发酵与酿造技术1.发酵与酿造认知课件.ppt

项目一发酵与酿造认知,学习目标,知识目标1. 知道发酵、酿造、发酵技术、发酵工艺、发酵工程、生物技术等有关基本概念。2. 能陈述发酵过程及其特点。3. 能陈述发酵产品的分类。4. 能陈述发酵、酿造的发展历程及发展趋势。技能目标能够运用基本概念对部分发酵产品生产进行分析说明。,一、基本概念,何谓发酵？ 请看下面现象,微生物的发酵现象,ferver：发泡、沸腾 fermentation：发酵,最初发酵是用来描述酵母菌作用于果汁或麦芽汁产生气泡的现象，或者是指酒的生产过程。,对发酵现象的不同理解,生物化学家看待微生物发酵过程：,发酵是指有机化合物进行无氧代谢释放能量 的过程,发酵是酵母无氧呼吸产生能量的过程,工业微生物学家侧重产品的生产：,利用生物细胞（包括动、植物细胞） 培养来生产产物的所有过程？（需氧过程、细胞工程）,发酵是利用微生物培养来生产产物的无氧或需氧的任何过程,发酵现象的本质,显微镜观察：微生物著名的巴斯德实验：微生物作用著名的毕希纳实验：酵素（酶）的作用,发酵及发酵工业,发酵：通过微生物的培养使某种特定代谢产物或菌体本身大量积累的过程。（广义） 厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。（狭义）发酵工业：泛指通过微生物的大量培养而形成产物的过程，可以是无氧或有氧代谢，产品可以是菌体本身，或是代谢产物。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨基酸、酶、维生素、某些色素等。,传统发酵工业与现代发酵工业,传统发酵工业：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。酿造工业：在我国人们常常把由复杂成分构成的，并有较高风味要求的发酵食品的生产。发酵工业：把经过纯种培养，提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产。现代发酵工业：是将DNA重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合一种现代工业生物技术体系。,传统发酵工业：酿造及食品业、抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等,现代发酵工业：基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。,生物技术与生物工程,生物技术这个名词首先是由匈牙利工程师Karl Ereky于1917年提出的，其含义为：用甜菜作为饲料进行大规模养猪。生物技术（ biotechnology）：应用自然科学及工程学原理依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。生物工程（ bioengineering ）：人们以现代生命科学为基础，结合先进工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。,生物技术,食品生物技术 分子生物学 农业生物技术 微生物学 医药生物技术生物化学 现代生物技术 生物技术疫苗遗传学 生物技术诊断细胞生物学 家畜生物技术化学工程 海洋生物技术,生物（工程）技术体系,生化工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,基因工程,产品,强调过程优化与控制,生物（工程）技术体系,基因工程（DNA重组技术）：核酸的分离提取、体外剪切、拼接重组以及扩增与表达技术。 细胞工程（细胞融合和大量培养技术）：包括细胞（有时也包括器官或组织）的离体培养、繁殖、再生、融合以及细胞核、细胞质乃至染色体与细胞器（线粒体、叶绿体等）的移植与改建等操作。 酶工程（酶的修饰和利用技术）：包括酶的修饰，固定化酶和固定化技术。发酵工程（微生物发酵技术）：给微生物提供最适宜的发酵条件生产特定产品的一种技术。生化工程：包括生物反应器和传感器的设计，生物反应器的程序控制，产品分离精制技术。