发酵机制及控制
发酵工艺控制实验报告
发酵工艺控制实验报告
实验目的
1. 了解发酵工艺在食品生产中的重要性；
2. 掌握发酵过程的控制方法；
3. 分析不同控制变量对发酵过程的影响；
4. 通过实验数据分析，提出合理的控制策略。
实验器材和药品
1. 发酵罐
2. 控制系统
3. 发酵液样品
4. 酵母菌
5. 葡萄糖
实验原理
发酵是一种生物过程，利用微生物的代谢活动将底物转化为更有用的产物，例如酒精、醋酸和乳酸等。
发酵过程需要控制多个变量，包括温度、pH值、反应物浓度和搅拌速度等。
合理地控制这些变量可以提高发酵效率和产物质量。
实验步骤
1. 准备工作：清洁发酵罐和控制系统，确保无杂质。
2. 酵母培养：将酵母菌接种到适当的培养基中，培养至活跃状态。
3. 发酵液配置：将适量的。
第一节厌氧发酵机制与代谢调控
第一节厌氧发酵机制与代谢调控细胞通过不同的代谢途径将有机物转化为能量和终产物。
在有氧条件下，细胞通过线粒体内的呼吸链将有机物氧化成二氧化碳和水，产生大量的能量。
而在无氧条件下，细胞则通过厌氧发酵将有机物转化为能量。
厌氧发酵机制是一种细胞在没有氧气存在的情况下，通过将有机物转化为能量和产生可回收的代谢产物的过程。
厌氧发酵机制可以在各种细胞中发生，包括微生物、动物和植物细胞。
常见的厌氧发酵产物有酒精、乳酸和乙酸等。
不同的细胞采用不同的厌氧发酵方式。
例如，酵母菌在无氧条件下通过乙醇发酵将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳。
乳酸菌则通过乳酸发酵将葡萄糖转化为乳酸。
嗜热菌在无氧条件下通过硫酸盐还原作用将有机物转化为硫化氢。
厌氧发酵的关键步骤是糖酵解。
糖酵解是指将葡萄糖分解为乳酸、乙醇或其他产物的过程。
糖酵解分为两个阶段：糖分解和发酵。
在糖分解阶段，葡萄糖经过一系列酶的作用被分解为多个分子的丙酮酸。
在发酵阶段，丙酮酸被进一步转化为相应的产物。
厌氧发酵的代谢调控对细胞的生存和适应环境起着重要作用。
细胞通过调节相关的代谢途径和酶的活性来适应环境中的变化。
其中一个重要的调节因子是细胞内氧气水平。
当氧气水平降低时，细胞会启动厌氧发酵途径来维持能量供应和代谢平衡。
另一个调控厌氧发酵的重要因子是能量状态。
细胞通过感知细胞内ATP水平和NADH/NAD+比值来调节糖酵解和厌氧发酵途径。
当ATP水平较低或NADH/NAD+比值较高时，细胞会增加糖酵解和厌氧发酵的速率以产生更多的ATP和NAD+。
此外，转录调控也在厌氧发酵的代谢调控中发挥作用。
细胞会通过调节相关基因的表达来控制厌氧发酵途径的活性。
例如，在酵母菌中，Hap1是一个转录因子，调控着乙醇发酵途径相关基因的表达。
总之，厌氧发酵是细胞在无氧条件下将有机物转化为能量和产生代谢产物的重要代谢途径。
细胞通过调节糖酵解和厌氧发酵途径的活性、感知细胞内氧气水平和调节能量状态来调控厌氧发酵途径。
发酵过程控制
3搅拌热：液体之间 液体和设备之间的摩 擦
（4）蒸发热：发酵过程中以蒸汽形式散发 到发酵罐的液面;由排气管带走的热量
（5）辐射热：罐内外温差，使发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。
2 温度对微生物生长的影响
dx x x dt
1 dx x dt
当μ>>α时;α可忽略，微生物处于生长状态 μ α皆与T有关， 其关系均可用阿累尼乌斯公式描述：
3 参数检测
❖ 参数检测方法 细胞浓度的测量
化学法：如DNA RNA分析等 物理法：如重量分析、分光光度分析、
浊度分析等
➢ 新技术：以电容法为测量原理的在线 活细胞浓度测量传感器
原位活细胞在线检测仪
二 代谢调控在发酵过程控制中的应用 1 初级代谢物的生产调节
初级代谢物：指一类低分子量的终点产物及这些 终点产物的生物合成途径中的中间体
