1、發酵加工技術發酵加工技術(FermentationTechnology)食品科學系陳淑德發酵的演進人類利用微生物進行自然發酵來釀酒、製醋已數千年的自然發酵。依微生物培養過程需氧與否，決定其為在厭氧環境或為好氧環境下培養。厭氧發酵採用不通氣的深層培養。好氧發酵可分為液体表面發酵(淺盆)、通氣固態發酵和通氣液態發酵(又稱深層發酵)。近代的純種液体深層發酵技術是借助微生物的發酵作用，可大量生成和累積特定代謝產物的過程。發酵工程在食品工業之應用發酵的相關產業發酵技術和微生物的遺傳育種有關，此可利用基因工程選育出性能優良的基因工程轉殖菌進行發酵代謝。發酵技術和發酵槽的設計、放大、發酵參數的最適化控制及發
2、酵產品的分離純化均相關。發酵產品包括抗菌素及其他藥物、製造啤酒、蛋白質資源、胺基酸、酵素、食用膠、天然色素、核甘酸及維生素等食品和化工產品。發酵工業應包括微生物學、生物化學和化學工程。生化製程seed fermentershake flaskstock cultureraw materialsmedium formulationsterilizationrecoverypurificationfermenterairproducts生物生產過程的上、中、下游技術生物生產過程的上、中、下游技術 工業用發酵槽工業用發酵槽機械攪拌式發酵槽氣舉式發酵槽流動床生物反應器批式攪拌式反應器批式攪拌式反應器(
3、batch stirred reactor)氣舉式發酵槽氣舉式發酵槽深層發酵的操作方式深層發酵的操作方式批式操作(batch operation):發酵前即將培養發酵前即將培養液以一次添加，而在發酵期間內並不再添加任何培養液以一次添加，而在發酵期間內並不再添加任何培養液，為一不連續式的培養法。液，為一不連續式的培養法。饋料批式操作(fed-batch operation):指在指在發酵期間內於不同的時間分次添加培養液以供微生物發酵期間內於不同的時間分次添加培養液以供微生物生長代謝之所需。它不會出現某種培養液成分的濃度生長代謝之所需。它不會出現某種培養液成分的濃度過高而影響菌体生長和代謝產物的生
4、成速率。故其要過高而影響菌体生長和代謝產物的生成速率。故其要點為控制基質濃度，注意要加什麼及如何加入。點為控制基質濃度，注意要加什麼及如何加入。連續式操作(continuous operation):發酵在發酵在動態平衡，發酵液持續注入，而產物也不斷移除。操動態平衡，發酵液持續注入，而產物也不斷移除。操作方法有作方法有CSTRCSTR和和PFRPFR兩種。兩種。連續式發酵槽操作連續式發酵槽操作全混流反應器(CSTR)平推流反應器(PFR)全混流反應器全混流反應器(CSTR)平推流反應器平推流反應器(PFR)CSTRCSTR恒定狀態的連續操作方法恒定狀態的連續操作方法Chemostat(Chem
5、ostat(恒化器法恒化器法):):指在連續培養過程中，基質指在連續培養過程中，基質加入的速度恒定，以調節微生物細胞的生長速率和恒加入的速度恒定，以調節微生物細胞的生長速率和恒定流量相適應的方法。定流量相適應的方法。Turbidstat(Turbidstat(恒濁器法恒濁器法):):指預先規定細胞濃度，通過指預先規定細胞濃度，通過基質流量控制，以適應細胞既定濃度的方法。基質流量控制，以適應細胞既定濃度的方法。Nutristat(Nutristat(營養物恒定法營養物恒定法):):指通過加入一定成分，指通過加入一定成分，使培養基中的營養成分恒定的方法。使培養基中的營養成分恒定的方法。固定化微生物
