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发酵

发酵指人们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、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵有时也写作,其定义由使用场合的不同而不同。通常所说的发酵,多是指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应,如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。其也是生物工程的基本过程,即发酵工程。对于其机理以及过程控制的研究,还在继续。

酵母菌乳酸菌等微生物的无氧呼吸也叫做发酵。

1.指在无氧等外源氢受体的条件下,底物脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受,以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。

2.喻事物受外力影响发生某种发展变化。

郭沫若《今昔集再谈中苏文化之交流》:“这三种东西(活字、指南针、火药)传到西方去了之后,把欧洲的近代文明发酵起来了。”茅盾《色盲》:“新的刺激,在他的胀热的头脑里开始发酵了。”秦牧《社稷坛抒情》:“对,这真是一个激发人们思古幽情的所在!作为一个 中国 人,可以让这种使人微醉的感情发酵的去处可真多呢!”

沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化,是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成,以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上,发酵也是呼吸作用的一种,只不过通常的呼吸作用是指有氧呼吸,其最终结果是生成CO2和水,而发酵过程则是一种无氧呼吸的过程,其最终结果是产生酒精,二氧化碳以及其它代谢的产物。

因而,现代发酵的定义应该是:通过对微生物(或动植物细胞)进行大规模的生长培养,使之发生化学变化和生理变化,从而产生和积累大量人们发酵所需要的代谢产物的过程。

“发酵”原来指的是轻度发泡或沸腾状态。发酵现象早已被人们所认识,但了解它的本质却是近200年来的事。英语中发酵一词fermentation是从拉丁语fervere派生而来的,原意为“翻腾”,它描述酵母作用于果汁或麦芽浸出液时的现象。现在发酵技术已发展成为一门工程学科和独立的工业,涵盖了食品发酵(如酸奶、干酪、面包、酱腌菜、豆豉、腐乳、发酵鱼肉等)酿造(如啤酒、白酒、黄酒、葡萄酒等饮料酒以及酱油、酱、醋等酿造调味品等)、近代的发酵工业(如酒精、乳酸、丙酮、丁醇等)等。

食品发酵类型众多,若不加以控制,就会导致食品腐败变质。控制食品发酵过程的主要因素有酸度、酒精含量、菌种的使用、温度、通氧量和加盐量等。这些因素同时还决定着发酵食品后期贮藏中的微生物生长的类型。

复杂的有机化合物在微生物的作用下分解成比较简单的物质。发面、酿酒等都是发酵的应用。也作酵。

汉词“发酵”作为名词表示一个过程,作为动词表示一种行动

(1)微生物生理学严格定义的“发酵”:

有机物被生物体氧化降解氧化产物并释放能量的过程统称为生物氧化

微生物生理学把生物氧化区分为呼吸和发酵,呼吸又可进一步区分为有氧呼吸无氧呼吸。因此,发酵是生物氧化的一种方式。

发酵是这样一种生物氧化方式:在没有外源最终电子受体的条件下,化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化与内源的(已经经过该细胞代谢的)有机化合物的还原相耦合,一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化,而是通过底物(激酶的底物)水平磷酸化来获得代谢能ATP;能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD,以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD,同时将后者还原成发酵产物(不完全氧化的产物)。

细胞中的NAD是有限的,如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生,就不能被回用,有效的电子载体就会愈来愈少,脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是生物氧化(包括发酵)继续进行下去的必要条件。

(2)工业生产上定义的发酵“工业发酵

工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵要依靠微生物的生命活动,生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑,因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式:有氧呼吸无氧呼吸和发酵。

近百年来,随着科学技术的进步,发酵技术发生了划时代的变革,已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到,按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

(3) 专业词汇“发酵(fermentation)”

“发酵”这个词汇在生活中往往是人联想到发面制作大饼油条馒头包子,或者联想到食品酸败物品霉烂。

“发酵”作为专业词汇其含义不但覆盖发面制作大饼油条、馒头、包子,更重要的是指用发酵的手段工业化生产酒及酒精饮料、食品食品添加剂、饲料及饲料添加剂、药品、化工材料等等。

发酵和其他化学工业的最大区别在于它是生物体所进行的化学反应。其主要特点如下:

1,发酵过程一般来说都是在常温常压下进行的生物化学反应,反应安全,要求条件也比较简单。

2,发酵所用的原料通常以淀粉、糖蜜或其他农副产品为主,只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。微生物因不同的类别可以有选择地去利用它所需要的营养。基于这特性,可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。

