1、微生物在食品工业中的应用1.1 食醋 食醋是我国劳动人民在长期的生产实践中制造出来的一种酸性调味品。它能增进食欲，帮助消化，在人们饮食生活中不可缺少。在我国的中医药学中醋也有一定的用途。全国各地生产的食醋品种较多。著名的山西陈醋、镇江香醋、四川麸醋、东北白醋、江浙玫瑰米醋、福建红曲醋等是食醋的代表品种。食醋按加工方法可分为合成醋、酿造醋、再制醋三大类。其中产量最大且与我们关系最为密切的是酿造醋，它是用粮食等淀粉质为原料，经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。其主要成分除醋酸(3%5%) 外，还含有各种氨基酸、有机酸、糖类、维生素、醇和酯等营养成分及风味成分，具有独特的色、香、味
2、。它不仅是调味佳品，长期食用对身体健康也十分有益。 1.1.1 生产原料 目前酿醋生产用的主要原料有：薯类 如甘薯、马铃薯等；粮谷类 如玉米、大米等；粮食加工下脚料 如碎米、麸皮、谷糠等；果蔬类 如黑醋栗、葡萄、胡萝卜等；野生植物 如橡子、菊芋等；其他 如酸果酒、酸啤酒、糖蜜等。 生产食醋除了上述主要原料外，还需要疏松材料如谷壳、玉米芯等，使发酵料通透性好，好氧微生物能良好生长。 1.1.2 酿造微生物 传统工艺酿醋是利用自然界中的野生菌制曲、发酵，因此涉及的微生物种类繁多。新法制醋均采用人工选育的纯培养菌株进行制曲、酒精发酵和醋酸发酵，因而发酵周期短、原料利用率高。 1） 淀粉液化、糖化微生
3、物 淀粉液化、糖化微生物能够产生淀粉酶、糖化酶。使淀粉液化、糖化的微生物很多，而适合于酿醋的主要是曲霉菌。常用的曲霉菌种有： 甘薯曲霉 AS 3.324 因适用于甘薯原料的糖化而得名，该菌生长适应性好、易培养、有强单宁酶活力，适合于甘薯及野生植物等酿醋； 东酒一号 它是 AS 3.758 的变异株，培养时要求较高的湿度和较低的温度，上海地区应用此菌制醋较多； 黑曲霉 AS 3.4309(UV-11) 该菌糖化能力强、酶系纯，最适培养温度为 32。制曲时，前期菌丝生长缓慢，当出现分生孢子时，菌丝迅速蔓延； 宇佐美曲霉 AS 3.758 是日本在数千种黑曲霉中选育出来的其糖化力极强、耐酸性较高的糖
4、化型淀粉酶菌种。菌丝黑色至黑褐色。孢子成熟时呈黑褐色。能同化硝酸盐，其生酸能力很强。对制曲原料适宜性也比较强。 此外还有米曲霉菌株：沪酿 3.040、沪酿 3.042(AS 3.951)、AS 3.863 等。黄曲霉菌株：AS 3.800，AS 3.384 等。 2） 酒精发酵微生物 生产上一般采用子囊菌亚门酵母属中的酵母，但不同的酵母菌株，其发酵能力不同，产生的滋味和香气也不同。北方地区常用 1300 酵母，上海香醋选用工农 501 黄酒酵母。K 字酵母适用于以高梁、大米、甘薯等为原料而酿制普通食醋。AS 2.109、AS 2.399 适用于淀粉质原料，而AS 2.1189、AS 2.119
5、0 适用于糖蜜原料。 3） 醋酸发酵微生物 醋酸菌的选择 醋酸菌是醋酸发酵的主要菌种。醋酸菌具有氧化酒精生成醋酸的能力，其形态为长杆状或短杆状细胞，单独、成对或排列成链状。不形成芽孢，革兰氏染色幼龄菌阴性，老龄菌不稳定，好氧，喜欢在含糖和酵母膏的培养基上生长。其生长最适温度为 2832，最适 pH 值为 3.56.5。 醋厂选用的醋酸菌的标准为：氧化酒精速度快、耐酸性强、不再分解醋酸制品、风味良好的菌种。目前国内外在生产上常用的醋酸菌有： 奥尔兰醋杆菌(A. orleanense) 它是法国爱尔兰地区用葡萄酒生产醋的主要菌种。生长最适温度为30。该菌能产生少量的酯，产酸能力较弱，但耐酸能力较强
6、。 许氏醋杆菌(A. schutzenbachii) 它是国外有名的速酿醋菌种，也是目前制醋工业较重要的菌种之一。在液体中生长的最适温度为 2527.5，固体培养的最适温度为 2830，最高生长温度 37。该菌产酸高达 11.5%。对醋酸没有氧化作用。 恶臭醋杆菌(A. rancens) 恶臭醋杆菌是我国酿醋常用菌株之一。该菌在液面处形成菌膜，并沿容器壁上升，菌膜下液体不浑浊。一般能产酸 68%，有的菌株副产 2%的葡萄糖酸，并能把醋酸进一步氧化成二氧化碳和水。 AS 1.41 醋酸菌 它属于恶臭醋酸杆菌，是我国酿醋常用菌株之一。该菌细胞呈杆状，常呈链状排列，单个细胞大小为（0.30.4）m