6、器的連續操作特點固定化微生物器的連續操作特點微生物固定在載体上，不受操作上的沖出現象所限，加入基質的流量可較大些。可避免微生在連續反應中的污染問題。固定化微生物的反應速率會受基質傳遞。菌種變種和污染的可能性。發酵槽之基本設計發酵槽之基本設計調節版調節版(Baffles):(Baffles):在容器壁上額外的調節版可藉增加在容器壁上額外的調節版可藉增加攪拌培養液的紊流程以改善氧氣的傳送速率。攪拌培養液的紊流程以改善氧氣的傳送速率。消泡控制消泡控制(Antifoam control):(Antifoam control):培養基的攪拌與通氣通培養基的攪拌與通氣通常會導致過量的氣泡常會導致過量的氣泡
7、(foaming)(foaming)，可利用簡單的探針置，可利用簡單的探針置於培養液上來偵測發泡之情形，當氣泡達至探針時，於培養液上來偵測發泡之情形，當氣泡達至探針時，經由電子迴路系統啟動唧筒供應消泡劑。經由電子迴路系統啟動唧筒供應消泡劑。酸鹼度控制酸鹼度控制(pH control):(pH control):多數微生物的代謝會導致培多數微生物的代謝會導致培養液的酸鹼度之變化。一般實際連續偵測發酵槽中養液的酸鹼度之變化。一般實際連續偵測發酵槽中pHpH值是利用酸鹼度探針值是利用酸鹼度探針(pH probe)(pH probe)浸於培養液中直接測浸於培養液中直接測定，再利用加入酸或鹼來維持固定之
8、定，再利用加入酸或鹼來維持固定之pHpH值。值。溫度控制溫度控制(Temperature control):(Temperature control):當微生物代謝會產當微生物代謝會產生熱，此熱量經由夾層或線圈使冷卻水循環來恒定發生熱，此熱量經由夾層或線圈使冷卻水循環來恒定發酵溫度。酵溫度。額外出入口額外出入口(Additional):(Additional):額外出入口主要用於額外接額外出入口主要用於額外接種源及饋料所添加培養基或取樣分析時所需求種源及饋料所添加培養基或取樣分析時所需求。影響發酵操作對產物生成之物理控制影響發酵操作對產物生成之物理控制因子因子 攪拌速度攪拌速度:攪拌速率會影響
9、攪拌葉片所產生的剪切力大攪拌速率會影響攪拌葉片所產生的剪切力大小。小。接種量接種量 :接種時種菌的型態大小及當時的物理狀態都接種時種菌的型態大小及當時的物理狀態都會影響菌體在發酵槽內的生長型態。會影響菌體在發酵槽內的生長型態。通氣量通氣量 :氧氣為菌體生長發酵之必須營養基質，亦是氧氣為菌體生長發酵之必須營養基質，亦是代謝反應之調控者，氧氣供給對菌體生長、菌體型態、代謝反應之調控者，氧氣供給對菌體生長、菌體型態、營養基質傳遞、代謝產物生合成皆有重要影響。營養基質傳遞、代謝產物生合成皆有重要影響。發酵槽種類發酵槽種類 :較常用之發酵槽為攪拌式與氣舉式，主較常用之發酵槽為攪拌式與氣舉式，主要差異在於
