第四章-发酵工业培养基及原料处理课件.ppt

1、第四章 发酵工业培养基 及原料处理 发酵工业培养基是工业发酵微生物生长和分泌发酵产物的营养基质。发酵工业培养基的设计、原料处理和配制是发酵工程的重要操作单元之一。本章主要内容 第一节 发酵营养基质的组成 第二节 工业发酵中营养基质的种类 第三节 培养基的确定和优化 第四节 原料的选择及工业发酵中 重要营养基质的配制方法本章主要内容 第一节第一节 发酵营养基质的组成发酵营养基质的组成 第二节 工业发酵中营养基质的种类 第三节 培养基的确定和优化 第四节 原料的选择及工业发酵中 重要营养基质的配制方法第一节 发酵营养基质的选择 培养基是指利用人工方法配制的供微生物、植物和动物细胞生长繁殖或积累代谢

2、产物的各种营养物质的混合物。主要用于微生物等的分离、培养、鉴定以及菌种保藏等方面。工业发酵培养基除了包含微生物生长繁殖所必须的碳源、氮源、能源、无机盐、生长因子和水等营养成分，有的还含有某些前体、产物促进剂和抑制剂等。一、能源 功能：功能：微生物生长、繁殖、合成、分解、运动、热的产生等，即微生物的一切行为都需要消耗能源。光能-光能自养菌的能源。如：小球藻、螺旋藻利用光能生产单细胞蛋白；嗜盐藻利用光能生产甘油、-胡罗卜素和单细胞蛋白等。氢、硫、氨、亚硝酸盐、亚铁盐-化能自养微生物的能源。如：细菌炼铜所使用的氧化亚铁硫杆菌，将亚铁盐作为能源。碳水化合物等有机物，石油天然气和石油化工产品-异养微生物

3、能源，同时也是碳源物质。New Biofuel technology using sunlight and micro-organisms could change the industry 二、碳源 功能：功能：碳源物质是组成培养基的主要成分之一，因为碳源物质在微生物细胞中的含量很高。占细胞干物质50%。碳源物质为细胞提供能量、组成菌体细胞成分的碳架、构成代谢产物。常用的碳源物质包括糖类、脂类、有机酸、低碳醇。葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、糊精、淀粉等糖类物质，是细菌、放线菌、霉菌、酵母利用的碳源。其中，葡萄糖是碳源中最容易利用的单糖，几乎所有微生物都能利用葡萄糖。（葡糖效应和中期溶氧不足）其

4、他糖类：蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖也是常用的碳源。多糖如淀粉和纤维素。淀粉还可以克服葡萄糖代谢过快的弊病，并且价格低廉，来源丰富。蔗糖、麦芽糖、乳糖等双糖常用于抗生素、氨基酸、酶类的发酵。酯类：如植物油，动物油等脂类，具备较活跃的脂肪酶的微生物可利用脂类为碳源，但是耗氧量会增加，因此要提供更多的氧。有机酸：有机酸或他们的盐类或醇类能做为碳源。pH会有变化。烃类：碳酸气、石油、正构石蜡、天然气、甲醇、乙醇等石油化工产品，也是许多微生物碳源。如：嗜甲烷棒状杆菌利用甲醇为碳源产生单细胞蛋白；乳糖发酵短杆菌，以乙醇为碳源生产谷氨酸。糖蜜淀粉三、氮源 功能：功能：氮源物质构成菌体细胞结构物质（氨基酸、蛋白

5、质、核酸）；为微生物提供能源；合成含氮的代谢产物。常用的氮源分为两类：无机氮源和有机氮源。1.无机氮源主要包括氨水、铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐等。其被利用速度及吸收速度均快于有机氮源，也被称为速效氮源。一般情况下作为辅佐氮源。生理酸性氮源和生理碱性氮源常被用来做发酵过程中培养基pH调节的一种有效手段。2.有机氮源 主要成分复杂的工农业下脚料，包括豆粉、玉米粉、豆饼、鱼粉、蚕蛹粉、酿酒工业的酒糟等。米粉、豆饼、鱼粉、蚕蛹粉、酿酒工业的酒糟等。玉米浆：一般含10%左右的乳酸，pH值在4左右，一般用于抗生素发酵。尿素（脲）：抗生素和氨基酸发酵，尤其是谷氨酸的生产。能分泌脲酶的微生物才能利用。氮含量高达5

6、0%，但是营养成分单一。蛋白胨（动物组织和植物水解制备）：实验室用有机氮源鱼粉酒糟四、无机盐及微量元素 功能：功能：构成菌体的成分；酶的组成部分或其激活剂、抑制剂；调节渗透压、菌体内部pH以及氧化还原电位等等。大量元素（0.11mM），包括P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe，常常以盐的形式加入培养基。如：磷酸盐，钾盐，镁盐，钙盐等。微量元素（0.01 1mM），包括Cu、Zn、Mn、Mo和Co等，Co是发酵微生物 B12 的激活剂。K,Na,Ca等离子虽然不是细胞的组成成分，但是与维持细胞的一定渗透压和细胞透性相关，并且是许多酶得得激活剂。五、生长因子 功能：功能：生长因子为微生物必不可少的物