3 参数检测
参数的测量形式 ➢ 离线测量：基质糖 脂类、无机盐等、前体和代谢产物
（抗生素、酶、有机酸、氨基酸等） ➢ 在线测量：如T 、pH、DO、溶解CO2、尾气CO2、黏度、
搅拌转速等 优点：及时、省力;可从繁琐操作中解脱出来，便于
计算机控制 困难：传感器要求较高。
3 参数检测
❖ 对传感器的要求 能经受高压蒸汽灭菌； 传感器及其二次仪表具有长期稳定性； 最好能在过程中随时校正;灵敏度好； 探头材料不易老化，使用寿命长； 安装使用和维修方便； 解决探头敏感部位被物料反应液粘住 堵塞
2发酵过程中pH的变化规律
生长阶段：pH相对于起始pH有上升或下降的 趋势
生产阶段：pH趋于稳定;维持在最适于产物合 成的范围
自溶阶段：pH又上升或下降
发酵液pH的改变对发酵的影响 1会导致微生物细胞原生质体膜的电荷改变;
第五章发酵机制与代谢调控
[ATP]+1/2[ADP]
能荷=
×100%
[ATP]+ [ADP]+[AMP]
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• 能荷调节：指细胞通过改变ATP、ADP和AMP 三者比例来调节其代谢活动。
• 当体系中ATP含量高时，ATP抑制磷酸果糖激 酶和丙酮酸激酶的活性，使糖酵解减少；
• 当需能反应加强，ATP分解为ADP、AMP， ATP减少，ADP、AMP增加，ATP的抑制作用 解除。
3-P-甘油酸 2-P-甘油酸
乙醇 乙乳醛酸 丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸
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4ATP
2CH3COCOOH Mg2+
2ATP
2CO2 2CH3CHO NADH+H+
NAD+
C6H12O6
Байду номын сангаас
2C2H5OH
1、从Ｇ－－乙醇，无氧气参与，是无氧呼吸过程。
2、有脱氢反应，脱下的氢由辅酶Ⅰ携带。还原型 NADH+H+通过与乙醛反应而重新被氧化的。
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受能荷调节的酶系
R代表ATP合成系统；U代表ATP消耗系 统
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第一节 厌氧发酵机制与代谢调控
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一、酵母菌的酒精发酵
1.乙醇生产机制 酵母中，葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸，无氧
细菌发酵的机制及应用
细菌发酵的机制及应用在我们的生活中，细菌不仅仅是病菌的代表，还扮演着酸奶、酒类、面包等各种食品发酵的重要角色。
细菌发酵的机制，正是使这些美味食品得以获得的关键。
在本文中，我们将探讨细菌发酵的机制以及在食品工业中的应用。
一、细菌发酵的机制细菌是单细胞微生物，赖以生存的主要要素为糖类、蛋白质和脂肪等营养物质。
在含有这些营养物质的环境下，细菌会进行代谢反应，从而将这些物质转化为生长所需的能量。
而发酵作为一种细胞代谢过程，是细菌在生产代谢产物时的重要手段。
通过发酵，细菌可以将含有代谢产物的原始物质加工转化，产生出我们需要的有用物质。
这其中，细菌发酵的机制便是关键因素。
在不同的发酵过程中，细菌会产生出不同的代谢产物。
例如，面包的发酵机制中，面团中的酵母菌发酵产生出二氧化碳，使得面团膨胀变松软。
而乳酸菌发酵乳制品时，会产生出乳酸味道，起到增加风味的作用。
