微生物代谢产物生产食品综述

微生物代谢产物生产食品综述

摘要：微生物代谢产物的种类很多，已知的有37个大类，其中16类属于药物，如氨基酸、核并酸、蛋白质、核酸、糖类、抗生素、生物碱、细菌毒素等。

利用微生物的代谢产物可以生产十分丰富的食品。本文介绍了发酵生产食品的一

般过程，并以谷氨酸为例详细说明。

关键词：微生物代谢产物 食品 谷氨酸 发酵

正文：

微生物代谢产物的种类很多，已知的有37个大类，其中16类属于药物。在

菌体对数生长期所产生的产物，如氨基酸、核并酸、蛋白质、核酸、糖类等，是

菌体生长繁殖所必需的。这些产物叫做初级代谢产物，许多初级代谢产物在经济

上具有相当的重要性，分别形成了各种不同的发酵工业。在菌体生长静止期，某

些菌体能合成一些具有特定功能的产物，如抗生素、生物碱、细菌毒素等。这些

产物与菌体生长繁殖无明显关系，叫做次级代谢产物。次级代谢产物多为低分子

量化合物，但其化学结构类型多种多样，据不完全统计多达４７类，其中抗生素

的结构类型，按相似性来分，也有１４类。由于抗生素不仅具有广泛的抗菌作用，

而且还有抗病毒、抗癌和其他生理活性，因而得到了大力发展，已成为发酵工业的重要支柱。

利用微生物的代谢产物可以生产十分丰富的食品。以下举例说明：

1、食醋：食醋是人们日常生活所必需的调味品，也是最古老的利用微生物

生产的食品之一。食醋生产是利用醋酸菌在充分供氧的条件下将乙醇氧化为醋

酸。能用于食醋生产的醋酸菌有纹膜醋酸菌、许氏醋酸菌、恶臭醋酸菌和巴氏醋

酸菌等。不同原料还需加入不同的微生物。以淀粉为原料时加入霉菌和酵母菌，

糖类为原料时加入酵母菌。获得风味迥异的食醋品种。

2 ．酒类：酒类的发酵生产主要是利用酵母菌在厌氧条件下将葡萄糖发酵为

酒精的过程。不同酒类的发酵工艺不同：不同的酒类酿造所选用的酵母菌不同。

所选用的原料、水质、甚至环境都会影响酒类的品质和风味。纯净的矿泉水往往

较河水和自来水好。有人发现，贵州茅台酒之所以具有其独特的芬芳风味，与其

酿酒厂环境中存在的微生物区系有关。

3 、发酵生产乳制品：利用乳酸细菌进行发酵，使成为具有独特风味的食品

很多。如酸制奶油、干酪、酸牛乳、嗜酸菌乳（活性乳）、马奶酒、面包格瓦斯

以及酸泡菜、乳黄瓜等等。这些乳制品不仅具有良好而独特的风味，而且由于易

于吸收而提高了其营养价值。发酵乳制品的主要乳酸菌有干酪乳杆菌、保加利亚

乳杆菌、嗜酸乳杆菌 、植物乳杆菌、瑞士乳杆菌、乳酸乳杆菌、乳链球菌 、

乳脂链球菌、嗜热链球菌、噬柠檬酸链球菌、副柠檬酸链球菌等许多种。嗜柠檬

酸链球菌还可以把柠檬酸代谢为具有香味的丁二酮等，使乳制品具有芳香味。

4 、发酵生产酱油：酱油是包括霉菌、酵母菌和细菌等多种微生物参与原料

物质转化的混合作用的结果。对发酵速度、成品色泽、味道鲜美程度影响最大的

是米曲霉和酱油曲霉，而影响其风味的是酵母菌和乳酸菌。米曲霉含有丰富的蛋

白酶、淀粉酶、谷氨酸胺酶和果胶酶、半纤维素酶、酯酶等。涉及酱油发酵的酵

母菌有 7 个属的 23 个种，其中影响最大的是鲁氏酵母，易变圆酵母等。

5 、腐乳的发酵生产：腐乳是大豆制品经多种微生物及其产生的酶，将蛋白

质分解为胨、多肽和氨基酸类物质以及一些有机酸，有机醇和酯类而制成的具有

特殊色香味的豆制品。涉及的微生物主要是毛霉中的腐乳毛霉、鲁氏毛霉、五通

桥毛霉、总状毛霉、华根霉等，另外也有利用微球菌或枯草芽孢杆菌酿造的。

6 、面包的发酵生产：面包和馒头都是由面粉经酵母菌发酵后制成。

在 30 ℃

左右时，酵母菌利用经淀粉酶水解的产物麦芽糖、葡萄糖、果糖、蔗糖等，发酵

生成二氧化碳、醇、醛、有机酸等。二氧化碳使面团膨胀发孔。在高温下烘烤时

使面包成为多孔的海绵状结构，使质地松软可口。发酵过程中产生的有机酸、醇、

醛等给予特有的风味。再添加各种辅料使面包增添花色。

7 、氨基酸和维生素 C 等的发酵生产：氨基酸不仅是人体所必需，而且是

众多食品工业不可缺少的鲜味剂、甜味剂和添加剂，使食品提高了营养价值和蛋

白质利用率，增加风味。如象谷氨酸钠即是人们日常生活中菜肴的调味刺，赖氨

酸作为大米或饲料的添加剂，有利于蛋白质的合理和高效利用。用于发酵生产谷

氨酸的微生物有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌等。它们都是球形、短杆至棒状；无

鞭毛，不运动，不形成芽孢， G + ，需 O 2 需生物素的细菌。

8 、有机酸的发酵：食品工业和其他工业中都需要大量的有机酸。许多厌氧

细菌和兼性厌氧细菌可发酵生产乙酸、乳酸丙酸、丁酸、甲酸以及丙酮等，这已

有阐述。而霉菌也能生产多种有机酸，见表 12-6 所示。如柠檬酸就是由黑曲霉

或温特曲霉所发酵生产。

微生物发酵的一般过程：

1．菌体的选育：

2．培养基的配置：

（1）原料：碳源，氮源，生长因子，无机盐和水。

（2）原则：目的要明确，营养要协调，PH要适宜。

3．灭菌：

