食品生物技术：发酵生产工艺流程与关键技术

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：由于培养基的组成对菌种、工艺和经济等方面有影响，因此，培养基的配方要经过反复的试验并综合考虑之后才能确定。发酵产物产量和成品质量与菌种性能及种子的制备情况密切相关。因此，为保证纯种发酵，在生产菌种接种之前要对发酵培养基、空气系统、流加料、发酵罐及管道系统等进行灭菌，还要对环境进行消毒，防止杂菌和噬菌体的大量繁殖。

（一）发酵生产工艺流程

除某些转化过程外，典型的发酵工艺过程大致可以划分为以下6个基本过程：①用作种子扩大培养及发酵生产的各种培养基的配制；②培养基、发酵罐及其附属设备的灭菌；③扩大培养有活性的适量菌种，以一定比例将菌种接入发酵罐中；④控制最适发酵条件使微生物生长并形成大量的代谢产物；⑤将产物提取与精制；⑥回收或处理发酵过程中所产生的三废物质。工业发酵过程的工艺流程及这6个部分之间的相互关系（见图6-1）。因此，有必要不断研究以逐步提高整个发酵过程的效率。如在一个发酵过程建立之前，生产菌株必须分离出来，通过改造使其合成目标产物，并且其产量应具有经济价值；应确定微生物在培养上的需求，并设计相应的设备；同时必须确定产品的分离提取方法。此外，整个研究计划也应包括发酵过程中不断优化微生物菌株、培养基和提取方法。

图6-1　典型的分批发酵流程图

发酵工程主要包括了菌种的选育、培养基的配制、种子扩大培养、发酵过程中发酵条件的控制、产品的分离提纯等内容。

1.菌种的选育

欲通过发酵工程获得令人满意的产品，首先需要有优良的菌种。最初，人们是从自然界寻找所需要的菌种，工作量极大，且不能完全满足工业上大规模生产的需要。随后，人类开始用人工诱变的方法，从突变菌株中筛选出符合要求的优良菌种。这一方法已在氨基酸、核苷酸、某些抗生素等的菌株筛选中获得成功。随着生物技术的发展，现在生物学家开始用细胞工程、基因工程等方法，构建工程细胞或工程菌，再用它们进行发酵，不但可以提高产品的产量和品质，还能针对性地生产出人们需要的产品。

2.培养基的配制

确定菌种之后，需要根据培养基的配制原则，选择原料制备培养基。由于培养基的组成对菌种、工艺和经济等方面有影响，因此，培养基的配方要经过反复的试验并综合考虑之后才能确定。

3.种子扩大培养

在大规模的发酵生产中，菌种要达到一定数量才能够满足接种的需要。种子扩大培养是指将保存在砂土管、冷冻干燥管或冰箱中处于休眠状态的生产菌种，接入试管斜面活化后，再经过摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种培养物的过程。这些纯种培养物称为种子。发酵产物产量和成品质量与菌种性能及种子的制备情况密切相关。

4.发酵条件的控制

在发酵过程中，菌株的生长和产物代谢与细胞所处的环境息息相关。因此，除了取样检测培养液中的细菌数目、产物浓度等，还要及时添加必需的培养基组分，严格控制温度、pH、溶氧、通气量与搅拌速度等发酵条件。随时检测影响发酵过程的各种环境条件，并予以控制，才能保持发酵的正常进行。

5.发酵产物的分离提纯

应用发酵工程生产的产品有两类：一类是代谢产物，另一类是菌体本身，如酵母菌和细菌等。产品不同，分离提纯的方法也不同。如果产品是菌体，可采用过滤、沉淀等方法将菌体从培养液中分离出来；如果产品是代谢产物，可采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。目前，分离提纯是整个发酵生产中成本最高的一部分，开发出高效、经济的分离提纯技术对降低成本至关重要。

（二）发酵工程关键技术(www.chuimin.cn)

1.菌种选育技术

菌种在发酵工业中起着重要作用，是发酵工业的灵魂，是决定发酵产品是否具有产业化价值和商业化价值的关键因素。进行产品的发酵生产，首先要有一株能满足生产需求的高产菌株。野生型微生物自身代谢过程是被严格调控的，并且还存在着代谢产物的分解途径，所有代谢产物都不可能过量积累，一般不能满足生产的需要，所以必须首先进行菌种的分离、纯化和各种选育或基因重组，以供发酵生产使用。