7、质，一般为小分子有机物，需求量很小。包括：维生素、碱基等。维生素中需求量最大的为B族维生素，多为生化代谢中的辅酶。一般不需要单独添加。天然原料（玉米浆、糖蜜、豆饼水）及实验室培养基（酵母膏）等都已经含有。应用实例：生物素合成生物质膜的重要辅酶，不足会造成细胞膜不完整，细胞内容物的渗漏。添加亚适量（5mg/L），可即使菌体生长少受抑制也可以使过多的谷氨酸因外泄而源源不断地合成。六、前体物质 前体物质指添加到培养基中的物质，并不促进微生物生长，而是直接经微生物的生物合成过程结合到产物分子上去，其自身结构基本不变，而产物产量却因此提高。可看作是一种底物。过量则对菌体有毒！方式：流加。例子：最早在青霉

8、素发酵中发现前体物质。发现添加玉米浆可提高青霉素G的含量，深入研究发现玉米浆含有苯乙酸，苯乙酸是青霉素G的侧链，即苯乙酸是青霉素G发酵的前体物质。不同青霉素的侧链不同：青霉素V-苯氧乙酸 链霉素-肌醇、甲硫氨酸、精氨酸 红霉素-丙酸、丙醇、丙酸盐、乙酸盐 七、促进剂和抑制剂1、促进剂：并不是前体或营养物质，但却能提高产量的物质。作用方式：或影响微生物正常代谢；或促进中间产物的累积；或提高次级代谢产物量。如：巴比妥盐能增加生产菌菌丝的抗自溶能力，达到推迟菌体自溶目的，增加链霉素和利福霉素等抗生素的累积。如：谷氨酸棒状杆菌生产赖氨酸的时候，加入红霉素可以提高产量25%以上，加入表面活性剂可以增加产

9、量30%以上。2、抑制剂：一些对生产菌代谢途径有某种调节能力的物质。抑制某些代谢途径的进行，同时刺激另 一个代谢途径，之一改变代谢途径，如：酵母厌氧发酵中加入亚硫酸盐或碱类，可以促 进酒精发酵转入甘油发酵。淘汰杂菌的抑制剂，如：真菌发酵中加入抗生素；带抗生素抗性的工程菌发酵中加入该抗生素，淘汰非重组细胞或突变细胞。八、水（1）水是良好的溶剂，菌体所需要的营养物质都是溶解于水中被吸收的。（2）渗透、分泌、排泄等作用都是以水为媒介的；（3）水直接参与代谢作用中的许多反应。所以，水在生物化学反应中占有极为重要的地位。（4）水的比热高，能有效地吸收代谢过程中所放出的热，使细胞内温度不致骤然上升。（5）

10、水是热的良导体，有利于放热，可调节细胞的温度。本章主要内容 第一节 发酵营养基质的组成 第二节第二节 工业发酵中营养基质的种类工业发酵中营养基质的种类 第三节 培养基的确定和优化 第四节 原料的选择及工业发酵中 重要营养基质的配制方法第二节 工业发酵中营养基质的种类 一、天然、合成、半合成培养基1、天然培养基（undefined medium）：是采用化学成分还不清楚或化学成分还不恒定的各种植物和动物组织或微生物的浸出物、水解液等物质(例如牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、蛋白胨、玉米浆、各种淀粉水解液、糖蜜等)制成的。优点：取材方便、营养丰富、价格低廉、适用范围广；缺点：原料质量不稳定，不利于发酵控制

11、。2、合成培养基（defined medium）：是用化学成分和数量完全了解的物质配制而成的，成分精确，重复性强，可以减少不能控制的因素。适用于在实验室范围作有关营养、代谢、分类鉴定、生物测定及选育菌种、遗传分析等定量研究工作。缺点：营养单一，价格高，适用范围较窄。3、半合成培养基（semi-defined medium）：既有天然有机物作碳源、氮源和生长因子的来源，又含有一些化学药品以补充无机盐成分，使其更能充分满足微生物对营养的需要。大多数微生物都能在此培养基上生长繁殖。因此，在微生物 工业生产上和试验研究中被广泛使用。二、固体、液体、半固体培养基液体培养基（liquid medium）：

