發酵工業原料煉製原理與應用（簡體書）

要建立節糧、節水、節能和環保的發酵工業，首先面臨的是發酵原料的煉製問題。《發酵工業原料煉製原理與應用》通過深入分析發酵工業原料煉製的共性問題，結合多年生物質原料高值化煉製研究基礎，提出“發酵工業原料煉製”的理念，從“過程集成”和“結構與功能”角度，梳理了發酵工業原料煉製的科學原理，根據發酵原料的結構特點和目標產物的要求，將發酵原料預處理組分分離提升到依據產品功能要求的選擇性結構拆分過程，並系統闡述了澱粉類、糖類、木質纖維素類、有機廢水以及城市生活垃圾等典型發酵原料的多組分分層多級煉製思路與發酵工業煉製模式，為實現資源節約、環境友好的發酵工業提供理論基礎與技術支撐。《發酵工業原料煉製原理與應用》可供發酵工程、生物工程、生物技術等領域的研究生和其他研究人員閱讀，也可供發酵相關企業的技術和管理人員參考。·

《發酵工業原料煉制原理與應用》編著者陳洪章、付小果。
本書可供發酵工程、生物工程、生物技術等領域的研究生和其他研究人員閱讀，也可供發酵相關企業的技術和管理人員參考。

前言第1章 緒論1.1 發酵工業在國民經濟發展中的作用1.1.1 發酵工業產品類型1.1_2 發酵工業發展歷程1.1.3 發酵工業發展現狀1.1.4 發酵工業發展趨勢1.2 發酵工業運行框架中的問題1.2.1 發酵工業原料中糧食原料替代的問題1.2.2 污染問題1.2.3 原料的綜合利用問題1.3 發酵工業原料煉製思路的提出1.4 發酵工業原料煉製原理1.4.1 發酵工業原料組分分離1.4.2 發酵工業原料的選擇性結構拆分1.5 發酵工業原料煉製發展現狀1.6 發酵工業原料煉製方向——生物過程工程挑戰性課題參考文獻第2章 發酵工業原料學2.1 微生物代謝原料學概述2.2 微生物代謝和發酵2.2.1 微生物發酵2.2.2 微生物代謝2.3 微生物代謝原料2.3.1 碳源2.3.2 氮源2.3.3 生長因子、前體物質、產物促進劑和抑制劑2.3.4 水2.3.5 微生物代謝原料的拓展2.4 發酵工業原料特性2.5 發酵工業原料的轉變與替代參考文獻第3章 發酵工業原料煉製原理3.1 發酵工業原料煉製的提出3.2 發酵工業原料預處理3.2.1 發酵工業澱粉資源的提胚預處理3.2.2 發酵工業糖類資源的提汁預處理3.2.3 發酵工業木質纖維素資源的降解預處理3.2.4 發酵工業固體垃圾資源的汽爆分選預處理3.3 發酵工業原料組分分離3.3.1 組分分離概念的提出3.3.2 組分分離作用原理解析3.3.3 澱粉類原料的組分分離3.3.4 糖類原料的組分分離3.3.5 木質纖維素類原料組分分離3.3.6 廢水、污泥、城市垃圾等廢棄物的組分分離3.4 發酵工業原料的選擇性結構拆分3.4.1 澱粉質原料的選擇性結構拆分3.4.2 糖類原料的選擇性結構拆分3.4.3 木質纖維素類原料的選擇性結構拆分3.4.4 廢水、污泥、城市垃圾等廢棄物的選擇性結構拆分參考文獻第4章 糖類原料煉製與發酵工業模式4.1 糖類原料資源及分佈4.1.1 甘蔗資源4.1.2 甜菜資源4.1.3 糖蜜資源4.1.4 甜高粱資源4.2 發酵工業糖類資源糖的製備4.2.1 糖製備工業發展歷程4.2.2 發酵工業糖類原料煉製關鍵技術4.3 甜高粱原料的發酵工業煉製模式4.3.1 發酵工業甜高粱資源煉製現狀4.3.2 