01 第一章 绪论.ppt

第1页：发酵与酿造工艺学封面

本页为《发酵与酿造工艺学》课程封面，标示课程名称。

课程围绕微生物发酵与酿造的发展历史、技术特点、研究对象与发展趋势展开。

第2页：第一章 绪论 章节导读

本章内容分为四个部分：

• 一、发酵与酿造技术的历史
• 二、发酵与酿造技术特点以及与现代生物技术的关系
• 三、发酵与酿造技术的研究对象
• 四、发酵与酿造技术的发展趋势

第3页：发酵的词源与早期历史

fermentation

由拉丁语“ferver”（发泡、翻涌）派生而来。

人类利用微生物进行食品发酵与酿造已有数千年历史，但由于对发酵的主角——微生物缺乏认识，发酵与酿造的本质长期未被揭示，19世纪中叶以前发展极其缓慢。

第4页：列文虎克与微生物的发现

17世纪后叶，列文虎克（Leewehoch）用自制手磨镜制成世界上第一台显微镜，在人类历史上第一次通过显微镜用肉眼发现单细胞生命体——微生物。由于当时“自然发生说”盛极一时，这一发现并没有受到应有的重视。

第5页：巴斯德证实发酵由微生物引起

19世纪中叶，巴斯德在巴斯德瓶中加入肉汁，发现在加热情况下不发酵、不加热则产生发酵现象，并详细观察了发酵液中微小生命的生长情况，由此宣告发酵是由微生物进行的一种化学变化，不同类型的发酵由形态上可区别的特定微生物引起。

第6页：科赫建立纯培养技术

科赫建立了单种微生物分离和纯培养技术，利用这些技术研究炭疽病时发现动物的传染病由特定的细菌引起，从而得知微生物可按种属关系明确区分。该技术的建立，是食品发酵与酿造技术发展的第一个转折点。

第7页：布赫纳阐明发酵的酶本质

布赫纳用石英砂磨碎酵母菌细胞制成酵母汁，并加入大量砂糖防腐，结果意外发现酵母汁也有发酵现象，由此阐明任何生物都具有引起发酵的物质——酶。此后人们用生物细胞的磨碎物研究种种反应，促成了当代生物化学的诞生，也沟通了生物化学与微生物学。

第8页：通风搅拌培养技术的建立

20世纪40年代，借助于抗生素工业的兴起建立了通风搅拌培养技术：向发酵罐通入大量无菌空气、搅拌使空气均匀分布、培养基灭菌和无菌接种，使温度、pH、通气量、培养物的供给均受到严格控制。有机酸、酶制剂、维生素、激素都可借好气性发酵大规模生产，好气性发酵工程技术成为第二个转折点。

第9页：人工诱变育种与代谢控制发酵

人们以动态生物学和微生物遗传学为基础，将微生物进行人工诱变，得到适合于生产某种产品的突变株，再在人工控制条件下有选择地大量生产所需物质。这一技术首先在氨基酸生产上获得成功，而后在核苷酸、有机酸、抗生素等产品上得到应用，是第三个转折点。

第10页：化学合成结合微生物转化

生产厂家既想利用化学合成法降低生产成本，又想使产品拥有较高质量，于是先采用化学合成法合成前体物质，再用微生物转化法得到最终产品（如生产某些有机酸）。化学合成与微生物发酵有机结合，形成第四个转折点。

第11页：细胞融合与基因工程菌

• 细胞融合技术：得到了许多具有特殊功能和多功能的新菌株，再通过常规发酵得到许多新的有用物质。
• 基因工程技术：可在体外重组生物细胞的基因，并克隆到微生物细胞中构成工程菌，利用工程菌生产原来微生物不能生产的产物，如胰岛素、干扰素等。

第12页：酶工程与生物反应器的扩展

• 酶工程：很多产品采用一步酶法转化，即仅利用微生物生产的酶进行单一化学反应，例如果葡糖浆的生产就是利用葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖。
• 发酵设备：生物反应器不再只是钢铁设备，昆虫的躯体、动物细胞的乳腺、植物细胞的根茎果实都可看作是一种生物反应器。

第13页：现代发酵与酿造的新领域

发酵和酿造技术已不再是单纯的微生物发酵，而扩展到植物和动物细胞领域，包括天然微生物、人工重组工程菌、动植物细胞等生物细胞的培养。随着转基因动植物问世以及基因工程、细胞工程、酶工程和生化工程的发展，传统发酵与酿造工业被赋予崭新内容。

