1、应用微生物应用微生物章初龙章初龙生物技术研究所生物技术研究所十二、微生物与食品十二、微生物与食品 微生物与食品生产 微生物菌体的应用食用菌、单细胞蛋白、微生态调节剂（微生物与农业）微生物代谢产物的应用食醋、酒类、乳制品、酱油、氨基酸、有机酸 利用微生物酶生产食品淀粉酶、蛋白酶 微生物与食品腐败变质 食品贮藏中的微生物控制微生物发酵生产酒精和酒类微生物发酵生产酒精和酒类 酒精发酵是最重要的发酵工业之一 首先通过糖化剂的作用，将淀粉、纤维素等大分子有机物转化为可发酵性糖（单糖），再通过酵母或细菌的作用，将可发酵性糖转化为乙醇 糖化作用将淀粉、纤维素等大分子有机物转化为葡萄糖 糖化过程利用酸水解、酶
2、解或某些微生物将大分子有机物水解为葡萄糖的过程 糖化菌能将大分子有机物转化为葡萄糖的微生物发酵法生产酒精发酵法生产酒精酒精生产多采用固定化酵母或活性干酵母连续发酵法，原料以淀粉、糖蜜为主，以纤维素、半纤维素为原料蒸馏酒采用间歇发酵法，中国白酒传统上采用固体发酵法，以大麦、谷物等粮食为主，以水果为原料生产蒸馏酒用淀粉质原料发酵生产酒精用淀粉质原料发酵生产酒精淀粉质原料：甘薯、玉米、高梁等生产工艺：原料蒸煮，冷至60左右，加麸曲或液曲进行糖化制成糖化醪，送入发酵槽，加酒醪发酵，再蒸馏出酒精糖化剂的选择 固体曲，米曲霉培养的黄曲，糖化酶不耐酸，发酵效率75-80；黑曲霉培养的黑曲，发酵效率90-92
3、 液体曲，大规模生产用糖蜜原料发酵生产酒精用糖蜜原料发酵生产酒精糖蜜：甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，糖分多，多为可发酵性糖；干物质浓度高；杂菌多，特别是产酸细菌，需灭菌或酸化处理；甜菜糖蜜碱性，甘蔗糖蜜微酸性，需酸中和调整pH为44.5；胶体物质（果胶质焦糖黑色素）、灰分含量多；重金属离子少，但微量重金属离子，特别是铜离子能抑制酵母可以直接用酵母进行酒精发酵，工艺过程中不需考虑原料的酶水解或酸水解，需选用强壮能耐高温、高酸、高浓度的酵母菌种生产工艺：原糖蜜加水加酸加营养盐制备稀糖液，加热灭菌，制备发酵醪，加酒母进行稀糖液发酵，蒸馏出酒精用纤维素原料生产酒精，用纤维素原料生产酒精，纤维质原料主要由纤维素、
4、半纤维素和木质素构成关键是将纤维素、半纤维素水解为可发酵性糖工艺过程：原料预处理、纤维素酶解、水解物发酵 纤维质原料组成成分复杂且稳定，存在许多物理和化学屏障，酶制剂难以与纤维素接触，不能迅速完成酶促反应。纤维素酶水解得率低，仅为10%20%左右 目的是破坏木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶性，增加其多孔性，使酶制剂与纤维素充分接触，完成酶促反应工艺过程：原料预处理、纤维素酶解、水解物发酵 糖化发酵二段发酵法：先进行纤维素和半纤维素酶解，产生葡萄糖、木糖等可发酵性糖，再进一步发酵产生乙醇等物质p产酶、酶解、发酵三个步骤所需条件各不相同，整个过程时间较长，需要二种微生物的作用，工艺较复杂 同时糖
