所谓发酵是指借助微生物的发酵作用大量生成和积累特定代谢产物的过程。发酵产品制造过程是一个系统工程，它渗透着微生物学、生物化学和化学工程。许多微生物的发酵生产通过基因工程克隆菌种。目前基因克隆的菌种用于发酵法主要生产单细胞蛋白和新型食品胶。
发酵工程可用于制造抗菌素及其他药物，可制造啤酒、酒精、氨基酸、酶制剂、核苷酸及维生素等食品和化工产品。发酵工程还可生产蛋白质、新型食品胶、天然食品色素和r-亚麻酸等生物必需的有机酸或脂肪酸。
发酵法生产单细胞蛋白
单细胞蛋白(single cell protein，简称SCP)主要是指酵母、细菌、真菌等微生物蛋白质资源。一般用微生物生物量(biomass)来衡量其蛋白质产量。微生物生物量中蛋白质含量一般不超过50％。目前，人们已公认SCP是最具应用前景的蛋白质新资源之一，与传统蛋白质生产比较，发酵技术生产的SCP不受季节影响和耕地制约，并具有生产效率高等特点。微生物菌体的蛋白含量很高，以干重计，大部分可达42％～75％，所含人体8种必需氨基酸组成接近FAO的理想模式。
啤酒酵母除含丰富的优质蛋白外，还含有较丰富的维生素D和B族维生素及Ca、Pe、Zn、K、P、Na等必需微量元素，因此，它可视为一种理想的蛋白质资源。利用微生物发酵技术生产单细胞蛋白具有较高的生产率。因为单细胞蛋白依赖于微生物菌体生物量的累积，其富集蛋白质的能力要比动、植物快得多。
酵母细胞蛋白质构成比较理想，而且比细菌更容易从培养介质中回收。细菌生长繁殖快，其蛋白质含量及含硫氨基酸较高，适于用作动物饲料。
以淀粉质原料生产SCP主要有3条途径：在化学分解或酶底物基础上培养SCP生产酵母菌；对淀粉分解活力高的酵母(或霉菌)与快速生长的酵母菌混合培养；单独培养能够同化淀粉的生产菌株。
目前以淀粉原料生产SCP的最佳方法是酵母菌混合培养法。混合菌发酵也称同步糖化-发酵法(简称SSF)或称水解发酵并行法。
培养黑曲霉(或其他降解淀粉的菌株)和产朊假丝酵母菌种，然后混合接入培养基淀粉原料中。发酵罐温度控制在28～32℃，pH控制在4．0～6．5之间。在混合培养中，降解淀粉菌株与产朊假丝酵母的接种比例对SCP发酵生产过程和产物组成影响极大。
在SCP生产中，发酵过程必须控制温度以利于菌体的大量增殖、生长。以甘薯、木薯、玉米等淀粉质原料发酵生产SCP得率一般可超过50％，即2t原料可生产出It多蛋白含量超过50％的产物。每升发酵液中生物量约为37～40g。
SCP分离、提取工艺的关键技术有两个，破除SCP生产菌体细胞壁和降低SCP产品的RNA含量。现以酵母SCP为例加以说明：酵母细胞壁很坚韧，主要由葡聚糖、甘露聚糖等大分子构成。人体内没有分解酵母细胞壁的消化酶，无法充分利用胞内蛋白质成分，因此，破碎细胞壁，不但可以提取出其中的蛋白质，而且细胞壁上与甘露聚糖结合的蛋白质也可释放出来，提高其生物利用率。破碎酵母细胞壁主要采用化学法、酶法和机械法，它们可以单独使用也可以结合起来使用。
酵母SCP含有大量的RNA。以干固形物计，RNA约占细胞核酸含量的8％～12％，另外还有一些DNA，但仅占细胞核酸含量的1％～2％。在膳食中，摄入过量的核酸对人体是有害的，其代谢产物尿酸在人体内累积会出现风湿性关节炎、肾结石等不良症状。根据营养学规定，成年人摄入核酸量不得超过2g，若摄入未经核酸降解处理的SCP，每日不得超过20g。
发酵法生产新型食品胶
新型食品胶主要指黄原胶、结冷胶、茁霉多糖等，它们均为微生物多糖，广泛应用于食品加工作为增稠剂、稳定剂等。
1、黄原胶
黄原胶(Xanthan gum)是黄单孢杆菌(Xanthomonascampestris)发酵产生的细胞外杂多糖。此后研究发现甘蓝黑腐病黄单孢杆菌、锦葵黄单孢杆菌、胡萝卜黄单孢杆菌、木薯萎蔫病黄孢菌，美人蕉枯叶黄单孢杆菌等都能产黄原胶。1990年美国kelco公司年产1万t，是世界上最大的黄原胶生产厂家。1996年世界黄原胶产量已超过6万t。
