第二节-蒸煮原理
发酵培养基灭菌和蒸煮
发酵培养基灭菌和蒸煮一、培养基灭菌的要求微生物发酵工业自从采用纯种培养技术以后,产品的产量和质量都有了很大提高,但对于防止发酵生产全过程的杂菌污染的要求也更高了。
在整个发酵过程中,只允许生产菌存在和生长、繁殖,不允许任何其他微生物存在。
特别是在种子逐级扩大培养、转接过程中和发酵的前、中期,一旦污染了杂菌,会在短时间内与生产菌抢夺营养物质,严重影响和干扰生产菌的生长和发酵作用。
培养基和设备灭菌是否彻底直接关系到生产过程的成败,轻则导致所需产品的产量锐减、质量下降、分离提取困难;重则使全部培养液变质,导致培养基报废,得不到产品,使生产处于不正常状态,造成经济上的严重损失。
因此,为了保证发酵培养过程正常进行,无论是在实验室还是在工业生产中,在接种要培养的生产菌株之前,必须对培养基、流加的原料、消泡剂、生产设备、管道、空气系统进行严格的灭菌,杀死所有非生产用微生物。
同时,要对生产环境,即车间、器具、厂区等进行消毒,防止杂菌和噬菌体的污染。
在发酵生产实践中,掌握消毒与灭菌的技术、原理和方法具有非常重要的意义。
工业生产中,消毒与灭菌的方式因发酵生产方法和所用原料的不同而不同,固态发酵的培养基灭菌常与固体物料的蒸煮熟化相结合,而液态深层发酵的培养基灭菌、生产设备和管道灭菌均采用蒸汽湿热灭菌。
二、灭菌技术随着发酵技术应用范围的扩大,许多新型灭菌技术在发酵工业领域得到广泛应用,如超高压灭菌技术、臭氧灭菌技术、超声波灭菌技术、微波灭菌技术。
1、湿热灭菌尽管灭菌的方法很多,但发酵工业生产中对培养基和设备的灭菌,以湿热灭菌法应用最普遍,灭菌效果最好。
在利用蒸汽对培养基灭菌的过程中,由于蒸汽冷凝时会释放出大量的潜热,并具有强大的穿透能力,在高温和存在水分的条件下,微生物细胞内的蛋白质极易变性或凝固而引起微生物的死亡,湿热灭菌法在培养基灭菌中具有经济和快速的特点。
但高温虽然能杀死培养基中的杂菌,同时也会破坏培养基中的营养成分,甚至会产生不利于菌体生长的物质。
6第二节蒸煮原理
影响：纸浆强度、得率；
终止反应：在碱性条件下，对碱不稳定的纤维 素大分子的还原性末端基，转变为对碱稳定的 偏变糖酸末端基，使剥皮反应终止 •发生条件：大分子本身具有还原性的醛末端基 碱性条件，温度>100℃ •如何抑制剥皮反应： 醛末端基
羧酸末端基
羟基
添加Na2Sn：
• R纤-CHO+ S22-+ 3OH R纤-COO + 2S + 2H2O
160
温度（°C)
140 120 100 80 60 40 0 1 2 3 4 5 6
时间(h) 酸性亚硫酸氢盐法蒸煮曲线
（四）蒸煮脱木素动力学和蒸煮质量的计算 机控制
蒸煮时间
蒸煮时间
蒸煮时间
蒸煮温度和蒸煮时间两个因 素结合成为一个变数。
H-因子
H-因子：以各蒸煮温度的相对反应速率常数 与蒸煮时间的定积分。
•如何抑制碱 性水解反应？
降低蒸煮最高温度 降低最高温度下的蒸煮时间
2.碱法蒸煮时，碳水化合物降解的反应历程
什么时期(温度)，溶出了什么聚糖 ？
（二）酸法蒸煮中的碳水化合物降解化学
1.化学反应： （1）酸性水解反应：主要的降解反应，使聚合度。 （2）酸性氧化反应：HS03-的氧化作用，使醛末端基变 酸末端基。 （3）单糖的氧化和水解反应生成有机酸、康醛类等物 质。 2.反应历程： （1）半纤维素的降解先于纤维素 （2） 100℃以下较慢， 100℃以上迅速，温度越高越 剧烈。 （3）pH越低越剧烈。
