【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 響發(fā)酵過程最終產(chǎn)物的產(chǎn)量。 溫度與培養(yǎng)液的物理性質(zhì) ?改變培養(yǎng)液的物理性質(zhì)會(huì)影響到微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)。例如，溫度通過影響氧在培養(yǎng)液中的溶解濃度、氧傳遞速度等，而影響到整個(gè)發(fā)酵過程 。 溫度與代謝產(chǎn)物的生物合成方向 ?在四環(huán)素的發(fā)酵過程中，金色鏈霉菌同時(shí)代謝產(chǎn)生 四環(huán)素和金霉素 ，當(dāng)溫度 低于 30℃ 時(shí)，金色鏈霉菌合成 金霉素 的能力較強(qiáng)，隨著溫度的升高，合成四環(huán)素的能力也逐漸增強(qiáng)，當(dāng)溫度提高到35℃ 時(shí) ，則只合成 四環(huán)素 ，而金霉素的合成幾乎處于停止?fàn)顟B(tài)。 同一菌株，其細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物積累的最適溫度往往不同 ?例如，黑曲酶的最適生長(zhǎng)溫度為 37℃ ，產(chǎn)生糖化酶和檸檬酸的最適溫度是 3234℃ ；谷氨酸生產(chǎn)菌生長(zhǎng)的最適溫度為 3032℃ ,產(chǎn)生谷氨酸的最適溫度是 3437℃ 。 三、 pH值 對(duì)發(fā)酵過程的影響及其控制 （一） pH值對(duì)發(fā)酵過程的影響 大多數(shù)細(xì)菌的最適 pH值為 ～ ，霉菌的最適 pH值為 ～ ，酵母菌的最適 pH值為 ～ ，放線菌的最適 pH值為 ～。 ?例如， 黑曲霉在 pH值 23的情況下，發(fā)酵過程形成的產(chǎn)物是 檸檬酸 ，而在 pH值接近 中性時(shí) ，卻生成 草酸 。 ?又如，啤酒酵母菌的最適生長(zhǎng) pH值為 ～ ，此時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物是酒精；但當(dāng) pH大于 ，發(fā)酵產(chǎn)物除酒精外，還有醋酸和甘油。 ?微生物生長(zhǎng)的最適 pH值和發(fā)酵產(chǎn)物形成的最適pH值往往是不同的。 ?例如，青霉素生產(chǎn)菌生長(zhǎng)的最適 pH值為 ～，而青霉素合成的最適 pH值卻為 ～ ； （二）發(fā)酵過程中 pH值的變化情況 ?一般，發(fā)酵過程中若消耗堿性物質(zhì)或生成酸性物質(zhì)都會(huì)引起發(fā)酵液的 pH值下降 。 發(fā)酵液 pH下降的主要原因： ①培養(yǎng)基中的碳 /氮比例不當(dāng)，碳源過多 ②消泡油加得過多； ③微生物生理酸性物質(zhì)的存在 ?發(fā)酵過程中若消耗酸性物質(zhì)或生成堿性物質(zhì)都會(huì)引起發(fā)酵液的 pH值上升 . 發(fā)酵液 pH值上升的主要原因： ①培養(yǎng)基中的碳 /氮比例失衡，氮源過多 ②存在生理堿性物質(zhì)； ③中間補(bǔ)料時(shí)，氨水或尿素等堿性物質(zhì)加入過多 （三） 發(fā)酵過程中 pH值的控制 ?采用的方法： (1)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的起始 pH值 ，或加入緩沖溶液 (如磷酸鹽 )或盡量使鹽類和碳源的配比平衡 (2)在發(fā)酵過程中 及時(shí)加入弱酸或弱堿 來調(diào)節(jié)pH值 (3)可 及時(shí)補(bǔ)料 調(diào)節(jié) pH值 (4)采用生理酸性鹽作為氮源時(shí)，向培養(yǎng)液中加入碳酸鈣可以調(diào)節(jié) pH值 (5)可用流加氨水或尿素的方法來調(diào)節(jié)發(fā)酵過程中 pH值的變化 四、 泡沫 對(duì)發(fā)酵過程的影響和控制 （一）泡沫的形成及其對(duì)發(fā)酵過程的影響 ?