12、常用于大规模的工业生产及生理代谢等基本理论研究工作。发酵工业多用作培养种子和发酵的培养基。根据微生物对氧的要求情况，分别作根据微生物对氧的要求情况，分别作静止或通风搅拌培养。在菌种筛选工作和菌种扩大培养工作中，也常用液体培养基进行摇瓶培养。固体培养基（solid medium）：是在 液体培养基中加入凝固剂配成的，最 常用的凝固剂是琼脂。分类：斜面试管、平板等。功能：在菌种的分离、保藏、菌落特征的观察、活菌计数 和鉴定菌种方面是不可缺少。半固体培养基（semi-solid medium）：0.5%琼脂。主要用于实验室的微生物运动观察（穿刺培养），某些厌氧菌的保藏工作。三、鉴别和选择性培养基 鉴

13、别培养基（differential medium）：是根据微生物能否利用培养基中某种营养成分，借助指示剂的显色反应，以鉴别不同种类的微生物。选择培养基（selective medium）：根据某种微生物的特殊营养要求或其对某种物理化学因素的抗性而设计的培养基，目的是使混合样品中的劣势菌群变成优势菌群，或同时还会加入一些特殊的抑制剂来抑制竞争菌群。蓝白筛选平板多种肠道菌群用EMB培养基来鉴别四、发酵生产的培养基种子、孢子、发酵培养基孢子培养基：供菌种繁殖孢子，常采用固体培养基，目的是在使发酵菌种不发生变异的前体下尽可能多的产生孢子。基本要求是在营养基本保证、理化条件适宜的前提下，营养不要太丰富（

14、特别是有机氮源），否则不易产孢子。生产商常用的：麸皮培养基、小米培养基、大米培养基、玉米培养基等。种子培养基：供孢子发芽生长出大量的菌丝体，或不产生孢子放入菌种繁殖出大量的细胞，并具有较高的活力和纯度的培养基。特点：1.必须有较完全和丰富的营养物质，特别需要充足的氮源和生长因子；2.供孢子发芽生长用的种子培养基，可添加一些易被吸收利用的碳源和氮源；3.种子培养基成分还应考虑与发酵培养基的主要成分相近，使种子尽快适应发酵培养基，缩短周期。发酵培养基：供菌种生长繁殖和合成发酵产物的培养基。是发酵生产中最主要的培养基，它不仅耗用大量的原材料，而且也是决定发酵生产成功与否的重要因素。（1）根据产物合成

15、的特点来设计培养基。对菌体生长与产物相偶联的发酵类型，充分满足细胞生长繁殖的培养基就能获得最大的产物。对于生产氨基酸等含氮的化合物时，它的发酵培养基除供给充足的碳源物质外，还应该添加足够的铵盐或尿素等氮素化合物。（2）发酵培养基的各种营养物质的浓度应尽可能高些，这样在同等或相近的转化率条件下有利于提高单位容积发酵罐的利用率，增加经济效益。（3）发酵培养基需耗用大量原料，因此，原料来源、原材料的质量以及价格等必须予以重视。本章主要内容 第一节 发酵营养基质的组成 第二节 工业发酵中营养基质的种类 第三节第三节 培养基的确定和优化培养基的确定和优化 第四节 原料的选择及工业发酵中 重要营养基质的配

16、制方法第三节 培养基的选择和优化一、培养基的选择（1）首先必须做好调查研究工作，了解菌种的来源、生活习惯、生理生化特性和一般的营养要求（见表 四大类微生物的典型培养基）。工业生产主要应用细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类微生物。它们对营养的要求既有共性，也有各自的特性，应根据不同类型微生物的生理特性考虑培养基的组成。（2）其次，对生产菌种的培养条件，生物合成的代谢途径，代谢产物的化学性质、分子结构、一般提炼方法和产品质量要求等也需要有所了解，以便在选择培养基时做到心中有数。（3）最好先选择一种较好的化学合成培养基做基础，开始时先做一些摇瓶试验；然后进一步做小型发酵罐培养，摸索菌种对各种主要有机碳

17、源和氮源的利用情况和产生代谢产物的能力。注意培养过程中的pH变化，观察适合于菌种生长繁殖和适合于代谢产物形成的两种不同pH，不断调整配比来适应上述各种情况。二、工业发酵营养基质的选择 完善的培养基设计实验室的试验、实验工厂和生产规模的放大中的一个重要步骤。培养基是否适合于菌体的生长或累积代谢产物，对终产品得率的影响非常大。表 细菌、酵母和真菌的元素组成（按干重%计）1、必须提供合成微生物细胞和发酵产物的基本成分基本成分（1）作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡 碳源和能源+氮源+其他需要细胞+产物+CO2+H2O+热量 通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需要的营养物的最低数量。在了解一定

18、数量的生物体所能生产出的产物的数量后，就有可能计算出形成产物时所需的底物数量。这些培养基的基本组分的数量仅仅是供给细胞形成产物，而不包括生产细胞所需要的营养。所有上述各项数量，是不易获得其精确数字的。（2）组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K（见上表），这些元素都要在方程式中予以平衡 在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如P和K。而其他元素含量则接近最低值，如Zn、Cu等。在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量，这一点，在设计培养基时要引起注意。（3）有些微生物不能合成的特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷酸，需要在培养基中加入适量的纯净的化合物或含有该物

