精通发酵质量控制：全球指南

发酵是利用细菌、酵母和霉菌等微生物将有机化合物转化的生化过程。它是从食品饮料到制药和生物技术等行业的基础。最终产品的质量在很大程度上取决于对发酵过程的精细控制。糟糕的质量控制可能导致腐败、不良风味、产量下降，甚至安全风险。本综合指南探讨了发酵质量控制的关键方面，为全球不同行业提供了必要知识和最佳实践。

为什么发酵质量控制至关重要？

在发酵中，有效的质量控制（QC）至关重要，原因如下：

• 产品安全： 有害微生物的污染或有害代谢物的产生可能对消费者构成重大的健康风险。质量控制措施确保最终产品可供安全消费或使用。
• 产品一致性： 发酵过程复杂且对原材料、环境条件和微生物活性的变化非常敏感。质量控制有助于保持产品质量、风味、香气、质地和功能的一致性。
• 优化产量： 仔细监控和控制关键工艺参数可以最大化所需产品的产量，从而提高效率和盈利能力。
• 防止腐败： 质量控制措施可以识别并防止腐败微生物破坏发酵过程，使产品无法使用。
• 法规合规： 许多国家对发酵产品的安全和质量有严格的规定。有效的质量控制对于满足这些法规要求和确保市场准入至关重要。
• 消费者满意度： 始终如一的高品质产品会带来更高的消费者满意度和品牌忠诚度。

发酵质量控制中需要监控的关键参数

在整个发酵过程中，必须密切监控和控制几个关键参数。这些参数可以大致分为物理、化学和生物因素。

物理参数

• 温度： 温度是影响微生物生长和代谢活动的关键因素。不同的微生物有其最佳的生长和产物形成的温度范围。精确的温度控制对于保持稳定的发酵性能至关重要。例如，酿造拉格啤酒需要较低的发酵温度（通常为8-13°C），而艾尔啤酒则需要较高的温度（通常为18-25°C）。温度波动可能导致异味或发酵不完全。
• pH值： pH值影响酶的活性、微生物的生长以及发酵液的化学稳定性。维持最佳的pH范围对于最大化产品产量和防止不良微生物的生长至关重要。例如，乳酸菌在酸性环境中生长旺盛。在酸奶生产中，监控pH值可确保牛奶蛋白的适当酸化和凝固。
• 溶解氧（DO）： 溶解氧水平影响微生物的代谢途径。一些微生物需要好氧条件（有氧），而另一些则需要厌氧条件（无氧）。在好氧发酵中，如黑曲霉生产柠檬酸，充足的氧气供应对于最大化产量至关重要。在厌氧发酵中，如酵母生产乙醇，必须排除氧气以防止产生不良副产品。
• 搅拌/混合： 搅拌确保发酵液的适当混合，使营养物质、氧气（在好氧发酵中）和热量在反应器中均匀分布。混合不充分可能导致局部营养耗尽或温度梯度，从而对发酵性能产生负面影响。适当的混合在大型工业发酵中尤其重要。
• 压力： 虽然不总是关键因素，但压力可以影响发酵，特别是在大型生物反应器中。控制压力有助于防止起泡并保持稳定的气体溶解度。

化学参数

• 营养物浓度： 微生物需要特定的营养物质，如糖、氮源、维生素和矿物质，用于生长和产物形成。监控营养物浓度可确保微生物有足够的资源进行所需的的发酵。例如，在葡萄酒发酵中，监控糖含量对于预测最终酒精含量至关重要。营养物缺乏可能导致发酵停滞，而过量则可能导致不希望的残余甜度。
• 产物浓度： 监控所需产品的浓度可以提供关于发酵进展的宝贵信息，并有助于确定最佳的收获时间。可以使用不同的分析技术，如色谱法、光谱法和酶分析法，来测量产品浓度。
• 代谢物浓度： 监控关键代谢物（如有机酸、醇和挥发性化合物）的浓度，可以深入了解微生物的代谢途径，并有助于识别潜在问题。例如，在酸奶发酵中监控乳酸浓度可以帮助确定发酵过程的终点。
• 抑制性化合物： 发酵过程中产生的某些化合物可能会抑制微生物的生长或产物的形成。监控这些抑制性化合物的浓度有助于识别和解决潜在问题。例如，酒精发酵的主要产物乙醇在高浓度下会对酵母产生抑制作用。
• 水分活度（Aw）： 水分活度是微生物可利用的自由水量。控制水分活度可以防止不良微生物的生长。像泡菜这样的发酵食品通常依靠盐含量来降低水分活度并抑制腐败细菌。