（1）黄原胶生产概况
1983年，联合国世界卫生组织(WHO)和粮农组织(FAO)批准黄原胶作为食品工业用稳定剂、乳化剂和增稠剂。
目前已有10多个国家和地区生产黄原胶，主要有：美国、英国、法国、日本、俄罗斯和德国等。黄原胶工业化生产技术日趋完善，尤其是生物技术的发展使黄原胶的发酵产率、糖转化率、发酵液胶浓度等指标大大提高，发酵周期大大缩短，生产成本降低，是一种很有发展前景的微生物多糖。目前世界先进水平是：发酵液黄原胶浓度已达到5％左右，原料多糖转化率接近80％，发酵周期由72～96h缩短为48～52h。
我国黄原胶的研究和生产起步较晚，70年代后期才开始研究。中国科学院微生物研究所、山东食品发酵所、山东大学、南开大学等大学和科研院所，均研究成功具有各自特色的生产工艺，在80年代中期分别通过中试鉴定，并陆续转化为工业生产。各单位中试水平大致相近，发酵液多糖产量约为26～28g／L，原料的转化率为65％～70％，投料浓度为4％~5％，所采用的菌株虽然来源不同，形态也略有差异，但基本都是属于野油菜黄单孢杆菌。
黄原胶的发酵可采用分批发酵、半连续发酵和连续发酵等三种发酵方式，在发酵设备方面要适用于高粘度多糖发酵的特定要求。目前最常用的发酵方式均为分批发酵。
（2）黄原胶的结构与性能
黄原胶是一种高分子杂多糖。通过研究证实，它是由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸，鼠李糖醋酸纤维素和丙酮酸等组成的阴离子杂多糖，其基本骨架为β-1,4葡萄糖连接而成的直链纤维素分子，并且每隔一个葡萄糖单位都在葡萄糖的3位上连接一个三糖侧链，侧链由葡萄糖醛酸、甘露糖、鼠李糖等组成。其侧链基团组成对黄原胶性能有很大影响。
正是由于黄原胶这种独特的分子结构和双螺旋体的分子状态，使得黄原胶具有优异的性能和广泛的用途。
①强亲水性 黄原胶能在多种极性介质中迅速溶胀并形dn 稳定的高粘性溶胶。它可溶于冷水、热水、多种盐溶液及酸、碱水溶液中，其溶解性为热水优于冷水，碱性水溶液优于酸性水溶液，盐浓度增加溶解性降低，溶解时间延长。能溶于甘油、乙二醇及低浓度的醇溶液中。
②增稠性 在相同浓度下其水溶液的粘度是瓜尔豆胶的1．7倍，海藻胶的3～5倍，因此黄原胶是优良的增稠稳定剂。
③稳定性 黄原胶溶液对热稳定，在0～100℃范围内加热处埋其粘度基本无变化，据报道，1％黄原胶溶液180℃处理4min，仍可以保留原始粘度的80％，加热到120℃，粘度仅下降3％。
黄原胶溶液对酸、碱稳定，在pH5～10之间其粘度不受影响，在pH11时粘度有轻微的降低。
黄原胶溶液对盐的稳定性高，与大多数盐都具有配伍性和稳定性。
黄原胶对大多数酶(如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶)均稳定。黄原胶分子具有高度的生物学稳定性。其对酶稳定的原因是由于三糖侧链基团规则性的排列和双螺旋网状结构造成空间障碍所致，阻碍酶与主链β－1,4键的结合。
④悬浮性和乳化能力 黄原胶分子具有优良的悬浮和乳化能力。1％的黄原胶溶液具有(2～5)×10－≤N／m2的承托力，在食品加工中可作为优良的悬浮稳定剂。黄原胶的增稠性可降低油相与水相的不相容性，起到提高乳化能力，阻止油水分层的作用。
⑤配伍性与增效性 黄原胶与大多数合成或天然食品胶具有良好的配伍性，例如与刺槐豆胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、变性淀粉、糊精、海藻胶等都能互溶，混溶后其粘度显著提高。
2、结冷胶
结冷胶(Gellan gum)是美国Kelco公司开发的一种新型微生物多糖，其凝胶性能比黄原胶更为优越，如凝胶形成能力强，透明度高、最佳的风味释放、稳定性强、不需加热或稍微加热即可形成凝胶等，而且形成凝胶的温度和速度可根据需要在一定范围内变动。
