页数：65页文件大小：30.92 MB来源： 发酵工艺学ppt课件
本课件围绕发酵培养基的类型与选择原则展开，说明碳源氮源与生长因子的作用及碳氮比控制，并重点讲解淀粉水解糖的酸解法、酶解法与双酶法工艺条件。
培养基及其制备：第三章培养基及其制备培养基是提供微生物生长繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的、按一定比例配制的的多种营养物质的混合物。
培养基组成对菌体生长繁殖、产物的生物合成、产品的分离精致、产品的质量和产量都有重要的影响。
微生物的营养活动，是依靠向外界分泌大量的酶，将周围环境中大分子的蛋白质、糖类、脂肪等营养物质分解成小分子化合物，在借助于细胞膜的渗透作用，吸收这些小分子营养来实现的。
培养基的类型与用途：第一节培养基的选择与制备一、培养基的类型和用途天然培养基化学成分不清楚或化学成分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、蛋白胨等）合成培养基:使用化学成分和数量完全了解的物质配制而成的。
使用于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、遗传分析定量研究工作。
半合成与鉴别选择培养基：半合成培养基：既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基。
（生物）鉴别培养基：培养基中加入能与某一菌的无色代谢物发生显色反应的指示剂，从而用肉眼区别于该菌与其他菌。
选择培养基：根据某种微生物的特殊营养要求或其对某化学、物理因素的抗性而设计的培养基。
固体培养基：外观呈固体的培养基。半固体培养基：凝固剂量低于正常量液体培养基：呈液体状态的培养基。
孢子培养基与种子培养基：孢子培养基：供制备孢子用的培养基。基质浓度（有机氮）要低些，否则影响孢子的的形成。
无机盐要适量，否则影响孢子的数量和质量。常用的有麸皮、大（小）米，无机盐、蛋白胨等配制的琼脂斜面培养基。
种子培养基：供孢子发芽和菌体生长用的培养基。为使培养的种子能较快适应发酵罐内的环境，在设计种子培养基时要考虑与发酵培养基组成的内在联系。
发酵培养基的选择：发酵培养基：供菌体生长和合成大量代谢产物用的培养基。
不同的菌体，不同的产品，对培养基的要求是不同的。不同的发酵产品，培养基的状态、粘度、各成分的含量也是不同的。
但是，基本的营养需求是一致。因此，应根据不同的情况选择发酵培养基。
培养基选择的三项原则
减少副产物与降本原则
培养基成分配比的选择：三、培养基成分配比的选择培养基：组分（包括这些组分的来源和加工方法）配比缓冲能力粘度消毒后营养破坏的程度原料的杂质含量对菌体生长和产物形成有影响。
目前只能在生物化学、细胞生物学等基本理论指导下，参照前人所使用的较合适于某一类菌种的经验配方
碳氮源的快慢配合：四、配制培养基应注意的问题１、考虑碳源、氮源时，要注意快速利用碳／氮源和慢速利用碳／氮源的相互配合，发挥各自优势，避其所短。
碳氮比的选择：２、选用适当的碳氮比。C源做为C架又做能源，碳源较氮源多。
过多，容易形成较低pH。不足，菌体衰老和自溶。N源作营养和氨基的来源过多，菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利于代谢产物的积累。
不足，菌体繁殖量少，从而影响产量。
酵母与霉菌的碳氮比：碳氮比不当，还会影响菌体按比例地吸收营养物质，直接影响菌体生长和产物的形成，菌体在不同生长阶段，对其碳氮比的最适要求是不一样的。
酵母菌的碳氮比约为10020；霉菌的碳氮比约为10010。
谷氨酸发酵的碳氮比
生理酸性盐与碱性盐：3、要注意生理酸性盐、生理碱性盐和pH缓冲剂的加入和搭配。
生理酸性盐：如(NH4)2SO4为氮源时，由于NH4+被吸收，而造成培养基pＨ降低。