發(fā)酵過程中產(chǎn)生泡沫的原因： ①外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成泡沫； ②發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體聚結(jié)形成的發(fā)酵泡沫。 ?過多的持久性泡沫會(huì)給發(fā)酵過程造成不利的影響，主要表現(xiàn)在： ? ①使發(fā)酵罐的裝填系數(shù)減少； ? ②造成大量逃液，導(dǎo)致產(chǎn)物的損失； ? ③泡沫“頂罐”，有可能使培養(yǎng)基從攪拌軸處滲出，增加了染菌的機(jī)會(huì)； ? ④由于泡沫的液位變動(dòng)，以及不同生長(zhǎng)周期微生物隨泡沫漂浮或黏附在罐蓋或罐壁上，使微生物生長(zhǎng)的環(huán)境發(fā)生改變，使微生物群體的非均一性增加； ⑤影響通氣攪拌的正常進(jìn)行，妨礙微生物的呼吸，造成發(fā)酵異常，導(dǎo)致最終產(chǎn)物產(chǎn)量下降； ⑥使微生物菌體提早自溶，這一過程的發(fā)展又會(huì)促使更多的泡沫生成； ⑦消泡劑的加入，會(huì)給最終產(chǎn)物的提取帶來困難。 （二） 發(fā)酵過程中泡沫的消除與控制 ?發(fā)酵過程中消除和控制泡沫的主要措施： (1)化學(xué)消泡法： 優(yōu)點(diǎn)： ?來源廣泛，消泡效果好 ?作用迅速可靠，效率高，用量少 ?不僅適用于大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，同時(shí)也適用于小規(guī)模的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。 ?化學(xué)消泡劑一般應(yīng)具備的特點(diǎn)： ①是表面活性劑，具有較低的表面張力，消泡作用迅速有效 ②具有一定的親水性 ③在水中的溶解度較小 ④對(duì)人、畜及微生物細(xì)胞無毒性，不影響產(chǎn)物的提取分離和產(chǎn)品的質(zhì)量； ⑤不影響氧在培養(yǎng)液中的溶解和傳遞； ⑥來源方便，價(jià)格便宜。 ?常用的化學(xué)消泡劑主要有： ?天然油脂 (玉米油、米糠油、豆油、菜油、棉子油及魚油、豬油等 ) ?高級(jí)醇類 (聚二醇和十八醇 ) ?脂肪酸和聚醚類 (聚氧丙烯甘油和丙烯甘油 ) ?硅酮類 (聚二甲基硅氧烷及其衍生物 ) ?氟化烷烴 優(yōu)點(diǎn)： 不需要在發(fā)酵液中添加任何其他物質(zhì)，減少了由于加入消泡劑所引起的染菌機(jī)會(huì)和對(duì)產(chǎn)物分離工藝的影響。 缺點(diǎn)： 效果不如化學(xué)消泡迅速、可靠，還需要配備一定的設(shè)備和消耗一定的動(dòng)力，不能從根本上消除引起泡沫的因素。 (2)機(jī)械消泡法： 五、流加補(bǔ)料的控制 ?流加補(bǔ)料概念： 在發(fā)酵過程中補(bǔ)充某些營(yíng)養(yǎng)成分以維持生產(chǎn)菌株的代謝活動(dòng)和產(chǎn)物合成。 流加補(bǔ)料的物質(zhì)： 可分為碳源、氮源、微量元素和無機(jī)鹽以及誘導(dǎo)底物等。 （一）流加補(bǔ)料的內(nèi)容和原則 原則： 有效控制微生物的中間代謝過程，使之向著有利于產(chǎn)物積累的方向發(fā)展。 第二節(jié) 發(fā)酵工程在食品工業(yè)中的 應(yīng)用 一、 發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白 單細(xì)胞蛋白 (SCP)概念 ： 指適用于食品和動(dòng)物飼料應(yīng)用的微生物細(xì)胞，包括酵母菌、細(xì)菌、霉菌和高等真菌。 這些微生物大多數(shù)是富含蛋白質(zhì)的單細(xì)胞生物，可以認(rèn)為是單細(xì)胞蛋白質(zhì)的重要來源。 （ 1）細(xì)胞蛋白質(zhì)含量高達(dá) 50%以上，含有多種氨基酸、維生素、礦物質(zhì)、粗脂肪等營(yíng)養(yǎng)成分，易于消化吸收。 （ 2）微生物生長(zhǎng)繁殖快，短時(shí)間可獲得大量產(chǎn)品。 ?應(yīng)用微生物生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn) ： ?利用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白具有 較高的生產(chǎn)率。 因?yàn)閱渭?xì)胞蛋白依賴于微生物菌體生物量的累積，其富集蛋白質(zhì)的能力要比動(dòng)、植物快得多。 豬和牛的體重倍增時(shí)間分別為 4～ 6周、 1— 2個(gè)月，植物體重倍增時(shí)間為 l一 2周，而細(xì)菌、酵母等微生物僅需 20～ 120min。 1頭 500kg的母牛每天能產(chǎn)蛋白質(zhì)約 。 500kg酵母每天至少生產(chǎn) 5 000kg蛋白質(zhì)。在實(shí)際的工業(yè)發(fā)酵罐中，酵母能夠生產(chǎn)出數(shù)噸蛋白質(zhì)，生產(chǎn)率高達(dá) 24kg／ ( )。 （ 3）微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求適應(yīng)性強(qiáng)，可利用多種廉價(jià)原料進(jìn)行生產(chǎn)。 （ 4）微生物的生長(zhǎng)條件可人為控制，可工廠化生產(chǎn)。 ?生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的主要原料 （ 1）工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物和下腳料。 （ 2）碳水化合物類 （ 3）碳?xì)浠衔镱? （ 4）石油產(chǎn)品類 （ 5）無機(jī)氣體類 ?各種化學(xué)成分的含量因微生物的種類、菌齡、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件等不同而有較大差異。 ?例如，啤酒酵母除含豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白外，還含有較豐富的維生素 D和 B族維生素及 Ca、 Fe、 Zn、K、 P、 Na等必需微量元素，因此，它可視為一種理想的蛋白質(zhì)資源。 一般工業(yè)上生產(chǎn) 單細(xì)胞蛋白 的微生物是 酵母 ，主要有釀酒酵母、產(chǎn)朊假絲酵母 (或稱圓酵母 )和脆壁克魯維酵母 (或稱乳清酵母 )。 （一）利用酵母菌生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白 SCP生產(chǎn)的概略流程圖 ?烷烴類原料生產(chǎn) SCP Zobell(1946年 )提出酵母菌利用碳?xì)浠衔镉兴膫€(gè)特點(diǎn)： 脂肪族化合物比芳香族化合物易于利用； 長(zhǎng)鏈脂肪族化合物與短鏈脂肪族化合物相比更易于降解； 不飽和烷烴比飽和烷烴易于降解； 支鏈烷烴較直鏈烷烴更易被酵母菌利用和同化。 微生物同化烷烴的步驟是細(xì)胞吸收外源烷烴，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，烷烴進(jìn)行初始氧化。 主要有兩條代謝烷烴的途徑，即末端氧化和亞末端氧化途徑。前者，烷烴的末端甲基 (1個(gè)或者 2個(gè) )被氧化，最后形成相應(yīng)的脂肪酸。酵母菌主要以單末端氧化途徑。單末端氧化途徑可簡(jiǎn)單示意如下： RCH3→ R CH2OH→R CHO→R COOH ↓ β氧化作用 ?以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn) SCP 以淀粉質(zhì)原料生產(chǎn) SCP主要有三條途徑： ①在化學(xué)分解或酶解底物基礎(chǔ)上培養(yǎng) SCP生產(chǎn)酵母菌； ②將對(duì)淀粉分解活力高的霉菌與快速生長(zhǎng)的酵母菌混合培養(yǎng)； ③單獨(dú)培養(yǎng)能夠同化淀粉的生產(chǎn)菌株。 