10、攪拌原理之不同。要差異在於攪拌原理之不同。操作方式操作方式:(:(批式、饋料批式和連續式批式、饋料批式和連續式)影響發酵操作對產物生成之化學控制影響發酵操作對產物生成之化學控制因子因子培養基組成培養基組成 :不同種類之碳源或氮源之添加可造成不不同種類之碳源或氮源之添加可造成不同的菌體型態，可利用添加礦物質可使菌絲體形成羽同的菌體型態，可利用添加礦物質可使菌絲體形成羽毛狀型態，增加質傳並利於代謝產物生產。毛狀型態，增加質傳並利於代謝產物生產。pHpH值值:培養基培養基pHpH值對於球狀菌絲體形成與否扮演重要值對於球狀菌絲體形成與否扮演重要角色，此外還會影響代謝物之生成。角色，此外還會影響代謝物之
11、生成。氧氣氧氣:通常以氧氣傳遞係數和好氣性菌體培養最為有通常以氧氣傳遞係數和好氣性菌體培養最為有關。以氧氣傳遞係數關。以氧氣傳遞係數(K(KLaLa)為放大依據之變數。為放大依據之變數。二氧化碳濃度二氧化碳濃度 :二氧化碳為嗜氧菌絲體行呼吸作用的二氧化碳為嗜氧菌絲體行呼吸作用的代謝產物，二氧化碳的濃度會影響菌絲體的生合成。代謝產物，二氧化碳的濃度會影響菌絲體的生合成。介面性劑的添加介面性劑的添加:非離子性介面活性劑的親水團是由非離子性介面活性劑的親水團是由氫氧基所構成，因而會導致菌絲呈分離狀態氫氧基所構成，因而會導致菌絲呈分離狀態。發酵生產單細胞蛋白質 單細胞蛋白質(single cell p
12、rotein,SCP)指酵母、細菌、真菌等微生物蛋白質資源，也可以微生物質量(biomass)來得知蛋白質產量。(微生物菌体的蛋白質含量約佔42%-75%(乾基計)。此亦可應用各種物理、化學和生物學誘變方法或採用基因重組技術對SCP生產菌進行遺傳性的改良以獲得優質、高產突變株。其所用的SCP生產原料包括礦物資源、纖維素類(蔗渣、農副產品加工廢渣、造紙工廠廢水及木質素水解產物)資源、糖類(澱粉、糖蜜或石油二次製品，投資少可連續生產。SCP發酵技術SCP發酵技術:在實驗室中確定最佳的發酵技術條件並考慮經濟因素對設計的技術進行了放大之後，便可設置實際技術參數。發酵技術參數的決定主要是靠發酵槽單位體積
13、的生產率和 SCP產品的質量。要監控發酵培養基、pH值、空氣通氣量、液體流動速率、熱分散速率，並要聯接的個自動分析系統，像游離核甘酸、脂質、有機酸的含量、生物量、溫度、氧氣消耗、二氧化碳的產生量、粘度和表面張力等以控制發酵製程。SCP的分離、萃取技術破除SCP生產菌體細胞壁和降低SCP產品的RNA量。利用化學法(鹼)、酵素法(胞內的-葡聚糖酵素或外加的纖維素酵素)和機械法(採高壓均質法、球研磨法、超音波碎法、冷凍-解凍交替處理)以破除SCP生產菌體細胞壁。再用鹼萃取其中的蛋白質，再經脫除核酸處理進行滾筒乾燥。SCP的功能特性提供蛋白質的營養需求。應用其膠凝性、水合性和乳化性。高活性乾酵母可供應
14、麵包或釀酒的發酵劑。螺旋藻的培養生產及其應用 為光合作用微生物可作為一種潛在的食品資源和廢水處理劑。藻類在有陽光和二氧化碳下可進行光合作並生長，易富含蛋白質。螺旋藻的成分具有蛋白質垥量高、碳水化合物含量多、脂肪和膽固醇含量低的優點並含有多種維生素、植物色素和微量元素稱為二十一世紀的食品。在廢水處理中的應用 因有些廢水含氮量很高且碳、氮、磷比例不適合細菌生長較難淨化，但郤適合螺旋藻的生長，並可得蛋白質。螺旋藻的發酵培養條件pH在9 左右。溫度在35-37oC。氮源可利無機氮源或銨鹽和尿素。光照(太陽光、螢光燈)，且螺旋藻的生長會受光強度和光質影響。攪拌可增加溶氧量但太快剪切力會影響菌体的生長，約