7、（12 ）m ，无运动性、无芽孢。在不良的环境条件下，细胞会伸长变成线形、棒形或管状膨大。平板培养时菌落隆起，表面平滑，菌落呈灰白色，液体培养时则形成菌膜。该菌生长的适宜温度为 2830，生成醋酸的最适宜的温度为 2833，最适PH3.56.0，耐受酒精浓度为 8%（体积分数） 。最高产醋酸为 79%，产葡萄糖酸力弱。能氧化分解醋酸为二氧化碳和水。 沪酿 1.01 醋酸菌 它是从丹东速酿醋中分离得到的，是我国食醋工厂常用的菌种之一。该菌细胞呈杆形，常呈链状排列，菌体无运动性，不形成芽孢。在含酒精的培养液中，常在表面生长，形成淡青灰色薄层菌膜。在不良的条件下，细胞会伸长，变成线状或棒状，有的呈膨
8、大状、分支状。该菌由酒精生成醋酸的转化率平均高达 9395%。 醋酸菌的培养及保藏 a 斜面试管培养基 下面是斜面试管培养基两例： 酒精(6%) 100ml 葡萄糖 0.3g 酵母膏 1g CaCO3 1.5g 琼脂 2.5g； 葡萄糖 1g 酒精 2ml 碳酸钙（ CaCO3）1.5g 酵母膏 1g 琼脂 2.5g 水 100ml。 PH 值自然（各种成分先加热溶解后再将酒精加热） 。 b 醋酸菌培养与保藏 斜面接种醋酸菌后置于 3032恒温箱内培养 48h。醋酸菌因为没有孢子，所以容易被自己所产生的酸杀死。在醋酸菌中，特别能产生香酯的菌种每过十几天即死亡，因此宜保藏在 04冰箱内备用。由于
9、培养基中已加入碳酸钙，以中和产生的酸，所以保藏时间长一些。 1.1.3 固态法食醋生产 醋酸菌在充分供给氧的情况下生长繁殖，并把基质中的乙醇氧化为醋酸，这是一个生物氧化过程，其总反应式为：C2H5OH+O2=CH3COOH+H2O 1） 醋酸菌种制备工艺流程 斜面原种斜面菌种(3032，48h)三角瓶液体菌种(一级种子 3032，振荡 24h)种子罐液体菌种(二级种子)(3032，通气培养 2224h)醋酸菌种子 2） 工艺流程 麸曲、酵母 薯干(或碎米、高粱等)粉碎加麸皮、谷糠混合润水 蒸料冷却接种入缸糖化发酵拌糠接种醋酸发酵翻醅加盐后熟淋醋贮存陈醋配兑灭菌包装成品 醋酸菌 3） 生产工艺
10、原料配比及处理 甘薯或碎米、高粱等 100kg，细谷糠 80kg，麸皮 120kg，水 400kg，麸皮 50kg，砻糠 50kg，醋酸菌种子 40kg，食盐 3.757.5kg(夏多冬少) 。 将薯干或碎米等粉碎，加麸皮和细谷糠拌合，加水润料后以常压蒸煮 1h 或在 0.15MPa 压力下蒸煮 40min，出锅冷却至 3040。 发酵 原料冷却后，拌入麸曲和酒母，并适当补水，使醅料水分达 60%66%。入缸品温以 2428为宜，室温在 2528 左右。入缸第二天后，品温升至 3840 时，应进行第一次倒缸翻醅，然后盖严维持醅温 3034 进行糖化和酒精发酵。入缸后 57d 酒精发酵基本结束，
11、醅中可含酒精 7%8%，此时拌入砻糠和醋酸菌种子，同时倒缸翻醅，此后每天翻醅一次，温度维持 3739。约经 12d 醋酸发酵，醅温开始下降，醋酸含量达 7.0%7.5%时，醋酸发酵基本结束。此时应在醅料表面加食盐。一般每缸醋醅夏季加盐 3kg，冬季加盐 1.5kg。拌匀后再放两天，再经 2d 后醋醅成熟即可淋醋。 淋醋 淋醋工艺采用三套循环法。先用二醋浸泡成熟醋醅 2024h，淋出来的是头醋，剩下的头渣用三醋浸泡，淋出来的是二醋，缸内的二渣再用清水浸泡，淋出三醋。如以头淋醋套头淋醋为老醋；二淋醋套二淋醋 3 次为双醋，较一般单淋醋质量为佳。 陈酿及熏醋 陈酿是醋酸发酵后为改善食醋风味进行的储存
12、、后熟过程。陈酿有两种方法，一种是醋醅陈酿，即将成熟醋醅压实盖严，封存数月后直接淋醋。或用此法贮存醋醅，待销售旺季淋醋出厂。另一种是醋液陈酿，即在醋醅成熟后就淋醋，然后将醋液贮入缸或罐中，封存 12 个月，可得到香味醇厚、色泽鲜艳的陈醋。有时为了提高产品质量，改善风味，则将部分醋醅用文火加热至 7080，24h 后再淋醋，此过程称熏醋。 配兑和灭菌 陈酿醋或新淋出的头醋都还是半成品，头醋进入澄清池沉淀，调整其浓度、成分、使其符合质量标准。除现销产品及高档醋外，一般要加入 0.1%苯甲酸钠防腐剂后进行包装。陈醋或新淋的醋液应于8590 维持 50min 杀菌，但灭菌后应迅速降温后方可出厂。一般一