第14页：发酵酿造特点及其与现代生物技术关系

本部分讨论两个问题：

• （一）发酵与酿造的特点
• （二）发酵与酿造和现代生物技术的关系

第15页：发酵的两种定义视角

微生物学家的定义

微生物进行的一切活动都可以称为发酵。

生物化学家的定义

发酵仅仅是指厌氧条件下有机化合物进行不彻底的分解代谢释放能量的过程。

第16页：发酵与酿造的概念区分

发酵

成分单一、风味要求不高的产品生产，如酒精、柠檬酸、谷氨酸、单细胞蛋白等。

酿造

我国对一些特定产品进行发酵生产的叫法，通常指成分复杂、风味要求较高者，如黄酒、白酒、啤酒、葡萄酒等酒类以及酱油、酱、食醋、腐乳、豆豉、酱腌菜等副食佐餐调味品。

第17页：发酵与酿造的六大特点

发酵与酿造具有六个方面的特点：

1. 安全简单
2. 原料广泛
3. 反应专一
4. 代谢多样
5. 易受污染
6. 菌种选育

第18页：安全简单

1. 安全简单

发酵与酿造过程绝大多数是在常温常压下进行的，生产过程安全，所需的生产条件比较简单。

第19页：原料广泛

2. 原料广泛

发酵与酿造通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主原料，添加少量营养因子即可反应；目前原料范围已大大扩展，矿产资源和石油产品都可作为原料，甚至生产中的废水、废料也可利用。

第20页：反应专一

3. 反应专一

食品发酵与酿造过程是通过生物体的自动调节方式来完成的，反应专一性强，因而可以得到较为单一的代谢产物，避免不利或有害副产物混杂其中。

第21页：代谢多样

4. 代谢多样

由于各种各样生物体代谢方式、代谢过程的多样化，以及生物体化学反应的高度选择性，即使是极其复杂的高分子化合物，也能在自然界找到所需的代谢产物，因而适应范围非常广。

第22页：易受污染

5. 易受污染

由于发酵培养基营养丰富，各种来源的微生物都很容易生长，必须严格控制杂菌污染：接种前设备和培养基必须灭菌，反应过程中所需空气或流加营养物必须保持无菌，许多产品必须在密闭条件下发酵。避免杂菌污染是发酵成功的关键。

第23页：菌种选育

6. 菌种选育

发酵与酿造最重要的因素是菌种，通过各种菌种选育手段得到高产的优良菌种，是能否创造显著经济效益的关键。生产中菌种会不断变异，因此自始至终都要进行菌种的选育和优化，以保持其基本特征和优良性状。

第24页：现代生物技术与五大支撑体系

现代生物技术即应用生物体（微生物、动物细胞、植物细胞）或其组成部分（细胞器、酶），在最适合的条件下生产有价值的产物，或进行有益过程的技术，是一门涉及分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、化学、物理学、工程学的多学科综合性科学技术。

生物技术由基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和生化工程这五大技术体系支撑。

第25页：

第26页：发酵工程与基因工程细胞工程的关系

现代发酵技术已超越了微生物工程的范畴。发酵工程（包括酶工程）与细胞工程、基因工程谁也离不开谁：发酵工程需要基因工程、细胞工程为它提供最良好的生物细胞（或酶），而基因工程、细胞工程得到的良好细胞（或酶）必须经过发酵工程才能实现其价值。

第27页：生物催化剂与生化工程的作用

• 若采用的生物催化剂是酶、休止细胞、死细胞或固定化细胞，反应系统比较简单，只需考虑温度、pH等容易控制的条件。
• 若采用的是生物活细胞，则要为其提供最优生长、最优形成产物的可控系统和环境，使温度、pH、通气、搅拌、罐压、溶解氧、二氧化碳含量等物理化学条件得到有效维持和控制。

这就充分反映出生化工程是发酵工程转化为生产力必不可少的重要环节。

第28页：发酵与酿造技术的研究对象

发酵与酿造技术的研究对象可按两种方式划分：

• （一）按产业部门来分
• （二）按产品性质来分

第29页：按产业部门分类（一）

按产业部门划分的前五类：

1. 酿酒工业（黄酒、啤酒、白酒、葡萄酒等）
2. 传统酿造工业（酱、酱油、食醋、腐乳、豆豉、酸乳等）
3. 有机酸发酵工业（柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等）
4. 酶制剂发酵工业（淀粉酶、蛋白酶等）
5. 氨基酸发酵工业（谷氨酸、赖氨酸等）

第30页：按产业部门分类（二）

按产业部门划分的后五类：

6. 功能性食品生产工业（低聚糖、真菌多糖、红曲等）
7. 食品添加剂生产工业（黄原胶、海藻糖等）
8. 菌体制造工业（单细胞蛋白、酵母等）
9. 维生素发酵工业（维生素B2、维生素B12等）
10. 核苷酸发酵工业（ATP、IMP、GMP等）

第31页：按产品性质分类

按产品性质可分为四类：

• 1. 生物代谢产物发酵
• 2. 酶制剂发酵
• 3. 生物转化发酵
• 4. 菌体制造

第32页：生物代谢产物发酵

生物细胞将外界物质吸收到体内，一面进行分解代谢（异化作用），一面又利用分解代谢中间代谢产物及能量去合成体内所需成分（同化作用），这一过程称为新陈代谢。以生物体代谢产物为产品的发酵与酿造工业是该工业中数量最多、产量最大、也是最重要的部分，产品包括初级代谢产物、中间代谢产物和次级代谢产物。