5、化发酵法：在同一装置内同时进行纤维素的酶水解和发酵糖化p可消除纤维素酶水解时产生的水解产物（葡萄糖）积累，从而消除对酶水解作用的反馈抑制，缩短发酵时间，但仍需二种微生物的分别作用p纤维素酶的最适温度50，酵母发酵温度37-40，最终产物乙醇对纤维素酶和微生物的活性、中间代谢产物木糖对水解过程都有抑制作用p选用耐热酵母菌或耐热酵母菌与普通酵母菌混合发酵，以解决最适温度差异问题p基因工程在酒精发酵菌中引入利用木糖的基因，减弱木糖的抑制作用 产纤维素酶菌种p许多微生物都能产生纤维素酶，多数为丝状真菌p工业上普遍应用里氏木霉，分泌的纤维素酶是多种酶的混合物，包括葡聚糖内切酶、纤维二糖水解酶和-葡萄糖苷
6、酶p葡聚糖内切酶内切纤维素分子形成大量非还原性末端，纤维二糖水解酶作用于非还原性末端形成纤维二糖，-葡萄糖苷酶将纤维二糖水解为葡萄糖p对结晶状纤维素催化速度慢，中间产物和终产物抑制纤维素水解酶的活性p采用糖化同步发酵法可大幅度解除葡萄糖对纤维素水解的抑制作用酒精发酵微生物的改良酒精发酵微生物的改良 耐高温-淀粉酶的应用 淀粉质原料浓度高，连续蒸煮器糊化淀粉，蒸煮后粘度非常大，在淀粉糊化过程中必须加入能耐高温的-淀粉酶液化淀粉，降低粘度，便于随后的酒精发酵 工业生产菌株有枯草芽胞杆菌、地衣芽胞杆菌等，最适温度分别为60-70和95，耐热能力80-85和105 采用重组DNA技术构建耐热性-淀粉酶
7、 糖化酶产生菌的选育 糖化酶产生菌有根霉和曲霉两大类。通过人工诱变可以提高糖化力 酒精酵母的选育 传统酒精发酵工艺，糖质量浓度0.16-0.25 g/mL，酵母菌只能产生体积分数为6-12的乙醇，更高的底物浓度和乙醇浓度对酵母菌生长和发酵会产生抑制作用 筛选和构建能够糖化的酒精酵母、耐高浓度酒精和高渗透压的酵母菌、耐高温的酵母菌，并把这些酵母菌应用于超浓醪，发酵生产高浓度酒精，可以节省发酵和蒸馏过程中的能量消耗，提高设备利用率，减少劳动力和提高酒精产量应用细菌的酒精发酵法 细菌能进行乙醇发醇的种不多：发酵单胞菌、胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等，按ED途径进行酒精发酵运动发酵单胞菌发酵生产酒精优缺
8、点优点：耐高糖能力400g/L；耐乙醇能力100g/L；低生物产量和高乙醇收率（在厌氧条件下，每消耗1mol/L葡萄糖，可得1.9mol/L乙醇）；比生产速率和发酵速度快。缺点：底物范围窄，以葡萄糖和果糖为碳源时效果好，蔗糖发酵会产生大量副产物果聚糖和山梨醇；不能利用其他糖类和脂肪酸；生产上容易染菌，对pH控制比酵母严格；培养时分泌胞外物，导致培养基粘度增加和形成稳定的泡沫微生物发酵生产有机酸微生物发酵生产有机酸 真菌分泌有机酸，代替从植物果实中通过榨汁获取有机酸 发酵法生产有机酸是工业微生物的重要应用领域 柠檬酸、苹果酸、乳酸、葡萄糖酸、酒石酸、衣康酸、富马酸等谷氨酸发酵调味剂天冬氨酸酶法，
9、发酵药物，甜味剂原料赖氨酸发酵饮料添加剂，必需氨基酸精氨酸发酵，抽提大输液，药物蛋氨酸合成饮料添加剂，必需氨基酸鸟氨酸发酵，合成药物甘氨酸合成食品营养强化剂，抗菌剂半胱氨酸抽提改善面包品质，抗氧化剂丙氨酸酶法，发酵调味胱氨酸抽提药物丝氨酸合成，发酵化妆品苯丙氨酸发酵，合成大输液，甜味剂原料，必需氨基酸苏氨酸发酵，合成饮料添加剂，必需氨基酸酪氨酸抽提大输液缬氨酸发酵，合成大输液，必需氨基酸组氨酸发酵，抽提药物亮氨酸发酵，抽提大输液，必需氨基酸色氨酸合成，发酵大输液，必需氨基酸异亮氨酸发酵，合成大输液，必需氨基酸脯氨酸发酵大输液，药物原料工业化生产氨基酸工业化生产氨基酸二、微生物与食品腐败变质二、