13、级食醋的含酸量 5.0%，二级食醋含酸量 3.5%。 1.1.4 酶法液化通风回流制醋 1） 酶法液化通风回流制醋特点 酶法液化通风回流新工艺，是利用自然通风和醋汁回流代替倒醅的制醋新工艺。本法的特点是：-淀粉酶制剂将原料进行淀粉液化后再加麸曲糖化，提高了原料的利用率；采用液态酒精发酵、固态醋酸发酵的发酵工艺；醋酸发酵池近底处设假底的池壁上开设通风洞，让空气自然进入，利用固态醋醅的疏松度使醋酸菌得到足够的氧，全部醋醅都能均匀发酵；利用假底下积存的温度较低的醋汁，定时回流喷淋在醋醅上，以降低醋温度醅调节发酵温度，保证发酵在适当的温度下进行。 2） 工艺流程 (细菌 a-淀粉酶、氯化钙、碳酸钠)
14、水 麸曲 （松醅、回流） 碎米浸泡磨浆调浆加热液化糖化冷却液态酒精发酵酒液拌和入池固态醋酸发酵加盐淋醋加热灭菌装坛成品。 酒母 （麸皮 砻糠 醋酸菌种子） 食盐 3） 生产工艺 配料 碎米 1200kg、麸皮 1400kg、砻糠 1650kg、碳酸钠 1.2kg、氯化钙 2.4kg、a-淀粉酶以每克碎米130 酶活力单位计 3.9kg，麸曲 60kg、酒母 500kg、醋酸菌种子 200kg、食盐 100kg、水 3250kg(配发酵醪用)。 水磨与调浆 将碎米浸泡使米粒充分膨胀，将米与水 1:1.5 的比例送入磨粉机，磨成 70 目以上的细度粉浆。使粉浆浓度在 20%23%，用碳酸钠调至 p
15、H 值 6.26.4，加入氯化钙和 -淀粉酶后，送入糖化锅。 液化和糖化 粉浆在液化锅内应搅拌加热，在 8592下维持 1015min，用碘液检测显棕黄色表示已达到液化终点，再升温至 100维持 l0min，达到灭菌和使酶失活的目的，然后送入糖化锅。将液化醪冷至6065 时加入麸曲，保温糖化 35min，待糖液降温至 30左右，送入酒精发酵容器。 酒精发酵 将糖液加水稀释至 7.58.0Bx，调 pH 值至 4.24.4 接入酒母，在 3033下进行酒精发酵70h，得出约含酒精 8.5%的酒醪，酸度在 0.30.4 左右。然后将酒醪送至醋酸发酵池。 醋酸发酵 将酒醪与砻糠、麸皮及醋酸菌种拌合，
16、送入有假底的发酵池，扒平盖严。进池品温 3538为宜，而中层醋醅温度较低，入池 24h 进行一次松醅，将上面和中间的醋陪尽可能疏松均匀，使温度一致。当品温升至 40时进行醋汁回流，即从假底放出部分醋液，再泼回醋醅表面，一般每天回流 6 次，发酵期间共回流 120130 次，使醅温降低。醋酸发酵温度，前期可控制在 4244，后期控制在3638 。经 2025d 醋酸发酵，醋汁含酸达 6.5%7.0%时，发酵基本结束。醋酸发酵结束，为避免醋酸被氧化成二氧化碳和水，应及时加入食盐以抑制醋酸菌的氧化作用。方法是将食盐置于醋醅的面层，用醋汁回流溶解食盐使其渗入到醋醅中。淋醋仍在醋酸发酵池内进行。再用二醋
17、淋浇醋醅，池底继续收集醋汁，当收集到的醋汁含酸量降到 5%时，停止淋醋。此前收集到的为头醋。然后在上面浇三醋，由池底收集二醋，最后上面加水，下面收集三醋。二醋和三醋共淋醋循环使用。 灭菌与配兑 灭菌是通过加热的方法把陈醋或新淋醋中的微生物杀死；破坏残存的酶；使醋的成分基本固定下来。同时经过加热处理，醋的香气更浓，味道更和润。 灭菌后的食醋应迅速冷却，并按照质量标准配兑。 1.1.5 液体深层发酵制醋 液体深层发酵制醋是利用发酵罐通过液体深层发酵生产食醋的方法，通常是将淀粉质原料经液化、糖化后先制成酒醪或酒液，然后在发酵罐里完成醋酸发酵。液体深层发酵法制醋具有机械化程度高、操作卫生条件好、原料利
18、用率高（可达 65-70%） 、生产周期短、产品的质量稳定等优点。缺点是醋的风味较差。 1） 工艺流程 麸曲 酒母 醋酸菌 碎米浸泡磨浆调浆液化糖化酒精发酵酒醪醋酸发酵醋醪压滤配兑灭菌陈醋成品 2） 生产工艺 在液体深层发酵制醋过程中，到酒精发酵为止的工艺均与酶法液化通风回流制醋相同，不同的是从醋酸发酵开始，采用较大的发酵罐进行液体深层发酵，并需通气搅拌，醋酸菌种子为液态，即醋母。醋酸液体深层发酵温度为 3235，通风量前期为 1:0.13/min；中期为 1:0.17/min；后期为1:0.13/min。罐压维持 0.03MPa。连续进行搅拌。醋酸发酵周期为 6572h。经测定已无酒精，残糖