生物工程是以基因工程、细胞工程、蛋白质（酶）工程和发酵工程为核心，以化学工程技术为基础，以生物技术研究成果为对象，以产业化为目标，进行科学研究开发为其基本任务的工学学科。,上中下游相互关联！,发酵技术的组成,发酵技术在生物技术中的地位,发酵技术主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术发酵技术是生物技术的重要组成部分，是生物技术产业化的重要环节，它将微生物学，生物化学和化学工程的基本原理有机地结合起来，是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术发酵技术是生物技术的应用基础，是生物技术产业化的核心。,二、食品发酵过程,发酵过程的组成部分,（1） 原材料的预处理及培养基的制备（2） 生物催化剂的制备 （3） 生物反应器及反应条件的选择与监控（4） 产品的分离纯化,发酵过程的特点,（1） 安全简单（2） 原料广泛（3） 反应专一（4） 代谢多样（5） 易受污染（6） 菌种选育,三、发酵产品的种类,1.按产品性质分：（1）微生物菌体蛋白：以获得菌体为目的。传统的面包酵母，单细胞蛋白（以烃类为碳源）。药用真菌通过发酵培养的手段生产出与天然产品具有同等疗效的产物，如虫草头孢菌冬虫夏草产品、灵芝、密环菌、香菇菌体发酵等。微生物菌体作生物防治剂：如苏云金杆菌杀虫剂。,（2）酶制剂,现代工业应用的酶大都来自微生物发酵。如脂肪酶、淀粉酶、碱性蛋白酶、尿激酶、蚓激酶、链激酶、纳豆激酶等。,（3）初级代谢产物和次级代谢产物,初级代谢产物：是微生物生长繁殖所必须的代谢产物。如：氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、类脂、糖类等。次级代谢产物：是微生物代谢产生的，而与菌体生长、繁殖无明确关系的代谢产物，它们的生物合成有各种特异型。如：抗生素、生物碱、细菌毒素、色素等。,（4）微生物转化产物,指利用微生物细胞的一种酶或多种酶把一种化合物转变为结构相关的更有经济价值的产物的生化反应。它的优点：专一性好。产量高。反应条件温和。可在某一化合物特定的分子部位进行反应，而这些部位往往用化学方法难以进行反应。可利用几种微生物联合在不同部位进行反应。,(5)生物技术的生物细胞,利用生物技术所获得到生物细胞，如DNA重组的“工程菌“，细胞融合所得到的“杂交”细胞，以及动植物细胞或固定化活细胞等，进行培养的新型发酵，其产物可以是各种各样的，所用的发酵设备是各种类型的新型生物反应器，发酵工艺也与传统的工艺有所不同。如：红细胞生成素、胰岛素、-干优素、乙肝疫苗、葡萄脑苷脂酶、生长激素、抗体、干扰素。,2.按发酵产业部门分：,（1）酿酒工业产品（2）调味品工业产品（3）乳制品工业产品（4）有机酸发酵工业产品（5）酶制剂发酵工业产品（6）氨基酸发酵工业产品,2 .按发酵产业部门分：,（7）功能性食品生产工业产品（8）食品添加剂生产工业产品（9）菌体制造工业产品（10）维生素发酵工业产品（11）核苷酸发酵工业产品（12）其它新型发酵食品工业产品,3. 按利用微生物的种类来分,（1）单用酵母菌发酵的产品（2）单用霉菌发酵的产品（3）单用细菌发酵的产品（4）酵母与霉菌混合使用的发酵产品（5）酵母与细菌混合使用的发酵产品（6）酵母、霉菌、细菌混合使用的发酵产品,4. 按所利用原料来分,（1）发酵谷物粮食产品（2）发酵豆产品（3）发酵果蔬产品（4）发酵肉产品（5）发酵水产产品（6）其它原料发酵,5.按传统发酵食品和现代发酵食品的概念来分,（1）传统发酵食品（如白酒、啤酒、黄酒、葡萄酒、清酒、酱油、食醋、豆酱、泡菜、纳豆、丹贝、鱼露、发酵香肠等）；（2）现代发酵食品（如柠檬酸、苹果酸、醋酸、淀粉酶、蛋白酶、真菌多糖、细菌多糖、红曲、维生素C、维生素B2、维生素B12、发酵饮料、微生物油脂、食用酵母、单细胞蛋白等）。,四、发酵技术的其他产品应用,1、医药工业（1）抗生素：如青霉素、制霉素、井冈霉素等抗细菌、真菌、原虫、肿瘤病毒抗生素。（2）各种氨基酸：如r酪氨酸有治疗脑震荡作用，精氨酸增强肝功能。