对于细菌发酵的机制，我们需要了解以下三个方面：1. 底物的选择：不同的代谢过程需要不同的底物。
例如，我们可以使用木糖来发酵木糖醇，也可以使用麦芽糖来发酵啤酒。
2. 发酵的环境：发酵的环境对细菌的代谢反应有很大的影响。
例如，乳酸菌可以在较低的酸度下发酵，而另一些细菌则需要中性或碱性环境。
3. 酶的种类和效率：酶是参与代谢反应的重要因素。
而不同细菌分泌的酶种类和效率存在很大差异，因此也会影响发酵的效果。
二、细菌发酵在食品工业中的应用细菌发酵在食品工业中的应用非常广泛，下面我们将探讨几个重要的例子：1. 酸奶的发酵酸奶被广泛认为是一种非常健康的食品，其秘密就在于乳酸菌的发酵。
乳酸菌可以将牛奶中的乳糖转化为乳酸，并分泌出一些其他的营养成分。
这些反应使得牛奶变得更加易消化，同时也增加了风味和营养。
因此，酸奶成为了市场上的一个热门产品。
2. 面包的发酵面包的发酵是使用酵母菌进行的。
当酵母菌被加入到面团中，开始进行糖类代谢。
在此过程中，酵母菌会消耗面团中的糖分，产生出二氧化碳和酒精。
生物发酵过程的优化与控制研究
生物发酵过程的优化与控制研究生物发酵技术作为现代生物技术的重要组成部分，在医药、食品、化工等众多领域发挥着关键作用。
然而，要实现高效、稳定且优质的生物发酵过程，对其进行优化与控制至关重要。
生物发酵过程是一个复杂的动态系统，涉及微生物的生长、代谢、产物合成等多个环节。
在这个过程中，各种因素相互影响，如培养基成分、温度、pH 值、溶氧浓度等。
因此，深入理解这些因素的作用机制，并采取有效的优化与控制策略，是提高发酵效率和产品质量的关键。
培养基成分的优化是生物发酵过程中的基础环节。
培养基为微生物的生长和代谢提供了必要的营养物质。
不同的微生物对营养物质的需求存在差异，因此需要根据具体的发酵菌株和目标产物来确定培养基的配方。
例如，碳源、氮源的种类和浓度会直接影响微生物的生长速度和代谢途径。
葡萄糖通常是一种常用的碳源，但过高的葡萄糖浓度可能会导致代谢抑制。
氮源的选择也十分重要，有机氮源和无机氮源的比例需要合理调配，以满足微生物的生长和产物合成需求。
此外，还需要考虑微量元素和生长因子的添加，它们虽然需求量较少，但对微生物的正常生理功能起着不可或缺的作用。
温度是影响生物发酵过程的重要环境因素之一。
不同的微生物都有其最适生长温度范围。
在这个范围内，微生物的生长速度和代谢活性较高。
如果温度过低，微生物的生长和代谢会减缓；而温度过高则可能导致蛋白质变性、酶失活等问题，从而影响微生物的生存和产物合成。
例如，在青霉素发酵过程中，前期需要较低的温度以促进菌丝生长，后期则需要提高温度来刺激青霉素的合成。
因此，根据发酵的不同阶段精确控制温度，对于提高发酵效率和产品质量具有重要意义。
pH 值对生物发酵过程的影响同样不可忽视。
微生物的生长和代谢活动对 pH 值有一定的要求。
pH 值的变化会影响细胞膜的通透性、酶的活性以及营养物质的吸收和利用。
大多数微生物在中性或微酸性环境中生长良好，但有些特殊的微生物可能适应更极端的 pH 值条件。
微生物发酵工艺及其控制简述
微生物发酵工艺及其控制简述罗宗学（云南大学生命科学学院云南昆明 650091）摘要：根据操作方式不同，发酵工艺分为间歇发酵，连续发酵和流加发酵三种类型，其中流加发酵在生产和科研上应用最为广泛。
在发酵工艺中反映发酵过程变化的参数分为物理参数、化学参数和生物学参数三大类，这些参数的变化直接影响到发酵工业的生产率和产物品质。
本文从对发酵工艺过程影响较大的发酵温度、pH值、溶解氧、泡沫、菌体浓度和基质、发酵时间等6个方面阐述如何进行发酵工艺的控制，为实现发酵产业的经济效益最大化提供必要的理论依据。
关键字：发酵工艺变化参数影响和控制发酵是指通过微生物（或动植物细胞）的生长培养和化学变化，大量产生和积累专门的代谢产物的过程。