结冷胶的原始生产菌，在1987年以前称为假单孢菌依落藻属微生物(Pseudomonas elodea)，1987年以后，归为少动鞘脂单胞菌(Spningomonas campestris)。
结冷胶发酵生产工艺流程和黄原胶发酵相近，包括种子培养、发酵产胶、发酵液预处理、沉淀分离、干燥粉碎等基本过程。
（1）结冷胶的结构
结冷胶产品有两种形式：一种是天然的结冷胶(也称高酰基结冷胶)，另一种是低酰基结冷胶(也称脱酰基结冷胶)。它们的主体分子结构相同，都是由4个单糖分子通过糖苷连接而成的重复糖单元构成的高分子糖类化合物。这4个单糖分子依次为D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖及L-鼠李糖，其中第一个葡萄糖分子是以β-1,4键连接。结构上的主要区别在于天然结冷胶的每个重量单元上平均有一个酰基连接在葡萄糖分子上。酰基有两类：一类为乙酰基，以β-1，3键连接在葡萄糖分子的第6个碳原子上：另一类为甘油基，以β-1，3键连接在葡萄糖分子的第2个碳原子上。
（2）结冷胶的功能
天然结冷胶的主链上连接有酰基，使得它所形成的胶柔软，富有弹性而且粘着力强，脱酰基结冷胶由于主链上的酰基部分或全部除去，使得分子空间阻碍作用明显减弱，形成凝胶的能力增强。凝胶具有强度大、易脆裂的特性。食品工业普遍使用脱酰基的结冷胶。结冷胶具有以下功能：
假塑性和流变性 结冷胶溶液是一种典型的假塑性流体，其溶液粘度随剪切速率的增加而明显降低，随剪切速率的减弱而恢复。当结冷胶溶十水后，分子之间会自动聚集形成双股螺旋结构，两条分子链以右螺旋方式形成双股螺旋，螺旋间距为2．815nm。稳定双螺旋结构的力主要为分子间氢键。双螺旋进g 步聚集可形成三维网状结构。无机离子有助于稳定双螺旋结构和加速双螺体形成三维网状结构。加热升温或搅拌可使三维网状结构和双螺旋体解体，故在高剪切速率作用下，三维网状结构分解为无规则的线团结构而使粘度迅速降低。
②溶解性 结冷胶可溶gf 冷水或稍微加热即可溶解形成均g 透明的溶液。溶解温度受水中离子种类和含量高低的影响，离子含量高，一般溶解温度提高。
③凝胶性 结冷胶是一种广谱性的胶凝剂，其凝胶形成温度、熔化温度及凝胶强度，可以通过加入一价或二价阳离子来调节，可以制备形成热可逆性凝胶或热不可逆性凝胶。
④耐酸碱性 凝胶热稳定性高，耐酸、耐碱能力强。结冷胶所形成的凝胶在pH4．0～8．0之间时几乎不受pH的影响。结冷胶所形成的凝胶对酶稳定，如淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、褐藻酸酶等均不会对结冷胶溶液的粘度和凝胶强度造成影响。
⑤凝胶能力强 结冷胶的凝胶能力强，在相同浓度下，结冷胶强度为卡拉胶、琼胶的3～10倍，尤其在低浓度和酸性条件下使用更为有效。凝胶的模量高，意味着所形成的凝胶结实、爽脆而不太硬，表现出良好的风味释放特性。通常胶凝温度在20～50℃之间。融化温度在65～120℃之间。
在食品加工中，结冷胶并不仅仅作为一种胶凝剂，更重要的是可以赋予食品优良的质地和口感。通常可与多种食品胶配合使用，使产品获得最佳的产品质构和稳定性。常用于糖果(给产品提供优良的质构，缩短淀粉软糖凝胶形成的时间)、果冻与果酱 (作为胶凝剂形成更佳的质构和口感)、馅饼与布丁(降低粘性便于加工，使产品形体更加稳定，口感、外观得到改善)和焙烤食品(增加产品的保水性和形体稳定性)等。
3、茁霉多糖