19、极少，测定酸度不再增加说明醋酸发酵结束。 液体深层发酵制醋也可采用半连续法，即当醋酸发酵成熟时，取出三分之一成熟醪，再加三分之一酒醪继续发酵，如此每 2022h 重复一次。目前生产上多采用此法。 1.2 发酵乳制品 发酵乳制品是指良好的原料乳经过杀菌作用接种特定的微生物进行发酵作用，产生具有特殊风味的食品，称为发酵乳制品。它们通常具有良好的风味、较高的营养价值、还具有一定的保健作用。并深受消费者的普遍欢迎。常用发酵乳制品有酸奶、奶酪、酸奶油、马奶酒等。 发酵乳制品主要包括酸奶和奶酪两大类，生产菌种主要是乳酸菌。乳酸菌的种类较多，常用的有干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、保加
20、利亚乳杆菌(L. bulgaricus)、嗜酸乳杆菌(L. acidophilus)、植物乳杆菌(L. plantarum)、乳酸乳杆菌(L. Lactis)、乳酸乳球菌 (Lactococcus lactis)、嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)等。 近年来，随着对双歧乳酸杆菌在营养保健方面作用的认识，人们便将其引入酸奶制造，使传统的单株发酵，变为双株或三株共生发酵。由于双歧杆菌的引入，使酸奶在原有的助消化、促进肠胃功能作用基础上，又具备了防癌、抗癌的保健作用。双歧杆菌因其菌体尖端呈分枝状(如 Y 型或 V 型)而得名。双歧杆菌是无芽孢革兰氏阳性细菌，专性厌氧
21、、不抗酸、不运动、过氧化氢酶反应为阴性，最适生长温度为 3741 。初始生长最适 pH6.57.0，能分解糖。双歧杆菌能利用葡萄糖发酵产生醋酸和乳酸(2：3)，不产生 CO2。目前已知的双歧杆菌共有 24 种，其中 9 种存在于人体肠道内，它们是两歧双歧杆菌(B. bifidum)、长双歧杆菌(B. longum)、短双歧杆菌 (B. brevvis)、婴儿双歧杆菌(B. angulatum)、链状双歧杆菌(B. adolescentis)、假链状双歧杆菌(B. pseudocatenulatum)和牙双歧杆菌(B. dentmum)等。应用于发酵乳制品生产的仅为前面 5 种。 双歧杆菌与人体
22、，除了如在酸奶中起到和其它乳酸菌一样的对乳营养成分的“预消化”作用，使鲜乳中的乳糖、蛋白质水解成为更易为人体吸收利用的小分子以外，主要产生双歧杆菌素。其对肠道中的致病菌如沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、志贺氏菌等具有明显的杀灭效果。乳中的双歧杆菌还能分解积存于肠胃中的致癌物 N-亚硝基胺，防止肠道癌变，并能通过诱导作用产生细胞干扰素和促细胞分裂剂，活化 NK 细胞，促进免疫球蛋白的产生、活化巨嗜细胞的功能，提高人体的免疫力，增强人体对癌症的抵抗和免疫能力。 目前，发酵乳制品的品种很多，如酸奶、饮料、干酪、乳酪等。现仅简要介绍一下双歧杆菌酸奶的生产工艺。 双歧杆菌酸奶的生产有两种不同的工艺。一种是两歧
23、双歧杆菌与嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌等共同发酵的生产工艺，称共同发酵法。另一种是将两歧双歧杆菌与兼性厌氧的酵母菌同时在脱脂牛乳中混合培养，利用酵母在生长过程中的呼吸作用，以生物法耗氧，创造一个适合于双歧杆菌生长繁殖、产酸代谢的厌氧环境，称为共生发酵法。 1.2.1 共同发酵法生产工艺 1） 工艺流程 共同发酵法双歧杆菌酸奶的生产工艺流程如下： 原料乳 标准化 调配(蔗糖 10% +葡萄糖 2%) 均质(1520MPa) 杀菌 (115，8min) 冷却 (3840) 适量维生素 C接种(两歧双歧杆菌 6%、嗜热链球菌 3%) 灌装 消毒瓶 发酵(38-39， 6h) 冷却(10左右) 冷藏 (
24、15) 成品 2） 生产工艺 双歧杆菌产酸能力低，凝乳时间长，约需 1824h，且由于其属于异型发酵，最终产品的口味和风味欠佳。因而，生产上常选择一些对双歧杆菌生长无太大影响，但产酸快的乳酸菌，如嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、乳脂明串珠菌等与双歧杆菌共同发酵。这样既可以使制品中含有足够量的双歧杆菌，又可以提高产酸能力，大大缩短凝乳时间，缩短生长周期，并改善制品的口感和风味。1.2.2 共生发酵法生产工艺 1） 工艺流程 双歧杆菌、酵母共生发酵乳的生产工艺流程如下： 原料乳 标准化9.5% 蔗糖 10%十葡萄糖 2%调配 均质(1520MPa) 杀菌(115，8min) 冷却(2628
