食品发酵与酿造（上）

一、发酵与酿造历史

1、天然发酵时期

发酵与酿造技术拥有悠久的历史，远古时期，几乎所有原始部族都从含糖的果实贮藏时自然发酵的现象中学会了酒精发酵的方法。但那时人们并不知道微生物与发酵的关系，因而很难人为控制发酵过程，生产也只能凭经验，口传心授。

公元前4000至公元前3000年，古埃及人已熟悉了酒、醋的酿造方法。

约在公元前2000年，古希腊人和古罗马人已会利用葡萄酿造葡萄酒。

我国在距今4200~4000年前的龙山文化时期已有酒器出现，公元前1000多年前，商朝甲古文中就有“醋”、“酒”的记载。

2、纯培养技术的建立时期

19世纪中叶至20世纪初，随着显微镜的发明和微生物的发现，人们开始逐渐了解发酵的微生物学原理，并建立了纯培养技术，开创了人为控制发酵过程的时期。

1680年，荷兰人列文虎克制成了显微镜，使人们能够观察到微生物。

1857年，法国生物学家巴斯德用实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的。

1897年，德国人毕希纳发现了酶的存在，揭示了发酵现象的化学本质。

3、深层培养技术的应用与发展时期

随着第二次世界大战的爆发，对抗生素等发酵产品的需求急剧增加，推动了深层培养技术（即机械搅拌通气技术）的发展和应用。

1945年，青霉素开始大规模生产。

随后，链霉素、氯霉素、金霉素、土霉素、四环素等好氧发酵的次级代谢产物相继投产。

4、开拓新型发酵原料时期

20世纪60年代以后，随着发酵技术的不断进步和发酵产品的多样化，人们开始寻找和开拓新的发酵原料，如石油化工副产物等。

石油化工副产物如石蜡、醋酸、甲醇、乙醇以及甲烷等碳氢化合物被用来作为发酵原料。

开始了所谓的石油发酵时期，用醋酸生产谷氨酸，用甲烷、甲醇以及正构石蜡生产单细胞蛋白、柠檬酸等已达到工业化水平。

5、基因工程阶段

20世纪70年代至今，随着DNA双螺旋结构的发现和基因工程技术的兴起，发酵与酿造技术进入了全新的发展阶段。通过基因工程技术改良微生物菌种，提高了发酵效率和产品质量。

1953年，美国的沃森及克里克发现了DNA双螺旋结构。

1973年，DNA重组技术诞生。

此后，全世界各国的研究人员很快发展出大量基因分离、鉴定和克隆的方法，构建出高产量的基因工程菌，并生产出多种基因工程药物和产品。

二、食品发酵与酿造定义原理区别

食品发酵与酿造在定义、原理及应用上存在明显的区别，以下是对这两者的详细比较：

（一）、定义

1、食品发酵

 定义：食品发酵是指利用微生物（如细菌、酵母等）在有氧或无氧条件下进行生命活动，将有机物（主要是碳水化合物）转化为特定产物的过程。这个过程通常涉及到微生物的代谢活动，通过控制发酵条件，可以获得具有独特风味和营养价值的食品。

2、食品酿造

定义：食品酿造则是指利用多种微生物（包括未知的混合微生物区系）在原料上进行自然发酵的过程。这些原料通常是固体或半固体，如粮食、水果等。酿造过程需要经过长时间的发酵和陈化，以获得具有浓郁风味和特定品质的食品。

 （二）、原理

1、食品发酵原理

微生物利用食品中的糖类等有机物作为底物，在特定的温度、湿度、pH值等条件下进行发酵。

发酵过程中，微生物会分泌各种酶类以分解底物，并利用这些分解产物进行代谢活动，产生酒精、乳酸、醋酸等代谢产物。

这些代谢产物赋予了发酵食品独特的风味和营养价值。

2、食品酿造原理

酿造过程中涉及多种微生物的混合发酵，这些微生物在原料上自然存在并形成复杂的生态系统。

这些微生物共同作用于原料，经过长时间的发酵和陈化，形成具有浓郁风味和特定品质的酿造产品。

酿造产品的风味和品质不仅取决于微生物的种类和数量，还受到原料、发酵条件、陈化时间等多种因素的影响。

（三）、区别

1、微生物种类

食品发酵：通常使用单一或特定的微生物种类进行发酵。

食品酿造：涉及多种微生物的混合发酵。

2、发酵条件

食品发酵：发酵条件通常较为严格，需要在特定的温度、湿度、pH值等条件下进行。

食品酿造：发酵条件相对较为宽松，因为多种微生物的混合发酵具有一定的自我调节能力

3、工业化程度

食品发酵：工业化程度较高，易于实现大规模生产和标准化管理。

食品酿造：部分酿造产品已经实现了工业化生产，但许多传统酿造技艺仍然依赖于手工操作和传统经验。

（四）、特点

①食品发酵特点

安全性高：发酵过程可以抑制腐败菌和一般病原菌的生长，提高食品的安全性。
营养丰富：发酵过程可以改善食品的营养价值，如增加维生素、矿物质等营养成分。
风味独特：发酵过程可以产生各种风味物质和香气成分，使得食品具有独特的风味、口感和营养价值，如酸奶、泡菜等。