甜高粱的儲藏4.3.3 發酵工業原料甜高粱生態產業煉製模式參考文獻第5章 澱粉類原料煉製與發酵工業模式5.1 發酵工業澱粉質原料資源及成分5.1.1 糧穀類澱粉5.1.2 薯類澱粉5.1.3 非糧澱粉類資源5.2 澱粉類原料的煉製5.2.1 穀物澱粉的製備 5.2.2 薯類澱粉的製備 5.2.3 澱粉轉化為可發酵糖5.3 澱粉原料的高效分離5.3.1 新的玉米組分分離方式的意義5.3.2 汽爆技術對玉米組分分離的可行性5.4 澱粉類原料的發酵工業煉製模式5.4.1 玉米澱粉類原料的發酵工業煉製模式5.4.2 葛根澱粉類原料的發酵工業煉製模式參考文獻第6章 木質纖維素原料煉製與發酵工業模式6.1 木質纖維素資源與分佈6.1.1 農作物秸稈資源6.1.2 林業、薪柴資源 6.2 天然木質纖維素原料的主要成分6.3 纖維素碳源6.3.1 纖維素的化學結構6.3.2 纖維素的物理結構6.3.3 纖維素的理化性質6.3.4 葡萄糖的全能性 6.3.5 纖維素葡萄糖的製備及其突破點 6.4 半纖維素碳源6.4.1 半纖維素的化學結構6.4.2 半纖維素的化學性質6.4.3 木糖的全能性6.4.4 半纖維木糖的製備及其突破點6.5 木質纖維素糖平臺6.5.1 木質纖維素糖平臺的構建6.5.2以木質纖維素糖為平臺轉化的產物6.6 木質纖維素生物轉化發酵抑制物產生及去除方法——抑制物作用機制及其破解途徑6.6.1 木質纖維素生物轉化抑制物的產生6.6.2 木質纖維素生物轉化抑制物的去除6.7 木質纖維素生化轉化發酵平臺6.7.1 發酵類型6.7.2 發酵方式6.8 木質纖維素生物轉化後處理平臺6.8.1 發酵產物的預處理6.8.2 發酵產物的純化與精製6.9 秸稈半纖維素發酵丁醇及其產業化煉製示範6.9.1 木質纖維素發酵丁醇國外現狀與發展趨勢6.9.2 生物丁醇工業發展的意義6.9.3 木質纖維素原料轉化丁醇的困境 6.9.4 秸稈發酵生物丁醇新技術及其產業化示範工程的提出與研發過程 6.9.5 秸稈半纖維素水解液發酵丁醇及木質素纖維素產業化煉製取得的主要創新性成果參考文獻第7章 廢水與有機廢棄物原料的發酵工業煉製模式7.1 廢水、污泥與垃圾資源的分佈與成分7.1.1 廢水資源7.1.2 污泥資源7.1.3 城市有機垃圾資源7.2 廢水與有機廢棄物的厭氧消化煉製技術7.2.1 厭氧消化的基本原理7.2.2 厭氧消化發展歷程7.2.3 厭氧消化的微生物7.2.4 厭氧消化影響因素7.2.5 厭氧消化工藝及其研究現狀7.3 國內外廢水、污泥與垃圾資源的煉製現狀7.4 廢水、污泥與垃圾資源的發酵工業煉製7.4.1 廢水、污泥與垃圾資源的發酵工業碳源煉製7.4.2 廢水、污泥與垃圾資源厭氧消化產沼氣7.4.3 發酵工業廢水資源回用煉製7.4.4 污泥、固體垃圾資源堆肥化發酵工業煉製參考文獻·

第1章 緒論
發酵工業是利用微生物的代謝活動經生物轉化實現大宗產品的工業。現代化發酵工業的建立是近10年的事情，但古代勞動人民已經在自覺和不自覺地進行著發酵的生產和探討。