生理碱性盐：如以KNO3为氮源时，由于硝酸根被利用，会引起培养基pＨ值的升高。
氨水与尿素氮源
碳源与氮源的功能：碳源：供给菌体生命活动所需的能量和构成菌体细胞以及代谢产物的基础。
有糖类、脂肪、某些有机酸等等。氮源：主要构成菌体细胞物质和代谢产物，可分为有机氮源和无机氮源。
功能：构成菌体成分；作为酶的组成分或维持酶的活性；
调节渗透压、PH值、氧化还原电位等。T第二节工业发酵培养基
无机盐与特殊生长因子：无机盐：钙、镁、硫、磷、钾、钠、氯、锌、钴、锰。特殊生长因子：其功能是构成辅酶的组成分，促进生命活动的进行。
如生物素、硫胺素、肌醇等，但需要量是极少的。水：体内各种生化作用必须在水溶液中进行。
营养物质必须溶解于水中，才能透过细胞膜被微生物利用。
诱导剂、前体和促进剂：胞外酶合成需要诱导物。
典型发酵产品的培养基：不同的发酵产物，不同的菌种所选择的发酵培养基是不同的。
白酒(chinese spirit)发酵：固体发酵培养基；
果酒(fruit spirit)发酵：fruit juice or fruit sauce ；
啤酒(beer) 发酵：麦芽汁(wort)液体培养基；
酒精(alcohol)发酵：淀粉糖化醪(starch mash) ；。氨基酸(amino acid)发酵：水解糖液加其他营养成分；。柠檬酸(citric acid)发酵：淀粉液化醪(starch dextrinizate mash)；。乳酸(lactic acid)发酵：淀粉糖化醪(starch mash)；。甲烷(methane)发酵：复杂的有机废物发酵；抗生素(antibiotic)发酵：淀粉糖化醪(starch mash) +豆饼粉+麸皮粉；
工业常用的碳源
一、工业常用的碳源
糖蜜的组成与应用：糖蜜中主要含有蔗糖，总糖含量可达50%~70%。糖蜜分为甘蔗糖蜜(cane molasses)和甜菜糖蜜(beet molasses) ，二者在糖的含量和无机盐的含量都有所不同，使用时应注意。
糖蜜常用在酵母和丙酮丁醇的生产中，抗生素等微生物工业也常用它作为碳源。
酒精工业中若用糖蜜代甘薯粉，则可省去蒸煮、制曲、糖化等过程，简化了酒精生产工艺。
常用有机氮源：工业生产中常用有机氮源豆饼粉(soybean cake powder)、花生饼粉(peanut powder)、麸皮或麸皮水解液(bran hydrolysis liquid)、玉米浆(corn steep liquor)等。
根据：现有的工艺条件菌种生长和合成产物时pH的变化最适pH的控制范围综合考虑选用生理酸、碱性物质及用量，从而保证在整个发酵过程中pH都能维持在最佳状态。
培养基成分用量的多少大部分根据经验而来。但对于主产物代谢途径清楚的物质如酒精，可通过物料平衡计算加以确定。
酒精与谷氨酸理论得率：e．g．Alcoholic fermentation （C6H12O５）n水解n C6H12O6C6H12O6 发酵2 C2H5OH+2 CO2 + Q所以100Kg 淀粉理论上可以产酒精量X= 2 46 100/162=56.79 Kg e．g．Glutamate fermentation （C6H12O5）n水解n C6H12O6C6H12O6 发酵C5H9O4N+ CO2 +H2O+ Q所以100Kg 淀粉理论上可以产谷氨酸的量Ｙ＝1 147 100/162=90.74 Kg
前体物质的作用：前体物质、促进剂、抑制剂前体：能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量有较大的提高。
e.g. 青霉素发酵中加玉米浆，发酵单位由20g/ml提高到100 g/ml。
玉米浆中含有苯乙胺，它被优先结合到青霉素分子中去，从而提高产量。
在生产中常采用少量多次地加入前体。总的加入量可按一个产物分子，进入几个前体分子，按等摩尔计算前体加入量，在总的加入量中，还应考虑菌体氧化、分解的那部分前体。