（3）维生素：如抗坏血酸（维生素C），抗坏血病；-胡萝卜素，维生素A元（前体），维生素A抗干眼病维生素的前体（4）甾体激素：如可的松、氢化可的松（调节糖代谢，又有消炎功用）。（5）核苷酸：如肌苷：治疗心脏病、白血病、血小板下降、肝病等。（6）多糖类：如右旋糖酐葡聚糖（代血浆）。在食品工业上用作增稠剂，聚合氨基酸作人造皮肤。,2、化工原料,（1）醇及溶剂：如乙醇、醋酐、乙酸乙酯、甘油（丙三醇）、丙酮、丁醇等。（2）有机酸：如乳酸、酒石酸、柠檬酸、醋酸、衣康酸（用在塑料工业上），苹果酸、葡萄糖酸等。（3）多糖：如右旋糖酐、黄原胶（用于油田三次采油），茁霉多糖（普鲁兰多糖）（4）酶制剂：如蛋白酶（洗涤剂）、日用化工、脂肪酶。,3、农业,（1）生物农药：如春雷霉素、多氧霉素、井岗霉素、阿维霉素、链霉素等医用抗生素也可防治植物病害微，苏云金杆菌，赤霉素等。（2）微生物除草剂：如环己酰胺、双丙磷A、谷氨酰胺合成酶等。,4、石油发酵、金属浸取,12-16C的烷烃可被微生物利用生产单细胞蛋白（SCP，single Cell protein）饲料，石油代粮发酵利用氧化亚铁硫菌等自养细菌可把亚铁氧化为高铁，把硫、低价硫化物为硫酸的性能，将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而释放出来。,5、环境保护,污水处理、生物可降解塑料(聚羟基丁酸).目前正在寻找更合适的微生物，特别是能降解酚、有机酸、有机磷、有机金属化合物的菌种。,6、能源开发,（1）沼气发酵：有机废弃物嫌气发酵产物甲烷。（2）乙醇发酵：掺入汽油制含醇汽油汽车燃料，解决燃料不足。（3）纤维水解利用：自然界存在许多未开发利用的纤维素。,五、发酵与酿造的发展历程,1900以前 自然发酵阶段19001940 纯培养技术的建立19401950 通气搅拌纯培养发酵技术的建立19501960 诱变技术与代谢控制发酵技术的建立19601970 开拓发酵原料时期（石油发酵时期）1970年以后 进入基因工程菌发酵时期，以及细胞 大规模培养技术的全面发展。 近年来，以现代生物技术和过程工程技术为基础的 现代发酵工业突飞猛进。,1、自然发酵阶段,主要是酿造工业主要产品：酒、酒精、醋、 啤酒、干酪、酸乳等17世纪，能在容量为1500桶（一桶约136升）的木质大桶中进行第一次真正的大规模酿造 1757年应用温度计；1801年使用原始热交换器 主要特点：嫌气发酵，非纯种培养 ，产品质 量不稳定,2、纯培养技术的建立,Koch首先发明固体培养基，建立细菌的纯粹培养Petri创造一种培养皿(petri dish)用于微生物平板分离Winograsky维格拉夫斯基和 Beijerink发明富集培养法，分离特定的微生物主要产品：酵母、甘油、乳酸、丙酮丁醇等第一次世界大战， Weizmann魏茨曼 发明了丙酮丁醇发酵，建立了真正的无杂菌发酵。在面包酵母的生产中首先采用了分批补料培养技术 主要特点：纯培养为主、嫌氧发酵，产品产量 质量控制水平大大提高,3、通气搅拌发酵技术的建立,标志：纯种培养深层发酵生产青霉素 主要技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养的供氧问题。无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大 型发酵罐的密封与抗污染设计解决了耗氧 发酵中的杂菌污染问题。,3、通气搅拌发酵技术的建立,主要特点：耗氧发酵实现规模化纯培养发 酵，一系列过程工程技术创新意义：推动抗生素工业乃至整个发酵工业快速发展建立了完整的好氧发酵放大技术及装备奠定了现代发酵工业的理论和实践基础,4、代谢控制发酵技术的建立,基于代谢途径及其调控实现微生物菌种选育和控制发酵。 代谢控制发酵技术：应用生物化学的代谢知识和遗传学理论，选育微生物突变株，从而调控微生物代谢，大量积累目标发酵产物。主要应用：氨基酸及核苷酸等基于初生代谢产物 的发酵生产，以及有机酸 、抗生素等,5、开拓新的发酵原料时期,目的：以烃类为碳源生产微生物细胞作为饲料蛋白的来源 技术进步：发展了高压喷射式、强制循环式等多种发酵罐及其发酵技术 计算机和自动控制技术的运用促进发酵工业朝连续化、自动化方向发展 特点：解决发酵原料及人畜争粮问题；规模和自动化程度显著提高，能耗过大。