5-微生物在食品发酵工业中的应用

第

五

章

微生物在食品发酵 工业中的应用2015/8/17 1

应用于发酵工业的微生物种类，主要有：

细菌，放线菌，酵母菌，霉菌等。

人类对微生物的应用可概括为两大方面： 利用微生物的酶及其代谢产物； 利用微生的菌体及其内含物。

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主要内容 一、微 生 物 的 酶 及 微 生 物 代 谢

产物的应用 二、微 生 物 的 菌 体 及 其 内 含 物 的应用

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第 一 节微生物的酶 及微生物代谢产物 的应用2015/8/17 4

一、微生物酶1.1 概况： 酶(enzyme)是活细胞产生的一种生物催 化剂。 酶是一类具有催化功能的蛋白质，能够使 生物体内发生各种各样的生物化学变化，无论 是动物、植物或微生物本身，它们的生长、发 育、繁衍后代等，新陈代谢时所进行的一切生 化变化，几乎都是在酶的催化下发生的，可以 说没有酶就没有生命。酶的催化作用很早就为 人们的生活所利用。2015/8/17 5

1897 年 Buchner 发现酶的细胞外作用现象，从而 导致了酶的商品化生产。最初的商品酶制剂主要以 动植物为原料提取，如从牛胃中提取凝乳酶、从胰 脏中提取胰酶、从血液中提取凝血酶及从植物材料 中提取淀粉酶等。之后，Takamine利用霉菌来生产 淀粉酶使得酶制剂工业取得突破。其方法甚至在今 天仍被采用。 20世纪90年代以后，随着基因工程的广泛介入， 经过酶基因重组， “基因工程 + 发酵工艺 + 先进发 酵设备”可以算是酶工业的第三次飞跃。微生物作 为酶制剂来源的地位得到了进一步的加强，显示出 了动植物无法与其比拟的巨大优越性。2015/8/17 6

用微生物来生产酶产品，具有微生物生长 繁殖快，生活周期短，生产能力几乎可以不受 限制地扩大，能满足迅速扩张的市场需求; 此 外，微生物种类繁多，微生物酶品种齐全.多样 性。近几十年来，微生物酶已经发展成为大规 模的工业生产，成了各种酶制剂的主要来源， 特别是当基因工程介入时，动植物细胞中存在 的酶，几乎都能够利用微生物细胞获得。 因此，有计划和仔细地筛选微生物菌株，通 常可以获得能够生产几乎任何一种酶的适当菌 株。

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1.2 微生物酶的种类:酶的组成与分类 单聚体蛋白 酶蛋白 寡聚体蛋白:谷酰胺合成酶 多聚体蛋白:丙酮酸脱氢酶 酶 辅因子 辅基: 血红素 辅酶: NAD, FAD, 生物素等 激活剂: 金属离子

胞内酶 酶 胞外酶2015/8/17 8

胞内酶的分布： 酶种类 参与物质运输的酶 参与糖代谢的酶 呼吸酶 蛋白质合成酶 光合作用酶2015/8/17

部位 细胞膜 细胞质 内膜或线粒体 核糖体 色素体9

目前巳发现的微生物的酶巳有2500多种，使 用价值高而大量规模化生产

的仅20多种。

主要有，淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶等10余种。 广泛应用于，食品、发酵、纺织、制革、医 药、造纸、日用化工、水产加工、畜禽饲料、三 废处理、化学分析等，其中60%用于食品工业。

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1.3 微生物酶开发的一般程序最佳产酶条件研究

菌种分 离纯化

初筛 复筛

摇瓶 试验

收集发酵液→胞外酶 酶的制备→ 收集菌体→破碎→胞内酶

酶学研究

产品→扩大→工业生产

物理诱变保藏菌种 微生物育种→

化学诱变 遗传工程 分子改造→

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基因工程

二、微生物酶在食品工业中的应用： 利用胞外酶将原料中大分子蛋白质、淀粉等分 解为可被细菌和酵母菌利用的小分子物质，如氨基 酸、葡萄糖等； 利用胞内酶，通过代谢调节和人工控制发酵条 件，利用糖类等某些营养物质在发酵过程中积累大 量的代谢产物，如酒精、氨基酸、柠檬酸、乳酸、 乙酸等发酵产品； 此外，还可利用某些微生物在人工培养过程中 产生大量的酶的特性，从发酵液(物)中提取酶来 生产酶制剂(淀粉酶、蛋白酶、纤维素分解酶等) , 广泛用于食品发酵、制药、制糖、制革和饲料工业 中。2015/8/17 12

2.1

用于酒精发酵：淀粉质原料 → 葡萄糖 十 曲(含“糖化酶”) → 糖化

酵母菌(“酒化 酶”)

发酵为酒精。

制曲方法不同，酒精发酵方法也随之不同，常用的 有：液体曲糖化法、根霉糖化法(Amylo法)、麸曲糖 化法(固体曲)、加酶糖化法和麦芽糖化法等。目前 国内以液体曲糖化法为主，以黑曲霉培养的液体曲作 为淀粉质原料的糖化剂。