3,发酵过程是通过生物体的自动调节方式来完成的,反应的专一性强,因而可以得到较为单的代谢产物。

4,由于生物体本身所具有的反应机制,能够专一性地和高度选择性地对某些较为复杂的化合物进行特定部位地氧化、还原等化学转化反应,也可以产生比较复杂的高分子化合物。

5,一般情况下,发酵过程中需要特别控制杂菌的产生。通常控制杂菌的方法是对设备进行严格消毒处理,对空气加热灭菌操作以及尽可能的采用自动化的方式进行发酵。通常,如果发酵过程中污染了杂菌或者噬菌体,会影响发酵过程的进行,导致发酵产品的产量减少,严重的,甚至会导致整个发酵过程失败,发酵产品被要求全部倒掉。

6,微生物菌种是进行发酵的根本因素,通过变异和菌种筛选,可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用,甚至可以获得按常规方法难以生产的产品。

7,工业发酵与普通发酵相比,对于发酵过程的控制更为严格,对发酵技术要求更为成熟,并且能够实现大规模量产

基于以上特点,工业发酵日益引起人们重视。和传统的发酵工艺相比,现代发酵工程除了上述的发酵特征之外更有其优越性。除了使用微生物外,还可以用动植物细胞和酶,也可以用人工构建的“工程菌’来进行反应;反应设备也不只是常规的发酵罐,而是以各种各样的生物反应器而代之,自动化连续化程度高,使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新。

发酵反应的过程依据不同糖的利用与产物的生产而不同。以下以葡萄糖生产酒精为例,说明酿酒发酵的过程,同时这也是最经典的发酵反应:

化学式:C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量:118 kJ/mol) 文字式:糖(葡萄糖、果糖或蔗糖) → 醇类乙醇) + 二氧化碳 + 能量 (ATP) 就实际反应的生化途径而言,在厌氧呼吸的初期,往往是糖酵解途径,之后的途径与终产物有关。

根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要,可以将发酵分成若干类型:

1,按发酵原料来区分:糖类物质发酵、石油发酵及废水发酵等类型。

2,按发酵产物来区分:如氨基酸发酵、有机酸发酵、抗生素发酵、酒精发酵、维生素发酵等。

3,按发酵形式来区分,则有:固态发酵和液体深层发酵。

4,按发酵工艺流程区分则有:分批发酵连续发酵和流加发酵。

5,按发酵过程中对氧的不同需求来分,一般可分为:厌氧发酵和通风发酵两大类型。

发酵工程在生物工程中的位置

生物工程主要包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和发酵工程等5个部分;

基因工程和细胞工程的研究结果,大多需要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶,往往是通过酶工程来获得;酶工程中酶的生产,一般要通过微生物发酵的方法来进行。由此可见,生物工程各个分支之间存在着交叉渗透的现象。

生物工程

主要操作对象

工程目的

与其它工程的关系

基因工程

基因及动物细胞、植物细胞、微生物

改造物种

通过细胞工程、发酵工程使目的基因得以表达

细胞工程

动物细胞、植物细胞、微生物细胞

改造物种

可以为发酵工程提供菌种、使基因工程得以实现

发酵工程

微生物

获得菌体及各种代谢产物

为酶工程提供酶的来源

酶 工 程

微生物

获得酶制剂或固定化酶

为其它生物工程提供酶制剂

对于任何发酵类型(除一些转化过程外).一个确定的发酵过程由6个部分组成:

①菌种以及确定的种子培养基和发酵培养基的组成;

②培养基、发酵罐和辅助设备的火菌;

③大规模的有活性、纯种的种子培养物的生产;

④发酵罐中微生物最优的生长条件下产:物的大规模生产;

⑤产物的提取、纯化;

⑥发酵废液的处理。

因此,有必要不断进行研究以逐步提高整个发酵过程的效率。如在一个发酵过程建立之前,生产菌株必须分离出来,通过改造使其合成日标产物.并且其产量应具有经济价值;应确定微生物在培养上的需求,并设计相应的没备;同时必须确定产品的分离提取方法。

此外,整个研究计划也应包括在发酵过程中不断地优化微生物菌种、培养基和提取方法。

固态发酵

传统上人们利用固态发酵生产面包麦芽、酒曲、酒精饮料、酱油、豆豉、蘑菇食品或生产中间原料。近代研究发现利用固态发酵生产的一些食品中含有生理活性物质,表明了固态发酵在生产这些食品及食品添加剂上有优势。随着能源危机与环境问题的日益严重,固态发酵技术以其特有的优点引起人们极大的兴趣。人们在固态发酵领域的研究及其在资源环境、蛋白质饲料中的应用取得了较大进展,主要表现在生物饲料、生物燃料生物农药生物转化生物解毒及生物修复等方面的成功开发应用,为固态发酵的不断发展提供了强有力支持,为传统技术发扬光大提供了广阔的应用前景。另外,中药固态发酵,在保持中药原来药效,降低毒性反应的作用巨大。

