發酵

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發酵有時也寫作醱酵,其定義由使用場合的不同而不同。通常所說的發酵,多是指生物體對於有機物的某種分解過程。發酵是人類較早接觸的一種生物化學反應,如今在食品工業、生物和化學工業中均有廣泛應用。其也是生物工程的基本過程,即發酵工程。對於其機理以及過程式控制制的研究,還在繼續。

詞語解釋

  詞目:發酵   拼音:fā jiào   基本解釋   [ferment] 複雜的有機物在微生物作用下分解

發酵

詳細解釋   1. 指微生物分解有機物質的過程。應用於農業、醫藥、釀造、食品及化工等方面。   2. 喻事物受外力影響發生某種發展變化。   郭沫若《今昔集·再談中蘇文化之交流》:「這三種東西(活字、指南針、火藥)傳到西方去了之後,把 歐洲 的近代文明發酵起來了。」 茅盾《色盲》:「新的刺激,在他的脹熱的頭腦里開始發酵了。」 秦牧《社稷壇抒情》:「對,這真是一個激發人們思古幽情的所在!作為一個 中國 人,可以讓這種使人微醉的感情發酵的去處可真多呢!」發酵的歷史 發酵現象早已被人們所認識,但了解它的本質卻是近200年來的事。英語中發酵一詞fermentation是從拉丁語fervere派生而來的,原意為「翻騰」,它描述酵母作用於果汁麥芽浸出液時的現象。

名稱來源

  沸騰現象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產生的氧化

發酵設備——發酵罐

所引起的。在生物化學中把酵母的無氧呼吸過程稱作發酵。我們現在所指的發酵早已賦予了不同的含義。發酵是生命體所進行的化學反應和生理變化,是多種多樣的生物化學反應根據生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成,以取得能量來維持生命活動的過程。發酵產物是指在反應過程當中或反應到達終點時所產生的能夠調節代謝使之達到平衡的物質。實際上,發酵也是呼吸作用的一種,只不過呼吸作用最終生成CO2和水,而發酵最終是獲得各種不同的代謝產物。因而,現代對發酵的定義應該是:通過微生物(或動植物細胞)的生長培養和化學變化,大量產生和積累專門的代謝產物的反應過程   發酵的菌種 微生物 微生物(microorganism簡稱microbe)是包括細菌病毒真菌以及一些小型的原生動物等在內的一大類生物群體,它個體微小,卻與人類生活密切相關。微生物在自然界中可謂「無處不在,無處不有」,涵蓋了有益有害的眾多種類,廣泛涉及健康、醫藥、工農業、環保等諸多領域。   原核:細菌、放線菌螺旋體支原體立克次氏體衣原體。    真核:真菌、藻類、原生動物。 非細胞類:病毒和亞病毒

發酵的定義

  複雜的有機化合物在微生物的作用下分解成比較簡單的物質。發麵、釀酒等都是發酵的應用。也作醱酵。   漢詞「發酵」作為名詞表示一個過程,作為動詞表示一種行動。   (1)微生物生理學嚴格定義的「發酵」:   有機物被生物體氧化降解成氧化產物並釋放能量的過程統稱為生物氧化。   微生物生理學把生物氧化區分為呼吸和發酵,呼吸又可進一步區分為有氧呼吸和無氧呼吸。因此,發酵是生物氧化的一種方式。   發酵是這樣一種生物氧化方式:在沒有外源最終電子受體的條件下,化能異養型微生物細胞對能源有機化合物的氧化與內源的(已經經過該細胞代謝的)有機化合物的還原相耦合,一般並不發生經包含細胞色素等的電子傳遞鏈上的電子傳遞和電子傳遞磷酸化,而是通過底物(激酶的底物)水平磷酸化來獲得代謝能ATP;能源有機化合物釋放的電子的一級電子載體NAD,以NADH的形式直接將電子交給內源的有機電子受體而再生成NAD,同時將後者還原成發酵產物(不完全氧化的產物)。   細胞中的NAD是有限的,如果作為一級電子載體的輔酶NAD不能得到再生,就不能被回用,有效的電子載體就會愈來愈少,脫氫反應就不能持續進行下去了。因此輔酶NAD的再生是生物氧化(包括髮酵)繼續進行下去的必要條件。   (2)工業生產上定義的發酵——「工業發酵」   工業生產上籠統地把一切依靠微生物的生命活動而實現的工業