早在2000多年前，我国就有了酿酒、制醋的发酵技术，那时候发酵完全属于天然发酵。
20 世纪40年代中期，美国抗菌素工业兴起，大规模生产青霉素，建立了深层通气发酵技术。
1957年，日本微生物生产谷氨酸盐(味精)发酵成功，大大推动了发酵工程的发展。
70年代开始，随着基因工程、细胞工程等生物过程技术的开发，以石油为原料生产单细胞蛋白，使发酵工程从单一依靠碳水化合物(淀粉)向非碳水化合物过渡，从单纯依靠农产品发展到利用矿产资源，如天然气、烷烃等原料的开发。
80年代，随着学科之间的不断交叉和渗透，微生物学家开始用数学、动力学、化工工程原理、计算机技术对发酵过程进行综合研究，人们能按需要设计和培育各种工程菌，在大大提高发酵工程的产品质量的同时，节约能源，降低成本，使发酵技术实现新的革命。
发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。
影响发酵过程发的因素很多，包括物理的（如温度、搅拌转速、空气压力、空气流量、表观粘度、浊度、料液流量等），化学的（如质浓度、pH、产物浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、废气中氧及二氧化碳浓度、核酸量等）和生物的（如菌丝形态、菌浓度、菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力等）三大类。
青贮饲料二次发酵的机制、质量评定与控制措施
窖 内压得很实 ， 抓到手 中却很松散 、 湿润 ， 没有发粘 的感 觉 ， 青贮茎叶 、 籽 粒 清 晰 可辨 ； 若 植 物 的结 构 不
清 应 考 虑是 否 收 割 过早 ，状 态 粘 滑则 是 青 贮 腐 败 的 标 志 。④ 味道 。好 的青贮 料甘 甜有 酸 味 ， 但这 需 要具
渐 上 升 。青 贮料 二 次 发 热 ， 往 往使 糖 、 乳 酸 的含 量 减
高于 ７ ５ ％ ）以及各种含水 率的青贮玉米测定 ｐ Ｈ值 是最 简 单 、 最迅 速 的评 估 方法 。 ｐ Ｈ值 与发 酵好 坏及 干 物 质损 失程 度 之 间有着 密 切 的关 系 。 一般 ｐ Ｈ值 与青
的 目的 ， 必须严 格 按青 贮 操作 规 程进 行 。常年 喂饲青
贮 料 时 ，夏 季高 温 容 易 引起 二 次 发 酵 ，所 以夏 季 开
值在 ５ 左右 ， 经二次发酵后 的青贮料重量损失很 大 ，
由７ ０ ０千 克 ／ 立 方 米 降为 ４ ０ ０千克 ／ 立 方米 。
窖， 应 在 窖 中设 活 动 凉棚 ， 以防 曝晒 和 防止 雨 淋 。如
饲 料 与 添 加 剂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
青贮饲料 二次发酵 的机 制 、 质 量评定 与控制措施
孙 玉 梅 （ 黑龙江省嫩江县联兴 乡畜牧兽 医站 １ ６ １ ４ ０ ０ ）
二 次发 酵 ， 是 指在 青 贮 窖 开封 后 ， 青 贮 饲 料 与 空 气接触 ， 温度急剧上升 ， 酵 母 菌 和霉 菌 大 量 繁殖 而 导
品种 。原 料要 求 水分 在 ７ ０ ％以 内 ， 结实 率 约 为 ５ ０ ％， 干 物质 中可 消化 总 养 分 约 ７ ０ ％。原料 遇 霜 后调 制 的 青贮 ， 由于乳 酸 发酵 受 到抑 制 ， ｐ Ｈ值 高 ， 总酸 含量低 。 所 以， 开 封后 容 易 引起 二次 发酵 。 切 细提 高密 度 。经测 定 ， 长度 １ 厘米 以上 的原 料 超过 ｌ ｏ ％Ｈ ｌ ， － 容 易发 酵 ，所 以要 求 切 段 的长 度应 在 １
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一、糖代谢的途径