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发酵机理 淀粉质原料

黑曲霉糖化酶

葡萄糖 酒精 十 CO2

酵母菌EMP途径(行厌氧发酵)

目前，常用糖化酶产生菌是： 黑曲霉As3.4309(俗称UV—11号),该菌产糖化 酶系纯、糖化力较高、耐高温、耐低pH、糖化时最适 温度600C 最适 pH4.0~4.6。

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酒精酵母酶系较复杂，主要有： ① 蔗糖转化酶：将蔗糖 葡萄糖 十 果糖；

② 麦芽糖酶： 将麦芽糖③

2个葡萄糖；酒

酒化酶系(类):参与催化葡萄糖 精 十 CO2 的各种酶的总称。

酒精发酵不需游离氧参加，否则酵母菌将糖彻底分解 为水和CO2 ,同时获得大量菌体和能量。

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2. 2 用于饮料酒的酿造：供人饮用的、乙醇含量在0.5%~65%(体积分数,V/V)的饮品，包括各种发酵酒、蒸馏酒、配制

酒。发酵酒是以谷物、水果、乳类等为原料，主要 经 “谷物 → 糖化酶糖化→酵母酒化” 或“无需

将原料糖化而直接经酵母发酵”等工艺而制得。酒精含量小于24% (V/V) 的饮料

酒，主要是啤酒、果 酒、黄酒、乳酒和低度白酒等5类。

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2.2.1 用于啤酒酿造：主发酵阶段，啤酒酵母在充02冷却麦芽汁中行有氧 呼吸，可发酵糖类进入TCA循环彻底分解为H2O和CO2 并放大量热量，菌体细胞大量增殖； 后发酵阶段，当酵母增殖到一定程度，即进行厌氧 发酵，可发酵糖类经EMP途径被发酵产生乙醇、CO2 和少量热量。 啤酒发酵是多种酶参与的复杂生化反应过程，只有 95%~96%可发酵性糖生成乙醇与CO2;其余的2.0 %~2.5%用于合成酵母新细胞； 另有1.5~2.5%糖类 转化成高级醇、有机酸、酯类、双乙酰、醛类、含硫 化合物等副产物，给啤酒带来生涩与不成熟的风味。2015/8/17 17

2.2.2 用于葡萄酒酿造： 葡萄汁中的果糖和蔗糖被葡萄酒酵母 酒化酶系经 EMP 途径发酵生成乙醇和CO2, 其中蔗糖先被葡萄酒酵母的蔗糖转化酶分解 为葡萄糖和果糖，再进入 EMP 途径发酵。 葡萄酒酵母的氧化酶可促进葡萄酒的氧化作

用(老熟陈化和色素沉淀等)。

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2.2.3 用于黄酒酿造：以糯米(或籼米、粳米、黍米、玉米)为主要原料， 利用麦曲(或米曲、红曲)为糖化剂，酒药为糖化发 酵剂，进行多菌种混合自然发酵酿造而成的酒精含量 为12%~18%(V/V)的饮料酒。它包括淋饭酒、摊饭 酒和喂饭酒。

新工艺黄酒，则是在上述传统工艺的础上利用纯种 麦曲(黄曲霉或米曲霉)为糖化剂，纯种酒母为发酵 剂，以纯种发酵取代自然发酵。 ① 麦曲： 以破碎的全小麦为原料，主要培殖 曲霉(黄曲霉或米曲霉为主，少量黑曲霉、灰绿曲霉、 青霉),其次含有根霉和毛霉，还有少量酵母等微生 物，作为酿造黄酒的糖化剂。2015/8/17 19

黄曲霉产生液化型淀粉酶(分解淀粉产生糊精、麦芽糖和葡萄糖)和蛋白酶(分解蛋白质产生多肽、 低肽和氨基酸),由这些代谢产物相互作用产生的

色泽、香味等赋予黄酒独特风味并为酵母提供营养物质。传统麦曲采用自然培养，现代用人工接种黄 曲霉，如As3.800和苏16号。 黑曲霉主要产生糖化型淀粉酶，可将淀粉水解 为葡萄糖，常用的黑曲霉有As3.4390(俗称UV-11) 和 As3.758。 实际生产中，在黄曲霉制作的麦曲 中添加少量纯种黑曲霉麸曲或商品黑曲霉糖化酶， 以减少麦曲用量，提高糖化效果。2015/8/17 20

② 酒药：

为小曲中的一个种类，又称药曲。

是以籼米粉、米糠为原料，加入少量中草药 (辣蓼草粉末)主要培殖根霉、毛霉和酵母菌，少 量细菌，作为制备淋饭酒母或以淋饭法酿造甜黄酒 的糖化发酵剂。根霉产生糖化型淀粉酶，可将淀粉水解为葡萄糖， 还产生乳酸、琥珀酸、延胡索酸等

有机酸酶系，降 低基质pH抑杂菌生长，并使酒体醇厚、口味丰满。 传统小曲用自然培菌法，现在用纯种根霉，常用的 有Q303、As3.851、3.852、3.866、3.867和3.868 等。2015/8/17 21

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