利用秸稈發酵製成沼氣

生產均稱為「發酵」。這樣定義的發酵就是「工業發酵」。工業發酵要依靠微生物的生命活動,生命活動依靠生物氧化提供的代謝能來支撐,因此工業發酵應該覆蓋微生物生理學中生物氧化的所有方式:有氧呼吸、無氧呼吸和發酵。   近百年來,隨著科學技術的進步,發酵技術發生了劃時代的變革,已經從利用自然界中原有的微生物進行發酵生產的階段進入到,按照人的意願改造成具有特殊性能的微生物以生產人類所需要的發酵產品的新階段。   (3) 專業詞彙「發酵(fermentation)」   「發酵」這個詞彙在生活中往往是人聯想到發麵製作大餅、油條、饅頭、包子,或者聯想到食品酸敗物品霉爛。   「發酵」作為專業詞彙其含義不但覆蓋發麵製作大餅、油條、饅頭、包子,更重要的是指用發酵的手段工業化生產酒及酒精飲料、食品及食品添加劑飼料飼料添加劑藥品、化工材料等等。

發酵的特點

  發酵和其他化學工業的最大區別在於它是生物體所進行的化學反應。其主要特點如下:   1,發酵過程一般來說都是在常溫常壓下進行的生物化學反應,反應安全,要求條件也比較簡單。   2,發酵所用的原料通常以澱粉、糖蜜或其他農副產品為主,只要加入少量的有機和無機氮源就可進行反應。微生物因不同的類別可以有選擇地去利用它所需要的營養。基於這—特性,可以利用廢水和廢物等作為發酵的原料進行生物資源的改造和更新。   3,發酵過程是通過生物體的自動調節方式來完成的,反應的專一性強,因而可以得到較為單—的代謝產物。   4,由於生物體本身所具有的反應機制,能夠專一性地和高度選

通風發酵池示意圖

擇性地對某些較為複雜的化合物進行特定部位地氧化、還原等化學轉化反應,也可以產生比較複雜的高分子化合物。   5,發酵過程中對雜菌污染的防治至關重要。除了必須對設備進行嚴格消毒處理空氣過濾外,反應必須在無菌條件下進行。如果污染了雜菌,生產上就要遭到巨大的經濟損失,要是感染了噬菌體,對發酵就會造成更大的危害。因而維持無菌條件是發酵成敗的關鍵。   6,微生物菌種是進行發酵的根本因素,通過變異和菌種篩選,可以獲得高產的優良菌株並使生產設備得到充分利用,也可以因此獲得按常規方法難以生產的產品。   7,工業發酵與其他工業相比,投資少,見效快,開可以取得顯著的經濟效益。   基於以上特點,工業發酵日益引起人們重視。和傳統的發酵工藝相比,現代發酵工程除了上述的發酵特徵之外更有其優越性。除了使用微生物外,還可以用動植物細胞和酶,也可以用人工構建的「工程菌』來進行反應;反應設備也不只是常規的發酵罐,而是以各種各樣的生物反應器而代之,自動化連續化程度高,使發酵水平在原有基礎上有所提高和和創新

發酵的類型

  根據發酵的特點和微生物對氧的不同需要,可以將發酵

味精發酵工藝生產流程圖

分成若干類型:   1,按發酵原料來區分:糖類物質發酵、石油發酵及廢水發酵等類型。   2,按發酵產物來區分:如氨基酸發酵、有機酸發酵、抗生素發酵、酒精發酵、維生素發酵等。   3,按發酵形式來區分,則有:固態發酵和液體深層發酵。   4,按發酵工藝流程區分則有:分批發酵、連續發酵和流加發酵。   5,按發酵過程中對氧的不同需求來分,一般可分為:厭氧發酵和通風發酵兩大類型。   發酵工程在生物工程中的位置   生物工程主要包括基因工程、細胞工程酶工程蛋白質工程和發酵工程等5個部分;   基因工程和細胞工程的研究結果,目前大多需要通過發酵工程和酶工程來實現產業化。基因工程、細胞工程和發酵工程中所需要的酶,往往是通過酶工程來獲得;酶工程中酶的生產,一般要通過微生物發酵的方法來進行。由此可見,生物工程各個分支之間存在著交叉滲透的現象。   
生物工程主要操作對象工程目的與其它工程的關係
基因工程基因及動物細胞、植物細胞、微生物改造物種通過細胞工程、發酵工程使目的基因得以表達
細胞工程動物細胞、植物細胞、微生物細胞改造物種可以為發酵工程提供菌種、使基因工程得以實現
發酵工程微生物獲得菌體及各種代謝產物為酶工程提供酶的來源
酶 工 程微生物獲得酶製劑固定化酶為其它生物工程提供酶製劑