菌种选育是按照生产的要求，以微生物遗传变异理论为依据，采用人工方法使菌种发生变异，再用各种筛选方法筛选出符合要求的目标菌种。菌种选育的目的包括改善菌种的基本特性，以提高目标产物产量、改进质量、降低生产成本、改革工艺、方便管理及综合利用等。选育菌种的基本方法包括自然选育、诱变育种、杂交育种、原生质体融合育种、代谢工程育种、基因工程育种、基因组改组等。

2.纯种培养技术

绝大多数工业发酵都采用纯种培养，要求发酵全过程只能有生产菌，不允许杂菌污染。微生物无菌培养直接关系到生产过程的成败，无菌问题解决不好，轻则导致所需产品数量的减少、质量下降以及后处理困难，重则造成倒灌，严重影响生产。因此，为保证纯种发酵，在生产菌种接种之前要对发酵培养基、空气系统、流加料、发酵罐及管道系统等进行灭菌，还要对环境进行消毒，防止杂菌和噬菌体的大量繁殖。在生产实践中，为了防止杂菌污染，经常要采用消毒与灭菌技术，统称为发酵工业的无菌技术。常用的无菌技术主要有干热灭菌法、湿热灭菌法、射线灭菌法、化学药剂灭菌法、过滤除菌法、火焰灭菌法等。

3.发酵过程优化技术

微生物发酵是菌体大量生长繁殖并逐步合成和积累代谢产物的动态过程，是整个发酵工程的中心环节。发酵过程中发酵罐内部的代谢变化（菌体形态、菌体浓度、营养物质浓度、pH、溶氧浓度、产物浓度、温度等）较为复杂，次级代谢产物的发酵就更加复杂，受到诸多因素影响。因此，有必要进行优化，以提高微生物的发酵效率。发酵过程优化包括微生物细胞层面到宏观生化反应层面的优化，使细胞的生理调节、细胞环境、反应器特性、工艺操作条件与反应器控制之间复杂的相互作用尽可能简化，并对这些条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程进行的系统优化方法，这种优化主要涉及细胞生长过程、微生物反应的化学计量、生物反应动力学以及生物反应器工程方面。

4.发酵过程放大技术

为了达到实验室成果向工业规模推广和过度的目的，一般都要经过中试规模的工艺优化研究。为了克服这些困难，对一些规模比较大的发酵产品，要采取逐级放大的方法。发酵过程放大的方法包括：发酵罐几何相似放大、供氧能力相似放大、菌体代谢相似放大、培养条件相似放大、数学模型模拟与预测放大等。

5.发酵过程自动监测、控制技术

某种意义上说，发酵过程的成败完全取决于能否维持一个生长受控和对生产良好的环境，达到此目的最有效的方法是通过直接测量各种参数变化（如：温度、压力、转速、发酵液黏度、pH等）和对生物过程进行调节。发酵工程自动监测、控制技术就是将计算机、传感器等现代监测手段运用于发酵工程之中，实现对发酵过程中实时数据的监控，并根据所监控到的数据变化而适时采用合理措施予以调节。如发酵温度控制，可通过温度探头或电信转换进行检测。同样，可通过自动控制向发酵罐的夹套或蛇形管中通入冷水、热水或蒸汽；可用覆膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧浓度并加以控制；可通过溶氧探头及其控制元件调节搅拌转速或通气速率来控制溶氧量等。

6.发酵工程下游分离纯化技术

发酵产物的下游分离纯化是将发酵目标产物进行提取、浓缩、纯化和成品化等过程。发酵产品的生物分离技术及工艺设计，不仅取决于发酵产物的存在部位、理化特性（如分子形状、大小、电荷、溶解度等）、含量、提取与精制过程规模等，还与产品的类型、用途、价值大小以及最终质量要求有关。通常分离纯化成本占整个发酵产物生产成本的很大比例，一般为50%～70%，有的甚至高达90%，往往成为实施生化过程代替化学过程生产的制约因素。因此，设计合理的提取与精制过程来提高产品质量和降低生产成本才能真正实现发酵产品的商业化大规模生产。

食品生物技术：发酵生产工艺流程与关键技术

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