2.草类原料：
• 硫酸盐法：细胞壁、胞间层和细胞角隅 同时脱木素，速率基本相同，而且较快。
因此，草类原料较木材容易蒸煮成浆。
• 亚硫酸镁法蒸煮蔗渣：细胞壁的脱木素
蒸煮燀实验实验报告
一、实验目的1. 理解蒸、煮、燀三种烹饪方法的基本原理和操作步骤。
2. 掌握不同烹饪方法对食材营养成分的影响。
3. 提高烹饪技能，丰富烹饪知识。
二、实验原理1. 蒸：利用水蒸气的高温对食材进行加热，使食材成熟，保持食材的原汁原味。
2. 煮：将食材放入水中，用高温加热至食材熟透，适用于多种食材。
3. 燀：将食材与调味料一同放入容器中，用慢火炖煮，使食材入味。
三、实验材料1. 食材：鸡肉、土豆、胡萝卜、香菇、洋葱等。
2. 调味料：盐、酱油、胡椒粉、葱姜蒜等。
3. 实验器具：蒸锅、煮锅、炖锅、计时器等。
四、实验步骤1. 蒸实验（1）将鸡肉、土豆、胡萝卜等食材洗净，切成适当大小的块状。
（2）将切好的食材放入蒸盘中，撒上适量的盐、酱油、胡椒粉。
（3）将蒸盘放入蒸锅中，加水至锅中水位约2/3处。
（4）开启蒸锅，将食材蒸煮至熟透，约需30分钟。
2. 煮实验（1）将鸡肉、土豆、胡萝卜等食材洗净，切成适当大小的块状。
（2）将切好的食材放入煮锅中，加入适量的水。
（3）放入葱姜蒜等调味料，用大火煮沸。
（4）转小火煮煮至食材熟透，约需40分钟。
3. 燀实验（1）将鸡肉、土豆、胡萝卜等食材洗净，切成适当大小的块状。
（2）将切好的食材与洋葱、香菇等一同放入炖锅中。
（3）加入适量的盐、酱油、胡椒粉等调味料。
（4）用慢火炖煮至食材入味，约需1小时。
五、实验结果与分析1. 蒸实验：通过蒸实验，我们发现蒸煮方法能使食材保持原汁原味，营养成分损失较少。
同时，蒸煮速度较快，适合快节奏生活。
2. 煮实验：煮实验结果表明，煮煮方法适用于多种食材，烹饪时间较长，但能使食材更加入味。
然而，煮煮过程中营养成分会有一定损失。
3. 燀实验：燀实验表明，燀煮方法能使食材充分入味，适合炖煮类菜肴。
然而，燀煮过程中营养成分损失较多，烹饪时间较长。
六、实验结论1. 蒸、煮、燀三种烹饪方法各有特点，适用于不同类型的菜肴。
2. 在烹饪过程中，应充分考虑食材的特点和烹饪方法，以最大限度地保留营养成分。
造纸蒸煮原理(PPT31页)
蒸煮初期，毛细管作用是主要的； 温度超过140℃，扩散作用是主要的。
（二）渗透途径
1、蒸煮液整体渗透途径
①纵向渗透（纤维轴向） a. 针叶木：通过管胞渗透到木片中； b. 阔叶木：通过导管； c. 草类：通过导管；
②横向渗透（细胞壁方向） a. 针叶木：通过管胞纹孔从一根纤维渗透到 另一根纤维（S3→S2→S1→P→胞间层）； b. 阔叶木：通过木射线管胞上的纹孔； c. 草类：通过纤维上单纹孔。
第二章 化学法制浆
第二节 蒸煮原理
第二节 蒸煮原理
主要内容
一、蒸煮液对原料片的浸透作用 二、蒸煮过程中的脱木素化学和脱木素反
应历程 三、蒸煮过程中碳水化合物降解化学及碳
水化合物反应历程 四、蒸煮反应动力学
一、蒸煮液对木片或草片的浸透作用
碱液怎样进入纤维原料内部，与木素发生反应 将其溶解出来？
药液浸透作用的两个方式： （1）压力降。
说明此阶段如果继续蒸煮，残余木素很难脱
除，而碳水化合物损失很大。
蒸煮曲线的制订
根据脱木素的反应及反应历程来考虑，同时也要考 虑碳水化合物的降解反应和条件。 ✓ 升温时间应足够，以保证药液的浸透，但3小时已