19、质的混合物。（4）有些发酵产物，如抗生素等，除了配制培养基以外，还要通过中间补料法，一面对碳及氮的代谢予以适当的控制，一面间歇添加各种养料和前体类物质，引导发酵走向合成产物的途径。2、根据经济效益经济效益选择培养基原料 考虑经济节约，尽量少用或不用主粮，努力节约用粮，或以其他原料代粮。糖类是主要的碳源。碳源的代用方向主要是寻找植物淀粉、纤维水解物，以废糖蜜代替淀粉、糊精和葡萄糖，以工业葡萄糖代替食用葡萄糖。同时，使用稀薄的培养基，适当减少碳氮配比。石油作为碳源的微生物发酵不但可以生产以粮食为碳源的发酵产品。有机氮源的节约和代替主要为减少或代替黄豆饼粉、花生饼粉、食用蛋白胨和酵母粉等含有丰富蛋白

20、质的原料。代用的原料可以是棉籽饼粉、玉米浆、蚕蛹粉、杂鱼粉、黄浆水或麸汁、饲料酵母、石油酵母、骨胶、菌体、酒糟，以及各种食品工业下脚料等。这些代用品大多蛋白质含量丰富，氮源充足，价格低廉，便于就地取材，方便运输。3、有利于减少培养基原料的单耗减少培养基原料的单耗，即提高单位营养物质所合成产物数量或最大产率。4、有利于提高培养基和产物的浓度，以提高单位容提高单位容积发酵罐的生产能力积发酵罐的生产能力。5、有利于提高产物的合成速度提高产物的合成速度，缩短发酵周期。6、尽量减少副产物的形成减少副产物的形成，便于产物的分离纯化。7、所用原料尽可能减少对发酵过程中通气搅拌的影响，利于提高氧的利用率提高氧

21、的利用率，降低能耗。8、有利于产品的分离纯化，并尽可能减少产生减少产生“三三废废”的物质的物质。三、培养基的优化 在对培养基进行优化的实际工作中，常常需要同时考察 3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。正交正交设计就是安排多因素试验、寻求最优水平设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。组合的一种高效率试验设计方法。正交设计的基本特点基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分 析，了解全面试验的情况。1 正交表及其用法 正交表是一种特制的表格正交表是一种特制的表格,以以L9(34)为为例来说明例来

22、说明.字母字母L表示正交表表示正交表,数字数字9表示表示这张表共有这张表共有9行行,说明用这张表安排试验说明用这张表安排试验要做要做9次试验次试验;数字数字4表示这张表共有表示这张表共有4列列.说明用这张表最多可安排说明用这张表最多可安排4个个;数字数字3表表示在表中主体部分只出现示在表中主体部分只出现1,2,3三个数字三个数字,它们分别代表因素的三个水平它们分别代表因素的三个水平,说明各因说明各因素都是素都是3个水平个水平.正交表的构造正交表的构造遵循搭配均匀、散布均衡遵循搭配均匀、散布均衡的规律的规律.列列号号试验号试验号1234111112122231333421235223162312

23、731328321393321例例 某发酵实验室为了提高枯草芽孢杆菌活菌某发酵实验室为了提高枯草芽孢杆菌活菌生产能力，需要通过试验选择最好的发酵生产能力，需要通过试验选择最好的发酵培养基配制方案。经初步分析，主要有培养基配制方案。经初步分析，主要有3个个因素影响枯草芽孢杆菌活菌生产能力，它因素影响枯草芽孢杆菌活菌生产能力，它们是牛肉膏、蛋白胨和们是牛肉膏、蛋白胨和NaCl，每个因素都，每个因素都考虑考虑3个水平，具体情况如表。问对这个水平，具体情况如表。问对这3个个因素的因素的3个水平如何安排，才能获得最高的个水平如何安排，才能获得最高的枯草芽孢杆菌活菌含量？枯草芽孢杆菌活菌含量？3因素3水平

24、的实验安排 因因素素水平水平牛肉膏牛肉膏（g）蛋白胨蛋白胨（g）氯化钠氯化钠（g）12842310534126 对对3个因素的个因素的3个水平的问题，如果每个水平的问题，如果每个因素的每个水平都互相搭配进行全面试个因素的每个水平都互相搭配进行全面试验，必须做验，必须做33=27次试验。按正交表次试验。按正交表L9(34)的前的前3列安排试验只须做列安排试验只须做9次试验。次试验。9次试验次试验的结果如下：的结果如下：列号列号试验号试验号1A2B3C菌体浓度菌体浓度（g/L）菌体浓度菌体浓度-1350111113651521221395453133138535421213904052231395