25、 ) 两歧双歧杆菌 6%接种乳酸酵母 3% 发酵(2628，2h) 升温(37 ) 发酵(37 ，5h) 冷却(10 左右 ) 罐装 冷藏(l5) 成品 2） 生产工艺 共生发酵法常用的菌种搭配为两歧双歧杆菌和用于马奶酒制造的乳酸酵母(Sacch. Lactis)，接种量分别为 6%和 3%。在调配发酵培养用原料乳时，用适量脱脂乳粉加入到新鲜脱脂乳中，以强化乳中固形物含量(固形物大于等于 9.5%)，并加入 10%蔗糖和 2%的葡萄糖，接种时还可加入适量维生素 C，以利于双歧杆菌生长。酵母菌的最适生长温度为 2628。为了有利于酵母先发酵，为双歧杆菌生长营造一个适宜的厌氧环境，因而接种后，首先
26、在温度 2628下培养，以促进酵母的大量繁殖和基质乳中氧的消耗，然后提高温度到 30左右，以促进双歧杆菌的生长。由于采用了共生混合的发酵方式，双歧杆菌生长迟缓的状况大为改观，总体产酸能力提高，加快了凝乳速度，所得产品酸甜适中，富有纯正的乳酸口味和淡淡的酵母香气，制品酸度为 80900T 双歧杆菌活菌数保证在 100 万个/mL以上。因此，酸奶最好在生产 7d 内销售出去，而且在生产与销售之间必须形成冷冻链，因为即使在510以下，存放 7d 后，双歧活菌的死亡率高达 96%，20下存放 7d 后，死亡率达 99%以上。 1.3 氨基酸发酵 1.3.1 概述 氨基酸是组成蛋白质的基本成分，其中有
27、8 种氨基酸是人体不能合成但又必需的氨基酸，称为必需氨基酸，人体只有通过食物来获得。另外在食品工业中，氨基酸可作为调味料，如谷氨酸钠、肌苷酸钠、鸟苷酸钠可作为鲜味剂，色氨酸和甘氨酸可作为甜味剂，在食品中添加某些氨基酸可提高其营养价值等等。因此氨基酸的生产具有重要的意义。表 71 列出部分氨基酸生产所用的菌株。 自从 60 年代以来，微生物直接用糖类发酵生产谷氨酸获得成功并投入工业化生产。我国成为世界上最大的味精生产大国。味精以成为调味品的重要成员之一，氨基酸的研究和生产得到了迅速发展。随着科学技术的进步，对传统的工艺不断地进行改革，但如何保持传统工艺生产的特有风味，从而使新工艺生产出的产品更具
28、魅力，是今后研究的课题。 1.4 谷氨酸发酵 1） 谷氨酸生产菌 谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)、乳糖发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum)、黄色短杆菌(Brevibacterium flavum)。我国使用的生产菌株是北京棒杆菌(Corynebacterium pekinenese n.sp.)AS1.299、北京棒杆菌 D110、钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum n.sp)AS1.542、棒杆菌 S-914 和黄色短杆菌T613（Brevibacterium flavum T613）等。 在
29、己报道的谷氨酸产生菌中，除芽孢杆菌外，虽然它们在分类学上属于不同的属种，但都有一些共同的特点，如菌体为球形、短杆至棒状、无鞭毛、不运动、不形成芽孢、呈革兰氏阳性、需要生物素、在通气条件下培养产生谷氨酸。 2） 生产原料 发酵生产谷氨酸的原料有淀粉质原料：玉米、小麦、甘薯、大米等。其中甘薯和淀粉最为常用；糖蜜原料：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜；氮源料：尿素或氨水。 3）工艺流程 味精生产全过程可分五个部分：淀粉水解糖的制取；谷氨酸生产菌种子的扩大培养；谷氨酸发酵；谷氨酸的提取与分离；由谷氨酸制成味精。 表 7-1 部分氨基酸及其生产所用菌株 生成的氨基酸 使用的菌株 谷氨酸 谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌或
30、黄色短杆菌 北京棒杆菌（AS1.299）或钝齿棒杆菌（AS1.542 或 B9）缬氨酸 北京棒杆菌（AS1.586(ile-)*） 乳糖发酵短杆菌(thr-)DL 丙氨酸 凝结芽孢杆菌(Bacillus cuagulans)(met-)脯氨酸 链形寇氏杆菌 (kurthia catenoform)(ser-)黄色短杆菌(ile+SGR)*赖氨酸 黄色短杆菌(AECR)乳糖发醇短杆菌(AECR+ser-或 AECR+Ade-+Gu) 谷氨酸棒杆菌(AECR+Leu 或 AECR+met 或 AECR+Ala)苏氨酸 大肠杆菌(met-+var) 、大肠杆菌 W(DAP_+met+ile_)鸟氨酸