糖代谢的主要途径有： 1、糖的酵解途径——EMP途径 2、TCA循环 3、HMP途径（磷酸戊糖途径） 4、ED 途径
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1、糖的酵解途径——EMP途径
其产物是：丙酮酸 丙酮酸有氧氧化生成： 乙酰辅酶A 丙酮酸无氧代谢：脱羧，生成乙醛，乙 醛还原生成乙醇
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2、TCA循环
5、厌氧甘油发酵的缺点：
（1）碱性条件、无能量产生，导致菌体死亡
率较高，……。 （2）转化率较低。
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三、甘油的好氧发酵
❖ 在甘油发酵过程中通风，以减少酵母细胞的 死亡率；另一方面，在适当的氧的存在下， 酵母细胞可以进行有限的有氧代谢，为其自 身的生长提供必需的ATP。
❖ 这种有限的好氧发酵，使得丙酮酸进行TCA循 环的同时，也增加了TCA循环过程中的许多中 间性产物，对于甘油的提取带来了不利的影 响。
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§4-3 柠檬酸发酵机制与代谢调控
一、行业简介 1.我国的柠檬酸发酵采用的菌种（黑曲霉）具
有双重功能 。 2.尽管采用边糖化边发酵的工艺，但发酵周期
只有64小时 。 3.柠檬酸的产酸速度大大地高于国外水平。平
均产酸速率是国外的2 倍。
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❖
葡萄糖
❖
❖
丙酮酸 + 丙酮酸
A(CH3CO-CoA)
❖
中国：涂料，49%；医药食品，10%
❖
美国：涂料，10%；医药食品，54%以上
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二、甘油的厌氧发酵
1、酵母菌代谢合成机制
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葡萄糖（磷酸化，葡萄糖激酶）
（磷酸果糖激酶） ATP
ATP
1,6—二磷酸果糖
3-磷酸甘油醛 磷酸烯醇式丙酮酸 醛缩酶 NADH
磷酸二羟丙酮
丙酮酸
NADH
NAD+
总计：
2*（2.5ATP*3 +1.5 +1 +2.5 ）+ 2.5*2 +2=32ATP
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3、HMP途径（磷酸戊糖途径）
将葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O，并有29分子的ATP 生成
特点：
（1）中间代谢产物中有，C7 、C5 、C4 有利于微生物 的合成代谢。
（2）只有NADP参入氧化脱氢反应，可以产生大量的 NADPH
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二、糖代谢的调节机制
1.糖代谢的能荷调节 能荷 = [ATP] +1/2[ADP] / [ATP] +[ADP] +[AMP]
显然，能荷在0—1之间
❖ 糖原 ← 葡萄糖 → 产生ATP 关键酶 ： G 磷酸化酶
磷酸果糖激酶（PFK) 异柠檬酸脱氢酶 柠檬酸合成酶
因此，能荷对糖代精品谢课件的调节是方向性的。
2、生产方法：
（1）天然油脂为原料：天然油脂 废水回收甘油
肥皂，
❖ 原烟台第二化工厂生产军用甘油，其副产 品……
（2）以丙烯为原料合成
❖
壳牌的氯化法，过乙酸法
（3）发酵法甘油生产：厌氧发酵、好氧发酵
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3、我国发酵甘油在技术上与国外主要存在以
