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发酵工程与食品（第1页）

发酵工程与食品

所谓发酵是指借助微生物的发酵作用大量生成和积累特定代谢产物的过程。发酵产品制造过程是一个系统工程，它渗透着微生物学、生物化学和化学工程。许多微生物的发酵生产通过基因工程克隆菌种。目前基因克隆的菌种用于发酵法主要生产单细胞蛋白和新型食品胶。

发酵工程可用于制造抗菌素及其他药物，可制造啤酒、酒精、氨基酸、酶制剂、核苷酸及维生素等食品和化工产品。发酵工程还可生产蛋白质、新型食品胶、天然食品色素和r-亚麻酸等生物必需的有机酸或脂肪酸。

发酵法生产单细胞蛋白

单细胞蛋白（siein，简称SCP）主要是指酵母、细菌、真菌等微生物蛋白质资源。一般用微生物生物量（biomass）来衡量其蛋白质产量。微生物生物量中蛋白质含量一般不超过50％。目前，人们已公认SCP是最具应用前景的蛋白质新资源之一，与传统蛋白质生产比较，发酵技术生产的SCP不受季节影响和耕地制约，并具有生产效率高等特点。微生物菌体的蛋白含量很高，以干重计，大部分可达42％～75％，所含人体8种必需氨基酸组成接近FAO的理想模式。

啤酒酵母除含丰富的优质蛋白外，还含有较丰富的维生素D和B族维生素及、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可视为一种理想的蛋白质资源。利用微生物发酵技术生产单细胞蛋白具有较高的生产率。因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积，其富集蛋白质的能力要比动、植物快得多。

酵母细胞蛋白质构成比较理想，而且比细菌更容易从培养介质中回收。细菌生长繁殖快，其蛋白质含量及含硫氨基酸较高，适于用作动物饲料。

以淀粉质原料生产SCP主要有3条途径：在化学分解或酶底物基础上培养SCP生产酵母菌；对淀粉分解活力高的酵母（或霉菌）与快速生长的酵母菌混合培养；单独培养能够同化淀粉的生产菌株。

目前以淀粉原料生产SCP的最佳方法是酵母菌混合培养法。混合菌发酵也称同步糖化-发酵法（简称SSF）或称水解发酵并行法。

培养黑曲霉（或其他降解淀粉的菌株）和产朊假丝酵母菌种，然后混合接入培养基淀粉原料中。发酵罐温度控制在28～32℃，pH控制在4．0～6．5之间。在混合培养中，降解淀粉菌株与产朊假丝酵母的接种比例对SCP发酵生产过程和产物组成影响极大。

在SCP生产中，发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖、生长。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50％，即2t原料可生产出It多蛋白含量超过50％的产物。每升发酵液中生物量约为37～40g。

SCP分离、提取工艺的关键技术有两个，破除SCP生产菌体细胞壁和降低SA含量。现以酵母SCP为例加以说明：酵母细胞壁很坚韧，主要由葡聚糖、甘露聚糖等大分子构成。人体内没有分解酵母细胞壁的消化酶，无法充分利用胞内蛋白质成分，因此，破碎细胞壁，不但可以提取出其中的蛋白质，而且细胞壁上与甘露聚糖结合的蛋白质也可释放出来，提高其生物利用率。破碎酵母细胞壁主要采用化学法、酶法和机械法，它们可以单独使用也可以结合起来使用。

酵母SA。以干固形物计，RNA约占细胞核酸含量的8％～12％，另外还有一些DNA，但仅占细胞核酸含量的1％～2％。在膳食中，摄入过量的核酸对人体是有害的，其代谢产物尿酸在人体内累积会出现风湿性关节炎、肾结石等不良症状。根据营养学规定，成年人摄入核酸量不得超过2g，若摄入未经核酸降解处理的SCP，每日不得超过20g。

发酵法生产新型食品胶

新型食品胶主要指黄原胶、结冷胶、茁霉多糖等，它们均为微生物多糖，广泛应用于食品加工作为增稠剂、稳定剂等。

1、黄原胶

黄原胶（Xanthangum）是黄单孢杆菌（Xanthomoris）发酵产生的细胞外杂多糖。此后研究发现甘蓝黑腐病黄单孢杆菌、锦葵黄单孢杆菌、胡萝卜黄单孢杆菌、木薯萎蔫病黄孢菌，美人蕉枯叶黄单孢杆菌等都能产黄原胶。1990年美国kelco公司年产1万t，是世界上最大的黄原胶生产厂家。1996年世界黄原胶产量已超过6万t。

（1）黄原胶生产概况

1983年，联合国世界卫生组织（WHO）和粮农组织（FAO）批准黄原胶作为食品工业用稳定剂、乳化剂和增稠剂。

目前已有10多个国家和地区生产黄原胶，主要有：美国、英国、法国、日本、俄罗斯和德国等。黄原胶工业化生产技术日趋完善，尤其是生物技术的发展使黄原胶的发酵产率、糖转化率、发酵液胶浓度等指标大大提高，发酵周期大大缩短，生产成本降低，是一种很有发展前景的微生物多糖。目前世界先进水平是：发酵液黄原胶浓度已达到5％左右，原料多糖转化率接近80％，发酵周期由72～96h缩短为48～52h。