31、 谷氨酸棒杆菌 (Cit_) 、黄色短杆菌(Cit- 或 Arg-)亮氨酸黄色短杆菌 (ile-+met-+Tar)酪氨酸 氨酸棒杆菌(Phe-+Pu-) *营养缺陷型，R：抗性。 菌种的扩大培养 淀粉质原料糖化中和、脱色、过滤培养基调配接种发酵提取(等电点法、离子交换法等)谷氨酸谷氨酸-Na脱色过滤干燥成品 4） 发酵生产工艺 培养基成分 碳源：碳源是构成菌体和合成谷氨酸的碳架及能量的来源。由于谷氨酸产生菌是异养微生物，因此只能从有机物中获得碳素，而细胞进行合成反应所需要能量也是从氧化分解有机物过程中得到的。实际生产中以糖质原料为主。培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有密切的关系。在一定的范围内，谷
32、氨酸产量随糖浓度的增加而增加。 氮源：氮源是合成菌体蛋白质、核酸及谷氨酸的原料。碳氮比对谷氨酸发酵有很大影响。大约 85%的氮源被用于合成谷氨酸，另外 15%用于合成菌体。谷氨酸发酵需要的氮源比一般发酵工业多得多，一般发酵工业碳氮比为 100：0.22.0，谷氨酸发酵的碳氮比为 100：1521。 无机盐：是微生物维持生命活动不可缺少的物质。其主要功能是：构成细胞的组成成分；作为酶的组成成分；激活或抑制酶的活力；调节培养基的渗透压；调节培养基的 pH；调节培养基的氧化还原电位。起着调节微生物生命活动的作用。发酵时，使用的无机离子有 K+、Mg2+ 、Fe2+、Mn2+等阳离子和 PO43-、S
33、O42-、Cl等阴离子，其用量如下： KH2PO4 0.05%0.2%； K2HPO4 0.05%0.2%； MgSO4.7H2O 0.005%0.1%； FeSO4.7H2O 0.0005%0.01%； MnSO44H2O 0.0005%0.005%。 生长因子：凡是微生物生命活动不可缺少，而微生物自身又不能合成的微量有机物质都称为生长因子。生长因子通常是指氨基酸、嘌呤、嘧啶和 B 族维生素的一种，又叫维生素 H 或辅酶 R。糖质为碳源的谷氨酸产生菌几乎都是生物素缺陷型，也就是说这些细菌本身都不能合成生物素。生长素的作用是影响代谢途径；影响细胞的渗透性。 生长因子含量的多少，与生产有着十分密
34、切的关系。实际生产中通过添加玉米浆、麸皮、水解液、糖蜜等作为生长因子的来源，来满足谷氨酸产生菌必须的生长因子。 培养基 a 斜面培养基 葡萄糖 0.1% 牛肉膏 1.0% 蛋白胨 1.0% 氯化钠 0.5% 琼脂 2.0% pH 7.07.2 121灭菌 30min(传代和保藏斜面不加葡萄糖)。 b 一级种子、二级种子及发酵培养基 一级种子 葡萄糖 2.5% 尿素 0.6% KH2PO4 0.1% MgSO4.7H2O 0.04% 玉米浆2.33.0ml pH 7.0 二级种子 水解糖 3.0% 尿素 0.6% 玉米浆0.50.6ml K2HPO4 0.10.2% MgSO4.7H2O 0.0
35、4% pH 7.0 发酵培养基 水解糖 1214% 尿素 0.50.8% 玉米浆0.6ml MgSO4.7H2O 0.06% KCl 0.05% Na2HPO4 0.17% pH 7.0 发酵条件的控制 a 温度 谷氨酸发酵前期(012h)是菌体大量繁殖阶段，在此阶段菌体利用培养基中的营养物质来合成核酸、蛋白质等，供菌体繁殖用，而控制这些合成反应的最适温度均在 3032。在发酵中、后期，是谷氨酸大量积累的阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在 3236，故发酵中、后期适当提高罐温对积累谷氨酸有利。 b pH 值 发酵液的 pH 影响微生物的生长和代谢途径。发酵前期如果 pH 偏低，则
36、菌体生长旺盛，长菌而不产酸；如果 pH 偏高，则菌体生长缓慢，发酵时间拉长。在发酵前期将 pH 值控制在 7.58.0 左右较为合适，而在发酵中、后期将 pH 值控制在 7.07.6 左右对提高谷氨酸产量有利。 c 通风 在谷氨酸发酵过程中，发酵前期以低通风量为宜；发酵中、后期以高通风量为宜。实际生产上，以气体转子流量计来检查通气量，即以每分钟单位体积的通气量表示通风强度。另外发酵罐大小不同，所需搅拌转速与通风量也不同。 d 泡沫的控制 在发酵过程中由于强烈的通风和菌体代谢产生的 CO2，使培养液产生大量的泡沫，不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸和代谢。给发酵带来危害，必须加以消泡。