反應

  主條目:糖酵解   主條目:呼吸作用   發酵反應的過程依據不同糖的利用與產物的生產而不同。以下以葡萄糖生產酒精為例,說明釀酒發酵的過程,同時這也是最經典的發酵反應:   化學式:C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (放出能量:118 kJ/mol) 文字式:糖(葡萄糖果糖蔗糖) → 醇類(乙醇) + 二氧化碳 + 能量 (ATP) 就實際反應的生化途徑而言,在厭氧呼吸的初期,往往是糖酵解途徑,之後的途徑與終產物有關。

應用

固態發酵應用

  傳統上人們利用固態發酵生產麵包、麥芽、酒麴、酒精飲料、醬油

利用酒精發酵生產的紅酒

豆豉蘑菇等食品或生產中間原料。近代研究發現利用固態發酵生產的一些食品中含有生理活性物質,表明了固態發酵在生產這些食品及食品添加劑上有優勢。隨著能源危機與環境問題的日益嚴重,固態發酵技術以其特有的優點引起人們極大的興趣。人們在固態發酵領域的研究及其在資源環境、蛋白質飼料中的應用取得了較大進展,主要表現在生物飼料、生物燃料、生物農藥生物轉化、生物解毒及生物修復等方面的成功開發應用,為固態發酵的不斷發展提供了強有力支持,為傳統技術發揚光大提供了廣闊的應用前景。

酒精發酵和乳酸發酵生產葡萄酒

  (1)、破碎和去梗   破碎:使果肉和果汗分離。   去梗:果梗有青梗味,除非酒中需要額外增加單寧,才會保留果梗。   (2)、酒精發酵和浸漬   葡萄破碎去梗后,被輸送到發酵容器中進行發酵,酵母可以由葡萄自身原有的,也可以是人工添加的,發酵過程持續4~10天,葡萄皮中的單寧和色素就滲入葡萄汁里。   單寧和色素的撮過程就稱為浸漬。浸漬時間從數日到數周不等。酵造單寧含量低、較柔順的「新酒」,浸漬時間會很短;釀造可長期收藏的紅酒時,由於需要足夠的單寧,浸漬的時間會很長。(3)、更換容器和壓榨皮渣   更換容器是為了將皮渣從葡萄原酒中分離,結束浸漬過程。皮渣移出容器后,再經壓榨出酒。從皮渣中壓榨出的葡萄酒顏色較深,單寧含量也較高,味苦澀。   (4)、乳酸發酵   在紅葡萄酒釀造過程中,通常會進行稱為乳酸發酵的副發酵。副發酵是利用乳酸菌把酒中酸澀的蘋果酸變成較柔順且穩定的乳酸。

生產味精

  全世界都採用發酵法生產味精。發酵法生產味精的原料基本上都是澱粉、砂糖醋酸、糖蜜等天然物質,因此味精不是化學合成產品。

發酵產品

  酒、醬油、醋、醫藥、饅頭、酸奶、臭豆腐、氨基酸、味精、澱粉糖、酒精等等

生物發酵處理垃圾

  BTA工藝流程可廣泛應用於處理生活垃圾、商業垃圾、農業垃

BTA多級發酵系統——處理垃圾

圾及城市固體垃圾中的可降解生物垃圾(Biowaste)(垃圾中的有機物部份)。通過BTA工藝流程可將垃圾轉換成高質量的生物燃氣(Biogas)和有機肥(Compost),生物燃氣又可發電併產出熱能。用BTA工藝流程進行垃圾處理時,所用的水基本都是在生產過程中產生的循環水,多餘的水可直接應用於農業灌溉或進行進一步的污水清潔處理。   較為常用的是BTA單級發酵系統。垃圾漿料的發酵在混合發酵反應罐中一次完成。考慮到投資與運行的成本,現有的發酵設備(如污水處理廠、農業沼氣廠的發酵罐)都可以直接改造利用這一工藝。BTA單級發酵系統完全可應用於現有的垃圾處理工廠擴大產量,如果要進行餐廚垃圾的處理還有必要再增加一些BTA殺菌消毒設施。   還有一種BTA多級發酵系統,大多用於年處理量超過5萬噸的工廠。在BTA多級發酵系統中垃圾漿料通過脫水分離成固態物質和液相物質。液相中包含可溶解的有機成份,可以直接泵入厭氧發酵罐(甲烷反應器)中。經過脫水后的固體渣料中由於仍然包含有未溶解的有機成份,可再一次將其與水混合打進水解反應器,經過約4天後對這些懸浮液再次脫水,然後將液體部分注入到發酵罐(甲烷反應器)中。通過在不同反應器(酸化、水解和甲烷)中的降解過程,BTA多級發酵系統為微生物創造理想的生長條件,加快了生物的降解速度,只需要幾天時間就使60%—80%的有機物質轉化成甲烷氣體。

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