第六章 食品发酵
学习目的与要求
1、食品发酵的基本概念;
2、食品发酵的一般工艺过程;
3、如何选择工业用菌种;
4、发酵有哪些类型?各种类型的基本特点;
5、发酵过程的控制;
6、发酵产物的提取。
复习思考题
一、名词解释
发酵 发酵热 下游工程 固态发酵 液态发酵 生物热 混合发酵
分批发酵 连续发酵 固定化发酵
二、单项选择题
1、发酵是( )在无氧状态下的呼吸过程，即无氧呼吸，它和呼吸一样是生物获得能量的一种形式。
①细菌 ②霉菌 ③蕈菌 ④酵母
2、把借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为( )。
①发酵 ②酿造 ③发酸 ④干燥
3、微生物发酵在常温、常压下进行，发酵设备是否需要考虑防爆装置( )。
①需要 ②不需要 ③无关系
4、发酵全过程容易发生杂菌污染而造成巨大的损失，故发酵过程要求( )。
①通气搅拌 ②控制温度 ③不检查菌群 ④无杂菌
5、获得的微生物发酵产物都要按照( )有关部门制定的标准进行质量检验和性能测定，符合要求后才称为合格产品。
①国际 ②行业 ③地方 ④国家
6、工业发酵所用的微生物称为菌种。能作为菌种的微生物是( )。
①所有微生物 ②部分微生物 ③部分微生物菌株 ④所有微生物菌株
7、分子育种是应用基因工程手段来进行的。基因工程是一种 DNA体外重组技术，这种使DNA分子进行重组，再在受体细胞内无性繁殖的技术又称( )
①分子聚合 ②分子杂交 ③分子标记 ④分子克隆。
8、固态发酵又称固体发酵，是指微生物在没有或几乎没有( )的固态的湿培养基上的发酵过程。
①平衡水 ②蒸馏水 ③结合水 ④游离水
9、现代微生物工业大多数都是采用( )，这是因为其适用面广，能精确地调控，总的效率高，并易于机械化和自动化。
①半固态发酵 ②固液混合发酵 ③固态发酵 ④液态发酵
10、连续发酵，是指以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量( )，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。
①溢出 ②增加 ③降低 ④维持恒定
11、混合培养物发酵又简称混合发酵，是指( )微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵。
①相同 ②一种 ③两种 ④多种
12、在影响微生物生长繁殖的各种物理因素中，起着最重要作用的是( )。
①湿度 ②气体成分 ③压力 ④温度
13、温度和微生物生长的关系是在其最适温度范围内，生长速度随温度升高而( )，发酵温度升高，生长周期就缩短。
①无法确定 ②定量增加 ③降低 ④增加
14、微生物生长的最适pH值和发酵的最适pH值( )
①相同 ②不一定相同 ③无关 ④无法确定
15、由于微生物不断消耗发酵液中的氧，而氧在发酵液中的溶解度很低，所以发酵过程中应采用( )。
①降低温度 ②提高温度 ③加强通风 ④强制供氧
三、多项选择题
1、发酵用微生物菌种绝大多数可来源于( )
①已有优良生产菌种 ②自行选育新菌种 ③野生种 ④杂交种
2、发酵生产企业应注意( )
①减小噪音 ②防止三废污染 ③安全用电 ④安全生产
3、分批发酵过程中应注意的操作有( )。
①除氧气 ②消泡剂 ③加发酵剂 ④控制pH值
4、在连续发酵中可以维持不变的参数有( )
①营养物浓度 ②产物浓度 ③pH值 ④微生物细胞的浓度
5、与微生物发酵有关的参数，可分为( )。
①人为因素 ②生物因素 ③化学因素 ④物理因素
6、发酵过程中，随着培养菌对培养基的利用，以及机械搅拌的作用，将产生一定热量，同时因发酵罐壁散热、水分蒸发等也带走部分热量，这些热量包括( )等。
①辐射热 ②蒸发热 ③搅拌热 ④生物热
7、发酵培养基中对微生物生长具有明显影响的因素有( )。
①pH值 ②氧气 ③水分 ④温度
8、根据固定化的机理，固定化的方法有( )
①吸附 ②包埋 ③共价 ④交联
四、简述题
1、简述常见发酵产品的种类及相应的生产菌种类。
2、工业生产所用于发酵的菌种有什么要求?
3、说明发酵菌种的主要来源。
4、微生物发酵可分为哪几类?
5、混合发酵的优势如何?
6、能正确叙述好氧发酵的特点，大型发酵罐的基本组成和要求。
7、PH值对微生物发酵的影响，如何控制?
8、消泡剂应具备的条件。
9、浓缩发酵产物的方法及其特点。
10、连续发酵的优缺点。
11、固定化发酵的特点。
五、论述题
1、阐述发酵过程中各工艺过程的具体操作要求。
2、获得优良菌株的方法有哪些?
3、固态、液态发酵的特点比较。
4、温度对微生物发酵的影响，如何控制?