②食品酿造特点

风味浓郁：酿造产品通常具有浓郁的风味和香气，这是由于多种微生物的混合发酵和陈化过程所产生的。
品质独特：酿造产品的品质通常具有独特性，这与原料、发酵条件、陈化时间等多种因素有关。
文化内涵丰富：酿造产品往往承载着丰富的文化内涵和历史价值，是地方特色和传统文化的重要组成部分，如白酒、黄酒等。

三、食品发酵与酿造工艺关键技术区别

食品发酵与酿造工艺过程在关键技术上存在一些差异，同时也有各自的特点。以下是关于这两者的工艺过程关键技术及区别的详细分析：

（一）、食品发酵工艺过程关键技术

1、培养基优化：设计和优化培养基组成，以满足微生物的生长和产物合成需求。这是发酵工艺的基础，直接关系到微生物的生长速度和产物的产量。

2、发酵条件控制：控制温度、pH值、溶氧量和其他发酵参数，以维持微生物的最佳生长和产物生成条件。这些条件的精确控制对于发酵过程的稳定性和产物的质量至关重要。

3、生物反应器设计和运行：选择和设计合适的生物反应器，并优化操作参数，以提高发酵效率。生物反应器的类型、尺寸和操作方式都会影响到发酵过程的效果。

4、发酵监控和控制：实时监测发酵过程，并通过自动控制系统进行调整，以确保过程的稳定性和产品质量。这包括监测微生物的生长情况、产物的生成速率以及发酵液的理化性质等。

5、微生物工程：通过遗传工程或代谢工程改良微生物，提高产物产量和降低成本。这是现代发酵工艺中的一项重要技术，可以通过改造微生物的遗传物质来优化其代谢途径，从而提高产物的产量和质量。

（二）、食品酿造工艺过程关键技术

1、原料选择与处理：选择优质的原料，并进行适当的预处理，如清洗、破碎、蒸煮等，以便于微生物的利用和发酵过程的进行。

2、发酵剂制备与接种：制备合适的发酵剂，并按照一定的比例接种到原料中。发酵剂的选择和接种量会直接影响到酿造产品的风味和品质。

3、发酵过程控制：控制发酵过程中的温度、湿度、氧气含量等条件，以促进微生物的生长和代谢产物的生成。与食品发酵类似，酿造过程中的条件控制也是至关重要的。

4、陈化与后处理：部分酿造产品（如酒类）需要经过长时间的陈化过程，以进一步改善风味和稳定性。陈化后，还需要进行过滤、灌装等后处理操作，以获得最终的产品。

（三）、食品发酵与酿造的工艺区别

1、微生物种类与数量：食品发酵通常使用单一或特定的微生物种类进行发酵，而食品酿造则涉及多种微生物的混合发酵。这使得酿造产品的风味更加复杂多样。

2、发酵条件与过程：虽然食品发酵和酿造都需要控制发酵条件，但酿造过程中的条件控制相对更加宽松，因为多种微生物的混合发酵具有一定的自我调节能力。然而，对于特定类型的酿造产品（如白酒），仍然需要严格控制发酵条件以获得所需的风味和品质。