我國是發酵工業的文明古國［1］，甲骨文及鐘鼎文字都有“酒”字，這說明3000多年前釀酒技術在我國就已經很發達。《戰國策?魏策》上記載：“昔者，帝女令儀狄作酒而美，進之禹，禹飲而甘之..”，這講述的是夏禹和酒的故事，即夏禹飲過儀狄釀的酒后，并沒有從此陶醉于酒，而是清醒地預言“后世必有以酒亡其國者”，“遂疏儀狄而絕旨酒”。旨酒是一種較好的甜酒，這說明當時不僅能釀酒而且能釀較好的酒。此外，如醬油、食醋、醬菜等發酵食品都具有悠久的歷史。20世紀60年代后，新型發酵工業興起，以谷氨酸為代表的氨基酸工業、以檸檬酸為代表的有機酸工業、以淀粉酶為代表的酶制劑工業等，加上釀酒工業和酵母制造工業，形成了我國相當規模的發酵工業體系，在國民經濟生活中起到了至關重要的作用。
隨著發酵工業產品品種的增加和生產規模的迅速擴張，發酵工業中廢水、廢渣污染的問題越來越突出，存在組分利用單一、提煉技術單一、耗水、耗能等問題，從而導致原料利用率低、環境污染，嚴重制約發酵工業自身的生存與發展。
本書通過深入分析發酵工業原料煉制的共性問題，結合多年生物質原料高值化煉制研究基礎，提出了“發酵工業原料煉制”的理念，梳理了發酵工業原料煉制的科學原理，并系統闡述了淀粉類、糖類、木質纖維素類、有機廢水以及城市生活垃圾等典型發酵原料的多組分分層多級煉制思路與發酵工業煉制模式，以期能對發酵工業原料煉制模式的改變與發展起到一定的推動作用。
1.1 發酵工業在國民經濟發展中的作用
發酵工業主要可以劃分為固態發酵和液態發酵。其中，固態發酵起源于我國［1］，具有幾千年的歷史；而液態發酵雖然僅有近百年的歷史，但是發展迅速，已經成為現代發酵工業的主體［2］。
發酵工業是主要的生物技術產業化部門。隨著生物技術向縱深發展，發酵工業將會演變成一個產品眾多、門類齊全、技術先進的生物工業。20世紀60年代以前，我國輕工、食品領域的發酵工業主要由釀酒和釀造產品組成，幾十年來我國的發酵工業取得了長足進步，隨著現代生物技術的崛起，不僅對原有的釀酒和釀造工藝進行了技術改造，還不斷開發出以現代生物技術為特征的新型發酵工業［3～5］，已突破傳統的釀造和乙醇工業，其產品應用覆蓋醫藥、衛生、輕工、化工、農業、能源、環保等諸多行業，發展出氨基酸、有機酸、酶制劑、抗生素、多元醇、酵母、維生素、功能性活性因子等一大批新興產業。特別是基因工程和細胞工程等現代生物技術的發展與結合，人們通過細胞水平和分子水平改良或創建微生物新的菌種，使發酵工業的發酵水平大幅度地提高，發酵產品的種類和范圍不斷增加。至今，發酵工業已形成一個品種繁多、門類齊全、具有相當規模的獨立工業體系，在國民經濟中占有重要地位，某些產品如味精、檸檬酸年總產量已躍居世界首位［6］。
1.1.1 發酵工業產品類型
發酵工業已經深入到國民經濟的各個部門，我國的發酵工業已經為國內和國際市場提供了多種大宗產品，如調味品、高活性干酵母、淀粉和淀粉糖、有機酸、飼料添加劑等［2，7］。此外，近10多年來發展成產業化生產的具有特種功能的發酵制品，如低聚糖類、真菌多糖類、糖醇類、活性肽類、微生物制劑以及生物防腐劑等，滿足了不同人群的保健需求。其產品類型常見的有以下15種［8］。
1）釀酒
釀酒是人類利用微生物發酵最早的領域，是微生物工業的母體工業。目前，全世界飲料酒產量約2億t，其商品產量和產值在微生物工業中均占首位。飲料酒以含糖原料（果汁、甘蔗汁、蜂蜜等）和淀粉質原料（米、麥、高粱、玉米、紅薯、土豆等）經釀造加工而成，其中起重要作用的是霉菌和酵母，前者將淀粉轉化成糖，后者將糖轉化為乙醇。飲料酒分發酵酒和蒸餾酒兩大類，發酵酒有啤酒、白酒、葡萄酒、黃酒等，蒸餾酒有白酒、白蘭地、金酒等。