37、消泡的方法有机械消泡(耙式、离心式、刮板式、蝶式消泡器) 和化学消泡(天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂)两种方法。 e 发酵时间 不同的谷氨酸产生菌对糖的浓度要求也不一样，其发酵时间也有所差异。一般低糖(10%12%)发酵，其发酵时间为 3638h，中糖(14%)发酵，其发酵时间为 45h。 1.5 黄原胶 1.5.1 概况 黄原胶(Xamthan Gum)别名汉生胶，又称黄单胞多糖，是国际上 70 年代发展起来的新型发酵产品。它是由甘兰黑腐病黄单胞细菌(Xanthomonas campestris)以碳水化合物为主要原料，经通风发酵、分离提纯后得到的一种微生物高分子酸性胞外杂多糖。其
38、作为新型优良的天然食品添加剂用途越来越广泛。 国际上，黄原胶开发及应用最早的是美国。美国农业部北方地区 Peoria 实验室于 60 年代初首先用微生物发酵法获得黄原胶。1964 年，美国 Merck 公司 Keco 分部在世界上首先实现了黄原胶的工业化生产。1979 年世界黄原胶总产量为 2000t，1990 年达 4000t 以上。在美国，黄原胶年产值约为 5亿美元，仅次于抗生素和溶剂的年产值，在发酵产品中居第 3 位。 我国对黄原胶的研究起步较晚，进行开发研究的单位，如南开大学、中科院微生物研究所、山东食品发酵研究所等，均已通过中试鉴定。目前全国有烟台、金湖、五连等数家黄原胶生产厂，年产
39、在200t 左右，主要用作食品添加剂。我国生产黄原胶的淀粉用量一般在 5%左右，发酵周期为7296h，产胶能力 3040g/L，与国外比较，生产水平较低。随着黄原胶生产和应用范围的进一步发展，目前北京、四川、郑州、苏州、山东等地都有黄原胶生产新厂建成，预示着我国的黄原胶生产将呈现一个新的局面。 1.5.2 黄原胶的分子结构及其性质 1） 黄原胶的分子组成 黄原胶是以 5 分子糖为一单元，由与此相同的单元聚合而成的高分子多糖物质。每一单元由 2 分子葡萄糖，2 分子甘露糖和 1 分子葡萄糖醛酸组成。其主链由 -葡萄糖通过 1，4-糖苷键相连而成的 2 分子葡萄糖为单元，其结构与纤维素结构相同，相
40、间在葡萄糖的 C3 上连有 2 分子甘露糖和 1 分子葡萄糖醛酸构成侧链。在侧链上有丙酮酸及竣酸侧基。因其侧链含酸性基团，在水溶液中呈多聚阴离子，构成黄原胶的三级立体结构：带阴离子的侧链缠绕主链形成螺旋结构，分子间靠氢键形成双股螺旋，而双股螺旋结构间又是靠微弱的非共价键维系，形成规则的“超级接合带状的螺旋聚合体” 。 2） 黄原胶的性质 典型的流变特性 随着剪切速率增加，因胶状网络遭到破坏，导致粘度降低，胶液变稀，但一旦剪切力消失，粘度又可恢复，因而使黄原胶具有良好的泵送和加工性能。利用这种特性在需要添加增稠剂的液体中加入黄原胶，不仅液体在输送过程中容易流动，而且静止后又能恢复到所需要的粘度，
41、因此被广泛应用于饮料行业。 低浓度时的高粘性 含 2%3%黄原胶的液体，其粘度高达 37Pa.s。黄原胶的高粘性使其具有广阔的应用前景，但同时又给生产上的后处理带来麻烦。 耐热性 黄原胶在相当宽的温度范围内(-9890)粘度几乎无变化。黄原胶即使在 130的高温下保持36min 后冷却，溶液的粘度也无明显变化。在经多次冷冻-融化循环后，胶液的粘度并不发生改变。在高温条件下若添加少量电解质如 0。5%NaCI ，可稳定胶液的粘度。 耐酸、碱性 黄原胶水溶液的粘度几乎与 pH 值无关。这一独特性质是其他增稠剂如竣甲基纤维素(CMC)等所不具备的。 相容性及溶解性 黄原胶可与绝大部分的常用食品增稠剂
42、溶液溶混，特别是与藻酸盐类、淀粉、卡拉胶、瓜胶溶混后，溶液的粘度以叠加的形式增加。 黄原胶易溶于水，不溶于醇、酮等极性溶剂。在非常广的温度、pH 和盐浓度范围内，黄原胶很容易溶解于水中，其水溶液可在室温下配制，搅动时应尽可能减少空气混人。如果将黄原胶预先与一些干物质如盐、糖、味精等混匀，然后用少量水湿润，最后加水搅拌，这样配制出的胶液其性能更好。 分散性及保水性 黄原胶是食品添加剂中优良的悬浮剂和乳化稳定剂。黄原胶对食品具有良好的保水、保鲜作用。 1.5.3 黄原胶的生产 1） 工艺流程 菌种的扩培发酵原料配比发酵发酵条件控制分离提纯干燥 2） 菌种 黄原胶生产有广泛的微生物来源，黄单胞菌属的