经足够了，保温时间不宜不适当地延长，一般0.5 －1小时. ✓ 最高温度的确定：即要使木素大量溶出，又不能
蒸煮中强调药液的渗透！
（一）药液渗透基本原理
1、压力渗透（毛细管渗透）
产生条件－－毛细管作用，发生在纤维饱和点之前。
推动力： △P = P – P1 （P1主要因不凝性气体而增大） 途径：通过导管或管胞的胞腔或纹孔等向内部渗透。
（1）速率遵循的原则为poiseaille 方程
蒸煮工艺
蒸煮工艺第一节淀粉质原料酒精生产概况" a0 z4 ^8 |/ S-) C+ Y5 B& R9一.淀粉质原料酒精生产的特点: U1 \( `6 I u P#' d7 N9 u: i6 a; O5 o- V%（1）原料系采用薯类、粮谷类及野生植物等，在投产前必须先经过破碎处理。
目前在国内上有一部分产量较小的酒精厂，采用间歇蒸煮，原料不经粉碎，就直接将快状或粒状原料投入生产，但大部分中等规模以上的酒精厂，原料多经二次粉碎，然后进行高压连续蒸煮，有利原料的受热面加大，更有效地达到蒸煮的要求。
, U7 u% U/ A5 W- A) I' T6 I0 q# i" A& @1 A( t: s/ F（2）原料必须经过蒸煮，在高温高压过程中，引起原料细胞的组织破裂，使存在于细胞中的淀粉转化为可发酵性糖。
蒸煮温度由于原料的品种与规格不同而有差异，通常为130—150度，但经过粉碎的原料，其蒸煮所须的温度较低，大约120—130度。
高温处理除了使淀粉糊化，便于淀粉酶起糖化作用外，还可把附着的有害杂菌杀死。
. O" _* o" y1 M# e- J. _5 `1 K)（3）淀粉质原料生产酒精，要经过加曲糖化作用，把糊化成溶解状态的淀粉转化成可发酵性糖。
由于曲的生产方法不同，可分为麸曲糖化法、液曲糖化法、根酶糖化法（阿米罗法）、根酶酒母混合法、麦芽糖化法等。
目前在国内是以麸曲糖化法和液曲糖化法为主，在国外使用淀粉质原料生产酒精的方法，大致可分为：1 Y P& i( w9 v3 M" \.# ?; d8 Q0 n! w1 mA.麦芽法以麦芽、黍芽、稷芽作糖化剂。
1 o7 z% @- O) t+ @, n. H3 v- mB.阿米罗法将根霉或毛霉等霉菌，在糊化醪冷却至30—40度时，接种培养，在霉菌生长过程中转化淀粉成发酵性糖，再加酵母发酵。
第十二章 蒸煮燀制
【炮制作用】
苦杏仁味苦，性微温，有小毒，归肺、大肠经，具有降气止咳平喘，润肠通便的作用。
1.生用有小毒，剂量过大或使用不当易中毒。
2.制后可降低毒性，使用药安全。还可除去非药用部位，便于有效成分煎出，提高药效，同时还可以杀酶保苷。
【定性研究】
生品苦杏仁受酶的作用而水解，放出HCN，接触苦味酸钠试纸，发生还原反应，生成异紫酸而显砖红色，而制品因为酶已被破坏，而未能放出HCN，从而不显砖红色。
四、目的（1）保存药效，利于贮存。如苦杏仁。
（2）去除杂质，分离不同药用部位。如白扁豆。
（3）降低毒性。如白扁豆。
五、注意事项：
（1）水量要多，10倍以上；
（2）温度要高，水沸后投药；
（3）时间要短，加热时间以5～10分钟为宜；
（4）至种皮由皱缩变为膨胀；
（5）燀后宜当天晒干或低温烘干。
苦杏仁
【炮制方法】
第十二章蒸煮燀制
一、特点
蒸、煮、燀法为一类“水火共制”法。“水”包括清水和液体辅料。
二、异同点
方法
特点
适应药物
目的
蒸制
水蒸汽加热
穿透力强
时间长