2）發酵食品
發酵食品是人類很早以前利用微生物發酵的又一領域。天然食品經微生物（包括細菌、霉菌和酵母）適度發酵后，產生各種風味物質，使之味道更好，并有利于儲存。根據功能的不同，發酵食品分為發酵主食品、發酵副食品、發酵調味品和發酵乳制品等。發酵主食品有面包、饅頭、包子、發面餅等；發酵副食品有火腿、發酵香腸、豆腐乳、泡菜、咸菜等；發酵調味品有醬、醬油、食醋等；發酵乳制品有奶酒、干酪、酸奶等。
3）有機酸
乙酸和乳酸的生產和利用，在人們認識微生物之前就開始了。飲料酒在有氧條件下自然放置可制成醋，牛奶酸敗可制成酸奶。而有機酸工業，則是隨著現代發酵技術的建立而逐漸形成的。
霉菌和細菌都具有生產有機酸的能力，其生產方法可分為兩類：一類是以碳水化合物和碳氫化合物為原料的中間代謝產物發酵；另一類是以糖、糖醇、醇、有機酸等為原料的生物轉化發酵。采用發酵法生產的有機酸主要有乙酸、丙酸、丙酮酸、乳酸、丁酸、延胡索酸、蘋果酸、酒石酸、衣康酸、檸檬酸、異檸檬酸、葡萄糖酸、抗壞血酸、水楊酸、乙酰丙酸等。
4）醇及有機溶劑
可用微生物發酵法生產的醇類和溶劑有乙醇、丙酮丁醇、異丙醇、甘油、丁二醇、二羥丙酮、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇等。
5）酶制劑
酶是一種生物催化劑，它具有專一性強、催化效率高等特點，能在常溫和低濃度下催化復雜的生化反應。沒有酶，就沒有生物體的一切生命活動。動物、植物、微生物都具有細胞原生質分泌的各種特異的酶，借以催化各種生化反應，并呈現各種生命現象。微生物發酵的過程都是在各種酶的催化作用下完成的。
中國酒曲是世界上最早的微生物粗酶制劑，其中含淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和酒化酶等。19世紀末，日本人高峰讓吉從米曲霉中提取到高峰淀粉酶，這是利用微生物生產酶制劑的開端。
生物界已發現的酶有數千種，用微生物發酵法生產的酶有上百種，主要有糖化酶、淀粉酶、異淀粉酶、轉化酶、異構酶、纖維素酶［9］、蛋白酶、脂肪酶等。
6）氨基酸
氨基酸是構成蛋白質的基本化合物，也是營養學中極為重要的物質。自從20世紀50年代日本人木下祝郎成功地用發酵法獲得谷氨酸以來，幾乎所有的氨基酸均可用發酵法生產。目前，氨基酸中產量最大的為谷氨酸，其余產量較少，主要有賴氨酸、精氨酸、蛋氨酸、亮氨酸等［10］。
7）核酸類物質
核酸的單體是核苷酸，由含氮堿基、戊糖與磷酸三部分組成，若僅由前兩部分組成則稱為核苷。核苷的生產始于20世紀60年代，最早的產品是鮮味劑肌苷酸和鳥苷酸。此后，發現很多核酸類物質如肌苷、腺苷、三磷酸腺苷等具有特殊的療效且用途在不斷擴大，促進了核苷酸類物質的生產。
8）抗生素
抗生素是由微生物產生的具有生理活性的物質，它不但可以抑制其他微生物的生長與代謝，有的還可以抑制癌細胞的生長，抑制抗血纖維蛋白溶酶作用。自1928年弗萊明發現青霉素以來，至今已發現的抗生素有6000余種，其中絕大多數來源于微生物，由微生物生產的醫用抗生素已達上千種，如青霉素、鏈霉素、紅霉素、土霉素等。
9）生理活性物質生理活性物質是指促進或抑制某些生化反應，使生物維持正常的生命活動的