5、吸附法提取发酵产物的优缺点、吸附剂具备条件、吸附剂的种类。
6、发酵过程中泡沫如何变化?怎样消泡?
参考答案：
一、名词解释
发酵 ：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。
发酵热：引起发酵过程中温度变化的原因是在发酵过程中所产生的热量，叫发酵热。生物热、搅拌热以及蒸发热、辐射热等
下游工程：发酵产物的分离、提取和精制是指从发酵液或酶反应液中分离、纯化产品的过程，或称下游技术。
固体发酵：是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程。
液态发酵：是指培养基呈液态的微生物发酵过程。它主要是在发酵罐中进行的。
分批培养：在一个密闭系统内一次性投入有限数量营养物进行培养的方法，是一种非恒态的培养法。
连续发酵：指以一定速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定，使培养物在近似恒定状态下生长的培养方法。
固定化发酵：固定化酶(细胞)用于发酵可称为固定化酶(细胞)发酵，或简称固定化发酵。
混合发酵：是指多种微生物混合在一起共用一种培养基进行发酵。
纯种发酵：用纯的单一菌种的发酵可称为纯种发酵，或纯培养。
辐射热：由于罐外壁和大气间的温度差异而使发酵液中的部分热能通过罐体向大气辐射的热量，即为辐射热。
二、单项选择题
1、④ 2、① 3、② 4、④ 5、④ 6、③ 7、④ 8、④ 9、④ 10、④ 11、④ 12、④ 13、④ 14、② 15、④
三、多项选择题
1、①② 2、①②③④ 3、①②④ 4、①②③④ 5、②③④ 6、①②③④ 7、①②③④
四、简述题
1、简述常见发酵产品的种类及相应的生产菌种类。
由复杂成分构成的，并有较高风味要求的发酵食品，如啤酒(酿酒酵母)、白酒(毛霉、根霉)、饮料酒(酵母)以及酱油(曲霉)、腐乳(毛霉、根霉、曲霉)等佐餐调味品的生产称为酿造工业;而把经过纯种培养，提炼精制获得的成分单纯、无风味要求的酒精、抗生素、柠檬酸、谷氨酸、酶制剂、单细胞蛋白等的生产叫做发酵工业。
2、工业生产所用于发酵的菌种有什么要求?
对菌种一般有以下要求：①菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。②菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的效率高。如农副产品。③菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要严格防护。④菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，而且产品相对容易地与不需要的物质分离，下游技术能用于规模化生产。⑤菌种的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作。
3、说明发酵菌种的主要来源。
自然环境、收集菌株筛选、购置生产菌种
4、微生物发酵可分为哪几类?
按培养基是固态或液态将发酵分为固体发酵和液体发酵;按对氧需要或不需要可分为好气发酵和厌气发酵;按发酵是在培养基表面或深层进行还分为表面发酵和深层发酵;按发酵是间歇或连续进行可分为分批发酵、补料分批发酵和连续发酵;按菌种是单一还是混合的菌种可分为单一纯种发酵和混合发酵;按菌种是否被固定在载体上可分为游离发酵和固定化发酵。
5、混合发酵的优势如何?
①充分利用培养基、设备、人员和时间，可以在共同的发酵容器中经过同一工艺过程，提高所需产品的质和量。②混合发酵能够获得一些独特的产品，而纯种发酵是很难做到的。如国内外享有盛誉的茅台酒。③混合的多种菌种增加了发酵中许多基因的功能，可以代替某些基因重组工程菌来进行复杂的多种代谢反应，或促进生长代谢，提高生产效率。
6、好氧发酵的特点，大型发酵罐的基本组成和要求。
好气性微生物的生长发育和代谢活动都需要消耗氧气，因为好气性微生物只有氧分子存在的情况下才能完成生物氧化作用。在发酵过程中必须供给适量无菌空气，才能使菌体生长繁殖积累所需要的代谢产物，且要求高密度的微生物群体能获得氧和营养物质。大型发酵罐采用喷雾装置和搅拌器进行充分通气。
发酵罐有观察孔、溶解氧监测器、温度监测仪、搅拌速度控制器、pH检测和控制器、酸碱添加泵、泡沫破碎叶片、营养物的添加管道等设备和仪器，监测发酵时氧浓度、温度、搅拌速度、pH值、泡沫状态、营养物的消耗情况、菌生长状况和产品形成等，并及时控制，以期达到最佳发酵条件，获得优质、高产、低成本的产品。
7、PH值对微生物发酵的影响，如何控制?