我国黄原胶的研究和生产起步较晚，70年代后期才开始研究。中国科学院微生物研究所、山东食品发酵所、山东大学、南开大学等大学和科研院所，均研究成功具有各自特色的生产工艺，在80年代中期分别通过中试鉴定，并陆续转化为工业生产。各单位中试水平大致相近，发酵液多糖产量约为26～28g／L，原料的转化率为65％～70％，投料浓度为4％~5％，所采用的菌株虽然来源不同，形态也略有差异，但基本都是属于野油菜黄单孢杆菌。

黄原胶的发酵可采用分批发酵、半连续发酵和连续发酵等三种发酵方式，在发酵设备方面要适用于高粘度多糖发酵的特定要求。目前最常用的发酵方式均为分批发酵。

（2）黄原胶的结构与性能

黄原胶是一种高分子杂多糖。通过研究证实，它是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸，鼠李糖醋酸纤维素和丙酮酸等组成的阴离子杂多糖，其基本骨架为β-1，4葡萄糖连接而成的直链纤维素分子，并且每隔一个葡萄糖单位都在葡萄糖的3位上连接一个三糖侧链，侧链由葡萄糖醛酸、甘露糖、鼠李糖等组成。其侧链基团组成对黄原胶性能有很大影响。

正是由于黄原胶这种独特的分子结构和双螺旋体的分子状态，使得黄原胶具有优异的性能和广泛的用途。

①强亲水性黄原胶能在多种极性介质中迅速溶胀并形dn稳定的高粘性溶胶。它可溶于冷水、热水、多种盐溶液及酸、碱水溶液中，其溶解性为热水优于冷水，碱性水溶液优于酸性水溶液，盐浓度增加溶解性降低，溶解时间延长。能溶于甘油、乙二醇及低浓度的醇溶液中。

②增稠性在相同浓度下其水溶液的粘度是瓜尔豆胶的1．7倍，海藻胶的3～5倍，因此黄原胶是优良的增稠稳定剂。

③稳定性黄原胶溶液对热稳定，在0～100℃范围内加热处埋其粘度基本无变化，据报道，1％黄原胶溶液180℃处理4min，仍可以保留原始粘度的80％，加热到120℃，粘度仅下降3％。

黄原胶溶液对酸、碱稳定，在pH5～10之间其粘度不受影响，在pH11时粘度有轻微的降低。

黄原胶溶液对盐的稳定性高，与大多数盐都具有配伍性和稳定性。

黄原胶对大多数酶（如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶）均稳定。黄原胶分子具有高度的生物学稳定性。其对酶稳定的原因是由于三糖侧链基团规则性的排列和双螺旋网状结构造成空间障碍所致，阻碍酶与主链β－1，4键的结合。

④悬浮性和乳化能力黄原胶分子具有优良的悬浮和乳化能力。1％的黄原胶溶液具有（2～5）×10－≤N／m2的承托力，在食品加工中可作为优良的悬浮稳定剂。黄原胶的增稠性可降低油相与水相的不相容性，起到提高乳化能力，阻止油水分层的作用。

⑤配伍性与增效性黄原胶与大多数合成或天然食品胶具有良好的配伍性，例如与刺槐豆胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、变性淀粉、糊精、海藻胶等都能互溶，混溶后其粘度显著提高。

2、结冷胶

结冷胶（Gellangum）是美国Kelco公司开发的一种新型微生物多糖，其凝胶性能比黄原胶更为优越，如凝胶形成能力强，透明度高、最佳的风味释放、稳定性强、不需加热或稍微加热即可形成凝胶等，而且形成凝胶的温度和速度可根据需要在一定范围内变动。

结冷胶的原始生产菌，在1987年以前称为假单孢菌依落藻属微生物（Pseudomonaselodea），1987年以后，归为少动鞘脂单胞菌（Spningomoris）。

结冷胶发酵生产工艺流程和黄原胶发酵相近，包括种子培养、发酵产胶、发酵液预处理、沉淀分离、干燥粉碎等基本过程。

（1）结冷胶的结构

结冷胶产品有两种形式：一种是天然的结冷胶（也称高酰基结冷胶），另一种是低酰基结冷胶（也称脱酰基结冷胶）。它们的主体分子结构相同，都是由4个单糖分子通过糖苷连接而成的重复糖单元构成的高分子糖类化合物。这4个单糖分子依次为D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖及L-鼠李糖，其中第一个葡萄糖分子是以β-1，4键连接。结构上的主要区别在于天然结冷胶的每个重量单元上平均有一个酰基连接在葡萄糖分子上。酰基有两类：一类为乙酰基，以β-1，3键连接在葡萄糖分子的第6个碳原子上：另一类为甘油基，以β-1，3键连接在葡萄糖分子的第2个碳原子上。