一類物質，如激素、赤霉素等。10）微生物菌體產品微生物菌體產品是指發酵的目標產物是微生物本身。按用途不同，微生物菌
體產品可分為以下5類：
（1）活性干酵母，包括面包活性干酵母和釀酒活性干酵母。
（2）活性乳酸菌制劑，它是直接食用的可用于改善人體腸道的微生物生態菌系。
（3）食用和藥用酵母，包括作為營養強化劑或添加劑的普通食用酵母、用于普通協助消化的藥用酵母，以及具有特殊功效或治療作用的富集酵母。
（4）飼用單細胞蛋白，作為飼用蛋白質，其粗蛋白含量高達80%。生產單細胞蛋白的原料非常廣泛，包括糖質、淀粉質、纖維質以及工農業生產廢棄物等可再生的資源，也可利用甲烷、甲醇、乙醇、乙酸和正烷烴等石油化工產品。
（5）其他菌體產品，如食用菌、藥用真菌、某些工業用粗酶制劑等。11）生物農藥和生產增產劑
（1）微生物殺蟲劑，如病毒殺蟲劑、細菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑、動物殺蟲劑等。
（2）防治植物病害微生物，如細菌、放線菌、真菌等。
（3）生物除草劑，如環己酰胺、雙丙磷A、谷氨酰胺合成酶等。
（4）生物增產劑，如固氮菌、鉀細菌、磷細菌、抗生素制劑等，作為農業生產的輔助肥料和抗菌增產劑等。12）生物能乙醇是替代石油的可再生能源。甲烷是微生物利用有機廢棄物厭氧發酵的產物。其他生物能有微生物產氫、微生物燃料電池以及藻類產油等。13）環境凈化自然界本身就存在碳和氮的循環，而微生物對生物物質的排泄及尸體的分解起重要的作用。利用生物技術處理生產和生活中的有機廢棄物，加速分解過程的進行，對環境衛生做出很大的貢獻。
（1）厭氧處理。在厭氧條件下，微生物利用分解廢棄物中的碳水化合物、蛋白質和脂肪等有機物質產生沼氣，在治理環境的同時，獲得一定的能量，另外發酵后的殘渣還可作為肥料。
（2）好氧處理。利用好氧性的微生物使有機物氧化，最終將有機物分解成二氧化碳和水。
（3）特殊處理。利用微生物對某些有害物質，如酚、有機氮、有機磷等進行生物降解處理，消除或降低有害物質對人類環境的影響。
14）微生物冶金工業
微生物冶金工業包括利用微生物探礦、冶金、石油脫硫等。
15）醫藥產品發酵工業
醫藥產品發酵工業指利用微生物生產干擾素、白介素等。
1.1.2 發酵工業發展歷程
幾千年前，人們就利用發酵技術來生產產品，如白酒、黃酒等，當時人們并不知道微生物與發酵的關系，對發酵的原因根本不清楚，只是依靠口傳心授，一代代地傳授著這種發酵的工藝，這個時期可以被稱為自然發酵時期。雖然這一時期沒有形成大規模的發酵工業，但這些經驗對后來微生物學的發展以及發酵工業的建立發揮了重要的作用。
隨著顯微鏡的發明，人們認識到微生物的存在。到了19世紀中葉，巴斯德通過實驗發現，原來乙醇發酵是由活的酵母引起的，其他的發酵也是各種微生物作用的結果，從而解開了微生物與發酵之間的關系，使人們對發酵的認識有了質的飛躍。
微生物純種培養技術的發展開創了人為控制微生物的時代，促進了近代發酵工業的建立。人們通過應用人為控制技術改進發酵工程技術，發明了簡便的密閉式發酵罐，初步建立了人工控制環境的發酵系統，使啤酒等生產的腐敗現象大大減少，生產規模和發酵效率不斷提高，逐漸由手工作坊向大型工業化生產轉變。在此基礎上，逐漸建立丙酮、丁醇、有機酸、酶制劑等工業，由此，20世紀初，近代發酵工業初步形成。