生物参数

• 微生物种群： 监控参与发酵的微生物数量和活性对于确保发酵成功至关重要。可以使用平板计数、显微镜检查和流式细胞术来评估微生物种群。维持所需的接种量并防止不良微生物的污染至关重要。
• 微生物活性： 评估微生物的代谢活性可以深入了解其生理状态及其产生所需产品的能力。可以通过测量呼吸速率、酶活性和产物形成速率来评估微生物活性。
• 遗传稳定性： 在某些情况下，监控微生物的遗传稳定性很重要，以确保它们保持产生所需产品的能力。可以使用PCR和DNA测序等遗传技术来评估遗传稳定性。这在菌株需要经过多代繁殖的工业发酵中尤其重要。
• 污染监测： 定期检测有害微生物对于防止腐败和确保产品安全至关重要。技术包括在选择性培养基上进行平板培养、显微镜检查和基于PCR的检测方法。

发酵质量控制技术

有多种技术用于监控和控制发酵中的关键参数。这些技术可大致分为：

传统方法

• 目视检查： 观察发酵液的外观，如颜色、浊度和产气情况，可以提供关于发酵进展的宝贵信息。例如，颜色变化或沉淀物的形成可能表明存在污染。
• 显微镜检查： 显微镜检查可用于识别和计数发酵液中的微生物。例如，革兰氏染色可以区分不同类型的细菌。
• 平板计数： 平板计数用于确定发酵液中活微生物的数量。将发酵液进行系列稀释后接种到琼脂培养基上，然后计算生长的菌落数量。
• 滴定： 滴定用于确定发酵液中酸或碱的浓度。例如，滴定可用于测量酸奶中的乳酸浓度或醋中的醋酸浓度。
• 比重： 比重计用于测量比重，这在啤酒和葡萄酒酿造中用于估算糖含量。
• 感官分析： 训练有素的专家组评估口感、香气和质地，以检测异味或质量缺陷。感官分析在啤酒、葡萄酒和奶酪制作等行业中至关重要。

先进分析技术

• 分光光度法： 分光光度法用于测量光通过样品的吸光度或透射率。该技术可用于确定发酵液中各种化合物的浓度，如糖、蛋白质和色素。分光光度法也可用于测量细胞密度。
• 色谱法： 色谱法用于分离和鉴定发酵液中的不同化合物。气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）常用于分析挥发性化合物、有机酸和糖类。
• 质谱法： 质谱法根据化合物的质荷比来识别和量化它们。质谱法通常与色谱法（GC-MS和LC-MS）联用，以对发酵液进行全面分析。
• 流式细胞术： 流式细胞术用于分析细胞的物理和化学特性。该技术可用于测量细胞大小、细胞活力和特定蛋白质的表达。
• PCR（聚合酶链式反应）： PCR是一种分子技术，用于检测和量化特定的DNA序列。PCR可用于识别和计数发酵液中的特定微生物，包括腐败微生物和病原体。
• 近红外（NIR）光谱法： NIR光谱法是一种非破坏性技术，可用于实时测量发酵液的化学成分。NIR光谱法可用于监控糖、蛋白质和其他关键组分的浓度。
• 拉曼光谱法： 与NIR类似，拉曼光谱法通过光散射提供有关化学成分的信息。

自动化过程控制系统

现代发酵过程通常利用自动化过程控制系统来实时监控和控制关键参数。这些系统通常由传感器、控制器和执行器组成，它们协同工作以维持最佳的发酵条件。

• 传感器： 传感器用于测量关键参数，如温度、pH值、溶解氧和营养物浓度。这些传感器向控制系统提供实时数据。
• 控制器： 控制器分析来自传感器的数据，并对过程参数进行调整，以维持所需的设定点。
• 执行器： 执行器用于实施控制器发出的指令。例如，执行器可以控制营养物的流速、酸或碱的添加量，或搅拌器的速度。

制定发酵质量控制计划

一个全面的发酵质量控制计划应包括以下要素：

1. 确定关键控制点（CCP）： 识别发酵过程中那些必须进行控制以防止或消除食品安全危害或确保产品质量的关键点。例如设备灭菌、纯种培养物接种以及监控温度和pH值。
2. 建立关键限值： 为每个CCP设定可接受的限值。这些限值应基于科学数据和法规要求。例如，巴氏杀菌温度的关键限值可能是72°C持续15秒。
3. 建立监控程序： 定义如何监控每个CCP，包括监控频率、使用的方法和负责人员。
4. 建立纠正措施： 制定当CCP失控时应采取的纠正措施计划。该计划应包括确定问题原因、纠正问题并防止其再次发生的步骤。
5. 建立验证程序： 定期验证QC计划是否有效。这包括审查监控记录、进行内部审计和执行微生物检测。
6. 建立记录保存程序： 准确记录所有监控活动、纠正措施和验证活动。这些记录应按规定时间保存。