常用前体与产物对照表：下表列出相关数据。
| 产物 | 前体 |
|---|---|
| 青霉素G | 苯乙酸及衍生物 |
| 青霉素V | 苯氧乙酸 |
| 金霉素 | 氯化物 |
| 链霉素 | 肌醇、精氨酸 |
| 红霉素 | 丙酸、丙醇 |
| 维生素B12 | 钴化物 |
| 胡萝卜素 | β-紫罗兰酮 |
| L-异亮氨酸 | α-氨基酸 |
| L-色氨酸 | 邻氨基苯甲酸 |
| L-丝氨酸 | 甘氨酸 |
抑制剂的作用机理：抑制剂：能产生抑制作用的物质。e.g. 微生物发酵法生产甘油。
在发酵液中加入亚硫酸氢纳，它与代谢过程中产生的乙醛生成加成物，反应式如下：CH3CHO+NaHSO3CH3 CH OHOSO3Na这就使乙醇代谢途径中的乙醛不能成受氢体，而使NADH在细胞中积累，从而激活-磷酸甘油脱氢酶的活性，使磷酸二羟基丙酮取代乙醛作为NADH 的受氢体，而还原为-磷酸甘油，其水解后即形成甘油。
亚硫酸氢纳是乙醇代谢的抑制剂，促使甘油形成。溴化剂能抑制金霉素形成的代谢途径，促使四环素的生成。
促进剂与表面活性剂：促进剂：既不是营养物，又不是前体，但能提高产量的添加剂。
巴比妥盐能使利福霉素单位增加，并能使链霉素生产菌自溶推迟，延长产物的分泌期。
酵母甘露聚糖可诱导-甘露糖酶的产生，促使甘露糖链霉素转化为链霉素。
控制生物素的量，可以促使谷氨酸从细胞内分泌到细胞外。
聚乙烯醇衍生物可防止菌丝结球，提高糖化酶的产量。表面活性剂：在底物和产物均不溶或微溶于水的发酵中，有增加渗透性、促使固体物分散强化传质和传氧。
基因工程菌发酵培养基：第三节基因工程菌发酵培养基一、基因工程菌发酵的目的获得大量外源基因产物，尽量减少宿主细胞本身的蛋白的污染二、常用基因工程菌大肠埃希氏菌（Ｅsccherichia coli）甲基营养型毕赤酵母（Ｍethylotrphicpichiapstoris酿酒酵母（Ｓaccharomycesescerivivisa
高密度发酵培养基要求
淀粉水解糖的制备意义：第三节淀粉水解糖的制备意义：很多微生物都不能直接利用淀粉(amylum)、纤维素(cellulose)、酪蛋白(casein)，因为它们不含淀粉酶和糖化酶。
因此，在发酵生产之前，必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。
将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化（saccharification）制得的糖液叫淀粉水解糖。
葡萄糖（glucose）淀粉水解糖液麦芽糖(maltose)复合糖类（二糖、低聚糖等）其他分解产物（氨基酸、脂肪酸等）在工业生产中，水解糖质量的高低，直接影响菌体的生长和产物的积累。
Q：如何提高淀粉的出糖率，保证水解糖的质量？
水解糖液的质量条件
淀粉水解糖液必须具备的条件
淀粉水解糖的制备方法：一、淀粉水解糖制备的方法原料：薯类(tuber)、玉米(corn)、小麦(wheat)、大米(rice)等含淀粉原料。
原料淀粉的性质和水解使用的催化剂(catalyst)的不同酸解法（acid hydrolysis process)水解的方法酶解法(enzymatichydrolysisprocess)酸酶结合法(acid-enzymatic hydrolysis )
酸解法的优缺点
酶解法与双酶水解
酸酶结合法
酶酸法工艺
淀粉结构与水解原理：淀粉直链淀粉(amylose)：-1，4葡萄糖苷键缩合，聚合度小。
支链淀粉(amylopectin)：-1，4键、-1，6键，聚合度大。
糊精：若干种分子大于低聚糖的碳水化合物的总称。具有还原性、旋光性、能溶于水，不溶于酒精，因分子大小的不同，糊精与碘可呈现不同的颜色。