四、

菌种的选育、保藏与复壮

食品发酵与酿造菌种的选育、保藏与复壮是确保发酵与酿造过程稳定、高效的关键环节。以下是对这些方面的详细阐述：

（一）、菌种选育

菌种选育是通过一系列技术手段，从自然界或已有菌种中筛选出具有优良性状的菌种，以满足食品发酵与酿造的需求。选育过程主要包括新菌种的分离与筛选、诱变育种等。

1、新菌种的分离与筛选：

①样品采集：从土壤、水体、植物体等自然环境中采集含有微生物的样品。

②富集培养：利用人工环境使样品中的目标微生物成为优势菌。

③纯种分离：通过平板划线分离法、稀释分离法等手段，获得纯种的微生物。

④筛选与鉴定：根据菌种的生理生化特性、代谢产物等，筛选出具有优良性状的菌种，并进行鉴定。

2、诱变育种：

①原理：人为地、有意识地将对象生物置于诱变因子中，使该生物体发生突变，从这些突变体中筛选具有优良性状的突变株。

②方法：常用的诱变因子包括物理诱变剂（如紫外线、X射线等）和化学诱变剂（如硫酸二乙酯、亚硝基胍等）。

③优点：提高了菌种发生突变的频率和变异幅度，增加了获优机率。

（二）、菌种保藏

菌种保藏是为了长期保存菌种的活性，防止其退化或污染。常用的保藏方法包括斜面低温保藏法、固体曲保藏法、沙土管保藏法、冷冻干燥法和液氮超低温保藏法等。

1、斜面低温保藏法：将菌种接种在斜面培养基上，待其生长成熟后，放入冰箱或冷藏室中保藏。此法操作简单，但易变异。

2、固体曲保藏法：利用麸皮、大米等天然农产品为产孢子培养基，使菌种产生大量的休眠体（孢子）加以保藏。此法适用于产孢子的真菌。

3、沙土管保藏法：将菌种接种在沙土管中，经干燥、灭菌后保藏。此法适用于多种微生物，但操作相对繁琐。

4、冷冻干燥法：将菌种制成悬浮液，与保护剂混合后冷冻干燥，最后密封保藏。此法能长期保藏菌种，但设备要求较高。

5、液氮超低温保藏法：将菌种置于液氮中保藏，温度可达-196℃，能永久性保藏微生物菌种。此法效果最佳，但成本较高。

（三）、菌种复壮

菌种复壮是通过一系列技术手段，恢复已退化菌种的优良性状，提高其生活力和发酵能力。常用的复壮方法包括菌丝尖端分离、调整培养基成分和进行无性繁殖与有性繁殖交替等。

1、菌丝尖端分离：在显微镜下将菌丝尖端切下，转接到新的培养基上培养。此法能保证菌种纯度，并起到脱毒作用。

2、调整培养基成分：根据菌种的营养需求，适当调整培养基的碳源、氮源、维生素等成分。对因营养基质不适而衰退的菌种有一定的负面作用。

3、无性繁殖与有性繁殖交替：长期进行无性繁殖会导致菌种衰退，而经有性繁殖所产生的孢子具有丰富遗传特性。因此，定期进行无性繁殖与有性繁殖交替，有助于选出具有优良性状的新菌株。

五、微生物代谢调控理论及其应用

微生物代谢调控理论是微生物学中的一个重要领域，它研究的是微生物如何调节其代谢过程以适应环境变化，以及如何通过代谢调控来优化微生物的生产性能。以下是对微生物代谢调控理论及其应用的详细阐述：

（一）、微生物代谢调控理论

微生物代谢调控是发生在微生物细胞中的生物化学现象，其调节部位和方式具有多样性。

1、调节部位：

①原核微生物：其代谢调节相对简单，主要发生在细胞质膜和细胞空间区域内。细胞质膜是物质进出细胞的主要屏障，其组成、结构和功能对营养物质的吸收和代谢产物的释放有重要影响。细胞空间区域内酶分子的含量及活性也受到严格调节。

②真核微生物：其代谢调节比原核微生物复杂得多，因为真核微生物细胞具有复杂的膜结构，将细胞质分隔成多个功能小室。这些功能小室使得代谢活动只能在限定的区域内进行，即代谢活动是区域化的。此外，真核微生物细胞核的核膜上存在着核膜孔，细胞质与细胞核之间的物质交流畅通，进一步增加了代谢调节的复杂性。

2、调节方式：

①细胞通透性调节：通过调节细胞质膜的通透性来控制营养物质的吸收和代谢产物的释放。

②代谢途径的区域化和流向调节：不同的代谢过程被限定在不同的区域内进行，以避免相互干扰。同时，通过调节代谢途径的流向来优化代谢产物的生成。

③代谢速度的调节：通过调节酶的活性或合成量来控制代谢速度。这包括酶活性调节（如变构调节、修饰调节）和酶合成的调节（如同工酶反馈抑制、协同反馈抑制等）。

（二）、微生物代谢调控的应用

微生物代谢调控理论在多个领域具有广泛应用，特别是在发酵工业中。

1、发酵工艺条件的控制：

通过调节发酵过程中的温度、pH值、溶氧量等条件，以及添加适当的营养物质或抑制剂，来优化微生物的生长和代谢产物的生成。

2、菌种遗传特性的改变：

利用基因工程、代谢工程等现代生物技术手段，对微生物进行遗传改造，以获得具有优良性状的菌种。例如，通过敲除或过表达特定基因来改变微生物的代谢途径或提高代谢产物的产量。

3、控制细胞膜的渗透性：

通过改变细胞膜的组成或结构，来调节细胞膜的渗透性，从而影响营养物质的吸收和代谢产物的释放。这在某些特定的发酵过程中具有重要意义。

4、代谢流的调控：

在发酵工业中，通过调节代谢流来实现对代谢产物的精确控制。这包括“粗调”和“微调”两个方面。“粗调”是指通过调节酶合成量的诱导或阻遏机制来控制代谢流的方向和强度；“微调”则是通过调节现成酶的催化活力来实现对代谢速度的精细控制。

微生物代谢调控理论在发酵工业中具有重要应用价值。通过深入研究微生物的代谢调控机制，可以优化发酵工艺条件、改变菌种遗传特性、控制细胞膜的渗透性以及调节代谢流等方式，来提高微生物的生产性能并降低生产成本。（文/小林）……未完待续