具体行业示例

实施的具体QC措施将根据行业和所发酵的具体产品而有所不同。以下是一些示例：

啤酒酿造

• 麦汁无菌性： 确保麦汁（未发酵的啤酒）在接种酵母前是无菌的。
• 酵母活力和纯度： 监控酵母活力，并确保酵母培养物纯净无污染。
• 发酵温度控制： 在发酵过程中保持精确的温度控制，以达到所需的风味特征。
• 比重监测： 监控啤酒的比重，以跟踪发酵进程并确定何时完成。
• 感官评估： 进行感官评估以检测异味并确保啤酒符合质量标准。

葡萄酒酿造

• 葡萄质量： 评估葡萄的质量，包括糖含量、酸度和pH值。
• 二氧化硫（SO2）管理： 向葡萄汁中添加SO2，以抑制不良微生物的生长并防止氧化。
• 发酵温度控制： 在发酵过程中保持精确的温度控制，以达到所需的风味特征并防止发酵停滞。
• 苹果酸-乳酸发酵（MLF）： 监控MLF的进展，这是一种将苹果酸转化为乳酸的二次发酵，可降低酸度并使葡萄酒口感柔和。
• 过滤和稳定： 过滤和稳定葡萄酒，以去除不需要的微生物并防止腐败。

乳制品发酵（酸奶、奶酪）

• 牛奶质量： 确保牛奶质量高，且不含抗生素和其他污染物。
• 发酵剂纯度和活性： 监控发酵剂的纯度和活性，发酵剂含有发酵所需的特定菌株。
• 温度和pH控制： 在发酵过程中保持精确的温度和pH控制，以达到所需的质地和风味。
• 凝固监测： 监控牛奶蛋白的凝固情况，以确定酸奶或奶酪何时制成。
• 感官评估： 进行感官评估，以评估最终产品的风味、质地和香气。

生物技术与制药发酵

• 无菌保证： 严格的灭菌程序，以防止生物反应器中的污染。
• 细胞培养维护： 精确控制细胞密度、营养供应和环境条件。
• 产品回收和纯化： 采用先进技术分离和纯化所需产品（如抗生素、酶、治疗性蛋白）。
• 质量检测： 全面测试以确保产品的纯度、效价和安全性。

全球法规考量

发酵行业受到各种旨在确保产品安全和质量的法规的约束。这些法规因国家而异，但一些共同主题包括：

• 食品安全法规： 监管发酵食品安全的法规，如HACCP（危害分析与关键控制点）和GMP（良好生产规范）。
• 酒精饮料法规： 监管酒精饮料生产和标签的法规，包括对酒精含量、添加剂和过敏原的要求。
• 药品法规： 监管药品生产和测试的法规，包括对无菌性、纯度和效价的要求。
• 环境法规： 监管发酵过程废物处置的法规。
• 标签要求： 对发酵产品进行准确和信息丰富的标签要求，包括成分列表、营养信息和过敏原警告。

发酵公司必须了解并遵守其运营所在国的所有适用法规。这包括及时了解法规变化并实施适当的质量控制措施以确保合规。

发酵质量控制的新兴趋势

发酵质量控制领域在不断发展。一些新兴趋势包括：

• 实时监控： 使用实时传感器和数据分析来持续监控发酵过程并根据需要进行调整。
• 预测建模： 使用数学模型来预测发酵过程的结果并优化过程参数。
• 自动化： 发酵过程的自动化程度越来越高，包括接种、补料和收获。
• 微生物组分析： 使用先进的测序技术来表征参与发酵的微生物群落，并识别潜在的腐败微生物。
• 可持续实践： 关注在发酵过程中减少浪费、节约资源和最小化环境影响。

结论

发酵质量控制对于生产安全、一致和高质量的发酵产品至关重要。通过仔细监控和控制关键工艺参数，实施适当的测试程序，并遵守法规要求，发酵公司可以确保其产品满足消费者需求并为可持续的未来做出贡献。

通过采用这些质量控制技术并紧跟新兴技术，全球各行业可以优化其发酵过程，将风险降至最低，并向全球市场提供卓越的产品。