25、456231138030731313904083211390409332141060K1959585K2115130145K3140125120k131.731.728.3k238.343.348.3k346.741.740.0极极 差差15.011.620.0优优方案方案A3B2C2 Ki这一行的这一行的3个数分别是因素个数分别是因素A、B、C的第的第i个水平所对应的菌体浓度之和。个水平所对应的菌体浓度之和。ki为为i水平的平均值。极差是同一列中水平的平均值。极差是同一列中k1、k2、k3这这3个数中最大者减去最个数中最大者减去最小者，反映了因素水平对试验指标的小者，反映了因素水平对试验指标

26、的影响程度。影响程度。本例中各因素对试验指标菌体本例中各因素对试验指标菌体浓度的影响按大小顺序来说浓度的影响按大小顺序来说C氯化氯化钠、钠、A牛肉膏牛肉膏、B蛋白胨，最好方案蛋白胨，最好方案是是C2A3B2即：即：C2氯化钠，第氯化钠，第2水平：水平：5 A3牛肉膏，第牛肉膏，第3水平：水平：4 B2蛋白胨，第蛋白胨，第2水平：水平：10 正交试验设计的基本步骤正交试验设计的基本步骤 正交试验设计（简称正交设计）的基本程序是正交试验设计（简称正交设计）的基本程序是设计试验方案和处理试验结果两大部分。主要步骤设计试验方案和处理试验结果两大部分。主要步骤可归纳如下：可归纳如下：第一步，明确试验目的

27、，确定考核指标。第一步，明确试验目的，确定考核指标。第二步，挑因素，选水平。第二步，挑因素，选水平。第三步，选择合适的正交表。第三步，选择合适的正交表。第四步，进行表头设计。第四步，进行表头设计。第五步，确定试验方案。第五步，确定试验方案。第六步，试验结果分析。第六步，试验结果分析。本章主要内容 第一节 发酵营养基质的组成 第二节 工业发酵中营养基质的种类 第三节 培养基的确定和优化 第四节第四节 原料的选择及工业发酵中原料的选择及工业发酵中 重要营养基质的配制方法重要营养基质的配制方法第四节 原料的选择及工业发酵中重要营养基质的配制方法一、原料的定义及选择原则1、原料的定义：从工艺角度来讲，

28、凡是能被微生物利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。2、原料选择的原则 资源丰富，价格低廉，易收集，易储藏，对人体无害，影响发酵过程的杂质含量应极少或几乎不含，适合微生物的需要和吸收利用，对生产中除发酵以外的其他方面，如通气、搅拌、精制、废弃物处理等带来的困难最少。二、常用主要原料常用原料种类 薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦等。野生植物：橡籽仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香附子等。农产品加工副产物：米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。非粮食生物质原料：纤维素、木质素、半纤维素等。三、发酵工业中重要营养基质的配

29、制方法1、淀粉的组成和特性（1）淀粉颗粒的外观 淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，其内部呈复杂的结晶组织。随原料品种和种类的不同，淀粉颗粒具有不同的形状和大小。形状不规则，大致上可分为圆形、椭圆形和多角形。一般说来，水份含量高，蛋白少的植物，颗粒较大，形状较整齐，大多为圆形或卵形，如马铃薯、甘薯的淀粉。颗粒较大的薯类淀粉较易糊化，颗粒较小的谷物淀粉相对较难糊化。偏光显微镜下淀粉颗粒的偏偏光十字光十字(400倍)显微镜下淀粉颗粒结构板栗淀粉粒（一）淀粉质原料制糖工艺及培养基的配制方法籼米淀粉粒偏光显微镜下淀粉颗粒的偏偏光十字光十字(400倍)显微镜下淀粉颗粒结构薏米淀粉粒（2）淀粉分子的组成

30、 淀粉的本质是由葡萄糖脱水聚合而成的，可以表示为（C6H10O5）n。可分为直连淀粉和支链淀粉，直链淀粉通过-1，4键连接。支链淀粉的直链部分通过-1，4键连接，分支点则有-1，6键连接。支链淀粉淀粉分子颗淀粉分子颗粒构成过程：粒构成过程：淀粉分子链淀粉分子链针状晶体针状晶体淀粉颗粒淀粉颗粒氢键氢键聚集聚集淀粉分子颗淀粉分子颗粒构成过程：粒构成过程：淀粉分子链淀粉分子链针状晶体针状晶体淀粉颗粒淀粉颗粒氢键氢键聚集聚集（3）淀粉的理化性质 淀粉一般呈白色粉末状，在热水中能溶胀。纯支链淀粉能溶于冷水中，而直链淀粉不能，直链淀粉能溶于热水。淀粉没有还原性，也没有甜味，不溶于冷水、也不溶于酒精、乙醚等