第33页：酶制剂发酵

利用发酵法制备和生产并提取微生物产生的各种酶，已是当今发酵工业的重要组成部分。工业用酶大多来自微生物发酵，如α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖苷酶、支链淀粉酶、转化酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶，碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶，果胶酶，脂肪酶，凝乳酶，过氧化氢酶，青霉素酰化酶，胆固醇氧化酶，葡萄糖氧化酶，氨基酰化酶等。

利用微生物生产的胞内酶或胞外酶加以分离提取即得酶制剂，现已有很多酶制剂被加工成固定化酶。

第34页：生物转化发酵

生物转化

利用生物细胞中的一种或多种酶，作用于一些化合物的特定部位（基团），使它转变成结构相类似但具有更大经济价值化合物的生化反应。

可进行的转化反应包括脱氢、氧化、脱水、缩合、脱羧、羟化、氨化、脱氨、异构化等。

第35页：菌体制造

这是以获得具有特定用途的生物细胞为目的产品的一种发酵，包括单细胞蛋白、藻类、食用菌和人畜防治疾病用的疫苗、生物杀虫剂等的生产。其特点是细胞的生长与产物积累呈平行关系：生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，刚进入生长稳定期时细胞物质浓度最大，同时也是产量最高的收获时期。

第36页：发展趋势（一）

发酵与酿造技术的发展趋势包括：

• （一）利用基因工程技术，人工选育和改良菌种
• （二）结合细胞工程技术，用发酵技术进行动植物细胞培养
• （三）应用酶工程技术，将固定化酶或细胞广泛应用于发酵与酿造工业

第37页：发展趋势（二）

发酵与酿造技术的发展趋势还包括：

• （四）重视生化工程在发酵与酿造业的应用
• （五）发酵法生产单细胞蛋白
• （六）加强代谢研究，进一步搞好代谢控制，开发更多代谢产品

第38页：利用基因工程改良菌种

基因工程是一种将目的基因从DNA上切割下来（或人工合成），在体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导等手段将重组的基因组导入受体细胞，使后者获得复制该基因的能力，从而达到定向改变菌种遗传特性或创造新菌种的目的。这种带目的基因的受体细胞具有常规育种方法无法做到的新的遗传性能和生产性能。

第39页：动植物细胞培养

• 细胞原生质体融合技术使动植物细胞的人工培养技术进入新的阶段，借助于微生物细胞培养的先进技术，大量培养动植物细胞的技术日臻完善，很多已进行大规模生产。
• 动物细胞可生产生长激素、疫苗、免疫球蛋白等；植物细胞可生产生物碱类、色素、类黄酮、花色苷、苯酚、固醇类、萜烯类、植物生长激素类、调味品、香料等。
• 植物细胞培养还可用于种苗生产，使名贵的植物、花卉种苗可在实验室得以培育。

第40页：固定化酶与固定化细胞

将酶固定在不溶性膜状或颗粒状聚合物上，以聚合物作为载体的固定化酶在连续催化反应过程中不再流失，可以回收并反复利用，改善反应的经济性；酶也不会混杂在反应产物中，可大大简化提取纯化工艺；有些酶在游离状况下容易失活，固定后稳定性得以提高。

固定化细胞则是将具有一定生理功能的生物体（如微生物、植物细胞、动物组织或细胞、细胞器）用一定方法固定，作为生物催化剂使用。

第41页：生化工程的应用

生化工程指的是生化反应器、生物传感器和生化产品的分离提取纯化等下游工程。

• 生化反应器：生物化学反应得以进行的场所，其开发涉及流体力学、传质、传热和生物化学反应动力学等学科。
• 生物传感器：发酵与酿造过程控制的关键所在，要实现反应器的自动化、连续化必不可少。
• 分离提取纯化：生物技术产品产业化必不可少的环节，下游工程水平的高低对项目能否取得较高经济效益至关重要。

第42页：发酵法生产单细胞蛋白

当今世界面临着食物、能源和环境三大问题，开发单细胞蛋白是解决人类食物问题的重要途径。单细胞蛋白最主要的用途是作为动物饲料。由于微生物代谢方式各种各样、各种资源都可以利用，且繁殖速度比动物快上百倍，发展单细胞蛋白不失为一种解决废水废料、保护环境、节约粮食资源的好方法。

第43页：代谢研究与代谢控制

由于生物代谢的多样性，至今研究透彻的只是代谢途径中的一小部分。搞清更多的代谢途径、搞清其代谢调节的机制，将会开发出更多有价值的生物代谢产品。

第44页：结束语

我国是食品发酵与酿造基础较好的国家，传统酿酒和传统酿造历史悠久；现代发酵技术在酿酒工业、酿制工业和抗生素工业的带领下，在我国已形成一个完整的工业体系，规模和产量在世界上都占有相当的比重。

发展食品发酵与酿造工业在我国已有相当的产业基础、较好的技术力量及广阔的市场和需求，只要给予足够的投资、保证基本的研究条件、加大力量培养相关人才，就一定能取得辉煌的成就。

第45页：本章作业

本章作业：

1. 简述发酵与酿造技术的发展历史。
2. 解释基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生物工程。
3. 简述发酵与酿造技术的研究对象。