发酵过程中不能有杂菌污染，不仅要对培养基进行灭菌，还要对发酵装

置进行灭菌，通入的空气也要进行灭菌。灭菌不仅要杀死杂菌细胞，还要杀死芽

孢和孢子。

4．扩大培养和接种：扩大培养可以缩短微生物生长的调整期。

5．发酵过程：是发酵的中心阶段。

关键是控制发酵的条件，如温度，pH，溶氧，通气量与转速等。原因是环境

条件的变化，不仅会影响菌种的生长繁殖，还会影响菌种代谢产物的形成。

影响发酵过程的因素 影响发酵过程的因素主要有以下几个方面：

温度 温度对微生物的影响是多方面的。首先，温度影响酶的活性。在最适温度

范围内，随着温度的升高，菌体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过

最适温度范围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期缩短，

产量降低。温度也能影响生物合成的途径。

pH pH能够影响酶的活性，以及细胞膜的带电荷状况。细胞膜的带电荷状况如

果发生变化，膜的透性也会改变，从而有可能影响微生物对营养物质的吸收及代

谢产物的分泌。此外，pH还会影响培养基中营养物质的分解等。

溶氧量 氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。从葡萄糖氧化的需氧量来

看，1 mol的葡萄糖彻底氧化分解，需6 mol的氧；当糖用于合成代谢产物时，

1 mol葡萄糖约需1.9 mol的氧。因此，好氧型微生物对氧的需要量是很大的，

但在发酵过程中菌种只能利用发酵液中的溶解氧，然而氧很难溶于水。因此，必

须向发酵液中连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在发酵

液中的溶解度。

泡沫 在发酵过程中，通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解

等，都有可能产生泡沫。发酵过程中产生一定数量的泡沫是正常现象，但过多的

持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐的容积，影响通气和搅拌的

正常进行，甚至导致代谢异常，因而必须消除泡沫。常用的消泡沫措施有两类：

一类是安装消泡沫挡板，通过强烈的机械振荡，促使泡沫破裂；另一类是使用消

泡沫剂。

营养物质的浓度 发酵液中各种营养物质的浓度，特别是碳氮比、无机盐和维生

素的浓度，会直接影响菌体的生长和代谢产物的积累。如在谷氨酸发酵中，NH+4

浓度的变化，会影响代谢途径（见谷氨酸发酵）。因此，在发酵过程中，也应根

据具体情况进行控制。

6．分离提纯：发酵工程产品

代谢产物：可采用蒸馏，萃取，离子交换等方法提取。

菌体自身：可采用过滤，沉淀等方法从培养液中分离出来。

谷氨酸的发酵：

玉米为原料生产味精全过程可划分为四个工艺阶段:(1)原料的预处理及淀

粉水解糖的制备；(2)菌种的活化及种子液的制备；(3)发酵；(4)谷氨酸制取味

精及味精成品加工。（具体见工艺流程图表1）

2.原料预处理及淀粉水解糖制备

2.1 原料的预处理

此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同

时去除固体杂质，防止机器磨损。用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和

转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，

还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，

而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒

状物料的中碎和细碎。

2.2 淀粉水解糖制备

在工业生产上将玉米淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖

液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必

须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制

糖工艺。首先，淀粉先要经过液化阶段，然后在与β-淀粉酶作用进入糖化阶段。

首先利用α-淀粉酶将淀粉浆液化,降低淀粉粘度并将其水解成糊精和低聚糖,应

为淀粉中蛋白质的含量低于原来的大米,所以经过液化的混合液可直接加入糖化

酶进入糖化阶段,而不用像以大米为原材料那样液化后需经过板筐压滤机滤去大

量蛋白质沉淀。液化过程中除了加淀粉酶还要加氯化钙,整个液化时间约30min。

一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内进一步水解为葡萄糖。淀粉浆液化

后,通过冷却器降温至60℃进入糖化罐,加入糖化酶进行糖化。糖化温度控制在