31、有机溶剂。糊化糊化：淀粉在热水中能吸收水分而膨胀，最后淀粉颗粒破裂，淀粉分子溶于水中形成一种均一的糊状胶体溶液，这就是糊化。溶解或液化溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高温度至 130，由于支链淀粉的全部（几乎）溶解，网状结构彻底破坏，淀粉溶液的粘度迅速下降，变为流动性较好的醪液，这种现象称为淀粉的溶解或液化。利用淀粉质原料制备淀粉要经过粗淀粉的精制过程，除去蛋白质、纤维素、脂类物质、灰分等。精制后的淀粉纯度为83%84%。2、淀粉水解的原理（1）淀粉的水解反应 淀粉糖化中的主要反应，本质是-1，4键和-1，6键被打开，分子量逐渐减小，糖苷键的断裂是随机的。反应趋势是：淀粉糊精低聚糖葡萄糖。糊精：

32、糊精：淀粉经酶法或化学方法水解得到的降解产物，为数个至数十个葡萄糖单位的寡糖和聚糖的混合物。麦芽糖麦芽糖(maltose)：两个葡萄糖分子以-1，4-糖苷键连接构成的二糖。为淀粉经淀粉酶作用下得到的产物。（2）葡萄糖的复合反应 葡糖在热和酸的情况下发生聚合反应，生成异麦芽糖、龙胆二糖等等，反应可逆，可经过再加酸水解一次来减少。（3）葡萄糖的分解反应 葡糖发生的较弱的脱水反应，生成5-羟甲基糠醛，又进一步分解为乙酰丙酸、甲酸等，这些物质相互聚合，或与氨基酸聚合，生成有色物质。淀粉淀粉水解反应糊精水解反应麦芽糖葡萄糖复合反应分解反应复合二糖5-羟甲基糠醛低聚糖有机酸、有色物质图 淀粉水解过程中发生

33、的化学反应3、淀粉水解糖制备方法概述（1）酸解法（）酸解法（acid hydrolysis method）是淀粉水解糖制备的传统方法，它是以无机酸（现在也用有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。优点：工艺简单、水解时间短、设备生产能力大。目前广泛采用此法。缺点：高温高压以及酸的腐蚀对设备有一定要求；副反应多，影响水解液质量；对原料要求严格，原料淀粉颗粒必须大小均匀，否则造成水解不均一不彻底；废水难处理。（2）酶解法（）酶解法（enzyme hydrolysis method）是用专一性很强的淀粉酶将原料淀粉水解为糊精和低聚糖，在用糖化酶继续水解为葡糖的制糖工艺。酶解法一般分为

34、两步进行：液化（liquification）和糖化（saccharification），因为都用到酶，所以又称双酶水解法（double-enzyme hydrolysis method）。优点：条件温和，设备要求低；酶专一性强，副反应少；淀粉液初始浓度较高，要求较低（颗粒大小可以不均一）；糖液颜色浅，较纯净。缺点：生产周期长（常需要数十个小时），需要专门设备（如培养酶的设备），过滤困难（酶是蛋白质）。但随着酶制剂工业的发展，酶法取代酸法是淀粉水解糖技术发张的必然趋势。（3）酸酶结合法（）酸酶结合法（acid-enzyme hydrolysis method）是结合了酸法和酶法的水解糖制备工艺，

35、兼具两者特点。又可分为酸酶法和酶酸法两种。u酸酶法：先将淀粉用酸水解成低聚糖和糊精，在用糖化酶将其水解为葡萄糖的工艺。有些原料的淀粉，如玉米、小麦的淀粉颗粒坚实，用-淀粉酶短时间内往往作用不彻底，因此有些工厂就先用酸将淀粉水解到一定程度（DE值约为15），再用糖化酶糖化，解决了这一问题。u酶酸法：是先用-淀粉酶将原料淀粉水解到一定程度，过滤除去杂志后，再用酸完全水解的工艺。该法适用于较粗的原料，如大米淀粉，可以弥补酸法对原料要求较高的缺点，提高原料利用率。表 酸法和酶法制糖工艺比较比较项目酸 法酶 法葡萄糖值（DE值）9198淀粉原料浓度18%21%34%40%葡萄糖含量（干重）86%97%灰

36、分1.6%0.1%蛋白质0.08%0.1%5-羟甲基糠醛0.3%0.003%色度10.00.2淀粉转化率90%98%工艺条件高温高压较温和过程能耗高低副产物多少生产周期短长设备规模小大设备生产能力大小设备要求耐高温高压，耐腐蚀不需耐高温高压，耐腐蚀葡萄糖收率较低较酸法高约10%4、淀粉酸水解法工艺流程（1）淀粉酸解法工艺流程：淀粉调浆过筛加酸进料糖化放料冷却中和脱色过滤糖液u中和：从糖化锅出来的糖化液是酸性的，淀粉浆的pH一般1.5左右，所以必须先中和，且中和可以通过等电点将蛋白质和氨基酸杂质去掉。一次中和pH：4.85.0，二次中和pH：6.77.0。用纯碱和烧碱中和，前者要避免产生泡沫，后