淀粉糊精（兰暗紫紫红褐暗红红浅红）二淀粉水解的原理淀粉水解过程的变化：淀粉颗粒结构破坏，糖苷键断裂，其分子逐渐变小。
先变成糊精、低聚糖、麦芽糖，最后才能生成G。
淀粉的水解反应与转化率：A 淀粉的水解反应淀粉水解总的趋势是大分子向小分子转化，随着淀粉水解程度的增加，糖化液的还原性不断增加。
淀粉(amylum)糊精(dextrin)低聚糖(oligosaccharides )葡萄糖(glucose)淀粉水解的化学反应可简单表示如下：（C6H10O5)n+nH2O n (C6H12O6)由于有水参与，反应结果有化学增重。
理论上，淀粉转化为葡萄糖的转化率为180.16/162.14 100%=111.1% 实际转化率只有90%。
当葡萄糖值超过60时，由于G复合分解反应产生其他有味物质（龙胆二糖有苦味）及有色物质。
淀粉水解的过程：B 淀粉水解的过程淀粉吸水膨胀糊化（无化学反应）α-淀粉酶或酸液化糊精糖化酶低聚糖麦芽糖葡萄糖（由7-12个葡萄糖残基组成）3-6个2个1复合反应复合二糖（龙胆二糖；
异麦芽糖）副反应复合低聚糖分解反应5-羟基甲基糠醛有机酸、有色物
淀粉酸水解的三类反应：淀粉酸水解的反应淀粉（amylum）酸水解葡萄糖（glucose）复合反应分解反应（disaccharide）复合二糖5-羟甲基糠醛( oligosaccharide)复合低聚糖有机酸、有色物质在淀粉的酸水解过程中，三种反应同时发生，尽量减少复合反应，因为它影响菌体的正常发酵及工厂的生产成本。
它取决于水解条件，高的淀粉乳浓度、高的盐酸浓度、高的温度、压力、复合反应提高。
Q：如何控制水解条件，降低复合分解反应的发生？
淀粉酸水解工艺流程：C 淀粉酸水解的工艺流程淀粉水盐酸调浆原料酸水解冷却中和脱色糖液过滤除杂
酸水解对淀粉质量的要求：下表列出相关数据。
| 项目 | 指标（%） |
|---|---|
| 水分 | 11~14 |
| 总蛋白质 | 0.3~0.5 |
| 水溶性蛋白质 | 0.01~0.02 |
| 脂肪 | 0.04~0.06 |
| 粗纤维 | 0.01~0.02 |
说明：原文粗纤维指标写作「0.01`0.02」，按同组数据格式修正为 0.01~0.02。
淀粉乳浓度与DE值关系：下表列出相关数据。
| 浓度（°Bx） | DE值 |
|---|---|
| 26 | 89.17 |
| 24 | 89.27 |
| 22 | 89.92 |
| 20 | 91.10 |
| 19 | 91.30 |
| 18 | 92.77 |
| 17 | 92.81 |
| 16 | 93.01 |
酸的种类与用量
3、酸的种类和用量：
糖化压力时间与设备：４糖化压力和时间一般压力为２.５--２.８公斤／cm2水解１５--２０注意：保持正压及时放料（５－１０分钟放完）５糖化设备结构的影响糖化锅的容积不宜过大, 一般70--80m3,锅体不能太高或太矮。
常采用的径高比（aspect ratio）1：1.5物料受热均匀，有利于升压，有利于消灭死角，尽量缩短辅助时间。排气蒸汽
糖化终点的控制：6、糖化终点的控制从糖化曲线可以看出,DE值到达最高点后即不在上升，相反会随着糖化时间的延长而稍有下降。
(why?).糖化终点的检验：用无水乙醇检验无白色沉淀或碘液检验为20 30 时间(分)无色，即为终点。
淀粉酸糖化的曲线100 90 80 70 60A B C(纯度%)
水解糖液的中和：F 水解糖液的中和、脱色除杂1、中和：目的是降低酸度；
除去蛋白质中和剂纯碱：温和，糖液质量好，但产生的泡沫多，难控制烧碱：易造成局部过碱，使糖焦化，产生焦糖中和时注意不要反中和，边中和边测定pH值,（为什么？
）温度在80 C以下,一般控制60-70 C pH值控制在4．6--5．0
脱色除杂与过滤
2、脱色除杂
酶法制糖的理论基础：酶法制糖工艺是以作用专一性的酶制剂作为催化剂将淀粉转化为糖的工艺。