60℃左右,pH值4.5,糖化时间18~32h。糖化结束后,将糖化罐加热至80～85℃,

灭酶30min。过滤得葡萄糖液,经过压滤机后进行油水分离(一冷分离,二冷分离),

再经过滤后连续消毒后进入发酵罐。

3.菌种的活化及种子液的制备

从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，

最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。

3.1菌种选择

玉米为原料发酵生产味精常用菌株有：谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳

糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌、硫殖短杆菌等。国产菌株有：北京棒杆菌AS1.299、

北京棒杆菌7338、北京棒杆菌D110、棒杆菌S-944、钝齿棒杆菌AS1.542、钝齿

棒杆菌HU7251、。本工艺选用谷氨酸棒状杆菌

3.2菌种的活化

把保藏在斜面上的菌体移接到活化斜面（培养基中添加0.1%葡萄糖）

上，在30~32℃下恒温培养18~24h，取出后存放于4℃冰箱内，随时取用。

3.3 一级种子培养

为了获得大量健壮的细胞，一级种子培养基应该营养丰富，有利于菌体的生

长繁殖。为了避免培养过程中因产生有机酸引起培养基Ph下降而造成菌体老化，

所以培养基的含糖量要低，一般在2.5%左右。

3.3二级种子培养

通过一级种子扩大培养后，种量仍不能满足发酵用的需要，因此需要进一步

扩大培养，二级培养基方面组成应与发酵培养基原料组成一致，只是配比上可有

差异，这样就保证了二级种子接到发酵罐后能很快适应环境。经过二级种子培养

之后，一般来说，种量能够满足需求，但是有些要求高种量还可以采用三级种子

培养。

4.发酵过程与控制

种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种

子站，完成生产菌种的扩大培养任务。从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，

扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种

子。

谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。

用于灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器

—维持管—真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。但由于糖液粘度较大，流动性

差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因

而应用较少。

发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在

50m3到200m3之间。对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。

由于谷氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。首先由高空采气塔采集高空洁净空气，经空气压缩机压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后，送至发酵罐使用。在北方地区由于空气湿度小、温度低，还可采用空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备。

4.1发酵培养基

发酵培养基不仅提供菌体生长繁殖所需要的营养和能量，而且是形成谷氨酸的物质来源，因此，要求发酵培养基含有足够的碳源和氮源，其量比种子培养基中含量要高出很多，发酵培养基的组成和配比，因菌种，设备，工艺条件和原料来源不同而异。通常可以采用以下配比（百分比）进行发酵，菌种采用B9，T6-13菌株，水解糖 12~14，KCL 0.05,尿素0.5~0.8，MgSO4 0.06,玉米

0.6ml,Ph7.0,Na2HPO4 0.17。

4.2谷氨酸发酵参数与控制

过滤的滤液冷却到32℃，进入发酵罐发酵，用冷却水调温，每隔12小时升温1～2℃，当发酵时间接近34h时，温度升至37℃。加水使糖化液浓度为14%，发酵时间为34h，发酵菌种的产酸量与葡萄糖量之比为50％。具体来说有温度，PH，氧溶量，菌种种龄、种量，泡沫的控制。

4.2.1温度的控制

国内常用菌株的最适生长温度为30-34℃， 产生谷氨酸的最适温度为34～36℃。0～12h的发酵前期，主要是长菌阶段；发酵12h后，菌体进入平衡期，增殖速度变得缓慢；温度提高到34～36℃，谷氨酸的生成量就增加。