茁霉多糖是由出芽短梗霉(Aureobasidium puUulans)菌体分泌的一种粘性多糖。出芽短梗霉为半知菌类短梗霉属，是一种具有酵母型和菌丝型形状的两类真菌，是酒厂附近植物和家庭房间涂饰物上繁殖的菌类。Bauer早在1936年就发现了这种多糖，1959年Bender等对出芽短梗霉产生茁霉多糖的条件进行了研究。茁霉多糖是以麦芽三糖为单元，以α-l,6键重复连接而成的线状多糖类，是一种由多个麦芽三糖通过α-l,6糖苷键连接而成的多聚物，分子式为(C5H10O5) n·H2O(n为100～5000)。
中国科学院微生物研究所和南开大学等科研院所先后开展有关研究，并筛选到有特色的菌株，于80年代中、后期通过中试鉴定，原料的转化率可达到50％～60％。茁霉多糖是一种可塑性能良好的多糖，已制成薄膜作为包装材料广泛应用于食品、医药工业。
目前生产茁霉多糖的微生物有出芽短梗孢霉菌属，如出芽茁霉(pullularia pulluans)、发酵茁霉(P.fermentans)、发酵茁霉暗色变种(P．fermenttans Var．fusca)、出芽暗色孢霉(Dematiumpullulans)、产气杆菌(Aerobacter aerogenes)、黄金银耳(Tremellameseterica)等。主要生产过程为：接种发酵、加热灭菌、絮凝除菌、过滤精制、超滤浓缩和fggh燥粉碎等。茁霉多糖是一种无色、无臭、无味、无毒的无定形白色粉末。
茁霉多糖的主要功能有：
(1)水溶液稳定 由于它是一种由α-葡萄糖苷构成的多聚葡萄糖，因而在水中易溶解，呈中性、不离子化、不凝胶化的水溶液，不易老化，极为稳定。可溶于极性较强的有机溶剂如二甲基甲酰胺，与纤维素衍生物、丙烯系聚合物等有着良好的互溶性。
(2)黏结性强 茁霉多糖虽然水溶液黏度低，但具有很强的黏结力，对木材、纸张、纤维、玻璃、金属等材料都有较强的黏结性。其相对分子质量为15万u的茁霉多糖对木材的黏结强度为70kg／cm2，为氧化淀粉的1．8倍，酚醛树脂的2．5倍、玉米淀粉的3．5倍。而且对无机物的固结性有特强的增效作用。
(3)浓度、温度、pH影响 茁霉多糖的水溶液黏度受其相对分子质量的大小、浓度、温度和pH值等因素的影响。其相对分子质量越大，黏度也越大。浓度和温度对其黏性影响较大，pH的影响较小，pH在4～6之间影响很小。
(4)可塑性强 茁霉多糖具有优良的可塑性，可以制膜、纺丝、任意造型。作为新型材料已引起有关科技工作者极大的兴趣。
发酵法生产食用色素和有机酸
这里介绍发酵法生产的红曲色素、β-胡萝卜素和r-亚麻酸等。
1、红曲色素
1932年，NiShiKawa首次从紫色红曲霉(M．Purpureus)培养发酵物中分离结品出黄色和红色色素品体。学者认可红曲色素是由化学结构不同、性质相近的紫、红、黄三类不同色谱组成的混杂色素物质。目前已测出的结构式有6种。1993年郭东川等用红色红曲霉通过有机溶剂萃取和两次胶柱层析，分离得到两种不同于前6种的新的红曲色素，确定它们的分子式为C25H31O5N和C23H27O5N。相对分子质量分别为125和397。20世纪60年代中科院微生物所分离出了150余种红曲霉菌种，优选出11株良种，为我国红曲生产创造了条件。70年代上海工业微生物研究所，采用**深层发酵生产红曲霉素取得了可喜成绩。
红曲霉色素是由红曲霉菌经固体发酵或**发酵两种方法培养产生的色素。
固体发酵生产过程为：大米浸洗沥干、蒸料冷却、接种堆积升温、上花培养、浸水、透心培养、出曲、晒干。
**发酵生产过程为：斜面菌种、种子罐培养(29～30h，33℃)、发酵罐培养(70～80h,33℃)、板框过滤、浸泡滤饼、离心去渣、浓缩色素、成品。
（1）曲色素的结构