37、者要边搅边加避免局部过碱产生焦糖。从糖化锅出来的糖化液温度很高（140150），需先通过缓冲桶降温至70 80。u脱色：除去对发酵过程和发酵产品不利的杂质和有色物质。有活性炭法、离子交换树脂法和新型磺化煤法。u压滤：温度适宜：过高使蛋白质等杂质沉淀不完全，过低糖液粘度过大，一般控制在60 70；压滤机要定时出渣，防止滤布堵塞；滤布保持清洁，经常清洗。（2）酸水解技术条件一般选择和原因：淀粉乳浓度18%21%：浓度低，水解容易，糖液DE值高，质量高，但是原料的糖化速度低；反之糖化质量下降但速度较快。一般精制淀粉乳的浓度可比粗制淀粉乳浓度选择高些。盐酸用量为干淀粉的0.5%0.8%，使淀粉乳pH达

38、到1.5左右：酸提供H+，是反应的催化剂，酸用量大，水解快，但副反应也强。进料压力0.02 0.03MPa；水解压力0.28 0.32MPa：淀粉水解的加热介质是水蒸气，由于糖化锅有专门管道不断排出不凝性气体，因此锅内充满水蒸气，其温度和压力是正相关的。工业上一般控制压力，压力低水解慢，压力高虽然水解快，但副反应也快，并且锅体腐蚀也快。水解时间一般15min左右：糖化锅容积不能太大，保证进料放料迅速，保证在有效的时间内蒸汽能均匀地作用于底物，避免水解不彻底，且尽量避免副反应；糖化锅附属管道设计也应尽量保证缩短辅助时间。水解终点检查，一般用无水酒精检查无白色无水酒精检查无白色反应为止反应为止。图

39、 典型糖化锅构造1、原料淀粉进口1；2、热水进口；3、搅拌器；4、加热蒸汽管道进口；5、蒸汽冷凝水出口；6、糖化液放料口；7、不凝性气体排出口；8耳架；9、原料淀粉进料口2；10、环形槽；11、污水排出口；12、风门（3）淀粉酸水解过程中的一些因素 淀粉乳浓度：浓度低，水解容易，糖液DE值高，质量高，但是原料的糖化速度低；反之糖化质量下降但速度较快。一般精制淀粉乳的浓度可比粗制淀粉乳浓度选择高些。酸的种类和浓度的影响：酸提供H+，是反应的催化剂，酸用量大，水解快，但副反应也强。盐酸：高效，但中和后产生氯化物，增加糖液灰分，对葡萄糖的结晶，分离及收率会有影响。硫酸：能力仅次于盐酸，用碳酸钙中和，

40、经脱色，离子交换可除去。草酸：能力低，用石灰中和生成草酸钙，脱色过滤易除去，非强酸，减少了复合反应。糖化温度和时间：淀粉水解的加热介质是水蒸气，由于糖化锅有专门管道不断排出不凝性气体，因此锅内充满水蒸气，其温度和压力是正相关的。工业上一般控制压力，压力低水解慢，压力高虽然水解快，但副反应也快，并且锅体腐蚀也快。5、淀粉酶水解法工艺流程酶法主要用到-淀粉酶和糖化酶两种酶，因此又叫双酶水解法。淀粉酶解法工艺流程：液化糖化灭酶过滤贮糖计量发酵（1）液化：u 定义：定义：双酶水解法的第一个步骤，使用-淀粉酶的催化作用水解原料淀粉，使淀粉液黏度不断下降，流动性增强的过程。国内一般使用的-淀粉酶来源于枯草

41、芽孢杆菌（Bacillus subtilis），作用于-1,4糖苷键，可越过-1,6糖苷键作用于直连淀粉和支链淀粉，主要产物是麦芽糖和葡萄糖。u 工艺要点：工艺要点：淀粉状态淀粉状态：淀粉在液化前必须先糊化，破坏其晶体结构，使淀粉分子浸出，再加入-淀粉酶。酶只在淀粉颗粒表面反应，淀粉颗粒的水解速度和淀粉糊化液的水解速度之比为1:20000。温度温度：目前-淀粉酶的最适作用温度为40。但生产上为尽快完成液化，一般温度为8090，并加入钙离子作为保护剂。研究耐高温的-淀粉酶是双酶水解法的热点问题。pH值值：-淀粉酶在pH6.0 7.0稳定，最适pH为6.27.4。但也与温度有关系。其他因素其他因素

42、：淀粉乳中的淀粉和糊精本身对酶有保护作用；-淀粉酶是金属酶，活性依赖钙离子；酶的用量，这依淀粉酶的活力和原料而定。液化程度的控制液化程度的控制：酶法液化虽然副产物少，但时间较长以后也会使产物重新结合成大分子（类似淀粉糊化时间过长引起的淀粉老化现象），影响下一步糖化。因此一般液化时间控制在10 15min，DE值10 20即可。用碘液显色法控制液化终点(见下表)。葡萄糖聚合度与碘液呈色最高吸收波长（nm）78无色48016淡红色51021红色54028红紫色56034紫色58041兰紫色60061兰色620120兰色630330兰色630葡萄糖聚合度与碘液的呈色表（2）糖化：u 定义：定义：利用