4.2.2 pH的控制

一般发酵前期pH控制在7.5-8.5左右，发酵中、后期pH控制在7.0～7.2，调低pH的目的在于提高与谷氨酸合成有关的酶的活力。尿素被谷氨酸生产菌细胞的脲酶所分解放出氨，因而发酵液的pH会上升。发酵过程中，由于菌体不断利用氨，以及有机酸和谷氨酸等代谢产物进入发酵液，使N源不足和发酵液pH下降，需再次流加尿素 。

4.2.3溶解氧的控制

谷氨酸产生菌是兼性好氧菌，故控制适当的氧溶量十分重要。在实际生产中，搅拌转速固定不变，通常用调节通风量来改变供氧水平。通风比（ m3 /m3.min ）：每分钟向1m3的发酵液中通入0.1cm3无菌空气，用1:0.1表示。

4.2.4种龄和种量的控制

微生物的生长大致可分为适应期、对数期、稳定期、衰老期。种龄：一级种子菌龄控制在11～12h，二级种子菌龄为7～8h。种量：指接入发酵罐内种子的量占发酵罐内发酵培养基量的百分比。接种量的多少对适应期的延续时间也有很大的影响。接种量一般以1％为好。种量过多，使菌体生长速度过快，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸不高；如果接种量过少，则菌体增长缓慢，会导致发酵时间延长，容易染菌。

4.2.5泡沫的控制

生产上为了控制泡沫，除了在发酵罐内安装机械消泡器外，还在发酵时加入消泡剂。目前谷氨酸发酵常用的消泡剂有：花生油、豆油、玉米油、棉子油、泡敌和硅酮等。天然油脂类的消泡剂的用量较大，一般为发酵液的0.1%～0.2%(体

积分数)，泡敌的用量为0.02%～0.03%(体积分数)。

5.谷氨酸提取及谷氨酸制备工艺

谷氨酸的提取一般采用等电点—离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制。具体来说包括三个步骤，酸中和、碱中和、等电点分离。其中酸中和、碱中和过程就是向中和罐盘管内注入冷冻盐水，将发酵液温度调到22℃，然后加硫酸中和，使其pH值从7.0降至3.2，温度从22降至8℃。该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸与搅拌1.5h，保证晶体增长，然后继续缓慢加酸调整，直到pH降为3.2，温度冷却至8，达到等电点，停止中和及搅拌。过滤得谷氨酸结晶，加入温水溶解，用碳酸钠将谷氨酸溶液的pH值调到5.6，T=70℃。等达到等电点后，发酵液进入等电点中和罐，进入罐前使温度降为22℃，由于谷氨酸等电点只有3.2左右，需要加硫酸调节pH值，该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸与搅拌1.5h，保证晶体增长，然后继续缓慢加酸调整，直至pH降为3.2左右，温度冷却至8℃，达到等电点停止搅拌，谷氨酸沉淀分离之后可以获得粗糙晶体。

5.1谷氨酸钠制取

将谷氨酸凝聚物充入二次中和罐，然后加水加纯碱中和成谷氨酸钠，加水溶解温度为40～60℃， Na2CO3调pH至5.6，中和温度控制在70℃以内，接着将谷氨酸钠盐溶液充入活性炭脱色器脱色，分离，再进入离子交换柱除去Ca2+、Fe2+、Mg2+等金属离子，即可得到高纯度的谷氨酸钠溶液,将纯净的谷氨酸钠溶液导入结晶罐,进行减压蒸发,当波美度达到295波美时放入晶种,进入育晶阶段,根据结晶罐内溶液的饱和度和结晶情况实时控制谷氨酸钠溶液输入量及进水量。经过十几小时的蒸发结晶,当结晶形体达到一定要求、物料积累到80%高度时,将料液放至助晶槽,结晶长成后分离出味精,送去干燥和筛选。精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包装，得到成品。

随着世界粮食的短缺和生物燃料的广泛应用，今年来，玉米的价格上升很快，使得以玉米为原料生产味精的企业，固化成本大大提高，各个企业不得不寻求技术方面的突破和新技术的利用，开发新的菌株，满足市场对味精的持续需求。

参考文献：

1. 沈关心，《微生物学与免疫学》第6版，人民卫生出版社；

2. 史济平，《药学分子生物学》第3版，人民卫生出版社；

3. 崔福德，《药剂学》第6版，人民卫生出版社；

4. 百度文库，《玉米为原料生产味精的工艺说明书》；

5. 百度贴吧，“微生物发酵产物生产食品举例”；

6. 中国知网，知网空间《谷氨酸发酵的现状与展望》。