下差距：
（1）残糖高，……
（2）规模化较少，……
4、我国甘油市场的构成与西方发达国家相比 也有较大的差异：
（3）是一条高产能的氧化途径。
❖
反应式：C6H12O6 精=品课件6CO2 + 6H2O +29ATP
4、ED 途径
常见的是细菌的ED途径，发酵生产乙醇。 反应式：
C6H12O6 = 2丙酮酸 +2TP + NADPH + NADH 例如：在谷氨酸发酵中，
菌体生长期：EMP / HMP =38% GA 合成期：EMP / HMP =26%
❖ 丙酮酸在有氧的条件下，在丙酮酸氧化脱羧酶系 （脱氢酶）的作用下，氧化脱羧生成乙酰辅酶A （CH3-CO-SCoA ）
进入TCA循环，彻底氧化成CO2和H2O。总的反
应式： C6H12O6 = 6CO2 + 6H2O +32ATP
精品课件
❖ TCA一圈，即每分子乙酰辅酶A氧化，有： 2.5ATP*3 +1.5 +1 +2.5
乙醛
α-磷酸甘油 （甘油激酶）
甘油
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NADH
乙醇 （乙醇脱氢酶）
2、亚硫酸盐法甘油发酵
酵母菌在酒精发酵时，如加入亚硫酸氢钠等 盐类，它能与乙醛起加成作用，生成难溶的结 晶状亚硫酸纳加成物，这样就使乙醛不能作为 受氢体，而迫使磷酸二羟丙酮作为受氢体，在 α- 磷酸甘油脱氢酶（NAD为辅酶）催化下生 成α- 磷酸甘油，后者在α- 磷酸甘油磷酸酯 酶催化下生成α- 甘油。
❖
❖ CO2固定反应
❖
草酰乙酸 +
❖
酸合成酶）
❖ ❖ ❖
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柠檬酸
乙酰辅酶 （柠檬
二、柠檬酸的生物合成途径
用图示之：
特点：顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶酶
的活性丧失或非常微弱
三、柠檬酸生物合成中的代谢调节与控制
1.磷酸果糖激酶（PFK）活性的调节
3、磷酸盐的调节作用
三、酵母菌的酒精发酵生产简介 精品课件
§4-2酵母菌的甘油发酵
一、行业简介 1、应用
❖ 化工领域：环氧氯丙烷，改性醇酸树脂、酚 醛树脂等
❖ 医药工业：添加剂，润滑剂等 ❖ 食品工业：甜味剂、保湿剂，对风味也有独
特的影响 ❖ 在造纸、皮革、玻璃、化妆品等行业：约
1700多种产品需要。精品课件
CH2OH OH
│ │
C6H12O6+NaHSO3 → CHOH精品+课件CH3- C - OSO2Na +CO2↑ │
3、碱法甘油发酵
双分子歧化反应 乙醛 + 乙醛 == 乙醇
+ 乙酸
则，NADH没有受体，使得菌体的 代谢流 转向合成甘油的方向进行，从
而生产大量的甘油。
精品课件
4、厌氧甘油发酵的能量和转化率的问题： 以葡萄糖为原料的甘油的厌氧发酵，产率不可 能突破50%的转化率。
2、生物素的调节
生物素对糖代谢的调节与能荷的调节是不 同的，后者是对糖代谢流的调节，而生物素 的主要作用是对糖降解速率的调节，通常生 物素能够促进糖的EPM途径，对TCA循环也有 促进作用，对糖的HMP 途径也有促进作用， 但是，对上述三条途径的促进作用的大小却 不同，对EMP 途径的促进作用较大……。
第四章 发酵机制与代谢控制
❖ 自然发酵，产品大都是微生物自身不能够再 利用的代谢物质。
❖ 通过对环境的控制，来提高其产量和产率， ❖ 代谢控制发酵，产品多为代谢中间物质或者
要进一步转化的物质。 ❖ 不但需要严格的控制环境，通常还需要
对其代谢机制有系统地了解
精品课件
§4-1 糖的代谢与调节
本节主要介绍糖代谢的几条代谢途径， 和其调节机制，并简单介绍糖代谢 厌氧发酵产物乙醇的发酵生产。