第3節(jié)發(fā)酵工程及其應(yīng)用01發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)目錄/CONTENTS【從社會(huì)中來(lái)】

青霉素是世界上第一個(gè)應(yīng)用于臨床的抗生素。早期科學(xué)家只能從青霉菌中提取少量青霉素，它的價(jià)格貴如金。隨著高產(chǎn)菌種的選育、發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展等，青霉素步入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。如今，一瓶規(guī)格160萬(wàn)單位的青霉素注射劑的價(jià)格只要1元左右。那么，在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產(chǎn)的呢？通過(guò)發(fā)酵工程生產(chǎn)Part1發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)Thebasiclinkoffermentationengineering發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)Thebasiclinkoffermentationengineering是指利用

的特定功能，通過(guò)現(xiàn)代工程技術(shù)，

生產(chǎn)對(duì)人類(lèi)有用的產(chǎn)品。它涉及

、

等方面。發(fā)酵工程：微生物規(guī)模化菌種的選育和培養(yǎng)產(chǎn)物的分離和提純什么是發(fā)酵工程？01發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)菌種選育擴(kuò)大培養(yǎng)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵配制培養(yǎng)基滅菌接種分離、提純產(chǎn)物獲得產(chǎn)品1.選育菌種（1）目的：獲得_________________性狀優(yōu)良的菌種（2）菌種來(lái)源：從自然界中篩選、

或

。誘變育種基因工程育種（3）實(shí)例：篩選產(chǎn)酸量高的黑曲霉用來(lái)生產(chǎn)檸檬酸；使用基因工程改造的啤酒酵母，加速發(fā)酵、縮短生產(chǎn)周期。思考討論：某鎮(zhèn)特產(chǎn)一種美酒，以下是對(duì)該鎮(zhèn)環(huán)境的描述：四面環(huán)山，地勢(shì)低洼，氣候炎熱，具有獨(dú)特的微生物種群，因?yàn)榕c外界的空氣對(duì)流循環(huán)較緩慢，所以微生物種群較穩(wěn)定。這對(duì)你理解發(fā)酵工程中菌種選育的重要性有什么啟示？我國(guó)幅員遼闊,地理生態(tài)環(huán)境多樣，為各種微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了條件，這有利于發(fā)酵工程選育菌種。優(yōu)良的菌種不僅具有健壯，不易退化，其發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，它往往還會(huì)賦予發(fā)酵產(chǎn)品獨(dú)特的風(fēng)味，因此菌種選育環(huán)節(jié)很大程度上決定了生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的成敗。2.擴(kuò)大培養(yǎng)（1）目的：獲得

。更多的菌種（2）原因：工業(yè)發(fā)酵罐的體積一般為幾十到幾百立方米，接入的菌種總體積需要幾立方米到幾十立方米。所以，在發(fā)酵之前還需要對(duì)菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。怎樣擴(kuò)大培養(yǎng)？將培養(yǎng)到增長(zhǎng)速率最快時(shí)期的菌體分開(kāi)，再進(jìn)行培養(yǎng)。3.配制培養(yǎng)基②在菌種確定之后，要

制備培養(yǎng)基。選擇原料反復(fù)試驗(yàn)①類(lèi)型：發(fā)酵工程一般使用液體培養(yǎng)基。

根據(jù)菌種的代謝類(lèi)型，選擇不同的材料配制培養(yǎng)基。③在生產(chǎn)實(shí)踐中，培養(yǎng)基的配方要經(jīng)過(guò)

才能確定。4.滅菌（1）滅菌原因：發(fā)酵工程種所用的菌種大多是

，一旦有雜菌污染，可能導(dǎo)致

。單一菌種產(chǎn)量大大降低（2）

都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的滅菌。培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備例如，在青霉素生產(chǎn)過(guò)程中如果污染了雜菌，某些雜菌會(huì)分泌青霉素酶將青霉素分解掉。5.接種將

的菌種投放到

中。發(fā)酵罐擴(kuò)大培養(yǎng)后分析原因：

雜菌與菌種之間形成種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系使產(chǎn)量下降或雜菌產(chǎn)生的代謝物抑制菌種的生長(zhǎng)使產(chǎn)量下降。6.發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵——發(fā)酵工程的中心環(huán)節(jié)（1）要求：①發(fā)酵過(guò)程中，要隨時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的微生物數(shù)量、產(chǎn)物濃度等以了解發(fā)酵進(jìn)程。②要及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分，要嚴(yán)格控制發(fā)酵溫度、pH、溶解氧等發(fā)酵條件。（2）嚴(yán)格控制發(fā)酵條件的原因：①環(huán)境條件不僅會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)繁殖，而且影響微生物代謝物的形成；②嚴(yán)格控制發(fā)酵條件，有利于使發(fā)酵全過(guò)程處于最佳狀態(tài)。（3）不同發(fā)酵條件的影響實(shí)例——谷氨酸發(fā)酵①在

