瓒粲锌剐裕? 或二者兼而有之 抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株： 的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時(shí)解除，所 以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。 獲得抗反