滋补ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用
增强药物作用
煮制
水温或药汁的温度加热
毒副作用
降低毒性
燀制
沸水中短时间浸煮
水量大
时间短
去皮的种子类
破坏酶，除去非药用部位
第一节蒸制
一、含义
蒸制——将净制或切制过的药物，加辅料或不加辅料，装入蒸制容器内，用水蒸气加热或隔水加热至一定程度的方法。
碱法蒸煮原理
碱法蒸煮原理经研究认为：一般KP法蒸煮大致可分为三个阶段。
第一阶段是碱液与原料接触到升温初期和中期，当原料与蒸煮液接触后，碱液就通过细胞腔和穿过细胞壁向原料的内部扩散，进入到胞间层的碱液首先与其中的果胶、半纤维素作用，并使其溶解，接着与胞间层的木素作用，使其不断溶于蒸煮液中，这是木素的溶出量占原料中原有木素含量的20％。
第二阶段是包括升温末期到保温初期，由于当时蒸煮温度的不断升高，木素的溶出速度逐渐增加，最后超过了半纤维素的溶解速度，木素大量溶出，这时木素的溶出量约占原有木素含量的65％，由此可见除去木素的主要过程在此阶段进行。
第三阶段是包括保温中期和末期，此时胞间层木素也大量溶出，纤维细胞壁表面已大部分暴露在碱液中，碱液比较强烈的与纤维的细胞壁作用，溶解细胞壁中的木素，在高温的条件下随着细胞壁内木素是进一步溶出细胞壁内的纤维素与半纤维素也会受到不同程度的降解。
在这一阶段中，碳水化合物的溶解速度逐渐增加超过木素的溶解速度，因此这段时间不宜过长，否则纤维受到严重降解，引起纸浆强度与得率的下降。
2.碱法蒸煮的物料机理①浸透理论（解释间歇式蒸煮）药液借毛细管作用或扩散作用把药液送入胞间层。
其途径一是认为阔叶木通过导管，针叶木通过管胞及纹孔进行浸透并逐步进入胞间层。
另一种看法是由于碱液的润涨作用，药液从细胞腔通过细胞壁（S3－S2－S1－P）逐步进人胞间层，药液的侵入先使易溶组分溶出，它们的溶出又增加了孔隙度，使药液更快的浸透。
②表面反应理论（解释高温快速蒸煮和连续蒸煮）药液与木片接触后，即在表面发生脱木素的反应，当部分的木素从木片表面脱出后，通道被打开了，新鲜的药液经过通道到达逐渐内移的药液与木片界面之间的界面，继续进行脱木素反应，反应生成物从内向外扩散到木片外面是药液中，由于反应物的溶出增加了纤维的空隙度，因而促使药液更快的向纤维内部浸透并进行化学反应。
3.碱法蒸煮的化学反应碱液主要消耗于下列几个方面：1 与木素的反应。
第二章 2.3蒸煮技术
（四）升温时间 ♦ 取决于原料种类（木素含量、组织结构等）和 取决于原料种类（木素含量、组织结构等） 成浆要求（得率、卡伯值） 成浆要求（得率、卡伯值） （五）最高温度与保温时间 ♦ 取决于原料种类（木素含量、组织结构等）和 取决于原料种类（木素含量、组织结构等） 成浆要求（得率、卡伯值） 成浆要求（得率、卡伯值） （六）喷放 参考CAD蒸煮部分课件） CAD蒸煮部分课件 （参考CAD蒸煮部分课件）
2006-10
造纸工程学院－制浆原理与工程 第二章 化学法制浆
6
蒸煮的质量： 蒸煮的质量：主要是控制蒸煮后纸浆的硬 度和粗浆得率。通过控制蒸煮的温度和时间度和粗浆得率。通过控制蒸煮的温度和时间H因子，制得一定硬度的纸浆或得到相同质量 因子， 的浆。 的浆。 H因子高，表明脱木素率高。 因子高，表明脱木素率高。
2006-10 造纸工程学院－制浆原理与工程 第二章 化学法制浆 5
硫化钠在碱法蒸煮过程中的作用： 硫化钠在碱法蒸煮过程中的作用：