20世紀40～70年代是近代發酵工業全面發展時期。這一個時期的起始標志是青霉素工業的迅速發展，由此帶動了一批微生物次級代謝產品和新的初級代謝產品的開發，開創了好氧發酵工業。
而對現代分子生物技術所獲得的基因工程菌、細胞融合所得的“雜交”細胞以及動植物細胞或固定化細胞等的利用標志著發酵工業進入了現代發酵工業時代。
現代發酵工業迅猛發展，所涵蓋的產品也從原來的抗生素、食品等幾個方面滲透到人民生活的各方面，如醫藥、保健、農業、環境、能源、材料等。發酵工業是一種以高科技含量為特征的新型工業，近年來，特別是20世紀90年代以來，行業的迅速發展已經使其在食品工業中占有重要地位。發酵工業的迅速發展不僅帶動了相關行業的發展，而且對節約糧食、增加食品花色品種、提高產品質量及改善環境等發揮了重要作用。
我國傳統發酵歷史悠久，在《黃帝內經?素問》、《湯液醪醴論篇》里，已有釀酒的記載。白酒的起源當在元朝以前，尚待考證。醬油的釀造當始自周朝。在漢武帝時代開始有了關于葡萄酒的記載，距今已有2000多年的歷史。現以常見
的發酵產品為例簡要介紹我國發酵工業的歷史。
1）白酒
中國的釀酒業，距今已有數千年的歷史。白酒是我國特有的、具有悠久歷史的傳統酒種。1949年，我國白酒的產量只有10.8萬t。1996年，我國白酒產量達到歷史高峰，總量達到801.30萬t。2011年，我國白酒的產量為102.42億L，其中規模較大的有五糧液、茅臺、瀘州老窖、劍南春、汾酒、古井6家公司。
2）黃酒
黃酒是我國最古老的酒種，早在夏、商、周三代就已經大量生產了，并流傳至今，據史料記載已有6000年歷史，目前年產量為130萬t左右。
3）啤酒
我國最早的啤酒廠于1900年在哈爾濱建成，1949年全國啤酒產量僅7000余噸，1981年增至91萬t，工廠200余家。經過近20年的競爭，中國啤酒業逐漸實現了行業內的系統整合。2011年，山東啤酒產量64.8億L，同比增長19.40%，占全國總產量的13.22%。現在已形成青啤、燕京、華潤“三強”鼎立的態勢。
1903年由英德商人合辦的“青島啤酒”，具有100多年的啤酒釀造歷史，主要致力于高檔啤酒的開發。青島啤酒不僅在國內擁有眾多的消費者，而且還銷往國際市場，啤酒出口量超過全國出口的50%，曾連續多次獲得國內國際大獎。
地處北京的“燕京啤酒”，是中國啤酒行業的一匹黑馬，1981年在順義縣以1萬t的年產量起步，到2000年增至141萬t，躍居全國第二，在北京市場的占有率為85%，天津市場的占有率為25%。2010年，“燕京”商標商譽價值總計245.23億元。
4）葡萄酒
1892年，華僑張弼士在煙臺建立釀酒公司，這是我國第一個新型的葡萄酒釀造廠。目前，我國較大規模的葡萄酒工廠已有近80家。2010年葡萄酒年產量約69.83萬t。年產萬噸以上的有張裕、王朝、華夏、長城、新天酒業、柳河綠源、煙臺威龍、煙臺中糧等。上述8家公司占據約60%的市場份額，銷售收入占整個行業的70%～80%。
5）醬油和醋
早在3000年前我國就已經掌握了醬油和醋的發酵工藝，但數千年來一直沿用傳統固態發酵法，直到20世紀后才開始采用純種培養技術生產，設備及釀造方法逐步實現了現代化。目前我國醬油和醋的年產量均居世界前列。
6）酶制劑
我國的酶制劑始于20世紀60年代，1965年第一個酶制劑工廠在無錫建立。