和

條件下會(huì)積累谷氨酸；②在

條件下則容易生成谷氨酰胺和N-乙酰谷胺酰胺。中性弱堿性酸性（4）現(xiàn)代發(fā)酵工程使用的發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)均有

，能對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度、pH、溶氧量、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行

和

，還可以進(jìn)行

，使發(fā)酵全過(guò)程處于

。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制反饋控制最佳狀態(tài)發(fā)酵罐電動(dòng)機(jī)D1排氣管C3pH計(jì)B3冷卻水排出口C2冷卻夾層發(fā)酵液攪拌葉輪D2生物傳感器裝置B4空氣入口A4放料管A2A3閥門(mén)A1培養(yǎng)物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加入口B1觀察孔B2取樣管B5溫度傳感器和控制裝置C1冷卻水進(jìn)入口裝置編號(hào)主要用途A1-A3A4B1-B5C1、C2C3D1、D2控制培養(yǎng)物以一定速度進(jìn)入、流出發(fā)酵罐，實(shí)現(xiàn)連續(xù)培養(yǎng)控制溶解氧通過(guò)肉眼觀察、儀器檢測(cè)等監(jiān)控發(fā)酵條件以及發(fā)酵過(guò)程，B2處抽取樣品進(jìn)一步檢測(cè)。通過(guò)控制冷水流速調(diào)節(jié)罐溫調(diào)節(jié)罐壓電機(jī)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行攪拌，使微生物與發(fā)酵液混合均勻，加快氧氣溶解以及散熱。7.分離、提純產(chǎn)物方法：①發(fā)酵產(chǎn)品是微生物細(xì)胞本身時(shí)，可在發(fā)酵結(jié)束之后，采用

、

等方法將菌體

和

；②發(fā)酵產(chǎn)品是代謝物時(shí)，可根據(jù)

采取

的

、

和

措施來(lái)獲得產(chǎn)品。過(guò)濾沉淀分離干燥產(chǎn)物的性質(zhì)適當(dāng)提取分離純化8.獲得產(chǎn)品啤酒味精1.微生物菌種資源豐富，選擇發(fā)酵工程用的菌種時(shí)，需要考慮哪些因素？①在低成本的培養(yǎng)基上能迅速生長(zhǎng)繁殖；②生產(chǎn)所需代謝物的產(chǎn)量高；③發(fā)酵條件易控制；④菌種不易變異，退化等。2.怎樣對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行調(diào)控以滿(mǎn)足微生物的生長(zhǎng)需要？【思考?討論】發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)分析

要對(duì)溫度、pH和溶解氧等發(fā)酵條件進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其適合微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)及時(shí)添加必需的營(yíng)養(yǎng)組分。4.在進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，排出的氣體和廢棄培養(yǎng)液等能直接排放到外界環(huán)境中嗎?為什么？不能

因?yàn)樵谶M(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)時(shí)，微生物及其代謝物中都可能含有危害環(huán)境的物質(zhì)。

為了減少或避免污染物的產(chǎn)生和排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，應(yīng)該對(duì)排出的氣體和廢氣培養(yǎng)液進(jìn)行二次清潔或滅菌處理。01目錄/CONTENTS一、在食品工業(yè)上的應(yīng)用微生物最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域產(chǎn)量和產(chǎn)值都居于發(fā)酵工業(yè)的首位1.生產(chǎn)傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品，如醬油、各種酒類(lèi)等實(shí)例1：生產(chǎn)醬油大豆黑曲霉蛋白質(zhì)水解成小分子的肽和氨基酸淋洗、調(diào)制醬油實(shí)例2：釀酒谷物或水果釀酒酵母酒類(lèi)二、發(fā)酵工程的應(yīng)用

啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程

我國(guó)是世界上啤酒的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。啤酒是以大麥為主要原料經(jīng)酵母菌發(fā)酵制成的，其工業(yè)化生產(chǎn)流程如下圖所示。其中發(fā)酵過(guò)程分為主發(fā)酵和后發(fā)酵兩個(gè)階段。酵母菌的繁殖、大部分糖的分解和代謝物的生成都在主發(fā)酵階段完成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發(fā)酵的溫度和發(fā)酵的時(shí)間隨啤酒品種和口味要求的不同而有所差異。發(fā)酵工程的應(yīng)用Applicationoffermentationengineering啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程發(fā)芽12焙烤3碾磨4糖化大麥水糖化罐大麥種子發(fā)芽，釋放淀粉酶。加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活。將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉。淀粉水解形成糖漿。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程Theindustrialproductionprocessofbeer蒸煮56發(fā)酵7消毒8終止產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對(duì)糖漿滅菌。酵母菌將糖轉(zhuǎn)化為酒精和CO2殺死啤酒中的大多數(shù)微生物，延長(zhǎng)它的保存期。過(guò)濾、調(diào)節(jié)、分裝啤酒進(jìn)行出售。糖漿啤酒花過(guò)濾冷卻裝瓶裝罐儲(chǔ)存罐2.討論（1）酵母菌酒精發(fā)酵過(guò)程中為什么要“先通氣后密封”？（2）啤酒生產(chǎn)中，發(fā)酵是重要環(huán)節(jié)，發(fā)酵后期，如果密封不嚴(yán)，會(huì)使啤酒變酸，你知道這是發(fā)生了什么變化嗎？“通氣”的目的是使酵母菌進(jìn)行有氧呼吸大量繁殖；“密封”的目的是使酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵產(chǎn)生酒精。酒精在醋酸菌的作用下被氧化產(chǎn)生乙醛，最后變?yōu)榇姿?。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程發(fā)芽焙烤碾磨糖化蒸煮發(fā)酵主發(fā)酵消毒終止后發(fā)酵完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。主發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間進(jìn)行后發(fā)酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。啤酒的工業(yè)化生產(chǎn)流程Theindustrialproductionprocessofbeer1.啤酒的發(fā)酵過(guò)程分為_(kāi)______和_______兩個(gè)階段；2.主發(fā)酵階段完成______________________________________；3.后發(fā)酵的條件________________________________；4.焙烤的目的：________________________________；5.蒸煮的目的：主發(fā)酵后發(fā)酵酵母菌的繁殖、大部分糖分解和代謝物的生成低溫、密閉的環(huán)境下儲(chǔ)存一段時(shí)間加熱殺死種子胚但不使淀粉酶失活產(chǎn)生風(fēng)味組分，終止酶的進(jìn)一步作用，并對(duì)糖漿滅菌思考討論討論1.與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，在下面啤酒的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中，哪些工程手段使啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量明顯提高?

菌種的選育、對(duì)原材料的處理、發(fā)酵過(guò)程的控制、產(chǎn)品的消毒等，都有助于提高啤酒的產(chǎn)量和品質(zhì)。討論2.現(xiàn)在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一般不添加食品添加劑、不進(jìn)行過(guò)濾和消毒處理等。有人認(rèn)為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業(yè)”啤酒更健康，你怎么看待這個(gè)問(wèn)題？“精釀”啤酒是小規(guī)模釀造產(chǎn)品，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低和價(jià)格高，卻依然有著市場(chǎng)需求，我們?nèi)绾无q證地看待大規(guī)模生產(chǎn)與小規(guī)模制作？

應(yīng)該辯證地看待這一產(chǎn)品。一方面，這類(lèi)產(chǎn)品具有多樣化的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足一些人對(duì)獨(dú)特口感的需求，或者滿(mǎn)足一些人的時(shí)尚追求。另方面，這類(lèi)產(chǎn)品是手工作坊式生產(chǎn)的，存在啤酒品質(zhì)不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴的問(wèn)題。一.發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)增加食物的營(yíng)養(yǎng)，改善食品的口味、色澤和品質(zhì)，延長(zhǎng)食品的保存期。2.生產(chǎn)各種各樣的食品添加劑食品添加劑的作用：實(shí)例1：檸檬酸檸檬酸是一種食品酸度調(diào)節(jié)劑；可以通過(guò)黑曲霉的發(fā)酵制得；實(shí)例2：味精由谷氨酸棒狀桿菌發(fā)酵可以得到谷氨酸；谷氨酸經(jīng)過(guò)一系列處理就能制成味精。常見(jiàn)的食品添加劑添加劑類(lèi)型舉例酸度調(diào)節(jié)劑L-蘋(píng)果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5'-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環(huán)狀糊精、結(jié)冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶3.生產(chǎn)酶制劑①常見(jiàn)酶制劑α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、氨基肽酶、脂肪酶②酶制劑應(yīng)用食品的直接生產(chǎn)、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程、改善產(chǎn)品的品質(zhì)和口味、延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期和提高產(chǎn)品產(chǎn)量等。③酶制劑來(lái)源少數(shù)由動(dòng)植物生產(chǎn)；絕大多數(shù)通過(guò)發(fā)酵工程生產(chǎn)。二、在醫(yī)藥工業(yè)上的應(yīng)用1.采用基因工程的方法，將植物或動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移到微生物中，獲得具有某種藥物生產(chǎn)能力的微生物。①利用經(jīng)過(guò)基因改造的微生物生產(chǎn)生長(zhǎng)激素釋放抑制激素；②利用基因工程改造的微生物生產(chǎn)疫苗。將病原體的某個(gè)或某幾個(gè)抗原基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)奈⑸锛?xì)胞，獲得的表達(dá)產(chǎn)物就可以作為疫苗使用。如某種乙肝疫苗的生產(chǎn)。