淀粉－淀粉酶液化液液化液糖化酶糖液－淀粉酶能水解淀粉及其产物中的1．4-糖苷键，不能水解-1．6-糖苷键，但能越过-1．6-糖苷键继续水解-1．4-糖苷键，而将-1.6糖苷键留在在水解产物中。
直链淀粉葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖。支链淀粉以上+异麦芽糖及含有-1．6-糖苷键的低聚糖四、酶法制糖的理论基础及工艺
淀粉的糊化与老化：1淀粉酶液化的条件及液化程度的控制淀粉的糊化与老化淀粉的糊化是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成湖状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。
发生糊化现象时的温度称糊化温度。不同原料的糊化温度范围不同
淀粉老化的控制措施：淀粉的老化实际上是分子间已断裂的氢键、糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶的过程。
在酶法糖化时，－淀粉酶很难进入老化淀粉的结晶区起作用，使淀粉很难液化，因此，必须采取相应的措施控制糊化淀粉的老化。
淀粉液化的方法与选择：淀粉液化的方法与选择一次加酶液化法加酶的方法二次加酶液化法三次加酶液化法酶耐温性中温酶法高温酶法高温-中温酶法原料粗细淀粉质原料直接液化法精制淀粉液化法
蒸汽喷射液化工艺
喷射液化工艺条件：工艺流程淀粉水碱液0.15%氯化钙耐高温-淀粉酶pＨ喷射液化器5.0~7.0 95~97C保温罐（60分种）二次喷射（145 C ，3~5分钟）二次液化罐（95~97 C ）加入耐高温淀粉酶（30分钟）碘液检验后结束液化。
液化条件：30％－40％的淀粉乳浓度、pＨ值5—7、95 C －97 C。
淀粉酶的加入量，随着酶活力的高低而定，但一般控制在5－8单位／克淀粉。
液化程度不能太低：液化程度控制在液化过程中，淀粉糊化水解成较小的分子。
液化程度不能太低，因为：Ａ液化程度低，液化液的黏度就大，难于操作；
Ｂ葡萄糖淀粉酶属于外酶，水解是由底物分子的非还原末端开始，底物分子越大，水解的机会就越小，因此会影响到糖化的速度；
Ｃ液化程度低，淀粉易老化，不利于糖化，特别会使糖化液的过滤性较差。
液化程度不能太高：液化程度也不能太高，因为：葡萄糖淀粉酶是先与底物分子生成络合结构，而后发生水解作用，使葡萄糖单位逐个从糖苷键中裂解出来，要求底物分子有一定的大小。
液化超过一定程度，不利于糖化酶生成络合结构，影响催化效率，使糖化液的最终ＤＥ值偏低。
所以必须进行灭酶.正常液化条件下，控制ＤＥ值在10－20之间为好。
糖化酶的水解作用
2、糖化酶的水解作用
糖化工艺条件及控制：3、糖化工艺条件及控制液化液灭酶（100 ，10分钟) 用酸调pH值4.2-4.5 ，同时降温冷却60 C 加糖化酶保温数小时用无水酒精检验无糊精存在时加热90 C 保温30分钟降温60~70 C过滤糖液。
液化液的液化与酶制剂的用量有关。用量与酶活力有关。
酶活高，用量少；液化液浓度高，加酶量多。生产上：３０％淀粉时，酶量按８０－１００单位／克淀粉。
双酶法制糖工艺流程图：贮罐灭酶糖化罐暂贮贮糖罐淀粉、碱液氯化钙、淀粉酶蒸汽糖化酶、酸双酶法制糖工艺流程图
酶活力单位与操作要点
双酶法糖化要点
糖蜜原料的分类
第四节糖蜜原料
石油代粮发酵
第五节石油代粮发酵
石油发酵的产品实例
氨基酸、氯霉素、灰黄霉素的发酵
纤维类其他发酵原料：第六节其他物质农作物纤维下脚料,森林和木材工业下脚料，工厂纤维和半纤维素下脚料城市生活纤维物质等四类这些物质均可经过一定的处理用于发酵产品的生产。
第三章重点掌握内容
章节重点
第三章思考题
什么是糖化、液化？
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