红曲霉是一类腐生真菌，属于真菌门(Eumy-Cophyta)子囊菌亚门(Ascomycotina)，不整子囊菌纲(Plectomycetes)，红曲科(Monascaceae)，红曲霉属(Monascus)。红曲色素是红曲霉在生长代谢过程中产生的天然色素。是一类多种色素成分的混合物，目前已测出结构式有6种，其中呈红色的2种、紫色的2种、黄色的2种，包括红曲玉红素(Monascrub rinC23。H26O5·382)、红斑红曲素(Rubropunctatin·C21H22O5·354)、红曲玉红胺(Monascorubramine．C23H27NO5·381)、红斑红曲胺(Rubropanctamine.C21H23NO4.353)、安卡红曲黄素(Ankaflavin.C23H30O5．386)、红曲素(Monascin-C21H26O5．358)。
（2）红曲色素的功能
红曲色素是一类醇溶性色素，易溶于水，当其与水溶性蛋白、多肽或氨基酸作用时，形成水溶性复合物，其耐光性一般在中性条件下比较稳定。在100℃条件下也比较稳定，其色调不随pH变化而变化。当温度超过120℃，酸性条件下色调略有变化。红曲色素不受Ca、Mg、Fe、Cu等金属离子的影响。红曲霉在生长过程中，能产生淀粉酶、糖化酶、麦芽糖酶、蛋白酶、果胶酶等多种酶类。具有高活性糖化酶的红曲酶可用于酿酒，具有高活性蛋白酶的红曲酶可用于腌制鱼肉等高蛋白食品。红曲霉在生长过程中可产生麦角固醇，它是维生素D2的前体，对促进人体Ca与P的吸收有明显的作用。
红曲色素应用于食品加工作为防腐发色剂，如应用于火腿、香肠等禽肉加工品、肉糜制品、酱类、米糕等糕点的着色。
2、β-胡萝卜素
β-胡萝卜素是维生素A原或维生素A的前体物质，是一种具有营养强化作用的重要着色剂。β-胡萝卜素在动物、人体中不能合成，只能靠高等植物或微生物提供。它广泛存在于植物、藻类和真菌中。
1990年，巴西Nattell等人用甘蔗汁发酵培养红酵母(Rhoobtorula glutins)。1989年，我国张素琴等研究人员采用分枝杆菌菌种Cr-1(Mycobacterium．SP)在最适条件下发酵6d，生成β-胡萝卜素280mg/L。真菌发酵生产β-胡萝卜素主要有两种菌株，一是布拉克须霉菌(phycomyoces blakeskeamis)，生成β-胡萝卜素2．6mg／L：二是三泡布拉霉菌(Blakeslea trispora)，产β-胡萝卜素0．8g／L。第二种菌种是实现工业化生产的菌种。国际上实验室水平生产β-胡萝卜素已达到3～3．5g／L。
β-胡萝卜素作为食品添加剂主要用于着色，在食品中添加β-胡萝卜素能使食品色泽金灿诱人。β-胡萝卜素具有刺激免疫、降血脂、预防心血管疾病等功能，在医疗保健方面有广阔的应用前景。
3、γ-亚麻酸
γ-亚麻酸(γ-Linolenic acid简称GLA)即18碳三烯酸，是人体必需脂肪酸之—，是合成人体一系列前列腺索的前体物质，可应用于医药、食品、化妆品以及饲料等领域。γ-亚麻酸广泛存在于自然界，在孢子植物和种子植物中含量颇丰富。
早在1919年，Heidushka等人从月见草籽的油中发现α-亚麻酸的同分异构体，并把它命名为γ-亚麻酸。它除存在于月见草籽中外，还存在于紫草科和黑醋栗等植物中，此外还存在于某些纤毛纲原生动物、螺旋藻及小球藻中及缘状真菌中的被孢霉(Mortiella)与毛霉(Mucor)等许多微生物中。
20世纪80年代末至90年代初，微生物发酵生产γ-亚麻酸进入工业化生产及降低成本的开发研究阶段。1988年，日本出光石油化学株式会社和英国John & Sturge有限公司已实现了微生物发酵生产r-亚麻酸的：工业化生产。我国在这一领域研究开发的较晚。1988年上海工业微生物研究所利用一种毛霉发酵生产γ-亚麻酸，其生物量为3％～5％，总脂肪率为40％～50％，γ-亚麻酸含量为7％～9％。1991年肖振英等人利用一种毛霉以葡萄糖为原料生产γ-亚麻酸，得率为12％～14％。
γ-亚麻酸除在医药上治疗人体心血管系统疾病外，还具有一定的减肥疗效，可为保健食品的有效成分和做添加剂，可添加到饮料、饼干、果汁、巧克力等食品中，可作为婴幼儿食品的强化剂，制造含γ-亚麻酸的婴儿奶粉，还可用于饲料和化妆品等。