43、许多种类菌株都能产生黄原胶。目前，国内外用于生产黄原胶的菌种大多是从甘兰黑腐病病株上分离到的甘兰黑腐病黄单胞菌，也称野油菜黄单胞菌。另外生产黄原胶的菌种还有菜豆黄单胞菌(X. phaseoli)、锦葵黄单胞菌(X. Malvacearum)和胡萝卜黄单胞菌(X. carotae)等。我国目前已开发出的菌株有南开-01、山大-152、008 、L4 和 L5。这些菌株一般呈杆状，革兰氏染色阴性，产荚膜。在琼脂培养基平板上可形成黄色粘稠菌落，液体培养可形成粘稠的胶状物。 3） 发酵培养基 黄原胶发酵培养基的碳源一般是糖类、淀粉等碳水化合物。在黄单胞菌菌体内酶的作用下，1、6-糖苷键被打开，形成直链
44、多糖，经进一步转化，最终变成产物黄原胶。氮源一般以鱼粉和豆饼粉为主。另外，还添加一些微量无机盐，如铁、锰、锌等的盐类。特别是轻质碳酸钙以及 NaH2PO4 和MgSO4，它们对黄原胶的合成有明显的促进作用。 例如南开大学的南开-01 菌种所使用的摇瓶发酵培养基如下：玉米淀粉 4%，鱼粉蛋白胨 0.5%，轻质碳酸钙 0.3%，自来水配制，pH7.0。在大罐生产中将鱼粉蛋白胨改成鱼粉直接配料，其他原料不变。国外用作黄原胶发酵的碳源多数是葡萄糖。 4） 发酵 摇瓶发酵 摇瓶发酵条件：接种量 1%5%，旋转式摇床转速 220r/min，培养温度 28，发酵 72h 左右。发酵结束，黄原胶产酸能力为 2
45、030g/L，对碳源的转化率在 60%70%。 工业化生产 接种量为 5%8%。由于培养基的高粘度，黄原胶生产属高需氧量发酵，需大通风量，一般为10.6m3/（m3min)。发酵温度为 2528。碳源的起始浓度一般在 2%5%。 黄原胶的收率取决于碳、氮源的种类和发酵条件。目前收率一般在起始糖量的 40%75%。黄单胞菌容易利用有机氮源，而不易利用无机氮源。有机氮源包括鱼粉蛋白胨、大豆蛋白胨、鱼粉、豆饼粉、谷糠等。其中以鱼粉蛋白胨为最佳，它对产物的生成有明显的促进作用，一般使用量为0.4%0.6%。在氮源浓度较低时，随氮源浓度的提高，细胞浓度也增加，黄原胶的合成速率加快，黄原胶得率也相应提高。
46、起始氮源在中等浓度时，细胞浓度和黄原胶的合成速率均有提高，发酵时间被缩短，但黄原胶的得率却降低，这是因为细胞生长过快，使用于细胞生长及维持细胞生命的糖量增加，用于合成黄原胶的糖反而减少，导致黄原胶得率下降。如果采用发酵后期流加糖的方法，使糖浓度始终维持在一定的水平，那么，由于补加的糖只用于细胞维持生命及合成黄原胶，而没有生长的消耗，从而得率就可比间歇发酵有较大提高。若起始氮源的浓度再提高，虽然细胞浓度有所增加，但黄原胶得率及合成速率却降低了。其主要原因是“氧限制“ ，高浓度细胞随着发酵的进行，发酵液粘度不断增大，体积传质系数降低，造成氧供应能力逐渐下降，合成速率变慢，得率降低。 黄原胶发酵培养
47、基的起始 pH 值一般控制在 6.57.0，这有利于初期的细胞生长和后期的黄原胶合成。 5） 黄原胶的分离提取 黄原胶通常由玉米淀粉辅以氮源及微量元素经微生物发酵后制得。发酵醪中除含黄原胶(3%左右)外，还有菌丝体、未消耗完的碳水化合物、无机盐及大量的液体。其中菌丝体等固形物占 20%，水溶性无机盐占 10%。如果菌丝体等固形物混杂在黄原胶成品中，会造成产品的色泽差、味臭，从而限制了黄原胶的使用范围。因此黄原胶的分离提取，其目的在于按产品质量规格的要求将发酵醪中的杂质不同程度地除去，通过纯化、分离、浓缩和干燥等手段获得成品。黄原胶成品分食品级、工业级和工业粗制品 3 种。 溶剂沉淀法 先将发酵液用 6mol/LHCI 酸化，然后加入工业酒精使黄原胶沉淀。过滤后沉淀物先后用工业酒精和 10%KOH 洗涤，过滤，沉淀物干燥后进行粉碎，经过筛制得成品。本法由于直接用 HCl 和工业酒精进行酸化沉淀，没有去除掉菌体，因此仅能制得工业级黄原胶。 为了制得食品级黄原胶，在上面的方法基础上增加了离心除菌体和多次用酒精进行沉淀、洗涤的操作，从而提高了成品的纯度。 溶剂沉淀法工艺简单，产品质量高，大型化生产技术成熟，是目前国内采用的主要生产方法，但该方法溶剂用量大，需设置溶剂回收设备，投资较大，生