青霉素的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)推動(dòng)了發(fā)酵工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。發(fā)酵工程可以生產(chǎn)抗生素、氨基酸、激素和免疫調(diào)節(jié)劑等。

基因工程、蛋白質(zhì)工程等的廣泛應(yīng)用給發(fā)酵工程制藥領(lǐng)域的發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。2.直接對(duì)菌種進(jìn)行改造，再通過(guò)發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。實(shí)例：青霉素高產(chǎn)菌株的培育3.未來(lái)還可能利用微生物生產(chǎn)過(guò)去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等化合物。通過(guò)誘變的青霉菌發(fā)酵生產(chǎn)青霉素三、在農(nóng)牧業(yè)上的應(yīng)用1.生產(chǎn)微生物肥料（1）微生物肥料利用了微生物在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸、生物活性物質(zhì)等來(lái)增進(jìn)土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)。（2）種類(lèi)：利用根瘤菌和固氮菌生產(chǎn)的根瘤菌肥、固氮菌肥。（3）有的微生物肥料可以抑制土壤中病原微生物的生長(zhǎng)，從而減少病害的發(fā)生。2.生產(chǎn)微生物農(nóng)藥①微生物農(nóng)藥的作用機(jī)理：利用微生物或其代謝物來(lái)防治病蟲(chóng)害②實(shí)例：③防治類(lèi)型：生物防治微生物或代謝產(chǎn)物防治病蟲(chóng)害種類(lèi)蘇云金桿菌80多種農(nóng)林害蟲(chóng)白僵菌玉米螟、松毛蟲(chóng)井岡霉素一種放線菌產(chǎn)生的抗生素水稻枯紋病3.生產(chǎn)微生物飼料①原理：微生物含有豐富的蛋白質(zhì)（如細(xì)菌的蛋白質(zhì)含量占細(xì)胞干重的60%~80%），且繁殖速度快。②實(shí)例1——細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)過(guò)程：以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業(yè)的廢液等為原料，通過(guò)發(fā)酵獲得了大量的微生物菌體，即單細(xì)胞蛋白。單細(xì)胞蛋白應(yīng)用：可以作為食品添加劑、微生物飼料等。其中微生物飼料能使家畜、家禽增重快，產(chǎn)奶或產(chǎn)蛋量顯著提高。單細(xì)胞蛋白成分：不僅含有豐富的蛋白質(zhì)，還含有糖類(lèi)、脂質(zhì)和維生素等物質(zhì)。③實(shí)例2——乳酸菌

在青貯飼料中添加乳酸菌，可以提高飼料的品質(zhì)，使飼料保鮮，動(dòng)物食用后還能提高免疫力。四、在其他方面的應(yīng)用1.解決資源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題隨著對(duì)纖維素水解研究的不斷深入，利用纖維廢料發(fā)酵生產(chǎn)酒精、乙烯等能源物質(zhì)已取得成功。2.將極端微生物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐①極端微生物：自然界中還存在著一定數(shù)量的極端微生物，它們能在極端惡劣的環(huán)境（高溫、高壓、高鹽和低溫等環(huán)境）中正常生活。②舉例：嗜熱菌、嗜鹽菌可以用來(lái)生產(chǎn)洗滌劑；嗜低溫菌有助于提高熱敏性產(chǎn)品的產(chǎn)量。發(fā)酵工程正滲透到幾乎所有的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在助力解決

和

等方面的重大問(wèn)題上，作出了越來(lái)越大的貢獻(xiàn)。糧食、環(huán)境、健康能源截止2015年，我國(guó)生物發(fā)酵生產(chǎn)年總值近2900億元，產(chǎn)品總量位居世界第一。我國(guó)是名副其實(shí)的發(fā)酵大國(guó)（1）生產(chǎn)檸檬酸需要篩選產(chǎn)酸量高的乳酸菌

（

）（2）谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)在酸性條件下容易形成谷氨酰胺和N－乙酰谷氨酰胺

（

）（3）發(fā)酵工程生產(chǎn)條件