以木薯為原料采用深層發(fā)酵法生產(chǎn) SCP的流程圖 ? 在 SCP生產(chǎn)中， 發(fā)酵過程必須控制溫度以利于菌體的大量增殖、生長(zhǎng) ?？梢酝ㄟ^發(fā)酵罐內(nèi)部的冷卻表面散發(fā)培養(yǎng)液的熱量，當(dāng)然也可以在罐外通過熱交換器來降低培養(yǎng)液的溫度。 ?以甘薯、木薯、玉米等淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn) SCP得率一般可超過 50％，即 2t原料可生產(chǎn)出 1t多蛋白含量超過 50％的產(chǎn)物。每升發(fā)酵液中生物量約為37～ 40g。 ?瑞典糖業(yè)有限公司在 1973年便利用土豆加工的廢渣以混合培養(yǎng)方法生產(chǎn)飼料 SCP。 ?糖蜜原料生產(chǎn) SCP 糖蜜是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品。甜菜、甘蔗糖蜜中含有多種可利用成分，是綜合利用發(fā)酵生產(chǎn)酵母、酒精、核苷酸等產(chǎn)品的寶貴資源，而且特別適用于 SCP生產(chǎn)。 以糖蜜為原料生產(chǎn) SCP多采用液體深層發(fā)酵法。 ?發(fā)酵前，應(yīng)先采用化學(xué)、機(jī)械或兩者結(jié)合的方法對(duì)糖蜜進(jìn)行澄清和滅菌處理。向糖蜜中添加新鮮石灰乳和磷酸，形成磷酸鈣，靜置后過濾或離心除去這些沉淀即有澄清效果。也可先用 H2SO4調(diào)節(jié)糖蜜 pH，再依次加入 NH鋁鹽、果膠和鋅鹽進(jìn)行澄清。過濾材料可選擇石棉砂和纖維素等。經(jīng)機(jī)械離心獲得的澄清糖蜜，可以加熱至 130140℃ 殺菌。 ?經(jīng)過預(yù)處理的糖蜜用于酵母發(fā)酵生產(chǎn)，可以提高產(chǎn)量以及酵母產(chǎn)品的純度，同時(shí)熱交換器等設(shè)備表面鹽類物質(zhì)沉積量減少，有利于降低生產(chǎn)成本。 ?纖維素類原料生產(chǎn) SCP 有 三條路線： ?一是預(yù)處理 酶解 ?二是酸解 ?三是混合發(fā)酵法 生產(chǎn) SCP時(shí)必須采用適當(dāng)工藝對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。 ?纖維素酶分解天然纖維的先決條件是酶與纖維素相互接觸，形成復(fù)合物，但天然纖維的纖維素和其它主要成分不溶于水，并且在細(xì)胞壁中排列成緊密的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此，必須設(shè)法使纖維素酶分子擴(kuò)散到細(xì)胞壁內(nèi)，纖維素分子的表面才能使之相互接觸并進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)晶度越高，纖維表面積越小，酶解越困難。另外，纖維素原料中的木質(zhì)素會(huì)阻礙酶與纖維素接觸，是影響酶反應(yīng)敏感性的另一重要因素。 采用球磨、高壓蒸煮、電子射線照射、 γ 射線照射、膨化處理等方法，使高結(jié)晶度纖維素軟化，破壞纖維結(jié)構(gòu)，以利于酶解，但這些預(yù)處理方法能耗大、成本高，使應(yīng)用受到限制。 預(yù)處理后的纖維性原料經(jīng)冷卻后即可進(jìn)行酶解。纖維素酶系由三種不同性質(zhì)的酶組成：纖維素酶外切酶、纖維二糖酶和葡萄糖苷酶。三種酶協(xié)同作用，可將纖維素水解為葡萄糖，即可作為 SCP生產(chǎn)的碳源。 二、 高活性干酵母的生產(chǎn) 細(xì)胞含量超過 200 億 cfu ／ g .含水量小于 6 ％的活性干酵母被稱為 高活性干酵母 。 高活性干酵母具有含水量低、復(fù)水快、貯藏時(shí)間長(zhǎng)、使