15、控制在300rpm。通風控制在100-150L/h以使光合作用和呼吸作用良好。螺旋藻的分離方法有三步驟即為初級分離、次級分離(脫水)第三級分離(乾燥)。初級分離有過濾法、離心法和絮凝法利用明礬、石灰等使藻類懸浮凝聚。次級分離使用離心法、重力過濾和沙床過濾。乾燥則可使用滾筒乾燥或日晒乾燥。發酵法生產的食用膠(以黃原膠為例)及應用黃原膠是黃單孢桿菌發酵產生細胞外雜多醣(1969FDA批准作為食品添加劑)。因其有強親水性、增稠性、對熱、酸、鹼和酵素的穩定性、良好的懸浮性和乳化性可作為食品工業的穩定劑、乳化劑和增稠劑。像作為耐酸、耐鹽的增稠穩定劑，或用於飲料的乳化劑，用典糕點、糖果的高粘度填充劑、用於
16、肉品以提高保水性或可用水果的保鮮等。黃原膠發酵溫度控制在24-27oC，而最適產的黃原膠為30-33 oC。pH則控制在6.5-7.5。攪拌速度和攪拌強度會影響溶氧量和發酵基質的傳遞為解決高粘度發酵過程的供氧設備可用氣舉式發酵槽或提高通風量或充入高濃度氧的空氣或加入活性氧釋放劑等。黃原膠發酵液的膠濃度不高在2.5%，但粘度卻在5-8Pa s。黃原膠的加工包括發酵液預處理，膠的分離純化、脫水乾燥、粉碎和包裝。預處理有三種方法:(1)物理方法，採用熱處理(98.9oC,三分鐘)將菌體細胞及蛋白質等有機殘留物變性凝集以過濾除去雜質。(2)化學方法可利用加鹽絮凝顆粒或用矽藻士吸附雜質顆粒或用次氯酸鹽漂
17、白處理或用甲醛處理增加產品的分散性和提高粘度。(3)生物方法則採酵素(鹼性蛋白酵素)以解細胞成為可溶性物質或碎片，容易過濾或澄清。膠的分離純化可利用直接乾燥法工業上常用滾筒乾燥法或噴霧乾燥，此法為技術簡單、操作方便、成本低但不能除去色素和部分培養基中的有機物和無機物等雜質。另一方面可利用沉澱分離萃取法，利用醇沉澱法和鹽析沉澱法將多醣沉澱析出。而沉澱分離得的黃原膠產物因含大量水和溶劑可先進行壓榨或離心脫水處理，最後採真空乾燥(60oC)至最終產品的水分在10%，然後再粉碎包裝。發酵法生產食用色素(以紅麴色素為例)紅麴黴菌不僅可生產紅麴色素。可作為防腐發色劑具有抑菌作用可替代亞硝酸鹽作發色劑。生產
18、麥角固醇預防佝僂病。紅麴的固體發酵紅麴固體發酵法的技術為大米浸洗瀝乾蒸料冷卻接種堆積升溫上花培養(紅麴黴充分生長使菌絲佈滿整個米粒表面，集結成較厚的菌俗稱上花)浸水透心培養出麴(至此全程約127小時)晒乾成品。紅麴的液體發酵和色素生產大規模工業化生產為液體深層發酵法，其技術為將菌置種槽培養(33oC,29-30h)發酵槽培養(33oC,70-80h)可採氣舉式發酵槽以提供氧氣並使剪切力變小有利紅麴色素生成板框壓濾浸泡濾餅(93%酒清)離心去渣濃縮色素液成品。發酵法生產有機酸可利用發酵法生產有機酸(亞麻酸、EPA和DHA、蘋果酸)利用微生物發酵生產-亞麻酸可進入工業化生產和降低成本以應用治心血管疾病或食品強化劑、飼料及化妝品等。EPA和DHA存於深海魚中，但從微生物或藻類中培養發酵亦可生產高度的不飽和脂肪酸EPA和DHA可預防心血管疾病等。固態發酵和搖瓶發酵固態發酵和搖瓶發酵