发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活的重要因素，还可能严重影响菌体的生长和产物的合成，因此对微生物发酵来说有各自的最适生长pH。①发酵液的pH值的改变，影响了微生物细胞原生质膜的电荷发生改变;②发酵液的pH值直接影响酶的活性，在不适宜的pH值下，微生物细胞中某些酶的活性受到抑制，从而影响微生物的生长繁殖和新陈代谢;③发酵液的pH值影响培养基某些重要的营养物质和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用。
8、消泡剂应具备的条件。
①应该在气—液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消泡作用。这就要求消沫剂有一定的亲水性;②应该在低浓度时具有消泡活性;③应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫;④应该对微生物、人类和动物无毒性;⑤应该对产物的提取不产生任何影响;⑥不会在使用、运输中引起任何危害;⑦成本低;⑧应该对氧传递不产生影响;⑨能耐高温灭菌。
9、浓缩发酵产物的方法及其特点。
浓缩常在发酵液提取前后进行，有时贯穿在整个发酵产品提取过程中。浓缩是将低浓度溶液除去一定量溶剂变为高浓度溶液的过程。其方法有：蒸发浓缩法，冷动浓缩，吸收浓缩等。
五、论述题
1、发酵过程中各工艺过程的具体操作要求。
①发酵原料的选择及预处理②微生物菌种的选育及扩大培养③发酵设备选择及工艺条件控制④发酵产物的分离提取⑤发酵废物的回收和利用(见教材234—235)
2、获得优良菌株的方法有哪些?
通过自然选育、诱变育种、杂交育种、分子育种等育种方法获得优良菌株。(见教材236—237页)
3、固态、液态发酵的特点比较。
固态发酵是指微生物在没有或几乎没有游离水的固态的湿培养基上的发酵过程，与液态
发酵相比，其优点为：培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理;能源消耗量低，供能设备简易;培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉;设备和技术较简易，较低的投资;产物浓度较高，后处理较方便。其缺点为：菌种限于耐低水活性(aw)的微生物，菌种选择性少;发酵速度慢，周期较长;天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量;工艺参数难以测准和控制;产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大。
4、温度对微生物发酵的影响，如何控制?
温度对发酵的影响是多方面的，对菌体生长和代谢产物形成的影响是由各种因素综合表现的结果。①温度影响酶反应速度：温度升高，反应速度加大，生长代谢加快，产物生成提前，高温酶很容易热失活的，温度愈高失活愈快，菌体易于衰老影响产物生成。②温度通过影响发酵液中溶解氧从而影响发酵，③温度影响生物合成方向。如谷氨酸发酵时，扩展短杆菌在30℃培养后在37℃发酵，如果其他条件不予改变时，就积累过量的乳酸。④ 温度还能影响酶系组成及酶的特性。如用米曲霉制曲时，温度控制在低限有利于蛋白酶合成，α-淀粉酶活性受到抑制。(5)温度影响微生物的生长繁殖，每种微生物各有其生长发育所需的温度。
为了使微生物的生长速度最快和代谢产物的产率最高，在发酵过程中必须根据菌种的特性，选择和控制最适合的温度。即在该温度下最适于菌的生长或发酵产物的生成。不同的菌种和不同培养条件以及不同的酶反应和不同的生长阶段，最适温度不同。
5、吸附法提取发酵产物的优缺点、吸附剂具备条件、吸附剂的种类。
吸附法具有操作简单、原料易解决，便于土法生产的优点。缺点是如吸附剂性能不稳定、选择性不高等。收率不稳定，不能连续操作，劳动强度大，炭粉影响环境卫生。
吸附剂具备条件：①吸附剂本身是一种多细孔粉沫状的物质，其颗粒密度下，表面积大，但孔隙也不要太大，否则在孔隙中的溶质就不易被解吸下来;②吸附剂必须颗粒大小均匀;③吸附能力变大，但也要容易洗脱下来。
吸附剂的种类：①疏水或非极性吸附剂，如活性炭应用于味精溶液的脱色。②亲水或极性吸附剂，如硅胶、氧化铝、活性土等。③各种离子交换树脂吸附剂。
6、发酵过程中泡沫如何变化?怎样消泡?
泡沫的多少一方面与通气、搅拌的剧烈程度有关，搅拌所引起的泡沫比通气大;另一方面与培养基所用的原材料的性质有关。发酵初期，由于培养基浓度大，粘度高，营养丰富，因而泡沫的稳定性与高的表面粘度和低的表面张力有关。随着发酵进行表面粘度下降和表面张力上升，泡沫寿命逐渐缩短，泡沫减少。另外菌的繁殖，尤其是细菌本身具有稳定泡沫的作用，在发酵最旺盛时泡沫形成比较多，在发酵后期菌体自溶导致发酵液中可溶性蛋白质增加，又利于泡沫的产生。发酵过程中染菌而使发酵液粘度增加，也会产生大量泡沫。因此，由于强烈的通气和搅拌，同时微生物呼吸或发酵产生大量的CO2等气体排到发酵液中，必然引起大量泡沫的产生。
泡沫的控制，可以采用两种途径：①调整培养基中的成分(如少加或缓加易起泡的原材料)、或改变某些物理化学参数(如pH、温度、通气和搅拌)、或者改变发酵工艺 (如采用分次投料)来控制，以减少泡沫形成的机会。但这些方法的效果有一定的限度。②采用机械消沫或化学消沫这两大类方法来消除已形成的泡沫。