1、HS－使木素大分子硫化裂断 、 2、可以减少断裂的木素分子缩合 、 3、可以使纤维素发生终止反应 、 4、可以减轻半纤维素的剥皮反应 、 因此，硫酸盐法比烧碱法蒸煮脱除木素快、 因此，硫酸盐法比烧碱法蒸煮脱除木素快、成浆 强韧” “强韧”。
2006-10
造纸工程学院－制浆原理与工程 第二章 化学法制浆
9
针叶木2030草类原料15左右阔叶木一般处于两者之间深度脱木素蒸煮的硫化度要提高一些200610造纸工程学院制浆原理与工程第二章化学法制浆3四升温时间?取决于原料种类木素含量组织结构等和成浆要求得率卡伯值五最高温度与保温时间五最高温度与保温时间?取决于原料种类木素含量组织结构等和成浆要求得率卡伯值六喷放参考cad蒸煮部分课件200610造纸工程学院制浆原理与工程第二章化学法制浆4在碱法蒸煮过程中碱液主要消耗于下列几个方面
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不同的原料，蒸煮液浸透的难易程度不同
阔叶木较针叶木难于浸透:
阔叶木由导管进行纵向浸透，横向几乎没有 浸透；组织结构较紧密。
针叶木结构疏松，药液从木片末端，即管胞 进入胞腔，然后穿过多孔性的纹孔膜浸入相 邻的细胞腔,药液沿纵向流速比横向大100－ 200倍。
杨木导管
带 有 小 舌
• 带有 小舌
• 具有 桉木 导管 的特 点
尾叶桉导管
针叶木纤维
纹 孔
2、扩散途径
胞腔→ S3 → S2 → S1 → 初生壁（P）→ ML胞间层（木质素含量高）
纤维细胞在碱液中发生润胀，在酸液中发生 收敛。
扩散速度：碱法：纵向、切向和横向基本相等 酸法：纵向、切向和横向相差很大
②横向渗透（细胞壁方向） a. 针叶木：通过管胞纹孔从一根纤维渗透到 另一根纤维（S3→S2→S1→P→胞间层）； b. 阔叶木：通过木射线管胞上的纹孔； c. 草类：通过纤维上单纹孔。
由于横向流经许多纹孔阻力大，无论碱性或酸性蒸煮 液，纤维轴向的毛细管作用总是大于横向的毛细管作用 （约50倍－200倍）。
降低（碳水化合物从52.27%下降到43.48%）,167
－170℃为宜。
（3）草类原料脱木素反应历程
大量脱木素阶段 －－T<100℃，60%木素脱出，47%半纤维素溶出。 耗碱量为50%，
补充脱木素阶段 －－T=100℃－160℃，30%木素和9%半纤维素脱 出。耗碱量为10%－15%，脱木素速度明显减慢。
Lη
V/t：单位时间通过毛细管的液体体积 n：毛细管数量； r：毛细管半径 L ：毛细管长度； η ：液体粘度
Δ P ：压力差（外部压力和表面张力）
影响因素
（1）毛细管系统：材种及边材、心材； （2）压力差：毛细管中的空气用小放
气、预汽蒸、蒸汽装锅等办法排出； （3）药液粘度：温度。
在纤维原料水分含量低而又排除了 原料毛细管内的空气之后，药液对原料 切片的浸透主要是毛细管作用，且浸透 速度很快。
初始脱木素阶段
蒸煮初期－－从升温开始到 140℃以前；
木素的溶出量：原料中总木素 含量的20－25％；
溶出的木素属“易溶木素”： 酚型α－和部分酚型β－芳基醚 键的断裂；
特征：有极快的消耗碱的速度， 但脱木素量却不大，其特征是木 素抽提过程。 说明此阶段蒸煮液正在浸透到原料里
面，碱主要消耗在半纤维素和短链的 纤维素上。－－不宜高温
大量脱木素阶段
• 从升温末期到最高温度前（ 150-175℃）；
• 溶出木素占原料中木素的70－ 80％。