生产葡萄酒

(1)、破碎和去梗

破碎:使果肉和果汁分离。

去梗:果梗有青梗味,除非酒中需要额外增加单宁,才会保留果梗。

(2)、酒精发酵和浸渍

葡萄破碎去梗后,被输送到发酵容器中进行发酵,酵母可以由葡萄自身原有的,也可以是人工添加的,发酵过程持续4~10天,葡萄皮中的单宁和色素就渗入葡萄汁里。

单宁和色素的撮过程就称为浸渍。浸渍时间从数日到数周不等。酵造单宁含量低、较柔顺的“新酒”,浸渍时间会很短;酿造可长期收藏的红酒时,由于需要足够的单宁,浸渍的时间会很长。

(3)、更换容器和压榨皮渣

更换容器是为了将皮渣从葡萄原酒中分离,结束浸渍过程。皮渣移出容器后,再经压榨出酒。从皮渣中压榨出的葡萄酒颜色较深,单宁含量也较高,味苦涩。

(4)、乳酸发酵

在红葡萄酒酿造过程中,通常会进行称为乳酸发酵的副发酵。副发酵是利用乳酸菌把酒中酸涩的苹果酸变成较柔顺且稳定的乳酸。

生产味精

全世界都采用发酵法生产味精。发酵法生产味精的原料基本上都是淀粉、砂糖、醋酸糖蜜等天然物质,因此味精不是化学合成产品。

制作酵素

一是生产酵素菌。酵素菌是从自然界中分分离纯化获得的有益微生物,将其组合发酵形成,包括细菌酵素菌丝状菌三大类二十余种能产生流活性分解酶的微生物群体组成的产品,广泛应用于种植业养殖业和人体保健食品行业。

二是制作食用酵素食用酵素(,enzyme)根据原料的多寡,又可分为综合酵素和专一酵素。

综合酵素,特别是植物综合酵素(植物复合酶),一般是指用几十种甚至上百种蔬果发酵制备的酵素产品,针对性弱,藉在强调对人体的综合调理作用。

专一酵素,是指针对某些特定功效作用,或出于某些特定因素,而选用一种或两种原料(一般不超过三种),经发酵制备而成的酵素产品。如,诺丽酵素,原料只有有机诺丽和有机青梅,旨在针对女性排毒、通便、祛痘(光洁皮肤)。

BTA工艺流程可广泛应用于处理生活垃圾、商业垃圾、农业垃圾及城市固体垃圾中的可降解生物垃圾(Biowaste)(垃圾中的有机物部份)。通过BTA工艺流程可将垃圾转换成高质量的生物燃气(Biogas)和有机肥(Compost),生物燃气又可发电并产出热能。用BTA工艺流程进行垃圾处理时,所用的水基本都是在生产过程中产生的循环水,多余的水可直接应用于农业灌溉或进行进一步的污水清洁处理。

较为常用的是BTA单级发酵系统。垃圾浆料的发酵在混合发酵反应罐中一次完成。考虑到投资与运行的成本,现有的发酵设备(如污水处理厂、农业沼气厂的发酵罐)都可以直接改造利用这一工艺。BTA单级发酵系统完全可应用于现有的垃圾处理工厂扩大产量,如果要进行餐厨垃圾的处理还有必要再增加一些BTA杀菌消毒设施。

还有一种BTA多级发酵系统,大多用于年处理量超过5万吨的工厂。在BTA多级发酵系统中垃圾浆料通过脱水分离成固态物质和液相物质。液相中包含可溶解的有机成份,可以直接泵入厌氧发酵罐(甲烷反应器)中。经过脱水后的固体渣料中由于仍然包含有未溶解的有机成份,可再一次将其与水混合打进水解反应器,经过约4天后对这些悬浮液再次脱水,然后将液体部分注入到发酵罐(甲烷反应器)中。通过在不同反应器(酸化、水解和甲烷)中的降解过程,BTA多级发酵系统为微生物创造最理想的生长条件,加快了生物的降解速度,只需要几天时间就使60-80-的有机物质转化成甲烷气体。

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