43、糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将-淀粉酶产生的液化产物进一步水解成葡萄糖。糖化酶的作用方式是从底物的非还原糖末端开始切下葡萄糖单位，产生-葡萄糖，是外切酶。即可作用于-1,4糖苷键，也可作用于-1,6糖苷键，但速度较慢，约为前者的1/3。u 工艺要点：工艺要点：糖化pH：微偏酸，且和温度及酶的来源相关。温度：50左右 糖化酶用量：一般30%淀粉浓度，加酶80100活力单位/g淀粉。糖化时间：24小时左右，用无水酒精检验无糊精存在时，糖化结束，然后将升温至100 5min灭酶，降温、过滤进入储罐准备发酵使用。总而言之，双酶法制糖比酸法条件温和且生产的糖液质量高。固定化酶在淀粉制糖中的应用，将使酶法水

44、解工艺更上一个台阶。（二）糖蜜原料培养基的制备过程 糖蜜是很好的发酵原料。糖蜜用于发酵生产，可大幅度降低成本，节约能源，节约酸、碱，简化操作，便于实行高糖发酵工艺。目前国内用糖蜜，以工业化规模进行生产的产品有：酒精、丙酮丁醇、柠檬酸、谷氨酸、酵母、甘油、醋酸、乳酸、衣康酸、琥珀酸、草酸、葡萄糖酸和抗生素等。另外也用作饲料。1、糖蜜的概念：发酵工业上所谓的糖蜜，主要是指制糖工业上的废糖蜜而言的。所谓废糖蜜（waste molasses），就是指不能再用以煮制糖品的废糖蜜，有的亦称终糖蜜或赤糖蜜。2、糖蜜的种类根据来源的不同，糖蜜分为甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和高级糖蜜等。其中的高级糖蜜是指甘蔗榨汁(糖浆

45、)加入适量的硫酸或用酵母的转化酶处理，制成转化糖，该蜜由于提高了溶解度，可使糖浓度提高到70-85。此外，还有两种废糖蜜：一种是精制粗糖时所分离出的糖蜜，称为粗糖蜜，另一种是葡萄糖工业上，不能再结晶葡萄糖的母液称为葡萄糖蜜。3、糖蜜原料的性质和组成 糖蜜的外观，是一种粘稠、黑褐色呈半流动状的物体。pH5.5左右，相对密度1.43。糖蜜的组成，因制糖原料的种植、贮藏及加工方法等条件的不同而有 差异。其一般组成见下表。各种 糖蜜中的糖类组成也不相同。糖蜜4、糖蜜原料的预处理（1）澄清：主要目的去除其中的灰分和胶体物质。硫酸处理法：糖蜜加水（1:1)，再加硫酸，pH2.0，于95-100加热20mi

46、n，以使胶体分解，并促使蔗糖转化，也可以在此时驱除可能存在的有碍于菌体的亚硝酸，然后用15%右灰乳中和处理，由于生成大量的石膏，以及钙离子的离子置换作用，可除去大量的钾、钠等金属元素，从而得到澄清糖液。石灰处理法：糖蜜加水(1:1)，加15新鲜石灰乳，调节pH7.5-7.2，加热至100，煮沸30min，使胶体破坏，然后以硫酸中和，静置澄清数小时，便得到澄清透明的糖液。（2）脱钙：作为钙质的沉淀剂，通常有Na2SO3、Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4、草酸和草酸钾等。目前常用Na2CO3(纯碱)作为钙盐沉淀剂进行处理。方法：向糖蜜中加入4%的纯碱，稀释到30%，80加热30min，沉

47、淀过滤，糖蜜中钙盐浓度可降到0.020.06%。（3）谷氨酸的发酵中生物素的脱除脱除糖蜜中生物素的目的 由于糖蜜中所含生物素量，远远超过了谷氨酸生产菌发酵生产谷氨酸时，所需要的生物素量(亚适量)，即所谓生物素过剩。因此，糖蜜原料发酵生产谷氨酸，不能原封不动地采用淀粉水解糖原料的发酵方法。否则，由于生物素过高，会导致光长菌体，不生产谷氨酸的后果。脱除糖蜜中的生物素的方法，主要有：活性炭法、树脂处理法、亚硝酸处理法，以及射线照射法等。本章要掌握的内容1、掌握发酵营养基质的组成成分、功能和来源；2、掌握发酵微生物的营养基质的种类；3、掌握发酵培养基营养基质的选择所遵循的原则；4、了解发酵工业中常用的营养基质的配制方法。