,6、基因工程阶段（现代发酵工业新阶段）,主要标志 基因工程产品生产以及基因工程技术应用1973年加利福尼亚大学赫伯特博意尔和斯坦福大学的斯坦利科恩教授将pSC101质粒用EcoRI 酶切后与另一个用同样酶切的DNA片段混合后加入T4DNA连接酶进行连接，从而获得了新的重组DNA分子世界上已批准上市的基因工程药物有几十种，如：胰岛素、人生长激素等。 主要特点基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术以及发酵过程优化及放大技术的全面进步 高产微生物代谢产物及非微生物代谢产物的基因工程菌构建及产品的发酵生产主导碳氧经济发展，碳氢经济的替代及生物炼制技术的兴起,六、发酵与酿造的发展趋势,1、国内生物技术产业的发展现状我国是最早利用生物技术的国家之一。柠檬酸的生产技术处于世界先进行列，产量居首位； 谷氨酸（Glu）和赖氨酸（Lys）技术及产量也有一定优势。 多种基因工程药物获准投放市场； 抗体工程开始在临床上应用;某些基因治疗达到了国际水平； 人胰岛素、人尿激酶素、葡萄糖异构酶、凝乳酶的蛋白质工程已达到世界水平。 人生长激素、胰岛素、干扰素和各类细胞生长因子与调节因子等已陆续投放市场。 植物转基因、动物转基因等技术也已经取得了一些成果。,六、发酵与酿造的发展趋势,2、中国发酵工业现状及前景中国是发酵工业大国生产规模大 醋、酱油、啤酒等产量世界第一 抗生素，如青霉素等产量世界第一 维生素C、氨基酸(味精) 、有机酸(如柠檬酸）等产量世界第一产品种类多 5000多家, 相关产业年产值超过2万亿元，占国民经济的20%,六、发酵与酿造的发展趋势,中国不是发酵工业强国工艺技术落后 生产水平低25%-45%、能耗高40%、水耗高55% 产品 国内水平 国际水平 谷氨酸 产酸12-13%，转化率45-55% 15-18%，60-65% 维生素C 糖酸转化率94 糖酸转化率97 头孢菌素 30000-35000 u/ml 40000 u/ml以上 柠檬酸 产酸14-16 25环境污染严重 每年废水达80亿m3(工业排放总量10%)，COD排放500万吨(20) 产品 每吨排放废水 柠檬酸 COD1-4万mg/L中和废水10吨，总排300吨 味精 COD6-7万mg/L废母液近20吨，总排400吨 硫氰酸红霉素 500吨，COD10万mg/L创新品种较少,部分产品长期依赖进口,六、发酵与酿造的发展趋势,3. 现代生物技术的应用（1）基因工程技术在食品发酵生产中的应用（3）酶工程技术在食品发酵生产中的应用（2）细胞工程技术在食品发酵生产中的应用,六、发酵与酿造的发展趋势,4.食品发酵发展方向 （1）发酵食品及生产用微生物安全性与稳定性（2）发酵食品及生产用微生物的个性化 （4）发酵食品的工艺创新性 （3）发酵食品的功能性,七、发酵工业发展的目标,高产量：微生物生理、遗传、营养及环境因素高转化率：微生物代谢途径和过程条件高效率：微生物反应动力学和系统优化低成本：技术综合及产业化技术集成环境友好：开发清洁生产技术,七、发酵工业应用前景,基因工程的发展为发酵工程带来新的活力。 采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人前景。不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段。强调代谢机理与调控研究，使微生物的机能得到进一步开发。生态型发酵工业的兴起：清洁生产。再生资源的利用。混合菌发酵强调微生物群落与功能研究，提高发酵效率。（传统酿造和食品发酵工业，有机废弃物的发酵处理与转化：生物能源、生物饲料、生物肥料）,思考题,1. 发酵的含义是什么？2. 发酵技术、发酵工程与生物技术三者之间有什么关系？3. 发酵产品的分类有哪些？4. 发酵与酿造的发展历程有哪些？5. 发酵与酿造的发展前景如何？,End！Thank you for your attention !,