• 酚型的β－芳基醚键的断裂（ 如有α－OH的非酚型β－）和 由此而接着发生的酚型β－芳 基醚键的断裂。到175℃时， 大部分木素溶出，木片已成浆
• 此阶段碱液的浓度下降不大， 但脱木素量却很大。说明此阶 段碱与木素大量反应。
2.扩散渗透
扩散是蒸煮液中的离子扩散到存在于料的 水分中。
产生条件：纤维饱和点之后。 推动力：浓度梯度ΔC（dc/dL）。
扩散速率遵循爱因斯坦方程
D dC F
dL
D RT 1
N 6 r
R：气体常数 η ：药液粘度
T：绝对温度 r：药液离子半径
N：阿佛加德罗常数 D: 扩散系数
第二章 化学法制浆
第二节 蒸煮原理
第二节 蒸煮原理
主要内容
一、蒸煮液对原料片的浸透作用 二、蒸煮过程中的脱木素化学和脱木素反
应历程 三、蒸煮过程中碳水化合物降解化学及碳
水化合物反应历程 四、蒸煮反应动力学
一、蒸煮液对木片或草片的浸透作用
碱液怎样进入纤维原料内部，与木素发生反应 将其溶解出来？
药液浸透作用的两个方式： （1）压力渗透 （2）扩散渗透
一般蒸煮条件下药液的浸透情况
实际上，毛细管作用、扩散作用和化 学反应几乎是同时进行的，但有主次之分。
蒸煮初期，毛细管作用是主要的； 温度超过140℃，扩散作用是主要的。
（二）渗透途径
1、蒸煮液整体渗透途径
①纵向渗透（纤维轴向） a. 针叶木：通过管胞渗透到木片中； b. 阔叶木：通过导管； c. 草类：通过导管；
残余脱木素阶段
蒸煮后期：最高温－保温期间 脱木素速度变慢：原料中木素
的8%；木素含量：软木4－5% 硬木3%。
溶出的木素属“难溶木素”： C-C键联接和木素－碳水化合 物（LCC）联接的木素。
碳水化合物的溶解速度逐渐增 加并超过木素的溶解速度。
碱液浓度继续下降。
说明此阶段如果继续蒸煮，残余木素很难脱
除，而碳水化合物损失很大。
蒸煮曲线的制订
根据脱木素的反应及反应历程来考虑，同时也要考 虑碳水化合物的降解反应和条件。 升温时间应足够，以保证药液的浸透，但3小时已
经足够了，保温时间不宜不适当地延长，一般0.5 －1小时. 最高温度的确定：即要使木素大量溶出，又不能
使碳水化合物降解太多，175℃已过高，可略为
蒸煮中强调药液的渗透！
（一）药液渗透基本原理
1、压力渗透（毛细管渗透）
产生条件－－毛细管作用，发生在纤维饱和点之前。
推动力： △P = P – P1 （P1主要因不凝性气体而增大） 途径：通过导管或管胞的胞腔或纹孔等向内部渗透。
（1）速率遵循的原则为poiseaille 方程
n r4Δ P V/t =
相同液比进行蒸煮，木材原料渗透更容易， 草类则较难。
二、蒸煮过程的化学反应机理
焦点：
在尽量少损伤 纤维素和半纤 维素的前提下 加快木素的脱 除。
Common Linkages between Phenylpropane Units
针叶材： 醚键 65－70%， C-C键 17.5－20% 阔叶材： 醚键 74－76%， C-C键 16%
1、蒸煮过程中木素的反应历程
（1）反应历程（蒸煮曲线）
反应历程是研究蒸煮过程中各阶段原料中木 素和碳水化合物溶出特征及变化规律，特别 是脱木素反应历程。
即蒸煮过程中木素和碳水化 合物的反应有无阶段性，以及每 一阶段脱除木素的量和速度又是
怎样的？
（2）木材KP法蒸煮反应历程 －－脱木素反应历程
以我国马尾松硫酸盐法蒸煮时脱木素为例 初始脱木素阶段 大量脱木素阶段 残余脱木素阶段