10、微生物与食品腐败变质 不同食品的腐败变质，涉及的微生物过程和产物不一 以蛋白质为主的食物，在分解蛋白质的微生物作用下产生氨基酸、胺、氨、硫化氢等，产生特殊的臭味，腐败 以碳水化合物为主的食品在分解糖类的微生物作用下，产生有机酸、乙醇等，造成食品酸度升高，酸败 以脂肪为主的食物在解脂微生物的作用下，产生脂肪酸、甘油等，特征是产生酸和刺鼻的气味，酸败食品中微生物的消长及其条件食品中微生物的消长及其条件 食品中微生物的来源 食品原料运输贮藏加工前的微生物污染 加工过程中清洗、消毒、灭菌、烘烤、油炸等抑制或杀灭微生物，微生物残存 加工后食品的再次污染微生物引起食品腐败变质条件 食品本身的组成成分和理化
11、状态1.营养成分：丰富2.pH：一般食品pH7.0以下，水果和乳酸发酵制品pH4.5以下（酸性食品）。微生物活动会改变pH3.水分：结合水、游离水4.渗透压 食品环境1.温度2.气体：氧气 湿度 新鲜果蔬和果汁的腐败变质 水果蔬菜变质：污染微生物来自环境或果蔬本身带的微生物，酵母菌、霉菌和少数细菌，分解破坏植物细胞组织，出现酸味、酒味、臭味 果汁：乳酸菌以果汁中的糖分、柠檬酸、苹果酸等有机酸为基质的乳酸发酵、酵母菌引起的酒精发酵，常见的霉菌是青霉和曲霉，变质后出现混浊，产生酒精和有机酸变化 乳及乳制品的腐败变质 污染微生物主要是乳酸细菌、胨化细菌、脂肪分解细菌、产气细菌、产碱细菌以及酵母菌、霉
12、菌各种食品的腐败变质各种食品的腐败变质 乳及乳制品的腐败变质 鲜乳污染微生物主要是乳酸细菌、胨化细菌、脂肪分解细菌、产气细菌、产碱细菌以及酵母菌、霉菌 肉鱼蛋类的腐败变质 肉，病原菌、环境中腐生性微生物污染，乳酸菌、酵母菌、G-细菌的生长形成菌苔而发粘，分解蛋白质产生H2S，与血红蛋白形成硫化氢血红蛋白而变成暗绿色，产生各种异味 鱼，水生微生物污染，假单胞菌、无色杆菌、黄杆菌、产碱杆菌、气单胞菌 蛋，罐藏食品的腐败变质 杀菌不彻底，嗜热性芽孢杆菌，引起罐内pH下降0.1-0.3，平酸变质；嗜热性厌氧菌腐败，产气产酸并使罐头胀裂；产生硫化物腐败食品 杀菌不彻底，厌氧性梭状芽孢杆菌，丁酸发酵产生H
13、2和CO2 密封不良，漏罐，不产芽孢的细菌，使罐内食品生生浑浊、沉淀、风味改变、产气胀罐 食物中毒 细菌性食物中毒p沙门氏菌类食物中毒：沙门氏菌主要污染鱼、禽蛋、乳品等p金黄色葡萄球菌食物中毒：金黄色葡萄球菌产生外毒素和肠毒素，乳及乳制品、腌肉、禽蛋、淀粉质食品p条件致病菌食物中毒：大肠杆菌中一些具有特异抗原性的血清型菌株p副溶血性弧菌食物中毒：嗜盐不产芽胞G-，海产品、肉类，繁殖快p肉毒梭状芽孢杆菌食物中毒：肉毒毒素，毒性大，易污染蔬菜、豆类、鱼肉蛋等蛋白质丰富食品p蜡状芽孢杆菌食物中毒：活菌体和肠毒素，带菌率高，易污染食品微生物腐败变质的危害食品微生物腐败变质的危害 霉菌性食物中毒p黄曲霉毒素中毒：p赤霉病麦中毒：禾谷镰刀菌、串珠镰刀菌等，呕吐毒素、玉米赤霉烯酮p黄变米中毒：黄绿青霉产生黄绿青霉素，毒性强，神经毒素；桔青霉产生桔青霉素，损害肾脏；岛青霉产生黄天精和岛青霉素，毒害肝脏p麦角中毒：麦角菌，麦角胺、麦角碱、麦角新碱p甘蔗霉变中毒：节菱孢菌，3-硝基丙酸，神经毒素，主要损害中枢神经系统 传播人畜疾病 炭疽病菌 布鲁氏杆菌 结核杆菌 食品贮藏中微生物污染的预防与控制 防止和减少食品微生物污染腐败的主要保藏方法 冷藏 加热加工 干燥 辐射 化学防腐剂 发酵或腌渍食品贮藏中的微生物控制食品贮藏中的微生物控制
